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

pilt

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.

pilt

Joonis 2. Süsiniku keemilised omadused
videoVaata 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.

pilt

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
videoVaata 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).

H2CO3H+ + HCO3-
HCO3-H+ + CO32-

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

Ülesande 1 lahendused

1.6. Mitu mooli CO2 eraldub 120 g CaCO3 mittetäielikul lagunemisel? 35% CaCO3 ei lagune. Vastus anna kaks kohta peale koma.

Vastus: Eraldub 0,78 mol CO2

Lahendus: kirjutame CaCO3 lagunemise võrrandi:

CaCO3 → CaO + CO2

CaCO3 mass on 120 g, kuid sellest 35% ei lagune. Seega laguneb 65% ehk 0,65×120 g = 78 g. Arvestades, et M(CaCO3) = 100 g/mol, leiame selle moolide arvu:

\(n(CaCO_3) = {m \over M}= {78g \over 100g/mol}=0.78mol\)