Hiili

Boori ← Hiili → Typpi — ↑ C ↓ Si       Koko taulukko
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
Höyrynpaine	1 Pa 2710 K:ssa
Äänen nopeus	18 350 m/s 293,15 K:ssa
Muuta
Elektronegatiivisuus	2,55 (Paulingin asteikko)
Ominaislämpökapasiteetti	0,709 (grafiitti) kJ/kg K
Sähkönjohtavuus	0,061 × 106 S/m
Lämmönjohtavuus	1,59 W/(m×K)
CAS-numero	7440-44-0
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. Hiilen IUPACin standardin mukainen atomimassa on [12.0096; 12.0116] amu.

Esiintyminen

Hiiltä esiintyy kaikkialla, missä on elämää ja orgaanisia yhdisteitä. Hiilen kiertokulku on eräs elämälle keskeinen luonnon kiertokulku. Hiili­atomeilla on myös kemiallisesti mielenkiintoinen kyky sitoutua toisiinsa muodostaen pitkiä ketjuja ja renkaita, ja ne voivat sitoutua laajoin eri muodoin myös muihin alkuaineisiin muodostaen lähes 10 miljoonaa tunnettua yhdistettä.

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).

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. 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

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. 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 ja sitä esiintyy luonnossa vain hyvin pieniä määriä, koska sitä syntyy kosmisella säteilyllä typpiatomeista. C-14:n puoliintumisaika on 5730 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).

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.

Eteeni, etyyni ja metaani ovat vaarallisen herkkiä räjähtämään ja syttymään, kun ne sekoittuvat ilman 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:

• 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

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

Katso myös

• Hiilivoima
• Nanoputki
• Grafeeni

Lähteet

• Hiili, luettu 25.8.2008

Aiheesta muualla

• The Isotopes Project Home Page: Luettelo hiilen isotoopeista (englanniksi)