古人曾根據物質的某些性質對物質進行分類,並企圖追溯其本原及其變化規律。公元前4世紀或更早,中國提出了陰陽五行學說,認為萬物是由金、木、水、火、土五種基本物質組合而成的,而五行則是由陰陽二氣相互作用而成的。此說法是樸素的唯物主義自然觀,用“陰陽”這個概念來解釋自然界兩種對立和相互消長的物質勢力,認為二者的相互作用是一切自然現象變化的根源。此說為中國煉丹術的理論基礎之一。
公元前4世紀,希臘也提出了與五行學說類似的火、風、土、水四元素說和古代原子論。這些樸素的元素思想,即為物質結構及其變化理論的萌芽。後來在中國出現了煉丹術,到了公元前2世紀的秦漢時代,煉丹術以頗為盛行,大致在公元7世紀傳到阿拉伯國家,與古希臘哲學相融合而形成阿拉伯煉丹術,阿拉伯鍊金術與中世紀傳入歐洲,形成歐洲鍊金術,後逐步演進為近代的化學。
煉丹術的指導思想是深信物質能轉化,試圖在煉丹爐中人工合成金銀或修煉長生不老之藥。他們有目的的將各類物質搭配燒煉,進行實驗。為此涉及了研究物質變化用的各類器皿,如昇華器、蒸餾器、研缽等,也創造了各種實驗方法,如研磨、混合、溶解、潔淨、灼燒、熔融、昇華、密封等。
與此同時,進一步分類研究了各種物質的性質,特別是相互反應的效能。這些都為近代化學的產生奠定了基礎,許多器具和方法經過改進後,仍然在今天的化學實驗中沿用。煉丹家在實驗過程中發明了火藥,發現了若干元素,製成了某些合金,還製出和提純了許多化合物,這些成果我們至今仍在利用。
化學的中興
16世紀開始,歐洲工業生產蓬勃興起,推動了醫藥化學和冶金化學的創立和發展,使鍊金術轉向生活和實際應用,繼而更加註意物質化學變化本身的研究。在元素的科學概念建立後,透過對燃燒現象的精密實驗研究,建立了科學的氧化理論和質量守恆定律,隨後又建立了定比定律、倍比定律和化合量定律,為化學進一步科學的發展奠定了基礎。
19世紀初,建立了近代原子論,突出地強調了各種元素的原子的質量為其最基本的特徵,其中量的概念的引入,是與古代原子論的一個主要區別。近代原子論使當時的化學知識和理論得到了合理的解釋,成為說明化學現象的統一理論。分子假說提出了,建立了原子分子學說,為物質結構的研究奠定了基礎。門捷列夫發現元素週期律後,不僅初步形成了無機化學的體系,並且與原子分子學說一起形成化學理論體系。
透過對礦物的分析,發現了許多新元素,加上對原子分子學說的實驗驗證,經典性的化學分析方法也有了自己的體系。草酸和尿素的合成、原子價概念的產生、苯的六環結構和碳價鍵四面體等學說的創立、酒石酸拆分成旋光異構體,以及分子的不對稱性等等的發現,導致有機化學結構理論的建立,使人們對分子本質的認識更加深入,並奠定了有機化學的基礎。
19世紀下半葉,熱力學等物理學理論以入化學之後,不僅澄清了化學平衡和反應速率的概念,而且可以定量地判斷化學反應中物質轉化的方向和條件。相繼建立了溶液理論、電離理論、電化學和化學動力學的理論基礎。物理化學的誕生,把化學從理論上提高到一個新的水平。
到硫酸,不少人認為它是現代化工產品,其實古代就生產了。
我國唐朝人輯錄的煉丹術文集《黃帝九鼎神丹經訣》收錄了東漢(公元25~220)末年煉丹術士狐剛子(又名胡剛子)的“出金礦法”,其中有“煉石膽取精華法”。所謂“石膽”是指硫酸銅的五水結晶體(CuSO4.5H2O),至今在我國還稱為“膽礬”,因為它是藍色,跟膽一樣。“煉石膽取精華法”就是蒸餾膽礬,製取硫酸。因為硫酸銅的五水結晶體在受熱分解後,生成氧化銅(CuO)、三氧化硫(SO3)和水。三氧化硫溶於水就成硫酸,用現代的化學方程式表示:
CuSO4.5H2O→CuO+SO3+5H2O
SO3+H2O→H2SO4
這段原文是這樣:“以土壘作兩個方頭爐,相去二尺,各表裡精泥其間,旁開一孔,亦泥表裡,使精薰,使幹,開爐中著銅盤,使定,即密泥之;一爐中以炭燒石膽使作煙,以物扇之,其精華盡入銅盤。爐中卻火待冷,開取任用。入萬藥,藥皆神”。這裡的“土”就是“土坯”;“精泥其間”是用致細的粘泥密封間隙;“精薰”是慢慢加熱;“煙”是指三氧化硫和水蒸氣化合生成的霧狀氣體;使用“銅盤”,顯然是防止稀硫酸對接受器的腐蝕。
這就是說,在公元2世紀左右,我國已建立“土室法”製造硫酸。但這種方法在我國未被推廣。
13世紀時歐洲德國天主教神父大阿爾伯特(AlbertusMagnus1193~1280)在他的著述中提到過蒸餾綠礬製取硫酸。綠礬是硫酸亞鐵的七水結晶體(FeSO4.7H2O),因色綠而得名。蒸餾綠礬製取硫酸的化學過程和蒸餾膽礬是一致的。因此歐洲人在中世紀稱硫酸為綠礬油。
據歐洲人翻譯的10世紀波斯鍊金術士拉茲(al-Rhazes845~930)的著述中也提到蒸餾綠礬製取硫酸。
中古後期,歐洲資本主義生產關係在封建制度內部生產力發展的基礎上逐漸成長起來,到18世紀歐洲的手工工場向大機器生產過渡,生產促進社會各方面需要硫酸。
1736年,英國人瓦德(Ward,Joshua1685~1761)在英格蘭泰晤士河畔特維肯翰(TwickenWorks),開始較大規模地製造硫酸。
瓦德是一個江湖醫生,1717年曾企圖矇混進入英國國會而被判罪,逃往法國,1733年被赦免返回英國,在特維肯翰從事製造硝石和瓷器,並行醫。他認為格勞伯鹽(Glauber‘sSalts)在醫藥中具有非凡的功效,就想製造它。格勞伯鹽是指硫酸鈉,是17世紀德國化學家格勞伯(Glauber,Joph1604—1670)於1625年在奧地利*附近的礦泉水中發現的。他蒸餾了礦泉水,獲得它的十水結晶體(Na2SO4.10H2O),首先用它作為瀉藥,並認識到它可以利用食鹽和硫酸作用製取,是製取鹽酸的副產品。
瓦德為了製取格勞伯鹽,於是製造硫酸。他採用燃燒硫黃和硝石的混合物製造硫酸,這種方法最早是荷蘭發明家德萊貝爾(Drebbel,Cornelius1572~1633)創造的。法國藥劑師列邁裡(Lemery,Nicolas1645~1715)在1675~1690年發表的著作中提到這一方法,是在反轉過來的大漏斗中燃燒硫黃和硝石的混合物。所以這種方法也叫鐘罩法。瓦德可能是在逃罪往法國期間生活在巴黎附近聖日耳曼(St.Grermain)時學會了這一方法。
瓦德製造硫酸的裝置是具有40—50加侖(英國容量單位,1加侖=4.546L)容量的球形廣口玻璃瓶。操作時在瓶內放置少量水,並放置一個小粗陶器罐,罐上放置一鐵盤,內放硫黃和硝石的混合物,用赤熱的小鐵鏟點燃混合物後用木塞將瓶口塞緊,經過一段時間後重復裝置,直到達到希望濃度的硫酸。
由於生產中產生有害的煙霧,使環境汙染,瓦德的硫酸製造作坊遭到當地居民的反對,在1740年遷到英格蘭北部里士滿(Richmond),並在1749年取得英國專利。瓦德為了保守他的製造秘密,僱用不會英格蘭語的威爾士工人。不過,他還是將秘密告訴了他的朋友帕奇(Page,John),在1763年他死後被公開了。但是當時玻璃吹制工是如何製成如此大容量的玻璃器皿還是個謎。
瓦德的硫酸工場使用了大約100個球形廣口玻璃瓶,使當時的硫酸價格降到每磅2先令6便士(英國貨幣單位)。這相當於以前每盎斯的價格,1磅等於16盎斯,這就是說,使硫酸價格下降了為原價格的1/16。