Koolstof

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 van het Latijn, waar carbo houtskool betekent.

Ook diamanten, die een andere allotrope vorm van koolstof zijn, zijn sinds lang bekend. Pas sinds enkele decennia is het mogelijk deze synthetisch te vervaardigen. Fullerenen, de derde allotrope vorm, werden in de jaren 80 (20e eeuw) bij toeval ontdekt.

[bewerk] Toepassingen

De voornaamste toepassing van koolstof is in de vorm van koolwaterstoffen, met name de fossiele brandstoffen aardgas 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 zijn:

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

[bewerk] Opmerkelijke eigenschappen

Koolstof is een vierwaardig element dat in grote hoeveelheden op aarde voorkomt. Koolstof kent vier allotrope vormen:

diamant, het hardste mineraal dat we kennen met een hardheid van 10,0
grafiet, een van de zachtste bekende substanties met een hardheid van 0,5, maar in de vorm van koolstofvezel wel met een hoge treksterkte
fullereen, dat interessante structurele en elektrochemische eigenschappen heeft die het wellicht bruikbaar maken voor nanotechnologie
amorf

a) diamant, b) grafiet. c) Lonsdaleïet, d) fullereen (C₆₀), e) C₅₄₀, f) C₇₀, g) amorf, h) nanobuis

Bij normale druk vormt koolstof grafiet. Hierbij vormt elk koolstofatoom bindingen met drie andere koolstofatomen. Deze verbindingen liggen alle 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. De sterkte binnen een laag is wel weer groot, een eigenschap die bij koolstofvezels ('linten' van grafiet) tot uiting komt.

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 verloopt 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.

Koolstof komt in zeer 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 (het aantal koolstofverbindingen is theoretisch onbeperkt). Koolstof vormt in verbinding met zuurstof onder andere CO₂, dat van essentieel belang 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.

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 veel 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. Het heelal koelde daarvoor in het begin te snel af. De vorming van koolstof vindt daarom voornamelijk in sterren plaats.

Fullerenen zijn genoemd naar de architect Buckminster Fuller 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.

[bewerk] Verschijning

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-Afrika, Namibië, Botswana, de Republiek Congo en Sierra Leone. Verder worden diamanten gevonden in Canada, de Russische Poolzee, Brazilië en in Noord- en West Australië.

[bewerk] Isotopen

Meest stabiele isotopen
Iso	RA (%)	Halveringstijd	VV	VE (MeV)	VP
¹¹C	syn	20,39 min	EV	1,982	¹¹B
¹²C	98,89	stabiel met 6 neutronen
¹³C	1,11	stabiel met 7 neutronen
¹⁴C	syn	5730 j	β	0,156	¹⁴N

Het element komt op aarde van nature 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.