kemiallinen kaava

c

aihealueet

Tausta
hiilen perustiedot
hiilen esiintyminen
hiili-ja nanoteknologia
isotoopit
hiilen tuotanto
hiilen terveysnäkökohdat
hiilen keskeiset ominaisuudet
hiilen Sovellukset

Tausta

esihistoriallisista ajoista lähtien ihmiset ovat olleet tietoisia hiilen esiintymisestä. Kun luolan asukkaat tekivät nuotion, he näkivät savun muodostumisen. Musta savun väri indicatives hiilihiukkasia palamattomista materiaaleista.

myöhemmin öljyä käytettiin lamppujen polttoaineena. Öljyn palaminen johti hiilen vapautumiseen, joka muodosti nokisen peitteen lampun sisäosiin. Tämä nokinen peite tuli tunnetuksi nimellä lampblack. Lampblackiin sekoitettiin balsamikumia tai oliiviöljyä musteen valmistamiseksi.

puuhiili on hiilen yleisin muoto. Puu kuumennettaessa ilman, erityisesti hapen, puuttuessa johtaa puuhiilen muodostumiseen. Ranskalainen fyysikko René Antoine Ferchault Reaumur tajusi, että hiili voi olla alkuaine, ja julkaisi tätä koskevan teoksen vuonna 1722. Hiilen virallinen luokittelu tapahtui 1700-luvun lopulla. Sen nimi oli alun perin Carbone, joka perustui aiempaan puuhiiltä tarkoittaneeseen latinankieliseen termiin charbon.

hiiliyhdisteitä on lähes kymmenen miljoonaa ja ”orgaaninen kemia” on kemian haara, joka käsittelee näiden hiiliyhdisteiden tutkimista. Seuraavassa on joitakin yleisiä hiiliyhdisteitä:

• Acetic acid (CH3COOH)
• Ethyl alcohol (C2H5OH)
• Acetylene (C2H2)
• Benzene (C6H6)
• Methane (CH4)
• Ethylene (C2H4)
• Carbon tetrachloride (CCl4)
• Chloroform (CHCl3)
• Carbon dioxide (CO2)
• Carbon monoxide (CO)
• Carbon disulfide (CS2)

Basic Information of Carbon

Table 1. Basic Properties of Carbon

Occurrence of Carbon

Almost 18% of an individual’s body weight is due to carbon. Hiili on toiseksi yleisin alkuaine ihmiskehossa, neljänneksi yleisin alkuaine aurinkokunnassa, kuudenneksi yleisin alkuaine maailmankaikkeudessa ja 17.yleisin alkuaine maankuoressa. Hiiltä esiintyy mineraaleissa kuten magnesiumissa (MgCO3) ja kalsiumkarbonaatissa (CaCO3) ja esiintyy harvoin grafiittina ja timanttina. Hiiltä esiintyy myös ilmakehässä olevan hiilidioksidin (CO2) muodossa. Vaikka hiilidioksidi muodostaa vain pienen osan ilmakehästä, se on erittäin tärkeä kaasu, koska sitä käytetään yhteyttämiseen. Muutamat hiililajit ovat lähes puhdasta hiiltä. Maakaasussa, kivihiilessä ja öljyssä on hiiltä. Maakaasu ja öljy ovat kaikki hiilivetyjä, jotka ovat vedystä ja hiilestä valmistettuja yhdisteitä.

hiili-ja nanoteknologia

vaikka hiilen allotrooppeja, kuten grafiittia ja timanttia, on tunnettu vuosisatojen ajan, muita allotrooppeja kuten hiilinanoputkia, grafeenia ja buckminsterfullereenia on löydetty viime aikoina. Niillä on ollut merkittävä rooli nanoteknologian kehittämisessä.

perustermein niitä voidaan kuvata seuraavasti:

• Grafeeni – yksi hiiliatomien levy, joka on järjestetty kuusikulmioksi siten, että kaikki hiiliatomit ovat sitoutuneet 3 muuhun hiiliatomiin
• Hiilinanoputkeen– grafeenilevystä valmistettu putki (yksiseinäiset hiilinanoputket). Variaatioita ovat toisesta tai molemmista päistä suljetut putket sekä grafeenilevyjä valssaamalla valmistetut putket, jotka ovat usean kerroksen paksuisia (moniseinäiset hiilinanoputket).
• Buckminsterfullerene– joita joskus kutsutaan buckyballeiksi, ne koostuvat tavallisesti 60 hiiliatomista, jotka ovat sitoutuneet toisiinsa muodostaen pallomaisen rakenteen, jossa on 20 kuusikulmaista tahkoa ja 12 viisikulmaista tahkoa.

isotoopit

hiili-12, hiili-13 ja hiili-14 ovat hiilen kolme isotooppia, joita esiintyy luonnossa.

hiili-14 on radioaktiivista ja sitä käytetään esimerkiksi teräslevyjen paksuuden mittaamiseen. Sitä käytetään myös arkeologisten näytteiden ”hiiliajoituksessa”, jossa tutkijat käyttävät hiili-14: n puoliintumisaikaa näytteiden iän määrittämiseen.

hiilen tuotanto

grafiitti, timantti ja muut hiilen muodot saadaan suoraan kaivoksista. Synteettisiä timantteja voidaan valmistaa, kun puhdasta hiiltä joutuu erittäin korkeisiin lämpötiloihin ja paineisiin. Nykyään noin 1/3 kaikista timanteista valmistetaan synteettisesti.

hiilen terveysnäkökohdat

hiili on elämälle ehdottoman välttämätöntä ja lähes jokainen elävän eliön molekyyli sisältää hiiltä. Hiilellä on myös muutamia huonoja vaikutuksia eläviin organismeihin. Esimerkiksi musta keuhko on hiilikaivostyöläisillä kehittynyt sairaus. Kaivosmiehen keuhkoon kehittyy musta väri, joka syntyy, kun kaivosmies hengittää hiilipölyä. Tämä hiilipöly tukkii ne pienet aukot, joiden kautta happi pääsee keuhkoihin, mikä johtaa hengitysvaikeuksiin, mikä voi pahimmassa tapauksessa johtaa kuolemaan.

hiilen keskeiset ominaisuudet

• hiili palaa ilmassa muodostaen hiilimonoksidia ja hiilidioksidia.
• hiili reagoi hapen kanssa, mutta ei reagoi eikä liukene happoihin, veteen ja muihin vastaaviin aineisiin.
• hiilellä on kyky kehittää pitkiä ketjuja, jotka ovat käytännössä loputtomia. Esimerkiksi muovisissa molekyyleissä on pitkä hiiliatomien ketju, joka on sidoksissa toisiinsa ja joillakin niistä on myös sivuketjuja.
• hiiltä esiintyy monissa allotrooppisissa muodoissa. Grafiitti ja timantti ovat allotrooppeja, joilla on kiderakenteita. Allotroopit ilman kiderakenteita ovat joko ilman muotoa tai amorfisia.
• koksi, hiili, hiili-allotrooppi ja lampblack ovat ei-kiteisiä allotrooppeja.

hiilen Sovellukset

grafiitti ja timantit ovat hiilen kaksi tärkeää allotrooppia, joilla on laaja käyttökohde.

Timantit ovat kalliita ja houkuttelevia, ja siksi niitä käytetään kalliissa koruissa. Teollisuustimantteja käytetään lasin leikkaamiseen, kiillottamiseen ja jauhamiseen niiden äärimmäisen kovuuden vuoksi.

grafiittia käytetään:

• ydinvoimaloissa neutronien hidastamiseksi ydinreaktiossa
• Lyijykynissä käytettävää grafiittia
• grafiittia käytetään voiteluaineena koneissa ja mekaanisissa osissa
• grafiittia tulenkestäviä aineita käytetään silloin, kun tarvitaan kostuttamattomia uunivuorauksia eikä hapettuminen ole ongelma esim. alumiinituotannossa ja tyhjiöuuneissa

amorfinen hiili löytää myös erilaisia käyttökohteita, kuten:

• kumirenkaat

usteetigmentit

• Gramofonilevyt
• Liekkilakka
• kirjoituskoneiden nauhat.