趣話化學史——五彩斑斕的顏料世界(三)——藍色

2021-01-15 孤獨學者
風光無限的碧海藍天
太空中的地球

在一望無垠的宇宙中,銀河系的大大旋臂上,有一個美麗的星系太陽系。而在太陽系中,唯一一個有生命的星球地球是那麼的美麗,它的顏色就是藍色。藍色是天空的顏色,也是海的顏色,是人類無需尋找,抬頭就能看到的顏色。在紅、黃、藍三種顏色中,藍色光的波長最短,也是自然界中最美的顏色。而人類對藍色顏料的尋找,也是經歷了從礦物質到植物再到純合成的過程。

1 從礦石中得到的藍色

藍色的水合硫酸銅晶體

前幾期中,在介紹溼法煉銅的時候,我們提及到了膽礬這種物質。膽礬即是天然的水合硫酸銅晶體。然而,水合硫酸銅化學穩定性極差,遇到鐵、石灰等物質則會發生變色、沉澱等反應,而且加熱後就會變成白色,因此十分不適合作為顏料使用。

含有漢藍的玻璃珠

事實上,早在中國戰國時期,製造陶器的工匠們就已經學會了從天然的含銅和鋇的粘土和礦石中燒製得到深藍色的藍顏料,即為矽酸銅鋇。而矽酸銅鋇有三種形式,一種為BaCuSi2O7(中國深藍)、BaCuSi4O10(中國藍)和BaCuSi2O6(中國紫)。後來,人們不論是從何處(如古埃及)考古得到的藍色,鑑定後年代都比中國藍發現的時間要晚,因此這種矽酸銅鋇基本認為最早是由中國發現並使用的。不過不知為何,這種藍色物質僅在戰國和秦漢時期使用,魏晉之後就沒再有人使用。

藍色的青金石

青金石是一種混合晶體,它主要由天然的天青石、藍方石、方解石及黃鐵礦等組成。這種藍色顏料礦石在中國,尤其是中原地區並沒有發現相應的礦脈,因此這種藍色礦石主要是從外國進口。漢武帝時期的張騫出使西域,開闢了絲綢之路。而這種青金石正是由絲綢之路傳入我國,並被製作成珍貴的顏料。到了後期,珍貴的青金石一度成為清朝的朝珠使用。

敦煌莫高窟裡用青金石為藍色
青金石朝珠

中國內地不產青金石,因此昂貴的青金石並不適合推廣使用,倒是與孔雀石伴生的石青確實是制藍顏料的最佳選擇。我國古代的景泰藍、青花瓷等藍色顏料正是由石青為原料調製並繪製而成的。

石青礦石
國寶級藝術品景泰藍
代表中國文化的青花瓷

應該說,正是這種天然的藍色顏料成就了中國人古代的文化藝術,也充分體現了中國古代哲學中「天人合一」的傳統思維。然而,除了這種來自於天然礦石的藍色,極為重視自然的中國人也沒有停止在植物中找尋藍色的步伐。

主要用來提取藍色顏料的藍草
經古法提取得到的靛藍
靛藍的結構式

我國古人很早就知道從植物藍草中提取藍色。每當藍草長出新葉,人們把這些葉子摘取並收集,每天澆水,讓這些葉子腐爛發酵,再用臼反覆捶搗,最後形成實在的一坨,然後再拌上草木灰、石灰和麩皮,加水調勻,再稍微加熱到三四十度左右,暴露在空氣中,就能結出不溶於水的靛藍。

戰國時期偉大思想家荀子

靛藍又稱靛青,我國古代早在戰國時期,秦始皇的宰相李斯的老師荀子曾經說過的「青出於藍而勝於藍」,正是利用了古人製備靛藍的工藝來進行的比喻,說的是從植物藍草當中提取的靛藍比藍草本身顏色還要深。他把藍草比作老師,而這種提取出來的靛藍比作身為後來者的學生。正是這種「青出於藍」的歷史發展規律,人類的科技才是不斷進步的。同時這也是藍色這一天然的顏料帶給我國古人的重要啟示,並且影響國人至今。「青出於藍」的比喻告訴我們,人類科技是不斷進步的,但科技的進步一定要經過長時間的磨鍊與刻苦的學習,這一點上與提取靛藍的工藝極為相似。靛藍的化學結構為吲哚結構,懂得有機化學的人會明白,正是由於苯環和氮原子之間的雙鍵所產生的共軛效應,最終使得這種物質在藍色光波場內有最小吸收,因此我們可以看到它的藍色表象。

除了這些植物提取得到的藍色顏料,近代自化學工業發展之後,人們不斷實驗和研究,不斷發現新的材料,而有許多也是形成藍顏料的材料。

人工合成的普魯士藍

傳說,在十八世紀的時候,一個叫做狄斯巴赫的德國工匠,是一個製作塗料的工人。他總是希望找到一種便宜的原料製作顏料,這樣降低成本可以獲得利潤。具體怎麼做,他並沒有一個明確的方向。有一次,他把草木灰和牛血一起混合,然後焙燒。我們並不知道他的目的所在,但草木灰是灰色,牛血是紅色,或許他希望得到鮮亮的紅色或黃色吧。等他燒完之後,放在水裡溶解,結果得到的是黃色的液體。於是他便考慮,是不是可以把這種物質做成黃色的塗料呢?然而這種黃色有些淺,那麼濃縮一下如何呢?於是,狄斯巴赫就把液體除掉雜質,又放在火上,把水熬幹,結果得到的是一種黃色的晶體,黃色並不夠亮。失望的狄斯巴赫就找到了另一種黃色溶液氯化鐵,他希望,兩個黃色物質混合在一起,或許就可以得到更黃的結果吧?然而,當他把這種黃色晶體投入到黃色的氯化鐵溶液中之後,讓他眼睛不敢相信的事情發生了——氯化鐵溶液中居然出現了顏色非常鮮豔的藍色沉澱!這不會是看錯了吧?狄斯巴赫又重複了他的實驗,這下他相信他的眼睛沒有騙他,就是藍色沉澱!如此的意外發現,並沒有讓狄斯巴赫得到黃色塗料,但是他的老闆,一個唯利是圖的商人卻敏銳地感到這是一個賺錢的商機,於是他保守了這種製作工藝,並起名為普魯士藍,並高價出售這種藍色顏料。

後來,過了20年左右,化學家逐漸了解了普魯士藍的組成,並掌握了它的製備方法。在分析化學中,目前以生成普魯士藍的反應來檢驗氰離子(CN離子)。這一點非常重要,因為氰離子毒性為極毒。臭名昭著的氰化鉀是今天人們認識到的最強毒性的物質,在我國是嚴格受到公安部門管制的物質。而生成普魯士藍的反應非常靈敏,這也是做法醫鑑定的重要方法。

鈷藍玻璃珠
顏色極深的鈷藍玻璃

到了近代以後,以人工合成的辦法不僅是含鐵化合物可以生成藍色顏料,人們發現了另一種金屬元素鈷也可以顯出藍色,人們稱其為鈷藍。鈷藍的生產方法主要是高溫加熱法得到的,具體方法是用鈷、鋁等氧化物結合磷酸,並高溫熔煉得到。鈷藍顏色較深,因此鈷藍玻璃是一種良好的觀火鏡材料,主要用來遮擋高溫作業中窯爐的強光輻射對人眼所帶來的傷害。

藍色的群青

當代藍色無機顏料主要是一種名為群青的物質,它的化學式為Na6Al4Si6S4O20,是一種絡合物,主要是用硫磺、石英砂、木炭等物質燒制而成。作為一種物美價廉的無機顏料,群青不僅可以製造顏料,而且還能進行漂白白色中黃色物質,因此可以製作洗衣粉。群青不溶於水,也不溶於有機溶劑,但可以形成溶膠,因此可以用於有機染料和陶瓷工藝。

塑料瓶材料中的群青

我國一直只能生產低端群青,到了2006年以後,我國群青製作有所突破,塑料中的群青顏料,我國至此終於可以自己生產了。

敬請大家關注,筆者下期繼續推出新的話題。

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