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《道家炼丹与化学》

之一:道教外丹黄白术与中国古代化学知识



道教外丹黄白术在长期的实践活动中,对中国古代化学知识的产生积累做出了不可磨灭的贡献,促进了中国古代化学的发展。

(1)金丹家在炼丹、炼金实践中使用了大量的无机药物和有机药物,初步掌握了一些元素和化合物的知识,产生了原始化学符号的萌芽。

在炼丹、炼金所使用的药物品种方面,据对历代外丹黄白术文献的不完全统计,金丹家采用了六十多种元素无机物和有机物作为原料:

元素:汞、硫、碳、锡、铅、铜、金等;

氧化物:三仙丹(HgO)、黄丹(PbO)、铅丹(Pb3O4)、砒霜(As4O6)、石英(SiO2)、紫英石(含Mn)、无名异(MnO2)、赤石脂(Fe2O3)、磁石(Fe3O4)、石灰(CaO)等;

硫化物:丹砂(HgS)、雄黄(As2S2)、雌黄(As2S3)、NFDE9石(FeAsS)等;

氯化物:盐(包括戎盐、冰石等,NaCl)郕砂(NH4Cl)、轻粉(Hg2Cl2)、水银霜(HgCl2)、卤碱(MgCl2)等;

硝酸盐:硝石(KNO3或NaNO3);

硫酸盐:胆矾(CuSO4•5H2O)、绿矾(FeSO4•7H2O)寒水石(CaSO4•2H2O)、朴硝(Na2SO4•10H2O)、明矾石(K2SO4•Al2(SO4)3•2Al2O3•6H2O)等;

碳酸盐:石碱(Na2CO3)、灰霜(K2CO3)、白垩(包括石钟乳等,CaCo3)、炉甘石(ZnCO3)、空青(Cu(OH)2CuCO3)、铅白(Pb(OH)2•2PbCO3);

硼酸盐:蓬砂(Na2B4O7)

硅酸盐:云母(H2KAl3(SiO4)3)、滑石(H2Mg3(SiO3)4)、阳起石(Ca(Mg、 Fe)3(SiO3)4)、长石(K2O•Al2O3•6SiO2)、不灰木(石棉,H4Mg3Si2O7)、白玉(Na2O•Al2O3•4SiO2)等;

合金:石(铜锌合金)、白金(白铜、铜镍合金)、白(铅锡合金),各种金属的汞齐等;

混合的石质:高岭土(SiO2Al2O3等)、禹余粮(含褐铁矿和粘土的砂粒)、石中黄子(夹有黄色粘土的砂粒)等;

有机溶剂:醋(CH3COOH)、酒(CH3CH2OH)等。
化学元素的符号、名称、化学式等统称为化学符号系统。它们是化学学科所特有的语言。化学符号系统是化学发展到一定历史阶段的产物,它随着化学在不同历史阶段的发展,改变着自己的具体形式,并且不断地丰富和完善。现代形式的化学符号系统是由瑞典著名化学家贝采里乌斯在1813年首创的,但其历史渊源则要追溯到古代的炼金术和炼丹术时期。在古代,人们往往根据物质的外观特征和某种属性以及产地来给它命名,例如汞像水一样可以流动,有银色光泽,所以称之为水银;孔雀石则以它鲜艳的色泽而得名,石钟乳因产于岩洞中,由外形而得名,高岭石则因产地而得名,其他诸如云母、磁石、不灰木、白金(铜镍合金)、铅白(2PbCO3•Pb(OH)3)、水银霜、灰霜的命名也都是如此。然而在外丹黄白术时期
金丹家为了保密,防止天机泄露,在给物质命名和描述物质之间化学变化时,往往更多地采用隐名和暗语,以及一些象征性的符号来表达。如魏伯阳把水银叫做“河上姹女”,将其易挥发的物理性质描绘为:“灵而最神,得火则飞,不见尘埃,鬼隐龙匿。”《周易参同契•中篇》。在描绘水银具有和其他金属化合形成汞齐的化学性质时说:“太阳流珠,常欲去人,卒得金华,转而相因,化为白液,凝而至坚。《周易参同契•中篇》。”这里“太阳流珠”暗指汞,“金华”指铅,这段隐语意为汞和铅可以相互化合形成铅汞齐。又如,把铅称为“北方河车”,其性质为“内怀金华,被褐怀玉,外为狂夫”《周易参同契•上篇》。

葛洪在其《抱朴子•内篇•黄白》中指出:“凡方书所名药物,又或与常药物同而实非者,如河上姹女,非妇人也;陵阳子明,非男子也;禹余粮,非米也;尧浆,非水也。而俗人见方用龙胆、虎掌、鸡头、鸭錎、马蹄、犬血、鼠尾、牛膝,皆谓之血气之物也;见用缺盆、覆盆、釜NFDDE、大戟、鬼箭、天钩,则谓之铁瓦之器也;见用胡王使者、倚姑新妇、野丈人、守田公、戴文浴、徐长卿,则谓人之姓名也。近易之草,或有不知,玄秘之方,熟能悉解?”王明:《抱朴子内篇校释》,中华书局,1985,第288页。

而且,由于金丹家之间都互相保密,极少交流,在药物的命名方面没有统一的规则,几乎每一个金丹家都有自己的一套隐名。唐代梅彪在《石药尔雅》“释诸药隐名”中就收集了当时常用药物的各种隐名和别名。

外丹黄白术每一药物都有好几个隐名和别名,这些物质的隐名和别名,少则几个,多则十几个。例如:“铅黄华,一名黄丹,一名军门,一名金柳,一名铅华,一名华盖,一名龙汁,一名九光丹”;“朴消,一名东野,一名单丹,一名海末”;“丹砂,一名日精,一名真珠,一名仙砂,一名汞砂,一名赤帝,一名太阳,一名朱砂,一名朱鸟,一名降陵朱儿,一名降宫朱儿,一名赤帝精,一名赤帝髓,一名朱雀”梅彪:《石药尔雅》,《道藏》第19册,第62页……而金丹家最青睐的水银的隐名和别名竟多达二十二个,“水银,一名汞,一名铅精,一名神胶,一名姹女,一名玄水,一名子明,一名流珠,一名玄珠,一名太阴流珠,一名白虎脑,一名长生子,一名玄水龙膏,一名阳明子,一名河上姹女,一名天生,一名玄女,一名青龙,一名神水,一名太阳,一名赤汞,一名沙汞”梅彪:《石药尔雅》,《道藏》第19册,第62页。

与中国金丹术相类似,古希腊和西欧中世纪的炼金家还采用了一些象形的图画符号来表示各种元素和化合物,如⊙代表金,代表银,代表硫黄,代表水银,代表雄黄,*代表卤砂,△代表火,代表水等等。这些物质的隐名和种种符号,虽然给我们今天研究和理解炼金术和炼丹术的内容和意义上带来了许多困难,但它却可以看作是近现代化学符号系统的萌芽和原始雏形。

道教外丹黄白术虽然没有达到长生不死目的,但是在长期的金丹实验中,对上述无机和有机药物的性质、用途和制备方法都积累了许多经验认识,尤其是对一些炼丹、炼金的常用原料诸如汞、铅、硫和砷等单质和化合物的认识较为深入。因此,道教外丹黄白术在汞化学、铅化学、坤化学和硫化学方面取得的成就也特别令人瞩目。

在汞化学中,道教金丹家除了对汞的单质和化合物的性质有比较深入的了解以外,经过不懈地探索,还出色地掌握了汞的升炼技术以及升汞、甘汞的制备方法。

据专家考证参见赵匡华《我国古代“抽砂炼汞”的演进及其化学成就》,《自然科学史研究》1984年第1期。,我国在战国时期已经知道从丹砂中烧炼水银了。许多外丹黄白术著作中都记载了“丹砂化汞”的各种实验。葛洪在《抱朴子•内篇•金丹》中就谈到“丹砂烧之成水银”,其反应过程为〓HgS+O2在空气中加热Hg+SO2〓但葛洪没有提

到具体的实验操作方法。只是在唐人所辑的《黄帝九鼎神丹经诀》(卷一一)中对此方法才有简短的描述和记录:“丹砂、水银二物等分作之,任人多少。(置)铁器中或坩埚中,于炭上煎之,候日光长一尺五寸许,水银即出,投著冷水盆中。然后以纸收取之。”这种方法基本上是低温焙烧法,其化学反应慢,而水银蒸汽易挥发,不仅产量低,而且升炼时工匠常常会中毒。因此到了东汉以后,金丹家就改用在密闭系统中加热分解丹砂,通过冷凝水银的新工艺。其反应过程为〓HgS隔绝空气加热Hg+S
这种新工艺最早是在泥质和铁质的上下釜炼制,采用下火上凝的方式(最早记载于东汉狐刚子的《玉金粉图诀》中,唐代张果撰《玉洞大神丹砂真要诀》也有记载)。但这种烧银法要不断开釜扫取上凝的水银,生产效率低。及至唐代,这一方式便演进成上火下凝的所谓“未济炉”式,所用的升炼设备,最初为简陋的“竹筒式”,到了宋代便改进为“石榴瓶式”(记载于南宋道书《金华冲碧丹经秘旨》中),其后又专门设计制造了未济式铁质水火鼎。在此期间,金丹家为了促进HgS的分解,居然摸索到借助于铜、铁(用铁釜)、铅作为还原剂来促进反应进行。其反应过程为:

HgS+Pb(Cu,Fe)加热PbS(CuS,FeS)+Hg↑

这说明到了南宋时期,我国已经有了水银蒸馏器。及至明代就用大缸、铁质导管制作大型蒸馏器来升炼水银,这时所用的还原剂也改用较廉价的木炭,其HgS分解反应为:

HgS+C加热Hg↑+CS2↑

这种制备水银的工艺在明末宋应星的《天工开物》中有详细记载,并配有插图说明。

参见赵匡华主编《中国古代化学史研究》,北京大学出版社,1985,第128~153页。一千多年来,在道教金丹家的不懈努力下,我国古代“抽砂炼汞”技术不断演进,日趋完善,可以肯定制汞技术的发明和改进是道教外丹黄白术对中国古代化学的一个重大贡献。

关于升汞(HgCl2也称粉霜)和甘汞(Hg2Cl2)的性质和制备方法,道教金丹家也很早就掌握了。金丹家很早就利用水银(或丹砂)与戎盐、白矾或黄矾或另加硝石一起升炼,就可以得到这两种白色晶体。据文献考证结合模拟实验研究表明参见赵匡华《关于中国炼丹术和医药化学中制轻粉、粉霜诸方的实验研究》,《自然科学史研究》1983年第3期。

,我国约在东汉时便制得甘汞,署名长生阳真人撰的《太清金液神丹经》里的“作霜雪法”原文见《太清金液神丹经》卷中第四,《道藏》第18册,第754页。用水银、硫黄、盐等物一起升炼,就得到甘汞。及至东晋时,金丹家已用水银、硫黄、盐、硝石为原料升炼得到了升汞,丹经《神仙养生秘术》中就有记载。隋代以后则普遍把矾引入制取这两种汞制剂的配方。这两种丹药后来都成为重要的医疗药物,清代时把升汞定名为“白降丹”,是广泛应用的疡科药,甘汞仍称为轻粉,是用于泻下利尿及疡科的药物。

此外,古代先民和金丹家还利用汞易和金属以任何比例互溶形成新的合金“汞齐”来给铜器和银器镀金。这种技术也称鎏金技术,原是我国先秦时代金属工艺中的一项重大发明创造。这一技术就是把汞金液态(或泥膏状)合金涂布于铜、银等器物表面,再加热烘烤,挥发掉其中水银,就得到镀金器了。不过,关于鎏金术的文字记载,最早则见于《抱朴子神仙金NB527经》中:上黄金十二两,水银十二两。取金NFDD1作屑,投水银中令和合。恐NFDD1屑难煅铁质,煅金成薄如绢,铰刀剪之,令如韭叶许,以投水银中。此是世间以涂杖法。金得水银须臾皆化为泥,其金白,不复黄色。《抱朴子神仙金NB527经》,《道藏》第19册,第204页。

南朝陶弘景在《本草经集注》中则明确指出金和银可与汞化合成汞齐,由此可以镀金镀银“今水银有生熟。……甚能消化金银,使成泥人以镀物是也”李时珍:《本草纲目•石部•水银条》……

东汉时期的金丹大师狐刚子还十分巧妙地利用汞与黄金形成的汞齐的原理来制作极细的金银粉。“炼金银法:消新出矿金、银投清酒中,淳酰中,若(或)真蜜中二百度,皆得柔润。……尔消投猪胎中二百遍,亦得成柔金。打为薄(箔),细剪下,投无毒水银为泥,率金一两,配水银六两,加麦饭半盏许,合水。于铁臼中捣千许,候细好,倾注盆中,以水沙淘去石;详审存意,勿令金随石去。以帛两重,绞去半汞。取残汞泥置瓷器中,以白盐末少少渐著,研令碎,著盐可至一盏许即止。研讫,筛粗物,更研令细,匆置土釜中,覆荐以盐末,飞之半日许,飞去汞讫,沙(淘)去盐,即自然成粉。”这一制金、银粉方法的原因是:先使黄金成液态汞齐,再与盐共研,使黄金分散,附于盐末表面,然后加热蒸去水银,进而用水洗去盐末,于是得到极细的金粉。这一方法堪称绝妙,充分体现了金丹家狐刚子雄厚的化学经验知识和聪明才智
由于铅具有变化多端的化学性质,因而引起金丹家的很大兴趣,尤其是铅和汞合炼的混合氧化物受到金丹家的极力推崇。所以道教金丹家对铅化学的研究比较广泛、深入,积累了较多的经验知识。魏伯阳在《周易参同契》中说:“胡粉投入火中,色坏还为铅。”葛洪在《抱朴子内篇》卷三《论仙》中也曾说:“铅粉……化铅所作。”这说明汉晋之际对铅和铅粉(碱式碳酸铅)之间互变关系已有了较多的认识。铅及其化合物一直是炼丹、炼金的重要原料,铅粉在古代还被用在制造颜料、铅釉及用作化妆品。由唐人所辑的《黄帝九鼎神丹经诀》卷一七中就收录了一则制铅霜的丹方(铅霜即醋酸铅,是制造铅粉的初级产品),就是先将铅制成板状,用水银处理,使成汞齐,再用醋熏制。模拟实验研究表明,这样制铅霜较用纯铅快得多,其制备方法颇符现代电化学原理。此外,唐代丹经《玄霜掌上录》、《通玄秘术》对此工艺也有详实记载。

金属铅或铅粉在空气中加热,很容易生成黄色PbO,所以中国古代称其为黄丹,又因黄丹很早就有从波斯输入的,故又常被呼作“密陀僧”。在东汉狐刚子时期,玄黄就被尊为长生大药,也称还丹,或“龙虎大还丹”,认为它具有“概括天地,衍生万物”的神力。狐刚子在炼制金银时提出了吹灰法工艺,其原理是利用了金银与铅很容易形成合金这一特性来提纯金银。当金银矿粉与铅在熔炉中共烧时,金、银熔入铅中,成为低熔点的铅坨,下沉到炉底,熔渣则上浮。分出铅坨,吹在风炉的灰坯中焙烧时,铅即氧化成PbO,部分在鼓风时被吹去,而大部分会熔化而渗入灰中,于是黄金、白银留在灰坯中,得以提纯。通过这一途径可以得到大量黄丹,将黄丹进一步猛火培烧,即成为红色铅丹Pb3O4,铅丹在《神农本草经》中被列为中品,但《神农本草经》又说它“炼化还成九光,久服通神明”,被视为具有神效的丹药。

有唐一代,道教金丹家还发明了用硝石、硫黄与金属铅烧制铅丹的工艺,称为“硝黄法”,其优点是反应快,铅丹中Pb3O4成分高,色泽鲜艳。唐代丹经《铅汞甲庚至宝集成》、《丹房镜原》及五代丹家独孤滔所撰《丹房鉴原》对此工艺都有翔实记载。及至明代,又有用硝石、矾、铅烧制铅丹的新工艺面世,称为“硝矾法”。

在砷化学方面和矾化学方面,道教金丹术也取得了许多成就。由于道教金丹术在金丹实践中大量使用了雄黄(As2S2)、雌黄(As2S3)、矾石(FeAsS)、砒黄(不纯的砒石)和信石(As2O3)作为炼丹炼金原料,因此,金丹家不仅在砷的各种化合物的产地、性质和用途方面积累了相当丰富的经验知识,而且还在金丹实验活动中摸索并掌握单质砷的制备方法,这是道教金丹术对中国古代化学的又一杰出贡献,在世界化学发展史上具有重要的意义。

西方化学史家过去一般认为最早从化合物中分离出单质砷的是13世纪德国的炼金家大阿尔伯特(AlbertusMagnus,公元1193或1206或1207~1280年)。他曾用一分雌黄与两分肥皂

共热,游离出所谓“金属雌黄”(arsenicummetllinum),即近代化学中的金属砷。但据近年来化学史专家的文献和模拟实验研究表明王奎克等《砷的历史在中国》;郑同等《单质砷炼制史研究》;赵匡华等《关于我国古代取得单质砷的进一步确证和实验研究》,《中国古代化学史研究》,北京大学出版社,1985。,单质砷的制备是中国道教金丹家最先获得的。

早在晋代,葛洪在《抱朴子•内篇》仙药卷中就载有处理雄黄的六种方法。原文如下:

又雄黄……饵服之法:或以蒸煮之,或以酒饵;或先以硝石化为水,乃凝之;或以玄胴肠裹蒸之于赤土下;或以松脂和之;或以三物炼之,引之如布,白如冰……王明:《抱朴子内篇校释》,中华书局,1985,第203页。

这六种方法分别是:一是蒸煮,即用沸水或水蒸汽使之分解,生成氧化砷;二是制成雄黄酒;三是用硝石的水溶液去溶解它,生成砷酸钾(K3AsO4);四是在玄胴肠和赤土(含铁陶土)存在的条件下,用水蒸汽去分解它;五是制成雄黄和松脂的混合剂;六是用上文所说的三物即硝石、玄胴肠、松脂与雄黄共炼。其中第六种方法据模拟实验研究表明,其生成物是单质砷和氧化砷。这表明我国古代金丹家在公元4世纪前半叶已有炼制单质砷的方法。及至唐代,孙思邈所撰的《太清丹经要决》中的“伏雌雄二黄用锡法”也以熔化的金属锡与雄黄相互反应,然后开炼经升华制得了单质砷。原文如下:

雄黄十两,末之。锡三两。铛中合熔。出之,入皮袋中,揉使碎,入坩埚中,火之;其坩埚

中安药了,以盖合之,密固,入风炉,吹之,令埚同火色。寒之,开,其色似金。《道藏》第22册,第500页
按现代化学知识,熔融的金属锡(仅需232℃)与雄黄会很快发生如下反应:As2S3+3Sn〓△〓3SnS(黑色)+2As

然后,当硫化锡与砷的混合物被放在坩埚中盖合,密固后,以猛火加热时,砷即升华(613℃)而凝结在上坩埚(或盖)的内壁上。

现据模拟实验研究表明参见赵匡华《关于我国古代取得单质砷的进一步确证和实验研究》,《中国古代化学史研究》,北京大学出版社,1985。,该法所得产物即单质砷。所以可以肯定,我国古代的道教金丹家在4世纪—7世纪之间已多次自雄黄中分离出单质砷,这比大阿尔伯特早六至九百年。

在矾化学方面,道教金丹术的重要成就首推东汉著名丹家狐刚子用干馏法从胆矾(石胆CuSO4•5H2O)中制取硫酸的这一创举参见赵匡华《狐刚子及其对中国古代化学的卓越贡献》,《自然科学史研究》,1984年第3卷第3期……狐刚子是在研究金银矿的过程中作出这一重大发展的。在唐初人所辑《黄帝九鼎神丹经诀》卷九中有狐刚子“炼石胆取精华法”的记载:

以土墼(即砖坯)垒作两个方头炉,相去二尺,各表里精泥其间,其间旁开一孔,亦泥表里,使精薰,使干。一炉中著铜盘,使定,即密泥之;一炉中以炭烧石胆使作烟,以物扇之,其精华尽入铜盘。炉中却火待冷。开取任用。入万药,药皆神。……《黄帝九鼎神丹经诀》卷九,《道藏》第18册,第822页。

这种“取精华法”实际上就是干馏石胆,取其升华部分即硫酸酐,其冷凝液就是硫酸。化学反应过程为:

干馏〓CuSO4•5H2O△650℃CuO+SO3↑+5H2O↑

冷凝〓SO3+H2OH2SO4

一般认为:以“精泥”泥炉壁是为了防腐蚀和防止“胆精”损耗;石胆作烟,无疑为分解出来的水汽与SO3所形成的白烟;“以物扇之”则白烟进入另一炉,而凝结于铜盘中;此外

用铜盘,正因为它耐稀硫酸之腐蚀。

可以肯定,狐刚子的“炼石胆取精华法”是干馏法制作硫酸的世界最早记录,这要比通常所说的8世纪阿拉伯炼金家贾比尔•伊本•海扬(JabiribnHayyan,公元721—815年)制取硫酸要早好几百年。
(2)道教金丹术在长期的炼丹、炼金实验操作中,对一些基本的化学反应类型如化合反应

、分解反应和置换反应都有不同程度的接触和认识,积累了一定的经验知识,并且掌握了许多单质和化合物的制备方法,作出了一些重要的科学发现。

关于化合反应,金丹家很早就认识到汞与硫或其他物质会发生化合反应。如魏伯阳在《周易参同契》中就说:“河上姹女,灵而最神,得火则飞,不见埃尘。鬼隐龙匿,莫知所存,将欲制之,黄芽为根。”这里的意思是汞易挥发并能与硫或铅、黄金等化合成不易挥发的硫化汞或汞合金,因而被“制服”住了。

对于汞和氧的化合反应:2Hg+O22HgO,金丹家也观察注意到了。陶弘景就说:水银“烧时飞着釜上灰,名汞粉,俗呼为水银灰”。李时珍:《本草纲目•石部•水银条》引。

此外,不少金丹家也认识到了铅和氧会发生化合反应:2Pb+O22PbO,葛洪就指出:“铅性白出,而赤之以为丹”,即铅可以氧化成红色的铅丹。

关于分解反应,金丹家也积累了相当丰富的经验知识。陶弘景通过观察认识到硝石在加热下会分解,并指出可以根据其分解的产物颜色来鉴别真假硝石:“以火烧之,紫青烟起,云是真硝石也。”他还发现了可以用石灰石来烧制石灰:“近山生石,青白色,作灶竟烧,以水沃之,即蒸热而解。”李时珍:《本草纲目•石部• 硝石•石灰石条》。

这也是一个分解反应:CaCO3CaO+CO2,CaO+H2OCa(OH)2。

道教金丹家对分解反应的认识,最深入的莫过于丹砂分解反应性质的掌握了。如前文所述,其反应过程有两种类型:

HgS+O2在空气中△Hg+SO2

HgS隔绝空气△Hg+S

关于金属间能发生置换反应这一现象,道教金丹家也很早就观察并认识到了。金丹家在万物互相转化的金丹思想指导下,为了制作“药金”,找到某种能点化贱金属为黄金的方法,从很早就注意到溶液中金属互相转换的现象,以为那就是金属的转化。西汉《淮南万毕术》中就有“曾青得铁则化为铜”的记载。后来葛洪、陶弘景在金丹著作中都明确记载了铁可以转换可溶性铜盐中的铜。这一重要发现,到了宋朝便成为水法炼铜的胆水浸铜法原理参见郭正谊《水法炼铜史料新探》,《化学通报》1983年第6期……这也是道教金丹术对中国古代冶金化学的一大贡献。

道教金丹家在炼丹、炼金实践中还初步积累掌握了一些可逆反应的知识。例如魏伯阳就注意到铅和胡粉(碱式碳酸铅)间的相互变化现象:“胡粉投火中,色坏还为铅。”这个“还”字的意思可能是指胡粉原来是铅制造的,经火的作用,胡粉不但色变,而且质也变了,它又变还为原来的铅了。金丹家在探索和改进从丹砂来制汞的抽汞技术过程中,对硫和汞之间的可逆变化的性质也有了较深入的认识。很早就认为:“丹砂烧之成水银,积变又还成了丹砂。”其反应过程是:

HgS+O2Hg+SO2

Hg+SHgS这种硫化汞的制备实际上是无机合成,得到的是黑色的硫化汞,再经过升华便可得到红色的丹砂。由于水银在空气中易被氧化成红色的氧化汞(HgO),所以在金丹术的早期,包括葛洪在内的金丹家一时还难以区分红色氧化汞和天然红色丹砂,很可能把红色氧化汞的生成误作为“积变又还成了丹砂”,即便如此,道教已认识到这种可逆变化并非个别现象,而具有普遍性,这种认识在当时来说确是难能可贵的。葛洪在《抱朴子》一书中还讲到铅和铅的氧化物之间也存在着可逆变化:“铅性白也,而赤之以为丹;丹性赤也,而白之以为铅。”铅是白色的,烧之变为赤红色的黄金;黄丹是赤红色的,以炭烧之可化为铅。这虽然不是同一反应的可逆变化,但却说明了元素铝及其氧化物之间的相互变化。

东汉时的狐刚子在《粉图诀》中记载了“九转铅丹法”。所谓“九转”是事先从制备好的铅丹(真丹)出发还原出金属铅,再以所得铅复煎炼为丹,如此反复九次,才算成功。赵匡华先生认为:“这是迄今流传下来的最早的制铅丹法要诀;又是现存最早的一份制取‘仙丹大药’的完整而详实的记录;而且也是中国丹家认识和实现可逆化学反应的创举,所以有极高的学术价值。”参见赵匡华《狐刚子及其对中国化学的卓越贡献》,《自然科学史研究》1984年第3卷第3期。

此外,道教金丹家在长期的金丹实践活动中,从无数次的“成功”的金丹经验和失败的实践操作中逐渐总结、摸索一些关于如何促成和加速物质之间化学反应的经验知识,认识到要想合成“成功”,取得理想的炼丹、炼金效果,必须控制反物原料的种类和各成分的比例。魏伯阳在《周易参同契》中对此曾说道:

若药物非种,名类不同,分剂参差,失其纪纲,虽黄帝临炉,太乙降坐,八公捣炼,淮南执火,立宇崇坛,玉为阶陛,麟脯凤腊,把籍长跪,祷祝神祗,请哀诸鬼,沐浴斋戒,翼有所望,亦犹如胶补釜,以硇涂疮,去冷加冰,除热用汤,飞龟舞蛇,愈见乖张。《周易参同契•中篇》。

魏伯阳指出,炼丹所用的原料,如果不是所需的种类,参加反应的各成分的比例又不适当,那么即使有黄帝、太乙、八公、淮南王等炼丹名家在炉前指导,并且设立神坛,以玉铺地,跪拜祈祷,斋戒沐浴,也无济于事,就像用胶水补锅,用硇砂(氯化胺)涂疮,用加冰的办法来降温一样,只能枉费心机,适得其反。

金丹家在炼丹、炼金中很讲究药物的配比,不同物质间的化学反应其配方也各不相同。他们从实验中归纳总结出许多反应的合理配方。例如汞和硫黄制备朱砂的反应。唐代张果所撰《玉洞大神丹砂真要决•炼汞决》就详细谈到具体的配方和制备方法:

汞一斤,硫黄三两,先研硫黄为粉,置钵中,下著微火,续续下汞,急手研为青砂后,便入瓷瓶中,其瓶可受一升。黄土泥紧泥其瓶外,可厚二分,以盖合之。紧固口,置炉中。用炭一斤于瓶四面,养三日,长须有一斤,火三日后,便武火烧之,可用炭十斤分为两上,每炭五斤,烧其瓶,若有青焰出,即以稀泥涂之勿令焰出。火尽为候寒开之,其汞成紫砂也。张果:《玉洞大神丹砂真要决》,《道藏》第19册,第41页。

在这一配方中,汞和硫的原料投入比是16∶3,可换算成100∶19。而按反应式计算Hg+S=HgS,Hg∶S=20059∶32,其比例是 100∶16。相比之下,张果的配方中硫黄原料多加了些,这不仅便于充分利用较贵重的汞,而且还符合现代化学反应平衡移动原理。反应物物料的投入多一点可以促使反应向生成物硫化汞方向进行。

值得注意的是一些杰出金丹家实验还作出了定量分析,甚至出现了定量实验。

例如东汉金丹大师狐刚子不仅发明“下火上凝”式炼汞法,还对该法的水银收率做了定量研究。他的结论是:“好朱一斤,可得十二两,中朱十两,下朱八两。”按现代化学的理论计算,一斤纯朱砂应含水银138两(16两制),因而狐刚子从优质朱砂(纯HgS)中取得水银的收率已达87%。

唐代金丹家金陵子采用了定量的实验方法,利用砒霜点铜使之生成外观似银的砷白铜参见郭正谊《从〈龙虎还丹诀〉看我国炼丹家对化学的贡献》,《自然科学史研究》1983年第2卷第2期……在金陵子述的《龙虎还丹诀》“点丹阳方”中,该操作主要分两步:

第一步是制砒霜:原料是用砒黄三十两,雌黄八两和胡同律二两,经精制后共研成粉末。将盐二两溶解在醋中,拌上述药末,然后分为两份入丹鼎中升华。

第二步是制砷白铜(点丹阳):将升华所及三氧化二砷(卧炉霜)溶在铜中,用碳还原而制成砷和铜。

其“操作”之原文如下:

取前件霜每二两点一斤,经修理了者,丹阳(即铜)可分作两埚,每埚只可著八两,多不为得所。乍可已下,不可过多,又不可少,少则埚中干。每一两药分为六丸,每一度相续点三丸,待金汁如水,以物直刺到埚底。待入尽,即以炭搅之,更鼓三二十下。又投药,如此遍遍相似。即泻入华池中,令散作珠子,急用柳枝搅令碎。不作珠子亦得,又依前点三丸,亦投入池中,看色白末。若所点药不须将火烧却药,其物即不白,更须重点一遍,以白为度。生药点埚甚难,所投点大须在意,冷热相冲,金汁迸出埚,遍遍如此,折损殊多。其埚稍宜深作。若能使金汁如水点者为上。金陵子:《龙虎还丹诀》卷上,《道藏》第19册,第113~114 页。

其化学反应过程为:

2As2O3+3C6As+3CO2↑

As+3CuCu3As

金陵子在点铜成银时,砒霜的用量是经过试验而定的,根据所给剂量计算,理论上生成的砷铜合金含砷量为85%,这正是银白色的金属。为了准确地控制含砷量,在操作时把合金倒入华池(含醋)中,洗净表面进行观察,如色泽不白就补加一点砷。由此可见,道教金丹术发展到了唐代,如金丹术的实验水平已大大提高,出现一些定量的实验操作,一些金丹家已初步具备了化学反应前后物质质量守恒的朴素化学思想。

道教金丹家在长期的金丹实践中,不仅掌握了许多单质和化合物的制备方法,而且还作出一些令人瞩目的科学发展和发明。其中最值得一提的是火药制造技术的发明。

关于火药的确切发明年代,目前学术界还无定论。但可以肯定最初认识和发明火药的是道教金丹家。原始的火药配方最先是在唐代时期道教金丹家的金丹实验中发现的,后来被率先应用到军事上,由于军事战争的需求和刺激,出现专门研制火药、火器的技师,经过不断的改进、完善,火药的发明和各种火器的制造,到了北宋便进入成熟发展阶段。

中国古代最早发明的火药是黑火药,又名褐色火药,它是由硝酸钾、硫磺和木炭三者按一定比例组成的一种混合物。之所以被称之为火药,是因为这种粉末状混合物极易发生剧烈燃烧爆炸,着火、易燃是它的主要特性。称作药是因为古代人们对硝石、硫早有认识,被医药学家作为重要药材。例如在汉代《神农本草经》中,硝石被列为上品药的第六位,能治二十多种病,硫黄也被列为中品药的第三位,也能治十几种病,明代李时珍《本草纲目》把火药本身仍列为药物,说火药能治疮癣,杀虫,辟湿气和瘟疫。而更重要的原因是因为这种黑火药的最初发明来自道教金丹家炼制丹药的实验活动中。

道教金丹家在长期的金丹活动中,对硝石、硫黄和木炭这三种炼丹原材料的性能都有一定的认识。至迟在唐代,金丹家已经发现如果在金丹实验操作中把硝石、雄黄、雌黄、硫黄和富含碳的有机药物混合起来加热,就会发生异常剧烈的燃烧现象。唐代中期问世的丹经《真元妙道要略》中就有明确记载:

有以硫磺、雄黄合硝石并蜜烧之,焰起烧手面及烬屋舍者。《真元妙道要略》,《道藏》第19册,第292页。

硝石宜佐诸药,多者败药。生者不可含三黄(即硫黄、雄黄、雌黄)等烧,立见祸事。《真元妙道要略》,《道藏》第19册,第294页
这里雌黄成分为(As2S3),内含砷75%、硫249%及其它少许杂质。蜜在燃烧后大部分碳化,可作为木炭的一个来源。因此,将硝石、雄黄和蜜共同燃烧,便构成原始火药的混合物,产生强烈的爆炸现象,“立见祸事”,烧伤金丹家的手和脸,严重时烧毁炼丹用的屋舍。这种炸鼎和烬屋事故在金丹实践活动中时有发生,因此后来金丹家在实践中非常注意研究防范措施,制订了一些药物混合加热的禁忌,摸索出一些硝石、雄黄、硫黄的伏火法,即先将硝石、硫黄加热处理使之变性,使其不再具有爆燃的烈性。唐代不少丹经中都载有各种伏火法。其中唐元和三年(808)清虚子撰的《铅汞甲庚至宝集成》卷二所载:“伏火矾法”就是代表性的一例:

硫二两,硝二两,马兜铃三钱半。右为末拌匀,掘坑入药于罐内与地平。将热火一块弹子大,下放里面,烟渐起,以湿纸四五重盖,用方砖两片捺,以土冢之,候冷取出。《铅汞甲庚至宝集成》卷二,《道藏》第19册,第256页。

金丹家之所以总结出各类“伏火法”,其目的原本不是为了制造出具有爆炸性的火药,而为了防止在炼丹过程中出现“祸事”。但随着各种“伏火”实验的深入,金丹家已明确认识到硝石、硫黄与炭会形成爆炸物,并且还逐步掌握了火药的配置,最终便导致了原始火药的发明。

大约到了晚唐,火药的配方由金丹家转入军事家手中,被军事家率先运用于战争中。宋路振《九国志》说,唐哀帝天初,郑NE02A攻豫章(今江西南昌), “发机飞火”把龙沙门烧了。据考此即用抛石机发射的火炮和火箭。公元975年,赵宋灭南唐时,也用过火炮,火箭。公元1000年,宋将唐福和石普分别自制了火球、火箭、火蒺藜等。

1044年,北宋曾公亮《武经总要》记载了关于火药的三种配方法:“毒药烟球法”有十三种成分,“蒺藜火球法”有十种成分,“火炮火药法”有十四种成分,各有一定的分量。宋、金、元人在战争中都制造和使用过燃烧性的、爆炸性的和管形的火器。

公元8、9世纪,随着中国金丹术传入阿拉伯,硝石也传入伊斯兰国家,被称为“中国雪”、“中国盐”,但只用于炼金、治病和烧割玻璃。大约 1225~1248年间,中国火药才由商人经印度传入阿拉伯国家。火药武器则是通过元初西征中亚、波斯的战争中传到阿拉伯,欧洲人是在和阿拉伯人的战争中,接触和学会制造火药和火药武器的。直到14世纪中叶,英法等国才开始应用火药和火器。

火药和造纸术、指南针和印刷术并称为中国古代四大发明,在人类文明史中起过重大的作用。17世纪英国近代实验科学的始祖弗兰西斯•培根(公元1569~1626年)在其名著《新工具

》中谈到印刷术、火药和指南针这三项发明的意义时写道:“这三种发明已经在世界范围内把事物的全部面貌和情况都改变了:第一种是在学术方面,第二种是在战事方面,第三种是在航行方面;并由此又引起难以数计的变化来;竟至任何帝国、任何教派、任何星辰对人类服务的力量和影响都仿佛无过于这些机械性的发现了。”培根:《新工具》,商务印书馆,1986年版中译本,第103页。
马克思在1861~1863年经济学手稿《机器•自然力和科学的应用》中也曾指出:“火药、指南针、印刷术——这是预告资产阶级社会到来的三大发明。”马克思:《机器自然力和科学的应用》,人民出版社,1978,第67页。

科学技术是推进历史前进的最高意义上的革命力量。中国中世纪发明的火药、指南针、印刷术和造纸术,对近代西方的学术、军事、经济和政治等方面都产生了深刻的影响,构成资产阶级革命和资本主义发展的必要物质前提,尤其是火药及火器的应用其意义十分重大。“十四世纪火炮的第一次轰鸣,敲起了城堡的丧钟,因而也敲响了西方的军事贵族封建制的丧钟”《李约瑟文集》,辽宁科学技术出版社,1986,第577页。

在火药制造技术的发明过程中,中国道教金丹家功不可没。

(3)道教金丹家发明并制造了许多化学实验设备和实验用具,积累了一定的化学实验方法和操作技术。

如前文所述,道教金丹术在长达一千多年的金丹实践活动中,根据炼金、炼丹实验的需要,发明制造了一整套的实验设备和各种器皿。其中加热设备有丹炉、丹灶;反应装置有鼎(匮、神室、丹合、混沌)、釜、罐、坩埚子等等;溶解装置有华池;蒸馏装置有“抽汞器”;冷凝器具有“水海”;保温装置有“灰池”;加工、研磨药物的器具有研?、绢筛、马尾罗等等;此外,还有常见的杆称、匙、火钳等用具。这些实验设备和操作器械不仅在质地上有金质、银质、铜质、铁质和土质(砖、陶和瓷)之分,而且在外观、尺寸上也有许多不同的类型,可以充分满足金丹家实验操作的需求。

在实验方法和操作技术方面,金丹家也培养、积累了相当丰富的化学实验技能。金丹家常用

的操作手段和技术有各种加热法(炼、制、煮、死、伏、点、养、煅、炙、熔、煎、熬等等)、升华法(飞、升等)、蒸馏法(抽汞法等)、溶解法(淋、浇、渍等)。此外,还有密封法(固济)、研磨法(沐浴)等等操作方法。俗话说,工欲善其事,必先利其器。化学是一门实验性极强的科学,化学实验是化学这门学科得以产生、形成和发展的最重要的手段。从这个意义上讲,中国古代金丹家所发明、制造的各种实验器具以及积累的实验操作技术都为以后化学科学的发展打下了一定的基础








之二: 道教外丹黄白术衍化出中国近代化学
中国古代有着灿烂的化学工艺成就,是造纸、火药、瓷器发明的故乡,曾对世界文明的发展作出过伟大的贡献。金丹术作为中国化学的原始形式,在一千多年的历史发展中,金丹家掌握了许多化学元素、单质和化合物的性质及其制备方法,设计、制造了为数众多、各种类型的实验设备和器具,积累了大量的化学事实材料和经验知识,有过许多重大的科学发现和发明。中国古代化学在相当长的一段历史时期内,曾处于世界领先地位。但是,近代化学却未能在中国古老的大地上产生,道教金丹术最终没能衍化出中国的近代化学,这一冷酷的现实不能不令人深思。对这一问题的探讨不单单是涉及化学一科。长期以来,“中国近代科学为何落后问题”一直是学术界所关注的热点,国内外许多学者都对这一问题从不同角度、层次上提出了许多很有价值的见解。

早在1915年,“中国科学社”创办人之一任鸿隽先生就在《科学》杂志创刊号上发表了《论中国无科学之原因》,他说:“秦汉以后,人心梏于时学,其察物也,取其当然而不知其所以然,其择术也,鹜于空虚而引遐实际”,“知识分子多钻研故纸,高谈理性,或者如王阳明之格物,独坐七月;颜习斋之讲学,专尚三物,即有所得,也和科学知识风马牛不相及。”“或搞此训诂,为古人作奴隶,书本外的知识,永远不会发现。”《科学》1915年第1期。

现代科学巨匠爱因斯坦强调了逻辑思维的影响:

西方科学的发展是以两个伟大的成就为基础,那就是:希腊哲学家发明形式逻辑体系(在欧几里德几何学中),以及通过系统的实验发现有可能找出因果关系(在文艺复兴时期)。在我看来,中国的贤哲没有走上这两步。《爱因斯坦文集》第1卷,商务印书馆,1977,第574页。

美国宾夕法尼亚大学中国文化和科学史教授席文曾以《为什么中国没有发生科学革命?——或者它真的没有发生吗》为题,着重从中国传统文化的价值观念对新兴科学思想抑制的角度,全面阐述了他的看法:

科学革命同政治革命一样,是在改朝换代时爆发的,而17世纪的中国发动科学革命的人却坚定地信奉他们的文化中占统治地位的价值观。当时,没有一位天文学者肯舍弃传统的价值观,即使他们周围的社会四分五裂,他们也甘愿随波逐流。外国技术,尽管颇具威力,并有给中国学者提供另一条可供选择的取得稳固和名声的进身之阶,科举制度几乎不为他们留下余地。

过去1000年的历史中,由于中国社会基本统一,少数有学问和雄心的平民提出不同于传统观念的见解的人,被贬谪到无足轻重的地位……〔美〕席文:《为什么中国没有发生科学革命?》,《科学与哲学》1984年第1期。

日本著名学者薮内清则从比较研究的角度谈到了这一问题。他认为,“欧洲的近代科学是从中世纪的学者传统和工匠传统相结合中产生出来的”,“为什么中国的近代科学技术没有发展起来……如果与欧洲的近代科学的发生相比较来研究的话,可以说在中国的文明中,工匠的传统比较强,而学者传统比较弱……很少有人去建立成体系的理论”。
道教外丹黄白术作为中国化学的原始形式没有衍化出中国近代化学,其原因是复杂的,既有外部的社会原因,也有中国金丹术本身的内在原因。从外部原因来看,主要是由于中国封建社会长期停滞性,封建专制的政治制度、经济结构和文化科学政策对科技发展的严重束缚和阻碍作用,尤其是在近代,中国科技缺乏资本主义大生产的需要和推动力等等。由于篇幅所限,这里我们着重从中国金丹本身的内在原因来分析。

首先,外丹黄白术的理论指导思想从总体上讲存在着错误,其目标是虚幻的,这使化学发展偏离了正确的方向,这是道教金丹术不能上升为科学的化学的重要原因。外丹黄白术在理论指导思想上虽然具有合理性的一面,即认识到自然万物都处于运动变化之中,物质之间可以相互转化,这是十分可贵的。贱金属可以变为贵金属,这一金丹思想如果站在现代科学发展的角度,从原子核层次上讲是可以实现的,1941年美国哈佛大学原子核物理学家肯尼士•

奔布利芝利用中子轰击汞核(20180Hg),把汞原子变成了金原子(1979Au),实现了古代金丹家把汞元素(贱金属)变成金元素(贵金属)的 “宿愿”。但在古代时期,要想在原子这一层次通过一些化学试剂和水火相济等手段来完成这一转变则是不现实的,也是不可能的。金丹家把炼制还丹大药作为追求肉体长生、羽化成仙的重要修炼方术,这对促进医药学、生理学和生命科学的发展有一定意义。但金丹家这种“假外物以自坚固”的金丹思想从思维方式上来说,它是建立在直观性的机械类比思维基础上的,把物质的物理、化学性质和人的生理、

生命现象混同起来。虽然真金不怕火炼,埋之毕天不朽,但金之不朽和人之生死是性质上完全不同的两类事物,根本不能类比,因此金丹家注定要失败的。

其次,从研究方法上讲,道教金丹术缺乏严格的定量研究,还没有运用“以量求质”的研究方法。在欧洲,古代化学之所以能上升为科学的化学,其中一个重要原因是运用了太平衡量器进行定量研究,把实验方法和数学方法结合起来进行定量实验研究是欧洲近代化学产生的一个重要基础。道教金丹家在金丹实验中往往只是从定性研究的角度,根据阴阳相制原理来配伍药物,丹方中各种反应物原料的配比量往往是凭借经验来决定,是相当粗犷的,有时一次投料多达几斤、几十斤,甚至高达上百斤。虽然金丹家也使用了杆秤等衡量器具,少数金丹家如陈少微、金陵子达到了某种定量研究的水平,但只注意到多少份的药物(反应物)可以制得多少份丹药(产物),没有想到去探求一下各反应物之间以及反应物与生成物之间的数量关系,只是单纯运用以量求量的方法,而不是运用以量求质的研究方法,即没有通过量的研究来发现、证实自然界的基本规律和揭示化学反应的本质。因此,道教金丹家也就无法发现化学的一些基本定律如质量守衡定律、当量定律、定比定律、倍比定律了,而这些化学基本定律是近代化学建立发展的重要基石。

再次,从科学活动的组织形式上来分析,道教金丹术的化学实验活动受到宗教神秘主义的严重影响和束缚,许多实验活动都被打上深深的宗教烙印,难以健康开展。几千年来,道教金丹家以他们特有的宗教虔诚和锲而不舍的探索精神,探微入幽,获得了许多重要的科学发现、发明,积累了相当丰富的科学经验知识。但道教金丹家对他们的成果往往秘不示人,常常用玄奥的秘诀、高深莫测的隐语来记录自己的心得。他们对炼丹、炼金操作过程中一些关键机理往往语焉不详。要靠口口相传的炼丹、炼金口诀才能真正领会和掌握丹方要旨,正如葛洪所示:“夫作金……虽有其文,然皆秘其要文,必须口诀,临文指解,然后可为耳。其所用药,复多改其本名,不可按之便用也。”王明:《抱朴子内篇校释》,中华书局,1985,第21~22页。

由于中国古代陶瓷、青铜、冶铸工艺十分发达,陶瓷、青铜、钢铁制品十分普及,相对抑制了社会对玻璃制造技术及玻璃器皿的要求。这也就使得金丹家在金丹实验中使用的反应容器都是一些不透明的陶质、土质、铜质和铁质器皿,这对金丹家观察炼丹、炼金过程中发生的化学反应现象,收集金丹实践中的事实材料都是极为不利的因素。尤其是不透明的实验器具

严重妨碍了金丹家对化学反应过程的全面、细致的观察和实验研究,致使金丹家无法收集和研究金丹实验中产生的各种气体,无法对各种化学反应现象作出更深入的研究。而欧洲近代化学的早期发展往往是从气体化学研究方面取得突破的。因此,金丹家没能使用玻璃来制造各种实验装备和器具并用之于金丹实验,这不能不说是一大憾事,这恐怕也是中国外丹黄白术未能最终衍化出近代化学的一个致命的内在原因。

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