diamant, het hardste mineraal dat we kennen
grafiet, een van de zachtste bekende substanties
fullereen, dat interessante structurele en elektrochemische eigenschappen heeft die het bruikbaar maken voor nanotechnologie
amorf

Koolstof komt in onmetelijk veel verschillende verbindingen voor in alle organische levensvormen en vormt de basis voor de organische chemie. Koolstof heeft ook de interessante eigenschap dat het chemische verbindingen met zichzelf en talloze andere elementen kan aangaan (er zijn naar schatting wel zo'n tien miljoen verbindingen die koolstof bevatten). Koolstof vormt in verbinding met zuurstof onder andere kooldioxide (CO₂), dat vitaal is voor plantengroei. In verbinding met waterstof vormt het zogenaamde koolwaterstoffen. Hiertoe behoren ook de vetzuren, waarvan vele onmisbaar zijn voor leven. Ook worden veel koolwaterstoffen als fossiele brandstoffen aangetroffen.

De isotoop ¹⁴C wordt vaak gebruikt in radioactieve datering.

Eigenschappen

Koolstof is om vele redenen een bijzonder element. De verschillende toestanden lopen uiteen van één van de zachtst bekende materialen (grafiet) tot één van de hardste (diamant). Koolstof gaat gemakkelijk verbindingen aan met meerdere andere kleine atomen, waaronder ook andere koolstofatomen. Er zijn zo'n 10 miljoen koolstofverbindingen bekend. Koolstofverbindingen vormen de basis voor al het leven op aarde. De koolstof-stikstof cyclus is één van de processen die in de zon en andere sterren energie levert.

Koolstof werd niet gevormd bij het ontstaan van het heelal (in de Big Bang) vanwege het feit dat er drie botsingen tussen alfadeeltjes (heliumkernen) nodig zijn om koolstof te vormen. De heelal koelde daarvoor in het begin te snel af. De vorming van koolstof vindt daarom voornamelijk in sterren plaats.

Toepassingen

De voornaamste toepassing van koolstof is in de vorm van koolwaterstoffen, met name de fossiele brandstoffen methaangas en ruwe olie. Uit ruwe olie wordt in de petrochemische industrie onder andere petroleum, benzine en kerosine gedestilleerd en het dient als basis voor veel synthetische stoffen, waaronder plastics.

Andere toepassingen

De isotoop ¹⁴C (ontdekt op 27 februari 1940) wordt gebruikt in radioactieve datering.
Grafiet wordt, vermengd met klei voor meer stevigheid, gebruikt in potloden.
Diamanten vinden hun toepassing in (kostbare) sieraden en worden om hun hardheid onder andere toegepast in boorkoppen.
Bij de productie van staal wordt koolstof aan gesmolten ijzer toegevoegd.
Koolstof wordt in staven toegepast in kernreactors om het kernsplijtingsproces te modereren, ofwel beheersbaar te houden.
The chemische en strukturele eigenschappen van fullerenen maken dat voor deze koolstofcomplexen een veelbelovende rol is weggelegd in de nanotechnologie.

Geschiedenis

Koolstof werd al in de prehistorische oudheid ontdekt en gebruikt in de vorm van houtskool, dat bereid werd door organisch materiaal (meestal hout) te verhitten in een zuurstofarme omgeving. Het engelse carbon is dan ook afgeleid uit het latijn, waar carbo houtskool betekent. Ook diamanten zijn sinds lang bekend. Pas sinds enkele decennia is het mogelijk deze synthetisch te vervaardigen. Fullerenen, de derde allotrope vorm, werden in de 1980'er jaren bij toeval ontdekt.

Allotropen

Er zijn vier allotrope toestanden bekend voor koolstof: amorf, grafiet, diamant en fullerenen.

Bij normale druk vormt koolstof grafiet. Hierbij vormt elk koolstofatoom bindingen met drie andere koolstofatomen. Deze verbindingen liggen in allen in hetzelfde vlak, dat bestaat uit gefuseerde hexagonale ringen, net als bij aromatische koolwaterstoffen. De twee bekende vormen van grafiet, alfa hexagonaal en beta rhombohedraal, hebben identieke fysische eigenschappen, maar verschillen in kristalstructuur. Natuurlijk grafiet kan tot 30% uit de beta vorm bestaan. Synthetisch grafiet bevat alleen de alfavorm. De alfavorm kan overgaan in de betavorm door mechanische behandeling. Boven 1000 °C gaat de betavorm weer over in de alfavorm.

Grafiet geleidt elektriciteit (door de delocalisatie van de pi-wolk). Grafiet is zeer zacht en bestaat uit lagen die makkelijk overal elkaar heen glijden, omdat de binding tussen de lagen alleen door van der Waals krachten wordt gevormd.

Bij zeer hoge druk kan de tweede allotrope vorm, diamant, ontstaan. In diamant vormt elk koolstofatoom bindingen met vier andere koolstofatomen. Diamant heeft dezelfde kubische structuur als silicium en germanium. De sterkte van de koolstof-koolstof bindingen maken diamant, samen met het isoelektrische boornitride de hardst bekende verbindingen, die uiterst krasbestendig zijn. Bij kamertemperatuur is de overgang van grafiet naar diamant extreem traag. Onder sommige omstandigheden kristalliseert koolstof als Lonsdaleïet, een vorm die overeenkomsten vertoont met diamant, maar hexagonaal is.

Fullerenen zijn genoemd naar Buckminster Fullerene die soortgelijke constructies in architectonische ontwerpen introduceerde, en worden om dezelfde reden ook wel "buckyballs" en "buckytubes" genoemd. Fullerenen hebben een grafietachtige structuur, maar in plaats van een zuivere hexagonale opeenstapeling komen er ook pentagonale en mogelijk heptagonale ordeningen van koolstofatomen in voor, waardoor de lagen zich vormen tot bollen, ellipsen en cilinders. Aan de eigenschappen van fullerenen valt nog veel te ontdekken.

Verspreiding

Er zijn als gezegd zo'n 10 miljoen koolstofverbindingen bekend. Koolstof komt in grote hoeveelheden voor in sterren (en dus de zon), kometen en in de atmosfeer van veel planeten.

Sommige meteorieten bevatten microscopisch kleine diamanten die gevormd zijn toen ons zonnestelsel nog een protoplanetaire schijf was. Koolstof komt in diverse verbindingen voor in de aardatmosfeer en in water. Kooldioxide CO₂ is daarvan wellicht de voornaamste verbinding. Een zeer geleidelijke door mensen veroorzaakte toename van CO₂ in de atmosfeer wordt door velen gezien als een bedreiging voor de aarde. Men spreekt van het broeikaseffekt.

In combinatie met kleinere hoeveelheden calcium, magnesium en ijzer komt koolstof op aarde in grote hoeveelheden voor in carbonaat en rotsgesteenten als kalksteen, dolomiet, marmer, etc.

Koolstof komt ook in zeer grote hoeveelheden voor in fossiele brandstoffen.

Grafiet wordt in grote hoeveelheden aangetroffen in de Verenigde Staten, Rusland, Mexico, Groenland en India.

Natuurlijke diamanten worden gevonden in oude vulkanische gesteenten, opgesloten in het mineraal kimberliet. De meeste diamanten worden gedolven in Afrika, vooral in Zuid Africa, Namibië, Botswana, de Republiek Congo en Sierra Leone. Verder worden diamanten gevonden Canada, de Russische Poolzee, Brazilieuml en in Noord- en West Australië.

Verbindingen

(nog te vertalen)

Isotopen

Het element komt als twee stabiele isotopen voor: ¹²C en ¹³C. Daarnaast is er een radioactief isotoop ¹⁴C (Koolstof 14) dat in de atmosfeer voortdurend aangemaakt wordt door kernreacties ten gevolge van de kosmische straling. Koolstof 14 datering wordt veel gebruikt om archeologische vondsten te dateren.

(nog te vertalen)

Waarschuwing

Naast de talloze koolfstofverbindingen zonder welke aards leven niet mogelijk zou zijn, zijn er ook veel toxische koolstofverbindingen, waaronder

Koolmonoxide (CO) dat onder andere voorkomt in uitlaatgassen van verbrandingsmotoren
Cyanide (CN^-), dat soms in mijnen wordt aangetroffen.

Organische gassen zoals ethyleen (CH₂=CH₂) en methaan (CH₄) zijn explosief en brandbaar wanneer ze met lucht (zuurstof) gemengd zijn.

Zie ook:

Scheikunde
Periodiek systeem
- Standaard
- Alternatief
Isotopen tabel
- Complete tabel
- Tabel in delen
Lijst met elementen

Externe links: