Otsime lahendusi
Miks mõned süsinikuühendid on kütused, teised plahvatusohtlikud ained, kolmandad aga vastupidi – on parimad tulekustutajad? Miks küll?
Süsiniku kui keemilise elemendi eripära
Süsiniku aatomi ehitust väljendab elektronskeem:
Üksikud aatomid on ebapüsivamad kui keemilise sidemega aineteks seotud aatomid. Selletõttu pürgivad süsiniku aatomid ühinema kas omavahel või teiste elementidega, saavutamaks väärisgaasidega sarnast väliselektronkihti, mis on väga püsiv. Perioodilisustabelis süsinikule lähimate väärisgaaside heeliumi ja neooniga sarnase elektronstruktuuri tekkeks on kaks võimalust:
1) C aatom loovutab väliskihilt 4 elektroni ja saab heeliumiga sarnase väliskihi:
2) C aatom liidab väliskihile 4 elektroni ja saab neooniga sarnase väliskihi:
Ehkki täielikku elektronide üleminekut ei toimu, aitab selline käsitlus meil mõista süsiniku o-a väärtuste mitmekesisust. Seega on süsiniku vähim oksüdatsiooniaste –4 (CH4) ja suurim +4 (CO2). Tegelikult esineb aga süsinikul kõiki o-a väärtusi piirides –4 kuni +4, seega kokku 9 erinevat. Vahepealsed o-a väärtused on peamiselt mitut süsiniku aatomit sisaldavates ühendites. Igal süsiniku aatomil võib seal olla erinev o-a. Tavaliselt määratakse sellisel juhul kõigi süsiniku aatomite keskmine o-a. See võib tulla isegi murdarv või 0. Näiteks:
Viimane olukord ei tähenda muidugi seda, et glükoosis on süsinik lihtainena. Nulliga võrdub kuue süsiniku keskmine o-a.
Tuleta meelde!
Kui oled unustanud 8. klassis õpitud o-a väärtuste määramise ühendites, tuletame selle meelde. Määrame kõigi elementide o-a ainetes Na2CO3 ja C2H6O (pikemalt kirjutades C2H5OH).
1. Alustame kindla ja muutumatu o-a väärtuste pealemärkimisest vastavate elementide sümbolitele.
2. Leiame summaarse positiivse ja summaarse negatiivse o-a, arvestades indekseid. Kirjutame need väärtused elementide sümbolite alla.
3. Kuna neutraalses ühendis on positiivsete ja negatiivsete o-a väärtuste summa null, jääb C aatomitele o-a väärtuste summaks praegu +4 ja –4.
4. Et antud valemites on vastavalt üks ja kaks C aatomit, jagunevad o-a väärtused +4 ja –4 ühe ja kahe C aatomi vahel.
CHCl3 | C:, H:, Cl
C6H6COOH | C:, H:, O:
Fe3(PO4)2 | Fe: , P: , O:
O2 | O:
Mida annab meile süsiniku o-a väärtuste teadmine? Võimaluse otsustada, kas süsinik käitub reaktsioonides oksüdeerijana, redutseerijana või pole üldse tegemist redoksreaktsiooniga.
Kõik süsinikuühendid, milles süsiniku o-a väärtus on väiksem kui +4, on redutseerijad ja oksüdeeruvad reaktsiooni käigus. Kõik need ained või nende aurud ka põlevad. Teoreetiliselt võiks neid kõiki kasutada kütustena.
Süsinikuühendid, milles süsiniku o-a väärtus on +4, saavad ainult liita elektrone, olla oksüdeerijad. Ise nad ei oksüdeeru ega põle. Mõningaid neist (CO2, CCl4) kasutatakse edukalt tulekustutites.
Süsiniku o-a erinevatest väärtustest tingituna moodustab süsinik erinevate redoksomadustega ühendeid.
Süsiniku neli sidet
Süsiniku aatomi väliskihi neli elektroni moodustavad teiste elementide aatomite väliskihi elektronidega neli ühist elektronpaari ehk neli keemilist sidet. Süsinikul oleks nagu neli „kätt”, kus igaüks tahab kinni võtta mõnest teisest „käest”. Nelja vesinikuaatomiga moodustubki neli sidet järgmise skeemi kohaselt.
Valemeid, kus kõik keemilised sidemed on kriipsukestena välja toodud, nimetatakse struktuurivalemiteks.
Iga süsinikuaatom kasutab tavaliselt täielikult ära oma võimaluse moodustada neli keemilist sidet. Selline olek on lihtsalt kõige püsivam. Siit tuleb aga üks oluline reegel struktuurivalemite koostamiseks: iga süsinikuaatomi juures peab olema neli kriipsukest. Sellele põhimõttele toetudes saad alati kontrollida enda koostatud struktuurivalemite õigsust.
Süsiniku ja tema ühendite omaduste seisukohalt on oluline, kas süsiniku aatomite endi vahel moodustub 1, 2, või 3 ühist elektronpaari ja kuidas need süsiniku aatomi neli sidet ruumis paiknevad. Esineb kolm erinevat sidemetüüpi.
Üksikside
Kahe süsinikuaatomi vahel on ainult üks keemiline side
Struktuurivalemites joonistatakse sidemed välja tavaliselt täisnurga all. Molekuli tegelik kuju on hoopis teistsugune. See moodustub kas ühest (ühe C korral) või mitmest korrapärasest nelitahukast ehk tetraeedrist.
Tetraeedri keskmes asub süsiniku aatom, selle juurest suunduvad sidemed korrapärase nelitahuka tippudesse. Selline paigutus on süsinikul teemandi kristallides ja kõikides ühendites, kus süsinikul on neli üksiksidet.
Kaksikside
Kahe süsinikuaatomi vahel on kaks keemilist sidet – kaksikside.
Kaksiksidemega seotud süsinikuaatomid moodustavad justkui väljavenitatud H-tähe.
Lihtsaim kaksiksidet sisaldav ühend on eteen.
Kolmikside
Kahe süsiniku aatomi vahel on kolm keemilist sidet – kolmikside.
Kolmiksidemega seotud süsinikud moodustavad oma naaberaatomitega sirge.
Süsiniku ahelad ja tsüklid
Süsinik-süsinik sidemed võivad esineda väga erinevate avatud ahelatena või suletud ahelatena ehk tsüklitena. Lühim ahel koosneb kahest süsinikuaatomist. Pikimate süsinikuahelate aatomite arvu on täpselt määratleda raske, kui mitte võimatu. Igal juhul ulatub see sadadesse tuhandetesse.
Ahelad
Süsinikuahelad omakorda võivad olla hargnemata või hargnenud. Viimased sisaldavad väga erineva pikkusega kõrvalahelaid.
Kui kõik süsinik-süsinik sidemed ahelas on üksiksidemed, siis tetraeedrilise ehituse tõttu pole ahel sirge, vaid siksakiline.
Levinuima kirjutusviisi kohaselt esitatakse struktuurivalemid siiski sirgetena. Nii hargnemata kui ka hargnenud ahelates ei tarvitse kõik süsinik-süsinik sidemed olla kaugeltki vaid üksiksidemed. Võib esineda ka kaksik- või kolmiksidemeid.
Tsüklid
Lihtsaim tsükkel koosneb kolmest süsinikuaatomist.
Väga levinud on aga viiest ja eriti kuuest süsinikuaatomist koosnevad tsüklilised ühendid.
Nagu antud struktuuridest näeme, on iga süsinikuaatom seotud alati nelja keemilise sidemega.
Süsinikuühendite paljusus
Süsinik on teiste elementide hulgas eripärane selle poolest, et tal esineb hiigelarv ühendeid – üle 10 miljoni. Nende paljususe tingivad:
- erinev süsiniku aatomite arv,
- erinev süsinik-süsinik sideme tüüp ja paiknemine avatud ahelas või tsüklis,
- erinev süsinik-süsinik sidemete ruumiline paiknemine avatud ahelate ja/või tsüklitena.
Huvitav teada!
Keerulisemates süsinikuühendites on väga mitmeti kombineeritud erinevad ahelad ja tsüklid. Allpool toodud kolesterooli struktuurivalem pole veel kaugeltki kõige keerulisem.
Kolesterool on aine, mis ainevahetuse häirete korral võib ladestuda veresoonte seintele ning põhjustada veresoonte lupjumist. Kolesterooli molekulivalem on C27H45OH.
Jätame meelde!
- Üks süsiniku aatom moodustab neli keemilist sidet.
- Süsiniku aatomite vahel võib olla kas üksik-, kaksik- või kolmikside.
- Süsiniku aatomid moodustavad omavahel kas hargnemata või hargnenud ahelaid, tsükleid või nende erinevaid kombinatsioone.
- Struktuurivalem näitab lisaks molekuli koostisele ka selle struktuuri – keemiliste sidemete liiki ja paiknemist.
Lisa: Süsinikul on erinevaid aatomeid
Süsinikul on tegelikult üheksat erinevat liiki aatomeid, mille eluiga ulatub 0,13 sekundist 5570 aastani. Tuumalaeng on neil kõigil +6, sest muidu nad ei oleks süsiniku aatomid. Aatommass on neil kõigil aga erinev. See tuleneb erinevast neutronite arvust aatomituumas.
Perioodilisustabelites antud aatommassi väärtus 12 on täisarvuni ümardatud keskmine aatommass. Füüsikas iseloomustatakse erinevate aatomite massi massiarvuga. See võrdub prootonite ja neutronite arvude summaga aatomituumas. Süsiniku erinevate aatomite hulgas ongi valdavas ülekaalus aatomid massiarvuga 12.
C-13
Umbes 1%-l süsiniku aatomitest on massiarv 13. Massiarvuga 13 süsinikuaatomeid tähistatakse C-13. C-13 aatomis on 6 prootonit ja 7 neutronit. Nende aatomite tuumad on magnetiliste omadustega ning nende vastastikmõju teiste magnetiliste omadustega tuumadega kasutatakse tänapäeval süsinikuühendite ruumilise ehituse uurimiseks. Just süsiniku massiarvuga 13 aatomituumadele tuginedes on katseliselt kindlaks tehtud ka süsiniku aatomi tetraeedriline ehitus paljudes süsinikuühendites.
C-14
On olemas ka süsiniku aatomeid massiarvuga 14 ehk C-14, kus on 6 prootonit ja 8 neutronit. Nende aatomituumad on aga ebapüsivad ja nende hulk väheneb iga 5730 aastaga poole võrra. Seda ajavahemikku nimetatakse füüsikas poolestusajaks. Süsinik massiarvuga 14 on selle omaduse tõttu asendamatu arheoloogiliste esemete ja mineraalide vanuse määramisel. Meetodi, mida tuntakse „süsinikukella” meetodina, töötas välja ameerika teadlane Willard Libby. Avastus tõi talle 1960. a ka Nobeli preemia.
„Süsinikukella” meetodi olemus on lühidalt järgmine:
- Maa atmosfääri kõrgemaid kihte tabavad pidevalt Päikeselt ja mujalt Universumist tulevad energiarikkad kosmilised kiired.
- Nende toimel tekivad lämmastiku aatomitest (massiarv 14) ebapüsivad süsiniku aatomi tuumad massiarvuga 14.
- Atmosfääris, elusorganismides ja taimedes on C-12 ja C-14 suhe alati ühesugune.
- Pärast organismi surma ta ümbritsevast keskkonnast enam süsihappegaasi ei omasta.
- Pärast organismi surma hakkab muutuma ka selles leiduvate süsiniku isotoopide C-12 ja C-14 suhe.
- Mõõtes selles objektis isotoopide suhte, saame määrata selle vanuse.
