Mistä hiili syntyy?
Hiili
Hiiltä ei syntynyt alkuräjähdyksessä, koska sen synty tarvitsee kolmen alfahiukkasen (heliumytimen) törmäyksen, mikä on äärimmäisen epätodennäköistä ja universumi laajeni ja jäähtyi nopeasti. Sitä kuitenkin syntyy tähtien sisuksissa kolmi-alfa-prosessilla.
Hiilidioksidipäästöt
Hiilidioksidipäästöt syntyvät palamisreaktioissa, joista lopputuotteena on muun muassa hiilidioksidikaasua. Hiilidioksidipäästöt ovat lisääntyneet fossiilisten polttoaineiden käytön lisääntymisen mukana. Myös esimerkiksi liha, maito, maatalous ja sementin tuotanto synnyttää hiilidioksidipäästöjä. Päästöt ovat osallisena ilmastonmuutokseen, jota kutsutaan kasvihuoneilmiöksi. Hiilidioksidin geologinen varastointi
Hiilidioksidi injektoidaan porakaivojen kautta syvälle varastomuodostuman kivilajien rakeiden ja halkeamien väliseen huokostilaan korvaten ja paineistaen huokosissa olevan nesteen, joka voi olla maakaasua, vettä tai öljyä. Varastomuodostumaksi soveltuvilla kivilajeilla pitää olla hyvä huokoisuus ja läpäisevyys. Tyypillisimmin tällaisia kivilajeja löytyy kerrostumisaltaista jotka ovat muodostuneet sedimenttien kerrostuessa geologisessa menneisyydessä. Hienojakoiset läpipääsemättömät sedimentit näissä samoissa altaissa muodostavat sulkuja läpäiseviin kerroksiin. Luonnollisesti esiintyvä öljy, maakaasu tai puhtaat CO-varastot todistavat että nesteet pysyvät kerroksissa miljoonia vuosia. Hiilivoima
Maailman energian kokonaiskulutuksesta hiilen osuus oli vuonna 2004 toiseksi suurin öljyn jälkeen. Syynä on kivihiilen halpa hinta ja suuri määrä: arvioidaan että maankuoressa on hiiltä noin 10 000 miljardia tonnia, josta noin 10 % voidaan hyödyntää taloudellisesti. Hiili tuottaa palaessaan paljon lämpöä, joten sen käyttö voimaloissa tulee halvaksi. Hiilinielu
Hiiltä on mahdollista erottaa ilmakehästä myös teknologian keinoin. Monia keinoja ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi keinotekoisesti käyttäen erilaisia hiilidioksidin talteenottomenetelmiä tai parantamalla luonnollisia prosesseja on tutkittu. Yksi tutkimuskohteista on hiilidioksidin geologinen varastointi. Palaminen
Palamisen yhteydessä esiintyvät tulenliekit koostuvat kuumista kaasuista ja höyryistä, joita syntyy palavan aineen höyrystymisessä sekä suuri­molekyylisistä orgaanisista aineista myös niiden molekyylien hajotessa pienemmiksi. Jonkin verran liekeissä voi olla myös kiinteitä hiukkasia kuten hieno­jakoista hiili­pölyä eli nokea. Osa hajoamis­tuotteista on erittäin reaktio­kykyisiä vapaita radikaaleja. Varsinainen palaminen tapahtuu liekin ulko­pinnalla näiden hajoamis­tuotteiden yhtyessä happeen, sillä liekkien sisäosissa ei happea ole. Esimerkiksi puun palaessa yhtenä hajoamis­tuotteena syntyy myös vapaana alku­aineena olevaa hiiltä, mutta koska se ei haihdu eikä myöskään ole suoraan kosketuksissa ilman hapen kanssa, siitä muodostuu hiillos, joka palaa vasta, kun muut ainekset ovat palaneet, tällöin hehku­palona. Tähti
Tähdet syntyvät pääasiassa vedystä koostuvien kaasusumujen romahtaessa kasaan painovoiman vaikutuksesta. Kun tähden ydin on muodostunut, se alkaa hiljalleen muuttaa vetyä heliumiksi ydinfuusiossa. Prosessissa syntyvä energia virtaa tähden keskustasta sen pinnalle ja säteilee myöhemmin ulkoavaruuteen. Tähti on tasapainotilassa, sillä sen sisäinen säteilynpaine estää painovoimaa romahduttamasta sitä enemmän kasaan. Kun tähden vetypolttoaine on kulunut loppuun, sen lopullinen kohtalo riippuu sen massasta: pienimmät tähdet hiipuvat hiljalleen, kun taas massiivisemmat laajenevat punaisiksi jättiläisiksi. Lopulta punaiset jättiläiset räjähtävät supernovana levittäen avaruuteen erilaisia alkuaineita. Räjähdyksen jäänteeksi voi jäädä esimerkiksi neutronitähti tai musta aukko riippuen räjähtäneen tähden massasta. Radiohiiliajoitus
Syntynyt hiiliatomi liittyy happimolekyyliin muodostaen hiilidioksidia CO. Ilmakehän hiilestä on radiohiiltä noin biljoonasosa (0,0000000001 %) atomien määrinä mitattuna. Elämänsä aikana eläimet syövät hiili-14:ää sisältäviä kasveja, jotka ottavat sitä ilman hiilidioksidista. Koska radioaktiivinen hiili-14 hajoaa vakiovauhdilla ja organismin kuoleman jälkeen uutta hiili-14:ää ei kerry, biologisesta materiaalista valmistetun esineen ikä voidaan arvioida jäljellä olevan hiili-14:n perusteella. Kivihiili
Kivihiili on eloperäinen, kiteytymätön, pääasiassa hiiltä, happea ja vetyä sisältävä kivilaji. Sen merkitys historiallisesti ja nykyisin polttoaineena on niin huomattava, että hyvin usein sanalla "hiili" viitataan nimenomaan kivihiileen. Hiili
Hiili on elintärkeä alkuaine eläville olennoille, ilman sitä elämää ei olisi sellaisena kuin sen tunnemme. Taloudellisesti tärkein hiilen käyttö on hiili­pitoisten polttoaineiden, varsinkin fossiilisten poltto­aineiden kuten kivi­hiilen, maaöljyn ja maakaasun käyttö energian tuotantoon. Samoista raaka-aineista valmistetaan jalostamalla myös synteettisiä materiaaleja kuten muoveja. Hiilimonoksidi
Hiilimonoksidi, hiilioksidi eli häkä (CO) on hiilen ja hapen yhdiste. Se on hajuton, väritön, myrkyllinen, reaktioherkkä ja erittäin helposti syttyvä kaasu. Hiilimonoksidin moolimassa on 28,0 g/mol, sulamispiste −205 °C, kiehumispiste −191 °C, itsesyttymislämpötila 605 °C ja CAS-numero 630-08-0. Pääasiassa hiilimonoksidia sisältävistä kaasuseoksista käytetään usein nimeä häkä.
Sitä syntyy, kun hiili tai hiiltä sisältävät aineet palavat epätäydellisesti eli liian vähässä happimäärässä tai kun palaminen tapahtuu hyvin korkeissa lämpötiloissa. Usein sitä syntyy palamisen ei-toivottuna ja haitallisena sivutuotteena, mutta sillä on myös hyötykäyttöä polttoaineena, metallurgiassa ja kemianteollisuuden raaka-aineena. Lumipallomaa
Maa säilyi pitkään kuumana kasvihuoneena, ja pitkän aikaa syntyi karbonaattikiviä, kun ilmakehän hiilidioksidin hiili sitoutui maan kuoreen. Rautapitoisia kiviä syntyy vain hapettomassa, runsaasti hiilidioksidia sisältävässä ilmakehässä. Karbonaattikivet jäätikön rakentamien tilliittien päällä kertovat hiilidioksidipitoisesta ilmakehästä: hiilihappoa muodostuu ilmakehässä, kun hiilidioksidi reagoi veden kanssa ja valuu alas. Kun hiilihappo reagoi kivien kanssa, syntyy karbonaattikiviä. Karbonaattikivet kertovat suurista hiilidioksidimääristä, joita tarvitaan jääkauden päättämiseen. Hiilidioksidia kertyy ilmakehään, kun tulivuoret purkautuvat jään läpi ja kasvit eivät yhteytä. Koksi
Koksi on kivihiilestä kuivatislaamalla valmistettua hiiltä, joka on kivihiiltä puhtaampaa ja lämpöarvoltaan parempaa polttoainetta. Kivihiilen laatu vaihtelee myös paljon, mutta koksin valmistuksella saadaan laatueroja tasoitettua helpottaen muun muassa kulutuslaskelmia. Koksin aikakausi alkoi teräksen massatuotannon myötä ja höyrylaivojen ja höyryveturien polttoaineena se oli välttämätön riittävän toimintasäteen saavuttamiseksi. Kivihiiltä voitiin käyttää vain lyhyillä matkoilla. Hiilivoima
IAEA:n julkaisemien arvioiden mukaan hiililauhdevoiman tuottaminen synnyttää kasvihuonekaasuja koko elinkaaren aikana 210–360 g hiiliekvivalenttia/kWh sähköä (760–1 300 g CO-ekv./kWh sähköä). Näissä luvuissa ovat mukana paitsi hiilen polton päästöt, myös polttoaineen tuotannon, varastoinnin ja kuljetuksen päästöt sekä voimalaitoksen rakentamisen ja rakennusmateriaalien tuotannon epäsuorat päästöt. Vaihteluvälin alapäähän voidaan päästä vain uusimmalla tekniikalla, jossa hiilivoiman sähköntuotannon hyötysuhde on 50–55 %. Kaupunkikaasu
Kivihiilen kuivatislauksessa saadulla kaasulla oli korkeampi lämpöarvo, ja sitä saatiin samalla kun terästeollisuutta varten tuotettiin koksia. Myöhemmällä aikakaudella kuivatislauspanoksen jäähdytykseen käytettiin tulistettua höyryä, jolloin mukaan sekoittui vesikaasua. Näin syntynyt kaasu oli pääasiassa hiilimonoksidin ja vedyn seosta, joka syntyi hiilestä ja vesihöyrystä seuraavalla kemiallisella reaktiolla: Hapen isotoopit
Isotooppi O on sekä suhteellisesti että absoluuttisesti poikkeuksellisen yleinen, koska se on yksi tähtien kehityksen loppu­tuotteista ja se on primaarinen isotooppi, toisin sanoen sitä syntyy tähdissä, jotka alun perin koostuvat pelkästään vedystä. Suurin osa isotoopista syntyy nukleosynteesin loppu­tuotteena tähtien heliumfuusiossa, jossa kolme alfa­hiukkasta yhtyy ensin hiiliytimeksi C (hiili-12), joka sitten voi vielä siepata alfahiukkasen muodostaen ytimen O. Neonin palamis­prosessissa syntyy vielä lisää happea O. Hiili
Hiiltä esiintyy kaikkialla, missä on elämää ja orgaanisia yhdisteitä. Hiilen kiertokulku on eräs elämälle keskeinen osa luonnon kiertokulkua. Hiili­atomeilla on myös kemiallisesti mielenkiintoinen kyky sitoutua toisiinsa muodostaen pitkiä ketjuja ja renkaita (katenaatio), ja ne voivat sitoutua laajoin eri muodoin myös muihin alkuaineisiin muodostaen lähes 10 miljoonaa tunnettua yhdistettä. Maaöljy
Öljy koostuu erilaisten hiilivetyjen seoksesta: pääasiassa alkaaneista ja aromaattisista hiilivedyistä. Raakaöljyn alkaanit voivat olla suoraketjuisia tai haaroittuneita tai rengasrakenteisia. Aromaattisista hiilivedyistä mainittakoon bentseeni, tolueeni ja ksyleeni. Viini
Viini on tuoreista viinirypäleistä tai rypälemehusta käyttämällä valmistettu mieto alkoholijuoma. Viineissä on alkoholia yleensä 10–15 prosenttia, ja niiden alkoholi on yksinomaan käymisteitse muodostunut. Viinejä ovat punaviini, valkoviini ja roseeviini sekä hiilidioksidia sisältävät kuohuviinit. Väkevät viinit, kuten sherry, portviini ja vermutti, valmistetaan viinistä lisäämällä siihen tislattua väkiviinaa ja usein myös rypälemehua. Ilmakaasu
Ilmakaasu on hiilestä, useimmiten kivihiilestä tuotettu kaasu. Sitä valmistetaan puhaltamalla ilmaa paksun hiilikerroksen läpi. Kaasun palavana osana on häkä sekä hiukan vetyä. Kaasu palaa sinisellä liekillä, sen lämpöarvo on suhteellisen vähäinen. Valmistuksessa kaasugeneraattori kuumenee voimakkaasti, joten poistuva kaasu on järkevää käyttää heti kuumana esimerkiksi lasi-, sementti- tai keramiikkauunien lämmönlähteenä. Hiilivoima Suomessa
Suomessa ei ole omaa hiilen tuotantoa, joten kaikki poltettu hiili tuodaan ulkomailta. Tuontimäärä on riippuvainen Pohjoismaiden ilmaston sateisuudesta – sateisina vuosina tuonti on vähäisempää. Kivihiilen tuonti on ollut keskimäärin noin neljä miljoonaa tonnia vuodessa. Tuonnin arvo on ollut 230:stä 520:n miljoonaan euroon. Suurin osa hiilestä tulee Venäjältä, muita tärkeitä tuojia ovat Kazakstan, Puola ja Yhdysvallat. Kasvihuonekaasu
Kestävät puutuotteet, kuten rakennukset, sitovat pieniä määriä hiiltä elinkaarensa ajan. Pitkällä ajalla hiilidioksidi sitoutuu myös tiettyihin kivilajeihin muodostaen karbonaatteja (ns. laattatektoniikka). Hiilen määrä maapallolla on vakio, joten ilman hiilidioksidipitoisuuden lisääntyminen johtuu siitä, että hiiltä siirtyy maapallon kivikehästä sen ilmakehään. Sedimenttikivilaji
Öljy ja maakaasu ovat syntyneet meressä eläneiden kasvien ja eläinten muodostamasta sedimenttikivestä. Kasvi- ja eläinkudokset muuttuivat fysikaalisten ja kemiallisten prosessien seurauksena hiilivedyksi, josta raakaöljy ja maakaasu pääasiassa muodostuvat. Hall–Héroult-menetelmä
Kennot tuottavat kaasuja anodilla. Kaasut ovat pääosin anodin kulutuksesta muodostunutta hiilidioksidia ja kryoliitista sekä sen lisäaineesta (AlF) muodostunutta vetyfluoridia (HF). Moderneissa tuotantolaitoksissa vapautuneet fluoridit johdetaan takaisin elektrolyyttiin melkein kokonaan ja käytetään sitten jälleen elektrolyysissä. Karannut HF voidaan neutralisoida sen natriumsuolaksi, NaF:ksi. Vapautuneet hiukkaset otetaan kiinni sähkösuodattimilla tai muilla suodattimilla. CO yleensä vapautetaan sellaisenaan ilmaan. Kirkkohiili
Kirkkohiili on suitsuttamiseen tarvittava hiili, jota käytetään erityisesti ortodoksisen ja katolisen kirkon liturgioissa ja palveluksissa. Kirkkohiili valmistetaan luonnonmateriaaleista, pääsääntöisesti puusta. Kirkolliseen käyttöön hiili valmistetaan luostareissa ja se siunataan ennen käyttöönottoa. Biohiili
Biohiili on biomassasta keinotekoisesti tuotettua hiiltä. Sitä saadaan aikaan pyrolyysillä eli kuivatislauksella, jossa biomassasta kaasutetaan haihtuvat ainesosat hapettomissa tai happiköyhissä oloissa muutamien satojen asteiden lämpötilassa, yleensä alle 700 °C. Alle 300 °C:n lämpötilassa kaasuttamista kutsutaan torrefioinniksi. Siinä biomassa ei kaasuunnu eikä hiilly yhtä pitkälle kuin korkeammissa lämpötiloissa, vaan torrefioinnin tarkoitus on lähinnä parantaa energiatiheyttä ja valmistella materiaali siten energiakäyttöä varten. Alkoholijuomien käyttö
Etanoli (CHOH) on alkoholijuomien sisältämä alkoholi. Alkoholijuomien etanoli tuotetaan aina hiivan aiheuttamalla käymisellä eli fermentoinnilla. Fermentointireaktio on hiivan aineenvaihdunnan osa, jolla hiiva tuottaa energiaa. Etanolikäymisessä hiiva pidetään hapettomissa olosuhteissa, jolloin sen aineenvaihdunta ei pysty hapettamaan sokereita loppuun asti, vaan syntyy ylimäärä etanolia. Etanolikäymisen toinen hajoamistuote on hiilidioksidi, joka luonnostaan hiilihapottaa alkoholijuoman, jos sitä ei päästetä poistumaan. Teollisessa mittakaavassa hiilihapottaminen tehdään kuitenkin erikseen. Hiilen kiertokulku
Maapallossa on hiiltä noin 140 000 kertaa se määrä mitä elävissä eliöissä. Melkoinen osa Maan hiilestä sitoutuu kalkkikiveen CaCO meren eliöiden toiminnan tuloksena. Hiili tulee ilmakehän hiilidioksidista. Monien silikaattikivien rapautuminen karbonaateiksi kuluttaa hiilidioksidia. Joet kuljettavat liuenneita hiiliyhdisteitä meriin. Arvellaan, että ilmakehässä on hiiltä hiilidioksidissa rapautumista varten 10 000 vuodeksi. Tulivuoret purkavat uutta hiilidioksidia tilalle. Merenpohjan kerrostumiin vajonnut hiili palaa kiertoon viimeistään noin 200 miljoonassa vuodessa, koska vajoaa viimeistään tässä ajassa mannerlaatan alle, jossa hiili kaasuuntuu ja tulee kaasuna ulos. Puuhiili
Puuhiili eli sysi on kiinteä lopputuote, jota saadaan kun orgaanista ainetta (esimerkiksi puuta) kuumennetaan hapettomassa tilassa eli kuivatislataan. Prosessia kutsutaan myös pyrolyysiksi. Puusta poistuu ensin vesi, osa puuaineksesta kaasuuntuu ja osa nesteytyy puuöljyksi. Musta, huokoinen puuhiili on kuivatislauksen kiinteä jäännös, jossa on alkuainehiiltä 85–90 prosenttia. Hiilivedyt
Hiilivety on orgaaninen yhdiste, joka koostuu vain hiilestä ja vedystä. Hiilivedyt palavat yleensä hyvin ja liukenevat veteen huonosti. Hiilivetyjä käytetään energianlähteinä ja kemianteollisuudessa raaka-aineina. Kasvihuonekaasu
Tärkein ihmisen tuottama kasvihuonekaasu on hiilidioksidi CO. Suomen kasvihuonekaasupäästöistä 86 % muodostuu hiilidioksidista. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on noussut tarkkojen mittausten aloittamisesta lähtien kiihtyvästi ollen nyt noin 2,2 miljoonasosaa (ppm) vuodessa saavuttaen pitoisuuden 400 ppm vuonna 2016. Tämä on noin 43 % lisäys esiteolliseen aikaan nähden, jolloin hiilidioksidipitoisuus oli noin 280 ppm. Epäsuorien geologisten todisteiden perusteella uskotaan, että hiilidioksidipitoisuudet ovat olleet nykytasolla viimeksi Plioseenikaudella 5-3 miljoonaa vuotta sitten. Astrobiologia
Maapallon eliöstö koostuu suureksi osaksi hiiliyhdisteistä, ja vaatii useimmiten ainakin jossain määrin vettä elääkseen. Maanulkoisen elämän on ajateltu rakentuvan omastamme poikkeavan hiilikemian tai jonkun muun kemian varaan. Tällöin elämää voisi esiintyä oloissa, jotka ovat Maan asukkaille liian kuumia, kylmiä, suurissa paineissa, lähes tyhjiössä tai myrkyllisissä oloissa. On arvailtu, että kuumalla planeetalla vettä voisi vastata sula rikki, kylmällä nestemäinen ammoniakki. Hiilen tilalla saattaisi olla rikki tai pii tai typpi-fosfori. Vaihtoehtoisten biokemioiden ongelma on se, että ehdotetut vedestä ja hiilestä poikkeavat yhdisteet näyttävät monesti olevan epävakaampia kuin hiiliyhdisteet vesiliuoksessa. Jossain määrin vaihtoehtoista kemiaa esiintyy Maassakin, esimerkiksi niin sanotut rikkibakteerit käyttävät rikkiä hapen sijaan. Biohiili
Biomassan pyrolyysi on itseään ruokkiva eksoterminen prosessi, eli vapautuvien kaasujen poltto tuottaa enemmän lämpöä kuin prosessi vaatii. Pyrolyysistä jäljelle jäävä kiinteä loppuotuote on noin 90% hiiltä ja 10% tuhkaa. Prosessia voidaan säätää lähinnä raaka-aineen ja käytettävän lämpötilan osalta, vaikuttaen lopputuotteiden saantosuhteisiin, riippuen siitä, halutaanko pääasiassa poltettavaa kaasua esimerkiksi lämmöntuotantoon, tisleitä kaasusta tai biohiiltä eri tarkoituksiin. Pyrolyysillä tuotetaan yleisesti hiiltä mm. maanparannukseen, energiahiileksi, grillihiileksi sekä aktiivihiileksi teollisiin ja lääkinnällisiin sovelluksiin. Energiakäytössä biohiili on päästöneutraalia biopolttoainetta, joka vastaa ominaisuuksiltaan kivihiiltä. Biohiili ei sinänsä eroakaan oleellisesti luonnon muovaamasta hiilestä, vaan etuliite bio- juontuu muun muassa sen valmistuksesta biomassasta, biopolttoaineen luonteesta sekä maanparannuskäytöstä. Kivihiili
Historiallisesti hiiltä on teollisuuslaitosten ulkopuolella käytetty merkittävästi liikennepolttoaineena laivoissa ja höyryvetureissa sekä lämmitykseen. Sitä on laajalti käytetty myös kaupunkikaasun valmistukseen, jota alkujaan käytettiin etupäässä valaistukseen (valokaasu), myöhemmin pääasiassa kaasuhelloissa. Hiilidioksidi
Hiili­dioksidin keksijänä on pidetty Jan Baptist van Helmontia (1577–1644). Koska puuhiilen palaessa syntynyt tuhka painoi vain pienen osan alku­peräisen puu­hiilen painosta, hän päätteli, että loppuosa siitä muuttui kaasuksi ja poistui ilmaan. Tälle kaasulle hän antoi nimen "metsä­kaasu" ("gas sylvestre"). Tarkemmin sen ominaisuuksia tutki Joseph Black, joka vuonna 1756 havaitsi sitä muodostuvan kuumennettaessa "magnesia alba"a eli magnesiumkarbonaattia. Hän kutsui sitä "sitoutuneeksi ilmaksi". Vuonna 1778 Joseph Priestley havaitsi, että tätä kaasua sisältävässä vedessä kasvit tuottivat "deflogistoitunutta ilmaa" eli happea, mikä havainto pian johti fotosynteesin luonteen selvittämiseen. Samoihin aikoihin Antoine Laurent Lavoisier selvitti palamisen luonteen ja osoitti, että tämä kaasu on hiilen ja hapen yhdiste. Palaminen
Kun aine palaa, muodostuu oksideja. Esimerkiksi vedyn palaessa syntyy divetyoksidia eli vettä (HO), korkean lämpötilan vuoksi kuitenkin höyrynä. Vesi soveltuu tämän takia palojen sammuttamiseen, sillä se on täydellisen palamisen lopputulos eikä voi enää syttyä. Toisaalta esimerkiksi hiilimonoksidi eli häkä (CO) on vain osaksi palanutta hiiltä ja se palaa herkästi edelleen, jolloin syntyy hiilidioksidia (CO). Hiilen palaessa syntyvä hiilimonoksidi kuitenkin leviää sellaisenaan ympäröivään ilmaan, jos happea ei ole riittävästi sen palamiseen. Hiili
Erikoistapauksessa, koska eroja myös kasvien ja eläinten välillä, tätä rikastumista voidaan käyttää myös yhdisteen kasvi- vastaan eläinalkuperän tunnistamiseen, johon sanotaan eräiden dopingvalvontatestien perustuvan (eräiden synteettisten hormonien hiilen lähde oli kasviperäinen ja erottui siten ihmisen normaalista luonnollisesta hormonista). Hiilidioksidi
Hiilidioksidijään ja veden avulla voidaan synnyttää "savua" esimerkiksi elokuvia ja esityksiä varten. Kuivajäätä valmistettiin ensi kertaa vuonna 1825, kun avattiin nestemäistä suurpaineista hiilidioksidia sisältävä säiliö. Säiliöistä karkasi kaasumaista hiilidioksidia ja sinne jäi kuivajäätä. Hiili
Hiiltä esiintyy maapallolla myös kallioperässä etenkin karbonaatteina kuten kalsiumkarbonaattina eli kalkkikivenä (CaCO). Vapaana alkuaineena hiiltä esiintyy luonnossa ruskohiilenä, kivihiilenä, antrasiittina ja grafiittina, jonkin verran myös timantteina. Koksi on pyrolysoitua kivihiiltä. Puuta pyrolysoimalla (esim. tervanpolton yhteydessä) saadaan puuhiiltä eli "sysiä", jota on vuosisatojen ajan käytetty sepäntyössä ja raudan valmistuksessa masuunissa, ja nykypäivänä grillihiilenä. Hiilivedyt
Fossiiliset polttoaineet öljy, bensiini ja maakaasu koostuvat pääasiassa hiilivedyistä. Niiden polttaminen synnyttää suuren osan ihmisen tuottamasta hiilidioksidista, jonka on osoitettu voimistavan kasvihuoneilmiötä. Kemiassa hiilivetyjä käytetään reaktioiden lähtöaineina ja liuottimina. Monien muovien raaka-aineena on hiilivety. Esimerkiksi polyeteeniä valmistetaan eteeniä polymeroimalla. Jan Baptist van Helmont
Van Helmont tutki puun polttoa suljetuissa astioissa ja huomasi, että astiaan oli kerääntynyt kaasua, joka oli erilaista kuin ympäröivä ilma. Hän antoi ”villeiksi hengiksi” (”spiritus sylvestris”) kutsumalleen aineelle nimen "gas", josta on peräisin myös suomen sana kaasu. Tämän aineen massa oli yhtä suuri kuin puun massan häviö polttamisen aikana. Van Helmont huomasi myös, että viinien valmistuksessa viinirypäleiden käyttämisestä syntyi samaa kaasua kuin poltettaessa puuta ja kivihiiltä. Tälle kaasulle hän antoi nimen "gas sylvestre" ("metsä­kaasu"), mutta nykyään se tunnetaan nimellä hiilidioksidi. Ajoneuvon hiilidioksidipäästöt
Hiilidioksidia syntyy palaneen polttoaineen painoa enemmän, sillä polttoaineen hiili yhdistyy palaessa moottorin ottaman ilman happeen. Hiilidioksidimolekyyli (CO) sisältää yhden hiiliatomin ja kaksi happiatomia. Hiilen atomipaino on 12,0107 ja hapen 15,9994. Hiilidioksidipäästön painosta yli kaksi kolmasosaa on siis peräisin ympäröivän ilman hapesta. Tulivuori
Tulivuoresta purkautuva kaasu koostuu suurimmaksi osaksi vesihöyrystä ja hiilidioksidista. Lisäksi se sisältää tavallisesti rikkidioksidia, typpeä, klooria, rikkivetyä ja booriyhdisteitä. Masuuni
Hiilen palaminen hiilidioksidiksi on eksoterminen reaktio, jolloin masuunin sydämessä lämpötila kohoaa noin 1–500 °C tietämille. Le Chatelierin periaatteen mukaisesti endoterminen hiilimonoksidi on kuitenkin vallitseva hiilen oksidi korkeissa lämpötiloissa, ja hiilidioksidi pelkistyy hiilimonoksidiksi. Hiilimonoksidi kulkee rautaoksidin läpi, pelkistäen sen metalliseksi raudaksi, joka muodostaa eutektisen seoksen hiilen kanssa, sulaa masuunin pesässä noin 1 100 °C tienoilla, ja vajoaa masuunin pohjalle. Eri reaktiot tapahtuvat vyöhykkeittäin (ks. kaaviokuva)
Reaktioiden tapahtumisvyöhykkeet ja lämpötilat määräytyvät Ellinghamin diagrammin mukaisesti hiilen ja metallien oksidien muodostumisentalpioiden perusteella. Rautamalmin sivukivi, erilaiset silikaatit, sulfidit jne. reagoivat puolestaan emäksisen kalsiumoksidin kanssa muodostaen erilaisten kalsiumsuolojen seoksen, jota kutsutaan kuonaksi. Se jää kellumaan masuunin sisään sulan raudan päälle. Talteen otettua kuonaa voidaan käyttää sementin raaka-aineena, täyttömaana ja rakennuskivenä. Masuunikuona antaa sementille hyvin voimakkaan valkoisen värin ja parantaa sen säänkestävyysominaisuuksia. Vaihtoehtoinen biokemia
Maapallon elämän kemia perustuu olennaisesti kuuteen alkuaineeseen, hiileen, vetyyn, happeen, typpeen, fosforiin sekä rikkiin. Erityisesti hapesta ja vedystä koostuva vesi toimii liuottimena ja hiili pystyy ketjuuntumaan suhteellisen vakaiksi pitkiksi molekyyleiksi, polymeereiksi. Tarkemmin elämämme hiilikemia pohjautuu valkuaisaineisiin, lipideihin ja nukleiinihappoihin. Öljynjalostus
Hiilivedyt ovat orgaanisen kemian perusraaka-aineita. Hiilivetyjä ovat muun muassa eteeni, propeeni, bentseeni ja hydroksibentseeni (fenoli). Hiilivedyistä voidaan edelleen valmistaa lukemattomia uusia yhdisteitä. Niitä käytetään muun muassa reaktioiden lähtöaineina, liuottimina sekä esimerkiksi muovien, maalien ja lääkkeiden raaka-aineina. Orgaanisia hiiliyhdisteitä tunnetaan yli 10 miljoonaa. Niiden valmistuksessa ovat yli 90-prosenttisesti lähtöaineina öljy, maakaasu ja kivihiili. Rikkihappo
Maan ulkopuolella rikkihappoa on havaittu Venuksessa ja mahdollisesti Jupiterin Europa-kuussa. Venuksen rikkihappo syntyy hiilidioksidin, veden ja rikkidioksidin valokemiallisessa reaktiossa. Venuksen kaasukehästä suurin osa on hiilidioksidia. Ensimmäisessä vaiheessa Venuksen kaasukehään tunkeutuva aallonpituudeltaan alle 169 nanometrin ultraviolettisäteily hajottaa hiilidioksidin hiilimonoksidiksi ja voimakkaasti reagoivaksi atomaariseksi hapeksi. Happi reagoi rikkidioksidin kanssa, jota löytyy runsaasti Venuksen kaasukehän pilvistä, muodostaen rikkitrioksidia, joka veden kanssa muodostaa lopulta rikkihappoa. Kokonaisreaktio voidaan siis ilmoittaa seuraavasti:
Rikkihappo muodostaa paksuja pilviä noin 45–70 kilometrin korkeuteen Venuksen pinnasta. Pilvet ovat niin paksuja, ettei valo pysty läpäisemään niitä, ja siksi Venuksen pintaa ei voida havainnoida tavallisilla optisilla kaukoputkilla. Rikkihappo varautuu helposti, minkä vuoksi Venuksen kaasukehässä salamoi usein. Rikkihapon sataessa pisarat eivät saavuta Venuksen pintaa. Aluksi pisaroiden vesi haihtuu, ja pisaran saavutettua kaasukehän alemman osan on lämpötila niin korkea, että rikkihappo hajoaa rikkitrioksidiksi ja vedeksi, joista rikkitrioksidi hajoaa nopeasti hapeksi ja rikkidioksidiksi. Happi reagoi kaasukehän hiilimonoksidin kanssa muodostaen hiilidioksidia. Leivinhiiva
Leivonnassa hiiva sekoitetaan jauhojen, suolan ja lämpimän veden (tai maidon) kanssa. Taikina vaivataan ja jätetään sitten kohoamaan ennen paistamista. Hiivasolut alkavat kasvaa taikinassa. Ne käyttävät energiakseen taikinan sisältämiä hiilihydraatteja, jolloin käymistuotteena vapautuu hiilidioksidia. Hiilidioksidikuplat aiheuttavat taikinan nousemisen. Paistettaessa hiivasieni kuolee. Hiili
Hiili-13-/hiili-12-isotooppisuhdetta voidaan käyttää hiilen lähteen tunnistamisessa. Eliöt eivät käytä hyväkseen molempia isotooppeja tasapuolisesti, vaan suosivat voimakkaasti hiilen kevyempää isotooppia C-12. Tämä rikastuminen kevyemmän C-12:n suhteen on mitattavissa niin nykyisestä elävästä luonnosta kuin muinaisten sedimenttien joukkoon kerrostuneesta eloperäisestä materiaalista ja on voitu päätellä, että elämä ilmaantui maapallolle hyvin varhain hydrologisen kierron käynnistyttyä. Hiiliplaneetta
Hiiliplaneetta ("timanttiplaneetta", "karbidiplaneetta") on planeetta, jollaisia arvellaan voivan syntyä, kun hiilipitoisia meteoroideja ja asteroideja törmää toisiinsa. Normaalit Maan tyyppiset kiviplaneetat koostuvat lähinnä raudasta ja piin ja hapen yhdisteistä eli silikaateista. Uskotaan, että hiiliplaneetalla on nikkelirautaydin, mutta paksu timanttikerros pinnan alla, ja pinnalla kalliona grafiittia. Pinnalla voi olla hiilivetyjä ja häkää eli hiilimonoksidia. Hiiliplaneetan pinnalla saattaa olla elämää, mutta se ei pohjautune niin paljon happeen kuin Maassa. Hiilisykli
Typpi yhdistyy vedyn kanssa, syntyy hiili-12-atomi ja helium-4-atomi: Maaöljy
Öljy on fossiilinen polttoaine. Maapallon öljy on syntynyt ajan saatossa esihistoriallisista kasveista ja meren eliöistä, jotka ovat hautautuneet sedimentin alle. Kuumuus ja paine on muuttanut jäännökset nestemäisiksi ja kaasumaisiksi hiilivedyiksi. Öljy on kasautunut huokoisiin kiviin ja onkaloihin, joista se voidaan pumpata. Kasvihuonekaasu
Metaania tuottavat suurimmaksi osaksi eläimet, mutta sitä syntyy myös kaikkialla, missä bakteerit hajottavat orgaanista ainesta hapettomassa tilassa, esimerkiksi soilla ja muilla kosteikoilla. Ihmisten tuottamaa metaania tulee karjanhoidosta, kaatopaikoilta ja riisiviljelmiltä, missä eloperäiset materiaalit mädäntyessään erittävät sitä. Lisäksi metaania pääsee ilmoille runsaasti fossiilisten polttoaineiden tuotannon ja kuljetusten yhteydessä. Hiilihydraatti
Hiilihydraatit ovat ryhmä orgaanisia yhdisteitä, jotka koostuvat hiilestä, vedystä ja hapesta. Niitä ovat esimerkiksi sokerit, tärkkelys ja selluloosa. Hiilihydraatti on yksi kolmesta perusravintoaineesta. Hiilihydraattien empiirinen kaava on . Sana hiilihydraatti tuleekin suoraan sen rakennekaavasta, hiilen hydraatti. Kimeeri
Kahden eri lajin soluista tai kudoksista muodostunutta kimeeriä kutsutaan heterologiseksi kimeeriksi. Kimeeri ei kuitenkaan ole sama asia kuin hybridi, joka syntyy kahden eri lajin sukusolun fuusioituessa (esimerkiksi muuli, joka on hevosen ja aasin jälkeläinen). Hybridit muodostuvat siis kahdesta eri lajin sukusolusta, kun taas kimeerin syntymiseen tarvitaan kolme tai neljä sukusolua. Vaihtoehtoiset energianlähteet öljylle
Metanolia voidaan käyttää moottoreissa pienin muutoksin. Metanoli tehdään yleensä maakaasusta, joskus myös hiilestä, ja sitä on mahdollista tehdä kaikista hiiliyhdisteistä, myös hiilidioksidista. Helium
Maan ilmakehässä heliumia on 5 ppm, joka vastaa noin 0,0005 tilavuusprosenttia. Pieni määrä selittyy sillä, että helium karkaa avaruuteen keveytensä takia. Lähes kaikki Maassa esiintyvä helium on syntynyt raskaiden alkuaineiden kuten uraanin ja toriumin radio­aktiivisessa hajoamisessa. Alfahajoamisessa syntyy helium-4-ydin, joka saatuaan ympärilleen kaksi elektronia muuttuu neutraaliksi heliumatomiksi. Savu
Kun orgaaninen aine palaa korkeassa lämpötilassa ja happea on runsaasti, syntyy vain vähän näkyvää savua. Se koostuu pää­asiassa samoista palamattomista aineksista, joita on myös tuhkassa, sekä vesihöyrystä ympäröivässä viileämmässä ilmassa tiivistyvistä pienistä vesi­pisaroista. Mikäli palava aine ei sisällä muita alkuaineita kuin hiiltä ja vetyä sekä mahdollisesti jonkin verran happea, sen täydellisessä palamisessa siitä syntyykin ainoastaan hiilidioksidia ja vesihöyryä, molemmat kaasumaisessa muodossa. Lisäksi syntyy yleensä jonkin verran myös typen oksideja, vaikka palava aine ei sisältäisikään typpeä, sillä myös ilman typpi ja happi reagoivat korkeassa lämpötilassa keskenään. Vesihöyry
Vesihöyry (arkikielessä pelkkä höyry) on kaasumaista vettä. Vesihöyry on hajutonta, mautonta ja väritöntä, eikä sitä siis voi ihmissilmin erottaa muista ilmakehän kaasuista. Höyry on vakiintunut tarkoittamaan vain veden kaasuolomuotoa mutta joskus höyryllä voidaan tarkoittaa myös muiden aineiden kaasuolomuotoa. Sitä syntyy useimmiten, kun vesi haihtuu tai jää sublimoituu. Veden, HO, kiinteää olomuotoa sanotaan jääksi ja nesteolomuotoa vedeksi. Vesihöyryä voi syntyä myös kemiallisissa reaktioissa. "Kylläinen höyry" tarkoittaa höyryä, joka on paineen mukaisessa tiivistymislämpötilassaan. Mikäli höyry tällöin menettää lämpöä, se tiivistyy nesteeksi. "Tulistettu höyry" on tiivistymislämpötilaa korkeammassa lämpötilassa eli se voi menettää lämpöä ennen kuin alkaa tiivistyä eli nesteytyä. Tulistuksen idea on siinä, että vesi -olomuodosta riippumatta- sitoo runsaasti lämpöenergiaa hyödynnettäväksi myöhemmin. Hiilimonoksidi
Hiilimonoksidi voi syntyä yleisesti monella eri tavalla. Hiilimonoksidi syntyy Boudouardin tasapainoreaktion mukaisesti hiilestä ja hiilidioksidista korkeassa lämpötilassa Hiilivedyt
Hiilivedyt palavat yleensä vedeksi ja hiilidioksidiksi. Samalla vapautuu runsaasti lämpöä. Jos happea ei ole riittävästi, palamisessa syntyy myös hiilimonoksidia eli häkää sekä hiiltä ja hiilen yhdisteitä. Tällöin lämpöä vapautuu vähemmän kuin täydellisessä palamisessa. Leivonta
Leivinhiiva sisältää elävää hiivasientä ja muuttaa noin 37-asteisessa taikinassa olevan sokerin hiilidioksidiksi ja alkoholiksi: siksi taikinassa on hyvä olla pieni määrä sokeria, joka nopeuttaa kohoamista samalla kun sen määrä vähenee. Vehnäjauho puolestaan sisältää gluteenia (valkuaisainetta), joka alustettaessa imee itseensä vettä ja paisuu. Taikinasta tulee sitkoista ja notkeaa ja siihen muodostuu ohutta gluteenirihmastoa. Taikina nousee huoneenlämmössä ja myös paistamisen aikana uunissa. Nousemisen aikana syntyvät pienet kaasukuplat säilyvät oikein alustetussa taikinassa, joka kohoaa hyvin ja siitä tulee kuohkeaa. Hiilivedyt
Koska hiilen ja vedyn elektronegatiivisuudet ovat lähellä toisiaan, hiilivedyt ovat yleensä lähes poolittomia. Siten ne liukenevat veteen huonosti mutta useimpiin orgaanisiin aineisiin hyvin. Poolittomuus vaikuttaa myös hiilivetyjen olomuotoon: esimerkiksi metaani on kaasu, mutta vesi, joka on poolinen ja molekyylimassaltaan suunnilleen yhtä suuri, on neste. Haaroittumattomista alkaaneista kevyimmät ovat kaasuja, 5–16 hiiliatomia sisältävät nesteitä ja raskaimmat kiinteitä. Moolimassa
Alkuaineen moolimassa on sama kuin alkuaineen suhteellinen moolimassa. Luonnossa hiili esiintyy pääasiassa isotooppien C (98,9 %) ja C (1,1 %) seoksena, jolloin suhteelliseksi moolimassaksi saadaan 12,011 g/mol. Superkondensaattori
Karbidijohdannainen hiili on joukko hiilimateriaaleja, jotka on johdettu karbidin esiasteista, kuten kaksiosaisesta silikonikarbidista tai titaniumkarbidista ja jotka on puhdistettu hiileksi fysikaalisilla tai kemiallisilla prosesseilla. Kemosynteesi
Kemosynteesissä hapettuvia erilaisia rikki-, typpi- ja rautayhdisteitä ovat eliöryhmästä riippuen esimerkiksi vetysulfidi (HS), ammoniakki (NH) sekä rautaionit (Fe). Kemosynteesin seurauksena syntyy pelkistyneitä hiiliyhdisteitä. Kemosynteesi on tapa tuottaa hiilihydraatteja. Bitumi
Bitumi on raskaista hiilivedyistä koostuva seos. Sitä muodostuu maaöljyn tislauksessa, mutta sitä esiintyy luonnossa sellaisenaan (kts. öljyhiekka). Tyypillisin käyttökohde on teiden päällystyksessä käytettävä asfaltti. Modifioitua bitumia käytetään myös erilaisten vedeneristyksessä käytettävien kermien runko- ja liimausaineena. Häkäpönttöauto
Häkäpönttöauto on auto, jonka moottorin pääasiallisena polttoaineena käytetään joko puusta tai hiilestä erityisellä kaasunkehitinlaitteistolla tuotettavaa kaasumaista polttoainetta (puukaasua tai hiilikaasua). Kaasu muodostuu kahdessa vaiheessa: Ensin happi yhtyy polttoaineeseen muodostaen hiilidioksidia, joka johdetaan hehkuvan hiilikerroksen läpi. Tällöin osa hiilidioksidista pelkistyy hiilimonoksidiksi, joka puhdistettuna johdetaan moottorin kaasuttimeen. Häkäpönttöauton ulkoinen tunnusmerkki on kehittimen säiliö, ”pönttö”, jossa kaasu muodostuu. Ilmaston lämpeneminen
Maassa merkittävimmät kasvihuonekaasut ovat vesihöyry, joka aiheuttaa noin 36–70 % kasvihuoneilmiöstä (pilviä lukuun ottamatta); hiilidioksidi (CO), joka aiheuttaa 9–26 %; metaani (CH), joka aiheuttaa 4–9 %, sekä alailmakehän otsoni, joka aiheuttaa 3–7 %.
Hiilidioksidipitoisuudet ilmakehässä ovat lisääntyneet 31 % ja metaanipitoisuudet 149 % esiteollisiin tasoihin nähden vuoden 1750 jälkeen. Nämä lukemat ovat merkittävästi korkeampia kuin kertaakaan aiemmin 650 000 vuoteen, mikä on pääteltävissä luotettavasti jäätiköiltä syväkairatuista näytteistä. Epäsuorien geologisten todisteiden perusteella uskotaan, että hiilidioksidipitoisuudet ovat olleet nykytasolla viimeksi 20 miljoonaa vuotta sitten.
Merenpohjan sedimenteistä ja kasvien fossiileista tehtyjen mittausten perusteella on voitu arvioida, että esimerkiksi 150–200 miljoonaa vuotta sitten hiilidioksidin pitoisuus oli kuitenkin ilmeisesti paljon nykyistä korkeampi, yli 2 000 ppm, ja 400–600 miljoonaa vuotta sitten ajoittain jopa yli 5 000 ppm. Vaikka hiilidioksidipitoisuus nousisi näille tasoille, seurauksia olisi mahdoton ennustaa, koska auringon lämmittävä vaikutus ei ollut silloin niin suuri kuin nykyään. Auringon, kuten muidenkin tähtien sisällä tapahtuvan fuusioreaktion takia, ne kirkastuvat ajan myötä. Pakokaasu
Yksi välittömästi vaarallisimpia aineita on hiilimonoksidi eli häkä, jota syntyy epätäydellisen palamisen yhteydessä. Häkä verenkiertoon päästessään heikentää elimistön kykyä kuljettaa happea, joka johtaa tajuttomuuteen ja lopulta kuolemaan. Hitaammin vaikuttavia mutta silti yhtä haitallisia ovat hiukkaspäästöt joita syntyy etenkin dieselmoottoreissa ja puuta poltettaessa. Hiukkaspäästöt aiheuttavat muun muassa syöpää. Kaikki pakokaasut eivät ole myrkyllisiä, esimerkiksi maakaasua polttamalla syntyy hiilidioksidia. Merkittävin pakokaasussa oleva yhdiste on vesi, jota esim. polttomoottoreissa muodostuu jopa yksi kilo jokaista poltettua bensiini litraa kohti. Hiili
Hiilen ja vedyn yhdisteitä ovat hiilivedyt, joista tärkeät fossiiliset polttoaineet maaöljy ja maakaasu pääasiassa koostuvat. Kun hiili palaessaan yhdistyy happeen, muodostuu hiilidioksidia, jota kasvit käyttävät hiilen lähteenä. Hiilen palaessa riittämättömässä hapessa muodostuu hiilimonoksidia eli häkää. Euroopan ympäristöongelmat
Kasvihuoneilmiöllä tarkoitetaan sitä, että ilmakehä päästää lyhytaaltoisen auringon säteilyn maan pinnalle, mutta ilmakehässä olevat kasvihuonekaasut kuitenkin estävät pitkäaaltoisen lämpösäteilyn pääsemisen takaisin avaruuteen. Tämän seurauksena ilmasto lämpenee. Ilmakehän kasvihuonekaasut toimivat kasvihuoneen lasikaton tavoin. Kasvihuoneilmiö on luonnollinen. Ongelmana on kasvihuoneilmiön liiallinen voimistuminen. Tärkeimmät kasvihuonekaasut ovat vesihöyry ja hiilidioksidi. Kaikista kasvihuonekaasuista ne estävät 90 % maahan jäävästä lämpösäteilystä pääsemästä avaruuteen. Hiilidioksidin pitoisuus ilmakehässä oli ennen teollistumista 280 mg/l ja nykyään se on 380 mg/l.Havaijilla,Mauna Loan mittausasemalla hillidioksidipitoisuus ylitti 400 mg/l 9.5.2013. Hiilikuitu
Tämän jälkeen suoritetaan uusi lämmitys, noin 700 °C:een. Tällöin kehät aromatisoituvat. Tämän jälkeen lämmitetään jälleen uudelleen, noin 400–600 °C:een jolloin kehät muodostava toisten kehärivien kanssa toistuvia rivejä. Tässä vaiheessa muodostuu myös typpikaasua, kun typpiatomeja vapautuu kehärivien väleistä. Lopulta kun rivejä sulautuu yhteen, jäljelle ei jää juurikaan typpeä, vaan grafiittimuodossa olevaa 93–95-prosenttista hiiltä. Hiekka
Hiekka syntyy mekaanisen ja kemiallisen kulumisen seurauksena vähän kerrallaan kerrostumalla niistä kivi- tai muista aineksista, joita maan pinnalla on. Pohjoismaissa suurin osa hiekan, kuten muidenkin maalajien, syntyprosesseista liittyy mannerjäätikön vaikutukseen. Eroosion ja irronneen maa-aineksen kuljetuksen kautta on syntynyt moreenia, jota sulasmisvedet ovat lajittaneet ja kuljettaneet. Viimeisen jääkauden jälkeisen maankohoamisen aikana paljastuneet maakerrokset ovat altistuneet pakkasen, tuulen ja aaltojen vaikutukselle. Maakaasuhuippu
Maakaasu palaa fossiilisista polttoaineista puhtaimmin ja tuottaa pienimmät hiilidioksidipäästöt. Päästötavoitteiden vuoksi maakaasun käyttöä sähköntuotannossa on lisätty voimakkaasti esimerkiksi Itämeren alueen maissa.. Maakaasun korvaamiseen sähköntuotannossa soveltuvat kivihiili, ydinvoima, sekä erilaiset uusiutuvat energiat, kuten muun muassa vesivoima, tuulivoima, aurinkoenergia, geoterminen energia ja bioenergia (mukaan lukien biokaasu). Maakaasun korvaaminen kivihiilellä tuottaisi suuremmat hiilidioksidipäästöt, mutta kehitteillä on hiilidioksidin talteenottotekniikoita, joissa hiilidioksidin pääsy ilmakehään estetään. Kivihiili
Kivihiilen synty pohjautuu hapettomissa oloissa tapahtuneeseen kovan paineen alaisiksi joutuneiden tulvien ja niiden tuomien lietteiden alle kasautuneiden muun muassa rehevien kortepuu-, lieko- ja saniais-prosessiin eli niiden muutoksiin. Tämä tapahtui pääasiassa kivihiilikaudella vallinneella lämpökaudella 350 miljoonaa vuotta sitten. Syntyprosessiin liittyy kosteikkojen pohjalla esiintynyt anaerobinen mikrobitoiminta, joka ajan kuluessa laski kosteuden osuutta materiaalissa kun hiilen pitoisuus samalla kasvoi. Syntyprosessin päävaiheet voi kuvata seuraavasti: Hiilikaasu
Hiilikaasun palavat aineet ovat häkä eli hiilimonoksidi ja vety. Se palaa sinisellä vähävaloisella liekillä. Kaasu muodostuu ilman hapen ja vesihöyryn reagoidessa puuhiilen kanssa. Hiilikaasun lämpöarvo on hiukan matalampi kuin puukaasulla. Hiilen kiertokulku
Hiiltä kivettyy kivihiileksi maatuneesta kasvibiomassasta. Kivettynyt hiili pysyy kallioperässä hyvin pitkään, jopa miljardeja vuosia. Joet kuljettavat hiiltä mereen. Meren mannerlaatat liikkuvat magmaksi mantereen alle. Hiiltä muuttuu kalsiumkarbonaatiksi CaCO muun muassa meren kalkkieläimissä. Tulivuorenpurkaukset vapauttavat hajonneesta karbonaatista irronnutta hiilidioksidia CO. Polttoaine
1700-luvulla kivihiilen havaittiin sisältävän palavia kaasuja, kuten metaania, vetyä ja hiilimonoksidia eli häkää, jotka voitiin erottaa siitä kuumentamalla ja käyttää erikseen hiilikaasuina. Jäännösaine, koksi, on hyvää savutonta polttoainetta. Puhaltamalla vesihöyryä hehkuvien hiilien yli saadaan vesikaasua, joka sisältää hiilimonoksidia, vetyä ja metaania. Vesikaasua voidaan käyttää myös synteesikaasun nimellä Fischer–Tropsch-synteesiin. Tippukivi
Tippukiviluolia esiintyy erityisesti seuduilla, missä kallioperä on kalkkikiveä. Kalkkikivi koostuu enimmäkseen kalsiitista. Tippukivet muodostuvat, kun luolan katosta tippuu kalsiittipitoista vettä. Kiviaines voi saostua kattoon puikkomaiseksi muodostumaksi, joka muistuttaa muodoltaan monille tutumpaa jääpuikkoa.
Tippukivien muodostumisprosessi käynnistyy, kun sadevesi reagoi maaperän hiilidioksidin kanssa, jolloin muodostuu hiilihappoa. Pieneliöiden aineenvaihdunnan seurauksena maaperässä on noin 30 kertaa enemmän hiilidioksidia kuin ilmassa. Hiilihappo liuottaa kalkkikiveä, ja kalkkikivestä vapautuvat kalkki- ja bikarbonaatti-ionit kulkeutuvat syvemmälle maahan. Osa niistä päätyy luolien kattoon. Veden haihtuessa ionit reagoivat luolassa olevan ilman kanssa. Tällöin ne alkavat saostua ja kalsiumkarbonaatti jähmettyy uudestaan kalkkikiveksi, josta muodostuu aluksi pillimäinen tappi, minkä jälkeen se alkaa kasvattaa kokoaan puikoksi. Kun alun pillimäisen muodostuman suuaukko tukkeutuu, vesi alkaa kulkea muodostuman ulkoreunoilla ja stalaktiitin muoto muuttuu porkkanamaiseksi. Hiili
Monet tärkeät orgaaniset yhdisteet koostuvat hiilestä, vedystä ja hapesta. Sellaisia ovat esimerkiksi hiilihydraatit ja rasvahapot, jotka ovat oleellisia elämälle, sekä monet esterit, jotka antavat aromit monille hedelmille. Elävissä olennoissa esiintyy lukemattomia muitakin erilaisia hiilen yhdisteitä, joista monet sisältävät vielä muitakin alkuaineita, esimerkiksi typpeä tai fosforia. Hiili siis muodostaa Maan elämän perustan. Hapen isotoopit
Sekä O ja O ovat sekundaarisia isotooppeja, mikä merkitsee, että niiden nukleo­synteesi edellyttää, että läsnä on jo tiettyjä nuklideja. Happi-17 (O) syntyy pääasiassa vedyn palaessa heliumiksi CNO-syklissä, minkä vuoksi sitä esiintyy tähdissä runsaasti sillä vyöhykkeellä, jossa vety fuusioituu. Happi-18 (O) syntyy, kun typpi-isotooppi N, jota CNO-palamisen vuoksi on runsaasti, kaappaa heliumytimen He, minkä vuoksi tätä isotooppia esiintyy tähdissä eniten niissä kerroksissa, joissa on eniten heliumia. Vasta noin miljardin celsiusasteen lämpötilassa happi­ytimetkin fuusioituvat muodostaen raskaampia ytimiä kuten rikkiä. Mikrolevät
Mikrolevät toimivat myös merkittävänä hiilinieluna. Mikrolevät vastaavat noin puolesta maapallolla tapahtuvasta hiilen sitomisesta, eli niiden kautta sitoutuu valtaosa ilmakehän hiilidioksidista. Näin ne vaikuttavat myös maailmanlaajuiseen ilmastoon. 
Mikrolevät voivat olla joko autotrofeja, heterotrofeja tai miksotrofeja niiden käyttämästä hiililähteestä riippuen. Autotrofi käyttää hiililähteenä hiilidioksidia, heterotrofi orgaanista hiiltä ja miksotrofit molempia riippuen elinympäristön olosuhteista. Musta hiili
Musta hiili on epäorgaanista hiiltä, jota syntyy hiilivetyjen epätäydellisessä palamisessa rinnan orgaanisen hiilen kanssa. Musta hiili lämmittää ilmastoa, toisin kuin orgaaninen hiili, jolla on ilmastoa viilentävä vaikutus. Musta hiili viipyy ilmakehässä muutamista päivistä muutamin viikkoihin. Kivihiili
Pääasiassa kivihiili sisältää hiiltä, happea ja vetyä, vähemmissä määrin rikkiä ja typpeä. Kivihiilessä on myös pienempiä määriä epäorgaanisia yhdisteitä, jotka poltettaessa muodostavat tuhkaa. Hapettomassa tilassa kuumennettaessa kivihiilestä irtoaa tervaa, nesteitä ja kaasuja, ja jäljelle jää koksia. Savu
Hiilen osittaisessa hapettuessa syntyy hiilimonoksidia eli häkää. Typpeä sisältävistä aineista voi niiden epä­täydellisessä palamisessa syntyä typpi­kaasun ja typen oksidien ohella myös ammoniakkia ja vetysyanidia. Vastaavasti rikkipitoisista aineista voi syntyä rikkidioksidin ohella myös rikkivetyä. Osa palavan aineen sisältämästä vedystä voi myös levitä ympäristöön vetykaasuna vesihöyryn sijasta. Tähti
Tähtienvälinen avaruus on harvaa, ja koostuu pääasiassa vedystä. Se sisältää myös heliumia ja pienen määrän raskaampia alkuaineita, joita varhaisemmat tähtisukupolvet ovat tuhoutuessaan levittäneet tähtienväliseen avaruuteen. Tähdet syntyvät tähtienvälistä avaruutta tiheämmissä kaasu- ja pölypilvissä, jotka Linnunradassa ja muissa samankaltaisissa galakseissa ovat keskittyneet galaksin tasoon ja sen spiraalihaaroihin. Pieru
Vetykaasu, metaani ja hiilidioksidi syntyvät pieruihin pääasiassa myös paksusuolen bakteeritoiminan tuloksena. Noin kolmanneksella aikuisväestöstä bakteerikanta tuottaa metaania, kahdella kolmanneksella ei. Syytä tähän ei tiedetä. Hiilidioksidia syntyy kahdella tavalla: suurin osa syntyy, kun vetykarbonaatti neutralisoi ruuansulatuskaasuja, mutta pieniä määriä syntyy myös anaerobisessa käymisprosessissa suolistossa. Typpi joutuu suolikaasuihin luultavimmin sekä niellyn ilman välityksellä että verenkierrosta. Hapen määrä peräsuoleen ehtivässä kaasussa jää pieneksi, koska paksusuolen bakteeritoiminta kuluttaa siitä valtaosan. Hapetus-pelkistysreaktio
Esimerkiksi hiilen palaminen eli hiilidioksidin syntyminen alkuaineistaan on hapetus-pelkistysreaktio. Hiilidioksidissa hiiliatomilla on kaksi yhteistä elektroniparia kummankin happiatomin kanssa, mutta koska happi on elektronegatiivisempi, voidaan näiden katsoa osittain siirtyvän hiileltä hapelle. Toisin sanoen tässä reaktiossa hiili hapettuu eli toimii pelkistimenä, kun taas happi pelkistyy eli toimii hapettimena. Orgaaninen kemia
Hiili muodostaa helposti kovalenttisen sidoksen vedyn kanssa. Hiilivedyt ovat orgaanisia yhdisteitä, joissa on vain hiiltä ja vetyä. Yksinkertaisin hiilivety on metaani. Siinä yhteen hiiliatomiin on kovalenttisesti sitoutunut neljä vetyatomia. Lämmitys
Sellaisilla seuduilla, missä lämmitystä käytetään säännöllisesti, lämmitystavan valinta on usein huomattavin yksittäinen rakennuksen ympäristökuormitukseen vaikuttava tekijä. Mikäli energia tuotetaan fossiilisilla polttoaineilla aiheutuu lämmityksestä hiilidioksidipäästöjä. Hiilidioksidin tuoton kannalta neutraalina pidetään kasvipohjaisia puu- ynnä muita polttoaineita ja niin sanottua vihreää sähköä, joka on tuotettu ydin-, vesi- tai tuulivoimalla. Polttoaine
Ruskohiili on fossiilista tertiäärikauden kasvijäännöksistä muodostunut ruskea hiiliaine, jonka hiiltyminen ei ole kehittynyt yhtä pitkälle kuin kivihiilen. Hydraatti
Hiilihydraatit ovat esimerkki aineesta, jolle nimi annettiin ennen aineen rakenteen selvittämistä. Sekoitettaessa väkevää rikkihappoa hiilihydraattiin tapahtuu kiivas reaktio, jossa hiilihydraatti hajoaa, rikkihappoon irtoaa vettä ja jäljelle jää hiiltä. Reaktio ei kuitenkaan osoita, että hiilihydraatit sisältäisivät vettä sellaisenaan. Sen sijaan rikkihappo hajottaa hiilihydraatin "väkisin" vedeksi ja hiileksi. Hiilihydraatit muodostuvat sokereista, joissa on 5-, tai 6-hiilisiä ketjuja, joissa kussakin hiilessä on hydroksyyliryhmä, paitsi yhdessä hiilessä on karbonyylihappi. Rakenteen empiirinen kaava eli alkuaineiden suhde on sattumalta juuri CHO, sama kuin "hiili-vesi", josta nimi tulee. Jalokaasut
Heliumia tuotetaan fraktiotislauksella eli jakotislauksella maakaasusta jossa sitä sattaa olla jopa 7 %, mutta sitä ei ole tuotettu viime vuosina niin paljon. Yksi syy siihen, että öljy- ja maakasu-yritykset eivät ole halukkaita investoimaan heliumin erottelemiseen maakasusta on se, ettei Yhdysvallat enää pidä sitä strategisena voimavarana. Tämä on johtanut sen pulaan maailmalla. Heliumista oli pulaa vuosina 2012–2013, koska joitakin isoja laitoksia oli pois käytöstä huoltojen vuoksi. On ennustettu, että nykyisillä käyttöasteilla kaikki helium tunnetuissa varannoissa kulutetaan vuoteen 2030 ja 2040 mennessä. Hiilen kiertokulku
Kasvit ottavat ilmasta hiilidioksidia ja muuttavat sen biomassaksi, jossa on hiilivetyjä. Osa biomassasta joutuu eläinten syömäksi ja hajoaa. Eläimet hengittävät ilmakehään hiilidioksidia ja päästävät mädäntyessään metaania CH. Hiilidioksidi ja metaani ovat molemmat kasvihuonekaasuja, jotka vaikuttavat maapallon ilmastoon. Suo
Suot sitovat hiilidioksidia hiileksi maaperään. Maapallon soiden arvioidaan sisältävän 541 miljardia tonnia hiiltä, joka vapautuessaan ilmaan hiilidioksidin muodossa aiheuttaisi äärimmäisiä seurauksia. Kun suot kuivuvat lämpimien ilmojen, ikijään sulamisen ja alhaisen veden pinnan takia, maaperän happitaso nousee ja metaanin sijasta voi siis alkaa syntyä hiilidioksidia. Siperiassa hiilidioksidin suurempi vapautuminen on jo ilmeisesti alkamassa, koska siellä on jo näkynyt merkkejä ilmaston lämpenemisestä. 100 000 vuoden jakson ongelma
Hiilidioksidille on ehdotettu meren sijasta lähteeksi maaperää. Yksi teoria väittää hiilidioksidin vapautuneen jäätiköiden sulavesien tulvittamalta maalta. Toinen väittää lähteeksi jäätikön läheisen alueen. Zeng oli vuonna 2010 mukana tutkimusryhmässä joka päätteli, että Etelämantereella Kuningas Georgen saarelta Collinsin jäätikön lähialueelta vapautuu hiilidioksidia ilmaan. Zheng on vuonna 2007 ehdottanut, että Laurentiden jäätikön kasvaminen kyllin suureksi mahdollistaa sen alle sitoutuneen hiilidioksidin vapautumisen jäätikön tilan muutoksissa. Tämä tapahtuisi noin 100 000 vuoden välein. Arvostelijoiden mielestä Zengin teoriasta ei ole suoria todisteita. Kivihiili
Mineraaliaines hiilessä koostuu tyypillisesti kaoliniitista, savesta, pyriitistä, kalsiitista ym. ja sisältää näin ollen piidioksidia, alumiinia, rautaa ja kalsiumia. Myös muita alkuaineita esiintyy vähäisiä määriä. Mineraaliaines on kivihiilessä yleensä kerroksina ja juonteina hiilipitoisemman materiaalin välissä. Kivihiilihuippu
Kivihiilen tuotanto poikkeaa maakaasun ja maaöljyn tuotannosta, sillä kivihiili on kaivettava kivilaji. Tämän ansiosta kivihiilen tuotannossa ei tarvitse huolehtia lähteen sisäisestä paineesta. Kivihiilen energiasisältö vaihtelee paljon enemmän kuin maaöljyn. Ruskohiili on vähiten, antrasiitti eniten energiaa sisältävä kivihiilen laji. Kivihiilikaivoksissa on tapana kaivaa laadukkain kivihiili ensin. Tämän seurauksena siirryttäessä ruskohiilen hyödyntämiseen kivihiilen tuotanto voi kasvaa tonnimääräisesti, mutta tuotetun kivihiilen kokonaisenergiasisältö samaan aikaan laskea. Richard Heinbergin mukaan Yhdysvaltain kivihiilen tuotanto kasvaa yhä, mutta tuotetun kivihiilen yhteenlaskettu energiamäärä on laskenut vuodesta 1998. Maailmankaikkeus
Maailmankaikkeuden tavallisesta aineesta noin 75 % arvioidaan olevan vedyn isotooppeja, 25 % heliumin isotooppeja ja alle 1 % muita alkuaineita. Vety ja helium muodostuivat jo maailmankaikkeuden varhaisimpien vaiheiden korkeissa lämpötiloissa, alkuräjähdyksen nukleosynteesissä. Raskaammat alkuaineet rautaan saakka syntyvät tähtien sisäosien ydinreaktioissa, tähden nukleosynteesissä, ja rautaa raskaammat alkuaineet supernovaräjähdyksissä. Suurin osa näkyvän maailmankaikkeuden tavallisesta aineesta on tähdissä, joita uusimpien arvioiden mukaan näkyvässä maailmankaikkeudessa saattaa olla jopa 300 000 triljoonaa (3 × 10). Arvio on noin kolminkertainen aiempiin verrattuna ja perustuu uusiin tutkimuksiin punaisten kääpiöiden yleisyydestä. Rikki
Rikkiä sitoutuu merenpohjan sedimentteihin ja muuhun kiviainekseen. Esimerkiksi sulfidimineraalit, kuten rikkikiisu, sisältävät rikkiä. Rikkiä vapautuu kiviaineksesta tulivuoren purkauksissa ilmakehään, sekä merenalaisten purkausten ja rapautumisen myötä vesiin. Eliöt käyttävät rikkiä erilaisiin fysiologisiin tarpeisiinsa ja synnyttävät uusia rikkiyhdisteitä. Esimerkiksi eräät bakteerit käyttävät rikkiä hapettimena mädätyksessä, jolloin syntyy mädänneen kananmunan hajuiseksi miellettyä rikkivetyä. Myös ihmisen toimet, kuten öljynjalostus, synnyttävät rikkivetyä. Rikkivety on kaasu, joka päätyy ilmakehään. Yleisin ilmakehän rikkiyhdiste on kuitenkin dimetyylisulfidi, joka on suurelta osin merten planktonin tuottamaa. Ilmakehässä esiintyy myös yleisenä luonnollisena rikkiyhdisteenä karbonyylisulfidi (COS). Myös fossiilisten polttoaineiden käyttö vapauttaa rikkiyhdisteitä ilmakehään, etenkin rikkidioksidia. Rikkidioksidipäästöt jarruttavat merkittävästi ilmaston lämpenemistä, sillä rikkidioksidi muuntuu yläilmakehässä auringonvaloa heijastaviksi rikkihappohiukkasiksi.
Ilmakehästä rikki palaa takaisin maahan ja vesiin, ja koska esimerkiksi rikkidioksidi reagoi sadeveden kanssa muodostaen happoja, rikin runsas esiintyminen ilmakehässä aiheuttaa maa- ja vesiluonnolle haitallista happamoitumista.