炭与碳的区别

炭与碳的区别碳”与“炭”是与不少学科都有关的常用字,长期以来使用十分混乱，加之此二字的跨多学科(行业)性，给规范br/“碳”与“炭”是与不少学科都有关的常用字,长期以来使用十分混乱，加之此二字的跨多学科(行业)性，给规范化工作带来困难。本刊曾于1999年第4期，及2001年第4期刊登过一部分讨论如何规范化的文章。本期我们特再次约请几位专家进行书面讨论,谈谈他们的意见，供读者分析、比较。全国科技名词委将进行专题研究，力争拿出比较可行的规范化意见,改变“无所遵循”的混乱状况。欢迎有关读者提出宝贵意见。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。br/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。br/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,ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ为碳纤维,而ａｃｔｉｖａｔｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ则为活性炭纤维。ｃａｒｂｏｎｂｒｉｃｋ为碳砖,而ａｃｔｉｖａｔｅｄｃａｒｂｏｎ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。br/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。br/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:材料的“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。br/  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。br/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。br/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ｐｌａｉｎｃａｒｂｏｎｓｔｅｅｌ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。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。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。br/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。br/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,诸字含义具体情况,分别选用。br/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。br/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。br/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。均带有