穿越時(shí)空的“碳”和“炭”

王洪鵬

希臘神話中有這樣一個(gè)故事：雅各布做夢(mèng)沿著登天的梯子取得了“圣火”，后人把這神話中的梯子，稱為雅各布天梯。隨著科技的日新月異，人們創(chuàng)造出新的“登天”設(shè)想：利用碳納米管制作太空天梯，可以使人類沿著天梯直接從地球通往太空。準(zhǔn)備用來(lái)制作太空天梯的碳納米管重量輕，碳原子六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有極高的拉伸強(qiáng)度，是人類目前發(fā)現(xiàn)的力學(xué)性能最好的材料。碳納米管單位質(zhì)量上的拉伸強(qiáng)度是鋼鐵的200多倍，遠(yuǎn)超其他任何材料。此外，用石灰石造紙現(xiàn)在也不是天方夜譚，原理就是將石灰石的主要成分碳酸鈣研磨成超細(xì)微粒后吹塑為紙。無(wú)論是制作太空天梯，還是用石灰石造紙，這些都離不開碳元素的功勞。

整個(gè)人類文明，可以說(shuō)就是一個(gè)以“碳”為基礎(chǔ)的碳基文明。最早出現(xiàn)在地球上的微生物，因?yàn)樘级婊?、?fù)制自身。二氧化碳在生命形成之初，就像溫室般保存了太陽(yáng)照到地球的熱量，讓生命得以生長(zhǎng)。可以說(shuō)，碳是人類跨入文明史的第一步。

從茹毛飲血到熟食，是人類發(fā)展史上的一個(gè)重要階段。人類進(jìn)化以來(lái)，首先學(xué)會(huì)的是用植物作燃料來(lái)取暖和烹煮食物，后來(lái)人類利用木炭中的碳作為能源和還原劑還原礦石以獲取銅、鐵等金屬，使人類進(jìn)入到青銅時(shí)代和鐵器時(shí)代。隨著蒸汽機(jī)的發(fā)明，碳在人類生活中扮演的角色越來(lái)越重要。作為提供動(dòng)力的化石能源，碳被人類利用得更充分，創(chuàng)造了巨大的社會(huì)財(cái)富。大氣中的二氧化碳被植物吸收，然后通過(guò)生物和地質(zhì)過(guò)程以及人類活動(dòng)，又以二氧化碳的形式回到大氣中。這樣的碳循環(huán)，在工業(yè)社會(huì)遭到了嚴(yán)重破壞。氣候異常和環(huán)境惡化迫使我們不斷提高對(duì)碳的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)碳意識(shí)。

中國(guó)古人雖然不知道碳元素，但是，中國(guó)古代的木炭種類繁多，它們的生產(chǎn)和應(yīng)用關(guān)乎古人的取暖，關(guān)乎古代冶銅、冶鐵業(yè)的興起，還關(guān)乎古代墓葬型制、雕塑、制墨等領(lǐng)域的發(fā)展。透過(guò)碳和炭，可以窺見中國(guó)古代社會(huì)及科技發(fā)展的一個(gè)側(cè)面。

由恨鐵不成鋼到百煉成鋼

“恨鐵不成鋼”的意思是形容對(duì)寄予期望的人不爭(zhēng)氣、不上進(jìn)而感到不滿，希望他變好。為什么“恨鐵不成鋼”呢？因?yàn)閺母郀t中冶煉出來(lái)的是生鐵，不是鋼。我們通常所說(shuō)的“鋼鐵”中的“鋼”和“鐵”是兩回事。鋼的性能比生鐵優(yōu)越，其根本原因在于兩者的含碳量不同，生鐵的含碳量為2%～4.3%，鋼的含碳量為0.03～2%。其實(shí)，在《后天》等講述氣候危機(jī)的災(zāi)難電影熱映之前，人們對(duì)氣候變暖等問(wèn)題還未廣泛關(guān)注，“碳”和“低碳”，往往只是物理和化學(xué)術(shù)語(yǔ)，多與鋼鐵和冶金聯(lián)系在一起。

“恨鐵不成鋼”出自《紅樓夢(mèng)》第九十六回：“只為寶玉不上進(jìn)，所以時(shí)常恨他，也不過(guò)是‘恨鐵不成鋼的意思。”《紅樓夢(mèng)》中，賈寶玉因丟失通靈寶玉而生病，賈母與王熙鳳商量要把薛寶釵嫁給寶玉沖喜，以挽救寶玉的生命。賈政也希望這個(gè)“恨鐵不成鋼”的兒子早日康復(fù)，成家立業(yè)好繼承祖業(yè)，也同意立即辦喜事。

鋼在中國(guó)古代非常寶貴，所以才會(huì)有“好鋼用在刀刃上”“人是鐵，飯是鋼，一頓不吃餓得慌”“鐵不煉不成鋼”的說(shuō)法。

“百煉成鋼”出自東漢末年“建安七子”陳琳的《武軍賦》：“鎧則東胡闕鞏，百煉精剛（鋼）。”這個(gè)成語(yǔ)就是比喻人只有經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期艱苦的鍛煉，才可以變得非常堅(jiān)強(qiáng)。在冶金工業(yè)中，煉鋼工人要經(jīng)過(guò)辛苦的勞動(dòng)和復(fù)雜的工藝才能把生鐵煉成鋼。生鐵經(jīng)過(guò)反復(fù)捶打，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，為生鐵中的碳和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)提供條件，固態(tài)的碳轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的二氧化碳而散發(fā)到空氣中，從而降低了含碳量，變得越來(lái)越堅(jiān)韌，變成了鋼。

由“滴水穿石”談“消失的客珠”

成語(yǔ)“滴水穿石”所說(shuō)的“石”通常是指大理石。大理石的主要成分是碳酸鈣。碳酸鈣雖然堅(jiān)硬、不溶于水，但是長(zhǎng)期在潮濕環(huán)境中，會(huì)與空氣中的二氧化碳、水發(fā)生反應(yīng)生成可溶于水的碳酸氫鈣?！暗嗡┦本桶诉@個(gè)化學(xué)反應(yīng)，天長(zhǎng)日久，大理石才會(huì)被滴穿。

了解了“滴水穿石”的原理，就可以幫助“詩(shī)圣”杜甫解開一個(gè)謎團(tuán)。杜甫在《客從》中記述了一件他迷惑不解和懊惱的事情：“客從南溟來(lái)，送我泉客珠。珠中有隱字，欲辨不成書。緘之篋笥久，以俟公家須。開視化為血，哀今征斂無(wú)?！痹?shī)的大意是說(shuō)，從南方來(lái)了一位客人，送給我一顆珍珠，珍珠上似乎有字跡，我珍藏在箱子中。過(guò)了好久，我打開箱子，卻發(fā)現(xiàn)珍珠不翼而飛，只剩下一些紅色的液體，可悲的是我現(xiàn)在再也沒(méi)有什么可以應(yīng)付官家的征斂了。1000多年前，杜甫就直觀描述了珍珠化為“血”的現(xiàn)象，但無(wú)法解釋其中的奧秘。珍珠之所以消失，這是因?yàn)檎渲榈闹饕煞质翘妓徕}，另外有少量氨基酸和水。正如杜甫在《茅屋為秋風(fēng)所破歌》中所言：“床頭屋漏無(wú)干處，雨腳如麻未斷絕。”杜甫住的房子漏雨潮濕，竹箱也沒(méi)有防潮的功能。在潮濕的酸性環(huán)境中，珍珠發(fā)生了化學(xué)變化，轉(zhuǎn)變?yōu)樗崾禁}而溶解，變成了液體。杜甫不知道這些知識(shí)，所以會(huì)迷惑不解。

中國(guó)古人不僅喜歡佩戴珍珠，而且往往在逝者的口中放入珍珠，讓其“含珠九泉”。但是，珍珠容易分解，很難流傳百年以上，所以古墓之中很少發(fā)現(xiàn)陪葬的珍珠。此外，珍珠佩戴在身上，皮膚不斷分泌出油脂與堿性汗液，珍珠的顏色會(huì)逐漸變黃、失去光澤，這也是成語(yǔ)“人老珠黃”的來(lái)源。

“滴水穿石”的成因還可以解釋一種奇妙的自然景觀——溶洞。溶洞中有千姿百態(tài)的石筍、石柱和鐘乳石。溶洞都分布在由石灰?guī)r組成的山地中，石灰?guī)r的主要成分是碳酸鈣，當(dāng)遇到溶有二氧化碳的水時(shí)，會(huì)發(fā)生反應(yīng)生成碳酸氫鈣；溶有碳酸氫鈣的水遇熱或當(dāng)壓強(qiáng)突然變小時(shí)，溶解在水里的碳酸氫鈣會(huì)分解，重新生成碳酸鈣沉積下來(lái)，同時(shí)放出二氧化碳。洞頂?shù)乃蛳聺B漏時(shí)，水中的碳酸氫鈣重新生成碳酸鈣，有的沉積在洞頂，有的沉積在洞底，天長(zhǎng)日久在洞頂形成鐘乳石，在洞底形成石筍。當(dāng)鐘乳石與石筍相連，就會(huì)形成石柱。

由《石灰吟》看燒制石灰的過(guò)程

《石灰吟》是明代詩(shī)人于謙12歲時(shí)寫的一首詩(shī)。這首詩(shī)不但表達(dá)了他高尚的情操和堅(jiān)強(qiáng)不屈的意志，還闡述了燒制石灰的過(guò)程。

“千錘萬(wàn)鑿出深山”的過(guò)程屬于物理變化，沒(méi)有生成新物質(zhì)，也從側(cè)面說(shuō)明原料來(lái)源主要成分是大理石或石灰石；“烈火焚燒若等閑”是指高溫煅燒石灰石（碳酸鈣），即碳酸鈣的分解，生成了氧化鈣和二氧化碳，屬于化學(xué)變化，這也是工業(yè)制取二氧化碳的反應(yīng)原理；“粉骨碎身渾不怕”是指將白色塊狀的生石灰（氧化鈣）與水反應(yīng)，生成了白色粉末狀的熟石灰（氫氧化鈣），屬于化學(xué)變化；“要留清白在人間”是指氫氧化鈣與二氧化碳的反應(yīng)生成碳酸鈣（顏色為白色），屬于化學(xué)變化。建筑工業(yè)上常利用石灰漿體的硬化，也就是用這個(gè)反應(yīng)來(lái)砌磚砌墻、粉刷墻體；化學(xué)上也經(jīng)常利用這個(gè)反應(yīng)來(lái)檢驗(yàn)二氧化碳?xì)怏w；實(shí)驗(yàn)室里盛放石灰水的試劑瓶?jī)?nèi)壁上常附有一層白色固體，這種白色固體的形成也是因?yàn)榘l(fā)生了這個(gè)反應(yīng)。

焰火與賣炭翁

我國(guó)古代的煉丹家在煉制丹藥過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，木炭、硝和硫磺的混合物能夠燃燒爆炸，由此誕生了中國(guó)古代四大發(fā)明之一的火藥?；鹚幾畛踔饕糜卺t(yī)藥，從其名稱中的“藥”字可見一斑。在火藥中加入發(fā)光劑或發(fā)色劑，就可以制成瑰麗多彩的焰火?！氨衤曋幸粴q除，春風(fēng)送暖入屠蘇”中的“爆竹”的化學(xué)原料就是火藥；隋煬帝也有詩(shī)描寫焰火，如“燈樹千光照，花焰七枝開”；宋代辛棄疾的《青玉案·元夕》中有“東風(fēng)夜放花千樹，更吹落，星如雨”之句……可見唐宋時(shí)期，中國(guó)古人就在實(shí)踐中摸索并總結(jié)出了火藥的使用方法。

不光是由炭制成的火藥，炭也經(jīng)常出現(xiàn)在中國(guó)古人的詩(shī)詞歌賦中。唐朝詩(shī)人白居易在《賣炭翁》的開頭四句，就描寫了賣炭翁的炭來(lái)之不易：“賣炭翁，伐薪燒炭南山中，滿面塵灰煙火色，兩鬢蒼蒼十指黑。”“伐薪燒炭”是樹木燃燒過(guò)程，有新物質(zhì)木炭生成，是化學(xué)變化；“滿面塵灰煙火色”說(shuō)的是樹木燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生煙塵，這是一個(gè)不完全燃燒的過(guò)程；“兩鬢蒼蒼十指黑”說(shuō)明了木炭是黑色的。白居易在《和自勸二首》一詩(shī)中寫道：“日暮半爐麩炭火，夜深一盞紗籠燭?！贝颂幍柠熖烤褪氰跆浚禽p而易燃的木炭。再如，南宋詩(shī)人范成大有一首《大雪送炭與芥隱》，詩(shī)云：“不是雪中須送炭，聊裝風(fēng)景要詩(shī)來(lái)?！背烧Z(yǔ)“雪中送炭”就來(lái)源于此詩(shī)，指在下雪天給人送炭取暖，比喻在別人急需時(shí)給予幫助。

今天，隨著電、天然氣、沼氣、太陽(yáng)能及其他新能源“飛入尋常百姓家”，即使在農(nóng)村，木炭也逐漸退出了人們的生活舞臺(tái)。隨著生態(tài)環(huán)保觀念逐漸深入人心，使用木炭差不多成了污染環(huán)境的代名詞。木炭與我們的生活漸行漸遠(yuǎn)，只能留在文獻(xiàn)中，留在人們的記憶里，留在博物館的展柜里……

【責(zé)任編輯】張小萌