Süsinik

Süsinik (keemiline tähis C, ladina "Carbonium") on mittemetalliline keemiline element järjenumbriga 6. See asub perioodilisustabeli IV A rühmas.
Tema valentskihis on neli elektroni ja tema elektronkate on kirjeldatav valemiga 1s² 2s² 2p². Süsinikul on seega kalduvus moodustada neli sidet või vastaval arvul mitmekordseid sidemeid. Et süsinik moodustab palju vähepolaarseid kovalentseid sidemeid, on oksüdatsiooniastme määramine sageli raske.
Süsinikul on mitmeid allotroopseid vorme. Tavatingimustes on neist tuntuimad grafiit, tahm ja teemant. Kunstlikult saadud vormid on grafeen, süsiniknanotorud, karbüünid, klaasjas süsinik ja fullereenid.
Süsiniku stabiilseim oksiid on süsihappegaas (CO2), oluline on ka süsinikoksiid (CO).
Süsinik on tähtis element orgaanilistes ühendites ja kesksel kohal orgaanilises keemias. Seetõttu nimetatakse seda keemiavaldkonda sageli ka süsinikukeemiaks.
Maa biosfääri seisukohast on väga tähtis süsinikuringe, mis kujutab endast süsiniku liikumist ökosüsteemis ökosüsteemi komponentide vahel.
Süsinikuühendid.
Teemant.
Süsiniku allotroop teemant on tuntud kui kõige kõvem looduslik materjal. Heade mehaaniliste omaduste tõttu kasutatakse teda palju tööstuses. Põhjus, miks teemant nii kõva on, seisneb tema võrestruktuuris. Vastavalt valentssidemete teooriale toimub teemandis 2s- ja 2p-orbitaalide segunemine (hübridisatsioon), mille tulemusena moodustavad üks s- ja kolm p-orbitaali neli ekvivalentset sp3-hübriidset orbitaali, mis osutavad tetraeedri eri nurkadesse. Need tetraeedri nurgad on ühtlasi kuubi vastavad nurgad. Nii tekkinud kolmedimensionaalne võre on väga jäik. Sideme pikkus teemandi sp3-orbitaalidega süsinike vahel on 1,56 Å.
Grafiit.
Grafiidis on sp2-hübriidsed orbitaalid, mis moodustavad σ-sidemeid. Sellega on iga aatom võrdselt seotud kolme teise süsinikuga. Nende sidemete vahel on xy-tasandil ±120° nurk ja z-telje sihis eksisteerib nõrk π-side. C-C sp2-orbitaali sideme pikkus on 1,42 Å. Kuusnurkne sp2-orbitaalidest sidemete struktuur moodustab tüüpilise grafiidi võre. Pz-orbitaal moodustab nõrga van der Waalsi sideme. Kaugus süsiniku kihtide vahel grafiidis on keskmiselt 3,35 Å. Pz-orbitaali elektronid liiguvad vabalt elektronpilves ja ei kuulu ühelegi kindlale aatomile (nad on delokaliseeritud). Selle tõttu juhib grafiit elektrit. Teemant seevastu käitub isolaatorina, sest kõik valentselektronid on lokaliseeritud sp3-orbitaalis. Grafiiti kasutatakse elektroodides, adsorbendina, pliiatsisüdamikes jne.
Amorfne süsinik.
Amorfne süsinik on süsiniku allotroop, millel puudub kaugeleulatuv korrapärane kristalne struktuur. Lokaalne korrapära võib eksisteerida, kuid selles esineb kõrvalekaldeid aatomitevahelistes kaugustes ja/või sidemete nurkades (võrreldes grafiidi või teemandi võrega). Amorfset süsinikku saadakse peamiselt kolmel viisil: keemilisel aurustus-sadestus meetodil (CVD), orgaaniliste ühendite lagundamisel, eri karbiidide selektiivsel söövitamisel. Amorfse süsinikuna tuntakse tahma, koksi ja puusütt.
Amorfset süsinikku saab kasutada elektrilise kaksikkihi kondensaatorites, vesiniku salvestamiseks, metaani salvestamiseks, liitiumioonpatareides, süsinik-plaatina katalüsaatori kandjana.
Grafeen.
Süsiniku aatomite monokihiti, mis on sp2-sidemetega tihedalt kokku pakitud kahemõõtmelisse kärgvõresse, nimetatakse grafeeniks. See on fundamentaalne ehituskivi kõigile teistele grafiidsetele materjalidele (0D-fullereenidele, 1D-nanotorudele, 3D-grafiidile). Teoreetiliselt on grafeeni uuritud juba 60 aastat, kuid seda peeti pigem "akadeemiliseks" materjaliks, mille eksisteerimisse kahemõõtmelisena looduses termodünaamilise ebastabiilsuse tõttu ei usutud. Seda seni, kuni Andre Geim ja Konstantin Novosjolov, hilisemad Nobeli füüsikaauhinna laureaadid, selle vaid ühe aatomi paksuse materjali ootamatult avastasid. Hilisemad eksperimendid on kinnitanud ka relativistliku kondensmaterjaliga seotud teooriat, et selles on laengukandjateks massitud Diraci fermionid.
Fullereenid.
Fullereenid on ainult süsinikust koosnevad individuaalsed mitmetahulised molekulid. Kinniste keradena eristuvad nad teistest süsiniku allotroopidest, sest neid ei saa vaadelda lõputute süsteemidena nagu teemanti, grafiiti või grafeeni. C60 struktuur (ikosaeedriline rotatsiooni- ja peegelsümmeetriaga) sisaldab kahte eri tüüpi C-C sidemeid: lühemaid sidemeid (kaksiksidemed), mis on kuusnurga ühisteks servadeks (6-6 sidemed) ja pikemaid sidemed (üksiksidemed), mis tekivad kuusnurkade ja viisnurkade segunemisel (6-5 sidemed). C60 ja C70 fullereenides on enamus sidemetest 6-6 sidemed. Fullereeni molekul on suurusjärgus 0,5 nm (C36) kuni 1,2 nm (C176).
Süsinikuühendid.
Orgaanilised ühendid.
Valdav osa süsinikku sisaldavad ained, välja arvatud süsinik lihtainena ja mõned süsinikuühendid, mida arvatakse anorgaaniliste ainete hulka, on tuntud kui orgaanilised ühendid. Nende ühendite tohutut mitmekesisust (süsiniku ühendid moodustavad umbes 95% kõikidest tuntud keemilistest ühenditest) põhjustab süsiniku võime moodustada neli keemilist sidet. Täpsemalt, süsinik on ainulaadne keemiline element, sest tema aatomil on ergastatud valentsolekus väliskihis neli elektronorbitaali, milles on neli paardumata elektroni. Kõik see asetab süsiniku kesksele kohale orgaanilises keemias, biokeemias, kogu eluslooduses üldse.
Mitteorgaanilised ühendid.
Mitteorgaaniliste süsinikuühendite alla loetakse valdavalt süsiniku oksiidid (millest tuntuimad on CO ja CO2), sulfiidid (nagu CS2, OCS ja CS) ning lämmastikuühendid (nt (CN)2, HCN jt). Lisaks võib süsinik moodustada ühendeid mitmete metallidega.
Karbiidid on süsiniku ühendid metallide ja mõnede mittemetallidega, mille elektronegatiivsus on väiksem kui süsinikul. Karbiide kasutatakse põhilistes tööstuslikes rakendustes, kuna nad on kulumiskindlad, kuumuskindlad (kõrge sulamistemperatuuriga) ja kõrgetel temperatuuridel keemiliselt stabiilsed. Näiteks võib tuua soolataolise kaltsiumkarbiidi (CaC2), kovalentse ränikarbiidi (SiC), metallilise volframkarbiidi (WC), mida tihti kutsutakse tööstuses lihtsalt karbiidiks, ja siirdemetallilise tsementiidi (Fe3C).
Eraldi ainegrupiks on ka karboraanid. Samuti tuntakse süsiniku halogeniide, mis on süsiniku ühendid halogeenidega (nt CCl4).
Isotoobid.
Süsinikul on kaks stabiilset isotoopi massiarvudega 12 ja 13. Seejuures moodustab süsinik-12 98,9% Maal leiduvast süsinikust ja süsinik-13 vaid 1,1%.
Süsinik-12 võeti 1961. aastal aluseks aatommassiühiku väärtuse määramisel.
Looduses leidub ka radioaktiivset isotoopi süsinik-14, mille massiarv on 14 ja poolestusaeg 5700 aastat. Süsinik-14 tekib kosmilise kiirguse toimel õhulämmastikust. Seda kasutatakse radiosüsinikumeetodil bioloogilist päritolu esemete vanuse määramiseks.
Süsinikuringe.
Süsiniku liikumist ökosüsteemis erinevate ökosüsteemi komponentide vahel nimetatakse süsinikuringeks.
Tähtsaimad süsinikuringe protsessid on fotosüntees (mille käigus anorgaaniline süsinik saab orgaaniliste ühendite koostisosaks) ja hingamine (mille käigus orgaaniline süsinik vabaneb õhku või vette süsihappegaasina). Tasakaalus ökosüsteemis on kogufotosüntees võrdne koguhingamisega. Avatud ehk mittetasakaaluline süsinikringe toimub, kui süsinikku lisandub aineringesse ringevälistest allikatest (näiteks fossiilkütuste põletamisel) või kui süsinikühendeid väljub aineringest organismidele kättesaamatus vormis (nt orgaaniliste setete või turba moodustumisel).
Aktiivses ringluses oleva süsiniku hulga suurenemine põhjustab kasvuhooneefekti kasvu ja selle kaudu globaalset soojenemist.