Miten hyvin tunnet jaksollisen järjestelmän? Sarjassamme Alkuaineet tutkitaan havaittavan maailmankaikkeuden perusrakennusaineita – ja niiden merkitystä elämällesi – yksi kerrallaan.
Se voi olla kimaltelevaa ja kovaa. Se voi olla pehmeää ja hilseilevää. Se voi näyttää jalkapallolta. Hiili on kaikkien elävien olentojen selkäranka – ja silti se saattaa aiheuttaa elämän loppumisen maapallolla sellaisena kuin me sen tunnemme. Miten hiilimöhkäle ja kiiltävä timantti voivat koostua samasta materiaalista? Tässä on kahdeksan asiaa, joita et luultavasti tiennyt hiilestä.
1.
Se on jokaisessa elävässä olennossa ja melko monessa kuolleessa. ”Vesi voi olla maailmankaikkeuden liuotin”, kirjoittaa Natalie Angier klassisessa johdannossaan tieteeseen, The Canonissa, ”mutta hiili on elämän ilmastointiteippi.” Hiili ei ole vain ilmastointiteippiä, vaan se on helvetinmoinen ilmastointiteippi. Se sitoo atomit toisiinsa muodostaen ihmisiä, eläimiä, kasveja ja kiviä. Jos leikimme sen kanssa, voimme houkutella siitä muoveja, maaleja ja kaikenlaisia kemikaaleja.
2. SE ON YK:N YLEISIMMÄSTI RIITTÄVIÄ ELEMENTTEJÄ.
Se istuu aivan jaksollisen järjestelmän huipulla, kiilautuneena boorin ja typen väliin. Atomiluku 6, kemiallinen merkki C. Kuusi protonia, kuusi neutronia, kuusi elektronia. Se on maailmankaikkeuden neljänneksi runsain alkuaine vedyn, heliumin ja hapen jälkeen ja 15. alkuaine maankuoressa. Vanhempien serkkujensa vedyn ja heliumin uskotaan syntyneen alkuräjähdyksen myllerryksessä, mutta hiilen uskotaan olevan peräisin supernovaräjähdyksissä syntyneistä alfahiukkasista, prosessista, jota kutsutaan supernovan ydinsynteesiksi.
3. SE ON NIMETTY HIILEN NIMENÄ.
Vaikka ihmiset ovat tunteneet hiilen hiileksi ja – polttamisen jälkeen – sauvaksi jo tuhansien vuosien ajan, vasta Antoine Lavoisier osoitti vuonna 1772, että hiili on itse asiassa ainutlaatuinen kemiallinen kokonaisuus. Lavoisier käytti laitetta, joka keskitti auringon säteet linssien avulla, joiden halkaisija oli noin neljä jalkaa. Hän käytti aurinkouuniksi kutsuttua laitetta polttaakseen timanttia lasipurkissa. Analysoimalla purkista löytynyttä jäännöstä hän pystyi osoittamaan, että timantti koostui yksinomaan hiilestä. Lavoisier mainitsi sen ensimmäisen kerran alkuaineena vuonna 1789 julkaistussa oppikirjassaan Traité Élémentaire de Chimie. Nimi hiili juontaa juurensa ranskankielisestä sanasta charbon eli hiili.
4. SE RAKASTAA SITOUTUA.
Se pystyy muodostamaan neljä sidosta, joita se muodostaa monien muiden alkuaineiden kanssa muodostaen satojatuhansia yhdisteitä, joista osaa käytämme päivittäin. (Muovit! Lääkkeet! Bensiini!) Mikä tärkeämpää, nämä sidokset ovat sekä vahvoja että joustavia.
5. LÄHES 20 PROSENTTIA KOKONAISESTASI ON HIILIÄ.
May Nyman, epäorgaanisen kemian professori Oregonin osavaltionyliopistossa Corvallisissa, Oregonissa, kertoo Mental Flossille, että hiilellä on lähes uskomaton valikoima. ”Se muodostaa kaikki elämänmuodot, ja sen muodostamien aineiden, rasvojen ja sokerien määrässä on valtava monimuotoisuus”, hän sanoo. Se muodostaa ketjuja ja renkaita prosessissa, jota kemistit kutsuvat katenaatioksi. Jokainen elävä olento rakentuu hiilen (typen, vedyn, hapen ja muiden alkuaineiden kanssa) muodostaman selkärangan varaan. Eläimet, kasvit, kaikki elävät solut ja tietenkin ihmiset ovat siis katenaation tulosta. Kehomme on 18,5 painoprosenttia hiiltä.
Ja silti se voi olla myös epäorgaanista, Nyman sanoo. Se liittoutuu hapen ja muiden aineiden kanssa muodostaen suuria osia elottomasta maailmasta, kuten kiviä ja mineraaleja.
6. HIILEN KAKSI UUTTA MUOTOA HAVAITSEMME AINOASTAAN NYT.
Hiiltä esiintyy neljässä päämuodossa: grafiitissa, timantissa, fullereenissä ja grafeenissa. ”Rakenne ohjaa hiilen ominaisuuksia”, Nyman sanoo. Grafiitti (”kirjoituskivi”) koostuu löyhästi toisiinsa liitetyistä hiililevyistä, jotka ovat muodostuneet kuin kanalanka. Kynällä kirjoittaminen on oikeastaan vain grafiittikerrosten raaputtamista paperille. Timantit sen sijaan liittyvät toisiinsa kolmiulotteisesti. Nämä poikkeuksellisen vahvat sidokset voidaan rikkoa vain valtavan energiamäärän avulla. Koska timanteissa on paljon tällaisia sidoksia, se tekee niistä maapallon kovimman aineen.
Fullereenit löydettiin vuonna 1985, kun tutkijaryhmä räjäytti grafiittia laserilla ja syntynyt hiilikaasu tiivistyi aiemmin tuntemattomiksi pallomaisiksi molekyyleiksi, joissa oli 60 ja 70 atomia. Ne nimettiin Buckminster Fullerin kunniaksi, eksentrisen keksijän, joka tunnetusti loi geodeettisia kupoleita tästä jalkapallon kaltaisesta koostumuksesta. Robert Curl, Harold Kroto ja Richard Smalley saivat vuonna 1996 Nobelin kemianpalkinnon tämän hiilen uuden muodon löytämisestä.
Hiiliperheen nuorin jäsen on grafeeni, jonka Andre Geim ja Kostya Novoselov löysivät sattumalta vuonna 2004 improvisoidussa tutkimusjamissa. Tutkijat käyttivät skotch-teippiä – kyllä, oikeasti – nostaakseen yhden atomin paksuisia hiililevyjä grafiittikimpaleesta. Uusi materiaali on erittäin ohutta ja vahvaa. Tulos: Nobelin fysiikanpalkinto vuonna 2010.
7. TIMANTTEJA EI KUTSUTTAA ”JÄÄKSI” NÄKÖISYYDESTÄÄN.
Timantteja kutsutaan ”jääksi”, koska niiden kyky siirtää lämpöä tekee niistä viileitä kosketeltaessa – ei ulkonäön vuoksi. Tämä tekee niistä ihanteellisia käytettäväksi lämpönieluina mikrosiruissa. (Useimmiten käytetään synteettisiä timantteja.) Jälleen kerran timanttien kolmiulotteinen ristikkorakenne vaikuttaa asiaan. Lämpö muuttuu ristikkovärähtelyiksi, jotka ovat vastuussa timanttien erittäin korkeasta lämmönjohtavuudesta.
8. SE AUTTAA MÄÄRITTÄMÄÄMÄÄN MUINAISJÄÄNNÖSTEN VANHEMMUUTTA – JA TODISTAMAAN, ETTÄ JÄLJELLÄ NIIDESTÄ ON VÄÄRENNÖSTÄ.
Amerikkalainen tiedemies Willard F. Libby voitti kemian Nobel-palkinnon vuonna 1960 siitä, että hän on kehittänyt menetelmän, jonka avulla voidaan vanhentaa muinaisjäännöksiä analysoimalla niiden sisältämän hiilen radioaktiivisen alalajin määrä. Radiohiili- eli C14-datointi mittaa eläviin olentoihin kertyvän hiilen radioaktiivisen muodon, C14:n, hajoamista. Sitä voidaan käyttää jopa 50 000 vuotta vanhoihin esineisiin. Hiilidioksidiajoitus auttoi määrittämään Alpeilta jäätyneenä löydetyn 5300 vuotta vanhan Ötzi-jäämiehen iän. Sen avulla todettiin myös, että Winchesterin katedraalissa oleva Lancelotin pyöreä pöytä on tehty satoja vuosia oletetun Arthurin ajan jälkeen.
9. Liian paljon sitä muuttaa maailmaamme.
Hiilidioksidi (CO2) on tärkeä osa kaasumaista peittoa, joka kietoutuu planeettamme ympärille ja tekee siitä riittävän lämpimän elämän ylläpitämiseksi. Mutta fossiilisten polttoaineiden polttaminen – jotka rakentuvat hiilirungon varaan – vapauttaa lisää hiilidioksidia, mikä on suoraan yhteydessä ilmaston lämpenemiseen. Hiilidioksidin poistamiseksi ja varastoimiseksi on ehdotettu useita tapoja, kuten bioenergiaa, johon liittyy hiilidioksidin talteenotto ja varastointi. Siinä istutetaan suuria puukantoja, korjataan ja poltetaan ne sähkön tuottamiseksi ja otetaan talteen prosessissa syntyvä hiilidioksidi ja varastoidaan se maan alle. Toinen keskustelun kohteena oleva lähestymistapa on tehdä meristä keinotekoisesti emäksisempiä, jotta ne sitoisivat enemmän hiilidioksidia. Metsät ovat luonnollisia hiilinieluja, koska puut sitovat hiilidioksidia fotosynteesin aikana, mutta ihmisen toiminta näissä metsissä kumoaa ja ylittää kaikki mahdolliset hiilidioksidin talteenottohyödyt. Lyhyesti sanottuna meillä ei ole vielä ratkaisua ilmakehään aiheuttamaamme hiilidioksidin ylitarjontaan.