- Millest koosneb süsiniku aatom?
- Kus leidub süsinikku Maal kõige enam, kus kõige vähem?
- Mille poolest erinevad teemandi ja grafiidi struktuur?
- Miks ei ole süsi süsiniku allotroop?
Teadus pliiatsi ja teibiga
Teoreetilises teadusvaldkonnas saab teadlane olulise tulemuseni jõuda pliiatsi ja paberiga, eksperimentaalteaduses võib aga suuri avastusi teha ka pliiatsi ja teibiga. 2004. aastal eraldas füüsik Andrei Geimi (snd 1958) uurimisgrupp teibi abil pliiatsisüdamikus kasutatavast grafiidist süsiniku aatomitest koosneva ühekihilise struktuuri – grafeeni. Grafeeni eraldamise ja uurimise eest sai Geim koos füüsik Konstantin Novosjoloviga 2010. a Nobeli füüsikapreemia.
Süsiniku aatom
Keemiline element süsinik paikneb perioodilisustabeli 2. perioodis ja IVA rühmas. Süsiniku tähis on C. Süsiniku aatomis on 6 prootonit ja 6 elektroni ning enamasti 6 neutronit, need annavad aatomi massiks 12 amü. Vähesel määral leidub ka 7 ja 8 neutroniga süsinikuaatomeid, nende aatommass on vastavalt 13 ja 14 amü. Süsiniku järjekorranumber perioodilisustabelis on vastavalt prootonite arvule aatomituumas 6. Süsinik on mittemetall.
Süsiniku aatomi väliskihis on neli elektroni. Elektronokteti saavutamiseks süsinik enamasti jagab oma väliskihi elektrone teiste aatomite väliskihi elektronidega ning moodustab kovalentseid sidemeid (vt ka 8. klassi keemia teemat 2.4. Aatomi elektronkate). Kovalentse sideme moodustab elektronpaar, milles üks elektron pärineb süsiniku aatomilt ja teine mõnelt teiselt aatomilt. Seega on süsinikul ühendites 4 kovalentset sidet.
Süsinikul on ühendites neli kovalentset sidet.
Süsiniku elemendi tähis on . Aatomi tuumas on prootonit ja enamasti neutronit. Süsiniku suhteline aatommass on .
Süsiniku aatomi elektronkattes on elektronkihti, millel paikneb kokku elektroni. Välises elektronkihis on elektroni ning süsiniku aatom saab moodustada keemilist sidet.
Süsiniku levik looduses
Süsinikku leidub vähemal või rohkemal määral kõikjal. Süsinik on universumis levikult neljas element vesiniku, heeliumi ja hapniku järel. Süsinikul on eriline tähtsus kõiges elavas, st elu Maal põhineb süsinikul. Inimese kehas on süsinik hapniku järel levikult teine element (18,5%). Süsinikku sisaldavad kõik inimkeha osad ning süsinikuühendite osavõtul toimuvad protsessid meie kehas. Sama kehtib ka muu eluslooduse, loomade ja taimede puhul. Süsinikuühendite keemial ehk orgaanilisel keemial põhineb eluslooduse keemia. Tuntakse miljoneid süsinikuühendeid, millest peaaegu kõik on orgaanilised. Orgaanilisteks ühenditeks ei peeta näiteks süsiniku lihtaineid (teemant, grafiit), süsiniku oksiide (CO2, CO) ja karbonaate (Na2CO3, CaCO3).
Orgaaniline keemia on teadusharu, mis uurib orgaanilisi aineid ehk süsinikku sisaldavaid aineid.
Süsinikku ja süsinikuühendeid leidub ka õhus, looduslikus vees ja pinnases. Palju süsinikku on süsinikdioksiidi koostises, mida on õhus 0,04 mahuprotsenti. Looduslikus vees leidub lahustunud süsihappegaasi ja süsihappe soolasid. Maakoores on süsinikku 0,018%. Süsinik esineb maakoores karbonaatsete kivimite, näiteks marmori ja paekivi koostises.
Süsinik mängib tähtsat rolli ka fossiilsete kütuste koostises. Kivisüsi koosneb peamiselt süsinikust. Kivisöe puhtaimat vormi nimetatakse antratsiidiks ning see sisaldab kuni 98% süsinikku. Ka nafta, maagaas, põlevkivi ja turvas koosnevad peaasjalikult süsinikuühenditest.
Looduses esineb süsinik peamiselt kahe allotroobina: teemandi ja grafiidina.
Teemant
Teemant on kaunis, väga kõva ja haruldane mineraal. Puhtal kujul on teemant läbipaistev ja värvitu, looduslikud teemandid on lisandite tõttu sageli värvilised, nt sinakad või kollakad.
Teemant koosneb süsiniku aatomitest, mis on omavahel seotud tugevate kovalentsete sidemetega. Iga süsiniku aatom on moodustanud neli kovalentset sidet teiste süsiniku aatomitega. Kõik süsiniku aatomid on üksteisest võrdsel kaugusel ja paiknevad tetraeedriliselt.
Sellise korrapärase ja väga tugevate sidemetega struktuuri tõttu on teemant teadaolevalt kõige kõvem looduslik mineraal, millel on väga kõrge sulamistemperatuur (> 3550 °C). Kõvadusest hoolimata puruneb see aga kergesti löögi mõjul.
Teemandis on kõik süsiniku aatomi väliskihi elektronid seotud elektronpaaridesse ja vabu elektrone ei esine, mistõttu ei juhi teemant elektrit. Samas on teemant erakordselt hea soojusjuht.
Teemant on keemiliselt vastupidav, ent kõrgel temperatuuril ebastabiilne. Kui kuumutada teemanti vaakumis või väärisgaasis hapniku juurdepääsuta, muutub teemant grafiidiks. Hapniku juuresolekul kuumutatav teemant põleb ning tekib süsinikdioksiid.
Suuremad ja kaunimad teemandid on hinnatud vääriskivid. Teemant sätendab valguse käes vikerkaarevärvides. Spetsiaalselt lihvitud teemanti nimetatakse briljandiks – see murrab ja peegeldab valguskiiri kõige paremini.
Teemante, millest briljante ei saa, kasutatakse suure kõvaduse tõttu tööstuses. Teemantidest tehakse klaasilõikureid, lõikekettaid ja puure, millega saab töödelda ükskõik millist väga kõva materjali. Teemantpulbrit kasutatakse lihvimiseks.
- läbipaistev
- sinakasroheline
- suhteliselt pehme
- habras
- hea elektrijuht
- hea soojusjuht
- keemiliselt vastupidav
- keskmine sulamistemperatuur
- kõrgel temperatuuril ebastabiilne
- saab kriimustada kvartsiga (liiv)
Grafiit
Grafiit on hallika või musta värvusega läbipaistmatu, metalse läikega süsiniku allotroop. Grafiiti leidub looduses oluliselt rohkem kui teemanti.
Grafiidi struktuur erineb paljuski teemandi ehitusest. Grafiidis on süsiniku aatomid paigutunud paralleelsetesse kihtidesse. Ühte sellist kihti nimetatakse grafeeniks. Igas kihis on miljoneid süsiniku aatomeid, mis paigutuvad korrapärastesse kuusnurkadesse. Süsiniku aatomid on kihis seotud kolme teise süsiniku aatomiga. Grafeeni erilise ehituse tõttu on grafiidis vabu elektrone, mis teeb grafiidist hea elektrijuhi ja annab sellele läike. Grafeenilehed on omavahel nõrgalt seotud ja võivad üksteise suhtes kergesti nihkuda. Seepärast on grafiit pehme ja kergesti lõhestatav.
Grafeen on oma struktuuri tõttu aga tugevaim materjal, efektiivne elektri- ja soojusjuht ning peaaegu läbipaistev.
Hapnikuvabas keskkonnas on grafiit kuumutamisele väga vastupidav (sulamistemperatuur on 3730 °C). Õhu käes kõrgel temperatuuril põleb grafiit nagu teemantki süsihappegaasiks.
Pehmuse ja kihtide omavahelise libisemise tõttu kasutatakse grafiiti näiteks hariliku pliiatsi südamikes ja määrdeainena. Kuna grafiit on hea elektrijuht, tehakse sellest patareide elektroode. Suur vastupidavus kuumutamisele võimaldab grafiiti kasutada sulamaterjali töötlemisel, näiteks tiiglites ja ahjuvooderdistes.
- hea soojusjuht
- väga tugev
- hea elektrijuht
- läbipaistmatu
- läbipaistev
- kergesti lõhestatav
- hallikas või must
Süsi ja tahm
Süsi ei ole süsiniku allotroop, kuna koosneb peamiselt peeneteralisest grafiidist. Süsi tekib orgaaniliste ainete (nt puidu) kuumutamisel õhu juurdepääsuta. Süsi on väga poorne materjal ning on võimeline gaasidest ja vedelikest erinevaid lisandeid oma pinnale siduma. Eriti hea sidumisvõimega on aktiivsüsi, mis on saadud söe töötlemisel kõrgel temperatuuril. Aktiivsütt kasutatakse näiteks õhupuhastites, gaasimaskides ja akvaariumivee filtrites. Aktiivsöest on valmistatud ka apteegis müüdavad söetabletid, mis aitavad seedehäirete ja toidumürgistuse korral.
Peent söetolmu nimetatakse tahmaks. Seda kasutatakse näiteks täiteainena autokummides ning musta värvipigmendina.
Ma tean, et...
- Süsiniku aatom saab moodustada ühendites 4 kovalentset sidet.
- Orgaaniline keemia on teadusharu, mis uurib orgaanilisi aineid ehk süsinikku sisaldavaid aineid (v.a mõned süsinikuühendid ja süsiniku lihtained);
- Allotroobid on ühe ja sama keemilise elemendi erinevad lihtained. Süsiniku tuntumad allotroobid on teemant ja grafiit.
Küsimused
- Iseloomusta süsiniku levikut looduses.
- Nimeta süsiniku allotroope.
- Võrdle teemandi ja grafiidi struktuuri ja omadusi.
- Kus kasutatakse süsiniku lihtaineid?
