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第六章、化学理论的应用与发展6.1前言人类为了求得生存和发展，不断地与大自然作斗争，逐步地加深了对周围世界的认识，从而掌握了征服自然、改造世界的本领。经过漫长的历史实践，人类越发善于利用自然条件，并且为自己创造了丰富的物质世界。人类与化工的关系十分密切，无论是在古代或现代都发挥着重要的作用。在古代，引火熟食是人类有史以来的一个了不起的进步；慢慢地发展到炙制药物、酿酒制醋、炼铜冶铁、烧陶制砖、熬油造漆、纺织印染、造纸印刷等一系列化学加工技艺。这些技艺的积累，创造了从古代到中世纪的宝贵遗产，并且也为化学工业的形成，奠定了基础。它们的生产和应用，甚至代表着人类文明的一定历史阶段。古代人们的生活更多地依赖于对天然物质的直接利用，或从中提取所需要的东西。由于这些物质的固有性能满足不了人们的需求,便产生了各种加工技术,把天然物质转变成具有多种性能的新物质，并且逐步在工业生产的规模上付诸实现。到了现代，人们几乎随时随地都离不开化工产品，从衣、食、住、行等物质生活，到各种化学工业，甚至文化艺术、娱乐等精神生活，都需要化工产品为之服务。很多化工产品在人类发展历史中，起着划时代的重要作用。化学工业在人类的生活中变得更加重要，它成为工业革命的助手，从它形成之时起，就为各工业部门提供必需的基础物质；它也成为发展农业的支柱，化学工业推动了农业机械的运用，逐步改善劳动状况，使得人类的生活质量大大提高；它更是战胜疾病的武器，随着各种临床化学试剂和医疗器械的改观，人类的健康有了更可靠的保证；它还是改善生活的手段，它向人们提供了丰富多彩的产品，借助于化学信息记录材料，把人们的视野扩展到宇宙空间、海底深处或深入脏腑内部，甚至于解剖原子结构，为提高人类的精神文明，揭开自然界的奥秘，提供了有利的条件。6.2化学工业发展史自有史以来，化学工业一直是同发展生产力、保障人类社会生活必需品和应付战争等过程密不可分的。为了满足这些方面的需要，它最初是对天然物质进行简单加工以生产化学品，后来是进行深度加工和仿制，以至创造出自然界根本没有的产品。它对于历史上的产业革命和当代的新技术革命等起着重要作用，足以显示出其在国民经济中的重要地位。古代的化学加工在形成工业之前的历史，可以从18世纪中叶追溯到远古时期，从那时起人类就能运用化学加工方法制作一些生活必需品，如制陶、酿造、染色、冶炼、制漆、造纸以及制造医药、火药和肥皂等，随着现代技术的发达，化学工业越来越多地应用到我们现代的生活当中，如无机化学工业，煤化学工业以及石油化学工业等等。下面我们就从传统化学工业和现代化学工业两个方面做些简单的介绍。6.2.1传统化学工业在世界文明发展史中，化学一直伴随着人类的生活，从最早的原始社会到后来的封建王朝，化学工业一直被人们有意或者无意的使用手生活和生产的方方面面。较典型的如制陶、酿造、染色、冶炼、制漆、造纸以及制造医药、火药和肥皂等。而在冶金业与陶瓷业方面，化学工业所取得的成就则是最显著的，所以下文中将主要介绍一下冶金业和陶瓷业的发展史。一、冶炼技术的发展炼丹术又名炼金术，它是近代化学的前身。所以人们称之为原始化学。中国的炼丹术有着悠久的历史，早在战国时期已有关于方士求不死之药的记载。自秦始皇、汉武帝招致方士，寻求长生不老之术以后，炼丹风便开始盛行。炼丹的本意荒谬，它指望借金石的精气，使人长生不老、得道成仙。这种违反自然规律的愿望，当然是不可能实现的。因此，炼丹术实质上是一门伪科学。然而炼丹家们在他们的炼丹活动中，吸取了劳动人民在生产生活实践中的丰富经验，他们在炼丹过程中积累了不少化学知识。如汉代已有用丹砂炼汞的记载，《抱朴子内篇·金丹篇》中已有用金液方（主要成分是水银和氢氰酸）溶解黄金的记载等等。久而久之，就慢慢形成了冶金术。中国冶金是从新石器时代晚期的采石和烧陶发展起来的。由于人们已经能利用近千度高温的陶窑烧制陶器，同时也对木炭的性能逐渐熟悉，因此具备了鎔铸、锻打和冶金的基本条件。采石时不断发现各种金属矿石﹐烧陶窑为金属的冶铸准备了高温炉和在炉内还原条件下冶炼矿石的技术。在甘肃东乡县林家马家窑文化遗址中发现的距今约五千年的青铜刀﹐以及在其他一些新石器晚期遗址中相继发现的早期铜器和铜渣等﹐标志著中国冶金业的诞生。秦所采取的政治经济措施，促进了冶铁业的发展，有利于钢铁技术的进步。始皇陵侧出土的秦代大型铁铧长达三百毫米，重十余斤。近年来河北围场县等地也先后出土秦代铁权。从战国时已用“铁杖”，“铁殳”作兵器看，《史记·张良传》记载夯土使用重一百二十斤的大铁椎，当非虚传。汉代冶铁业较秦有更大发展。西汉中期，武帝刘彻和桑弘羊等实行盐铁官营，全国设立了四十九处铁官，人力物力相对集中，推广先进技术。西汉三大手工业中，冶铁业占着主导地位。《汉书·贡禹传》说：当时“攻山取铜铁，一岁功十万人以上”。实际上包括民间开采以及《盐铁论》所说“家人合会”这类小规模经营方式在内，参与冶炼铜铁的人数远不止此。西汉末年和新莽时期以盗铸论罪的数以十万计，就是证明。在广大群众实践的基础上，汉代出现了规模宏大的冶铁作坊。以河南为例，解放以来，经过普查、发掘和据文献所载，可以确定有冶铁遗址的所在已有十八处，所占面积达数万平方米至十余万平方米。其中，如巩县铁生沟、南阳瓦房庄、郑州古荥镇均经大规模科学发掘。巩县铁生沟发现大量经破碎拣选的矿石和木炭、铁渣，炼炉遗址十八座和藏铁坑、大铁块多件。南阳瓦房庄在三千平方米的发掘区域内，找到三个铸造区和一个炼钢锻造区，发现多个熔炉遗址，“人排”遗迹，大量铁范、泥范和各类铁器、耐火砖等。郑州古荥镇1965年、1975年两次发掘，发现两座大型炼铁高炉遗址，大积铁多块，其中最重者达二十多吨，烘窑十余座和大量泥范、铁器、铁渣、鼓风管、矿石等。温县西招贤村冶铁遗址在一座烘范窑内出土三百多套完整的叠铸泥范。这些重大发现为研究汉代冶铁生产和冶铁技术提供了十分重要的资料。在炼铁技术方面，以古荥冶铁遗址为例，一号高炉炉缸呈椭圆形，面积达8.5平方米，炉高约5-6米，炉容达到50立方米左右，估计日产量有半吨到一吨，在当时技术条件下，这是相当可观的，也是世界上绝无仅有的。椭圆形炉型反映了冶铁工匠增大炼炉产量的重大努力和对鼓风与炉径相互制约关系的深入认识。在古代鼓风器风量、风压较小的情况下，这是扩大炉容，多加鼓风器，使风能达到炉缸中心的一个途径。炉基南面的坑中重达二十余吨的大积铁，证明高炉曾多次修筑、使用。对积铁、铁块和铁渣的分析和计算，证实汉代已有意识在炉料中加入石灰石作熔剂，以降低炼渣的熔点，改善渣的流动性和炉况。汉代的生铁一般是高碳低硅的白口铁。由于炉温增高和熔铸技术的改进，从西汉前期起，就出现质量比白口铁为优的灰口铸铁，如河北满城刘胜墓所出铁缸（车用轴承）就是用灰口铸铁造的。南阳瓦房庄出土的西汉东汉铁釜、浇口各一件则是高磷灰口铸铁。磷份增高，使铁水流动性改善，适用于薄壁大型容器的铸造，即使在现代也还有这样使用的。汉代出现这种新的铸铁材料，应是冶铁工匠有意地加入高磷铁矿或富磷熔剂的结果。特别重要的是，在巩县铁生沟和南阳瓦房庄出土的铁器组织中还发现了质量十分优良的球状石墨（铁生沟铁铲和瓦房庄铁），与现行球墨铸铁国家标准中的一类A级球状石墨相当。球墨铸铁是1947年才在英国研制成功的一种高强度铸铁材料，目前在工业生产中应用广泛。在其研究过程中曾受到韧性铸铁中偶而出现的球状石墨的启发。而我国早在西汉后期已出现了球墨铸铁，可说是冶铸史上的一个奇迹。由于工农业生产和军事活动的需要，使汉代的各种制钢技术得到蓬勃发展。西汉前期刘胜墓所出钢剑，经检验是由块炼铁渗碳反复锻打而成的，由于锻打次数增多，钢的质量比战国燕下都钢剑有明显提高。到了东汉时期，又出现了以炒钢为原料的经“三十炼”的金马书刀和钢刀。《汉金文录》著录的永元错金书刀，铭文为“永元十六年（公元104年）广汉郡工官……卅炼史成长荆守丞主”。1974年山东苍山县出土的东汉钢刀，铭文有“永初六年（公元112年）五月丙午造卅炼大刀吉祥”，为接近共析成份（碳含量千分之八）的高碳钢锻成。稍后一些时期，在东汉中平年间（公元184—189年）又出现具有“百炼清刚”铭文的百炼钢刀。还有另一卓越的制钢工艺——铸铁脱碳成钢，则是从高度成熟的铸铁柔化术衍变而来。通过长期反复的实践，汉代冶铁工匠对于生铁的机械性能随着碳份的高低而变化这一点已有深入的认识。在实践上，他们能够把碳含量达4％左右或更高的铸铁，经过脱碳使内层也消除白口铁的组织，通体都成为高碳钢。这样，就创造了一种在固态下通过高温脱碳处理，把生铁变成钢的先进工艺。郑州东史马出土的东汉铁剪和南阳东汉铁戟等，就是这样制成的。由于生铁在浇注过程中，非金属和金属夹杂物可上浮撇去，金属组织较为纯净。因此，铸铁脱碳后所得到的钢，和现代碳素滚珠轴承钢的质量相近。这种制钢工艺从目前资料看，是我国所独有，很有独创精神。西汉时期钢铁技术最重大的成就是炒钢（或炒铁）的发明。它是在地面上挖出缶状炉缸，内层涂以耐火泥，上置顶盖，做成炒钢炉。冶炼时，将生铁料烧成熔融或半熔融状态，鼓风吹炼并加搅拌，使成为熟铁，或在有控制地脱碳的条件下成为低中碳钢以至高碳钢。流传至今的传统炼钢工艺仍沿用了这种方法。因为它以生铁为原料，价廉易得，生产率高，因此和其它制钢方法相比，有极大的优越性。它的出现和逐步推广改变了整个冶铁生产的面貌，是钢铁发展史上有划时代意义的大事情。炒钢技术及热锻制钢，大大促进了百炼钢的发展，使之进入成熟阶段。巩县铁生沟和南阳瓦房庄都出土有炒钢炉，说明炒钢技术可能在西汉中期或稍迟时已经发明。东汉时期铁器种类增多，锻铁器比铸铁器有明显增加，铜兵器全被铁兵器取代，社会生产力也较西汉有提高，这和炒钢的发明和推广是分不开的。在铸造技术方面，汉代使用铁范和韧性铸铁更加广泛，技术上高度成熟。如南阳瓦房庄出土经检验的铁农具就有八件是韧性铸铁的，并且大都是质量较好的黑心韧性铸铁。它们铸作精细，退火完全，有的和现代韧性铸铁已无原则区别。温县烘范窑出土的叠铸范是战国齐刀币叠铸技术的进一步发展。其中共有十六类铸件，三十六种规格，如各种车马器和权等，最多的一次可铸得八十四件铸件，工艺设计和制作都十分精巧。为了易于清理、打磨，内浇口薄仅2毫米，采用预热铸型浇注。这一技术在解放后多年内仍被一些工厂用以大批量地铸造纺织机、缝纫机的零件。冶铸中的鼓风技术，也有了重大进步。三国时魏国的韩暨在官营冶铁工场中改进和推广应用水排，计其利益比马排、人排增加了三倍。这种鼓风水排，节省了人力、畜力，提高了生产效率，为后代广为流传使用。在冶铸技术方面，汉代以来的各项金属冶炼和加工工艺，在隋唐获得了全面的发展，并且在技术上趋于定型。如百炼钢技术因效率较低，已不常使用。而作为灌钢工艺早期形式的宿铁法则在唐初得到进一步推广，成为冶坊中的常规工艺。传统钢铁技术大约到唐代中期趋于定型，形成了以蒸石取铁，炒铁为柔，生熟相和，炼成则钢为主，辅以渗碳制钢、夹钢、贴钢等冶炼加工工艺的传统钢铁技术体系，其后长期沿用，成为定式。作为古代钢铁史上总结性的技术成果，这一体系采取的正是现代钢铁冶炼由矿石炼得生铁，再由生铁炼钢和熟铁或用生铁、废钢合炼成钢的工艺路线。这进一步证实了中国传统钢铁技术的先进性及其在世界钢铁史上的重要地位。与此相应的是，唐代的农具制作有了重大变革。唐初仍有部分农具是铸铁的。唐中叶后，随着传统钢铁技术体系的形成，炒铁和制钢术普及，农具从铸制发展到锻制。这标志着锻造和铸造在社会生产中地位的转换。近年出土的唐代铁农具（如河南三门峡市出土的唐代铁铁镰，河北易州出土的锄、铲、刀、镰等）就是锻制的，其形式与现在所用手工制作的传统农具已几乎完全一致。农具制作的历史性变革在社会生产中起了重要作用。隋唐以后的铁范铸造技术是承袭着早期铁范的结构形式和铸造方法而发展起来的。虽然农具由铸制改为锻制，但犁镜仍用铁范铸造。此外，失蜡法铸造技术也有了进一步的发展，特别是用于造型复杂的铸像。隋开皇四年（584），武强县丞董钦出资所造佛像即属于失蜡法铸件。唐初铸开元通宝也采用了失蜡法，《唐会要》卷八九引郑虔《会粹》：欧阳询“进样，自文德