Hiili
| |||||
| Yleistä | |||||
| Nimi | Hiili | ||||
| Tunnus | C | ||||
| Järjestysluku | 6 | ||||
| Luokka | epämetalli | ||||
| Lohko | p | ||||
| Ryhmä | 14 | ||||
| Jakso | 2 | ||||
| Tiheys | 2,267 (grafiitti) 3,513 (timantti) · 103kg/m3 | ||||
| Kovuus | 0,5 (grafiitti) 10,0 (timantti) (Mohsin asteikko) | ||||
| Väri | musta (grafiitti) väritön (timantti) |
||||
| Löytövuosi, löytäjä | esihistoria,George Preston | ||||
| Atomiominaisuudet | |||||
| Atomipaino(Ar) | 12,0107 | ||||
| Atomisäde,mitattu (laskennallinen) | 70 (67)pm | ||||
| Kovalenttisäde | 77 pm | ||||
| Van der Waalsin säde | 91 pm | ||||
| Orbitaalirakenne | [He] 2s22p2 | ||||
| Elektronejaelektronikuorilla | 2, 4 | ||||
| Hapetusluvut | IV,II, −IV | ||||
| Kiderakenne | heksagonaalinen | ||||
| Fysikaaliset ominaisuudet | |||||
| Olomuoto | kiinteä | ||||
| Sulamispiste | 3 773,15K(3 500,0°C) | ||||
| Kiehumispiste | 5 100,15 K (4 827,0 °C) | ||||
| Moolitilavuus | 4,58 · 10−3m3/mol | ||||
| Höyrystymislämpö | 355,8 kJ/mol | ||||
| Höyrynpaine | 1Pa2 710 K:ssa | ||||
| Äänen nopeus | 18 350m/s293,15 K:ssa | ||||
| Muuta | |||||
| Elektronegatiivisuus | 2,55 (Paulingin asteikko) | ||||
| Ominaislämpökapasiteetti | 0,709 (grafiitti) kJ/(kg K) | ||||
| Sähkönjohtavuus | 0,061 × 106S/m | ||||
| Lämmönjohtavuus | 1,59W/(m·K) | ||||
| CAS-numero | 7440-44-0 | ||||
| Tiedotnormaalilämpötilassa ja -paineessa | |||||
Hiilion yleinenepämetallinenalkuaine,jolla on myös useitaallotrooppisiamuotoja. Sen kemiallinen merkki onC(lat.carbonium) ja järjestysluku 6. Sanaahiilikäytetään puheessa myös, kun tarkoitetaankivi-taipuuhiiltä.Hiilen muodostamat sidokset ovatkovalenttisia,koska hiilenelektronegatiivisuuson 2,5. Hiiliketjuissa hiilten välinen kulma on 109 astetta, minkä vuoksi hiiliketju on polvekkeinen. HiilenCAS-numeroon 7440-44-0.[1]HiilenIUPACinstandardin mukainenatomimassaon [12,0096; 12,0116]amu[2].
Esiintyminen
[muokkaa|muokkaa wikitekstiä] |
Tähän artikkeliin tai osioon ei ole merkitty lähteitä, joten tiedot kannattaa tarkistaa muista tietolähteistä. Voit auttaa Wikipediaa lisäämällä artikkeliintarkistettavissa olevialähteitä ja merkitsemällä neohjeenmukaan. |
Hiiltä esiintyy kaikkialla, missä on elämää jaorgaanisia yhdisteitä.[3]Hiilen kiertokulkuon eräs elämälle keskeinen osaluonnon 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 tunnettuayhdistettä.Suurin osa hiilen yhdisteistä luetaan kuuluvaksi orgaaniseen kemiaan. Kuitenkin jotkut yksinkertaiset yhdisteet, joissa ei ole hiiliatomien välisiä sidoksia, kuuluvatepäorgaaniseen kemiaan.Myös jotkin yhden hiiliatomin yhdisteet, kutenmetaani(CH4) jaformaldehydi(CH2O), luokitellaan orgaanisiksi yhdisteiksi, koska ne ovat homologisten sarjojen ensimmäisiä jäseniä (tässä tapauksessaalkaanitjaaldehydit).[4]
Hiilen javedynyhdisteitä ovathiilivedyt,joista tärkeätfossiiliset polttoaineetmaaöljyjamaakaasupääasiassa koostuvat. Kun hiilipalaessaanyhdistyyhappeen,muodostuuhiilidioksidia,jotakasvitkäyttävät hiilen lähteenä. Hiilen palaessa riittämättömässä hapessa muodostuuhiilimonoksidiaeli häkää.
Monet tärkeät orgaaniset yhdisteet koostuvat hiilestä, vedystä ja hapesta. Sellaisia ovat esimerkiksihiilihydraatitjarasvahapot,jotka ovat oleellisia elämälle, sekä monetesterit,jotka antavataromitmonille hedelmille. Elävissä olennoissa esiintyy lukemattomia muitakin erilaisia hiilen yhdisteitä, joista monet sisältävät vielä muitakin alkuaineita, esimerkiksityppeätaifosforia.Hiili siis muodostaaMaanelämän perustan.
Hiiltä esiintyy maapallolla myöskallioperässäetenkinkarbonaatteinakutenkalsiumkarbonaattinaelikalkkikivenä(CaCO3).[4]Vapaana alkuaineena hiiltä esiintyy luonnossaruskohiilenä,kivihiilenä,antrasiittinajagrafiittina,jonkin verran myöstimantteina.Koksionpyrolysoituakivihiiltä. Puutapyrolysoimalla(esim.tervanpoltonyhteydessä) saadaanpuuhiiltäelisysiä,jota on vuosisatojen ajan käytetty sepäntyössä jaraudanvalmistuksessamasuunissa,ja nykypäivänä grillihiilenä.
Hiiltä ei syntynytalkuräjähdyksessä,koska sen synty tarvitsee kolmen alfahiukkasen (heliumytimen) törmäyksen, mikä on äärimmäisen epätodennäköistä jauniversumilaajeni ja jäähtyi nopeasti. Sitä kuitenkin syntyytähtiensisuksissakolmi-alfa-prosessilla.
Ominaisuudet
[muokkaa|muokkaa wikitekstiä]| Ionisoitumisenergiat | |
|---|---|
| 1. ionisoitumisenergia | 1 086,5 kJ/mol |
| 2. ionisoitumisenergia | 2 352,6 kJ/mol |
| 3. ionisoitumisenergia | 4 620,5 kJ/mol |
| 4. ionisoitumisenergia | 6 222,7 kJ/mol |
| 5. ionisoitumisenergia | 37 831 kJ/mol |
| 6. ionisoitumisenergia | 47 277 kJ/mol |
Eri muodot
[muokkaa|muokkaa wikitekstiä]Vapaana alkuaineena hiili voi esiintyä erilaisissaallotrooppisissamuodoissa. Sen eri muotoihin sisältyy yksi pehmeimmistä aineista (grafiitti) ja yksi kovimmista aineista (timantti). Timantinkiderakenneon kuutiollinentimanttirakenne,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.Fullereenitovat nanoluokanmolekyylejä,yksinkertaisessa muodossaan 60 hiiliatomia muodostaa grafiittimaisen kerroksen taipuneena 3-ulotteiseksi jalkapallomaiseksi rakenteeksi.[3]Lamppunoki koostuu pienistä grafiittimaisista osista. ’Lasimainen hiili’ on isotrooppinen ja vahva kuinlasi.Toisin kuin normaalissa grafiitissa, kerrokset ovat rypistyneet kuin rypistynyt paperi.Hiilikuidutovat samanlaisia kuin lasimainen hiili. Erikoiskäsittelyllä on mahdollista järjestää hiilitasot kuidun suuntaan, jolloin tuloksena onterästäkestävämpi rakenne.
Isotoopit
[muokkaa|muokkaa wikitekstiä]Hiilellä on kaksi pysyvääisotooppia,hiili-12 (C-12) (98,89 %) ja hiili-13 (C-13) (1,11 %). Lisäksi on olemassa epävakaa hiili-14 (C-14) isotooppi, joka onradioaktiivinen.C-14-isotooppia esiintyy luonnossa vain hyvin pieniä määriä, koska sitä syntyy kosmisella säteilyllätyppiatomeista.C-14:npuoliintumisaikaon 5 730 vuotta.[5]
| 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 | 5 730 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.lähde?Tämä rikastuminen kevyemmän C-12:n suhteen on mitattavissa niin nykyisestä elävästä luonnosta kuin muinaistensedimenttienjoukkoon kerrostuneesta eloperäisestä materiaalista ja on voitu päätellä, että elämä ilmaantui maapallolle hyvin varhainhydrologisen kierronkäynnistyttyä.
Erikoistapauksessa, koska eroja myös kasvien ja eläinten välillä, tätä rikastumista voidaan käyttää myös yhdisteen kasvi- vastaan eläinalkuperän tunnistamiseen, johon sanotaan eräidendopingvalvontatestienperustuvan (eräiden synteettistenhormonienhiilen lähde oli kasviperäinen ja erottui siten ihmisen normaalista luonnollisesta hormonista).lähde?
Näiden luonnossa esiintyvien kolmen isotoopin lisäksi on pystytty tuottamaan 11:ta muuta hiilen isotooppia. Niistä pitkäikäisin on hiili-11, jonka puoliintumisaika on 20,364 min. Muiden puoliintumisaika on alle 20 s, monien alle 200 ms.[6]
Vaarallisuus
[muokkaa|muokkaa wikitekstiä]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 kaikillehemoglobiiniahapenkuljetukseen käyttäville organismeille, varsinkintasalämpöisilleselkärankaisille,kutennisäkkäille.National Geographicin mukaan puhtaat fullereenit ovat hyvin myrkyllisiä.lähde tarkemmin?
Eteeni,etyynijametaaniovat erittäin räjähdysherkkiä, sekoittuessaan ilman hapen kanssa.
Sovellutuksia
[muokkaa|muokkaa wikitekstiä]
Hiili on elintärkeä alkuaine eläville olennoille, ilman sitä elämää ei olisi sellaisena kuin sen tunnemme. Taloudellisesti tärkein hiilen käyttö on hiilipitoistenpolttoaineiden,varsinkinfossiilisten polttoaineidenkutenkivihiilen,maaöljynjamaakaasunkäyttö energian tuotantoon. Samoista raaka-aineista valmistetaan jalostamalla myös synteettisiä materiaaleja kutenmuoveja.
Vapaana alkuaineena olevaa hiiltä eri muodoissaan käytetään:
- Koksinvalmistukseen
- Energialähteenäjapolttoaineena
- Kemianteollisuudenraaka-aineena
- Metallurgianteollisuudessa metallienpelkistimenä
- Isotooppina hiili-14 (C-14)iänmäärityksessäns.hiili-14-menetelmällä[3]
- Grafiittiavoiteluaineenajalyijykynän”lyijynä”
- Timantteinahioma-aineenajakoruina
- Teräksen valmistuksessaraudastakovuutta lisäämään
- Taidepiirustuksessa
- Hiilitabletteinaimemään myrkkyjä
- Aktiivihiilenmuodossa imemään hajuja ja puhdistamisessa
Hiilen yhdisteitä
[muokkaa|muokkaa wikitekstiä]- Tämä kappale käsittelee vain hiilen epäorgaanisia yhdisteitä. Katso myösOrgaaninen yhdiste.
Hiilen oksideista tärkeimmät ovathiilidioksidi(CO2) jahiilimonoksidi(CO). Muita oksideja ovathiilisuboksidi(C3O2),dihiilimonoksidi(C2O), sekä korkeammat oksidit C5O2ja C12O9[4].
Hiili esiintyy luonnossakarbonaatteina,ja näistä hiilen yhdisteistä keskeisimmät ovatnatriumkarbonaattieli sooda (Na2CO3) jakalsiumkarbonaattielikalkkikivi(CaCO3).[4]
Hiilen ja metallin yhdisteet ovatkarbideja.Titaanikarbidia(TiC) javolframikarbidia(WC) käytetään hionta- ja kiillotusaineina niiden kovuuden vuoksi. Rautakarbidi elisementiitti(Fe3C) antaateräksellesen lujuuden.Kalsiumkarbidi(CaC2) muodostaa veden kanssaasetyleeniä.Tunnetaan myös vähähiilisiä karbideja, kutenkrominCr4C, Cr7C ja Cr3C2.[4]
Muita hiilen epäorgaanisia yhdisteitä ovat:
- Syanidit,kutenkaliumsyanidi(KCN) janatriumsyanidi(NaCN)
- Hiilidisulfidi(CS2) eli rikkihiili
- Hiilitetrabromidi(CBr4)
- Hiilitetrakloridi(CCl4)
- Fosgeeni(COCl2)
Katso myös
[muokkaa|muokkaa wikitekstiä]Lähteet
[muokkaa|muokkaa wikitekstiä]Viitteet
[muokkaa|muokkaa wikitekstiä]- ↑Hiilen kansainvälinen kemikaalikorttiViitattu 5.1.2008
- ↑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)
- ↑abcMarko Hamilo: Hiili yhä teollisen sivilisaation elinehto Helsingin Sanomat 26.6.2007.Arkistoitu5.12.2008. Viitattu 14.7.2010.
- ↑abcdeSpectrum tietokeskus: 16-osainen tietosanakirja. 3, Eng–Hiu,s. 566–567. Helsinki: WSOY, 1977.ISBN 951-0-07242-7.
- ↑MAOL-taulukot,s. 99. Otava, 2003.ISBN 951-1-16053-2.
- ↑Live Chart of NuclidesIAEA. Viitattu 11.12.2023.
Aiheesta muualla
[muokkaa|muokkaa wikitekstiä]
- Opetushallitus: Hiilen allotropia
- Hiilitieto: Hyvä tietää hiilestä, Energiateollisuus, 2009(pdf)
- PubChem: Carbon(englanniksi)
- Periodictable: Technical data for Carbon(englanniksi)
- Mindat: The Mineralogy of Carbon(englanniksi)
- Luettelo hiilen isotoopeistaThe Isotopes Project Home Page(englanniksi)
| ||||||||||
