“碳”“炭”的定義、關(guān)系及區(qū)分

曲學(xué)斌

“碳”“炭”混用的根本原因在于人們對(duì)“炭”的科學(xué)涵義認(rèn)識(shí)不清?本文著重闡釋“炭”的本質(zhì)特征,從而給出“炭”的定義,以及“碳”與“炭”的關(guān)系式和“碳”“炭”二字的使用方法?

一?“碳”“炭”的定義和關(guān)系

碳是一種元素,符號(hào)C?這一點(diǎn)眾所周知,不存爭(zhēng)議?

而關(guān)于什么是炭?代表性定義有二:其一,“炭,燒木余也?”這是東漢許慎在《說(shuō)文解字》^[1]中對(duì)炭下的定義?大意是:燒木材所得的殘余物為炭?這是炭的本義,也是狹義內(nèi)涵,專指木炭?其二,炭是多雜質(zhì)含碳且以碳為主的混合物^[2]?

后者乍看起來(lái),覺(jué)得科學(xué);細(xì)一推敲,有些問(wèn)題?所謂“多雜質(zhì)”,是雜質(zhì)的品種多?還是數(shù)量多?抑或兼而有之?從字面看很難確定?按照這一定義,可將“纖維不是純碳”的,不管石墨化與否,“不稱碳纖維而稱‘炭纖維^[3]”;可將“天然石墨(含有灰分)”為原料燒成的“含碳耐火磚”,“當(dāng)然應(yīng)稱為炭磚”^[2];可將“原料是人造石墨及天然石墨(因‘這些物質(zhì)都或多或少含有灰分,不是純碳)”的電極“稱為‘炭電極”^[3];可將“常含有錳?硅?磷?硫?氧等雜質(zhì)”^[4],并非“只含碳而不含其他合金元素”^[2]的鐵碳合金,稱為炭鋼;甚至可將純度為99.9%的C₆₀,當(dāng)做混合物稱作炭?可見(jiàn),以雜質(zhì)或不純論炭的定義不妥?

筆者認(rèn)為,木炭是將木材在炭窯中燒制而成,焦炭是將煤在焦?fàn)t中煉制而成?燒炭的過(guò)程稱作炭化,煉焦的過(guò)程稱作焦化?炭化和焦化的實(shí)質(zhì),都是有機(jī)化合物熱解成碳?不僅木材和煤,凡有機(jī)化合物,如草?骨?瀝青?石油重質(zhì)油,在缺少空氣條件下加熱都可得到炭或焦,如草炭?骨炭?瀝青焦?石油焦?木材和煤含有的大量有機(jī)化合物和樹(shù)木等植物在生長(zhǎng)期間自土壤中吸取的無(wú)機(jī)物,在最高1 000℃缺少空氣條件下受熱后,分別轉(zhuǎn)化為碳和灰分?由此可知,木炭和焦炭的組成主要是碳,尚有少量灰分?未逸出的揮發(fā)分和外來(lái)水分,統(tǒng)稱為雜質(zhì)?因炭化和焦化溫度較低,木炭和焦炭中的碳是無(wú)定形結(jié)構(gòu)?無(wú)定形碳的結(jié)構(gòu)與石墨的結(jié)構(gòu)不同?無(wú)定形碳的結(jié)構(gòu)是短程有序的,其基本單元為六角網(wǎng)狀平面,同石墨相比是很不完整的,到處可見(jiàn)大大小小的缺陷;石墨的結(jié)構(gòu),是長(zhǎng)程有序的,碳原子組成六角環(huán)形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多層疊合體,層與層之間的相對(duì)位置有兩種排列方式,因而形成兩種石墨晶體,即六方晶系石墨和三方晶系石墨^[5]?焦炭,特別是瀝青焦和石油焦,在2 500℃以上維溫相當(dāng)時(shí)間后,可完成石墨化,成為人造石墨?人造石墨是六方晶系?

由上述對(duì)木炭和焦炭的組成和結(jié)構(gòu)分析,可概括出炭的共同的?本質(zhì)的特征,并得出碳與炭的關(guān)系式?

炭的共同的?本質(zhì)的特征:其一,是以碳為主的化學(xué)組成;其二,碳無(wú)定形?凡炭所表示的對(duì)象,都應(yīng)具有這種共同的?本質(zhì)的特征,而炭所不能表示的對(duì)象,都不具備這些特征?

“碳”與“炭”的關(guān)系式可表述為:炭=無(wú)定形碳+雜質(zhì)?

英文carbon一詞二義,即碳和炭?美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)(ASTM)在其標(biāo)準(zhǔn)^[6]中,就將carbon作為兩條術(shù)語(yǔ)列出:

碳,一種元素,在元素周期表中序號(hào)6,電子基態(tài)1s²2s²2p²?

炭,就人造炭和人造石墨工藝而言,是一種主要由元素碳組成的?具有有限的長(zhǎng)程有序(limited long range order)的人造制品(artifact)?

由所概括的炭的共同的?本質(zhì)的特征,并參照美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn),筆者嘗試給出炭的第三種定義:炭是以碳且以無(wú)定形碳為主的人造物質(zhì)?

“無(wú)定形碳”這一涵義,是炭的兩個(gè)本質(zhì)特征之一,也是炭的第三種定義與第二種定義的主要不同之處?據(jù)此可知,

石墨制品(包括人造石墨制品),不是“炭制品”?

三?結(jié)論

碳是一種元素,符號(hào)C?炭是以碳且以無(wú)定形碳為主的人造物質(zhì)?“碳”“炭”的關(guān)系為:炭=無(wú)定形碳+雜質(zhì)?區(qū)分“碳”“炭”二字的使用可以采用以下方法:首先看被判斷的術(shù)語(yǔ)是否屬于化學(xué)術(shù)語(yǔ),若是,用碳字;若不知是否,只用炭的定義判斷即可,重點(diǎn)看是不是無(wú)定形碳,從而最終確定該選用碳還是炭?

參考文獻(xiàn)

[1]許慎,湯可敬.說(shuō)文解字今釋.岳麓書(shū)社,1977. 1375.

[2]魏壽昆. 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. 科技術(shù)語(yǔ)研究,2002,(4):13-16.

[3]魏壽昆.關(guān)于“碳”“炭”二詞的用法. 科技術(shù)語(yǔ)研究,1999,(4):33-34.

[4]辭海編輯委員會(huì). 辭海(1999年版縮印本).上海辭書(shū)出版社,2000.1992.

[5]張文杰,李楠. 碳復(fù)合耐火材料. 冶金工業(yè)出版社,1990.68-77.

[6]ASTM C70998, Standard Terminology Relating to Manufactured Carbon and Graphite.

[7]中國(guó)冶金百科全書(shū)總編輯委員會(huì)《耐火材料》卷編輯委員會(huì),冶金工業(yè)出版社《中國(guó)冶金百科全書(shū)》編輯部. 中國(guó)冶金百科全書(shū):耐火材料. 冶金工業(yè)出版社,1997.236-237.