统一名词应考虑科学涵义及习惯用法——再论“碳”“炭”二词的用法

读本刊石磬“也谈碳与炭”^[1]一文，有所启迪。现就符合习惯用法及考虑科学涵义两方面，再论“碳”“炭”二词的用法，以作笔者1999年在本刊发表《关于“碳”“炭”二词的用法》^[2]一文的补充。一、问题的提出碳、炭二词用法的分歧在国内冶金工作者中是这样引起的：为了提高炼铁高炉炉缸的寿命，人们采用了含碳耐火砖；电炉炼钢及熔盐电解炼铝需用含碳电极，以导电；为了抗酸、抗碱、抗高温，许多炉内构件需用含碳纤维的制品。因此部分冶金学者认为既然是含碳物质，上列制品则应分别称为“碳砖”、“碳电极”及“碳纤维”。另有一部分冶金学者的意见是我国沿用“炭”字已有长久历史，上列用品应称为“炭砖”、“炭电极”及“炭纤维”。由此，“碳”、“炭”二词应用上引起争议，致使国内文献对“碳”、“炭”二词的应用比较混乱。例如1994年出版的《材料大辞典》^[3]中，carbon fiber为碳纤维，而activated carbon fiber则为活性炭纤维。carbon brick为碳砖，而activated carbon为活性炭。这里carbon译为“碳”还是“炭”，这个矛盾如何解决？究竟“碳”、“炭”二词有无不同？其差异何在？可否将碳、炭二词取消其中之一？这些都是待商榷决定的问题。二、碳是一种化学元素，碳=100%C化学元素C的中文命名为碳，即碳是100%C。碳有三个同素异形体，即无定形碳、石墨(六方晶系)及金刚石(立方晶系)。每个异形体有各自恒定的性质。无定形碳在空气中易燃，充作发热剂及还原剂，在密闭条件下通电加热到1500～2000℃，可得到石墨。石墨化程度随加热温度及时间而异。石墨能耐高温，在空气中难燃，但在2000℃以上则升华挥发，在氧气中也可燃烧。石墨能导电，导热性也高，又能抗酸性或碱性溶液的浸蚀。透明金刚石有五色灿烂的光彩，是最硬的物质。金刚石砂可制成切割金属的刀具。碳有3个同位素，其中¹⁴C考古学家用以测估文物的历史年代。三、从化学组成看“炭”的科学涵义燧人氏钻木取火，未完全燃烧的黑色遗留物，古人称之为木炭。考古学家证明，春秋时代国人已知冶铸青铜器皿、刀、剑的技术。用木炭供热熔化天然铜，或还原风化的含杂质的铜矿，得出青铜铸品。战国时代铁器出世。由于需更高的温度铁矿才能还原成铁，国人又发明用煤炭筑土窑烧制焦炭，充作供热及还原剂。这样，木炭、煤炭及焦炭三种燃料的“炭”字已沿用两千多年之久。那么，“炭”字从化学组成看，有哪些涵义呢？烧制木炭的原料是木材。木材含有大量的高分子聚合的有机化合物，主要是纤维素及木质素，又含无机化合物灰分及水分。有机化合物通过光化作用在大气中成长，而灰分则自土壤中吸取。炭窑中的还原气氛使木材不能全部燃烧。有机化合物遇热分解成碳，即所谓的“碳化过程”(carbonization)。木材中的灰分全部留存于木炭中。同时木炭在储存期间又吸入大气中的水分。木炭中含有H、O、N等元素说明木炭尚含有少量的能挥发的有机化合物。由以上木炭的化学组成足以说明，木炭是以碳为主、含有多种不恒定成分的杂质的混合物。同时，随着木材种类(软木或硬木)不同，同一树种，树枝和树干部位不同，以及炭窑中由于火焰分布不均，温度不同等因素，所烧成的木炭含碳量也不尽相同。木炭中的灰分包含各种金属氧化物，形成硅酸盐化合物或互溶成为固溶体。煤炭古称石炭，是古代植物遗体深埋地下，经长期的高温高压的煤化作用生成的。煤炭灰分来源于植物本身全部的无机物质，又含有沉积过程中由风力或流水搬运的矿物杂质，因而煤炭的灰分可高达40%。煤炭有多种多样。根据产地、煤层及采煤工作面的不同，煤炭的化学组成在很大范围内波动。即使在同一采煤工作面，不同时间采得的煤块，其含碳量也有差异。煤炭灰分尚含有MnO，V₂O₅，及微量的稀有金属氧化物。焦炭是由炼焦煤料经干馏焦结(900～1050℃)炼制的可燃固体产物。炼焦煤料由4种烟煤，即气煤、肥煤、焦煤及瘦煤配合而成。焦炭是高炉炼铁必需的原料。通过煤料配比可以提供高炉需要的低硫、低灰分，高发热值及高抗压强度的高质量焦炭。以上对木炭、煤炭及焦炭的化学涵义进行的分析可以看出炭、碳不能等同，它们的区别可用下列式(1)表达：炭=碳(无定形碳或石墨)＋有机挥发分＋无机灰分＋水分 (1)也即：炭=碳(C)＋C，H，O，N，S等有机物＋SiO₂，Al₂O₃，Fe₂O₃，CaO，MgO，MnO，TiO₂，V₂O₃，SO₃，P₂O₅等无机物＋水分 (2)由上看出，炭是以碳为主并包含多杂质的混合物。多杂质的意思有二：一是杂质种类多，有挥发性的有机化合物，有金属与非金属氧化物组成的灰分，又有水分；二是杂质的量相当多，而且在大范围内波动。特别是灰分的杂质很难与独立存在的碳分离。因此，如果说炭是黑色易燃的物体则不大准确。因为焦炭是银灰色，而有的煤炭呈金属光泽。木炭、煤炭及焦炭是易燃物，是由于它们含有无定形碳。后者一经高温处理石墨化后，则变成耐高温而在空气中难燃。所以易燃难燃不是碳的特性。四、工业上含碳的制品应称炭制品根据碳、炭关系式，木炭、煤炭及焦炭可称为炭材料。由炭材料制备的工业上含碳的制品应称为炭制品。烧制含碳耐火砖的原料有无烟煤、焦炭或天然石墨(含有灰分)。配以沥青或无机黏合剂，经粉碎、混合、压型及烧制，烧成耐火砖，原料中的灰分全部留在砖内，因窑内还原火焰温度不超过1000℃，可能遗下一小部分挥发性的有机物，砖内的碳也停留为无定形碳，因此必须使砖冷到室温，方能从窑内搬出，否则红热的砖取出后将自燃。在高炉炉缸使用过程中，砖中的碳将逐渐石墨化。此类含碳耐火砖由炭材料制成，当然应称为炭砖。制备含碳电极的原料与炭砖相同，它们也应称为炭电极。电炉炼钢所用的电极的石墨化程度应较高，而自焙炭电极则在向电炉内下降过程中逐步石墨化。电极所含的灰分在电炉冶炼过程中熔化进入炉渣。含碳纤维主要由再生纤维、合成纤维、沥青纤维等多种人造纤维经热解碳化制成。造丝和碳化通常在大气或隋性气体中进行。气体中含有尘埃，所以纤维内留有少量灰分无法去除。随着原料、造丝工艺及碳化条件(包括温度、碳化速度及环境)的不同，纤维所含的碳量在90～99%范围内波动。含碳纤维为符合习惯应称“炭纤维”。所织成的成品应称炭制品，如炭布、炭毯等。炭纤维中炭和碳的关系可由式(3)表达：炭=碳＋有机化合物(未碳化)及分解物＋无机物(灰分，来自环境)＋水分(吸自大气) (3)石墨化的炭纤维不吸水。由于高温，石墨化的炭纤维含未碳化的有机化合物及分解物也较少。由有机化合物经热解碳化的炭黑，其中炭、碳的关系也由式(3)表达。五、哪些名词用“碳”化学元素C(碳)和其他元素结合成碳化合物，如碳化钙、碳酸钠等。凡涉及元素C的化合物名词都用“碳”。以碳命名的钢称碳钢，又称碳素钢。后者实际上是plain carbon steel合金的译名。“素”意为“单纯”，说明只含碳而不含其他合金元素。研究碳原子结构关系的名词用“碳”，例如碳键、碳链、碳环等。为提高机械零件表面的耐磨性，采用渗碳法(cementation，carburizing)提高表面层的含碳量，再经淬火热处理提高硬度，从而增加其耐磨性。该方法采用粉状木炭(焦炭或无烟煤)覆盖需加硬的部分，在高温下加热一定时间，木炭中的碳原子扩散固溶于铁原子中成为奥氏体，但木炭中的无机物灰分则遗留在外(当然，木炭中的有机物及水分挥发逸散)。此物理过程称为渗碳而不能称为渗炭。转炉炼钢吹炼末期，钢液含碳较低。如欲炼高碳钢，则向钢包中钢液投入粉状木炭(焦炭或无烟煤)，木炭中的碳溶入钢液，而其中的灰分则溶入熔渣。此物理过程称为增碳(recarburization)而不能称为增炭。又如炼钢过程是降低铁液中含碳的氧化过程。此化学反应称为脱碳(decarburization)，因为是碳和氧的化学反应。至于有机化合物加热分解沉积成碳的碳化反应(过程)(carbonization)绝不能称为“炭”化，因为分解沉积的是碳。后者和未分解的原有机物，部分分解的新有机物，环境带入的无机灰分以及自空气吸入的水分，合并组成含碳物质，根据用字的习惯，此有杂质的含碳物质称为“炭物质”，例如炭黑，活性炭等等。六、高纯碳及原子级碳“金无足赤”，古有名言。自然界存在的天然金含银、铜，天然铜含锌、锡，最纯的天然石墨仍含3～4%灰分。但化学家经常在研究发明元素提纯的各种方法。例如光谱纯石墨电极是由光谱纯或高纯碳制得。所谓“高纯”系指高于“化学纯”的纯度，也即大于99.9999%C、小于1ppm杂质的C，因而称为碳。原料通常采用石油焦。近代发明碳60(C₆₀，富勒烯，fullerene)，系由60～70碳原子组成的内空外呈球形的结构体。曾有学者建议称为碳的第4个同素异形体。但尚无定论。纳米碳管是由小于50纳米的，由1至几个碳原子自弯成管的碳结构体。它是由特殊方法，用高新技术和设备，在特殊条件(高温、无尘埃的真空或氩气)下制成。七、碳、炭二字应予分别选用在已发现的109种元素中，其中气态元素11种，如氢、氦、氮、氧、氯、氩等，均冠以“气”首。液态元素两种，即溴、汞，两字带有“氵”及“水”。固态元素分两类，即非金属固态元素10种，如硼、碳、硅、磷、硫、砷等，诸字均带有“石”旁；金属固态元素86种，即金、银、铜、铅、锌、铁等，诸字除金外，均带有“金”旁。非金属元素和金属元素主要的区别之一是：非金属氧化物与水化合成酸，其氧化物呈酸性；而金属氧化物与水化合成氢氧化物，其氧化物呈碱性。元素命名有这样的规律性、系统性是我国前辈化学家的创举，有利于学习化学。如果弃“碳”不用而只用“炭”，则破坏了化学命名的规律性。为一元素而伤大局，似无必要而且不妥。如果废“炭”而全部用“碳”，则忽略我国已沿用两千多年的“炭”字，又不符合汉字简化的意义，因而废弃“炭”字也属不宜。建议保持“碳”、“炭”根据前述含义具体情况，分别选用。八、结论根据化学组成，考虑我国国情，建议对“碳”、“炭”二词按下列原则分别选用。1.碳是一种元素，碳=100%C。凡涉及化学元素C的名词均用“碳”，例举如下：(1)碳的化合物，如碳化钙、碳酸钠等。(2)以碳命名的钢称碳钢(又名碳素钢)。(3)结构化学的名词，如碳键、碳链、碳环等。(4)参加物理过程的C，如渗碳、增碳等。(5)参加化学反应的C，如脱碳、碳化等。(6)99.9999%C，如光谱纯碳。(7)原子级C，如碳60、纳米碳管等。2.工业用含碳物质称炭物质。炭是多杂质含碳且以碳为主的混合物，其特点为：(1)含碳量不恒定。(2)杂质多种多样。(3)杂质含量不恒定，而且相当多，并在大范围内波动。(4)物理及化学性质不恒定。炭材料如：木炭、煤炭、焦炭、炭黑、活性炭、炭纤维等。炭制品如：炭砖、炭电极、炭块、炭刷、炭纤维、炭布、炭毯等。3.“炭”、“碳”的区别可由下式表达：炭=碳(无定形碳或石墨)＋有机物＋无机物＋水分4.英文carbon一词根据上述原则，分别译为“碳”或“炭”，例如carbon dioxide二氧化碳，carbon black炭黑等。 ① 魏寿昆院士是冶金学名词审定委员会主任。