液体比重及其测定法

第二节　液体比重及其测定法

由于饮水、计时器漏壶等需要，古代人注意测定水的比重。《后汉书·礼仪志》记述道：

日冬至……权水轻重，水一升冬重十三两。

北魏道士李兰创制秤漏，规定“漏水一升，称重一斤，时经一刻”。宋代程大昌专门写下了《水土斤两轻重》一文，指出各地水质之别，并说：“世传水之好者，比他水升斗同而铢两多。”在历代本草著作中都有关于水的篇章。在本草药物学家看来，水的质地与治疗疾病颇为相关。李时珍引唐陈藏器《本草拾遗》说：

近乳穴处流出之泉也，人多取水作饮、酿酒，大有益。其水浓者，称之重于他水。煎之，上有盐花，此真乳液也。

卤水比淡水重，事先知道卤水比重对盐业生产极为重要。海边盐民早已知道以类似近代浮子式液体比重计测定卤水。宋代乐史（930－1007）记下了以十个莲子测定卤水之情：

取石藻（莲）十枚，尝其厚薄，全浮者全收盐，半浮者半收盐，三藤以下浮者则卤未堪。

“全浮者全收盐”，相当于该盐水浓度为100%；那么，“半浮者半收盐”，即其浓度为50%。浮三莲以下，盐水浓度太淡，不可用此盐水煎盐。注意乐史说的“尝其厚薄”一句，即对这十个莲子要有选择。

姚宽（1105—1162）记述了他自己测试盐卤的方法，他写道：

予监台州（今浙江临海等县）杜渎盐场，日以莲子试卤。择莲子重者用之，卤浮三莲、四莲味重，五莲尤重。莲子取其浮而直；若二莲直或一直一横，即味差薄；若卤更薄，则莲沉于底，而煎盐不成。闽中之法，以鸡子（鸡蛋）、桃仁试之，卤味重则正浮在上；卤淡相半，则二物俱沉。与此相类。

乍看起来，这两段引文有不可理解之处：莲子（或鸡蛋、桃仁）要么全浮，要么全沉，怎么会浮几莲沉几莲呢？又怎么会有竖浮、横浮之别呢？值得注意的是“尝其厚薄”和“择莲子重者用之”二句，即莲子是有选择性的。笔者曾以莲子置淡水和盐水中试验，确有沉者、有浮者。北魏贾思勰曾注意到莲子两端重量差异，他在“种莲子法”中指出：将莲子“抛于池中，重头沉下，自然周正”。莲子、鸡蛋等是古代人选取不同比重而又同一类物质的理想的东西。假定在选择莲子中，择其大小相当而重量不同者，则较重者比重大、较轻者比重小。将它们放人盐确中，浮沉状况就不一样了。如果将十个或五个这样的莲子依次放人各种浓度的盐水中，古代人按统计方法计算其浮沉数，就可以知道各种盐水的大致浓度。浮起的莲子数越多，该液体的浓度就越大。这种以鸡蛋、莲子、桃仁测试液体浓度（或比重）的方法，正是近代浮子式比重计的始祖。莲子、鸡蛋、桃仁的外形都不是正圆形，当它们的比重与待测液体的比重相近时，它们在水中呈直立悬浮状态：当它们的比重比液体小，甚至小很多时，它们几乎全浮在液面上，又因其形状与重心的关系，使它们在液面上取横躺形式；当它们的比重比液体大时，它们就沉没在容器底。因此，如果某个莲子（或鸡蛋、桃仁）在液体中呈现浮而直立状态，就表明该液体的比重与该莲子相接近。这就是姚宽要求“莲子取其浮而直”的道理。

后来有关记载逐渐增多，方法也有所进步。元代陈椿在《熬波图》中记述的方法是，预先制备“浮子”，即将莲子分浸浓度不同的四等卤中。将这种“浮子”分别放入待测溶液，看它们浮沉状态，即可测知溶液比重为几何。

由于各种液体的比重不同，古代人也曾发现异重液体的分层叠置现象。例如，方以智曾将金与银同人坩埚熔化，发现“金在底；银则黑，浮于面”。同样，“银中杂铜者，熔时投以锡，则铜如在水上作冰片，取出”。“本草言，金银铜铁置汞上则浮。此非也。铜铁则浮，金银则沉”。类似现象在《物理小识》卷七的“煎矿”、“铜矿”条中都有所记载。正是根据这些经验，方以智将熔炼炉中的金属分层现象总结道：

重者在下，浮土在上，以次分焉。