唐悅

除了耳熟能詳?shù)闹袊?guó)古代四大發(fā)明中的火藥和造紙術(shù)，古代勞動(dòng)人民在染色、釀造、冶金等方面的智慧結(jié)晶也充分體現(xiàn)了化學(xué)對(duì)文明的深刻影響。

同樣來(lái)源于對(duì)事物的觀察和體驗(yàn)，文人騷客士大夫們則用一套感性的思維模式做出詮釋，寫下一首首為后世傳唱的佳作。因此在古詩(shī)詞這樣的藝術(shù)創(chuàng)作中，我們也能窺見(jiàn)處于那些時(shí)代下的科技水平以及人們理解世界的方式。本期我們就聊聊中國(guó)古詩(shī)詞中的化學(xué)。

千錘百煉鑄真身

日常生活里最讓人印象深刻的化學(xué)反應(yīng)首先涉及形態(tài)或顏色的變化。

關(guān)于形態(tài)，明代于謙《石灰吟》中“千錘萬(wàn)鑿出深山，烈火焚燒若等閑”便描述了制備生石灰的過(guò)程?！俺錾钌健睂懙氖情_采石灰?guī)r，即碳酸鈣（CaCO₃）;而“烈火焚燒”則是將石灰石在高溫下煅燒，分解生成二氧化碳（CO₂）和生石灰（氧化鈣/CaO）。石灰和石灰石是重要的建筑材料，也是如今許多工業(yè)的重要原料。生石灰（CaO）與水反應(yīng)放出大量熱量，稱為石灰的熟化，得到的產(chǎn)物即熟石灰氫氧化鈣Ca（OH）₂，熟石灰吸收空氣中的二氧化碳后又能變成碳酸鈣。這首詩(shī)托物言志，將石灰賦予了人的品格，表達(dá)了堅(jiān)強(qiáng)不屈和清白正直的氣節(jié)。

碳酸鈣（CaCO₃）在自然界中廣泛存在，除了石灰?guī)r這類礦物來(lái)源，還有譬如珍珠這種生物來(lái)源的。杜甫的《客從》“客從南溟來(lái)，遺我泉客珠。珠中有隱字，欲辨不成書。緘之篋笥久，以俟公家須。開視化為血，哀今征斂無(wú)”中“開視化為血”一句描述珍珠化為“血水”的現(xiàn)象，雖然這里有文學(xué)夸張的成分，意在表達(dá)統(tǒng)治階級(jí)對(duì)勞動(dòng)人民的殘酷剝削，但珍珠確實(shí)是一種短命的寶物。出土的文物中幾乎沒(méi)有珍珠這一事實(shí)也可見(jiàn)它的不穩(wěn)定性，成語(yǔ)“人老珠黃”同樣是拿珍珠比喻人，形容青春如同珍珠一樣經(jīng)不起時(shí)間的考驗(yàn)。

造成珍珠不穩(wěn)定的原因是碳酸鈣的同質(zhì)多象現(xiàn)象，指化學(xué)組成相同的物質(zhì)，在不同的物理化學(xué)條件下，能形成幾種不同結(jié)構(gòu)的晶體。組成珍珠的碳酸鈣晶體即文石，屬斜方晶系，通常呈白色、黃白色，有玻璃光澤。但文石并不穩(wěn)定，常轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ǖ娜骄档姆浇馐?，它們的結(jié)晶形態(tài)和光澤大不相同，這是導(dǎo)致珍珠變色的關(guān)鍵原因。因此在自然界中，文石遠(yuǎn)少于方解石，物以稀為貴，珍珠的價(jià)值也正體現(xiàn)在它的獨(dú)特而短暫的物理化學(xué)特性上?；瘜W(xué)里常說(shuō)的“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”，可見(jiàn)一斑。

石灰石打造的地下城

五彩繽紛繪美圖

關(guān)于顏色，有無(wú)數(shù)詩(shī)句勾畫著芬芳世界的嫣紅姹紫：從“映日荷花別樣紅”到“霜葉紅于二月花”，從“萬(wàn)紫千紅總是春”到“應(yīng)是綠肥紅瘦”，有“亂花漸欲迷人眼”，也有“落紅不是無(wú)情物”;有“遙知不是雪”的梅，也有“暗暗淡淡紫，融融冶冶黃”的菊……豐富的色彩與詩(shī)人們充沛的情感渾然一體，使后人每每睹物，便有幸跨越時(shí)空與創(chuàng)作者在精神上引起共鳴。

石灰石

而這些豐富有層次的情感對(duì)應(yīng)的五彩斑斕的花卉世界其實(shí)大多來(lái)自于一類名為花青素的物質(zhì)。這類多酚的骨架是高度共軛的2-苯基苯并吡喃陽(yáng)離子，使得電子離域在整個(gè)分子范圍。以常見(jiàn)的矢車菊素（Cyanidin）為例，當(dāng)外部pH（酸堿度）變化時(shí)，分子能通過(guò)酚和醌的轉(zhuǎn)化和電子離域接受或失去1～3個(gè)質(zhì)子，從而展現(xiàn)出不同的顏色，如在酸性環(huán)境下（pH<3）的紅色，到中性偏酸的紫色pH=6～7、再到中性偏堿的藍(lán)色pH=7～8，以及堿性環(huán)境下（pH>8）的青黃（見(jiàn)右側(cè)兩圖）。

亭亭玉立的荷花綻蕾盛開

花青素分子

pH試劑

當(dāng)然，除了花青素，還有“青出于藍(lán)，而勝于藍(lán)”的靛青;從茜草、紅花提取的茜素紅、紅花苷;從梔子、姜黃中提取的藏花素、姜黃素;從櫟樹中得來(lái)的鞣質(zhì)……這些植物色素都為古代染色工藝的發(fā)展帶來(lái)了巨大的貢獻(xiàn)。

在古詩(shī)詞中顏色常用花來(lái)形容，與花卉一樣斑斕的，還有煙火。如唐代蘇道味《正月十五夜》中的“火樹銀花合，星橋鐵鎖開”，還有宋代辛棄疾《青玉案·元夕》中的“東風(fēng)夜放花千樹，更吹落，星如雨”。除了花以外，煙花還常被比作星辰，這當(dāng)然是古人形容煙花最直觀的方式。但煙花和星辰的關(guān)系或許并不如你預(yù)想的那么簡(jiǎn)單，它們之間有著遠(yuǎn)超直覺(jué)的聯(lián)系。

綻放中的五彩煙花

得益于四大發(fā)明之一的火藥，煙花作為火藥的衍生品，相關(guān)的記載最早出現(xiàn)于宋代。煙花的色彩來(lái)源于原子內(nèi)部的電子在受到外部能量激發(fā)后，從能量較低的軌道（基態(tài)）躍遷至能量較高的軌道（激發(fā)態(tài)），而處于高能級(jí)的電子并不穩(wěn)定，很快躍遷回原來(lái)的軌道，這部分能量差以光的形式放出，當(dāng)光的波長(zhǎng)在可見(jiàn)光范圍內(nèi)時(shí)（400nm～800nm），火焰便有了顏色。這一過(guò)程稱作“焰色反應(yīng)”，不涉及電子在原子間的轉(zhuǎn)移（價(jià)態(tài)變化或者化學(xué)鍵的生成和斷裂），所以本質(zhì)上是一個(gè)物理現(xiàn)象，但它卻在分析化學(xué)中有著舉足輕重的應(yīng)用。

在煙花中，我們知道放入鉀鹽能使其呈現(xiàn)紫色，銅鹽呈現(xiàn)藍(lán)綠色，鈉鹽呈現(xiàn)金黃色……每種元素都有它特定的顏色。而當(dāng)把光譜從可見(jiàn)光拓展至更大范圍的電磁波譜，不同原子或離子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)的原子光譜所表現(xiàn)出的差異性就更大了?？梢哉f(shuō)，原子光譜是原子的“指紋”，它直接告訴科學(xué)家們所分析的對(duì)象里有什么元素以及它們的比例。

因此，當(dāng)觀測(cè)的對(duì)象是數(shù)百光年外的星體時(shí)，光譜成為了一種極其重要的實(shí)驗(yàn)工具。通過(guò)觀測(cè)得來(lái)的吸收線和發(fā)射線，天體化學(xué)家能推測(cè)出恒星或星際云的元素豐度、化學(xué)組成及溫度，人類理解宇宙的方式又因此多了一個(gè)維度。

想必我們的祖先在制造出第一枚煙花，并看它在夜空中升起、綻放，感慨煙花如星辰時(shí)，一定不會(huì)想到他也為后人打開了一扇直通浩瀚星辰的大門。

化學(xué)在歷史熔爐中升溫

化學(xué)搭建著連通物理、生物、材料學(xué)的橋梁，服務(wù)于社會(huì)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)乃至王朝更替。早在華夏文明伊始的堯舜禹時(shí)代，古文獻(xiàn)上就記載著人們冶鑄青銅器，之后在夏商周和春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，青銅器達(dá)到了它的鼎盛時(shí)期，延續(xù)了近1600年。在先秦文學(xué)里，不乏描述由青銅制造的鼎和其背后禮樂(lè)思想的詩(shī)句。秦漢時(shí)期，隨著禮樂(lè)制度的瓦解和中央集權(quán)的封建社會(huì)建立，代表戰(zhàn)爭(zhēng)和生產(chǎn)力的鐵制品逐漸代替了代表禮樂(lè)的青銅。唐杜牧所寫的“折戟沉沙鐵未銷，自將磨洗認(rèn)前朝”即描寫了赤壁之戰(zhàn)時(shí)留下的鐵質(zhì)遺物，在水和氧氣的存在下生成鐵銹。

事實(shí)上，冶金術(shù)的發(fā)展離不開道教的煉丹術(shù)，也正是人類追求長(zhǎng)生不老的意愿支撐著前人進(jìn)行大膽的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，在無(wú)數(shù)次失敗中累積經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)，為后人提供了第一手的化學(xué)資料。譬如“丹砂燒之成水銀，積變又成丹砂”，就是將硫化汞加熱，與氧氣反應(yīng)生成二氧化硫和單質(zhì)汞，若將硫黃放入水銀，先生成黑色的β-硫化汞，再通過(guò)轉(zhuǎn)化晶型變成紅色的α-硫化汞（丹砂）。

青銅鼎

HgS+O₂→Hg+SO₂

Hg+S→β-HgS→α-HgS

β-硫化汞

α-硫化汞

不可否認(rèn)，因?yàn)闅v史的局限性，用水銀尋求長(zhǎng)壽的方法如今看來(lái)十分荒唐，但不變的是人類永恒追求長(zhǎng)壽的意愿，從草藥到阿司匹林、青蒿素，再?gòu)乃幬镅邪l(fā)到臨床試驗(yàn)，化學(xué)在幫助人類抵御和治療疾病的道路上始終扮演著至關(guān)重要的角色。

氫原子光譜

碳原子光譜

氧原子光譜

從15000年前新石器時(shí)代的火與土的藝術(shù)，到如今這個(gè)冠以陶瓷（china）之名的國(guó)家（China），科學(xué)在不被世人所認(rèn)知的時(shí)代，就以實(shí)踐的形式參與了大量生產(chǎn)和創(chuàng)作。縱觀人類的整個(gè)科技史，科學(xué)理論也許會(huì)被不斷地證偽，但不變的是人類的好奇心和理解世界、解釋世界的欲望。

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者李政道曾言：“科學(xué)和藝術(shù)是不可分割的，就像一枚硬幣的兩面，它們共同的基礎(chǔ)是人類的創(chuàng)造力，它們追求的目標(biāo)都是真理的普遍性。”詩(shī)人和藝術(shù)家們用感性的方式詮釋世界，在他們眼里，世界的樣子或許是混沌又統(tǒng)一的，是神秘且魅惑的，是解構(gòu)且離散的，又或者是嬌媚的，是巍峨的，甚至是無(wú)法言說(shuō)的。對(duì)數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家而言，他們看到的世界是有邏輯之美的，對(duì)稱、簡(jiǎn)潔、自洽和統(tǒng)一的;對(duì)化學(xué)家和生物學(xué)家而言，世界又可能是處處復(fù)雜多變卻又能歸納和創(chuàng)造的。

我一直相信人類多元智力的本質(zhì)是創(chuàng)造力和想象力，高等的智慧總能融會(huì)貫通，希望讀者能在感受詩(shī)歌韻律和意境之美的同時(shí)，也能體會(huì)到化學(xué)之美。

（責(zé)任編輯/王蓓? 美術(shù)編輯/劉強(qiáng)）