Hiilimonoksidi
Hiilimonoksidi, hiilioksidi eli häkä (CO) on hiilen ja hapen yhdiste. Se on hajuton, väritön, myrkyllinen, reaktioherkkä ja erittäin helposti syttyvä kaasu. Hiilimonoksidin moolimassa on 28,0 g/mol, sulamispiste −205 °C, kiehumispiste −191 °C, itsesyttymislämpötila 605 °C ja CAS-numero 630-08-0. Pääasiassa hiilimonoksidia sisältävistä kaasuseoksista käytetään usein nimeä häkä.
Sitä syntyy, kun hiili tai hiiltä sisältävät aineet palavat epätäydellisesti eli liian vähässä happimäärässä tai kun palaminen tapahtuu hyvin korkeissa lämpötiloissa. Usein sitä syntyy palamisen ei-toivottuna ja haitallisena sivutuotteena, mutta sillä on myös hyötykäyttöä polttoaineena, metallurgiassa ja kemianteollisuuden raaka-aineena.
Hiilimonoksidi voi syntyä yleisesti monella eri tavalla. Hiilimonoksidi syntyy Boudouardin tasapainoreaktion mukaisesti hiilestä ja hiilidioksidista korkeassa lämpötilassa
Yli 600 °C lämpötiloissa hiilimonoksidin muodostumisentalpia on Ellinghamin diagrammin mukaisesti pienempi kuin hiilidioksidin, ja yli 1 000 °C lämpötilassa hiilimonoksidi on Le Châtelier'n periaatteen mukaisesti lähes yksinomainen reaktiotuote, vaikka reaktioentalpia onkin epäedullinen hiilidioksidiin verrattuna.
Hiilimonoksidia eli häkää syntyy aina hiilipitoisten aineiden palaessa, mutta jos happea on riittävästi, se palaa nopeasti edelleen hiilidioksidiksi. Sitä syntyy esimerkiksi polttomoottoreissa, kun poltetaan hiilipohjaisia polttoaineita varsinkin, jos lämpötila on liian alhainen täydelliselle hapettumiselle, tai käytettävissä oleva aika polttokammiossa on liian pieni tai koska riittävästi happea ei ole läsnä. Tavallisesti on vaikeampi optimoida polttolaitetta alhaiselle hiilimonoksidimäärälle kuin alhaiselle palamattomille polttoainemäärille.
Hiilimonoksidia syntyy myös polttopuiden palaessa takassa tai muussa tulisijassa, mutta yleensä se palaa välittömästi edelleen hiilidioksidiksi. Jos kuitenkin hapen tulo tulisijaan äkillisesti vähenee, esimerkiksi jos uunin pellit suljetaan hiilloksen vielä palaessa, hiilimonoksidi leviää sellaisenaan huoneilmaan ja seurauksena voi olla häkämyrkytys. Hiilimonoksidia syntyy myös pieniä määriä tupakanpoltossa.
Hiilimonoksidia voidaan valmistaa puhaltamalla vesihöyryä hehkuvan hiilikerroksen läpi:
Laboratoriossa voidaan hiilimonoksidia valmistaa stoikiometrisesti suurta varovaisuutta noudattaen antamalla rikkihapon vaikuttaa muurahaishappoon.
Hiilimonoksidia käytetään polttoaineena, metallien pelkistämiseen oksideistaan sekä kemian teollisuuden raaka-aineena.
Kaupunkikaasua eli "valokaasua", joka oli pääasiassa hiilimonoksidin ja vedyn seosta, käytettiin monissa kaupungeissa polttoaineena 1800-luvulta lähtien. Sitä valmistettiin antamalla vesihöyryn kulkea hehkuvan hiilikerroksen läpi. Alkujaan sitä käytettiin valaistukseen kaasulampuissa, jotka sähkölamppujen yleistyessä jäivät kuitenkin nopeasti pois käytöstä. Myöhemmin kaupunkikaasua käytettiin etupäässä kaasuhellojen polttoaineena. Nykyään sen on syrjäyttänyt maakaasu, joka on etupäässä metaania. Nykyään käytetään nestekaasua (propaania tai butaania).
Puukaasua, joka on pääosin hiilimonoksidia, on käytetty polttoaineena puukaasuttimissa eli niin sanotuissa häkäpöntöissä. Sota-aikana sitä käytettiin autojenkin polttoaineena.
Hiilimonoksidia käytetään masuunissa raudan pelkistämiseen oksideistaan.
Hiilimonoksidi liukenee veteen huonosti. Se on hieman ilmaa kevyempi kaasu.
Hiilimonoksidin rakennetta voidaan kuvata seuraavilla Lewisin kaavojen resonanssimuodoilla, joista nähdään, että sidoksessa on kolmoissidoksen luonnetta (vain yhteiset elektronit piirretty näkyviin):
Kolmoissidoksellisena hiilimonoksidimolekyyli on isoelektroninen typpimolekyylin (N) kanssa.
Hiilimonoksidi on heikko Lewisin emäs, ja se sitoutuu komplekseiksi joidenkin metallien kanssa.
Hiilimonoksidi hapettuu hiilidioksidiksi, mihin perustuu sen käyttö polttoaineena. Samasta syystä sitä käytetään teollisuudessa metallien ja epämetallien pelkistämiseen. Esimerkiksi rautamalmia voidaan pelkistää seuraavasti:
Antamalla hiilimonoksidin reagoida vesihöyryn kanssa saadaan vetyä ja hiilidioksidia:
Vedyn avulla hiilimonoksidista voidaan valmistaa metanolia:
Taistelukaasu fosgeenia valmistetaan kloorista ja hiilimonoksidista:
Hiilimonoksidi sitoutuu hemoglobiinin rautaioneihin 200–250 kertaa tiukemmin kuin happikaasu. Vereen päästyään se siis heikentää elimistön kykyä kuljettaa happea. Tarpeeksi suuri määrä hiilimonoksidia veressä saa ihmisen menettämään tajuntansa. Suomessa kuolee noin sata ihmistä vuodessa häkämyrkytykseen ja 10–30 prosentille toipuneista tulee erilaisia hermoston myöhäisoireita. On todennäköistä, että lisäksi merkittävä määrä häkämyrkytyksiä jää diagnosoimatta.
Hiilimonoksidia eli häkää hengittänyt vaikuttaa ulkopuolisen silmin terveen punakalta ihonväriltään, vaikka henkilö olisikin jo voimakkaassa hapenpuutteessa, koska hiilimonoksidin sitoma hemoglobiinimolekyyli on kirkkaanpunainen. Vaikeassa häkämyrkytyksessä pulssi voi olla epätavallisen hidas, vaikka normaalisti hapenpuutteessa olevan pulssi on nopea. Kuolemanvaara on huomattava. Häkämyrkytyspotilas on saatava nopeasti raittiiseen ilmaan, ja mahdollisimman pian aloitetaan hoito puhtaalla hapella ja tarvittaessa potilas kytketään hengityskoneeseen tai annetaan painekammiossa ylihappihengityshoitoa.
Hiilimonoksidia voi syntyä sisätiloissa, jos puu- tai kaasukäyttöiset tulisijat toimivat huonosti tai takan pelti suljetaan tiiviissä asunnossa liian aikaisin. Pahin häkämyrkytyksien aiheuttaja on tulipalo. Joskus löytyy kokonaisia perhekuntia häkään kuolleina. Kuitenkin tällöin lattialle ja varsinkin lattiaraon ja ulko-oven ääreen pyörtyneet saattavat jäädä henkiin, kun samaan aikaan sängyssä ja yläkerrassa nukkuneet ovat menehtyneet häkään. Henkiin jääneet saattavat potea hyvinkin pitkään voimattomuutta ja muistihäiriöitä. Myös huonosti toimiva retkikeitin on joskus tappanut häkään teltoissa, joissa ei ole ylhäällä tuuletusaukkoja.