Süsinik lihtainena

Süsinik (C) on keemiliste elementide perioodilisustabelis IVA rühma 2. perioodi element. Süsinik on mittemetalliline element. Kõik tema lähemad naabrid tabelis – boor (B), räni (Si) ja lämmastik (N) – on samuti mittemetallilised. Süsiniku aatomnumber on 6 ja aatommass 12.

Kuna süsinik on tabelis perioodi keskel, ei moodusta ta positiivse laenguga ioone (nagu leelismetallid tabeli vasakul serval) ega negatiivse laenguga ioone (nagu halogeenid tabeli paremal serval). Vaatleme alloleval joonisel aatomite struktuuri.

Liitiumil on kerge loovutada oma väliskihi ainuke elektron ja moodustada Li⁺-ioon. Fluoril on väga raske loovutada 7 väliskihi elektroni, ta võtab ühe elektroni juurde ja moodustab F^–-iooni. Süsinik aga kas loovutab 4 elektroni või võtab juurde 4 elektroni. Seepärast moodustab ta teiste aatomitega peamiselt kovalentseid sidemeid. Iga sideme moodustab elektronipaar, milles üks elektron pärineb süsiniku aatomilt ja üks mõnelt teiselt aatomilt, näiteks vesinikult.

Süsinik on looduses üsna levinud element: maakoores massi järgi 13. kohal. Teda esineb nii ehedalt kui ka ühendites. Süsinikku ja tema ühendeid leidub looduses sageli suurtes kogustes (mitte hajutatult), nii et nendest tooteid valmistada või neid otse kasutada on lihtne. Kõik organismid koosnevad süsiniku­ühenditest, samuti nafta ja maagaas. Väga süsiniku­rikkad on mõned looduslikud tahked kütused, eriti kivisüsi.  

Suur osa süsinikku on looduses süsihappe sooladena – karbonaatidena. Levinum neist on kaltsium­karbonaat CaCO₃ (lubjakivi ehk paas, marmor, kriit). Väiksem osa karbonaate, näiteks kaltsium­vesinik­karbonaat Ca(HCO₃)₂, on lahustunud kujul looduslikus vees.

Atmosfääris on peamine süsiniku­ühend süsinikdioksiid CO₂, mida leidub seal ligikaudu 0,04% (ruumala järgi). Osa CO₂ on ka vees lahustunud.

Puhast süsinikku leidub looduses teemandi ja grafiidina. Teemant ja grafiit on süsiniku allotroopsed teisendid. Allotroopsed teisendid on ained, mis erinevad üksteisest ainult aatomite paigutuse (struktuuri) või molekulis olevate aatomite arvu, mitte elementkoostise poolest. Erinev struktuur põhjustab füüsikaliste ja keemiliste omaduste erinevusi.

Süsinik on looduses pidevas ringluses. Minnes ühe ühendi koostisest teise ühendi koostisse, muudab ta oma asukohta looduses ja oksüdatsiooniastet.

Skeemilt on näha, et kõige kõrgema oksüdatsiooni­astmega on süsinik CO₂ kujul. Küllaltki madal oksüdatsiooni­aste on tal elusa ja elutu orgaanilise aine ning maapõuest saadavate kütuste koostises. Skeemi keskel on taimed kui süsiniku ringkäigu põhiline liikuma­panev jõud. Fotosünteesi käigus valmistavad rohelised taimed orgaanilisi ühendeid ja varustavad nendega teisi organisme. Organismid hingavad ja selle käigus vabaneb uuesti CO₂.

Teemant on väga kõva, rasksulav (üle 3000 °C), keemiliselt püsiv, ilus ja haruldane mineraal. Teemandi omadused (kõvadus, rask­sulavus, suur murdumisnäitaja) on otseselt seotud tema tiheda ja äärmiselt korrapärase struktuuriga. Iga süsiniku aatom teemandi kristalli­võres on 4 ühe­kordse kovalentse sideme abil seotud 4 samasuguse süsiniku aatomiga, need omakorda jälle 4 süsiniku aatomiga jne. 4 ühesugust üksik­sidet süsiniku aatomi ümber on paigutunud üksteisest võimalikult kaugele: korrapärase ruumilise nelitahuka ehk tetraeedri tippude suunas. Tetraeedri tahkudeks on 4 ühesugust võrdkülgset kolmnurka, süsiniku aatom asub tetra­eedri keskpunktis.

C—C-sidemed on väga tugevad, muidu ei saaks tekkida ja koos püsida teemandi struktuur ega ka pikad süsinik­ahelad. Teemandi struktuuris ei ole üldse vabu väliskihi elektrone, kõik on kovalentsete sidemete koostises. Seetõttu ei juhi teemant elektrit, küll aga juhib teemant väga hästi soojust.

Kuumutamisel ilma õhu juurdepääsuta muutub teemant grafiidiks. Õhu käes kõrgel temperatuuril põleb teemant nagu süsigi:

Siin on süsinik redutseerijaks ja ta ise oksüdeerub. Hapnik on aga oksüdeerijaks ning ta redutseerub.

Grafiiti leidub looduses märksa rohkem kui teemanti. See on hallikas­must ja läbi­paistmatu, rasksulav, kuid üsna pehme. Grafiit lõheneb väga kergesti õhukesteks lehekesteks ning jätab karedale pinnale väikestest grafiidi­liblekestest koosneva tumeda jälje. Erinevalt teemandist ja paljudest teistest mitte­metallidest juhib grafiit elektrit, seega peaks tema struktuuris leiduma vabu elektrone (tuleta meelde metallide elektri­juhtivust). Õhu käes kõrgel temperatuuril põleb grafiit nagu teemantki CO₂-ks.

Grafiidi struktuur on tekkinud kihtide kaupa asetsevatest võrkudest, mis koosnevad korra­pärastest kuus­nurkadest. Igas võrgu sõlm­punktis on üks süsiniku aatom, mis on omakorda seotud 3 samasuguse süsiniku aatomiga. Kuna iga süsiniku aatomi kohta tuleb ainult 3 sidet, on grafiidis vabu elektrone, mis annavad grafiidile elektri­juhtivuse. Kihid on üksteisega nõrgalt seotud, seepärast ongi grafiit pehme ning kergesti lõhestatav.

Süsi ei ole süsiniku allotroopne teisend, kuna see koosneb peamiselt väga peeneteralisest grafiidist ning võib sisaldada mitmesuguseid lisandeid. Süsi juhib elektrit nagu grafiitki. Süsi tekib orgaaniliste ainete, näiteks puidu kuumutamisel ilma õhu juurdepääsuta. Süsi on väga poorne ning sel on võime siduda õhust või lahustest oma pinnale mitmesuguseid lisandeid. Kivisöest saadav süsi on koks.

Süsiniku puhaste allotroopsete teisenditega võrreldes on süsi keemiliselt märksa aktiivsem. Üheks põhjuseks on siinkohal kindlasti söe poorsus.

Süsinik ei lahustu üheski lahustis ega reageeri toa­temperatuuril peaaegu ühegi teise lihtaine ega ühendiga. Kõrgemal temperatuuril, alates mõnesajast kraadist, reageerib süsinik paljude ainetega. Nii reageerib süsinik kõrgel temperatuuril enamiku metallide oksiididega kas otseselt või vahe­saadusena tekkiva CO kaudu, toimides redutseerijana. Näiteks:

Hõõguv süsi tõrjub kuumast veeaurust välja isegi vesiniku:

Saadud segu kasutatakse gaasilise kütusena.

Kõrgemal temperatuuril võib süsinik reageerida ka vesinikuga.

Siin on süsinik oksüdeerijaks ja ta ise redutseerub. Vesinik on redutseerijaks ning oksüdeerub.