關(guān)于“碳”與“炭”規(guī)范用法的討論

編者按 \"碳\"與\"炭\"是與不少學(xué)科都有關(guān)的常用字，長(zhǎng)期以來(lái)使用十分混亂，加之此二字的跨多學(xué)科（行業(yè)）性，給規(guī)范化工作帶來(lái)困難。本刊曾于1999年第4期，及2001年第4期刊登過(guò)一部分討論如何規(guī)范化的文章。本期我們特再次約請(qǐng)幾位專家進(jìn)行書面討論，談?wù)勊麄兊囊庖?jiàn)，供讀者分析、比較。全國(guó)科技名詞委將進(jìn)行專題研究，力爭(zhēng)拿出比較可行的規(guī)范化意見(jiàn)，改變\"無(wú)所遵循\"的混亂狀況。歡迎有關(guān)讀者提出寶貴意見(jiàn)。

統(tǒng)一名詞應(yīng)考慮科學(xué)涵義及習(xí)慣用法

--再論\"碳\"\"炭\"二詞的用法

魏壽昆^{魏壽昆院士是冶金學(xué)名詞審定委員會(huì)主任。}

（北京科技大學(xué)北京100083）

讀本刊石磬\"也談碳與炭\"［１］一文，有所啟迪。現(xiàn)就符合習(xí)慣用法及考慮科學(xué)涵義兩方面，再論\"碳\"\"炭\"二詞的用法，以作筆者1999年在本刊發(fā)表《關(guān)于\"碳\"\"炭\"二詞的用法》［２］一文的補(bǔ)充。

一、問(wèn)題的提出

碳、炭二詞用法的分歧在國(guó)內(nèi)冶金工作者中是這樣引起的：為了提高煉鐵高爐爐缸的壽命，人們采用了含碳耐火磚；電爐煉鋼及熔鹽電解煉鋁需用含碳電極，以導(dǎo)電；為了抗酸、抗堿、抗高溫，許多爐內(nèi)構(gòu)件需用含碳纖維的制品。因此部分冶金學(xué)者認(rèn)為既然是含碳物質(zhì)，上列制品則應(yīng)分別稱為\"碳磚\"、\"碳電極\"及\"碳纖維\"。另有一部分冶金學(xué)者的意見(jiàn)是我國(guó)沿用\"炭\"字已有長(zhǎng)久歷史，上列用品應(yīng)稱為\"炭磚\"、\"炭電極\"及\"炭纖維\"。由此，\"碳\"、\"炭\"二詞應(yīng)用上引起爭(zhēng)議，致使國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)對(duì)\"碳\"、\"炭\"二詞的應(yīng)用比較混亂。例如1994年出版的《材料大辭典》［３］中，carbon fiber為碳纖維，而activated carbon fiber則為活性炭纖維。carbon brick為碳磚，而activated carbon為活性炭。這里carbon譯為\"碳\"還是\"炭\"，這個(gè)矛盾如何解決？究竟\"碳\"、\"炭\"二詞有無(wú)不同？其差異何在？可否將碳、炭二詞取消其中之一？這些都是待商榷決定的問(wèn)題。

二、碳是一種化學(xué)元素，碳=100%C

化學(xué)元素C的中文命名為碳，即碳是100%C。碳有三個(gè)同素異形體，即無(wú)定形碳、石墨（六方晶系）及金剛石（立方晶系）。每個(gè)異形體有各自恒定的性質(zhì)。

無(wú)定形碳在空氣中易燃，充作發(fā)熱劑及還原劑，在密閉條件下通電加熱到1 500~2 000℃，可得到石墨。石墨化程度隨加熱溫度及時(shí)間而異。

石墨能耐高溫，在空氣中難燃，但在2 000℃以上則升華揮發(fā)，在氧氣中也可燃燒。石墨能導(dǎo)電，導(dǎo)熱性也高，又能抗酸性或堿性溶液的浸蝕。

透明金剛石有五色燦爛的光彩，是最硬的物質(zhì)。金剛石砂可制成切割金屬的刀具。

碳有3個(gè)同位素，其中14C考古學(xué)家用以測(cè)估文物的歷史年代。

三、從化學(xué)組成看\"炭\"的科學(xué)涵義

燧人氏鉆木取火，未完全燃燒的黑色遺留物，古人稱之為木炭。考古學(xué)家證明，春秋時(shí)代國(guó)人已知冶鑄青銅器皿、刀、劍的技術(shù)。用木炭供熱熔化天然銅，或還原風(fēng)化的含雜質(zhì)的銅礦，得出青銅鑄品。戰(zhàn)國(guó)時(shí)代鐵器出世。由于需更高的溫度鐵礦才能還原成鐵，國(guó)人又發(fā)明用煤炭筑土窯燒制焦炭，充作供熱及還原劑。這樣，木炭、煤炭及焦炭三種燃料的\"炭\"字已沿用兩千多年之久。

那么，\"炭\"字從化學(xué)組成看，有哪些涵義呢？

燒制木炭的原料是木材。木材含有大量的高分子聚合的有機(jī)化合物，主要是纖維素及木質(zhì)素，又含無(wú)機(jī)化合物灰分及水分。有機(jī)化合物通過(guò)光化作用在大氣中成長(zhǎng)，而灰分則自土壤中吸取。炭窯中的還原氣氛使木材不能全部燃燒。有機(jī)化合物遇熱分解成碳，即所謂的\"碳化過(guò)程\"（carbonization)。木材中的灰分全部留存于木炭中。同時(shí)木炭在儲(chǔ)存期間又吸入大氣中的水分。木炭中含有Ｈ、Ｏ、Ｎ等元素說(shuō)明木炭尚含有少量的能揮發(fā)的有機(jī)化合物。由以上木炭的化學(xué)組成足以說(shuō)明，木炭是以碳為主、含有多種不恒定成分的雜質(zhì)的混合物。同時(shí)，隨著木材種類（軟木或硬木）不同，同一樹(shù)種，樹(shù)枝和樹(shù)干部位不同，以及炭窯中由于火焰分布不均，溫度不同等因素，所燒成的木炭含碳量也不盡相同。木炭中的灰分包含各種金屬氧化物，形成硅酸鹽化合物或互溶成為固溶體。

煤炭古稱石炭，是古代植物遺體深埋地下，經(jīng)長(zhǎng)期的高溫高壓的煤化作用生成的。煤炭灰分來(lái)源于植物本身全部的無(wú)機(jī)物質(zhì)，又含有沉積過(guò)程中由風(fēng)力或流水搬運(yùn)的礦物雜質(zhì)，因而煤炭的灰分可高達(dá)４０％。煤炭有多種多樣。根據(jù)產(chǎn)地、煤層及采煤工作面的不同，煤炭的化學(xué)組成在很大范圍內(nèi)波動(dòng)。即使在同一采煤工作面，不同時(shí)間采得的煤塊，其含碳量也有差異。煤炭灰分尚含有ＭnO， V2Ｏ５，及微量的稀有金屬氧化物。

焦炭是由煉焦煤料經(jīng)干餾焦結(jié)（９００~１ ０５０℃)煉制的可燃固體產(chǎn)物。煉焦煤料由４種煙煤，即氣煤、肥煤、焦煤及瘦煤配合而成。焦炭是高爐煉鐵必需的原料。通過(guò)煤料配比可以提供高爐需要的低硫、低灰分，高發(fā)熱值及高抗壓強(qiáng)度的高質(zhì)量焦炭。

以上對(duì)木炭、煤炭及焦炭的化學(xué)涵義進(jìn)行的分析可以看出炭、碳不能等同，它們的區(qū)別可用下列式（１）表達(dá)：

炭＝碳（無(wú)定形碳或石墨）＋有機(jī)揮發(fā)分＋無(wú)機(jī)灰分＋水分（１）

也即：

炭＝碳（Ｃ）＋Ｃ，Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｓ等有機(jī)物＋ＳiO2， Al2O3，F(xiàn)e2O3， CaO， MgO， MnO， TiO2， V2O3， SO3， P2O5等無(wú)機(jī)物＋水分（２）

由上看出，炭是以碳為主并包含多雜質(zhì)的混合物。多雜質(zhì)的意思有二：一是雜質(zhì)種類多，有揮發(fā)性的有機(jī)化合物，有金屬與非金屬氧化物組成的灰分，又有水分；二是雜質(zhì)的量相當(dāng)多，而且在大范圍內(nèi)波動(dòng)。特別是灰分的雜質(zhì)很難與獨(dú)立存在的碳分離。因此，如果說(shuō)炭是黑色易燃的物體則不大準(zhǔn)確。因?yàn)榻固渴倾y灰色，而有的煤炭呈金屬光澤。木炭、煤炭及焦炭是易燃物，是由于它們含有無(wú)定形碳。后者一經(jīng)高溫處理石墨化后，則變成耐高溫而在空氣中難燃。所以易燃難燃不是碳的特性。

四、工業(yè)上含碳的制品應(yīng)稱炭制品

根據(jù)碳、炭關(guān)系式，木炭、煤炭及焦炭可稱為炭材料。由炭材料制備的工業(yè)上含碳的制品應(yīng)稱為炭制品。

燒制含碳耐火磚的原料有無(wú)煙煤、焦炭或天然石墨（含有灰分）。配以瀝青或無(wú)機(jī)黏合劑，經(jīng)粉碎、混合、壓型及燒制，燒成耐火磚，原料中的灰分全部留在磚內(nèi)，因窯內(nèi)還原火焰溫度不超過(guò)1 000℃，可能遺下一小部分揮發(fā)性的有機(jī)物，磚內(nèi)的碳也停留為無(wú)定形碳，因此必須使磚冷到室溫，方能從窯內(nèi)搬出，否則紅熱的磚取出后將自燃。在高爐爐缸使用過(guò)程中，磚中的碳將逐漸石墨化。此類含碳耐火磚由炭材料制成，當(dāng)然應(yīng)稱為炭磚。

制備含碳電極的原料與炭磚相同，它們也應(yīng)稱為炭電極。電爐煉鋼所用的電極的石墨化程度應(yīng)較高，而自焙炭電極則在向電爐內(nèi)下降過(guò)程中逐步石墨化。電極所含的灰分在電爐冶煉過(guò)程中熔化進(jìn)入爐渣。

含碳纖維主要由再生纖維、合成纖維、瀝青纖維等多種人造纖維經(jīng)熱解碳化制成。造絲和碳化通常在大氣或隋性氣體中進(jìn)行。氣體中含有塵埃，所以纖維內(nèi)留有少量灰分無(wú)法去除。隨著原料、造絲工藝及碳化條件（包括溫度、碳化速度及環(huán)境）的不同，纖維所含的碳量在９０~９９％范圍內(nèi)波動(dòng)。含碳纖維為符合習(xí)慣應(yīng)稱\"炭纖維\"。所織成的成品應(yīng)稱炭制品，如炭布、炭毯等。

炭纖維中炭和碳的關(guān)系可由式（３）表達(dá)：

炭＝碳＋有機(jī)化合物（未碳化）及分解物＋無(wú)機(jī)物（灰分，來(lái)自環(huán)境）＋水分（吸自大氣）（３）

石墨化的炭纖維不吸水。由于高溫，石墨化的炭纖維含未碳化的有機(jī)化合物及分解物也較少。由有機(jī)化合物經(jīng)熱解碳化的炭黑，其中炭、碳的關(guān)系也由式（３）表達(dá)。

五、哪些名詞用\"碳\"

化學(xué)元素Ｃ（碳）和其他元素結(jié)合成碳化合物，如碳化鈣、碳酸鈉等。凡涉及元素Ｃ的化合物名詞都用\"碳\"。

以碳命名的鋼稱碳鋼，又稱碳素鋼。后者實(shí)際上是plain carbon steel合金的譯名。\"素\"意為\"單純\"，說(shuō)明只含碳而不含其他合金元素。

研究碳原子結(jié)構(gòu)關(guān)系的名詞用\"碳\"，例如碳鍵、碳鏈、碳環(huán)等。

為提高機(jī)械零件表面的耐磨性，采用滲碳法（cementation， carburizing)提高表面層的含碳量，再經(jīng)淬火熱處理提高硬度，從而增加其耐磨性。該方法采用粉狀木炭（焦炭或無(wú)煙煤）覆蓋需加硬的部分，在高溫下加熱一定時(shí)間，木炭中的碳原子擴(kuò)散固溶于鐵原子中成為奧氏體，但木炭中的無(wú)機(jī)物灰分則遺留在外（當(dāng)然，木炭中的有機(jī)物及水分揮發(fā)逸散）。此物理過(guò)程稱為滲碳而不能稱為滲炭。

轉(zhuǎn)爐煉鋼吹煉末期，鋼液含碳較低。如欲煉高碳鋼，則向鋼包中鋼液投入粉狀木炭（焦炭或無(wú)煙煤），木炭中的碳溶入鋼液，而其中的灰分則溶入熔渣。此物理過(guò)程稱為增碳（recarburization)而不能稱為增炭。

又如煉鋼過(guò)程是降低鐵液中含碳的氧化過(guò)程。此化學(xué)反應(yīng)稱為脫碳（decarburization)，因?yàn)槭翘己脱醯幕瘜W(xué)反應(yīng)。

至于有機(jī)化合物加熱分解沉積成碳的碳化反應(yīng)（過(guò)程）（carbonization)絕不能稱為\"炭\"化，因?yàn)榉纸獬练e的是碳。后者和未分解的原有機(jī)物，部分分解的新有機(jī)物，環(huán)境帶入的無(wú)機(jī)灰分以及自空氣吸入的水分，合并組成含碳物質(zhì)，根據(jù)用字的習(xí)慣，此有雜質(zhì)的含碳物質(zhì)稱為\"炭物質(zhì)\"，例如炭黑，活性炭等等。

六、高純碳及原子級(jí)碳

\"金無(wú)足赤\"，古有名言。自然界存在的天然金含銀、銅，天然銅含鋅、錫，最純的天然石墨仍含３~４％灰分。但化學(xué)家經(jīng)常在研究發(fā)明元素提純的各種方法。例如光譜純石墨電極是由光譜純或高純碳制得。所謂\"高純\"系指高于\"化學(xué)純\"的純度，也即大于99.9999%C、小于１ppm雜質(zhì)的Ｃ，因而稱為碳。原料通常采用石油焦。

近代發(fā)明碳６０（Ｃ６０，富勒烯，fullerene），系由６０~７０碳原子組成的內(nèi)空外呈球形的結(jié)構(gòu)體。曾有學(xué)者建議稱為碳的第４個(gè)同素異形體。但尚無(wú)定論。

納米碳管是由小于５０納米的，由1至幾個(gè)碳原子自彎成管的碳結(jié)構(gòu)體。它是由特殊方法，用高新技術(shù)和設(shè)備，在特殊條件（高溫、無(wú)塵埃的真空或氬氣）下制成。

七、碳、炭二字應(yīng)予分別選用

在已發(fā)現(xiàn)的109種元素中，其中氣態(tài)元素１１種，如氫、氦、氮、氧、氯、氬等，均冠以\"氣\"首。液態(tài)元素兩種，即溴、汞，兩字帶有\(zhòng)"氵\(yùn)"及\"水\"。固態(tài)元素分兩類，即非金屬固態(tài)元素１０種，如硼、碳、硅、磷、硫、砷等，諸字均帶有\(zhòng)"石\"旁；金屬固態(tài)元素８６種，即金、銀、銅、鉛、鋅、鐵等，諸字除金外，均帶有\(zhòng)"金\"旁。非金屬元素和金屬元素主要的區(qū)別之一是：非金屬氧化物與水化合成酸，其氧化物呈酸性；而金屬氧化物與水化合成氫氧化物，其氧化物呈堿性。元素命名有這樣的規(guī)律性、系統(tǒng)性是我國(guó)前輩化學(xué)家的創(chuàng)舉，有利于學(xué)習(xí)化學(xué)。如果棄\"碳\"不用而只用\"炭\"，則破壞了化學(xué)命名的規(guī)律性。為一元素而傷大局，似無(wú)必要而且不妥。如果廢\"炭\"而全部用\"碳\"，則忽略我國(guó)已沿用兩千多年的\"炭\"字，又不符合漢字簡(jiǎn)化的意義，因而廢棄\"炭\"字也屬不宜。建議保持\"碳\"、\"炭\"根據(jù)前述含義具體情況，分別選用。

八、結(jié)論

根據(jù)化學(xué)組成，考慮我國(guó)國(guó)情，建議對(duì)\"碳\"、\"炭\"二詞按下列原則分別選用。

１碳是一種元素，碳＝１００％Ｃ。

凡涉及化學(xué)元素Ｃ的名詞均用\"碳\"，例舉如下：

（１）碳的化合物，如碳化鈣、碳酸鈉等。

（２）以碳命名的鋼稱碳鋼（又名碳素鋼）。

（３）結(jié)構(gòu)化學(xué)的名詞，如碳鍵、碳鏈、碳環(huán)等。

（４）參加物理過(guò)程的Ｃ，如滲碳、增碳等。

（５）參加化學(xué)反應(yīng)的Ｃ，如脫碳、碳化等。

（６）９９.９９９９％Ｃ，如光譜純碳。

（７）原子級(jí)Ｃ，如碳６０、納米碳管等。

２工業(yè)用含碳物質(zhì)稱炭物質(zhì)。

炭是多雜質(zhì)含碳且以碳為主的混合物，其特點(diǎn)為：

（１）含碳量不恒定。

（２）雜質(zhì)多種多樣。

（３）雜質(zhì)含量不恒定，而且相當(dāng)多，并在大范圍內(nèi)波動(dòng)。

（４）物理及化學(xué)性質(zhì)不恒定。

炭材料如：木炭、煤炭、焦炭、炭黑、活性炭、炭纖維等。

炭制品如：炭磚、炭電極、炭塊、炭刷、炭纖維、炭布、炭毯等。

３\"炭\"、\"碳\"的區(qū)別可由下式表達(dá)：

炭＝碳（無(wú)定形碳或石墨）＋有機(jī)物＋無(wú)機(jī)物＋水分

４英文carbon一詞根據(jù)上述原則，分別譯為\"碳\"或\"炭\"，例如carbon dioxide二氧化碳，carbon black炭黑等。

[1] 石馨，也談碳與炭，科技術(shù)語(yǔ)研究，2001（4）：35—36。

[2] 魏壽昆，關(guān)于“碳”“炭”二詞的用法，科技術(shù)語(yǔ)研究，1999（4）：33。

[3] 師昌緒主編，材料大辭典，化學(xué)工業(yè)出版社，1994。