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穿越时空的碳和炭

希腊神话中有这样一个故事：雅各布做梦沿着登天的梯子取得了“圣火”,后人把这神话中的梯子,称为雅各布天梯.随着科技的日新月异,人们创造出新的“登天”设想：利用碳纳米管制作太空天梯,可以使人类沿着天梯直接从地球通往太空.准备用来制作太空天梯的碳纳米管重量轻,碳原子六边形结构连接完美,具有极高的拉伸强度,是人类目前发现的力学性能最好的材料.碳纳米管单位质量上的拉伸强度是钢铁的200多倍,远超其他任何材料.此外,用石灰石造纸现在也不是天方夜谭,原理就是将石灰石的主要成分碳酸钙研磨成超细微粒后吹塑为纸.无论是制作太空天梯,还是用石灰石造纸,这些都离不开碳元素的功劳.

整个人类文明,可以说就是一个以“碳”为基础的碳基文明.最早出现在地球上的微生物,因为碳而存活、复制自身.二氧化碳在生命形成之初,就像温室般保存了太阳照到地球的热量,让生命得以生长.可以说,碳是人类跨入文明史的第一步.

从茹毛饮血到熟食,是人类发展史上的一个重要阶段.人类进化以来,首先学会的是用植物作燃料来取暖和烹煮食物,后来人类利用木炭中的碳作为能源和还原剂还原矿石以获取铜、铁等金属,使人类进入到青铜时代和铁器时代.随着蒸汽机的发明,碳在人类生活中扮演的角色越来越重要.作为提供动力的化石能源,碳被人类利用得更充分,创造了巨大的社会财富.大气中的二氧化碳被植物吸收,然后通过生物和地质过程以及人类活动,又以二氧化碳的形式回到大气中.这样的碳循环,在工业社会遭到了严重破坏.气候异常和环境恶化迫使我们不断提高对碳的认识,增强碳意识.

中国古人虽然不知道碳元素,但是,中国古代的木炭种类繁多,它们的生产和应用关乎古人的取暖,关乎古代冶铜、冶铁业的兴起,还关乎古代墓葬型制、雕塑、制墨等领域的发展.透过碳和炭,可以窥见中国古代社会及科技发展的一个侧面.

由恨铁不成钢到百炼成钢

“恨铁不成钢”的意思是形容对寄予期望的人不争气、不上进而感到不满,希望他变好.为什么“恨铁不成钢”呢？因为从高炉中冶炼出来的是生铁,不是钢.我们通常所说的“钢铁”中的“钢”和“铁”是两回事.钢的性能比生铁优越,其根本原因在于两者的含碳量不同,生铁的含碳量为2%～4.3%,钢的含碳量为0.03～2%.其实,在《后天》等讲述气候危机的灾难电影热映之前,人们对气候变暖等问题还未广泛关注,“碳”和“低碳”,往往只是物理和化学术语,多与钢铁和冶金联系在一起.

“恨铁不成钢”出自《红楼梦》第九十六

回：“只为宝玉不上进,所以时常恨他,也不过是‘恨铁不成钢’的意思.”《红楼梦》中,贾宝玉因丢失通灵宝玉而生病,贾母与王熙凤商量要把薛宝钗嫁给宝玉冲喜,以挽救宝玉的生命.贾政也希望这个“恨铁不成钢”的儿子早日康复,成家立业好继承祖业,也同意立即办喜事.

钢在中国古代非常宝贵,所以才会有“好钢用在刀刃上”“人是铁,饭是钢,一顿不吃饿得慌”“铁不炼不成钢”的说法.

“百炼成钢”出自东汉末年“建安七子”陈琳的《武军赋》：“铠则东胡阙巩,百炼精刚（钢）.”这个成语就是比喻人只有经过长期艰苦的锻炼,才可以变得非常坚强.在冶金工业中,炼钢工人要经过辛苦的劳动和复杂的工艺才能把生铁炼成钢.生铁经过反复捶打,机械能转化为热能,为生铁中的碳和氧气发生化学反应提供条件,固态的碳转化为气态的二氧化碳而散发到空气中,从而降低了含碳量,变得越来越坚韧,变成了钢.

由“滴水穿石”谈“消失的客珠”

成语“滴水穿石”所说的“石”通常是指大理石.大理石的主要成分是碳酸钙.碳酸钙虽然坚硬、不溶于水,但是长期在潮湿环境中,会与空气中的二氧化碳、水发生反应生成可溶于水的碳酸氢钙.“滴水穿石”就包含了这个化学反应,天长日久,大理石才会被滴穿.

了解了“滴水穿石”的原理,就可以帮助“诗圣”杜甫解开一个谜团.杜甫在《客从》中记述了一件他迷惑不解和懊恼的事情：“客从南溟来,送我泉客珠.珠中有隐字,欲辨不成书.缄之箧笥久,以俟公家须.开视化为血,哀今征敛无.”诗的大意是说,从南方来了一位客人,送给我一颗珍珠,珍珠上似乎有字迹,我珍藏在箱子中.过了好久,我打开箱子,却发现珍珠不翼而飞,只剩下一些红色的液体,可悲的是我现在再也没有什么可以应付官家的征敛了.1000多年前,杜甫就直观描述了珍珠化为“血”的现象,但无法解释其中的奥秘.珍珠之所以消失,这是因为珍珠的主要成分是碳酸钙,另外有少量氨基酸和水.正如杜甫在《茅屋为秋风所破歌》中所言：“床头屋漏无干处,雨脚如麻未断绝.”杜甫住的房子漏雨潮湿,竹箱也没有防潮的功能.在潮湿的酸性环境中,珍珠发生了化学变化,转变为酸式盐而溶解,变成了液体.杜甫不知道这些知识,所以会迷惑不解.

中国古人不仅喜欢佩戴珍珠,而且往往在逝者的口中放入珍珠,让其“含珠九泉”.但是,珍珠容易分解,很难流传百年以上,所以古墓之中很少发现陪葬的珍珠.此外,珍珠佩戴在身上,皮肤不断分泌出油脂与碱性汗液,珍珠的颜色会逐渐变黄、失去光泽,这也是成语“人老珠黄”的来源.

“滴水穿石”的成因还可以解释一种奇妙的自然景观——溶洞.溶洞中有千姿百态的石笋、石柱和钟乳石.溶洞都分布在由石灰岩组成的山地中,石灰岩的主要成分是碳酸钙,当遇到溶有二氧化碳的水时,会发生反应生成碳酸氢钙；溶有碳酸氢钙的水遇热或当压强突然变小时,溶解在水里的碳酸氢钙会分解,重新生成碳酸钙沉积下来,同时放出二氧化碳.洞顶的水向下渗漏时,水中的碳酸氢钙重新生成碳酸钙,有的沉积在洞顶,有的沉积在洞底,天长日久在洞顶形成钟乳石,在洞底形成石笋.当钟乳石与石笋相连,就会形成石柱.

由《石灰吟》看烧制石灰的过程

《石灰吟》是明代诗人于谦12岁时写的一首

诗.这首诗不但表达了他高尚的情操和坚强不屈的意志,还阐述了烧制石灰的过程.

“千锤万凿出深山”的过程属于物理变化,没有生成新物质,也从侧面说明原料来源主要成分是大理石或石灰石；“烈火焚烧若等闲”是指高温煅烧石灰石（碳酸钙）,即碳酸钙的分解,生成了氧化钙和二氧化碳,属于化学变化,这也是工业制取二氧化碳的反应原理；“粉骨碎身浑不怕”是指将白色块状的生石灰（氧化钙）与水反应,生成了白色粉末状的熟石灰（氢氧化钙）,属于化学变化；“要留清白在人间”是指氢氧化钙与二氧化碳的反应生成碳酸钙（颜色为白色）,属于化学变化.建筑工业上常利用石灰浆体的硬化,也就是用这个反应来砌砖砌墙、粉刷墙体；化学上也经常利用这个反应来检验二氧化碳气体；实验室里盛放石灰水的试剂瓶内壁上常附有一层白色固体,这种白色固体的形成也是因为发生了这个反应.

焰火与卖炭翁

我国古代的炼丹家在炼制丹药过程中发现,木炭、硝和硫磺的混合物能够燃烧爆炸,由此诞生了中国古代四大发明之一的.最初主要用于医药,从其名称中的“药”字可见一斑.在中加入发光剂或发色剂,就可以制成瑰丽多彩的焰火.“爆竹声中一岁除,春风送暖入屠苏”中的“爆竹”的化学原料就是；隋炀帝也有诗描写焰火,如“灯树千光照,花焰七枝开”；宋代辛弃疾的《青玉案·元夕》中有“东风夜放花千树,更吹落,星如雨”之句……可见唐宋时期,中国古人就在实践中摸索并总结出了的使用方法.

不光是由炭制成的,炭也经常出现在中国古人的诗词歌赋中.唐朝诗人白居易在《卖炭翁》的开头四句,就描写了卖炭翁的炭来之不易：“卖炭翁,伐薪烧炭南山中,满面尘灰烟火色,两鬓苍苍十指黑.”“伐薪烧炭”是树木燃烧过程,有新物质木炭生成,是化学变化；“满面尘灰烟火色”说的是树木燃烧过程中会产生烟尘,这是一个不完全燃烧的过程；“两鬓苍苍十指黑”说明了木炭是黑色的.白居易在《和自劝二首》一诗中写道：“日暮半炉麸炭火,夜深一盏纱笼烛.”此处的麸炭就是桴炭,是轻而易燃的木炭.再如,南宋诗人范成大有一首《大雪送炭与芥隐》,诗云：“不是雪中须送炭,聊装风景要诗来.”成语“雪中送炭”就来源于此诗,指在下雪天给人送炭取暖,比喻在别人急需时给予帮助.

今天,随着电、天然气、沼气、太阳能及其他新能源“飞入寻常百姓家”,即使在农村,木炭也逐渐退出了人们的生活舞台.随着生态环保观念逐渐深入人心,使用木炭差不多成了污染环境的代名词.木炭与我们的生活渐行渐远,只能留在文献中,留在人们的记忆里,留在博物馆的展柜里……

【责任编辑】张小萌

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