古代科学技术成就——火药及炼丹化学

火药的发明发端于炼丹术。炼丹家在炼丹实践中，经常使用硫黄、硝石和含碳的皂角、马兜铃等炼制丹药，丹房失火的事故时有发生。唐代的炼丹家已从中认识到，硫黄、硝石、碳混合在一起，遇火后会引起燃烧或爆炸。这三种药物的混合物就是初始的黑火药。大约在晚唐时，军事家从炼丹家手中得到了配制火药的方法，并在军事上加以应用。

初期的火药简单粗糙，威力不大，主要是利用其燃烧性，用来加强火攻的效力。大约在唐哀帝天祐年间（904—907），有人在战争中使用了火箭、火炮。火箭是把火药缚在箭头附近，点燃后用弓射出；火炮是用火药制成类似于炸药包一类的东西，点燃后用抛石机抛射以烧敌。五代时，除火箭外，还制造有火球、火蒺藜等火药武器。

有宋一代，先后承受着北方的少数民族政权辽、金、元南犯的威胁，战争时断时续，与宋代相始终。由于火药的威力较其他兵器为大，故受到特别的重视，火药的质量和火药武器得到较快的发展。在战争中，金、元也都掌握了火药和火器的制造方法，并有所改进和发展。

在北宋曾公亮主编的《武经总要》中，记载有三个火药配方，分别为毒性的、燃烧性的和爆炸性的火药。（图17—6）配方中的基本成分除硫黄、硝石和木炭外，还根据各自的性能添加了多种辅助性的药物。这些配方按定量配制，增加了硝的比例，接近于后世黑火药中硝占的分量，反映了火药配方已脱离了初期的简单粗糙和配制的盲目性，有了比较合理的定量配比。毒性火药配方称“毒药烟球法”，含有巴豆、砒霜等毒药成分，用于向敌阵施放烟幕，使敌方中毒而削弱战斗力；燃烧性火药配方称“蒺藜火球法”，含有沥青、干漆、桐油、蜡等易燃成分，布放于敌骑兵必经之地，以烧伤敌方马匹，阻止敌骑兵的进攻；爆炸性火药配方则称“火炮火药法”，含有松脂、黄丹、砒黄、桐油等成分，但爆炸性能很差，其目的主要是用于火攻，以烧伤敌方兵将。《武经总要》中还记载有一种称为“霹雳火球”的火药武器，其点燃后“开声如霹雳”，用以放烟熏敌人，对付敌方挖地道攻城。“霹雳火球”可能是爆炸性火药武器的初始形式。

宋元时期在火药武器方面的一个突出成就，是管形火器的问世和发展。管形火器的出现是兵器史上的划时代成就，后世的枪炮正是在这基础上发展起来的。管形火器何时发明，现尚未定论，但至迟在南宋时已在战争中使用。最初的管形火器是用竹筒制成的突火枪，随后发展为用铜铸造的铜火铳。现已出土有数尊南宋和元时制造的铜火铳。（图17—7）明代又改铜为铁，口径和炮筒长度都大为增加，成为具有强大杀伤力和破坏力的重型武器。

火药武器方面的另一突出的成就，是自身具有推进和发射功能的火箭的出现。宋元时期已发明了一种利用火药喷射所产生的反作用力，把箭镞射向敌方的火药箭。这是现代火箭的鼻祖，其原理与现代火箭的发射原理相一致。在明代茅元仪的《武备志》卷一三三中，记载有一种名为“火龙出水”的火箭，已是一种两级火箭。它利用四支火箭燃烧后产生的反作用力射出，再引燃火龙口中的火箭，使箭镞射出以击敌。这不能不说是火药利用过程中所取得的一项重大成就。

大约在元时，随着元军的远征以及中外交通贸易的发展，火药和火药武器相继由陆路和海路传到阿拉伯和欧洲。从此，在世界兵器史和军事史上引发了一连串重大的变革。

当然，火药只是炼丹家对化学的一项贡献。中国是炼丹术的发祥地，有着悠久的炼丹历史，炼丹术对人类文化史，特别是对化学的贡献是极其重大的。炼丹术在西方称炼金术，中国的炼丹术大约在公元7—9世纪时传到阿拉伯，又由阿拉伯传入欧洲，促进了阿拉伯和欧洲炼金术的发展。

炼丹术的本意是极其荒谬的，它企图通过化学变化，把各种药物（包括草木和矿物）炼制成“长生不老药”及变贱金属为贵金属，这肯定是不可能实现的。但是炼丹家在长期的炼丹实践中，却从中认识到“变化者，乃天地之自然”，即物质是会发生变化的，物质的变化是自然界的普遍规律，并积累了大量关于物质变化的知识，取得了一系列的化学成就。弗·培根说：“炼金家是在培育着永久的希望，事情不成时，总是归咎于自己的某种错误：不是恐怕自己没有充分了解这个方术或其著作者的语意（因而他就转向对古法和秘传的追求），就是恐怕自己在制炼中在分量上或时间上有毫厘分秒的差池（因而他就把试验无限地重复下去）；而同时，当他在试验过程的一些机会中居然达到一点新的或尚属有用的结论时，他又认真地把它们看做是大功将至，以它们来餍足其如饥似渴的心，把它们极度地张大起来，而尽将余事寄于希望之中。诚然，炼金家们不是没有许多的发现，不是没有带给人们以有用的发明；不过他们的情节却如寓言中所讲的一个老人的故事：那老人以其葡萄园中的窖金遗给诸子，而故称不知确切地点，诸子于是就辛勤地从事于翻掘园地，虽然没有找到什么金子，可是葡萄却由于这次翻掘而变得更加丰茂了。”这段话生动而深刻地揭示了炼丹家的心态、炼丹术的性质和结果。

炼丹术带给人们有用的发现和发明是多方面的。在炼丹著作中，人们可以经常看到“还丹”或“九转还丹”之名称，实际上这不过是红色硫化汞（丹砂）。炼丹家把天然的丹砂置于丹鼎（炼丹炉）中加热，使其分解为汞和硫，汞和硫又会化合为黑色硫化汞，再经加热而升华，回复为红色硫化汞。炼丹家把所得的红色硫化汞称为“还丹”，重复上述过程多次炼制所得的丹砂称“九转还丹”，并用比附的方法，认为人服食了还丹，就会像它一样脱胎换骨，飞升成仙，长生不老。这种认识当然是荒谬的，但还丹利用化学和物理的方法，去除了天然丹砂的杂质，是人类最早通过化学方法制成的产品之一，在汉代就已经制得。汉代时炼丹家利用类似的方法制成的化学产品，还有胡粉（白色碱性碳酸铅）、黄丹（四氧化三铅）等。

在炼丹实践中，炼丹家发现和积累了不少物质的化学性质和性能的知识。如汞化学，铅化学，金、银、铜、铁以及硫黄、碳等的特性。其中，铁对铜盐的置换反应的发现，不论从化学角度还是工业角度看，都堪称是一项了不起的发现。西汉的《淮南万毕术》中记载，“曾青得铁则化为铜”，曾青是天然硫酸铜，其溶液与铁接触，铁离子能置换出硫酸铜中的铜离子，表明了汉代以前炼丹家已进行了置换反应的实验，时间之早是不能不令人惊叹的。这一发现，还为后世的湿法炼铜——胆铜法奠定了实验基础，开创了湿法冶金的先河。后世的炼丹家同样有不少新的发现和发明，如硫酸、硝酸等强酸以及一些强碱剂，都是在唐代就已制成。

通过炼丹活动，炼丹家对于一些矿物也有一定的认识。如晋代的葛洪已了解到碱性碳酸铜有杀菌作用；（图17—8）南朝的陶弘景已经知道用燃烧的方法来鉴别硝石（硝酸钾）：“以火烧之，紫青烟起，云是真硝石也。”这是化学中用火焰法鉴别钾盐的肇始。

此外，炼丹家大都又是医药学家，他们把化学药物应用于医疗之中，促进了医药学的发展。如唐代已用剧毒的汞、砷等化合物来杀灭病原虫和细菌，治疗皮肤病、回归热和疟疾等疾患；用白锡银箔和水银合制成“银膏”来做牙齿的填充剂。这些，在医药学史上都是具有开创性意义的成就。