hiili on ryhmän 14 alkuaine ja se jakautuu luonnossa hyvin laajalle. Sitä esiintyy runsaasti useimpien planeettojen auringossa, tähdissä, komeetoissa ja ilmakehässä. Hiili esiintyy hiilidioksidina ilmakehässä ja liukenee kaikkiin luonnonvesiin. Se kuuluu kiviin kalsiumin (kalkkikiven), magnesiumin ja raudan karbonaatteina. Marsin kaasukehä on hyvin ohut, mutta se, mitä siellä on, sisältää noin 95% CO2: ta.

kivihiili, maaöljy ja maakaasu ovat pääasiassa hiilivetyjä. Hiili on ainutlaatuinen alkuaineiden joukossa siinä, että se voi muodostaa valtavan määrän erilaisia yhdisteitä. Orgaaninen kemia on epäorgaanisen kemian 1/112. osajoukko, jossa tutkitaan hiiltä ja sen yhdisteitä. Vaikka pii saattaa ottaa hiilen paikan muodostaessaan joukon toisiinsa liittyviä yhdisteitä, ei tällä hetkellä ole mahdollista muodostaa stabiileja yhdisteitä, joissa on hyvin pitkiä piiatomiketjuja.

hiiltä esiintyy luonnossa vapaana kolmessa allotrooppisessa muodossa: amorfisena, grafiittina ja timanttina. Grafiitti on yksi pehmeimmistä tunnetuista materiaaleista, kun taas timantti on yksi vaikeimmista. Hiiltä on mikroskooppisina timantteina joissakin meteoriiteissa. Luonnontimantteja on esimerkiksi Etelä-Afrikasta löydetyissä muinaisissa vulkaanisissa ”putkissa”. Timantteja on myös löydetty merenpohjasta Hyväntoivonniemen edustalta.

timanttisormus.

myöhemmin löydettiin toinen hiilen muoto, buckminsterfullereeni, C60. Tämä hiilen muoto on nykyään tutkimuslaboratorioiden suuren kiinnostuksen kohteena.

puhdasta hiiltä on saatavilla useissa eri muodoissa (allotrooppeina). Puhtaan hiilen yleisin muoto on α-grafiitti. Tämä on myös termodynaamisesti stabiilein muoto. Timantti on hiilen toinen muoto, mutta se on paljon harvinaisempi. Muita hiilen muotoja ovat fullereenit. Siinä missä timantti ja grafiitti ovat äärettömiä ristikoita, fullereenit kuten buckminsterfullereeni, C60, ovat diskreetti molekyylilaji. Hiilen amorfiset muodot, kuten noet ja lampunmusta, ovat hyvin pienistä grafiittihiukkasista koostuvia materiaaleja.

suurin osa grafiitista on α-grafiittia ja sillä on kerrosrakenne, jossa jokainen hiili on suoraan sitoutunut kolmeen muuhun hiiliatomiin 141,5 pm: n etäisyydellä. Sidoksen delokalisoituminen on ilmeistä, koska C-C-etäisyydet ovat yhtä suuret ja lyhyemmät kuin normaalit hiili-hiili-yksisidokset (typcally 154 pm). Hiiliatomikerrosten välinen etäisyys on 335,4 pm. Useimmissa grafiiteissa (α-grafiitti) atomikerrokset on järjestetty ABABABIKSI… toista muoti, mutta β-muodossa (rhombohedral) pinoaminen on ABCABCABC… tosin hiili-hiili-etäisyydet ja välikerrosten välit pysyvät samoina kuin α-muodossa. Α – Ja α-grafiitin entalpia-ero on alle 1 kJ mol-1 (0,59 ± 0,17 kJ mol-1. Grafiittia vastaavien raskaampien alkuaineiden muotoja ei tunneta ja piin, germaniumin ja harmaan tinan rakenteet liittyvät timanttirakenteeseen (alla).

atomijärjestelyt yleisimmissä hiilen allotroopeissa: α-grafiitti.

koska timantin rakenne on hieman kompaktimpi, sen tiheys on suurempi kuin grafiitin. Timantin ulkonäkö on tunnettu ja se on myös yksi kovimmista tunnetuista materiaaleista. Grafiitin tavoin se on suhteellisen reagoimatonta, mutta palaa ilmassa 600-800°C: n lämpötilassa. Jokainen hiiliatomi on tetraedrisesti sitoutunut neljään naapuriin 154,45 pm: n etäisyydellä, joten jokainen timanttikide on yksi jättiläishilarakenne. Periaatteessa (ja käytännössä!) grafiitti voidaan muuttaa timantiksi lämmön ja paineen avulla. Timantin yksikkökenno on kuutiollinen a = 356,68 pm. Lähes kaikki timantit omaavat tämän rakenteen, mutta hyvin pieni osa näyttää wurtziittiin liittyvän kuusikulmaisen rakenteen, ja näitä kutsutaan lonsdaleiitiksi.

timantin kiderakenteet.

äskettäin luonnehdittiin toinen hiilen allotrooppi. Siinä missä timantti ja grafiitti ovat äärettömiä ristikoita, buckminsterfullereeni, C60, on diskreetti molekyylilaji. Buckminsterfullereenimolekyyli on 12 viisikulmion ja 20 kuusikulmion muodostama verkko, joka on taitettu palloksi. Vaikutus on hyvin samanlainen kuin tilkkutäkki 12 viisikulmainen ja 20 kuusikulmainen nahkapalat, jotka ommeltu yhteen muodostavat yhdistyksen jalkapallo (jalkapallo). Nimi buckminsterfullerene (tai buckyball) syntyi C60: n rakenteen ja R. Buckminster Fullerin geodeettisten kuvioiden välisen suhteen vuoksi. Buckminsterfullereenia on nykyään kaupallisesti saatavilla, ja sitä on havaittu myös tähtienvälisessä avaruudessa ja nokessa.

C60, Buckminsterfullerene.

myös muita fullereeneja (suljettuja hiilihäkkejä) kuten C60 ja C84 tunnetaan, ja inded on kaupallisesti saatavilla. Pienin mahdollinen fullereeni on dodekaedri C20, joka koostuu 12 viisikulmiosta eikä lainkaan kuusikulmioista. Nanoputket ovat sukua fullereeneille. Ne ovat putkia, jotka antavat vaikutelman valssatusta grafiitista, vaikka ne on valmistettu grafiitista. Ne ovat avoimia päättyneitä, kun taas fullereenit ovat suljettuja rakenteita.

yksi fullereenien mielenkiintoinen piirre on niiden kyky liittää atomeja, kuten kaliumia ja muita alkalimetalleja, muodostamaan endoedrirakenteita, jotka merkitään k@C60.

vuonna 1961 International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) hyväksyi isotoopin 12C atomipainojen pohjaksi. Hiili-14, 14C, isotooppi, jonka puoliintumisaika on 5730 vuotta, käytetään ajoittamaan esimerkiksi puuta, arkeologisia näytteitä jne. Hiili-13, 13C, on erityisen hyödyllinen isotooppien merkintätutkimuksissa, koska se ei ole radioaktiivinen, vaan on spin I = 1/2-ydin ja siten hyvä NMR-ydin.