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吸引芥一类的轻小物体。至于磁石吸铁性早在先秦时期就有所认识。只是汉代人们又有新的发现，即磁石不能吸引铁以外的物体。如《淮南子》云：“若慈石之能连铁也，而求其引瓦则难矣。”②又云：“慈石能引铁，及其于铜则不行也。”③显然，这些知识是在科学实验的基础上获得的。汉代人们还做了磁石本身相互吸引、排斥的有趣实验。如《淮南万毕术》云：“磁石拒棋。”注：“取鸡血与针磨捣之，以和磁石，用涂棋头，曝干之，置局上，即相拒不休。”棋头涂以磁石，便赋磁性。相拒不休，即是磁石的同性相斥、异性相吸现象。
秦始皇时代还利用磁石的吸铁性建造阿房宫的北阙门④，为的是使“怀刃者止之”。
磁石的指极性在先秦时期也已被发现并用来做成磁性指向器——司南。
关于司南的形制，王充在《论衡》中说：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”⑤据近人王振铎的研究，司南是用天然磁石琢磨成的勺状物，底部呈球形，放① 《易·说卦》。
② 《易·解》。
③ 《左传》昭公四年。
④ 《公羊传》僖公十五年。
⑤ 《烜榖梁传》隐公九年。
⑥ 《淮南子·墬形训》。
⑦ 《论衡·雷虚》。
⑧ 《汉书·西域传》下。
① 《论衡·乱龙》。
② 《淮南子·览冥训》。
③ 《淮南子·说山训》。
④ 《史记·秦始皇本纪》注引《三辅旧事》。
⑤ 《论衡·是应》。
在地盘上，可自由旋转，旋定，其柄指南。“投之于地”的“地”字，指的是古代栻占用的地盘①。地盘呈正方形，为铜制或漆木制，四周标有八干、十二支和四维合为二十四向。中间天盘呈圆形，作投转司南之用。整个地盘是采天圆地方之制。这种司南可以看成是后世指南针的前身。
① 王振铎：《司南指南针与罗经盘——中国古代有关静磁学知识之发现及发明》上，《中国考古学报》，第三册，1948 年。
第四十八章化学秦汉时期是中国古代化学的奠基时期。特别是炼丹术作为原始形式的化学，自战国时代兴起，经过秦皇汉武的热心提倡，到东汉时已成为一门独立的学问。汉代疡科“五毒方”的升炼，标志着中国医药化学的开端。秦汉时期冶金技术在战国时期的基础上有了长足的进展，出现了不少与化学有关的创造和发明。
第一节炼丹术炼丹术与求仙活动战国时期就有不少关于神仙和不死之药的传说。齐威王、齐宣王、燕昭王都曾使人入海寻仙求药。秦始皇统一中国后，即“遣徐市发童男女数千人入海求仙人”，“使燕人庐生求羡门、高誓”，“使韩终（众）、侯公、石生求仙人不死之药”。西汉桓宽说：“当此之时，燕齐之士释锄耒，争言神仙方士，于是趣咸阳者以千数，言仙人食金饮珠，然后寿与天地相保。”①秦代的炼丹活动已有相当规模。所谓“炼丹”，最初的含义和内容就是提炼丹砂。据说当时有“韩终丹法”、“羡门子丹法”，都是以蜜或酒拌合丹砂而服食。
在汉代，炼丹术的规模更为扩大。汉武帝与秦始皇一样也以好神仙和长生之术著称。先是“齐人之上疏言神仙奇方者以万数，然无验者”，武帝“乃益发船，令言海中神山者数千人求蓬莱神人”。在为数众多的方士中，其姓名见于《史记》、《汉书》者有少翁、栾大、宽舒、公孙卿等，而其中最重要的人物为李少君。李少君曾向汉武帝提出：“祠灶则致物，致物而丹砂可化为黄金，黄金成，以为饮食器则益寿，益寿而海中蓬莱仙者可见，见之以封禅则不死，黄帝是也。”于是，汉武帝“始亲祠灶，遣方士入海求蓬莱安期生之属，而事化丹砂诸药齐为黄金矣”①。与汉武帝同时代的淮南王刘安也“招致宾客之士数千人，作内书二十一篇，外书甚众，又中篇八卷，言神仙黄白之术，亦二十余万言”。此外，“有枕中鸿宝秘苑书，书言神仙使鬼物为金之术，及邹衍重道延命方，世人莫见”②。其后，宣帝、成帝、哀帝以及王莽也都笃好神仙方术。东汉时期，炼丹术与道教结合，相得益彰。从此，方士便演变而为道士，炼丹术也大都由道士掌握了。
汉代丹经在现存丹经中，一般认为属于汉代作品的有《三十六水法》、《太清金液神气经》（即今《太清金液神气经》卷上）、《太清金液神丹经》、《黄帝九鼎神丹经》（即《黄帝九鼎神丹经诀》卷一）、《太上八景四蕊紫浆五珠绛生神丹方（经）》、《周易参同契》等。其中淮南王刘安时就已行世的《三十六水法》是迄今所知世界上现存最早的一部炼丹术著作①。
《三十六水法》记述有溶解34 种矿物和2 种非矿物的54 个方子。从这些方子可以看到，当时已知利用硝石和醋的混合液（有时加石胆）来溶解金属或矿物。其中第一方为“矾石水”方，方中说：矾石水（含有铜盐）“以① 《盐铁论》卷六。
① 《史记·封禅书》。
② 《汉书·刘向传》。
① 李时珍《本草纲目》云：“金乃西方之行，。。淮南《三十六水法》，亦化为浆服饵。”《黄帝九鼎神丹经诀》卷八载：“昔太极真人以此神经及水石法（即《五灵神丹上经》及《三十六水法》）授东海青童君，君授金楼先生，先生授八公，八公授淮南王刘安，安升天之日授吴左。”华池（盛有浓醋的溶解槽）和，涂铁，铁即如铜”②。《淮南万毕术》也说：“曾青得铁则化为铜。”这说明西汉时的炼丹家就知道铁对铜盐的置换反应。这一反应的发现，奠定了唐宋时代水法炼铜——胆铜法的基础。
西汉末或东汉初问世的《黄帝九鼎神丹经》记载了后世丹家极为推崇的铅汞还丹的炼法：“取汞三斤，纳土釜中，复以玄黄覆其上，厚二寸许。以一土釜合之，封以六一泥，外内固济，无令泄。置日中暴，令大干，乃火之。湿者不可，得火即拆破。如调丹华法，以马通若糠火，火之九日夜，寒一日。发之，药皆飞著上釜，状如霜雪，紫红朱绿，五色光华，厚二分寸余，以羽扫除之。”③玄黄一名黄芽，即“仙经涂丹釜所须”的黄丹（铅丹，pb3O4）。因为铅丹在500℃以上能分解放出氧气，氧气又能与汞结合生成氧化汞而凝结在温度较低的上釜内壁，所以上述升炼产物为氧化汞（HgO）。这种以黄芽制汞为丹的还丹炼法为魏伯阳、狐刚子等铅汞还丹派炼丹家所继承，并给后世的中国炼丹术以很大影响。
魏伯阳与炼丹术魏伯阳是会稽上虞人，东汉桓帝时在世。他在所著《周易参同契》中说：“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。”“河上姹女”为汞，“黄芽”即黄丹（Pb3O4）。意思是汞易挥发，若要将其制服成丹，则须用铅丹。《周易参同契》主要讲的是内丹①，但其“内丹以外丹言之”，所以对研究外丹黄白术仍有参考价值。如《参同契》里说：“胡粉投火中，色坏还为铅。”就是说，经炭火的作用，胡粉（碱式碳酸铅）不但色变，而且质也变了，还原为铅。
魏伯阳的炼丹理论是以阴阳五行学说为基础的。他认为，“类同者相从，事乖不成宝”，“同类”的物质才能“相变”。在阐述炼丹术的可能性和合理性时，魏伯阳说：“自然之所为兮，非有邪为道。。。若檗染为黄兮，似蓝成绿组；皮革煮为胶兮，曲蘖化为酒。”在阐述服食仙丹何以能使人长生不死时，魏伯阳说：“巨胜（胡麻）尚延年，还丹可入口。金性不败朽，故为万物宝。术士服食之，寿命得长久。”这是一种希图把黄金的抗蚀性机械地移植到人体中去以求长生的天真想法。
狐刚子与炼丹术东汉末年，大致与魏伯阳同时或稍后的炼丹家狐刚子，本名狐丘，是一位铅汞还丹派的实践家。他的著述反映了汉代炼丹术成就所达到的高度，堪称我国古代化学的瑰丽篇章。他在所著《五金粉图诀》中说：“丹铅（Pb3O4）② 《三十六水法》，《道藏》洞神部众术类，总第597 册。
③ 《黄帝九鼎神丹经诀》卷一，《道藏》总第584—585 册。
① 炼丹术有内丹、外丹之分。所谓内丹，指的是锻炼人体内在的精、气、神，“以神运精气，结而成丹”。所谓外丹，是指求身外之药，炼之成丹。
之精，。。其功既深，其力亦大，九上九下，覆荐水银，化汞为丹。”①这与《黄帝九鼎神丹经》中的还丹炼法是一脉相承的。《五金粉图诀》还记载了狐刚子作“九转铅丹法”。所谓“九转”，是指先以铅制备铅丹作为原料，再从铅丹出发用炭火还原出铅，接着以所得铅复炼为丹，如此反复九次。由于铅丹在500℃以上会发生分解，所以狐刚子特别强调，制铅丹时“不得猛火”。在《五金粉图诀》中，狐刚子还提到：“硫黄功能变银化汞。”意思是说硫能与银和汞化合生成硫化银和硫化汞。硫化汞也是中国古代炼丹家的“灵丹”之一。
在狐刚子的另一著作《出金矿图录》中，有一段“炼石胆取精华法”的记载：“以土墼（土坯）垒作两个方头炉，相去二尺，各表里精泥其间，旁开一孔，亦泥表里，使精熏，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。”②这种方法实际上就是干馏石胆，接取馏分、冷凝所得干馏液即为硫酸。该反应为：CuSO4·5H2O CuO＋SO3↑＋5H2O↑SO3＋H2O=H2SO4。
狐刚子的“炼石胆取精华法”是干馏法制取硫酸的世界最早记录，比西方要早五六百年。
① 《黄帝九鼎神丹经诀》卷十二，《道藏》总第584—585 册。
② 《黄帝九鼎神丹经诀》卷九，《道藏》总第584—585 册。
第二节医药化学五毒方中国医药学的发展和炼丹术是分不开的。历代丹家常兼修医药学，炼丹术的新成就也常被吸收于《本草》和方书之中。《周礼·天官·冢宰》下载：“凡疗疡以五毒攻之。”东汉郑玄注云：“五毒，五药之有毒者。今医人有五毒之药，作之合黄堥，置石胆、丹砂、雄黄、礜石（FeAsS）、慈石其中，烧之三日三夜，其烟上著，以雄鸡羽扫取之以注创，恶肉破骨则尽出。”这是现存古代文献中最早的丹药配方。模拟实验表明，“五毒方”的基本升炼产物是三氧化二砷（As2O3）、β型硫化汞（β…As4S4）和硫化汞（HgS）；如果石胆相对量较大，则硫化汞（ HgS）的成分会减少，并得到硫酸亚汞（Hg2SO4）；如果石胆过量，则硫化汞（HgS）会完全转化，生成硫酸亚汞（Hg2SO4）及少量汞①。“五毒方”的升炼，标志着中国医药化学的开端，在化学史和医药史上都占有重要地位。
《神农本草经》和炼丹术汉代成书的《神农本草经》明显地受到炼丹术的影响，其中吸收了炼丹家的不少成果。此书对一些元素及化合物的化学变化和性质作过一些正确的叙述。例如书中指出：“丹砂。。能化为汞。”就是说丹砂（HgS）在加热时能分解成汞。又说：“水银。。杀金、银、铜、锡毒，熔化还复为丹。”说的是汞能和一些金属形成汞齐，并能缓慢氧化为红色的氧化汞。还说：“空青。。能化铜铁铅锡作金”，“曾青。。能化金铜”，“石胆。。能化铁为铜。”这是说铁、铅、锡等金属能与铜盐起作用，置换出金属铜，铜又可以与铁、铅、锡形成金黄色的合金。书中还提到：“石硫黄。。能化金、银、铜、铁奇物。”意思是硫黄能和金属化合，生成硫化物，如硫与铁化合则生成硫化亚铁：Fe＋S＝FeS① 赵匡华、张惠珍：《汉代疡科“五毒方”的源流与实验研究》，《自然科学史研究》第4 卷第3 期（1985年），第199—211 页。
第三节冶金化学冶铁的规模和技术，秦汉时期，特别是西汉中期以后，有很大发展。西汉时期，炼铁高炉已开始使用石灰石为熔剂。东汉末建安年间，曹操命人造“百炼”宝刀五把，曹植为此作赋，说此刀“实真人之攸御”①，说明东汉百炼钢技术的发展似与炼丹术有关。
炼钢技术的继续发展虽然秦汉时期青铜工具逐步被铁制工具取代，但是炼铜技术并没有停顿，而是在继续发展。除青铜外，这个时期还出现了一些新型的铜合金。《淮南子》里有“饵丹阳之伪金”一语。西汉东方朔所撰《神异经·西荒经》中说；“丹阳铜似金，。。故《淮南子》曰饵丹阳之伪金，即此也。”据此可知，刘安所谓“丹阳之伪金”即丹阳�