Hiili

Hiili on yleinen epämetallinen alkuaine, jolla on myös useita allotrooppisia muotoja. Sen kemiallinen merkki on C () ja järjestysluku 6. Sanaa hiili käytetään puheessa myös, kun tarkoitetaan kivi- tai puuhiiltä. 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 osa luonnon kiertokulkua. Hiili­atomeilla on myös kemiallisesti mielenkiintoinen kyky sitoutua toisiinsa muodostaen pitkiä ketjuja ja renkaita (katenaatio), ja ne voivat sitoutua laajoin eri muodoin myös muihin alkuaineisiin muodostaen lähes 10 miljoonaa tunnettua yhdistettä. Suurin osa hiilen yhdisteistä luetaan kuuluvaksi orgaaniseen kemiaan. Kuitenkin jotkut yksinkertaiset yhdisteet, joissa ei ole hiiliatomien välisiä sidoksia, kuuluvat epäorgaaniseen kemiaan. Myös jotkin yhden hiiliatomin yhdisteet, kuten metaani (CH4) ja formaldehydi (CH2O), luokitellaan orgaanisiksi yhdisteiksi, koska ne ovat homologisten sarjojen ensimmäisiä jäseniä (tässä tapauksessa alkaanit ja aldehydit).

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

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. C-14-isotooppia esiintyy luonnossa vain hyvin pieniä määriä, koska sitä syntyy kosmisella säteilyllä typpiatomeista. C-14:n puoliintumisaika on 5 730 vuotta.

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 erittäin räjähdysherkkiä, sekoittuessaan ilman hapen kanssa.

Sovellutuksia 

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 
Tämä kappale käsittelee vain hiilen epäorgaanisia yhdisteitä. Katso myös Orgaaninen yhdiste.
Hiilen oksideista tärkeimmät ovat hiilidioksidi (CO2) ja hiilimonoksidi (CO). Muita oksideja ovat hiilisuboksidi (C3O2), dihiilimonoksidi (C2O), sekä korkeammat oksidit C5O2 ja C12O9.

Hiili esiintyy luonnossa karbonaatteina, ja näistä hiilen yhdisteistä keskeisimmät ovat natriumkarbonaatti eli sooda (Na2CO3) ja kalsiumkarbonaatti eli kalkkikivi (CaCO3).

Hiilen ja metallin yhdisteet ovat karbideja. Titaanikarbidia (TiC) ja volframikarbidia (WC) käytetään hionta- ja kiillotusaineina niiden kovuuden vuoksi. Rautakarbidi eli sementiitti (Fe3C) antaa teräkselle sen lujuuden. Kalsiumkarbidi (CaC2) muodostaa veden kanssa asetyleeniä. Tunnetaan myös vähähiilisiä karbideja, kuten kromin Cr4C, Cr7C ja Cr3C2.

Muita hiilen epäorgaanisia yhdisteitä ovat:
 Syanidit, kuten kaliumsyanidi (KCN) ja natriumsyanidi (NaCN)
 Hiilidisulfidi (CS2) eli rikkihiili
 Hiilitetrabromidi (CBr4) 
 Hiilitetrakloridi (CCl4)
 Fosgeeni (COCl2)

Katso myös 
 Hiilivoima
 Nanoputki
 Grafeeni

Lähteet 
 Hiili, luettu 25.8.2008

Viitteet

Aiheesta muualla 

 Opetushallitus: Hiilen allotropia
 Hiilitieto: Hyvä tietää hiilestä, Energiateollisuus, 2009 (pdf)
 PubChem: Carbon 
 Periodictable: Technical data for Carbon 
 Mindat: The Mineralogy of Carbon 
 

Seulonnan keskeiset artikkelit