主题:最早的炼丹原料和最纯的燃素
作者:历史学的还不错糖衣化学系列——同时欢迎志同道合的朋友加入我们。
上回我们讲到氮氧化物是一种主要的大气污染物,也是硝酸酸雨的主要成因。二氧化硫和氮氧化物一样也是大气污染指数中重点监测的污染物之一,并也是能够导致酸雨的一种大气污染物。虽然酸雨是人类近代文明结出的恶果,但是人类对于硫及其化合物的研究在很遥远的古代就开始了。
黄金之所以宝贵,是因为黄金有不坏之身,同点石成金一样,长生不老一直是人们梦寐以求的事情。秦始皇在同一六国以后,坐拥天下的他,长生不老成了他最大的追求,所以秦皇宫中出现了大量的炼丹方士为秦始皇炼制长生不老药。我国早期的炼丹术是从炼制丹砂开始的,所谓丹砂又称辰砂,是天然的硫化汞。近代著名炼丹家葛洪在《抱朴子内篇》里说丹砂烧之成水银,积变又还成丹砂。虽然葛洪错误的把氧化汞当成了硫化汞,但是他的炼丹术对于医学和制药化学有着重要的引领作用。一直到南北朝,梁代的陶弘景才区分了红升丹(氧化汞)和丹砂(硫化汞)这两种红色丹药。红升丹在相当长的一段时间段内被人们认为是长生不老的仙药,不曾想很多人因此汞中毒。现代人却在学习了有关化学知识后利用其中的化学反应用来防止汞中毒。比如实验室中不慎洒落了水银,或者家用水银体温计被打破,若任由任由水银随便挥发,就会导致汞中毒,人们在洒落汞的位置铺上一层硫粉,让汞和硫化合成为硫化汞可以有效减小汞的挥发。硫除了可以和汞化合时表现氧化性,还可以氧化其他的金属和氢气,比如银首饰在佩戴过程中会变暗,除了银与氧气反应外还有银与空气中少量的硫蒸气反应。
与炼丹术类似的还有炼金术,传统炼金术认为火是万能的化学分离工具,于是在17世纪出现了一种燃素学说的假说。硫磺因为燃烧后剩下的灰烬最少,当时被认为是最纯的燃素。年波义耳在《关于火焰与空气的关系的新实验》一文中叙述了真空中硫磺燃烧的过程。在没有空气的情况下,带有硫磺的的纸卷只冒烟不着火,而一旦进入空气,纸卷马上发出淡蓝色的火焰。没有空气的时候硫磺发生的是三态的变化,有空气时发生的是氧化反应,从而波义耳意识到到空气对于燃烧的重要性。中国人不仅在炼丹的过程中发明了火药,还就发现硫磺燃烧时产生的这种有着强烈刺激性的气味的气体具有漂白性,利用它熏蒸一些中草药可以除虫和有效减少霉变。现在人们依然利用二氧化硫熏蒸的方法漂白一些柳编和草编的东西,但是过度的熏蒸则是有毒的,尤其不能用二氧化硫熏蒸食品。
著名的医药化学家帕拉塞尔苏斯在16世纪也提到二氧化硫的漂白性并证明了硫在硝石里燃烧可以制得硫酸。二氧化硫之所以能被硝石氧化成硫酸说明二氧化硫有还原性。如果你有心的的话,你会发现,尽管二氧化硫有毒,但是在很多高档的葡萄酒的配料表里却见到了二氧化硫。不错,就是二氧化硫!那是因为二氧化硫有比较强的还原性,可以作为一种抗氧化剂和抗菌剂,能更好地保护葡萄酒防止变质。空气中的二氧化硫也会在粉尘的作用下被氧气氧化成三氧化硫,下雨时会化合成硫酸,此时的雨水就是硫酸的酸雨,和硝酸的酸雨一样,这样的雨水会对植物、建筑、雕塑、水源和土壤都产生危害。也正是因为这样,我才需要密切的检测空气中二氧化硫的含量。
空气中的二氧化硫是有害物质,转变成的酸雨也不受人待见,工业上也是利用氧化二氧化硫的方式制备硫酸。硫酸是化学工业三大酸中最重要的无机酸之一,是一种重要的基础化工原料。早期科学家就知道蒸馏白矾和蓝矾可以得到硫酸,目前大多数的国家都是采用硫磺、黄铁矿为主要原料生产硫酸,先用氧气氧化为二氧化硫,再在五氧化二钒的催化下被氧气氧化为三氧化硫,最后用浓硫酸(利用里面的水与三氧化硫反应)吸收得到更大浓度的硫酸。
浓硫酸有区别于其他酸的性质,比如很多酸在空气中放置时,会因为挥发导致它们的质量会减小,但是硫酸非但不减小,质量还要增大,那是因为它有吸水性。更神奇的是它不仅可以吸收现成的水分子,还可以把有机物中的氢元素和氧元素按照二比一的关系提取出来变成水,并且在硫酸稀释的过程放出大量的热。浓硫酸还具有非常强的腐蚀性,能腐蚀大多数的金属和部分非金属单质,但是奇怪的事情又发生了,浓硫酸居然可以保存在铁制的容器中,没错就是铁制,还可以是铝制的呢!那是因为铁、铝遇到冷的浓硫酸是在金属的表面形成了一层致密的氧化物薄膜阻止了反应进一步的进行,在化学上把这种现象叫作钝化。硫酸还被广泛用于金属冶炼、钢铁行业、涂料行业、石油工业、印染、医药、农药等行业。
硫酸制备过程中二氧化硫若进入空气中则成为一种大气污染物,但是空气中二氧化硫的主要来源却是化石燃料的燃烧,尤其是煤的燃烧带来的大气污染物不仅多,成份还比较复杂。每年一到冬天,北方城市开始大面积供暖的时候,雾霾天气就会变得比较严重,这和取暖需要燃烧相当数量的燃煤有着莫大的关系。为了减少大气中二氧化硫的含量,在实验室里我们一般利用二氧化硫酸性氧化物的性质特征,用碱液吸收二氧化硫。工业上也会采用类似方法脱硫,减少二氧化硫的排放。石灰或石灰石脱硫法就是利用石灰或石灰石浆液在吸收塔中吸收烟气中的二氧化硫,得到亚硫酸钙和硫酸钙的混合液,然后通入空气进行氧化、所得的硫酸钙浆料经离心过滤和洗涤后制得成品石膏。此法的优点是吸收剂价格低廉,易于得到,因此在工业得到广泛的应用。石膏则因为在加热和遇到水时会发生性状的变化经常被用来制作各种模型和医疗上用的石膏绷带。
黄色的除了金子还有硫磺,
红色的除了HgS还有HgO,
有臭鸡蛋气味的的硫化氢,
能漂白的刺激性二氧化硫,
二氧化硫易被氧化难还原,
浓硫酸不仅难挥发还吸水,
生熟石膏因形变而能接骨。
石膏还是豆腐制备过程中的凝固剂,在豆浆中加入石膏会促进蛋白质的的聚成,人们称他们成为卤水。在汉语中,天然生成的盐也称为卤。有一类元素被称为卤素,连载进行中,敬请