10. Hiili alkuaineena ja yhdisteissä

Hiilen kemia ja maapallon monimuotoisuus

Maapallon elävän luonnon monimuotoisuus perustuu suurelta osin yhteen alkuaineeseen, hiileen. Hiilen kyky muodostaa mitä monimuotoisempia molekyyliyhdisteitä on taannut elämän sopeutumisen niin valtamerten syvyyksiin, autiomaiden hiekka-aavikoille kuin myös napajäätiköillekin.
 
Elämän jatkuvuus ihmislajista leviin ja bakteereihin, perustuu sukupolvelta toiselle siirtyvään tietoon siitä, millaiset ominaisuudet lajille kuuluvat. Tätä perimää välittää kullekin lajille ominainen molekyyli, DNA, jonka runko muodostuu suuresta määrästä toisiinsa liittyneitä hiiliatomeja.
 
 
 

Ympäristömme tilasta tarvitaan yhä enemmän tutkimustietoa, Tietoa tarvitaan kestävän kehityksen mukaisten päätösten tekoon siksi, että osaisimme välttää toiminnassamme kohtalokkaita virheitä, jotka lopulta saattavat kolahtaa omaan nilkkaamme. Ympäristökemian tutkimus on suurelta osin hiiliyhdisteiden tutkimusta, jonka tuloksia meidän kaikkien on hyvä perusteiltaan ymmärtää ja ottaa tutkijoiden mahdolliset varoitukset ihmisen toiminnan ympäristölle aiheuttamista vaurioista täydellä vakavuudella.


Hiili alkuaineena

Eivätpä arvanneet kemistit Curl, Smalley ja Kroto tutkiessaan perin outoja koetuloksiaan vuonna 1985, että he saisivat joskus löydöstään kemian Nobelin palkinnon. Tämä tapahtui kuitenkin vasta vuonna 1996. He olivat nimittäin keksineet uudelleen, ei pyörää, vaan pallon.

Tämä pallo oli 60 hiiliatomista koostuva molekyyli, joka sai nimen pallohiili C60. Pallomaisen muotonsa se saa 12 viisikulmiosta ja 20 kuusikulmiosta, joiden kärjissä hiiliatomit sijaitsevat. Pallohiilen geometria on samanlainen kuin jalkapallon.
 




Kemistien pallohiililöydöstä alkoi nanotekniikan aikakausi.

 

Hiili on alkuainemuodossa myös grafiitissa ja timantissa.

Hiilen kemialliset yhdisteet

Valtaosassa tunnetuista kemiallisista yhdisteistä on hiili mukana. Tämä johtuu hiiliatomien kyvystä muodostaa pitkiä hiiliketjuja. Ketjut voivat haarautua tai ne voivat muodostaa rengasrakenteita. Hiiliketjuissa voi olla atomien välillä kaksois- tai kolmoissidoksia. Lisäksi hiiliatomeihin voi liittyä molekyylisidoksin vetyatomien lisäksi muidenkin alkuaineiden kuten hapen, typen ja rikin atomeja.

Harvaa poikkeusta lukuun ottamatta hiilen yhdisteitä kutsutaan orgaanisiksi yhdisteiksi ja niiden tutkimusta harjoittavaa kemian osa-aluetta orgaaniseksi kemiaksi. Sana orgaaninen tarkoittaa eloperäistä, luonnosta lähtöisin olevaa.

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 luonnosta tavata, kuten esimerkiksi muovit.

 

Mallintaminen

Paras tapa mallintaa orgaanisia molekyylejä on käyttää joko muovista rakennussarjaa tai tietokoneavusteista mallinnusta. Parasta olisi siten, että molempia käytettäisiin rinnakkain. Näin välittyisi paras käsitys molekyylien kolmiulotteisesta rakenteesta.
 
 
 

Jos molekyyli täytyy piirtää käsin, nopein tapa on piirtää molekyylin rakennekaava. Rakennekaavassa jokainen molekyylissä mukana oleva atomi merkitään alkuainemerkillään ja sidokset sidosviivoilla. Seuraavaksi muutama ohje rakennekaavojen piirtämiseen:
 
  1. Piirrä hiiliatomien muodostama runko. Merkitse hiiliatomien väliset sidokset viivoilla.
  2. Jos molekyylissä on muiden alkuaineiden kuin vedyn ja hiilen atomeja, liitä ne hiilirunkoon.
  3. Täydennä piirroksesi lisäämällä vetyatomit sidoksineen tyhjiin paikkoihin.
 
 
Muista, että kukin hiiliatomi muodostaa aina neljä molekyylisidosta. Tämä tarkoittaa, että jokaisesta hiiliatomista täytyy lähteä neljä sidosviivaa. Kukin vetyatomi voi muodostaa vain yhden molekyylisidoksen, joten siitä lähtee yksi sidosviiva. Muiden alkuaineiden kohdalla hapesta ja rikistä lähtee kaksi sidosviivaa ja typestä kolme.

Ohjeita orgaanisten yhdisteiden nimeämiseen

Miljoonia yhdisteitä, kuulostaa kaoottiselta. Onneksi orgaaniset yhdisteet luokitellaan ja nimetään sen mukaan, millainen rakenne niillä on. Nimeäminen koostuu kahdesta osasta.

1. Nimen etuliite määräytyy hiiliatomien lukumäärän mukaan. Siksi seuraava luettelo kannattaa opetella ulkoa: “met-, et-, prop-, but-, pent-, heks-”. Taulukosta alta selviää miksi:
 


 
2. Nimen loppuosa riippuu siitä, mihin orgaaniseen yhdisteryhmään molekyyli kuuluu. Esimerkiksi etaanissa on vain hiili- ja vetyatomeja ja hiiliatomien välillä on yksinkertainen molekyylisidos, joten nimen loppuosa on -aani.

Eteenissäkin on vain hiili- ja vetyatomeja mutta hiiliatomien välillä on kaksoissidos, joten nimen loppuosa on -eeni.