化学：炼金到革命（三）

燃素说‬

波义耳将元素定义为某种原始的、简单的、一点儿也没有掺杂的物体。元素不能用任何其他物体造成，也不能彼此相互造成。元素是合成所谓完全混合物的成分，也是完全混合物完全分解成的要素。在金属的焙烧实验中，他认为火中的火粒子穿过玻璃被金属吸收，从而推断火有重量，他的解释是火中有重量粒子的固定。约翰·梅奥（John Mayow，1641-1679）认为所有可燃物体都含有“硫素粒子”，燃烧放出的热量是硫素粒子和硝-气粒子剧烈碰撞而产生。（《化学简史》p57-65）

贝歇尔（Becher，1635-1682）认为物体的组成部分是空气、水及三种土质，分别是可燃的油状土、汞状土和可溶的玻璃状土，与硫、汞、盐相对应。燃烧时，油状土被烧掉了。施塔尔（1660-1734）将贝歇尔的油状土改名为燃素，这个词之前已经在同一意义下使用过。燃素是“火质和火素而非火本身”，他从燃烧的物体中做一种快速的转动逸出，包含在所有可燃物中，也包含在能烧成烧渣的金属里面。烧过的产物可复原为原先的物质，只要任何含燃素的物质给它提供燃素。在此之后燃素说得到各种各样的修正以适应观察发现，比如由于烧渣的重量增加而假定燃素有负重量，以及有人解释重量的增加是把空气固定所致等。在老的燃素说中，燃素等价于减氧，后来它有时被假定为氢，如卡文迪什、柯万、普里斯特利等人，或者为光质，如马凯。同时也有许多化学家不接受燃素说，但其好处是可以纳入大量的事实。（p68-71，119-120）

气体与燃烧的研究

赫尔蒙特1630年左右发明气体（gas）这个名词，波义耳可能是第一个收集气体的人，且发现“可燃空气”（氢气），1754年布莱克重新发现“固定空气”（二氧化碳），卡文迪什对固定空气与可燃空气进行研究，首次在水银面上收集可溶气体。卡文迪什把金属和酸的作用表示为：烧渣+燃素+酸=烧渣+酸+燃素（烧渣＋燃素=金属，烧渣+酸=盐，放出的可燃空气就是燃素）（p72、81）

舍勒通过定量实验，发现“空气由两种性质不同的流体组成”，一种不吸引燃素，另一种倾向这种吸引，他分别称为浊空气和火空气，也就是现在所说的氮和氧。他在倒立于热水面的玻璃球中燃烧可燃空气，由于忽略了露珠而找不到化合物，由此假定产物是热，因此热=火空气+燃素。他通过多种办法将热分解为火空气，如加热分解硝酸化合物。（p84-86）

普里斯特利1774年8月1日用火镜加热红色氧化汞制得新空气，并证明其不溶于水，且可助燃使蜡烛发出耀眼的光。他在1775年发现老鼠在这种新空气中活得更久，在自己吸入后他感到轻松畅快，于是建议在医学方面应用。他假定蜡烛燃烧时放出燃素，在密闭容器中燃烧过一些时间就熄灭是因为空气为燃素所饱和。所以一般空气能助燃是因为它只是被燃素部分地饱和，还能再吸收一些燃素。物质在空气中燃烧仅有适度的火焰，然而在新空气中，火焰就特别明亮。所以，普里斯特利推断新气体必然含有燃素极少或不含燃素，因此称之为脱燃素空气。根据同样的理由，他把在一般空气中物体烧完以后剩下的气体命名为燃素化空气：燃素化空气=浊空气=空气+燃素=氮气；脱燃素空气=火空气=空气-燃素=氧气。（p93-94）

普里斯特利于1774年10月在宴会上告诉拉瓦锡（1743-1794）他发现了脱燃素空气，1774年9月30日的来信中舍勒也曾请求拉瓦锡试用或火镜加热碳酸银，并在石灰水吸收后的气体中观察蜡烛的燃烧，1774年11月拉瓦锡试做普里斯特利的实验。拉瓦锡开始时称大气中不可呼吸与助燃的部分为大气的碳气，后称为azote（a-zoon，意为“不适于动物”，但也有其他气体不适于动物生存因而遭到反对，见《剑桥科学史》第五卷），可呼吸与助燃的部分为“纯粹空气”或“真实空气“。他认为燃素学说把火质（燃素）安置在可燃物里是倒置的，他的假说是火质在纯粹空气里。他在1786年发表实验证明热质没有重量。他认为纯粹空气是火质或光和一个基的化合物，燃烧的物体在燃烧时取走这个基，因为燃烧的物体吸引这个基的力量远比热容质为强，于是把与基结合的热质释放出来，表现为火焰、热和光。在《酸的性质及其组成要素通论》中，拉瓦锡称纯粹空气的基为“酸化要素”或“氧素”（principe oxigine），后来改成“oxygène”，这个词是从希腊文中的”酸“和”我产生“而引申出来，称纯粹空气为“氧气”（gaz oxygène）。几乎所有的酸都含有与氧素结合在一起的各种不同的基，一个定量实验中他将糖与硝酸共煮放出亚硝空气（NO）和（气态）“白垩酸”（二氧化碳），并产生草酸，1787年他将“白垩酸”改称“碳酸”。在呼吸方面，拉瓦锡认为吸入肺中的氧气氧化血液中的含碳物质，产生呼出的二氧化碳，动物体热就是这个氧化的化学过程的结果。（p101-106）

化学革命

拉瓦锡把“元素或要素”定义为“分析所能达到的终点”，本质上与波义耳的定义相同，但有更多尝试性的含义。1787年拉瓦锡与几位化学家一起发表了《化学命名法》，把化学物质的命名改变得与新学说相适应，但仍有一些化学家拒绝接受。事实上，他学说中的化学部分很快被大家所接受，但他代替燃素学说的关于火的理论不能被认为是满意的。（p107-109、117-118）

拉瓦锡的《化学纲要》于1789年出版，这是化学史上划时代的事件，如同牛顿对物理学的贡献，因此他也被称为近代化学之父。正当法国大革命爆发，1793年雅各宾党人当政实行恐怖统治，拉瓦锡不幸遇害。天才数学家拉格朗日是这样评价拉瓦锡的：“仅仅一瞬间，我们就砍下了他的头，但是再过一个世纪也未必再有如此的头脑出现。”（《科学的历程》p302-304）

解密炼金术

1.锑的硫

现代早期化学炼金术丁中最著名的人物之一是巴西尔·瓦伦丁（BasiI Valentine），这个笔名很可能源于basileos valens它是希腊语和拉丁语的混合，意为“强大的国王”。瓦伦丁的写作年代不早于16世纪90年代，尽管有些作品可能包含更旱的材料。瓦伦丁作品中最著名的《锑的凯旋战车》于1604年问世，第一部分基本上是理论性的，第二部分则包含着二十多种以锑为基础的实际制剂，描述得似乎非常清晰。《锑的凯旋战车》将帕拉塞尔苏斯学说中的“分离”原则用于锑，以去除其有害的性质，产生有效的药物。瓦伦了首先描述了一种隔离锑的硫（Sulfur of antimony）的方法。他先是制造了“锑玻璃”（vitrum antimonii）——一种玻璃状的物质，通常(危险地)用于催吐。他用醋提取这种玻璃.得到一种红色液体，将液体蒸发成一种黏性的残余物，然后用酒精提取残留物，得到一种甜的红油。这种油据说就是锑的硫，它不再是催吐药或泻药，因为所有毒性都已经分离了。（应当指出的是，在现代早期的术语中，“antimony”一词并作是指今天所称的锑元素，而是指其主要矿石辉锑矿，它是锑的三硫化物。）（《炼金术的秘密》p202-205）

瓦伦丁指示读者研磨锑矿，慢慢地烘烤，直到它变成浅灰色，在坩埚中将这种“灰分”熔化，然后倒出熔融的材料，制造出“一种美丽的黄色透明玻璃”。于是，普林西比将硫化锑烘烤成一种浅灰色的“灰分”。这种灰分——主要是氧化锑——要很费力才能熔化，倒出来时则凝固成一个脏兮兮的灰色团块。经过多次反复尝试，调整了温度、焙烧的持续时间以及灰分保持熔融的时间长度，总是给出同样的不幸结果。正当无计可施之时，他从东欧获得了一个瓦伦丁指定使用“匈牙利锑”的矿石样本，按照和以前完全相同的工序，将其磨碎、烘烤，熔化灰分——这次得到了美丽的黄色透明玻璃。事实证明，占矿石总重量大约1%-2%的少量石英是关键，没有它就不会形成玻璃。瓦伦丁的配方最初总是失败，也许可以使我们得出结论，他的工序是铺误的或虚构的，甚至是他在隐藏“秘密”。但是当他给出的条件得到精确复制时——使用矿石，而不是它在现代化学中的“等价物”——这一工序就会如他所述完全管用。接下来，瓦伦丁告诉读者将玻璃磨成粉末，用醋提取，产生一种红色溶液。这道工序再次失败了。甚至经过数周的搅拌，加入石英所制成的黄色玻璃也没有给醋染上颜色。几天之后，由矿石制成的玻璃只产生了一种浅红色。化学分析的结果令人惊讶:这种红色不是由于任何锑化合物，而是由于醋酸铁，它无疑来自矿石中微量的铁。这种红色材料形成的量极少，似乎不可能令瓦伦丁把它看得那么重。这一次的关键在于，他的配方中有一个细节被忽视了 瓦伦了写道，他先用铁钩搅拌焙烧的矿石，然后用铁棒搅拌熔融的玻璃。锑化合物很快就把铁腐蚀了。因此，瓦伦丁的铁工具用铁化合物改进了他的玻璃。它们所提供的正是他正在分离的"锑的硫"。瓦伦丁的锑的硫实际上根本不含锑，它并不是从锑中提取的，而是从他的实验用具中提取的醋酸铁！普林西比的复制表明，连一些明显不大可能为真的化学/炼金术说法也是基于实际的实验室操作。（p206-209）

2.十二把钥匙

巴西尔·瓦伦丁的第一本书《论古人的伟大石头》，前半部分提出了关于哲人石的一般原理和神秘建议，后半部分带有“十二把钥匙”的附标题，因为它有十二短章，用寓意形式讲述了哲人石的制备，“通往我们前辈的古代石头的大门由此得以打开”。每一把“钥匙”都揭示（和隐藏）了工序的一个部分，这意味着如果读者可以正确地破译秘密语言，他大概就会懂得整个程序。制金文本往往使用类似形式的有待破解的相继步骤或阶段。（p209-210）

第一把钥匙的相应的文本教导说“所有不纯洁的受污染之物都不值得我们研究”。在继续讨论纯洁这一主题时，作者就医生如何清除病体中的疾病发表了评论。与图像直接相关的部分建议说，国王的皇冠应该是纯金，一个贞洁的新娘应该与他结婚。贪婪的灰狼因其名称而隶属于好战的玛尔斯（Mars，火星），但天生却是老萨图恩（Saturn，土星）的孩子，饥肠辘辘地生活在世界的山谷和山脉里。将国王的身体扔在它面前，也许可以从他身上得到营养。当它吞噬国王的时候，再燃起篝火，把狼扔进火中，使之完全燃烧，这样国王便得到了救赎。如果这样做三次，那么狮子就征服了狼，狼身上将不再有什么东西吃；于是我们的身体在我们工作的开始就完成了。（p211）

这幅木刻画显示了国王、他贞洁的新娘以及正在跳过火焰的狼，父亲萨图恩站在一旁。所布这些是什么意思呢？这个谜比较容易解答。文本清晰地描述了一个提纯过程。在金属嬗变的背景下，国王很可能是“金属之王”也就是金。此金（国王的身体）被喂给一匹贪婪的狼，它是萨图恩的孩子。在标准的行星命名中，土星是铅；他的孩子将是某种密切相关的东西，可用来提纯金。答案是瓦伦丁最喜欢的物质——锑矿或辉锑矿。辉锑矿被广泛认为与铅有关，被用来提纯金。凡是见过辉锑矿与金属发生反应的人都会理解为什么会把辉锑矿称为一匹贪婪的狼。熔化时，辉锑矿会以惊人的速度溶解——“吞噬”——金属。证据来自于“因其名称而受制于好战的玛尔斯”这一暗示。在德语中，表示辉锑矿名称的词是“Spiessglanz”，其字面意思是“矛的光泽”，指的是它闪亮的针状晶体。和所有武器一样，矛隶属于战神玛尔斯。今天，这个过程运作得很好。把一块不纯的金扔进熔融的辉锑矿，它几乎会瞬间熔解。金以外的金属会变成硫化物漂浮在表面。锑与金的白色合金沉到熔融物底部，坩埚冷却后很容易将它取回。当这种含金（即狼与它胃中的国王）被烘烤（“燃起篝火，把狼扔进火中"）时，锑会蒸发，留下提纯的金。现在金是纯的，“狼身上将不再有什么东西可吃”；就这样，“狮子（野兽之王=金属之王）征服了狼”。（p212-213）

波义耳成功地破解并且用实验揭示了瓦伦丁十二把钥匙中至少前三把，普林西比也重复实验了这个过程并最终获得成功。对十二把钥匙中第一把的这种考察和复制可以使我们得出四点历史教益。首先，至少某一些讨论制造哲人石头的神秘文本和寓意画的确对其作者完成的实际化学过程进行了加密。第二，这些怪异的象征和寓意画可以得到理性的、有条理的破解，这意味着其作者之所以认真地构造它们，不仅是想掩盖他们的知识，也是为了以一种慎重的方式将其透露给最有天赋从而最有价值的读者。第三，读者们期望这样的语言和意象具有明确可辨的含义；他们力图理解它，至少有一些人成功地复制了这些过程。第四，至少某些制金者显然具有真正卓越的实践技能——即使是今天，巴西尔·瓦伦丁（无论他究竟是谁）也会是一个备受赞誉的实验家。即使使用现代设备，氧化金的挥发也是一项极为困难的需要精湛技艺的操作——而我们这位自称的本笃会修士却在16世纪末相对原始的工作条件下（比如劣质玻璃和炭火）完成了这一惊人壮举。（p221-222）

3.通向哲人石的哲学树

斯塔基代表着17世纪化学/炼金术的缩影。斯塔基的工作属于一个名叫“汞派”（mercurialist）的制金学派。对于汞派来说，实现哲人石的关键是通过一种提纯和“赋予灵魂”（animation）的过程，由普通的汞制备出一种哲学汞。汞派认为，哲学汞和普通的金是制备哲人石的两种初始材料。若密封在哲学蛋中，两者会发生反应，显示出所需的黑色、白色和红色，并产生炼金药。许多汞派（包括斯塔基）的哲人石理论都建立在种子（semina）概念的基础上，这些种子本原可以将物质组织成特定的实体和形式。根据斯塔基的提示，普林西比将这种汞与金混合在一起，产生了一种油状的混合物，把它放在一个形状接近哲学蛋的烧瓶中。将“蛋”密封，埋在沙浴中并加热。几个星期之后，他改变了热量，因为原始文本并未明确指出原先使用的温度。在这段时间内，混合物只是略有膨胀，增加了流动性，然后部分被疣状赘生物所覆盖。最后，在似乎达到正确温度的几天之后，“一天早上我来到实验室，发现混合物一夜之间有了全新的（极为惊人的）面貌。前一天，只有一块灰色的无定形物位于烧瓶底部，然而到了第二天早晨上，一棵闪闪发光、完全形成的树充满了整个容器。”“对于这一景象，我的第一反应是完全不敢相信，在确信自己没有发疯之后，我感到了敬畏和好奇。”想象一下，当17世纪的某位制金者看到这种景象时，他会想到什么。这几乎肯定能强有力地证实他的信念，即哲人汞能够释放、激活和滋养金的“种子”。这可能会立即使他想起以前的作者谈到过金的“生长”和“赫尔墨斯树”。简而言之，这可能会生动和毫无疑问地证明，他已经发现了“国王宫殿的入口”，这是通往哲人石的至关重要的门槛。对历史、学家来说，这棵实实在在的哲学树清楚地表明，至少有某些制金意象尽管看似怪异，却直接源于化学反应物的外观。考虑到这个结果如此具有视觉冲击力，我们可以更好地理解对这条通往哲人石的道路的顽强追求，这类景象必定为继续进行实验提供了巨大鼓励。（p228-238）

主要参考文献

• [英]J.R.柏廷顿《化学简史》

• [美]劳伦斯·普林西比《炼金术的秘密》

• [美]艾伦·G·狄博斯《文艺复兴时期的人与自然》

• 吴国盛《科学的历程》

• 罗伊·波特主编《剑桥科学史》第五卷

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