5.10. Süsinik ja süsinikuühendid

Võrreldes süsinikku (lihtainena) 2. perioodi teiste mittemetalliliste elementide lihtainetega (F₂, O₂, N₂, Ar) ilmneb selge erinevus. Hapniku, lämmastiku, fluori ja argooni korral on tegemist molekulaarsete ainetega, süsinik on mittemolekulaarne aine. Süsinik moodustab tahkes olekus aatomvõre. Süsiniku peamised allotroobid on teemant ja grafiit (joonis 1). Vaata videot süsiniku kui lihtaine kohta.

Allikas: https://youtu.be/jsMfqaUqGLk

Joonis1. Süsiniku allotroobid teemant ja grafiit. Allikas: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diamond_and_graphite2.jpg

Süsinikul on kaks elektronkihti ning väliskihil on kokku neli elektroni, mis saavad moodustada keemilisi sidemeid. Süsiniku elektronvalem on C Z=6|1s²2s²2p². Keemilise sideme moodustamisel saab süsinik loovutada või liita neli elektroni. Enamikus reaktsioonides on süsinik tüüpiline redutseerija ehk loovutab viimase kihi elektrone. Enamiku ainetega reageerib süsinik kõrgemal temperatuuril. Joonisel 2 on toodud tähtsamad süsinikuühendid, mis tekivad teiste lihtainetega regeerimisel.

Joonis 2. Süsiniku keemilised omadused

Vaata ka metallide saamise peatükki.

Süsinikku kasutatakse metallide tootmisprotsessis redutseerijana.

Fe₃O₄ + 2C $\xrightarrow[]{temp}$ 3Fe + 2CO₂
2ZnO + C $\xrightarrow[]{temp}$ 2Zn + CO₂
MnO₂ + C $\xrightarrow[]{temp}$ Mn + CO₂

Vaatame ka tähtsamaid süsinikuühendeid.

Metaan

Metaan on loodusliku gaasi põhikoostisaine. Metaan (CH₄) põleb kõrgel temperatuuril.

CH₄ + 2O₂  $\xrightarrow[]{temp}$ CO₂ + 2H₂O     ΔH= -890 kJ/mol

See on eksotermiline reaktsioon ja vabaneb palju energiat. Tänu suurele soojusefektile kasutatakse metaani kütusena.

Süsinikoksiid

Allikas: https://youtu.be/qDae-Iay4Oo

CO on lõhnatu ja väga mürgine.

CO – süsinikoksiid (vingugaas) on värvusetu, õhust veidi raskem gaas. CO on lõhnatu ja väga mürgine. Vingugaas tekib mittetäielikul põlemisel

2C + O₂ → 2CO

Sissehingamisel seob CO vere hemoglobiini püsivaks ühendiks, põhjustades seega kudede hapnikunälja. CO 0,1%-line sisaldus õhus on inimesele surmav sissehingamisel 20 minuti jooksul. Linnades on CO üks õhusaaste põhikomponente.

CO ei reageeri vee, aluste ega hapetega. CO kasutatakse metallide tootmisel tugeva redutseerijana (vaata ka metallide saamise peatükki 4.6).

Süsinikdioksiid

CO2 – süsinikdioksiid on gaasiline aine, värvusetu, kergelt happelise maitsega ning õhust 1,5 korda raskem. Toatemperatuuril ja kõrgel rõhul läheb süsinikdioksiid üle värvusetuks vedelikuks, mille järsul jahutamisel tekib tahke CO₂, mida nimetatakse „kuivaks jääks“ (joonis 3). Keemiliselt ja termiliselt on CO₂ väga stabiiline ning vastupidav, seetõttu saab seda kasutada tulekustutites.

Joonis 3. Tahke CO₂ tüki lisamisel vette  CO₂ aurustub ja ka lahustub vees. Allikas: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File%3ASublimation_of_dry_ice_on_water.small.ogv

Vaata happeliste oksiidide omadusi.

CO₂ on happeline oksiid (vaata happeliste oksiidide omadusi peatükist 1.1), mis vees lahustub ning reageerib osaliselt veega, andes süsihappe:

CO₂ + H₂O ⇆ H₂CO₃.

CO₂ reageerib nii aluste kui ka aluseliste oksiididega:

СO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + H₂O  
CO₂ + CaO → CaCO₃

CO₂ kasutatakse toiduainete tööstuses säilitusainena ja jookide karboniseerimisel.

Süsinikdioksiidi saadakse karbonaatide lagundamisel või karbonaatidele happe lisamisel:

CaCO₃(t) $\xrightarrow[]{temp}$ CaO(t) + CO₂↑(g)
CaCO₃(t) + HCl(l) → CaCl₂(l) + H₂O(v) + CO₂(g)↑.

CO₂ tekib ka käärimise käigus: C₆H₁₂O₆ → 2CO₂ + 2C₂H₅OH.

Süsihape ja tema soolad

Süsihape on ebapüsiv hape, mis eksisteerib ainult lahustes. Vesilahuses osaliselt dissotsieerub (peamiselt I astmes).

H₂CO₃ ⇆ H⁺ + HCO₃^–
HCO₃^– ⇆ H⁺ + CO₃^2-

Süsihape reageerib aluste ja aluseliste oksiididega (vaata hapete omadus 1.2). Reaktsioonis alustega toimub astmeline neutralisatsioon ja tekivad karbonaadid.

H₂CO₃ + NaOH ⇆ NaHCO₃ + H₂O
                             naatriumvesinikarbonaat ehk söögisooda

H₂CO₃ + 2NaOH ⇆ Na₂CO₃ + 2H₂O
                             naatriumkarbonaat ehk pesusooda

H₂CO₃ + Na₂O ⇆ Na₂CO₃ + H₂O

Aktiivsete metallide karbonaadid lahustuvadvees ja reageerivad teiste sooladega, kui tekib sade.

СaCl₂+ Na₂CO₃ → CaCO₃↓+ 2NaCl

Leelismetallide karbonaadid kuumutamisel sulavad ega lagune. Teised karbonaadid lagunevad oksiidiks ja süsinikdioksiidiks.

CaCO₃ $\xrightarrow[]{temp}$ CaO + CO₂

BaCO₃ $\xrightarrow[]{temp}$ BaO + CO₂