Keemia 9. kl. 02 osa lk 31-37 (0)

V Eluslooduse ilu aluseks on süsinikuühendid
SÜSINIK. SÜSINIKUÜHENDID 32 V. SÜSINIK. SÜSINIKUÜHENDID
14. SÜSINIK LIHTAINENA
14.1. Süsiniku levik looduses Süsinik (C) on keemiliste elementide perioodilisustabelis IVA rühma +3 2. perioodi esimene 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 aatom - liitium (Li) leelismetall mass 12. Kuna süsinik on tabelis perioodi keskel, ei moodusta ta posi - IA rühm tiivse laenguga ioone (nagu leelismetallid tabeli vasakul serval ) ega negatiivse laenguga ioone (nagu halogeenid tabeli paremal serval). Vaatleme kõrvaloleval joonisel aatomite struktuuri. +6 Liitiumil on kerge loovutada oma väliskihi ainuke elektron ja moo- dustada Li+-ioon. Fluoril on väga raske loovutada 7 väliskihi elektro - süsinik (C) ni, ta võtab ühe elektroni juurde ja moodustab F­-iooni. Süsinik võib IVA rühm aga kas loovutada 4 elektroni või võtta juurde 4 elektroni. Sellepärast moodustab ta teiste aatomitega peamiselt kovalentseid sidemeid . Iga sideme moodustab elektronipaar, milles üks elektron pärineb süsi- +9 niku aatomilt ja üks mõnelt teiselt aatomilt, näiteks vesinikult.
fluor (F) halogeen Süsiniku aatomil on välisel elektronkihil 4 elektroni ja ta VIIA rühm moodustab ühendites peaaegu alati 4 kovalentset sidet.
Süsinik on looduses üsna laialt levinud element ­ maakoores massi järgi 13. kohal. Teda esineb nii ehe- dalt kui ka ühendites. Süsinikku ja tema ühendeid lei- dub looduses sageli suurtes kogustes (mitte hajutatult), nii et nende tootmine ja kasutamine on lihtne. Kõik elusorganismid koosnevad süsinikuühenditest, samuti nafta ja maagaas. Väga süsinikurikkad on mõned loo- duslikud tahked kütused, eriti kivisüsi. Antratsiit (parim tihe läikivmust kivisüsi) sisaldab 90­95% puhast süsinikku. Puhast süsinikku leidub looduses teemandi ja grafiidina. Antratsiit V. SÜSINIK. SÜSINIKUÜHENDID 33
Suur osa süsinikku on looduses süsihappe sooladena ­ karbo - naatidena. Nendest on kõige levinum kaltsiumkarbonaat CaCO3 ( lubjakivi ehk paas , marmor, kriit). Väiksem osa karbonaate on lahus- tunud kujul looduslikes vetes, näiteks kaltsiumvesinikkarbonaat Ca( HCO3 )2. Atmosfääris on peamine süsinikuühend süsinikdioksiid CO2, mida leidub seal pisut üle 0,03% (ruumala järgi). Osa CO2 on ka lahus- tunud vees. Süsinik on looduses pidevas ringluses. Minnes ühe ühendi koosti- sest teise ühendi koostisse, muudab ta oma asukohta looduses ja oksü- datsiooniastet.
ÕHU CO 2 IV põlemine ees fotosüntees
hingamine nt fotosü hin gam e ine amin hing TAIMED ~0 MIKROORGANISMID LOOMAD ~0 ~0
ELUTU KIVISÜSI ~0 KARBONAATSED KIVIMID ORGAANILINE AINE NAFTA ­II IV ~0 MAAGAAS ­IV
Nagu skeemilt näeme, on süsinik CO2 kujul kõige kõrgema oksüdat- siooniastmega, elusa ja elutu orgaanilise aine ning maapõuest saadava- te kütuste kujul aga küllaltki madala oksüdatsiooniastmega. Skeemi keskel on taimed kui süsiniku ringkäigu põhiline liikumapanev jõud. Fotosünteesi abil valmistavad rohelised taimed orgaanilisi ühendeid ja varustavad nendega teisi elusorganisme. Elusorganismide hingamisel vabaneb uuesti CO2. CO2 sisaldus õhus on viimastel aastakümnetel hakanud kütuste massilise põletamise tõttu vähehaaval suurenema. Kasvuhooneefekti, mis on seotud CO2 sisalduse tõusuga, ja sellega kaasnevaid ohte käsit- leme atmosfääri saastumise juures (lk 104). 34 V. SÜSINIK. SÜSINIKUÜHENDID
14.2. Teemant ja grafiit kui süsiniku allotroopsed teisendid Vaatleme, milliste puhaste lihtainetena ­ allotroopsete teisenditena ­ võib süsinik esineda. Allotroopsed teisendid erinevad üksteisest ainult aatomite paigutuse (struktuuri) või molekulis olevate aatomite arvu, mitte elementkoostise poolest. Erinev struktuur põhjustab füüsikaliste ja keemiliste omaduste erinevusi. Struktuuri ja omaduste vahelise seo- Briljant sega puutume ka süsinikuühendite juures palju kordi kokku.
Teemant on tuntud kui väga kõva, rasksulav (üle 3000 °C), keemiliselt püsiv, ilus ja ha- ruldane mineraal . Teemante leidub kõige rohkem Aafrikas ja Lõuna-Ameerikas. Teemandi leiukohtadeks on peamiselt vanad vulkaanikraatrid, sest ta tekib süsiniku teistest vormi- dest ülisuure rõhu ja kõrge temperatuuri toimel. Teemant võib olla värvitu, sinakas , kolla - kas, must või läbipaistmatu. Värvituid või heledaid läbipaistvaid teemante (mõnikord on nad juba looduses ilusate kristallidena) on vanast ajast hinnatud vääriskividena. Valguse käes sätendab kristalne või lihvitud teemant eredates vikerkaarevärvides, sest teemandil on erakordselt suur murdumisnäitaja. Eri värvi kiired, millest valge valgus koosneb, mur- duvad teemanti läbides igaüks erineva nurga all. Spetsiaalselt lihvitud teemanti nimetatak- se briljandiks, selline teemant murrab ja peegeldab valguskiiri kõige paremini.
Briljantlihv
Kuumutamisel ilma õhu juurdepääsuta muutub teemant grafiidiks. Õhu käes kõrgel temperatuuril teemant põleb nagu süsigi: C + O2 ® CO2 Siin on süsinik redutseerijaks, ta ise oksüdeerub. Hapnik on aga oksüdeerijaks ning ta redutseerub. Teemandi kristallivõre Teemandi omadused (kõvadus, rasksulavus, suur murdumisnäitaja) on otseselt seotud tema tiheda ja äärmiselt korrapärase struktuuri- ga. 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 süsini- ku aatomi ümber on paigutunud üksteisest võimalikult kaugele ­ kor- rapärase ruumilise nelitahuka ehk tetraeedri tippude suunas. Tetraeedri tahkudeks on 4 ühesugust võrdkülgset kolmnurka, süsi- niku aatom asub tetraeedri keskpunktis . Tetraeeder V. SÜSINIK. SÜSINIKUÜHENDID 35
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 kova - lentsete sidemete koostises. Sellepärast ei juhi teemant elektrit. Teemandi ülisuure kõvaduse tõttu kasutatakse kõik väiksemad vääriskivideks kõlbmatud teemandid kivimipuuride, lõiketerade, klaasinugade, lihvimispulbrite jt töövahendite valmistamiseks, mille- Teemant ga saab töödelda väga kõvu kivimeid ja metalle .
Grafiiti leidub looduses märksa rohkem kui teemanti. Ta on hallikasmust ja läbipaistmatu, väga rasksulav, kuid üsna pehme. Grafiit lõheneb väga kerges- ti õhukesteks lehekesteks ning jätab karedale pinnale tumeda jälje, mis koos- neb väikestest grafiidiliblekestest. Erinevalt teemandist ja paljudest teistest mittemetallidest juhib grafiit elektrit, sellepärast peaks tema struktuuris lei- duma vabu elektrone (tuleta meelde metallide elektrijuhtivust). Õhu käes kõr- gel temperatuuril põleb grafiit nagu teemantki CO2-ks.
Grafiidi struktuur on hoopis teistsugune kui teemandi oma. Vaatleme seda struktuuri poolviltu ülaltpoolt
Grafiidi struktuur on tekkinud kihtide kaupa asetsevatest võrku- dest, mis koosnevad korrapärastest kuusnurkadest. Igas võrgu sõlm- punktis on üks süsiniku aatom, mis on omakorda seotud 3 samasuguse süsiniku aatomiga. Kuna iga süsiniku aatomi kohta tuleb ainult 3 si- det, on grafiidis vabu elektrone, mis põhjustavad grafiidi elektrijuhti- vuse. Kihid on üksteisega nõrgalt seotud, sellepärast ongi grafiit pehme ning kergesti lõhestatav. Grafiiti on pehmuse tõttu kerge töödelda. Temast saab valmistada nõusid metallide sulatamiseks, sest grafiit on nagu teemantki keemili - selt võrdlemisi vastupidav. Elektrijuhtivuse tõttu on grafiit elektro- Grafiit tehnikas väga hea materjal. Grafiidi kasutamine pliiatsisüdamikuna on üldtuntud. 36 V. SÜSINIK. SÜSINIKUÜHENDID
LISALUGEMIST Fullereenid on hoopis omapärased süsiniku allotroopsed teisendid, mis koosnevad kerakujulis- test, ainult süsinikku sisaldavatest korrapärastest molekulidest. Tuntuim on fullereen C60, mil- le molekuli pind koosneb vaheldumisi kuusnurkadest ja viisnurkadest, igas sõlmpunktis on üks süsiniku aatom. Fullereenid tekivad grafiidist ja söest kõrgel temperatuuril.
Süsi ei ole süsiniku allotroopne teisend, kuna ta koosneb peamiselt väga peene- teralisest grafiidist ning võib sisaldada mitmesuguseid lisandeid. Süsi juhib elekt- rit nagu grafiitki. Süsi tekib orgaaniliste ainete, näiteks puidu kuumutamisel ilma õhu juurdepääsuta. Süsi on väga poorne ning tal on võime siduda õhust või lahus- test oma pinnale mitmesuguseid lisandeid. Nii saab söe abil lahustest eemaldada la- hustunud värvilisi aineid. Eriti suure sidumisvõimega on süsi, mida on kõrgel temperatuuril veeauruga töödeldud. Söetablette antakse sisse kõhuvalu puhul, et siduda seedeorganites kahjulikke aineid. Kivisöest saadav süsi on koks.
Gaasimaskides kasutatakse veeauruga töödeldud sütt
? Millise tähtsa metalli tootmisel ka- sutatakse koksi? Mittetäielikul põlemisel saadavat peent söetolmu ( tahma ) kasuta- takse musta värvi valmistamiseks. Pressitud süsi sarnaneb omadustelt grafiidiga, kuid on palju odavam. Süsiniku puhaste allotroopsete teisenditega võrreldes on süsi kee- miliselt märksa aktiivsem. Üheks põhjuseks on kindlasti söe poorsus ­ väga suur pind ruumala- või massiühiku kohta. Süsinik ei lahustu üheski lahustis ega reageeri toatemperatuuril peaaegu ühegi teise lihtaine ega ühendiga. Kõrgemal temperatuuril, alates mõnesajast kraadist, reageerib süsinik aga paljude ainetega. Nii reageerib süsinik kõrgel temperatuuril enamiku metallide oksiidi- dega kas otseselt või vahesaadusena tekkiva CO kaudu, toimides re- dutseerijana. Näiteks: CuO + C ® Cu + CO Hõõguv süsi tõrjub veest välja isegi vesiniku: ? Milline näeks välja süsinikuringe looduses, kui rohelisi taimi ei oleks? 0 I ­II II ­II C + H2 O ® C O + H2 0
Saadud segu kasutatakse gaasilise kütusena. V. SÜSINIK. SÜSINIKUÜHENDID 37
Kõrgemal temperatuuril võib süsinik reageerida ka vesinikuga. 0 0 ­IV I C + 2 H2 ® C H 4 Siin on süsinik oksüdeerijaks, ta ise redutseerub. Vesinik on aga redutseerijaks ning oksüdeerub.
KOKKUVÕTTEKS Süsinik on mittemetalliline element, moodustab ühendites tavaliselt 4 kovalentset sidet, esineb mitme allotroopse teisendina (teemant, grafiit jt), võib ühendites omada mitmesuguseid oksüdatsiooniastmeid vahemikus ­IV kuni IV, võib käituda kõrgemal temperatuuril redutseerijana, võib käituda kõrgemal temperatuuril oksüdeerijana.
Küsimused 1. Kus asub süsinik elementide perioodilisustabelis? 2. Miks ei moodusta süsinik tavaliselt positiivseid ega negatiivseid ioone? 3. Mitu kovalentset sidet süsiniku aatom tavaliselt moodustab? 4. Millised on tähtsamad maakoores leiduvad süsinikuühendid? 5. Millised on tähtsamad õhus leiduvad süsinikuühendid? 6. Kas maakoores leidub vaba süsinikku? 7. Miks teemant on palju kõvem kui grafiit? 8. Miks grafiit juhib elektrit? 9. Kuidas vähendada CO2 sisalduse kasvu atmosfääris? 10. Kas CO2 abil võiks saada vaba metalli metallioksiididest? 11. Milline on süsiniku oksüdatsiooniaste teemandis ja grafiidis? 12. Mis on koks? *13. Miks fullereeni C60 nimetatakse ka footballeeniks?