Tutustuminen kemiaan

Termit

• puoliintumisaikaRadioaktiivisessa hajoamisprosessissa se aika, joka tarvitaan, jotta jäljelle jää puolet alkuperäisestä (hajoamattomasta) aineesta.
• radiometrinen ajoitusTekniikka, jota käytetään materiaalien ajoittamiseen vertaamalla radioaktiivisten atomien luonnollista runsautta niiden jäljellä oleviin hajoamistuotteisiin.
• allotroopitKemiallisten alkuaineiden eri muodot, joita esiintyy niiden luonnollisessa olomuodossa.

Hiili on kemiallinen alkuaine, jolla on symboli C ja jonka järjestysluku on 6 (sisältää 6 protonia ytimessään). Jaksollisen järjestelmän ryhmään 14 kuuluvana se on epämetallinen ja tetravalenttinen, mikä tarkoittaa, että neljä elektronia on käytettävissä kovalenttisten kemiallisten sidosten muodostamiseen. Hiilen yleisimmällä isotoopilla on 6 protonia ja 6 neutronia, ja sen atomimassa on 12,0107 amu. Sen perustilan elektronikonfiguraatio on 1s22s22p2. Sen hapetusaste vaihtelee välillä 4-4, ja sen elektronegatiivisuus on Paulingin asteikolla 2,55. Se on kiinteä aine, ja se sublimoituu 3 642 °C:ssa (sillä on korkein sublimoitumispiste kaikista alkuaineista).

Hiilen allotroopit

Hiilellä on useita allotrooppeja eli eri muotoja, joissa se esiintyy. Mielenkiintoista on, että hiilen allotroopit kattavat laajan valikoiman fysikaalisia ominaisuuksia: timantti on kovin luonnossa esiintyvä aine, ja grafiitti on yksi pehmeimmistä tunnetuista aineista. Timantti on läpinäkyvä, äärimmäinen hioma-aine, ja se voi olla sähköeriste ja lämmönjohdin. Sitä vastoin grafiitti on läpinäkymätöntä, erittäin hyvä voiteluaine, hyvä sähkönjohdin ja lämmöneriste. Hiilen allotroopit eivät rajoitu pelkästään timanttiin ja grafiittiin, vaan niihin kuuluvat myös sangapallot (fullereenit), amorfinen hiili, lasimainen hiili, hiilinanovaahto, nanoputket ja muut.

Hiilen kemiallinen reaktiivisuus

Hiiliyhdisteet muodostavat perustan kaikelle tunnetulle elämälle maapallolla, ja hiili-typpikierto tuottaa osan auringon ja muiden tähtien tuottamasta energiasta. Hiilellä on affiniteetti sitoutua muihin pieniin atomeihin, myös muihin hiiliatomeihin, muodostamalla vakaita, kovalenttisia sidoksia. Huolimatta siitä, että hiiltä esiintyy valtavassa määrässä yhdisteitä, se on muihin alkuaineisiin verrattuna heikosti reaktiivinen normaaliolosuhteissa. Normaalilämpötilassa ja -paineessa se kestää hapettumista; se ei reagoi rikkihapon, suolahapon, kloorin tai alkalimetallien kanssa. Korkeammissa lämpötiloissa hiili reagoi hapen kanssa muodostaen hiilioksideja ja metallien kanssa muodostaen metallikarbideja.

Hiilellä on kyky muodostaa hyvin pitkiä ketjuja vahvoista ja stabiileista toisiinsa liittyvistä C-C-sidoksista. Tämän ominaisuuden ansiosta hiili voi muodostaa lähes äärettömän määrän yhdisteitä; itse asiassa tunnettuja hiiltä sisältäviä yhdisteitä on enemmän kuin kaikkien muiden kemiallisten alkuaineiden yhdisteitä yhteensä, lukuun ottamatta vedyn yhdisteitä (koska lähes kaikki orgaaniset yhdisteet sisältävät myös vetyä).

Hiilen isotoopit

Hiilellä on kaksi stabiilia, luonnossa esiintyvää isotooppia: hiili-12 ja hiili-13. Hiili-12 muodostaa 98,93 % ja hiili-13 muodostaa loput 1,07 %. Biologisissa materiaaleissa 12C:n pitoisuus kasvaa entisestään, koska biokemialliset reaktiot syrjivät 13C:tä. Hiilen tunnistaminen NMR-kokeissa tehdään isotoopilla 13C. 14C on hiilen radioaktiivinen isotooppi, jonka puoliintumisaika on 5730 vuotta. Sen luonnollinen esiintyvyys on hyvin pieni (0,00000000000001 %), ja se hajoaa 14N:ksi beetahajoamisen kautta. Sitä käytetään radiometrisessä ajoituksessa hiilipitoisten (fysikaalista tai biologista alkuperää olevien) näytteiden iän määrittämiseen noin 60 000 vuoden ikäisiksi.

Hiiltä tunnetaan yhteensä 15 isotooppia, joista lyhytaikaisin on 8C, joka hajoaa protoniemissiolla ja alfahajoamisella ja jonka puoliintumisaika on 1,98739 x 10-21 sekuntia. Eksoottisella 19C:llä on ydinhalo, mikä tarkoittaa, että sen säde on tuntuvasti suurempi kuin olisi odotettavissa, jos ydin olisi pallo, jonka tiheys on vakio.