“碳”“炭”的定义、关系及区分

曲学斌

“碳”“炭”混用的根本原因在于人们对“炭”的科学涵义认识不清｡本文着重阐释“炭”的本质特征,从而给出“炭”的定义,以及“碳”与“炭”的关系式和“碳”“炭”二字的使用方法｡

一､“碳”“炭”的定义和关系

碳是一种元素,符号C｡这一点众所周知,不存争议｡

而关于什么是炭?代表性定义有二:其一,“炭,烧木余也｡”这是东汉许慎在《说文解字》^[1]中对炭下的定义｡大意是:烧木材所得的残余物为炭｡这是炭的本义,也是狭义内涵,专指木炭｡其二,炭是多杂质含碳且以碳为主的混合物^[2]｡

后者乍看起来,觉得科学;细一推敲,有些问题｡所谓“多杂质”,是杂质的品种多?还是数量多?抑或兼而有之?从字面看很难确定｡按照这一定义,可将“纤维不是纯碳”的,不管石墨化与否,“不称碳纤维而称‘炭纤维^[3]”;可将“天然石墨(含有灰分)”为原料烧成的“含碳耐火砖”,“当然应称为炭砖”^[2];可将“原料是人造石墨及天然石墨(因‘这些物质都或多或少含有灰分,不是纯碳)”的电极“称为‘炭电极”^[3];可将“常含有锰､硅､磷､硫､氧等杂质”^[4],并非“只含碳而不含其他合金元素”^[2]的铁碳合金,称为炭钢;甚至可将纯度为99.9%的C₆₀,当做混合物称作炭｡可见,以杂质或不纯论炭的定义不妥｡

笔者认为,木炭是将木材在炭窑中烧制而成,焦炭是将煤在焦炉中炼制而成｡烧炭的过程称作炭化,炼焦的过程称作焦化｡炭化和焦化的实质,都是有机化合物热解成碳｡不仅木材和煤,凡有机化合物,如草､骨､沥青､石油重质油,在缺少空气条件下加热都可得到炭或焦,如草炭､骨炭､沥青焦､石油焦｡木材和煤含有的大量有机化合物和树木等植物在生长期间自土壤中吸取的无机物,在最高1 000℃缺少空气条件下受热后,分别转化为碳和灰分｡由此可知,木炭和焦炭的组成主要是碳,尚有少量灰分､未逸出的挥发分和外来水分,统称为杂质｡因炭化和焦化温度较低,木炭和焦炭中的碳是无定形结构｡无定形碳的结构与石墨的结构不同｡无定形碳的结构是短程有序的,其基本单元为六角网状平面,同石墨相比是很不完整的,到处可见大大小小的缺陷;石墨的结构,是长程有序的,碳原子组成六角环形网状结构的多层叠合体,层与层之间的相对位置有两种排列方式,因而形成两种石墨晶体,即六方晶系石墨和三方晶系石墨^[5]｡焦炭,特别是沥青焦和石油焦,在2 500℃以上维温相当时间后,可完成石墨化,成为人造石墨｡人造石墨是六方晶系｡

由上述对木炭和焦炭的组成和结构分析,可概括出炭的共同的､本质的特征,并得出碳与炭的关系式｡

炭的共同的､本质的特征:其一,是以碳为主的化学组成;其二,碳无定形｡凡炭所表示的对象,都应具有这种共同的､本质的特征,而炭所不能表示的对象,都不具备这些特征｡

“碳”与“炭”的关系式可表述为:炭=无定形碳+杂质｡

英文carbon一词二义,即碳和炭｡美国材料试验学会(ASTM)在其标准^[6]中,就将carbon作为两条术语列出:

碳,一种元素,在元素周期表中序号6,电子基态1s²2s²2p²｡

炭,就人造炭和人造石墨工艺而言,是一种主要由元素碳组成的､具有有限的长程有序(limited long range order)的人造制品(artifact)｡

由所概括的炭的共同的､本质的特征,并参照美国ASTM标准,笔者尝试给出炭的第三种定义:炭是以碳且以无定形碳为主的人造物质｡

“无定形碳”这一涵义,是炭的两个本质特征之一,也是炭的第三种定义与第二种定义的主要不同之处｡据此可知,

石墨制品(包括人造石墨制品),不是“炭制品”｡

三､结论

碳是一种元素,符号C｡炭是以碳且以无定形碳为主的人造物质｡“碳”“炭”的关系为:炭=无定形碳+杂质｡区分“碳”“炭”二字的使用可以采用以下方法:首先看被判断的术语是否属于化学术语,若是,用碳字;若不知是否,只用炭的定义判断即可,重点看是不是无定形碳,从而最终确定该选用碳还是炭｡

参考文献

[1]许慎,汤可敬.说文解字今释.岳麓书社,1977. 1375.

[2]魏寿昆. 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. 科技术语研究,2002,(4):13-16.

[3]魏寿昆.关于“碳”“炭”二词的用法. 科技术语研究,1999,(4):33-34.

[4]辞海编辑委员会. 辞海(1999年版缩印本).上海辞书出版社,2000.1992.

[5]张文杰,李楠. 碳复合耐火材料. 冶金工业出版社,1990.68-77.

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

[7]中国冶金百科全书总编辑委员会《耐火材料》卷编辑委员会,冶金工业出版社《中国冶金百科全书》编辑部. 中国冶金百科全书:耐火材料. 冶金工业出版社,1997.236-237.