Süsinik

Allikas: Vikipeedia
6





4
2
C
12,01115
Süsinik
Süsiniku 8 allotroopi: a) teemant, b) grafiit, c) heksagonaalne teemant, d) C60 fullereen, e) C540, f) C70, g) amorfne süsinik ja h) süsiniknanotoru.

Süsinik (keemiline tähis C) on mittemetalliline keemiline element järjenumbriga 6. Ta asub perioodilisustabeli IVA rühmas.

Tema valentskihis on 4 elektroni ja tema elektronkate on kirjeldatav valemiga 1s2 2s2 2p2. Süsinikul on seega kalduvus moodustada 4 sidet või vastaval arvul mitmekordseid sidemeid. Et süsinik moodustab palju vähepolaarseid kovalentseid sidemeid, on oksüdatsiooniastme määramine sageli raske.

Süsinikul on mitmeid allotroopseid vorme. Tavatingimustes on neist tuntuimad grafiit, tahm ja teemant. Kunstlikult saadud vormideks on grafeen, süsiniknanotorud, karbüünid, klaasjas süsinik ja fullereenid.

Süsiniku stabiilseim oksiid on süsihappegaas (CO2). Oluline on ka süsinikoksiid (CO).

Süsinik on oluline element orgaanilistes ühendites ja kesksel kohal orgaanilises keemias. Seetõttu nimetatakse seda keemiavaldkonda sageli ka süsinikukeemiaks.

Maa biosfääri seisukohast on äärmiselt oluline süsinikuringe, mis kujutab endast süsiniku liikumist ökosüsteemis erinevate ökosüsteemi komponentide vahel.

Allotroobid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Teemanti kritallvõre

Teemant[muuda | redigeeri lähteteksti]

Süsiniku allotroop teemant on tuntud kui kõige kõvem looduslik materjal. Heade mehaaniliste omaduste tõttu kasutatakse teda palju tööstuses. Põhjus, miks teemant nii kõva on, seisneb tema võrestruktuuris. Vastavalt valentssidemete teooriale toimub teemandis 2s- ja 2p-orbitaalide segunemine (hübridisatsioon), mille tulemusena moodustavad üks s- ja kolm p-orbitaali neli ekvivalentset sp3-hübriidset orbitaali, mis osutavad tetraeedri eri nurkadesse. Nii tekkinud kolmedimensionaalne võre on väga jäik. Sideme pikkus teemanti sp3- orbitaalidega süsinike vahel on 1,56 Å [1].

Grafiit[muuda | redigeeri lähteteksti]

Grafiit

Grafiidis on sp2-hübriidsed orbitaalid, mis moodustavad σ-sidemeid. Sellega on iga aatom võrdselt seotud kolme teise süsinikuga. Nende sidemete vahel on xy-tasandil ±120° nurk ja z-telje sihis eksisteerib nõrk π-side. C-C sp2-orbitaali sideme pikkus on 1,42 Å. Kuusnurkne sp2-orbitaalidest sidemete struktuur moodustab tüüpilise grafiidi võre. Pz-orbitaal moodustab nõrga van der Waalsi sideme. Kaugus süsiniku kihtide vahel grafiidis on keskmiselt 3,35 Å. Pz-orbitaali elektronid liiguvad vabalt elektronpilves ja ei kuulu ühelegi kindlale aatomile (nad on delokaliseeritud). Selle tõttu juhib grafiit elektrit. Teemant seevastu käitub isolaatorina, sest kõik valentselektronid on lokaliseeritud sp3-orbitaalis. Grafiiti kasutatakse elektroodides, adsorbendina, pliiatsisüdamikes jne. [2]

Amorfne süsinik

Amorfne süsinik[muuda | redigeeri lähteteksti]

Amorfne süsinik on süsiniku allotroop, millel puudub kaugeleulatuv korrapärane kristalne struktuur. Lokaalne korrapära võib eksisteerida, kuid selles esineb kõrvalekaldeid aatomitevahelistes kaugustes ja/või sidemete nurkades (võrreldes grafiidi või teemanti võrega)[3]. Amorfset süsinikku saadakse peamiselt kolmel viisil: keemilisel aurustus-sadestus meetodil (CVD), orgaaniliste ühendite lagundamisel, erinevate karbiidide selektiivsel söövitamisel. Amorfse süsinikuna tuntakse tahma, koksi ja puusütt[4].

Amorfset süsinikku saab kasutada elektrilise kaksikkihi kondensaatorites, vesiniku salvestamiseks, metaani salvestamiseks, liitiumioon patareides, süsinik-plaatina katalüsaatori kandjana.

Grafeen[muuda | redigeeri lähteteksti]

Grafeeni struktuur

Süsiniku aatomite monokihiti, mis on sp2-sidemetega tihedalt kokku pakitud kahedimensionaalsesse kärgvõresse, nimetatakse grafeeniks. See on fundamentaalseks ehituskiviks kõigile teistele grafiidsetele materjalidele (0D fullereenidele, 1D nanotorudele, 3D grafiidile). Teoreetiliselt on grafeeni uuritud juba 60 aastat, kuid teda peeti pigem „akadeemiliseks“ materjaliks, mille eksisteerimisse kahedimensionaalsena looduses termodünaamilise ebastabiilsuse tõttu ei usutud. Seda seni, kuni praeguseks juba Nobeli füüsikaauhinna laureaadid Andre Geim ja Konstantin Novosjolov selle vaid ühe aatomi paksuse materjali ootamatult avastasid. Hilisemad eksperimendid on kinnitanud ka relativistliku kondensmaterjaliga seotud teooriat, et selles on laengukandjateks massitud Diraci fermionid[5].

Fullereenid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Fullereen

Fullereenid on ainult süsinikust koosnevad individuaalsed mitmetahulised molekulid. Kinniste keradena eristuvad nad teistest süsiniku allotroopidest, sest neid ei saa vaadelda lõputute süsteemidena nagu teemanti, grafiiti või grafeeni. C60 struktuur (ikosaeedriline rotatsiooni- ja peegelsümmeetriaga) sisaldab kahte eri tüüpi C-C sidemeid: lühemaid sidemeid (kaksiksidemed), mis on kuusnurga ühisteks servadeks (6-6 sidemed) ja pikemaid sidemed (üksiksidemed), mis tekivad kuusnurkade ja viisnurkade segunemisel (6-5 sidemed). C60 ja C70 fullereenides on enamus sidemetest 6-6 sidemed [6]. Fullereeni molekul on suurusjärgus 0,5 nm (C36) kuni 1,2 nm (C176) [7].

Isotoobid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Süsinikul on kaks stabiilset isotoopi massiarvudega 12 ja 13. Seejuures moodustab süsinik-12 98,9% Maal leiduvast süsinikust ja süsinik-13 vaid 1,1%.

Süsinik-12 võeti 1961. aastal aluseks aatommassiühiku väärtuse määramisel.[8]

Looduses leidub ka radioaktiivset isotoopi süsinik-14, mille massiarv on 14 ja poolestusaeg 5700 aastat. Süsinik-14 tekib kosmilise kiirguse toimel õhulämmastikust. Seda kasutatakse radiosüsinikumeetodil bioloogilist päritolu esemete vanuse määramiseks.

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. M. Terrones, „Science and technology of the twenty-first century: synthesis, properties, and applications of carbon nanotubes,“ Annu. Rev. Mater. Res. 33, 419–501 (2003).
  2. M. Terrones, „Science and technology of the twenty-first century: synthesis, properties, and applications of carbon nanotubes,“ Annu. Rev. Mater. Res. 33, 419–501 (2003).
  3. A. D. McNaught, A. Wilkinson, „Amorphous carbon,“ kogumikus IUPAC Compendium of Chemical Terminology, (Royal Society of Chemistry, Cambridge, UK, 1997), lk 477.
  4. „Carbon (C),” kogumikust Encyclopædia Britannica (2011), http://www.britannica.com/EBchecked/topic/94732/carbon.
  5. A. K. Geim, K. S. Novoselov, „The rise of graphene,“ Nat. Mater. 6, 183–191 (2007).
  6. N. F. Goldshleger, „Fullerenes and fullerene-based materials in catalysis,“ Chem. Phys. 9:3, 255–280 (2001).
  7. A. Goel et al., „Size analysis of single fullerene molecules by electron microscopy,“ Carbon 42, 1907–1915 (2004).
  8. Carbon The Encyclopedia of Earth

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Keemiliste elementide perioodilisussüsteem
Metallid Poolmetallid Väärisgaasid Mittemetallid Leelismetallid Leelismuldmetallid Lantanoidid Aktinoidid
Vesinik - Boor - Süsinik - Lämmastik - Hapnik - Fluor - Räni - Fosfor - Väävel - Kloor - Seleen - Broom - Jood