古诗中绽放的化学魅力

唐悦

除了耳熟能详的中国古代四大发明中的火药和造纸术，古代劳动人民在染色、酿造、冶金等方面的智慧结晶也充分体现了化学对文明的深刻影响。

同样来源于对事物的观察和体验，文人骚客士大夫们则用一套感性的思维模式做出诠释，写下一首首为后世传唱的佳作。因此在古诗词这样的艺术创作中，我们也能窥见处于那些时代下的科技水平以及人们理解世界的方式。本期我们就聊聊中国古诗词中的化学。

千锤百炼铸真身

日常生活里最让人印象深刻的化学反应首先涉及形态或颜色的变化。

关于形态，明代于谦《石灰吟》中“千锤万凿出深山，烈火焚烧若等闲”便描述了制备生石灰的过程。“出深山”写的是开采石灰岩，即碳酸钙（CaCO₃）;而“烈火焚烧”则是将石灰石在高温下煅烧，分解生成二氧化碳（CO₂）和生石灰（氧化钙/CaO）。石灰和石灰石是重要的建筑材料，也是如今许多工业的重要原料。生石灰（CaO）与水反应放出大量热量，称为石灰的熟化，得到的产物即熟石灰氢氧化钙Ca（OH）₂，熟石灰吸收空气中的二氧化碳后又能变成碳酸钙。这首诗托物言志，将石灰赋予了人的品格，表达了坚强不屈和清白正直的气节。

碳酸钙（CaCO₃）在自然界中广泛存在，除了石灰岩这类矿物来源，还有譬如珍珠这种生物来源的。杜甫的《客从》“客从南溟来，遗我泉客珠。珠中有隐字，欲辨不成书。缄之箧笥久，以俟公家须。开视化为血，哀今征敛无”中“开视化为血”一句描述珍珠化为“血水”的现象，虽然这里有文学夸张的成分，意在表达统治阶级对劳动人民的残酷剥削，但珍珠确实是一种短命的宝物。出土的文物中几乎没有珍珠这一事实也可见它的不稳定性，成语“人老珠黄”同样是拿珍珠比喻人，形容青春如同珍珠一样经不起时间的考验。

造成珍珠不稳定的原因是碳酸钙的同质多象现象，指化学组成相同的物质，在不同的物理化学条件下，能形成几种不同结构的晶体。组成珍珠的碳酸鈣晶体即文石，属斜方晶系，通常呈白色、黄白色，有玻璃光泽。但文石并不稳定，常转变为普通的三方晶系的方解石，它们的结晶形态和光泽大不相同，这是导致珍珠变色的关键原因。因此在自然界中，文石远少于方解石，物以稀为贵，珍珠的价值也正体现在它的独特而短暂的物理化学特性上。化学里常说的“结构决定性质”，可见一斑。

石灰石打造的地下城

五彩缤纷绘美图

关于颜色，有无数诗句勾画着芬芳世界的嫣红姹紫：从“映日荷花别样红”到“霜叶红于二月花”，从“万紫千红总是春”到“应是绿肥红瘦”，有“乱花渐欲迷人眼”，也有“落红不是无情物”;有“遥知不是雪”的梅，也有“暗暗淡淡紫，融融冶冶黄”的菊……丰富的色彩与诗人们充沛的情感浑然一体，使后人每每睹物，便有幸跨越时空与创作者在精神上引起共鸣。

石灰石

而这些丰富有层次的情感对应的五彩斑斓的花卉世界其实大多来自于一类名为花青素的物质。这类多酚的骨架是高度共轭的2-苯基苯并吡喃阳离子，使得电子离域在整个分子范围。以常见的矢车菊素（Cyanidin）为例，当外部pH（酸碱度）变化时，分子能通过酚和醌的转化和电子离域接受或失去1～3个质子，从而展现出不同的颜色，如在酸性环境下（pH<3）的红色，到中性偏酸的紫色pH=6～7、再到中性偏碱的蓝色pH=7～8，以及碱性环境下（pH>8）的青黄（见右侧两图）。

亭亭玉立的荷花绽蕾盛开

花青素分子

pH试剂

当然，除了花青素，还有“青出于蓝，而胜于蓝”的靛青;从茜草、红花提取的茜素红、红花苷;从栀子、姜黄中提取的藏花素、姜黄素;从栎树中得来的鞣质……这些植物色素都为古代染色工艺的发展带来了巨大的贡献。

在古诗词中颜色常用花来形容，与花卉一样斑斓的，还有烟火。如唐代苏道味《正月十五夜》中的“火树银花合，星桥铁锁开”，还有宋代辛弃疾《青玉案·元夕》中的“东风夜放花千树，更吹落，星如雨”。除了花以外，烟花还常被比作星辰，这当然是古人形容烟花最直观的方式。但烟花和星辰的关系或许并不如你预想的那么简单，它们之间有着远超直觉的联系。

绽放中的五彩烟花

得益于四大发明之一的火药，烟花作为火药的衍生品，相关的记载最早出现于宋代。烟花的色彩来源于原子内部的电子在受到外部能量激发后，从能量较低的轨道（基态）跃迁至能量较高的轨道（激发态），而处于高能级的电子并不稳定，很快跃迁回原来的轨道，这部分能量差以光的形式放出，当光的波长在可见光范围内时（400nm～800nm），火焰便有了颜色。这一过程称作“焰色反应”，不涉及电子在原子间的转移（价态变化或者化学键的生成和断裂），所以本质上是一个物理现象，但它却在分析化学中有着举足轻重的应用。

在烟花中，我们知道放入钾盐能使其呈现紫色，铜盐呈现蓝绿色，钠盐呈现金黄色……每种元素都有它特定的颜色。而当把光谱从可见光拓展至更大范围的电磁波谱，不同原子或离子从激发态回到基态的原子光谱所表现出的差异性就更大了。可以说，原子光谱是原子的“指纹”，它直接告诉科学家们所分析的对象里有什么元素以及它们的比例。

因此，当观测的对象是数百光年外的星体时，光谱成为了一种极其重要的实验工具。通过观测得来的吸收线和发射线，天体化学家能推测出恒星或星际云的元素丰度、化学组成及温度，人类理解宇宙的方式又因此多了一个维度。

想必我们的祖先在制造出第一枚烟花，并看它在夜空中升起、绽放，感慨烟花如星辰时，一定不会想到他也为后人打开了一扇直通浩瀚星辰的大门。

化学在历史熔炉中升温

化学搭建着连通物理、生物、材料学的桥梁，服务于社会生产、经济活动乃至王朝更替。早在华夏文明伊始的尧舜禹时代，古文献上就记载着人们冶铸青铜器，之后在夏商周和春秋战国时期，青铜器达到了它的鼎盛时期，延续了近1600年。在先秦文学里，不乏描述由青铜制造的鼎和其背后礼乐思想的诗句。秦汉时期，随着礼乐制度的瓦解和中央集权的封建社会建立，代表战争和生产力的铁制品逐渐代替了代表礼乐的青铜。唐杜牧所写的“折戟沉沙铁未销，自将磨洗认前朝”即描写了赤壁之战时留下的铁质遗物，在水和氧气的存在下生成铁锈。

事实上，冶金术的发展离不开道教的炼丹术，也正是人类追求长生不老的意愿支撑着前人进行大胆的科学实验，在无数次失败中累积经验与知识，为后人提供了第一手的化学资料。譬如“丹砂烧之成水银，积变又成丹砂”，就是将硫化汞加热，与氧气反应生成二氧化硫和单质汞，若将硫黄放入水银，先生成黑色的β-硫化汞，再通过转化晶型变成红色的α-硫化汞（丹砂）。

青铜鼎

HgS+O₂→Hg+SO₂

Hg+S→β-HgS→α-HgS

β-硫化汞

α-硫化汞

不可否认，因为历史的局限性，用水银寻求长寿的方法如今看来十分荒唐，但不变的是人类永恒追求长寿的意愿，从草药到阿司匹林、青蒿素，再从药物研发到临床试验，化学在帮助人类抵御和治疗疾病的道路上始终扮演着至关重要的角色。

氢原子光谱

碳原子光谱

氧原子光譜

从15000年前新石器时代的火与土的艺术，到如今这个冠以陶瓷（china）之名的国家（China），科学在不被世人所认知的时代，就以实践的形式参与了大量生产和创作。纵观人类的整个科技史，科学理论也许会被不断地证伪，但不变的是人类的好奇心和理解世界、解释世界的欲望。

诺贝尔物理学奖获得者李政道曾言：“科学和艺术是不可分割的，就像一枚硬币的两面，它们共同的基础是人类的创造力，它们追求的目标都是真理的普遍性。”诗人和艺术家们用感性的方式诠释世界，在他们眼里，世界的样子或许是混沌又统一的，是神秘且魅惑的，是解构且离散的，又或者是娇媚的，是巍峨的，甚至是无法言说的。对数学家和物理学家而言，他们看到的世界是有逻辑之美的，对称、简洁、自洽和统一的;对化学家和生物学家而言，世界又可能是处处复杂多变却又能归纳和创造的。

我一直相信人类多元智力的本质是创造力和想象力，高等的智慧总能融会贯通，希望读者能在感受诗歌韵律和意境之美的同时，也能体会到化学之美。

（责任编辑/王蓓  美术编辑/刘强）