孙亚飞：化学怎样改变了我们的文明

大家好，我是孙亚飞，今天我非常荣幸和大家分享化学是怎样改变了人类的生活。

汽油是人类日常生活中常用的燃料，其主要成分是烃类化合物，由碳和氢两种元素构成。烃类化合物燃烧时会产生二氧化碳和水，对地球的污染相对较小。然而，汽油是从石油中提炼出来的，石油中含有硫、氮、磷等其他元素。这些元素在提炼过程中会残留一些硫化合物，燃烧时会产生二氧化硫等有害气体。

随着精馏技术的发展，我们可以更好地纯化烃类化合物，但仍存在污染问题，主要是二氧化碳的近亲一氧化碳。一氧化碳是一种剧毒气体，对大多数动物有毒害作用。早期的汽车由于汽油燃烧不充分，会产生大量的一氧化碳和碳黑，对环境和人体健康造成威胁。

为了解决这个问题，科学家们尝试了各种方法，如添加乙醇以帮助汽油更充分地燃烧。然而，这种方法存在一些问题，例如乙醇中的水分会腐蚀汽车管道。后来，科学家米吉利发现了一种名为四乙基铅的物质，可以作为抗爆剂加入汽油中，使汽油燃烧更充分，减少一氧化碳的产生。然而，四乙基铅是有毒的，长期使用会导致空气中的铅含量过高，对人体健康产生影响。

因此，在上世纪80年代，人们开始使用无铅汽油，并逐渐在全球范围内限制含铅汽油的使用。尽管如此，空气中的铅含量仍然较高，这是一个需要解决的问题。目前，科学家们正在研究其他替代方案，如甲基叔丁基醚（MTBE）等含氧醚类物质，以提高汽油的燃烧效率并减少污染。

总的来说，化学在改善汽油性能和减少污染方面发挥了重要作用，但也带来了一些环境和健康问题。未来，我们需要继续探索更加环保和安全的能源解决方案。

化学作为一门独立的学科是在近现代才真正奠定下来的。目前公认的世界第一位化学家是17世纪的波义耳，他与牛顿同属一个时代，并在英国皇家学院担任过牛顿的前任会长。然而，在那之后，化学并没有立即成为一门真正的学科。直到法国化学家拉瓦锡在18世纪末解决了许多化学问题后，化学才在19世纪初被确立为一门科学。

现代化学的许多基础，如元素定义和定量实验操作方法，是在18世纪末由法国化学家拉瓦锡确定下来的。同时，我们现在使用的公制度量衡系统，包括米和千克等单位，也是在那个时期建立起来的。这就是世界度量衡中心位于巴黎的原因。这些是我们对近现代化学的基本认识。

此外，古代并非没有化学，只是当时人们并未意识到这是一门可以成为学科的领域。中古时期，阿拉伯地区和欧洲流行的炼金术被认为是化学的前身。在中国，我们有炼丹术，并且其历史非常悠久，可以追溯到春秋战国时期。然而，炼丹术真正成气候是在秦始皇时期，他统一中国后开始追求长生不老，开创了用丹药养生的先河。秦始皇在位30多年间，据说服用了许多含汞的丹药，这些丹药可能是当时的方术士为他制作的。

在古代，炼丹术并没有系统的理论基础，而且主要是为皇宫服务。到了东晋时期，炼丹术开始有了一些理论上的建树，其中葛洪是重要的人物之一。他著有《抱朴子》一书，分为内篇和外篇。内篇主要讲述丹药的制作和使用，外篇则涉及政治思想。此外，他还有一本书叫《肘后备急方》，记录了一个治疗疟疾的方子，即取青蒿挤成汁来服用。虽然学术上对当时使用的青蒿种类存在争议，但这个药方在民间一直流传着。直到1969年，在江苏省高邮地区还有人沿用这个方法来治疗疟疾。

尽管古代对于青蒿的称呼可能存在差异，但经过研究发现它确实具有治疗疟疾的作用。由于当时许多药物已导致疟原虫产生抗药性，屠呦呦等科学家利用现代化学萃取技术从青蒿中提取出了青蒿素，并进一步制成了成药蒿甲醚，成功治疗了疟疾。这一成果在全世界产生了重大影响，特别是在非洲地区，有效地控制了疟疾的传播。因此，诺贝尔奖委员会将生理学或医学奖授予中国科学家屠呦呦。这表明，尽管古代没有现代化学的概念，但我们仍然可以从古代知识中汲取有用的信息并加以应用，以改变我们的生活。

同时，炼丹术的发展不仅仅局限于药物制作，东晋时期流行服用五石散作为麻醉剂。到了隋唐时期，炼丹术的服务对象从皇帝追求长生不老转变为更多方向，其中一种与炼金术相似，即试图从贱金属中提炼出贵金属。葛洪在他的著作中记载了一种名为石胆的物质，也称为胆汁，实际上是铜的一些可溶性盐，主要是硫酸铜，其结晶体至今仍被称为胆矾。

硫酸铜溶于水后形成的绿色液体称为胆水或胆汁。将胆水涂在铁上，铁表面会变成铜。这就是炼金术的目的之一，即从贱金属变为贵金属。虽然铜不是最贵的金属，但比铁值钱。这个反应可以用现代化学术语解释：铁和铜的金属活动性不同，活动性越高，越难以金属形式存在，更容易与其他物质反应，如氧气或水，形成氧化物或盐。铜的金属活动性不如铁，因此铁不易以金属形式存在，而铜相对容易。当铁金属与含铜盐接触时会发生置换反应，得到铜和含铁的盐。

早在东汉时期，由于商品经济的发展和铜的短缺，出现了铁五铢这种货币。虽然铁五铢在当时并未广泛使用，但在唐朝藩镇割据时期，各个地方开始用铁制作货币以次充好，尤其在缺铁的地方，如四川等地盛行铁币。到了北宋初期，流通中的铜币严重不足，人们需要用大量的铁币购买物品，甚至一匹布就需要上百斤的铁币。这些情况在史书中都有记载。

在宋哲宗时期，上饶地区的张甲发明了一种高效的方法，让铁与硫酸铜反应并回收铜。这种方法利用了无法回收的矿尾渣，因为铜矿氧化后会产生大量硫酸铜。这种置换法使铜的生产成本降低，同时由于炼铁技术的进步，有更多的铁可以用来生产铜。这个简单的化学反应是湿法炼铜，它在古代就已经被发现并应用。宋朝时期，由于缺铜问题严重，人们开始尝试用铁和硫酸铜反应来获取铜。虽然这种方法能解决一些问题，但并不能完全替代铜的地位，因为其他元素无法完全替代铜的功能或在市场上交易。

明朝时期，由于国际贸易的发展，大量白银的流入一定程度上缓解了“铜荒”问题。然而，明朝海上贸易并未持续太久，清朝时这个问题更加严重。虽然通过丝绸之路和瓷器贸易换回了一些银子，但最终还是因对外战争而输出出去。这表明改变钱币金属并不能解决货币体系的问题。

现代货币体系中，我们主要使用电子转账进行交易。在电子转账之前，纸币是主要的货币形式。与铜币相比，纸币的价值并不是基于其材料价值，而是由国家信用作为保障。铜币的钱荒问题主要是因为铜的价格与其作为货币的价值相等，如果铜价偏高，人们会将铜回收用于制作器物，导致铜的流通不畅，进而推高铜价，形成恶性循环，这种货币制度难以持续。而纸币是利用国家信用作为保障，具有难以伪造的特性。古代四川地区由于缺铜发明了世界上第一种纸币——交子，但由于当时防伪技术不足未能流传下来。现代有了手机支付等新型支付方式，通过国家层面的信任解决了“铜荒”问题。

所以，化学与人类文明有着紧密的联系，铜元素和货币的故事就是一个例子。尽管古代人们可能还不理解化学是什么，但他们已经在利用这些知识解决问题。今天，我们仍然需要这些知识来解决各种问题。

化学虽然被一些人认为是夕阳学科，但其一直在为人类服务。未来元素如钛、铌、铼和钼等在材料领域将发挥重要作用。例如，钼可能成为芯片的原材料，并且已经有科学家成功制造出以二硫化钼为材料的电脑。

还有钛，它也被认为是未来元素的代表，是因为它在多个领域都有广泛应用。比如，在航空工业中，由于其比钢铁轻，常被用于制造飞机；在太空探索中，钛合金也因其性能稳定，而且在月球表面温度大幅度变化的情况下仍保持良好的形状和性能，被用于保护镜片等部位。钛合金因其防腐蚀和高强度的特性，在深海探索中也起着重要作用。无论是早期的蛟龙号还是现在的奋斗者号，它们的主要外壳都采用了钛合金材料，以抵抗海底高压和海水腐蚀的影响。

钛合金在医学上的应用越来越广泛，尤其是用于关节置换。与其他材料相比，钛合金不会引发免疫反应，从而降低了排异风险。此外，3D打印技术可以精确制造出与原有关节几乎完全匹配的人造关节，使用起来非常舒适自然。这些特性使钛合金成为一种具有未来感的元素。

还有关于国家大剧院的故事。国家大剧院的建设过程长达9年，从1998年开始立项，到2007年竣工。在这个过程中，国内外许多顶级设计师都参与了竞争，最终法国设计师安德鲁成功中标。他的设计方案是一个非常高大的穹顶，内部分为三个部分。这个设计虽然在当时受到争议，但设计师考虑了保温和空间感等需求，使得建成后的国家大剧院层次丰富，给人留下深刻印象。

国家大剧院的建设过程中就采用了钛合金材料，三分之二的部分没有使用玻璃覆盖而是用金属包裹。钛合金具有良好的保温效果和抗腐蚀性，可以防止氧气进一步侵害钛合金表面。二氧化钛在钛合金表面形成薄膜，除了起保护作用外，还能使光线照射产生漫反射效果，与不锈钢不同，不会造成明显的镜面反射。

国家大剧院的建设选择使用钛合金作为建筑材料，这一决定在中国掀起了钛合金热潮，许多建筑和民用品开始寻求使用钛合金作为原材料。当时中国的钛合金生产技术并不先进，许多钛合金产品需要进口。但是通过国家大剧院选择钛合金板的宣传，中国钛合金产业得到了发展，并逐渐在民用市场上得到应用。中国的一些地方，如宝鸡、攀枝花等地拥有钛矿或钛生产加工基础，为钛合金产业的发展提供了有利条件。经过短短几年的发展，中国的钛合金产业已经取得显著进步。

（孙亚飞 中国科学院自然科学史研究所特别研究助理）