Hiili - jaksollisen järjestelmän neljänteen pääryhmään kuuluva alkuaine, kemiallinen merkki C.

Hiilen järjestysluku on on 6 ja atomipaino 12,01. Luonnossa 10 % hiilestä esiintyy isotooppina, jonka atomipaino on 13. Hiili on yksi tärkeimmistä alkuaineista ja se muodostaa useampia yhdisteitä kuin muut alkuaineet yhteensä. Hiilen merkitys on valtava, se on kaiken elävän mahdollistaja. Suuri joukko hiilen yhdisteistä  koostuu vedystä ja hiilestä (hiilivedyt, käytetään energian lähteenä ja kemian teollisuuden raaka-aineina), kasvit, eläimet ja ihmiset muodostuvat soluista, joiden keskeinen rakennusaine on hiili, ihmisen kehossa sitä on noin 20 %. Hiilen yhdisteitä tunnetaan miljoonia.

Puhtaalla hiilellä on erilaisia kiteisiä esiintymismuotoja; grafiitti, timantti ja grafeeni, vaikka ovat samaa alkuainetta, ovat muodoltaan ja ominaisuuksiltaan erilaisia yhdisteitä. Hiilen yhdisteet ovat mahdollistaneet nykyisten kaltaisten lajien monimuotoisuuden. Vuonna 2004 löydetty valoa läpäisevä grafeeni, on maailman kestävin tunnettu aine, 200 kertaa lujempaa kuin teräs ja timanttiakin kovempi. Hiilen runsaista esiintymisistä huolimatta sitä on maankuoressa vain 0,08 %, pääasiallisesti se esiintyy yhdisteinä  hiilidioksidina, karbonaatteina kuten dolomiitissa tai kalkkikivessä, kivihiilessä, ruskohiilessä, turpeessa, öljyssä, luonnokaasuissa tai muissa eloperäisissä yhdisteissä.

Grafiitti on hiilen yleisin ilmenemismuoto, kidejärjestelmältään heksagoninen, tummanharmaa, pehmeä ja tahraava mineraali, puhdasta hiiltä, se johtaa sähköä hyvin, käytetään mm. sähkömoottorien hiiliharjoissa, elektrodimateriaalina, voiteluaineena, lyijykynän lyijynä ja ydinreaktorin hidasteaineena.

Timantti on yksi hiilen allotrooppisesta olomuodosta ja sisältää vain alkuaineena hiiltä. Timantin jokainen hiiliatomi on sp3 hydridisoitunut ja sitoutunut neljään naapurihiiliatomiin

neljällä tetraedrisesti suuntautuneella lujalla q (sp3 sp3) sidoksella, tällöin muodostuu timanttikiteen läpi ulottuva säännöllinen verkkorakenne. Timantti syntyy maan alla kovassa paineessa ja kuumuudessa. Timantti on luonnossa esiintyvä lähes kovin aine.

Grafeeni on maailman kestävin tunnettu aine, se valmistetaan höyrystämällä hiiltä iridiumin, nikkelin tai kuparin pinnalle.

Fullereeni eli pallohiili on yksi hiilen allotroopeista, tavallinen fullereeni koostuu 60 hiiliatomista, fullereeneja esiintyy mm. noessa, fullereeni antaa suuria mahdollisuuksia nanoteknologiassa.

Hiilidioksidi, hiilen oksidi CO2, väritön heikosti happaman makuinen ja hajuinen, palamaton kaasu. Veteen hiilidioksidia liukenee  runsaasti. Vettä keitettäessä hiilidioksidi haihtuu kokonaan. Hiilidioksidi on helppo nesteyttää paineen ollessa 56,5 atm ja lämpötilan ollessa 20 astetta C, se muuttuu herkkäliikkeiseksi nesteeksi, jonka tiheys 0,766, nestemäinen hiilidioksidi haihtuu nopeasti ilmassa, tällöin se kuluttaa runsaasti lämpöä, sen lämpötila alenee nopeasti n. -80 astetta C ja se jähmettyy lumen tapaiseksi aineeksi hiilihappolumeksi. Hiilidioksidia käytetään jäähdytykseen kuten kylmäkuljetuksissa, ilmastoinnissa, keinojään valmistukseen, virvoitusjuomien kuplattamiseen ja moneen muuhun. Hiilidioksidi on kasvihuonekaasu, sitä käytetään kasvien kasvun nopeuttamiseen ja myös hiilidioksidi edistää maassa kasvua ja lämmittää ilmastoa. Teollisuus käyttää hiilidioksidia ja valmistaa sitä maakaasusta, mutta sitä voidaan ottaa talteen savupiipuista ja suoraan ilmasta.

Hiilidioksidin rooli ihmisen elimistössä on hapensaannin kannalta tärkeää, hiilidioksidivajeesta voi seurata happivaje. Hengitämme sisään happea ja keuhkoissa veri vie hapen elimistöön lihaksiin ja kudoksiin, hiilidioksidi vapauttaa hapen elimistöön ja loppu hiilidioksidi poistuu uloshengityksessä. Hiilidioksidi on siis kasvua edistävä kaasu ja lämmittävä, joka ei ole haitallinen kaasu, kuten saastuttavat päästöt, vaikka se niin markkinoidaan.

Hiilidioksidin talteenotossa ja varastoinnissa pyritään keräämään poltossa syntyvä hiilidioksidi talteen ja varastoida se myöhempää käyttöä varten.  Hiilidioksidin poisto tapahtuu, savukaasupesureilla, jossa  se sidotaan liuokseen esimerkiksi monoetanolamiiniin. Liuos kuumennetaan, jolloin CO2 vapautuu ja se saadaan talteen.
 
Uusia talteenottoteknologioita kehittyy nyt nopeasti. Lisäksi markkinoilla on jo joukko valmiita menetelmiä, joita käytetään menestyksekkäästi hiilidioksidin talteenottoon eri lähteistä.

"Radiohiiliajoitus menetelmää käytetään arkeologisten elollisesta luonnosta peräisin olevien aineiden ikä.  Kosminen säteily muuttaa osan hiili isotoopista ¹⁴C eli radiohiileksi. Hiili sitoutuu yhteyttämisessä ilmakehän hiilidioksidista kasveihin, joita eläimet käyttävät ravintonaan. Hiilen isotooppisuhde N¹⁴C):N(¹²C) on lähes yhtäsuuri ilmakehän hiildioksidissa ja elävissä eliöissä. Eliön kuollessa sen hiiliaineenvaihdunta loppuu ja radiohiilen pitoisuus alkaa pienentyä beetahajoamisen vuoksi. Radiohiiliajoituksessa mitataan arkeologisen näytteen isotooppisuhde tai aktiivisuus, jota verrataan elävän eliön iisotooppisuhteeseen tai aktiivisuuteen. Radiohiilen puoliintumisaika on 5730 vuotta."(FY7)

Hiilimonoksidi, hiilen oksidi  CO, kansanomainen nimitys häkä, väritön, hajuton ja myrkyllinen kaasu, tiheys 0,967. Hiilimonoksidi syntyy hiilen palaessa epätäydellisesti. Hiilimonoksidi palaa sinisellä liekillä hiilidioksidiksi, sitä voidaan myös valmistaa laboratoriossa. Hiilimonoksidista voidaan vedyn avulla katalyyttisesti pelkistämällä valmistaa metaania, alkoholeja, synteettistä bensiiniä ja monia muita aineita. Tavallinen ihminen joutuu asian kanssa tekemisiin, kun lämmittää takkaa tai muuta tulisijaa, on tarkoin varmistettava, että hiillos on muuttunut hiileksi, ei enää palamista siis, muuten voi syntyä häkää huoneilmaan, joka voi jopa tappaa.

Halusin tuoda esiin hiili alkuaineena ja sen suuren merkityksen luonnossa ja teollisuudessa.

Olen tuonnut fotosyynteesin  merkityksen aikaisemminkin  esiin: " Fotosynteesi on elollisen luonnon tärkein kemiallinen reaktiosarja kaiken muun elämän perusta. Kaikki eliöt, niin kasvit eläimet kuin mikrobitkin tarvitsevat olemassaoloonsa, kasvuunsa ja lisääntymiseensä orgaanista ravintoa energialähteeksi ja rakennusaineeksi. Kasvit tuottavat happea käyttäessään hiilidioksidin.  Energia vapautuu pääasiassa hengityksessä ravinnon hapettuessa lopuksi hiilidioksidiksi ja vedeksi. Ravinnon käyttönopeus on niin suuri, että ellei uutta organista ainetta muodostuisi, kaikki elämä maapallolta häviäisi yhden sukupolven aikana. Organiset yhdisteet hajoavat eliöissä monin eri tavoin, mutta fotosynteesi on ainoa tapahtuma, jossa epäorgaanisista hiilidioksidista ja vedestä muodostuu tehokkaasti uutta orgaanista ainetta. Perusaineet hiilidioksidi ja vesi voidaan käyttää yhä uudelleen elämän kiertokulussa, mutta energia, joka vapautuu aineen hajotessa, vähenee jokaisessa siirtymävaiheessa hajaantuen lämpönä ympäristöön. Ainoastaan fotosynteesissä sitoutuu eliäiden käyttöön uutta energiaa auringon valosta." "Hengitys on biologinen tapahtuma, jossa elävät organismit ottavat ympäristöstään happea ja tuottavat aineenvaihdunnan lopputuloksena hiilidioksidia"

Valon merkitys maapallon elolliseen prosessiin on suuri, kuten  myös fotosynteesi tapahtuu auringon valon avulla.  Lämpösäteily syntyy kappaleen atomien ja molekyylien lämpövärähtelyistä ja kappale säteilee kaikilla aallonpituuksilla. Mitä korkeampi kappaleen lämpötila on, sitä nopeampia värähtelyt ovat. Sähkömagneettinen säteily koostuu erillisistä hiukkasmaisista osista, joita kutsutaan fotoneiksi. Valon kvanttiteorian mukaan sähkömagnettinen säteily on kvantittunut. Fotoni syntyy sähkömagneettisen säteilyn emissiossa ja häviää absorptiossa, fotonit ovat massattomia ja liikkuvat valon nopeudella.

"Musta kappale" fysiikan termissä on säteilijää kuvaava malli, joka kuvaa kappaletta, joka absorboi (imee) kaiken siihen osuvan säteilyn. Tällainen kappale ei heijasta siihen osuvaa säteilyä. Kun musta kappale on lämpötasapainossa ympäristönsä kanssa, se emittoi (lähettää) lämpösäteilynä saman määrän energiaa kuin apsorboi. Lämpösäteilyn spektriä kutsutaan mustan kappaleen spektriksi. Mikään luonnon säteilijän säteilyn spektri ei ole tarkasti mustan kappaleen spektrin muotoinen, mutta säteilijöitä voidaan mallintaa mustina kappaleina.

Aurinkoa voidaan pitää lähes täydellisenä mustana kappaleena. Auringon säteilyn spektri vastaa likimain lämpötilassa 5780  K (Kelviniä) olevan mustan kappaleen säteilyn spektriä. Aurinko säteilee sinertävän valkoista valoa. Auringon lämpötila pinnalla on siis 5780 K eli noin 5000 astetta Celsiusta, ytimen lämpötila on 15 miljoonaa astetta Celciusta ja siellä vety fuusioituu heliumiksi, tästä vapautuu ytimien sidosenergiaa, jolla Aurinko toimii.

Ihminen kykenee tuottamaan ainetta kvarkkigluoniplasmaa QGP:tä törmäyttämällä raskaita ioneita suurilla energioilla. Laboratoriossa Long Islandilla Yhdysvalloissa kulta-ioneita kiihdytettiin relativistiseen nopeuteen ja törmäytettiin keskenään. Törmäyksessä syntyi Auringon sisusta 150 000 kertaa kuumempi möykky, joka pysyi koossa 10 potenssiin - 23 sekunttia. Kvarkkeja koossa pitävä "vahva vuorovaikutus "on äärimmäisen voimakas, minkä vuoksi QCP käyttäytyy nesteen kaltaisesti.

Arja Kolehmainen 26.12.2024  Helsinki

Lähteet: TVM tietoteos,  Fysiikka FY7, aine ja säteily,Wikipedia, Helen.fi

Jätevirroista puhdasta energiaa

Purkupuu, puunjalostusteollisuuden jäte sekä metsänhoidon metsätähde yleistyvät pohjoismaisten voimalaitoksien polttoaineena. Esikäsiteltyä yhdyskuntajätteestä valmistettua polttoainetta (RDF) käytetään usein biomassan rinnalla. 

– Sähkön ja lämmön yhteistuotanto tuottaa turvallista perusenergiaa, minkä lisäksi se on myös hyvä ratkaisu sähköverkon stabilointiin. Tuuli- ja aurinkoenergia eivät yksinään riitä korvaamaan fossiilisia polttoaineita. Älykkäät järjestelmät tuovat säätökykyä. Mutta kannattaa punnita mistä saadaan paras hyötysuhde. Kannattaako energia muuttaa sähköksi vai hyödyntää suoraan lämpönä tai höyrynä? Janhunen kysyy.

Myös teolliset yritykset pyrkivät pienentämään hiilijalanjälkeään muuttamalla tuotantoaan hiilineutraaliksi. Yhdistämällä RDF:ää ja omia jäte- ja sivuvirtoja voidaan tuottaa uusiutuvaa energiaa joko omaan tuotantoon tai myytäväksi kaukolämpö- ja sähköverkkoon.

– Toimijoiden välinen rajapinta jätteiden käsittelijän ja voimalaitoksen välillä on tärkeä. Energiansaannin on oltava tasalaatuista ja luotettavaa, painottaa Valmetin Energia-liiketoimintayksikön johtaja Kai Janhunen.

Arja Kolehmainen  18.11.2021 Fuengirola 

Lähde: Valmet; Jätevirroista tehdään puhdasta energiaa