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中国古代化工与化学元素概念的萌生和发展
叶铁林
一、引言
化学元素是宇宙万物之本，更是地球大千世界的物质基础。研究古代化工史，当然必需从研究化学元素开始，因为化学元素是客观存在的物质基础。化学元素从概念的萌生、发现至今已经确定了余种化学元素。它们是从古至今逐渐被发现的，有些化学元素自有人类就不断发现和使用。有很多化学元素在古代就已发现、使用并得到确认。如金、银、铜、铁、锡、铅、锑、汞、碳、硫、氧等元素。由于历史久远，不易确定具体的发现者和发现年代。但是，在追溯中国化工史的历史长河中，可以看到这些化学元素在中国的显现，或许也可证实是中国最早。还有一些化学元素已有确凿证据，证实是中国人首先发现，而不是一些文献中记述的发现者。这些史实在记述中国化工史时，有必要予以纠正，以彰正确史实交付后人。这也是史学的责任，本文就是本着这种原则和精神记述的。
化学工业和其他工农产业一样，都是在生产实践中产生和发展的。有了古代化工的生产实践，近而产生了化学元素概念的萌生、发现和发展，进而上升到理论，产生了古代化学。简言之，先有了古代化工而后产生了古代化学也就是有了古代化工史，同时也有了化学史。
二、古代化工与化学元素概念的萌生
（一）古代化学元素概念的萌生
所谓化学元素的概念，在古代即把元素视为构成一切实物的最简单的组成。
从地球形成之日起，其中万物就离不开组成它们的一百多种化学元素。而从有人类之前各种化学元素就以单质和化合物形式存在，直至今日组成了缤纷的大千世界。然而古代人类并没有意识到化学元素的概念，只是从应用的角度认识物质。石器时代，知道石头是一种物质，可以制做工具，并不知道其中的钙元素、硅元素、碳元素……及其单质和化合物。但这一百几十种元素都是客观存在的。因此，研究化工史、研究化学史都有必要从研究化学元素开始。这个概念在古代就已萌生，即把自然现象的无限多样性统一，并且在所有的物体中寻找一个统一。
公元前年，我国西周时期的《易经》，就从人们生活中经常接触到的八种物质，作为说明世界上其他更多物质的根源，即天、地、雷、火、风、泽、火、山。公元前至年，到了我国春秋、战国时代，学术气氛更加浓厚，已是百家争鸣和百花齐放的年代，物质组成的论述也纷纷出现。如《老子》、《管子》、《庄子》中分别讲述的“道”、“水”、“气”都表示了万物之源。我国战国时期的五行学说，预示了金、木、水、火、土是万物之源。这些寻求万物的统一之源，可以视为最早化学元素概念在我国的萌生。
（二）古代化冶工业使元素概念更加明朗
春秋战国时期出现的炼丹术和之后的冶金术，可以视为我国最早的化冶工业。直到明、清时期一定规模的冶金工业使元素的概念更加明朗。在此期间化工、冶金的发展中，有很多元素是我国首先发现，许多史书有明确的记载。而现代文献中都无一记述，更未被引用，而延用西方错误的文献，这是极不正常的。除无记载确切发现者，而是我国首先发现的元素之外，还有一些元素为中国人首先发现，如最突出的砷、锌和镍元素。砷、锌、镍元素的发现我国确凿的史料证实，比西方文献引用的发现者早了上千年。在记述中国化工史时，不能不加以纠正，以正本清源。
三、古代化工冶金工业与化学元素的发现
（一）碳元素的发现
碳是自然界中分布最广泛的元素之一，以碳单质存在的，如金刚石、石墨和球碳。以化合物存在的碳就更为广泛了，如木炭、焦炭、煤、有机物等。随着火的发现，在石器时期，人类已经广泛使用火，在使用树木为燃料的同时也就得到了木炭，发现了木炭。距今万年万年生活在北京周口店的北京猿人，在其生活的山洞里就发现了大量石器和木炭。经古植物学家鉴定，认为是紫荆木烧成的，经化学分析结果证实了其中存在碳单质。北京人不仅制造了较为复杂的石器，而且掌握了“火”的使用。人类用火是人类进化史上的一个里程碑，也是碳发现的开始。
由石器时代进入青铜器时期，木炭不仅被人类用做燃料，而且被用做还原剂。年我国河南安阳出土的周代（前至前年）冶炼铜的地方发掘了大量木炭。
据《汉书·地理志》记述“豫章郡出石，可燃为薪”。这种可燃之石，显而易见是煤。我国考古学家在山东平陵县发现的汉初冶铁遗址，发现了煤块。说明了我国西汉初期即公元前年左右，已用煤炼铁。而欧洲用煤比我们的祖先至少晚了一千年。这不仅说明我们的祖先已知使用碳的化合物，而且也知道其中的碳元素。早在我国晋朝，生产炭黑已十分兴盛，用以制墨原料。我国是最早生产炭黑的国家。综上所述，我国是发现碳元素最早的国家。
（二）金、银元素的发现
金元素在自然界多以单质存在，是人类最早发现的元素之一。我国祖先对金的认知较早，使用领先。我国早在春秋战国时期之前已有金矿开采。商代（约公元前世纪至世纪）黄金的淘洗和加工已有很高的水平。河南辉县商代古墓中就发现了金叶片。安阳殷墟中出土了克的金块和厚度仅毫米的金箔。
银元素在自然界多以化合物存在，或与金、汞、锑、铂成合金，单质较少。而且发现也比金晚，含银的辉银矿常与铅矿共生。我国古代的银大都从含银的粗铅中提炼而得到。
我国古代金、银多被用来制做饰品和货币。我国使用金银货币可追溯到夏虞以前，即公元前世纪至公元前世纪。《史记》中就有记载“夏虞之币，金为三品，或黄或白或赤。”其中黄即金，白即银，赤为铜。我国古代的金字，在东汉文字学家许慎（约公元年年）所著的《说文解字》中解释为：“五金黄为之长，久薶不生衣，百炼不轻，从革不违，西方之行，生于土，从上左右注，象在土中形，今声”。这说明我国古代不仅发现金元素，而且知道金元素的性质：不生锈，不氧化而减轻等。对银的性质也有同金元素同样的了解，称之为白金即银元素。我国汉朝末年炼丹家魏伯阳（公元年）著有《周易参铜契》是世界上最为古老的炼金术著作，也是最早的科技专著。书中说：“金入猛火，色不夺精光”。说明金有高度的化学稳定性，可依此作为鉴定金单质的依据。我国是发现金、银元素较早的国家，比铜、锡、铅、铁、锌各元素都早。而且对金、银元素的了解和利用也是领先的，可以追溯到公元前年之前。
（三）铜及其锡、镍元素的发现
铜其本色为紫红色而且有光泽。常见的青铜为铜锡合金，黄铜为铜锌合金，白铜为铜镍合金。铜元素多以合金、化合物存在于自然界，单质较少。
在新石器时代与青铜器时代之间，有一个铜石并用的时代，此时的铜器是红铜，紫红色有光泽，即纯铜。在我国发现的典型红铜器，是在甘肃齐家文化遗址和墓葬中发现的大量铜器。根据的测定，距今约年。证明了我国发现铜元素至少在年之前。我国冶炼和使用铜的合金的年代很早。在河南省安阳武官村出土的“司母戊”大铜鼎也铸造于年前的殷代。证明了我们的祖先早在年前就已掌握了炼铜技术，而且技艺高超。根据化学分析，“司母戊”是由铜、锡和铅的合金组成。
锡的熔点比铜低，在自然界多以锡石()存在，用木炭还原锡石即可得到锡的单质，比炼铜较易，因此，可以推断炼锡比炼钢、炼铁要早。而青铜器熔化温度又比铜低，这就使青铜器的制做比铜容易。在我国安阳殷墟发掘出土有成块的锡单质。把锡按不同比例加到铜中冶炼即可得到青铜。
我国战国时代《周礼·考工记》里，记述了青铜炼制的加锡比例：“金有六齐，六分其金，而锡居一，谓之中鼎之齐，五分其金而锡居一……”这里的金即铜，齐即合金。这表明我国在两千多年前就了解铜、锡元素的性质，并且有制造青铜器的高超技艺。我国古代大量的铜镜，就是青铜制品。因其有“热缩冷胀”的性质，也常用青铜制造铜像。从青铜器的制造过程，也可看出并证明，我国当时已经发现了锡元素而且得到了锡单质。
除青铜外，还有黄铜，即铜锌合金；白铜，即铜镍合金。都是我国领先生产的。并且说明，我国对锌、镍的发现和了解也是领先和较早的。尤其是铜镍合金——白铜，更是我国古代杰出的科技成就。云南是白铜的故乡，唐、宋时期已大量销往国外。波斯人称白铜为“中国石”。年法国出版的《中国帝国全志》一书中写道：“……白铜只有中国有，也只见于云南省”。这说明，我国不仅铜发现较早，而且镍元素也是领先发现的，镍元素的发现和使用也远早于年瑞典的发现者克朗斯塔特。应该记述为世纪中国化学家发现镍元素。
（四）汞的发现
汞是常温下呈液态的金属，我国俗称水银。我国发现和使用水银均较早，据文献记载，在秦始皇（公元前前年）死之前，一些王侯在墓葬中已使用水银。如齐桓公（公元前年死）葬于山东临淄县；吴王阖闾（公元前年死）葬于苏州虎丘，都倾水银为池。汉朝史学家司马迁（约公元前年）编著《史记秦始皇本记》中记述着：“葬始皇郦山……以水银为百川……机相灌输……”。其意为，在葬秦始皇时，墓穴里灌入水银，形成江、河、大海，以防腐蚀。这说明，我国在公元前世纪之前已经发现汞，并且可以制得大量汞单质。
我国古代不仅发现了汞和大量制取汞，而且还使汞得到广泛的应用。如将汞作为医药。长沙马王堆汉墓出土的帛书中有《五十二病方》，约出于战国时期。其中四个医方应用了水银。此外，我国古代医药巨著《神农本草经》中，记有：“丹砂能化为汞”。其意是说，将丹砂即硫化汞，在空气中焙烧，可得汞，其反应式为：↑。这不仅说明对汞的应用广泛，而制法也是多样的。也说明对汞及其性质均有深刻的认知。
（五）铁的发现
铁在地球上多以化合物存在，单质铁在自然界极为罕见，加之铁的熔点很高（℃），使得比铜、锡等金属难以炼制，因此，发现和利用较晚。从考古发掘结果来看，江苏六合县程桥镇春秋时期墓穴出土的铁条、铁丸和河南省洛阳市战国时期灰坑中出土的铁锛，是我国最早的铁制品。证明了我国春秋战国时期已发现铁，并且掌握铁的冶炼和铸造技术，比欧洲发现和使用铁制品约早了年。我国炼铁和炼钢均在公元后有较大发展，此后钢铁制品的应用也比较普遍。
四、中国人最早发现砷、锌元素
关于锌、砷元素的发现者，迄今为止，许多书刊文献资中，尤其是西方国家的文献，都著录锌是年德国人马格拉夫( )首先发现；砷是年德国人马格纳斯( .)首先发现。这些文献的来源多为德国，与中国文献的记载完全不同，是不符合史实的。传播这些信息的人，没有查阅过中国文献，了解是偏面的，应该纠正。在记述中国化学化工通史时，有责任正本清源。中国有许多文献清楚而详尽地记述了锌、砷发现的年代和史实，可以作为确凿的依据。
（一）锌元素的发现
年（明朝）宋应星成书的《天工开物》，在世界广为流传，是最早的工业技术专著之一。其中详细地记述了炼锌的工艺过程：“凡倭铅古书本无之，乃近世所立名色。其质用炉甘石熬炼而成，繁产山西太行山一带，而荆衡为次之。每炉甘石十斤，将载入一泥罐内，封裹泥固，以渐砑干，勿使见火拆裂。然后逐层用煤炭垫盛，其底铺薪，发火锻红，罐中炉甘石熔化成团。冷定毁罐取出，每十耗其二，即倭铅也。此物无铜收伏，入火即成烟飞去。以其似铅而性猛，故名曰倭云”。这里所说的炉甘石是碳酸锌所形成的菱锌矿，倭铅即锌。碳酸锌在罐内受热分解。形成氧化锌。氧化锌与“煤炭饼”中碳作用被还原成锌。锌的沸点较低，只有℃，如果不和铜结合，“入火即成烟飞去”。这是金属锌冶炼技术的最早记录。而锌元素的发现的实际年代要比《天工开物》成书年代要早。
欧洲在世纪开始了解到锌是一种金属元素，而到世纪中叶才知道锌可以从菱锌矿炼制而得到，而且一直没有掌握锌的冶炼技术，长期从中国进口锌。世纪年代英国人才从中国学会炼锌的方法。西方学者也会公认，中国生产锌早于欧洲四百多年，而发现锌那更早了。目前许多文献中所记述的，锌元素的所谓发现者马格拉夫，则迟至年才发现锌。比中国发现锌至少迟了年。
（二）砷元素的发现
关于砷，在我国葛洪（约公元年，别名抱朴子）的《抱朴子·仙药》一书中，明确记述了制取单质砷的方法：“又雄黄……饵服之法，或以蒸煮之；或以酒饵；或先以硝石化为水乃凝之；或以玄胴肠裹蒸之于赤土下；或以松脂和之；或以三物炼之，引之如布，如白冰。……”这里所说的雄黄()以及雌黄、砒石等天然产物，在此之前就早为我国古人所熟知。葛洪列举了种处理天然雄黄的方法，即一是蒸煮，即用沸水或水蒸气使之分解，生成氧化砷；二是制成黄酒；三是用硝酸钾溶解它，生成砷酸钾（）；四是在玄胴肠（猪肠）和赤土（氧化铁）存在下，用水蒸气分解；五是制成雄黄松脂的混合剂；六是将硝酸钾、猪肠和松脂三物共炼。硝酸钾是氧剂，将硫化砷的雄黄转变成氧化砷。猪肠富有动物脂肪，它和松脂都是富碳化合物，在高温下将氧化砷还原成砷。它们的化学反应过程可表示为：
——→
——→
——→↑
以上是葛洪记述的制砷方法，可制得单质砷。此外，还有医药和炼丹家孙思邈记述的制砷方法。
我国隋末唐初的医药家、炼丹家孙思邈（公元年），在他的著作《太清丹经要诀》一书中，也有炼制单质砷的记述：“雄黄十两。末之。锡三两。铛中合熔，出之，入皮袋中揉使碎。入坩埚中火之，其坩埚中安药了，以盖合之，密固入风炉吹之，令埚同火色。寒之，开，其色似金”。这段记述的化学反应过程可表示为：
——→
——→
其中为黑色；为金黄色。
世纪年代，中国科学院自然科学史研究所王奎克、北京大学化学系赵匡华、清华大学化学系郑同、袁书玉等专家，对葛洪的制砷方法进行了模拟实验，结果得到了三氧化二砷和砷单质，说明了葛洪在世纪制得了单质砷，其方法也是确切的，他们的解释是：雄黄在蒸煮时会生成三氧化二砷，玄胴肠是指猪肠，含有大量猪脂，猪脂和松脂在高温下都会炭化生成碳，使三氧化二砷还原为砷。“引之如布”是指三氧化二砷结晶前的状态；“白如冰”是指生成的砷单质，是一种银白色晶体，放置空气中会变为银灰色。
有些文献，尤其是西方化学史文献，记述最早从砷化合物中分离出单质砷，也就最早发现砷的是世纪德国哲学家阿尔图斯·马格努斯（ ）。事实上，这不是他的真实姓名，而是西方人的一种尊称。他的真实姓名是冯·博尔斯塔德伯爵（ ），是一位通晓自然科学和神学的神职人员和炼金家，著有《炼金术》。他是用双倍重量的肥皂与雄黄共同加热得到单质砷，制砷过程与我国葛洪的制法基本相同。但是发现的时间却比葛洪晚了九百年。
引述，证明锌、砷的最早发现者均为中国学者。其实这也是中、外学术界公认的史实。然而迄今为止，许多文献收刊中，仍然尚未反映这一事实，而延用错误的提法。为尊重史实，弘扬中华文化，本人早在年前就撰文“正名”，并倡议在书刊文献中注释锌、砷元素发现者时，按正确史实标注。即：锌元素发现者为中国化学家，世纪；砷元素发现者为中国化学家葛洪，世纪。