借用汉代青铜蒸馏器提取的三种蒸馏实验素材

顾晔

摘要： 在参考考古学家马承源先生“汉代青铜蒸馏器的考古考察和实验”一文的基础上，提取汉代青铜蒸馏器可供开发的实验素材，并与不同时代蒸馏装置进行比较和分析，旨在帮助学生进一步理解蒸馏、分馏和水蒸气蒸馏的原理、操作事项以及三种蒸馏方式之间的差异。本例从我国古代的科学文化中发掘教学素材和促进学生对传统科学文化的了解等方面做出初步尝试。

关键词： 蒸馏; 分馏; 水蒸气蒸馏; 青铜蒸馏器; 实验素材  文章编号： 10056629（2019）6009304      中图分类号： G6338      文献标识码： B

当代科学脱胎于西方文明这一母体[1]，整部科学发展史几乎是一部西方近代发展史，这也是科学史融合于我国理科教学的障碍之一。在西方的初等教育中，教学内容的背景文化层次与所对应的学生的年龄相一致，而我国学生的成长背景是东方文化，是否可以尝试选取我国传统科技发展的相关素材融入教学？李约瑟曾提出从公元前1世纪到公元15世纪，在把人类的自然知识应用于人的实际需要方面，中国文明要比西方文明有效得多[2]。本文尝试从上海博物馆收藏的“汉代青铜蒸馏器”中提取适合高中化学“蒸馏”的相关教学素材。

1 汉代青铜蒸馏器简介

20世纪末，上海博物馆时任馆长马承源先生撰写了“汉代青铜蒸馏器的考察和实验”一文，介绍了上海博物馆收藏的一件汉代青铜蒸馏器（图1）。经过对其构造、

装饰等方面的鉴定，这件青铜器应为西汉晚期至东汉早期的器物，出土地点不详，由马先生从上海冶炼厂的废铜中拣选后发现，另有一类似的汉代蒸馏器存放于安徽省博物馆（天长县汉墓出土）。

该青铜器的整体形象与汉代用釜、甑组合成的“甗（图2）”相似，经马承源先生测量，甑釜合体通高455cm（455cm的高度不含盖，蒸馏器盖业已遗失，后来马先生因实验需要分别做了高10cm和13cm的盖子）。青铜蒸馏器上方“甑（图3）”体高211～223cm，内径262～299cm，凝露室容积7500mL，在甑内壁的下部（图4）有常见的箅（箅径177cm，箅的网格形孔较小，为12与11根筋条交叉铸成），另有一圈穹形的斜隔层（弧形边宽26～29cm），可积累蒸馏液（贮料室容积1900mL），而且弧形边的上面和甑壁连接处形成一周槽，槽道上开有一空洞，洞外连铸一个向下倾斜的排流管（注： 汉代“甗”没有排流管）向外导流，排流管长41cm，内径1～13cm;下部“釜（如图1、图5下所示）”体高262cm，口内径174cm，腹外径311～313cm，注液管长67cm，直径38～42cm，注液管下端至底部实测容积10500mL[4]。

2 用汉代青铜蒸馏器进行蒸馏实验

装置分析

“汉代青铜蒸馏器”上方的甑与一般汉式甑（如图2上部所示）的不同是，它除了有网格形的箅以外，在箅的上面与内壁连铸有一周微呈凸弧形的边和箅之间形成了一个特殊的空间，蒸发的气体通过箅孔遇甑壁冷凝成液体后流向槽道聚集起来，通过排流孔排出甑外，这就是一个蒸馏的过程。

实验1： 烧酒、黄酒的蒸馏浓缩

为了保护文物的安全，马承源先生按图1做了一个青铜质的复制品[6]，分别用515°烧酒和155°黄酒为蒸馏原料直接置于釜中加热蒸馏（室温： 11℃），为了增强冷却效果还在盖上浇有冷水和盖湿冷的布块（类似圖6中水冷作用）。实验结果： 蒸馏出烧酒794°、黄酒425°。可见，该青铜蒸馏器对高度、低度酒液能起到蒸馏的作用，但该实验并不是用来证明我国汉代就有制作蒸馏酒的工艺[7]。

“蒸馏”教学的素材提取

在高中化学的化学实验基本操作部分，可以通过不同时代蒸馏装置（如表1所示）的比较，概括蒸馏装置的共同之处和各自的特点，进一步了解蒸馏的原理和装置特征，也可以帮助学生进行相似概念的辨析。例如，蒸馏和蒸发最大的区别是，蒸发只是溶剂的气化，而蒸馏却是加热气化和冷凝的联合操作。这种联合操作的发展可以从表1的比较中得到启发： 不同时代的蒸馏装置在热源选择、冷凝方式上各有不同，但都包括加热装置和冷凝装置。

3 用汉代青铜蒸馏器进行分馏实验

装置分析

实验1的蒸馏过程中该蒸馏器的“储料室”（在“箅”的上面与内壁连铸有一周呈微凸弧形的边和箅之间形成了一个特殊的空间）并没有起到太大作用。考虑到乙醇和水的沸点差异并不大（相差约22℃，小于25℃），如果在“储料室”内填放密集的填料，釜内的酒液与其他待蒸馏的液体加热后通过填料层，可以起到简单的分馏作用[10]，即酒液蒸气一部分上升冷却后冷凝，另一部分在填料层（起到“分馏柱”的作用）内回流后再上升冷凝，二者混合后可以提高酒液的纯度。

实验2： 用纱布、丝瓜筋做“填料”进行分馏

马先生为了验证分馏作用[11]，用5kg的98°崇明老白酒做原料，对是否用填料做了若干对比实验，其中一组实验数据摘录如下：

（1） 纱布填料。当馏出液体积0～200mL时，不用纱布做填料蒸出酒406°，而用三层纱布做填料后蒸出酒496°。

（2） 丝瓜筋填料。当馏出液体积0～100mL时，不加填料蒸出酒194°，而用高度为10cm的丝瓜筋做填料后蒸出酒364°。

从上述实验2的结果可以看出，汉代青铜蒸馏器已经部分具备了分馏的效能。

“分馏”教学素材的提取

“蒸馏”和“分馏”是学生易混淆的两个概念，而就装置而言，“分馏柱”是二者最大的差别，分馏装置一般有“分馏柱”，马先生用“纱布”、“丝瓜筋”这些生活中常见物品代替了分馏柱，这是对分馏操作理解后最直接的迁移，即知道了“分馏柱”是用来做什么的，分馏的混合物各组分的沸点相差一般不大，简单“蒸馏”较难做到完全的分离，而“分馏柱”的作用是提供了一个不断冷凝回流的“场所”。青铜蒸馏器中的“纱布”、“丝瓜筋”与“分馏柱”一致之处便是增大了接触面积并延长了蒸馏的时间，这就是“蒸馏”和“分馏”最大的区别。无独有偶，乌尔斯塔督（Ulstadius）在1525年所作的介绍西方早期蒸馏技术的著作Coelum philosophorum中给出了早期酒精蒸馏罐[12]的图片（图7），显示出较为原始的分（精）馏柱。

4 用汉代青铜蒸馏器进行水蒸气蒸馏

装置分析

不同于蒸馏和分馏，在利用汉代蒸馏器进行水蒸气蒸馏时，“釜”中盛放的不是待蒸馏物品，而是水，起到水蒸气发生的作用（类似图8左侧的部位6和图9的下部）;在“储料室”上放置待蒸馏的物品（如传统中草药、香料等），下方釜加热产生的水蒸气对其分解，产生水蒸气蒸馏作用，这与大庆师范学院张欣等在“一种新型水蒸气蒸馏装置的设计及应用”一文[13]中的改进装置更加类似（如图9所示）。此时需要将甑（图1上部）上的排流管与釜（图1下部）上的注液管对应地连接起来，并加以有效的密封（防止水蒸气等逸散）。

蒸馏的结果可以将中草药或香料中的高沸点物质在100℃馏出，从而避免蒸出物的分解。

实验3： 对天然香料的水蒸气蒸馏

马先生用桂皮和茴香等天然香料放在储料室中进行水蒸气蒸馏，结果分别蒸出了沸点为240～260℃（原文中标注的沸点是24～26℃[14]，经查其原文后的参考文献《化学药品辞典》第152页，桂皮油沸点是240～260℃[15]）的黄色桂皮油和沸点为160～220℃的黄色茴香油。

“水蒸气蒸馏”教学素材的提取

水蒸气蒸馏与普通蒸馏相比最大的区别就是“水蒸气发生”装置和“安全管”。青铜蒸馏器通过上端排流管和下端注液管的连接解决了水蒸气“发生”的问题（甚至可以看作是对图9装置的一种启发，当然此处只是巧合！），但没有额外的“安全管”装置，是否需要呢？这样的比较和思考可以帮助深入了解水蒸气蒸馏的特点。如果是完全密闭的蒸馏装置，水蒸气大量的产生势必导致容器内压强的急剧上升，则“安全管”装置就不可或缺，如果青铜蒸馏器无法解决这个问题，用该装置进行水蒸气蒸馏的假设是不成立的;如果能够解决（可能与青铜材质有关），该青铜蒸馏器的设计不得不说是巧夺天工，这个问题虽然只有用汉代青铜蒸馏器做过该实验的马先生能够回答，但对三套装置（图1、图8和图9）的比较本身即可深化对水蒸气蒸馏原理、操作注意事项的理解。

5 结语

综合马承源先生设计的3个与“蒸馏”有关的实验，这件汉代青铜蒸馏器的用途可能是多方面的，既可以蒸馏酒，又可以蒸馏草药中的有效成分（具体用途有待进一步考证），其中涉及的多种蒸馏技术加以合理加工可以用于“物质分离提纯”的新授课教学，也可以用于相关化学史校本课程的教学素材，甚至对部分大学基础实验课程的教学也是有启发的。

应用中国本土化的科学史素材不仅更加符合我国学生的认知发展规律[16]，也可以促进学生对中国传统科技文化的认识。华觉明在《中国三十大发明》的序言中也提到：“漠视、贬低本国、本民族发明创造的成就，无视前人、后人的智慧和创新精神（虛无主义）”和“夸大甚至虚构本国、本民族的发明创造业绩，忽视甚至无视其他国家和民族的创造力和聪明才智（沙文主义）[17]”均不可取。作为一线教师，从我国古代的科学发展史中发掘教学素材是颇具开拓意义和深远意义的，任重而道远！

致谢： 感谢南京大学教育研究院博士生导师张红霞教授在开发中国传统科学史教学资源等方面对笔者的启发和支持！

参考文献：

[1][2][4][6][10][11] 李约瑟. 张卜天译. 文明的滴定[M]. 北京： 商务印书馆， 2016. 176.

[3] 马承源. 汉代青铜蒸馏器的考古考察和实验[J]. 上海博物馆集刊， 1992， （6）： 174～182.

[5] 林夏. 海昏侯墓出土蒸馏器， 中国白酒历史提早千年？ [EB/OL]. （2015-12）. https：//www. thepaper. cn/newsDetail_forward_1403904.

[7] 罗志腾. 我国古代的酿酒发酵[J]. 化学通报， 1978， （5）： 53～56.

[8] Distillation by Retort [EB/OL]. （2005-12）. https：//commons. wikimedia. org/wiki/File： Distillation_by_Retort. png.

[9][12] 柏廷顿著. 胡作玄译. 化学简史[M]. 北京： 中国人民大学出版社， 2010： 175.

[13][14] 张欣等. 一种新型水蒸气蒸馏装置的设计及应用[J]. 化学教育， 2007， （11）： 49.

[15] 高铦编译. 化学药品辞典[M]. 上海： 上海新亚书店， 1951： 152.

[16] 张红霞. 教育重演论与中国教育改革[J]. 教育研究， 1998， （2）： 60.

[17] 华觉明， 冯立昇. 中国三十大发明[M]. 郑州： 大象出版社， 2017.