Hiili
Wikipedia
|
|||||
Yleistä | |||||
Nimi | Hiili | ||||
Tunnus | C | ||||
Järjestysluku | 6 | ||||
Luokka | epämetalli | ||||
Lohko | p | ||||
Ryhmä | 14 | ||||
Jakso | 2 | ||||
Tiheys | 2,267 (grafiitti) 3,513 (timantti)×103 kg/m3 |
||||
Kovuus | 0,5 (grafiitti) 10,0 (timantti) (Mohsin asteikko) |
||||
Väri | musta (grafiitti) väritön (timantti) |
||||
Löytövuosi, löytäjä | esihistoria, George Preston | ||||
Atomiominaisuudet | |||||
Atomipaino | 12,0107 amu | ||||
Atomisäde, mitattu (laskennallinen) | 70 (67) pm | ||||
Kovalenttisäde | 77 pm | ||||
Van der Waalsin säde | 91 pm | ||||
Orbitaalirakenne | [He] 2s2 2p2 | ||||
Elektroneja elektronikuorilla | 2, 4 | ||||
Hapetusluvut | 4, 2, -4 | ||||
Kiderakenne | heksagonaalinen | ||||
Fysikaaliset ominaisuudet | |||||
Olomuoto | kiinteä | ||||
Sulamispiste | 3773,15 K (3500,0 °C) | ||||
Kiehumispiste | 5100,15 K (4827,0 °C) | ||||
Moolitilavuus | 4,58×10−6 m3/mol | ||||
Höyrystymislämpö | 355,8 kJ/mol | ||||
Äänen nopeus | 18 350 m/s K:ssa | ||||
Muuta | |||||
Elektronegatiivisuus | 2,55 (Paulingin asteikko) | ||||
Ominaislämpökapasiteetti | 0,709 (grafiitti) kJ/kg K | ||||
Lämmönjohtavuus | 1,59 W/(m×K) | ||||
Tiedot normaalipaineessa |
Hiili (lat. carbo, luonnonhiili, josta alkuaineena carbonium) on yleinen epämetalli, neliarvoinen alkuaine, jolla on myös useita allotrooppisia muotoja. Sanaa hiili käytetään puheessa myös, kun tarkoitetaan kivi- tai puuhiiltä. Hiili esiintyy yhdisteissään neliarvoisena paitsi hiilimonoksidissa (CO), jossa sen hapetusluku on +II. 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.
Sisällysluettelo |
[muokkaa] Ominaisuuksia
Ionisoitumisenergiat | |
---|---|
1. ionisoitumisenergia | 1086,5 kJ/mol |
2. ionisoitumisenergia | 2352,6 kJ/mol |
3. ionisoitumisenergia | 4620,5 kJ/mol |
4. ionisoitumisenergia | 6222,7 kJ/mol |
5. ionisoitumisenergia | 37831 kJ/mol |
6. ionisoitumisenergia | 47277 kJ/mol |
7. ionisoitumisenergia | - kJ/mol |
8. ionisoitumisenergia | - kJ/mol |
9. ionisoitumisenergia | - kJ/mol |
10. ionisoitumisenergia | - kJ/mol |
Hiiltä esiintyy kaikkialla missä on elämää ja orgaanisia yhdisteitä. Hiilen kiertokulku on eräs elämälle keskeinen luonnon kiertokulku. Hiilellä on myös kemiallisesti mielenkiintoinen kyky sitoutua itseensä ja laajoin eri muodoin muihin alkuaineisiin muodostaen lähes 10 miljoonaa tunnettua yhdistettä. Kun hiili yhdistyy happeen muodostuu hiilidioksidia, joka on äärimmäisen tärkeää kasveille. Riittämättömässä hapessa muodostuu hiilimonoksidia eli häkää. Kun hiili yhdistyy vetyyn, saadaan hiilivetyjä, jotka ovat oleellisia teollisuudelle fossiilisten polttoaineiden muodossa. Kun hiili yhdistyy sekä happeen että vetyyn, saadaan monia yhdisteitä, kuten muun muassa rasvahappoja, jotka ovat oleellisia elämälle sekä estereitä, jotka antavat aromit monille hedelmille. Hiili siis muodostaa Maan elämän perustan.
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.
[muokkaa] Hiili eri muodoissa
Hiilen eri muotoihin sisältyy yksi pehmeimmistä aineista (grafiitti) ja yksi kovimmista aineista (timantti). Timanteilla on kolmiulotteinen, maailman vahvin rakenne. Grafiitilla on levymäinen rakenne kuin kirjan lehdillä, joka saa aikaan grafiitin pehmeyden. Fullereenit ovat nanoluokan molekyylejä, yksinkertaisessa muodossaan 60 hiiliatomia muodostaa grafiittimaisen kerroksen taipuneena 3-ulotteiseksi jalkapallomaiseksi rakenteeksi. 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.
Luonnossa hiili esiintyy ruskohiilenä, kivihiilenä tai antrasiittina. 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.
[muokkaa] Varoituksia
Jotkut hiiliyhdisteet ovat hengenvaarallisia. Hiilimonoksidi (CO) eli häkä on jo pieninä annoksina tappava, ja henkiinjääneet 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.
Eteeni, etyyni, metaani ovat vaarallisen herkkiä räjähtämään ja syttymään, kun ne sekoittuvat ilman kanssa.
[muokkaa] 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 ja sitä esiintyy luonnossa vain hyvin pieniä määriä, koska sitä syntyy kosmisella säteilyllä typpiatomeista. C-14:n puoliintumisaika on n. 5700 vuotta.
Isotooppi | NA | p.aika | DM | DE MeV | DP |
---|---|---|---|---|---|
12C | 98,9% | C on vakaa 6 neutronilla | |||
13C | 1,1% | C on vakaa 7 neutronilla | |||
14C | synt. radioisotooppi | 5730 vuotta | β- | 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. 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).
[muokkaa] Sovellutuksia
Hiili on elintärkeä komponentti eläville olennoille, ilman sitä elämää ei olisi sellaisena kuin sen tunnemme. Ekonomisesti tärkein hiilen käyttö on hiilivetyjen, lähinnä fossiilipolttoaineiden muodossa, metaanikaasuna ja raakaöljynä. Jalostamalla saadaan synteettisiä materiaaleja kuten muoveja.
Hiiltä käytetään myös:
- Koksin valmistukseen
- Energialähteenä ja polttoaineena
- Kemianteollisuuden raaka-aineena
- Metallurgian teollisuudessa metallien pelkistimenä
- Isotooppina hiili-14 (C-14) iänmäärityksessä ns. hiili-14-menetelmällä
- Grafiittia voiteluaineena ja lyijykynän "lyijynä"
- Timantteina hioma-aineena ja koruina
- Teräksen valmistuksessa raudasta kovuutta lisäämään
- Taidepiirustuksessa
- Hiilitabletteina imemään myrkkyjä
- Aktiivihiilen muodossa imemään hajuja ja puhdistamisessa
[muokkaa] Hiilen yhdisteitä
- Hiilidioksidi (CO2) CAS-numero 124-38-9
- Hiilidisulfidi (CS2) CAS-numero 75-15-0
- Hiilimonoksidi (CO) CAS-numero 630-08-0
- Hiilitetrabromidi (CBr4) CAS-numero 558-13-4
- Hiilitetrakloridi (CCl4) CAS-numero 56-23-5
[muokkaa] Lue myös
[muokkaa] Aiheesta muualla