hiili

Hiili Määritelmä

substantiivi
monikko: carbons
car-bon, /ˈkɑɹbən/

(biokemia) Kemiallinen alkuaine, jonka järjestysluku on 6 ja joka on laajalti levinnyt muodostaen orgaanisia yhdisteitä yhdistyessään vetyyn, happiin jne.

Etymologia: Latinankielinen carbō (”hiili”, ”hiili”). Symboli: C

Yleiskuvaus

Hiili on yksi luonnossa esiintyvistä kemiallisista alkuaineista. Kemiallisella alkuaineella tarkoitetaan yhden atomityypin puhdasta ainetta. Tällä hetkellä 94 on luonnon alkuaineita ja 24 synteettisiä alkuaineita. Hiili on yksi elävien olentojen yleisimmistä alkuaineista yhdessä hapen, vedyn ja typen kanssa.

Hiilen ominaisuudet

Hiili on jaksollisen järjestelmän kuudes alkuaine. Sen atomipaino on 12,011. Sen symboli on C. Sen sublimoitumispiste 3642 °C. Hiili on epämetalli. Sen järjestysluku on 6. Se kuuluu jaksollisen järjestelmän 14. ryhmään. Se voi esiintyä atomina tai puhtaana alkuaineena. Rakennekonfiguraatiosta riippuen hiilen allotroopit vaihtelevat morfologisesti. Esimerkiksi grafiitti on läpinäkymätön ja musta, kun taas timantti on läpinäkyvä. Hiili on tetravalenttinen, mikä tarkoittaa, että sillä on neljän elektronin valenssi. Se voi muodostaa niin monia yhdisteitä, että sitä kutsutaan alkuaineiden kuninkaaksi.

Hiilen löytäminen

Hiili on moniatominen epämetalli, jota joskus pidetään metalloidisena alkuaineena. Sen löysivät ensimmäisenä egyptiläiset ja sumerilaiset (3750 eaa.)1 , mutta alkuaineeksi sen tunnisti ensimmäisenä Antoine Lavoisier (1789)2.

Hiiltä sisältävät aineet

Hiili on yksi maapallon runsaimmista alkuaineista. Sillä on kolme luonnossa esiintyvää isotooppia: Hiili-12, Hiili-13 ja Hiili-14. Hiili voi olla vuorovaikutuksessa muiden hiiliatomien kanssa ja muodostaa allotrooppeja. Se voi myös olla vuorovaikutuksessa eri alkuaineiden atomien tai atomiryhmien kanssa muodostaen yhdisteitä. Hiiltä sisältävät yhdisteet voidaan luokitella orgaanisiksi tai epäorgaanisiksi.

Isotoopit

Isotoopit tarkoittavat mitä tahansa saman alkuaineen kahta tai useampaa muotoa. Niillä on sama määrä protoneja, mutta ne eroavat toisistaan ytimissään olevien neutronien lukumäärän suhteen. Siksi niillä on erilainen atomimassaluku. Niillä on kuitenkin lähes samanlaiset kemialliset ominaisuudet. Luonnossa esiintyviä hiilen isotooppeja ovat hiili-12, hiili-13 ja hiili-14. Hiili-12 ja hiili-13 ovat stabiileja isotooppeja. Hiili-14 on radioisotooppi eli radioaktiivinen isotooppi. Radioisotooppi hajoaa muiksi alkuaineiksi prosessissa, jota kutsutaan radioaktiiviseksi hajoamiseksi. Prosessi tapahtuu, kun radioisotoopin epävakaa atomiydin menettää energiaa säteilemällä. Hiili-14 on beetasäteilijä, jonka puoliintumisaika on noin 5715 vuotta. Sitä käytetään laajalti merkkiaineena aineenvaihdunnan eri osa-alueiden tutkimisessa. Tätä kosmisen säteilyn pommituksesta peräisin olevaa luonnossa esiintyvää isotooppia voidaan käyttää luonnollisia hiilipitoisia materiaaleja sisältävien muinaisjäännösten ajoittamiseen. Hiili-11 on synteettinen isotooppi; se tuotetaan syklotronilla. Se on positroneja säteilevä hiilen radioisotooppi, jonka puoliintumisaika on 20,3 minuuttia ja jota käytetään positroneja säteilevässä tomografiassa.

Allotrooppi

Alkuaineen allotrooppi tarkoittaa mitä tahansa moninaisia aineita, joita muodostuu vain yhdestä alkuaineesta. Allotroopit voivat kuitenkin erota toisistaan rakenteeltaan. Esimerkiksi hiili, grafiitti ja timantit ovat hiilen allotrooppeja. Vaikka ne koostuvat vain yhdestä alkuaineesta eli hiilestä, ne eroavat toisistaan fysikaalisilta ominaisuuksiltaan. Esimerkiksi grafiitti on läpinäkymätöntä, kun taas timantti on läpinäkyvä. Grafiitti on pehmeää, kun taas timanttia pidetään kovimpana luonnossa esiintyvänä aineena. Grafiitti on hyvä sähkönjohdin, kun taas timantti ei ole. Allotroopit eivät kuitenkaan ole yhdisteitä vaan puhtaita alkuaineita.

Orgaaniset yhdisteet

Organiset yhdisteet määritellään alunperin sellaisiksi aineiksi, joita tuottavat vain elävät organismit. Tätä määritelmää on kuitenkin myöhemmin pidetty virheellisenä, sillä on olemassa aineita, joita voivat tuottaa sekä elolliset että elottomat olennot. Niinpä orgaaninen yhdiste määriteltiin lopulta ”yhdisteeksi, joka sisältää kovalenttisesti muihin atomeihin sitoutunutta hiiltä”, erityisesti hiili-hiili (C-C) ja hiili-vety (C-H) (kuten hiilivedyissä). Orgaanisia yhdisteitä voidaan luokitella monin eri tavoin. Yksi niistä perustuu siihen, miten ne syntetisoidaan. Luonnollinen orgaaninen yhdiste (tai yksinkertaisesti luonnollinen yhdiste) on yhdiste, jota tuotetaan luonnollisesti, esimerkiksi kasvien tai eläinten toimesta. Synteettinen orgaaninen yhdiste (tai synteettinen yhdiste) on orgaaninen yhdiste, joka valmistetaan kemiallisilla käsittelyillä (kemiallisilla reaktioilla). Esimerkkejä luonnollisista orgaanisista yhdisteistä ovat sokerit, entsyymit, hormonit, lipidit, antigeenit, rasvahapot, välittäjäaineet, nukleiinihapot, proteiinit, peptidit, aminohapot, vitamiinit, lektiinit, jotkin alkaloidit ja terpenoidit jne. Esimerkkejä synteettisistä orgaanisista yhdisteistä ovat synteettiset polymeerit, kuten muovit ja kumit.

Epäorgaaniset yhdisteet

Yleiskuvaus epäorgaanisesta yhdisteestä on yhdiste, jossa ei ole hiiliatomeja ja jota ei arkkityyppisesti ole tuottanut elävä olento. Myöhemmin se määritellään yhdisteeksi, josta puuttuvat C-C- ja C-H-kovalenttiset sidokset. Joitakin epäorgaanisiksi määriteltyjä hiiltä sisältäviä yhdisteitä ovat karbonaatit, syanidit, syanaatit, karbidit, tiosyanaatit, hiilimonoksidi ja hiilidioksidi.

Hiilen kiertokulku

Hiili on maailmankaikkeuden neljänneksi yleisin alkuaine alkuaineiden vedyn, heliumin ja hapen jälkeen. Maankuoressa hiili on 15. runsain alkuaine. Hiili siis kiertää laajalti ja muuntuu muodosta toiseen. Hiilen kierto on yksi maapallolla esiintyvistä biogeokemiallisista kierroista. Hiili kiertää litosfäärin, hydrosfäärin ja ilmakehän kautta.

Atmosfäärissä hiiltä esiintyy pääasiassa hiilidioksidina ja metaanina. Nämä kaksi ovat tärkeimmät kasvihuoneilmiötä aiheuttavat tekijät. Hiilidioksidia pidetään tärkeänä kasvihuonekaasuna, enemmän kuin metaania. Hiilidioksidin pitoisuus ilmakehässä on noussut vuosien varrella, ja yksi tärkeimmistä tekijöistä, jotka ovat johtaneet tähän nousuun, on ihmisen toiminta, esim. fossiilisten polttoaineiden poltto, betonin valmistus, metsänhakkuut jne.

Maaolosuhteissa hiilen määrä on suhteellisen vakio. Hiiltä esiintyy ja varastoituu eliöihin (noin 500 gigatonnia hiiltä) ja maaperään (noin 1500 gigatonnia hiiltä). Elävät organismit, erityisesti fotoautotrofit, hyödyntävät orgaanista hiiltä. Fotoautotrofiset eliöt, kuten kasvit ja syanobakteerit, käyttävät hiilidioksidia tärkeänä reaktioaineena tuottaakseen sokereita fotosynteesin avulla. Koska elävät organismit koostuvat hiilipohjaisista yhdisteistä, ne hajoavat kuollessaan pienemmiksi, yksinkertaisemmiksi yhdisteiksi hajoamisen kautta. Elävät organismit erittävät tai erittävät myös materiaalia, jota pidetään orgaanisena materiaalina (aineena). Orgaanisella aineella tarkoitetaan mitä tahansa luonnossa esiintyvää hiilipohjaista yhdistettä. Tämä elävistä olennoista peräisin oleva orgaaninen aines tulee osaksi ympäristöä. Näin ollen orgaanista ainetta on runsaasti ekosysteemissä, esimerkiksi maaperän ekosysteemissä. Se siirtyy maaperään tai valtavirran veteen, jossa se sitten toimii ravinnonlähteenä eläville organismeille.
Hiilidioksidia syntyy näiden biogeenisten lähteiden lisäksi myös muista luonnollisista lähteistä, kuten tulivuorista, kuumista lähteistä ja geysireistä. Erityisesti tulivuoret päästävät noin 0,2-0,3 miljardia tonnia hiilidioksidia vuodessa. Myös veteen ja happoihin liuenneet karbonaattikivet ovat hiilidioksidin lähde. Hiilidioksidi liukenee erilaisiin vesistöihin yli 5,1 atm:n paineessa. Paineiden laskiessa se palaa kaasuna ilmakehään.

Biologinen merkitys

Hiiltä pidetään usein maapallon elämän perustana sen kemiallisten ominaisuuksien vuoksi. Ihmiskehossa se on massaltaan toiseksi runsain alkuaine hapen jälkeen. Hiilen osuus aikuisen ihmisen elimistöstä on noin 18,5 %.

Katso myös

• Kovalentti. sidos
• orgaaninen yhdiste
• orgaaninen aine
• epäorgaaninen yhdiste

Viite