hiili (C) on hyvin joustava alkuaine ja voi muodostaa useita eri ioneja. Hiilellä on ulkokuori, joka koostuu 4 valenssielektronista. Tämä tarkoittaa, että se voi joko lisätä 4 elektronia saadakseen täyden ulkokuoren tai menettää 4 elektronia päästäkseen eroon ulkokuorestaan.
näin hiili-ionin varaus voi olla missä tahansa -4: stä +4: ään riippuen siitä, menettääkö vai saako se elektroneja. Vaikka hiilen yleisimmät hapetustilat ovat +4 ja + 2, hiili pystyy tekemään ioneja, joiden hapetustilat ovat +3, +1, -1, -2, ja -3.
yleiskatsaus
tarkkaan ottaen hiili ei juuri koskaan muodosta vapaasti seisovia yksiatomisia ioneja, kuten natrium (Na) tai kloori (Cl) saattaa. Hiili on yleensä hyvin stabiili alkuaine, joka kestää elektronien saamista tai menettämistä. Hiili on lähes yhtä elektropositiivista ja elektronegatiivista, joten sillä on harvoin tarvetta saada tai menettää elektroneja. Useimmiten hiili vain muodostaa kovalenttisia sidoksia ja jakaa elektroneja ionin sijaan. On täysin mahdollista luoda yksiatomisia hiili-ioneja, se vain vaatii suuren määrän energiaa, joka kasvaa jokaisen seuraavan elektronin, joka poistetaan.
hiili kykenee kuitenkin muodostamaan polyatomisia ioneja. Hiilen taipuisa elektronirakenne mahdollistaa sen muodostumisen polyatomisten ionien ytimeksi. Monet näistä polyatomisista ioneista, mukaan lukien hiili, ovat välttämättömiä elämälle sellaisena kuin me sen tunnemme, ja niillä on tärkeä rooli elävissä organismeissa. Toiset ovat tärkeitä mineraalien käyttäytymisen ymmärtämisessä, ja toisia käytetään teollisuudessa polttoaineina, rakennusmateriaaleina ja puhdistusratkaisuina. Koska hiili on niin joustava alkuaine, monet mahdolliset polyatomiset ionit hiili voi muodostaa hyvin erilaisia niiden ominaisuuksia.
”määrittelemme orgaanisen kemian hiiliyhdisteiden kemiaksi.”- August Kekule
Mikä On Ioni?
ioni on atomi tai molekyyli, jolla on ei-neutraali sähkövaraus. Sähköisesti neutraalit atomit muuttuvat ioneiksi poistamalla tai lisäämällä elektroneja. Koska elektroneilla on yhtä suuri ja vastakkainen varaus kuin protoneilla, ionin nettosähkövaraus tulee siitä, että atomilla on epäyhtenäinen määrä protoneja ja elektroneja. Yksittäisiä atomeja, jotka ovat ioneja, kutsutaan monatomisiksi ioneiksi ja moniatomisia molekyylejä, joilla on ei-neutraali sähkövaraus, polyatomisiksi ioneiksi. Positiivisesti varautuneita ioneja kutsutaan kationeiksi ja niillä on enemmän protoneja kuin elektroneja. Negatiivisesti varautuneita ioneja kutsutaan anioneiksi ja niillä on enemmän elektroneja kuin protoneilla. Kemistit edustavat ioneja lisäämällä aineen kemiallisen kaavan viereen positiivisen tai negatiivisen yläindeksin. Hiiliatomi, joka on menettänyt yhden elektronin ja jolla on siten positiivinen varaus, kirjoitetaan C1⁺. Vastaavasti hiiliatomi, joka on saanut yhden elektronin ja jolla on negatiivinen varaus, kirjoitetaan C1 -.
atomin tai molekyylin taipumus kationin muodostamiseen määräytyy aineen ionisoitumisenergian perusteella. Ionisaatioenergia on mitta siitä, kuinka paljon energiaa atomin tai molekyylin täytyy absorboida purkaakseen yhden elektroneistaan, jolloin jäljelle jää positiivinen varaus. Yleensä yksittäisen elektronin irrottaminen neutraalista atomista maksaa vähiten energiaa, kun tarvittava ionisaatioenergia kasvaa jokaista seuraavaa elektronia kohti. Esimerkiksi hiilen 1. ionisaatioenergia on 1086,5 kJ / mol. Toisin sanoen tarvitaan 1086,5 kJ energiaa poistamaan yksi elektroni moolista hiiltä. Hiilen toinen ionisoitumisenergia on 2352,6 kJ / mol, yli kaksi kertaa tarvittava energia verrattuna ensimmäiseen ionisoitumisenergiaan.
atomin taipumus muodostaa anioni määräytyy sen elektronegatiivisuuden perusteella. Aineen elektronegatiivisuus (en) on mitta siitä, kuinka paljon aine vetää puoleensa elektroneja. Mitä elektronegatiivisempi alkuaine on, sitä todennäköisemmin se saa lisäelektroneja, joten sitä todennäköisemmin se muodostaa anioneja. Hiilen En-arvo on Paulingin asteikolla 2,55, arvo suunnilleen keskellä. Sen sijaan hapen (O) en-arvo on 3,44; hyvin elektronegatiivinen. Happi täyttää hyvin todennäköisesti kaksi avointa valenssiaukkoaan elektroneilla muodostaen O2-anionin.
yksittäisistä atomeista valmistettuja ioneja kutsutaan yksiatomisiksi. Molekyyleistä, joissa on useita atomeja, muodostuvia ioneja kutsutaan polyatomisiksi ioneiksi. Polyatomiset ionit ovat kemiallisia yhdisteitä, joilla on ei-neutraali sähkövaraus. Aivan kuten monatomisilla ioneilla, polyatomisilla ioneilla on epäyhtenäinen määrä elektroneja ja protoneja. Polyatomin kaavaa kirjoitettaessa yhdiste kirjoitetaan hakasulkeissa ja sähkövaraus yläindeksinä hakasulkeiden ulkopuolella. Esimerkiksi Ammonium on polyatominen ioni, jonka kemiallinen kaava on +. Ammonium sisältää yhden elektronin vähemmän kuin protonit, joten sen sähkövaraus on yhteensä +1. Muita polyatomisia ioneja ovat hydroksidi (−) ja sulfaatti (2 -).
ionit eivät ole sama asia kuin napaisuus. Polaarisella molekyylillä on osittainen sähkövaraus, kun taas ioneilla on täydet varaukset. Ionin varaus on aina jokin kokonaisluku. Natriumionien varaus on +1, kloori-ionien varaus -1. Polaarisissa molekyyleissä on osittain varautuneita dipoleja, eikä niiden varausarvo ole kokonaisluku. Negatiivisen happipään varaus vedessä on noin -2 / 3e, noin kaksi kolmasosaa yhden elektronin varauksesta.
hiili Ionina
Monatomiset ionit hiilen kanssa
koska hiili on sähköisesti stabiili alkuaine, se ei juuri koskaan luontaisesti muodosta vapaasti seisovia monatomisia hiili-ioneja muodossa c3⁺ tai C⁴ -. Mikään ei erityisesti estä hiili-ionien muodostumista, vain se, että se vaatii melkoisesti energiaa. Sen sijaan, että hiili menettäisi tai saisi elektroneja, se muodostaa useimmiten kovalenttisen sidoksen elektronien jakautumisen kautta. Esimerkiksi hiili muodostaa metaania (CH4) jakamalla 4 ulointa elektroniaan vedyn kanssa vety ei ole tarpeeksi elektronegatiivinen ottamaan elektroneja hiileltä eikä hiili ole tarpeeksi elektronegatiivinen ottamaan elektroneja vedyltä. Hiili jakaa siis vain jokaisen 4 uloimman elektroninsa jokaisen vedyn yhden uloimman elektronin kanssa.
yksi tapa muodostaa kaasumaisesta hiilipilvestä vapaasti seisovia yksiatomisia hiili-ioneja on laser. Hiili muuttuu kaasuksi korkeassa lämpötilassa. Sen jälkeen yksittäisiä hiiliatomeja kohti voidaan ampua laser, joka irrottaa elektroneja hiili-ionien muodostamiseksi. Teoriassa hiiliatomi voitaisiin ionisoida kokonaan poistamalla kaikki sen elektronit tällä tavalla. Tämä prosessi ei ole erityisen käytännöllinen tai hyödyllinen, sillä jokainen myöhemmin hiiliatomilta irronnut elektroni vaatii yhä enemmän energiaa.
Polyatomiset ionit hiilen kanssa
hiili kykenee kuitenkin luontaisesti valmistamaan useita polyatomisia ioneja. Koska hiili on hyvin joustava alkuaine, sen muodostamilla erilaisilla polyatomisilla ioneilla on hyvin erilaiset kemialliset ominaisuudet. Jotkut ovat suhteellisen tylsää ja inertti, kun taas toiset voivat olla vaarallisia tai erittäin epävakaa. Hiili on yksi yleisimmin esiintyvistä luonnossa esiintyvistä polyatomisista ioneista.
esimerkiksi hiili ja typpi (N) yhdistyvät muodostaen anionisyanidin ( − ), joka on erittäin myrkyllinen yhdiste. Syanidi koostuu hiiliatomista, joka on kolminkertainen typpiatomiin. Syanidia tuottavat luonnostaan monet kasvit ja sienet, usein puolustusmekanismina. Syanidi voi sitoutua vetyatomin kanssa muodostaen syaanivetyhappoa (HCN), joka on erittäin syövyttävä yhdiste, joka voi pieninä annoksina olla hengenvaarallinen.
toinen yleinen hiiltä sisältävä polyatomi−ioni on karbonaatti (2 -). Karbonaatti-ionit muodostavat ionisidoksia monien muiden yhdisteiden kanssa muodostaen suoloja ja mineraaleja. Useimmat sedimenttikivilajit sisältävät karbonaatti-ioneja, jotka tavallisesti sitoutuvat kalsiumiin muodostaen kalsiumkarbonaattia (CaCO3). Muita karbonaattiyhdisteitä ovat rautakarbonaatti (FeCO3) ja natriumkarbonaatti (Na2CO3). Kalsiumkarbonaatti on myös nilviäisten kuorien ja koralli luurankojen pääkomponentti.
”tajusin, että se oli kuin dating virasto; ionit ovat kadonneet sielut etsivät kaverit; elektrolyytti on virasto, joka voi auttaa heitä löytämään toisensa.”- Victoria Finlay
on tärkeä karbideiksi kutsuttu yhdisteperhe, jota muodostuu sitomalla hiili-ioneja erittäin elektropositiivisiin alkali-ja maametalleihin. Nämä karbidit voidaan jakaa kolmeen ryhmään riippuen Keski-hiili-ionin (- ionien) luonteesta. Metanideista muodostuu C4− ydin, asetylideistä C₂2− ydin ja seskvikarbideista C₃4-ydin. Useimpia näistä karbidiyhdisteistä voidaan valmistaa hajottamalla kovalenttisesti sitoutuneita hiiliyhdisteitä.
yhdisteasetaatti on tärkeä hiiltä sisältävä polyatomi-ioni. Asetaattia ( − tai −) esiintyy luonnossa kaikkialla, sillä se on biosynteesin tärkeimpiä rakennusaineita. Asetaattia käytetään elimistössä rasvahappojen, yhden tärkeimmistä lipideistä, muodostamiseen ja soluhengitykseen osallistuvan asetyyli-CoA: n valmistamiseen.
Carbon Ion Therapy
Carbon ions have also found a niche use for treatment of tumors via sädehoito. Hiilisäteilyhoito koostuu kasvainten hoitamisesta ampumalla voimakkaasti ionisoituneita hiilihiukkasia kasvaimiin. Ionisoituneet hiilihiukkaset voivat vaurioittaa syöpäsolujen solurakennetta pysäyttäen niiden kasvun ja tappaen ne. Hiili-ionihoidolla on etuja perinteisiin sädehoitomuotoihin verrattuna siinä, että hiiliatomien raskaammat ytimet mahdollistavat tarkemman ja tehokkaamman hoidon. Raskaat ytimet, toisin kuin fotonisäteily, kykenevät ohjaamaan magneettikenttiä, joten niitä voidaan manipuloida tarkemmin kohdistamaan kasvaimiin.