Hiili

Hiili on yleinen epämetallinen alkuaine, jolla on myös useita allotrooppisia muotoja. Sen kemiallinen merkki on C (lat. carbonium) ja järjestysluku 6. Sanaa hiili käytetään puheessa myös, kun tarkoitetaan kivi- tai puuhiiltä. Hiilen muodostamat sidokset ovat kovalenttisia, koska hiilen elektronegatiivisuus on 2,5. Hiiliketjuissa hiilten välinen kulma on 109 astetta, minkä vuoksi hiiliketju on polvekkeinen. Hiilen CAS-numero on 7440-44-0.[1] Hiilen IUPACin standardin mukainen atomimassa on [12,0096; 12,0116] amu[2].

Boori ← Hiili → Typpi
—
↑
C
↓
Si  
 
 


Yleistä
NimiHiili
TunnusC
Järjestysluku6
Luokkaepämetalli
Lohkop
Ryhmä14
Jakso2
Tiheys2,267 (grafiitti)
3,513 (timantti) · 103 kg/m3
Kovuus0,5 (grafiitti)
10,0 (timantti) (Mohsin asteikko)
Värimusta (grafiitti)
väritön (timantti)
Löytövuosi, löytäjäesihistoria, George Preston
Atomiominaisuudet
Atomipaino (Ar)12,0107
Atomisäde, mitattu (laskennallinen)70 (67) pm
Kovalenttisäde77 pm
Van der Waalsin säde91 pm
Orbitaalirakenne[He] 2s2 2p2
Elektroneja elektronikuorilla 2, 4
HapetusluvutIV, II, −IV
Kiderakenneheksagonaalinen
Fysikaaliset ominaisuudet
Olomuotokiinteä
Sulamispiste3 773,15 K (3 500,0 °C)
Kiehumispiste5 100,15 K (4 827,0 °C)
Moolitilavuus4,58 · 10−3 m3/mol
Höyrystymislämpö355,8 kJ/mol
Höyrynpaine1 Pa 2 710 K:ssa
Äänen nopeus18 350 m/s 293,15 K:ssa
Muuta
Elektronegatiivisuus2,55 (Paulingin asteikko)
Ominaislämpökapasiteetti0,709 (grafiitti) kJ/(kg K)
Sähkönjohtavuus0,061 × 106 S/m
Lämmönjohtavuus1,59 W/(m·K)
CAS-numero7440-44-0
Tiedot normaalilämpötilassa ja -paineessa
Hiiliatomin esitys Bohrin atomimallin mukaisesti.

Esiintyminen

Hiiltä esiintyy kaikkialla, missä on elämää ja orgaanisia yhdisteitä.[3] Hiilen kiertokulku on eräs elämälle keskeinen osa luonnon kiertokulkua. Hiili­atomeilla on myös kemiallisesti mielenkiintoinen kyky sitoutua toisiinsa muodostaen pitkiä ketjuja ja renkaita (katenaatio), ja ne voivat sitoutua laajoin eri muodoin myös muihin alkuaineisiin muodostaen lähes 10 miljoonaa tunnettua yhdistettä. Suurin osa hiilen yhdisteistä luetaan kuuluvaksi orgaaniseen kemiaan. Kuitenkin jotkut yksinkertaiset yhdisteet, joissa ei ole hiiliatomien välisiä sidoksia, kuuluvat epäorgaaniseen kemiaan. Myös jotkin yhden hiiliatomin yhdisteet, kuten metaani (CH4) ja formaldehydi (CH2O), luokitellaan orgaanisiksi yhdisteiksi, koska ne ovat homologisten sarjojen ensimmäisiä jäseniä (tässä tapauksessa alkaanit ja aldehydit).[4]

Hiilen ja vedyn yhdisteitä ovat hiilivedyt, joista tärkeät fossiiliset polttoaineet maaöljy ja maakaasu pääasiassa koostuvat. Kun hiili palaessaan yhdistyy happeen, muodostuu hiilidioksidia, jota kasvit käyttävät hiilen lähteenä. Hiilen palaessa riittämättömässä hapessa muodostuu hiilimonoksidia eli häkää.

Monet tärkeät orgaaniset yhdisteet koostuvat hiilestä, vedystä ja hapesta. Sellaisia ovat esimerkiksi hiilihydraatit ja rasvahapot, jotka ovat oleellisia elämälle, sekä monet esterit, jotka antavat aromit monille hedelmille. Elävissä olennoissa esiintyy lukemattomia muitakin erilaisia hiilen yhdisteitä, joista monet sisältävät vielä muitakin alkuaineita, esimerkiksi typpeä tai fosforia. Hiili siis muodostaa Maan elämän perustan.

Hiiltä esiintyy maapallolla myös kallioperässä etenkin karbonaatteina kuten kalsiumkarbonaattina eli kalkkikivenä (CaCO3).[4] Vapaana alkuaineena hiiltä esiintyy luonnossa ruskohiilenä, kivihiilenä, antrasiittina ja grafiittina, jonkin verran myös timantteina. Koksi on pyrolysoitua kivihiiltä. Puuta pyrolysoimalla (esim. tervanpolton yhteydessä) saadaan puuhiiltä eli sysiä, jota on vuosisatojen ajan käytetty sepäntyössä ja raudan valmistuksessa masuunissa, ja nykypäivänä grillihiilenä.

Hiiltä ei syntynyt alkuräjähdyksessä, koska sen synty tarvitsee kolmen alfahiukkasen (heliumytimen) törmäyksen, mikä on äärimmäisen epätodennäköistä ja universumi laajeni ja jäähtyi nopeasti. Sitä kuitenkin syntyy tähtien sisuksissa kolmi-alfa-prosessilla.

Ominaisuudet
Ionisoitumisenergiat
1. ionisoitumisenergia1 086,5 kJ/mol
2. ionisoitumisenergia2 352,6 kJ/mol
3. ionisoitumisenergia4 620,5 kJ/mol
4. ionisoitumisenergia6 222,7 kJ/mol
5. ionisoitumisenergia37 831 kJ/mol
6. ionisoitumisenergia47 277 kJ/mol

Eri muodot

Vapaana alkuaineena hiili voi esiintyä erilaisissa allotrooppisissa muodoissa. Sen eri muotoihin sisältyy yksi pehmeimmistä aineista (grafiitti) ja yksi kovimmista aineista (timantti). Timantin kiderakenne on kuutiollinen timanttirakenne, ja se on kovin luonnossa esiintyvä rakenne. Grafiitilla on levymäinen rakenne kuin päällekkäin asetetuilla kirjan lehdillä, mikä saa aikaan grafiitin pehmeyden. Niin sanottu amorfinen hiili, jota kivihiili ja puuhiili pääasiassa ovat, muodostuu oikeastaan hyvin pienistä grafiittikiteistä. Fullereenit ovat nanoluokan molekyylejä, yksinkertaisessa muodossaan 60 hiiliatomia muodostaa grafiittimaisen kerroksen taipuneena 3-ulotteiseksi jalkapallomaiseksi rakenteeksi.[3] Lamppunoki koostuu pienistä grafiittimaisista osista. ’Lasimainen hiili’ on isotrooppinen ja vahva kuin lasi. Toisin kuin normaalissa grafiitissa, kerrokset ovat rypistyneet kuin rypistynyt paperi. Hiilikuidut ovat samanlaisia kuin lasimainen hiili. Erikoiskäsittelyllä on mahdollista järjestää hiilitasot kuidun suuntaan, jolloin tuloksena on terästä kestävämpi rakenne.

Isotoopit

Hiilellä on kaksi pysyvää isotooppia, hiili-12 (C-12) (98,89 %) ja hiili-13 (C-13) (1,11 %). Lisäksi on olemassa epävakaa hiili-14 (C-14) isotooppi, joka on radioaktiivinen. C-14-isotooppia esiintyy luonnossa vain hyvin pieniä määriä, koska sitä syntyy kosmisella säteilyllä typpiatomeista. C-14:n puoliintumisaika on 5 730 vuotta.[5]

Isotooppi NA p.aika DM DE MeV DP
12C98,9 % C on vakaa 6 neutronilla
13C1,1 % C on vakaa 7 neutronilla
14Csynt. radioisotooppi 5 730 vuottaβ−0,156 14N

Hiili-13-/hiili-12-isotooppisuhdetta voidaan käyttää hiilen lähteen tunnistamisessa. Eliöt eivät käytä hyväkseen molempia isotooppeja tasapuolisesti, vaan suosivat voimakkaasti hiilen kevyempää isotooppia C-12.lähde? Tämä rikastuminen kevyemmän C-12:n suhteen on mitattavissa niin nykyisestä elävästä luonnosta kuin muinaisten sedimenttien joukkoon kerrostuneesta eloperäisestä materiaalista ja on voitu päätellä, että elämä ilmaantui maapallolle hyvin varhain hydrologisen kierron käynnistyttyä.

Erikoistapauksessa, koska eroja myös kasvien ja eläinten välillä, tätä rikastumista voidaan käyttää myös yhdisteen kasvi- vastaan eläinalkuperän tunnistamiseen, johon sanotaan eräiden dopingvalvontatestien perustuvan (eräiden synteettisten hormonien hiilen lähde oli kasviperäinen ja erottui siten ihmisen normaalista luonnollisesta hormonista).lähde?

Vaarallisuus

Jotkut hiiliyhdisteet ovat hengenvaarallisia. Hiilimonoksidi (CO) eli häkä on jo pieninä annoksina tappava, ja henkiin jääneet kärsivät muistinmenetyksistä ja heikkoudesta. Syanidit (CN-) ovat äärimmäisen myrkyllisiä lähes kaikille hemoglobiinia hapenkuljetukseen käyttäville organismeille, varsinkin tasalämpöisille selkärankaisille, kuten nisäkkäille. National Geographicin mukaan puhtaat fullereenit ovat hyvin myrkyllisiä.lähde tarkemmin?

Eteeni, etyyni ja metaani ovat erittäin räjähdysherkkiä, sekoittuessaan ilman hapen kanssa.

Sovellutuksia
Hiilikimpale

Hiili on elintärkeä alkuaine eläville olennoille, ilman sitä elämää ei olisi sellaisena kuin sen tunnemme. Taloudellisesti tärkein hiilen käyttö on hiili­pitoisten polttoaineiden, varsinkin fossiilisten poltto­aineiden kuten kivi­hiilen, maaöljyn ja maakaasun käyttö energian tuotantoon. Samoista raaka-aineista valmistetaan jalostamalla myös synteettisiä materiaaleja kuten muoveja.

Vapaana alkuaineena olevaa hiiltä eri muodoissaan käytetään:

Hiilen yhdisteitä
Tämä kappale käsittelee vain hiilen epäorgaanisia yhdisteitä. Katso myös Orgaaninen yhdiste.

Hiilen oksideista tärkeimmät ovat hiilidioksidi (CO2) ja hiilimonoksidi (CO). Muita oksideja ovat hiilisuboksidi (C3O2), dihiilimonoksidi (C2O), sekä korkeammat oksidit C5O2 ja C12O9[4].

Hiili esiintyy luonnossa karbonaatteina, ja näistä hiilen yhdisteistä keskeisimmät ovat natriumkarbonaatti eli sooda (Na2CO3) ja kalsiumkarbonaatti eli kalkkikivi (CaCO3).[4]

Hiilen ja metallin yhdisteet ovat karbideja. Titaanikarbidia (TiC) ja volframikarbidia (WC) käytetään hionta- ja kiillotusaineina niiden kovuuden vuoksi. Rautakarbidi eli sementiitti (Fe3C) antaa teräkselle sen lujuuden. Kalsiumkarbidi (CaC2) muodostaa veden kanssa asetyleeniä. Tunnetaan myös vähähiilisiä karbideja, kuten kromin Cr4C, Cr7C ja Cr3C2.[4]

Muita hiilen epäorgaanisia yhdisteitä ovat:

Katso myös

Lähteet

Viitteet
  1. Hiilen kansainvälinen kemikaalikortti Viitattu 5.1.2008
  2. Michael T. Wieser & Tyler B. Coplen: Atomic Weights of the Elements 2009 (IUPAC technical report). Pure and Applied Chemistry, 2011, 83. vsk, nro 2. IUPAC. Artikkelin verkkoversio. Viitattu 15.6.2011. (englanniksi)
  3. Marko Hamilo: Hiili yhä teollisen sivilisaation elinehto Helsingin Sanomat 26.6.2007. Arkistoitu 5.12.2008. Viitattu 14.7.2010.
  4. Spectrum tietokeskus: 16-osainen tietosanakirja. 3, Eng–Hiu, s. 566–567. Helsinki: WSOY, 1977. ISBN 951-0-07242-7.
  5. MAOL-taulukot, s. 99. Otava, 2003. ISBN 951-1-16053-2.

    Aiheesta muualla

     

    This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.