法律顧問：趙建英律師

碳、炭二詞用法的分歧在國內熱加工工作者中是這樣引起的：爲了提高鍊鐵高爐爐缸的壽命，人們採用了含碳耐火磚；電爐鍊鋼及熔鹽電解鍊鋁需用含碳電極以導電；爲了抗 酸、抗鹼、抗高溫，許多爐內構件需用含碳纖維的製品。因此部分學者認爲既然是含碳物質，上列製品則應分別稱爲“碳磚”、“碳電極”及“碳纖維”。另有一部分學者的意見是我國沿用“炭”字已有長久歷史，上列用品應稱爲“炭磚”、“炭電極”及“炭纖維”。 由此, “碳” 、“炭”二詞應用上引起爭議，致使國內文獻對“碳”、“炭”二詞的應用比較混亂。

例如1994年出版的《材料大辭典》中，carbon fiber爲碳纖維，而activated carbon fiber則爲活性炭纖維。carbon brick爲碳磚，而activated carbon 爲活性炭。這裏carbon譯爲“碳”還是“炭”，這個矛盾如何解決? 究竟“碳”“炭”二詞有無不同? 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題。

碳是一種化學元素 ,碳=100%C

化學元素C的中文命名爲碳，即碳是 100%C。碳有三個同素異形體，即無定形碳、石墨(六方晶系)及金剛石(立方晶系)。每個異形體有各自恆定的性質。

無定形碳在空氣中易燃,充作發熱劑及還原劑，在密閉條件下通電加熱到1500～2000℃，可得到石墨。石墨化程度隨加熱溫度及時間而異。

石墨能耐高溫，在空氣中難燃, 但在2000℃以上則昇華揮發，在氧氣中也可燃 燒。石墨能導電，導熱性也高，又能抗酸性或鹼性溶液的浸蝕。

透明金剛石有五色燦爛的光彩，是最硬的物質。金剛石砂可製成切割金屬的刀具。

碳有3個同位素，其中14C考古學家用以測估文物的歷史年代。

從化學組成看“炭”的科學涵義

燧人氏鑽木取火，未完全燃燒的黑色遺留物，古人稱之爲木炭。考古學家證明，春秋時代國人已知冶鑄青銅器皿、刀、劍的技術。用木炭供熱熔化天然銅，或還原風化的含雜質的銅礦，得出青銅鑄品。戰國時代鐵器出世。由於需更高的溫度鐵礦才能還原成鐵，國人又發明用煤炭築土窯燒製焦炭，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。

那麼，“炭”字從化學組成看，有哪些涵義呢?

燒製木炭的原料是木材。木材含有大量的高分子聚合的有機化合物，主要是纖維素及木質素，又含無機化合物灰分及水分。有機化合物通過光化作用在大氣中成長，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。有機化合物遇熱分解成碳，即所謂的“碳化過程”(carbonization)。木材中的灰分全部留存於木炭中。同時木炭在儲存期間又吸入大氣中的水分。

木炭中含有 H、O、N等元素說明木炭尚含有少量的能揮發的有機化合物。由以上木炭的化學組成足以說明，木炭是以碳爲主、含有多種不恆定成分的雜質的混合物。同時，隨着木材種類(軟木或硬木)不同，同一樹種，樹枝和樹幹部位不同，以及炭窯中由於火焰分佈不均，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爲固溶體。

煤炭古稱石炭，是古代植物遺體深埋地下，經長期的高溫高壓的煤化作用生成的。煤炭灰分來源於植物本身全部的無機物質，又含有沉積過程中由風力或流水搬運的礦物雜質，因而煤炭的灰分可高達40%。煤炭有多種多樣。根據產地、煤層及採煤工作面的不同，煤炭的化學組成在很大範圍內波動。即使在同一採煤工作面，不同時間採得的煤塊，其含碳量也有差異。煤炭灰分尚含有MnO、V2O5，及微量的稀有金屬氧化物。

焦炭是由煉焦煤料經乾餾焦結(900～1050℃)煉製的可燃固體產物。煉焦煤料由4種煙煤，即氣煤、肥煤、焦煤及瘦煤配合而成。焦炭是高爐鍊鐵必需的原料。通過煤料配比可以提供高爐需要的低硫、低灰分，高發熱值及高抗壓強度的高質量焦炭。

以上對木炭、煤炭及焦炭的化學涵義進行的分析可以看出炭、碳不能等同，它們的區別可用下列式(1)表達：

炭=碳(無定形碳或石墨)+有機揮發分+無機灰分+水分 (1)

也即

炭=碳(C)+C,H,O,N,S等有機物+SiO2, Al2O3,Fe2O3,CaO,MgO,MnO,TiO2,V2O3, SO3 , P2O5等無機物+水分 (2)

由上看出，炭是以碳爲主幷包含多雜質的混合物。多雜質的意思有二：一是雜質種類多，有揮發性的有機化合物，有金屬與非金屬氧化物組成的灰分，又有水分；二是雜質的量相當多，而且在大範圍內波動。特別是灰分的雜質很難與獨立存在的碳分離。因此，如果說炭是黑色易燃的物體則不大準確。因 爲焦炭是銀灰色,而有的煤炭呈金屬光澤。木炭、煤炭及焦炭是易燃物,是由於它們含有無定形碳。後者一經高溫處理石墨化後，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。

工業上含碳的製品應稱炭製品

根據碳、炭關係式,木炭、煤炭及焦炭可稱爲炭材料。由炭材料製備的工業上含碳的製品應稱爲炭製品。

燒製含碳耐火磚的原料有無煙煤、焦炭或天然石墨(含有灰分)。配以瀝青或無機黏合劑，經粉碎、混合、壓型及燒製，燒成耐火磚，原料中的灰分全部留在磚內，因窯內還原火焰溫度不超過1000℃，可能遺下一小部分揮發性的有機物，磚內的碳也停留爲無定形碳，因此必須使磚冷到室溫，方能從窯內搬出，否則紅熱的磚取出後將自燃。在高爐爐缸使用過程中，磚中的碳將逐漸石墨化。此類含碳耐火磚由炭材料製成，當然應稱爲炭磚。

製備含碳電極的原料與炭磚相同,它們也應稱爲炭電極。電爐鍊鋼所用的電極的石墨化程度應較高,而自焙炭電極則在向電爐內下降過程中逐步石墨化。電極所含的灰分在電爐冶煉過程中熔化進入爐渣。

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熱解碳化製成。造絲和碳化通常在大氣或隋性氣體中進行。氣體中含有塵埃，所以纖維內留有少量灰分無法去除。隨着原料、造絲工藝及碳化條件(包括溫度、碳化速度及環境)的不同，纖維所含的碳量在90～99%範圍內波動。含碳纖維爲符合習慣應稱“炭纖維”。所織成的成品應稱炭製品，如炭布、炭毯等。

炭纖維中炭和碳的關係可由式(3)表達:

炭=碳+有機化合物(未碳化)及分解物+無機物(灰分,來自環境)+水分(吸自大氣) (3)

石墨化的炭纖維不吸水。由於高溫,石墨化的炭纖維含未碳化的有機化合物及分解物也較少。由有機化合物經熱解碳化的炭黑，其中炭、碳的關係也由式(3)表達。

哪些名詞用“碳”

化學元素C(碳)和其他元素結合成碳化合物，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。後者實際上是plain carbon steel合金的譯名。“素”意爲“單純”，說明只含碳而不含其他合金元素。研究碳原子結構關係的名詞用“碳”, 例如碳鍵、碳鏈、碳環等。

爲提高機械零件表面的耐磨性，採用滲碳法(cementation , carburizing)提高表面層的含碳量，再經淬火熱處理提高硬度，從而增加其耐磨性。該方法採用粉狀木炭(焦炭或無煙煤)覆蓋需加硬的部分，在高溫下加熱一定時間,木炭中的碳原子擴散固溶於鐵原子中成爲奧氏體，但木炭中的無機物灰分則遺留在外(當然，木炭中的有機物及水分揮發逸散)。此物理過程稱爲滲碳而不能稱爲滲炭。

轉爐鍊鋼吹煉末期，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。此物理過程稱爲增碳 (recarburization)而不能稱爲增炭。

又如鍊鋼過程是降低鐵液中含碳的氧化過。此化學反應稱爲脫碳(decarburization)，因爲是碳和氧的化學反應。

至於有機化合物加熱分解沉積成碳的碳化反應(過程)(carbonization)絕不能稱爲 “炭”化，因爲分解沉積的是碳。後者和未分解的原有機物,部分分解的新有機物，環境帶入的無機灰分以及自空氣吸入的水分，合併組成含碳物質，根據用字的習慣，此有雜質的含碳物質稱爲“炭物質”, 例如炭黑，活性炭等等。

高純碳及原子級碳

“金無足赤”，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。但化學家經常在研究發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製得。所謂“高純”係指高於“化學純”的純度，也即大於 99.9999%C、小於1ppm雜質的C，因而稱爲碳。原料通常採用石油焦。

近代發明碳60(C60,富勒烯,fullerene)，系由60～70碳原子組成的內空外呈球形的結構體。曾有學者建議稱爲碳的第4個同素異形體。但尚無定論。納米碳管是由小於50 納米的，由1至幾個碳原子自彎成管的碳結構體。它是由特殊方法，用高新技術和設備，在特殊條件(高溫、無塵埃的真空或氬氣)下製成。

碳 、炭二字應予分別選用

在已發現的109種元素中，其中氣態元素11種, 如氫、氦、氮、氧、氯、氬等, 均冠以 “氣”首。液態元素兩種,即溴、汞，兩字帶有“氵”及“水”。固態元素分兩類 , 即非金屬固態元素10種，如硼、碳、硅、磷、硫、砷等, 諸字均帶有“石”旁；金屬固態元素86種，即金、銀、銅、鉛、鋅、鐵等, 諸字除金外，均帶有“金”旁。非金屬元素和金屬元素主要的區別之一是：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,其氧化物呈鹼性。元素命名有這樣的規律性、系統性是我國前輩化學家的創舉，有利於學習化學。如果棄“碳”不用而只用“炭”， 則破壞了化學命名的規律性。爲一元素而傷大局，似無必要而且不妥。如果廢“炭”而全部用“碳”，則忽略我國已沿用兩千多年的“炭”字,又不符合漢字簡化的意義, 因而廢棄“炭”字也屬不宜。建議保持“碳”、“炭”根據前述含義具體情況 ,分別選用。

結論

根據化學組成，考慮我國國情，建議對 “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)結構化學的名詞，如碳鍵、碳鏈、碳環等。

(4)參加物理過程的C，如滲碳、增碳等。

(5)參加化學反應的C，如脫碳、碳化等。

(6)99.9999%C，如光譜純碳。

(7) 原子級C， 如碳60、納米碳管等。

2. 工業用含碳物質稱炭物質。

炭是多雜質含碳且以碳爲主的混合物，其特點爲： (1)含碳量不恆定。(2)雜質多種多樣。(3)雜質含量不恆定,而且相當多，並在大範圍內波動。(4)物理及化學性質不恆定。

炭材料如：木炭、煤炭、焦炭、炭黑、活性炭、炭纖維等。

炭製品如：炭磚、炭電極、炭塊、炭刷、炭纖維、炭布、炭毯等。

3. “炭”、“碳”的區別可由下式表達：

炭=碳(無定形碳或石墨)+有機物+無機物+水分

4.英文carbon一詞根據上述原則，分別譯爲“碳”或“炭”，例如carbon dioxide二氧化碳，carbon black炭黑等 。

End

作者：魏壽昆

來源：科技技術術語

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