1. Hiili alkuaineena

2. Hiilen kemia ja maapallon monimuotoisuus

Maapallon elävän luonnon monimuotoisuus perustuu suurelta osin yhteen alkuaineeseen, hiileen. Hiiliatomit voivat liittyvät yhteen ketjuiksi ja renkaiksi, ja siten ne voivat haaroittua monin eri tavoin. Tämä on mahdollistanut elämän sopeutumisen niin valtamerten syvyyksiin, autiomaiden hiekka-aavikoille kuin napajäätiköillekin.

Elämän jatkuvuus ihmislajista leviin ja bakteereihin perustuu sukupolvelta toiselle siirtyvään tietoon siitä, millaiset ominaisuudet lajille kuuluvat. Tätä perimää välittää kullekin lajille ominainen yhdiste DNA, jonka runko muodostuu suuresta määrästä toisiinsa liittyneitä hiiliatomeja.


Andrea-Danti_shutterstock_99888455-peda.jpg


Ympäristömme tilasta tarvitaan yhä enemmän tutkimustietoa. Tietoa tarvitaan kestävän kehityksen mukaisten päätösten tekoon siksi, että osaisimme välttää toiminnassamme kohtalokkaita virheitä, jotka voivat muuttaa ympäristön kemiallista koostumusta peruuttamattomasti. Ympäristökemian tutkimus on suurelta osin hiiliyhdisteiden tutkimusta.


shutterstock_69529396-peda.jpg

3. Hiili on orgaanisten yhdisteiden perusaine

Suurin osa kaikista tunnetuista kemiallisista yhdisteistä on hiilen yhdisteitä. Hiiliyhdisteitä nimitetään yleisesti orgaanisiksi yhdisteiksi, ja niiden tutkimusta harjoittavaa kemian osa-aluetta orgaaniseksi kemiaksi. Kaikkien muiden jaksollisen järjestelmän aineiden kemiaa nimitetään epäorgaaniseksi kemiaksi.

Sana orgaaninen tarkoittaa eloperäistä, luonnosta lähtöisin olevaa. Nimitys juontaa juurensa 1800-luvulle, jolloin ajateltiin, että vain luonto pystyy tuottamaan hiiliperustaisia aineita. Nykyisin tiedetään, ettei esimerkiksi luonnon valmistamalla tai keinotekoisesti valmistetulla C-vitamiinilla ole kemiallisesti, biologisesti tai fysiologisesti mitään eroa. Luonto koostuu pääosin orgaanisista yhdisteistä, mutta luonnossa esiintyy myös joitakin hiilen epäorgaanisiksi luokiteltavia yhdisteitä, kuten hiilihappoa (H2CO3) ja hiilidioksidia (CO2).

Kun ajattelee luonnon monimuotoisuuden kirjoa niin ymmärtää, että luonnossa kaiken perustana täytyy olla miljoonia erilaisia orgaanisia yhdisteitä. Näiden lisäksi ihminen on oppinut valmistamaan sellaisia orgaanisiin yhdisteisiin luettavia molekyylejä joita ei luonnossa esiinny, kuten muovit.

orgaanista-kemiaa.jpg

4. Hiili alkuaineena

kofeiini.pngHiiliyhdisteiden ylivoimainen runsaus kaikkiin muihin yhdisteisiin verrattuna johtuu hiiliatomien ominaisuudesta muodostaa pitkiä ketjuja. Ketjut voivat haarautua, verkostoitua ja muodostaa renkaita. Ne voivat edelleen haaroittua ja kytkeytyä yhteen monin eri tavoin. Hiiliatomien väliset sidokset voivat olla yhden-, kahden- tai kolminkertaisia. Vielä kun otetaan huomioon se, että orgaanisissa yhdisteissä hiiliatomeihin liittyy usein myös vetyä (N), happea (O), typpeä (N) ja rikkiä (S), niin erilaisten yhdistelmien lukumäärä on tähtitieteellinen.

Esimerkiksi kuvassa oikealla on kofeiinimolekyyli, jossa on hiilen lisäksi vetyä, happea ja typpeä.

Hiiliatomien järjestäytyessä säännölliseen rakenteeseen muodostuu olosuhteiden mukaan erilaisia kolmiulotteisia muotoja, kuten grafiittia, timanttia tai fullereenia.

Grafiitti

Grafiitti on pehmeää ja mustaa ainetta. Grafiitissa hiiliatomit ovat liittyneet yhteen kuuden hiiliatomin muodostamiksi renkaiksi siten, että jokainen hiiliatomi liittyy kolmeen muuhun hiiliatomiin. Näin muodostuu kuusikulmaisten renkaiden muodostama tasorakennelma. Tasot ovat vain heikosti toisiinsa sitoutuneita ja liukuvat helposti toistensa ohi. Tämän vuoksi grafiittia käytetään monissa voiteluaineissa. Lyijykynän "lyijy" on valmistettu grafiitista.


Leigh-Prather_shutterstock_126580304-peda.jpg

Grafiitti

Timantti

Timantissa jokainen hiiliatomi on liittynyt neljään muuhun hiiliatomiin. Tällöin muodostuu erittäin kestävä timanttirakenne. Timantti on kovinta tunnetuista aineista. Timantti on väritöntä ja voimakkaasti valoa taittavaa, toisin kuin muut hiilen rakennemuodot. Timantin oletetaan syntyneen luonnossa grafiitista erittäin korkeassa paineessa ja lämpötilassa.


timantti.jpg

Timantti

Hiilen nanorakenteita

Fullereenissa hiiliatomit muodostavat viiden ja kuuden hiiliatomin renkaita, jotka ovat liittyneet yhteen pallomaiseksi rakenteeksi. Yleisin on 60 hiiliatomin muodostama jalkapalloa muistuttava molekyyli. Fullereenien kemialliset ominaisuudet kiinnostavat suuresti tutkijoita. Pallon sisään voidaan sijoittaa esimerkiksi lääkeainetta, joka vapautuu tietyssä paikassa elimistössä.


fullereeni.jpg
Vasemmalla fullereenimalli ja oikealla kiinteitä fullereenikiteitä eli fulleriittiä. Kuva on otettu elektronimikroskoopilla.

Fulleriini


Fullereeneja muokkaamalla valmistetaan sähköä johtavia nanoputkia. Niiden arvioidaan olevan jopa satoja kertoja terästä lujempia.

nanoputkia.jpg
Oikealla elektronimikroskooppikuva nanoputkista.

Nanoputki

5. Hiilen kiertokulku luonnossa

Hiili kiertää luonnossa kahdella tavalla: nopeasti elollisessa luonnossa ja hitaasti elottomassa luonnossa. Nopeaa kiertoa kutsutaan nimellä biosykli ja hidasta kiertoa nimellä geosykli.

Biosyklissä kasvit sitovat ilmakehästä hiilidioksidia yhteyttämisreaktiossa. Näin ilmakehän hiili siirtyy osaksi ravintoketjua. Hiili vapautuu takaisin ilmakehään soluhengityksen, hengitysilman, puiden lahoamisen ja kuolleiden eliöiden maatumisen kautta.


Yhteyttämisreaktio: [[$ 6 \: \text{CO}_2 + 6 \: \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6 \: \text{O}_2 $]]


Geosyklissä hiilidioksidia (CO2) liukenee veteen, jossa se muuntuu suolamuotoon karbonaatiksi (CO32−). Vedestä hiili siirtyy vähitellen maa- ja kallioperään, kun vesieliöt ja kasvit käyttävät karbonaatteja ravinnoksi. Eliöiden kuollessa ja maatuessa karbonaatit siirtyvät maa- ja kallioperään muodostaen kerroksia, joista kehittyy miljoonien vuosien kuluessa kivihiiltä, maakaasua, raakaöljyä ja turvetta. Samalla tavalla hiili kulkeutuu maaperään myös maalla elävien eläinten ja kasvien maatuvista jäännöksistä. Näin muodostuu fossiilista polttoainetta.


hiilen-kierto-taitto.pngVaikka vesistöihin liukenee paljon hiilidioksidia vuosittain, niin sitä myös vapautuu sieltä vuosittain lähes yhtä paljon. Tämän vuoksi hiilen kiertoa esittävässä kuvasssa on nuoli myös vedestä takaisin ilmakehään.

6. Öljynjalostus

oljyn_tislaus.pngSuurin osa luonnon hiilivedyistä on syntynyt eloperäisen materiaalin muututtua kovassa paineessa ja hapettomissa olosuhteissa fossiiliseen muotoon. Yksi näin muodostuneista tuotteista on öljy.

Maasta pumpattu raakaöljy on käsiteltävä eli jalostettava ennen kuin se kelpaa teollisuuden raaka-aineeksi. Öljynjalostuksessa raakaöljy puhdistetaan epäpuhtauksista, jonka jälkeen eri öljytuotteet erotetaan toisistaan tislaamalla.

Tislaaminen on erotusmenetelmä, jossa aineet erottuvat toisistaan erilaisen kiehumispisteen perusteella. Tislattavia öljytuotteita kutsutaan jakeiksi. Öljyn jakeita ovat esimerkiksi nestekaasut, bensiinit, petrolit, kaasuöljyt ja polttoöljyt.


Wikipedia – Öljynjalostus

Tiivistelmä

  • Hiiliyhdisteitä nimitetään yleisesti orgaanisiksi yhdisteiksi.
  • Hiiliyhdisteiden ylivoimainen runsaus kaikkiin muihin yhdisteisiin verrattuna johtuu hiiliatomien ominaisuudesta muodostaa pitkiä ketjuja.
  • Hiili kiertää luonnossa kahdella tavalla. Nopeasti elollisessa luonnossa ja hitaasti elottomassa luonnossa. Nopeaa kiertoa kutsutaan nimellä biosykli ja hidasta kiertoa nimellä geosykli.
  • Maasta pumpattu raakaöljy jalostetaan ennen käyttöä.