Een serie artikelen over de verschillende elementen. De legoblokjes waarmee wijzelf, onze aarde en de materie van het universum is opgebouwd hebben allemaal hun eigen specifieke eigenschappen. In deze serie gaan we stap voor stap langs elk element en kijken we wat voor zinvolle zaken de wikipedia erover te zeggen heeft, met daarnaast een interessant filmpje van de universteit van Nottingham waarmee verschillende experimenten met het betreffende element worden gedaan.
Vandaag nummer 6 van de 118 elementen, Koolstof (C).
Koolstof is na waterstof, helium en zuurstof het meest voorkomende element in het heelal, omdat in zware sterren door kernfusie aan het einde van hun leven enorme hoeveelheden koolstof (uit helium) worden gemaakt. Bij supernova’s komen dan ook enorme wolken koolstofrijk stof vrij, die volgens de laatste theorieën de bouwstenen leverden voor het ontstaan van leven. Ook op aarde komt veel koolstof voor, vooral in de vorm van carbonaten, gesteenten waarin het CO32- ion voorkomt. Ook in de oceanen komen veel carbonaationen voor, waar ze verantwoordelijk zijn voor het stabiliseren van de zuurgraad van het zeewater. Daarnaast kent de aarde ook de nodige zuivere koolstof in de vorm van steenkool, grafiet en diamant. Fossiele brandstoffen bestaan uit koolwaterstoffen, zoals methaan (aardgas; CH4) en ingewikkelder ketens. Ook de lucht bevat koolstof in de vorm van CO2, kooldioxide. Buiten de aarde zijn de veel voorkomende chondrieten, koolstofrijke asteroïden een interessante koolstofbron. De atmosfeer van Venus bestaat vrijwel geheel uit een dikke mantel kooldioxide; ook gasreuzen als Jupiter en Saturnus bevatten het nodige koolstof in de vorm van methaan. De Saturnusmaan Titan kent een in het zonnestelsel unieke methaankringloop, met methaanmeren en methaanregens.
Wat zijn de eigenschappen van koolstof?
Koolstof is een klein en licht atoom met in de kern 6 protonen en 6 (12C, plm. 99%) of 7 (13C; 1,1% van alle koolstof op aarde) neutronen. Omdat van de zes elektronen van koolstof maar liefst vier bindingen vormen en het atoom zo klein en licht is, vormen zuivere koolstofmaterialen de sterkste materialen die ons bekend zijn. Grafeen, moleculair kippengaas, en diamant bestaan uit zuiver koolstof en hebben treksterktes die uit science fictionboeken lijken te komen. Om een grafeen- of diamantvezel met een doorsnede van 1 mm2 te breken, is een kracht van 1 050 000 N nodig (het gewicht van twintig volwassen Afrikaanse mannetjesolifanten van 5 ton elk). Dankzij koolstof kunnen we daarom in theorie een ruimtelift bouwen. Koolstof kan zowel elektronen afstaan als opnemen, waardoor de koolstofchemie (beter bekend als organische chemie) extreem rijk en complex is. De reden overigens waarom de scheikunde is onderverdeeld in organische chemie (waaronder biochemie) en anorganische chemie(de rest; chemie dus waarbij koolstof niet betrokken is). Koolstof verdampt direct als vaste stof (sublimatiepunt boven de 4000 graden) en vormt alleen onder hoge druk en temperatuur een vloeistof. Koolstof is een halfgeleider, maar uit recente ontdekkingen blijkt dat koolstofnanobuisjes ongeveer even goed stroom geleiden als koper en aluminium en deze metalen dus kunnen vervangen.
Toepassingen
Koolstof komt voor in de vorm van koolwaterstoffen, met name de fossiele brandstoffen aardgas en ruwe olie. Uit ruwe olie wordt in de petrochemische industrie onder andere 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 vormt het “streepvormend” deel in potloden, waarbij ook nog klei wordt toegevoegd voor stevigheid.
- Diamanten (pure koolstof) 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 ijzererts wordt gemengd.
- In kernreactors wordt grafiet in staven toegepast 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.
- In fijnverdeelde toestand (actieve kool) heeft kool een hoog specifiek oppervlak en kan gebruikt worden als adsorbeermiddel. Het wordt wel gebruikt als filtermateriaal om vloeistoffen te ontkleuren en zelfs ingeslikt om gifstoffen uit het maag-darmkanaal te verwijderen (‘Norit’).
- Elektronica weerstanden (grafietweerstand); koolstof is een zeer goede stroomgeleider maar als een redelijk grote stroom door in een tot verhouding zeer dun staafje grafiet moet lopen ontstaat een hogere weerstand. Grafiet heeft daarbij als voordeel dat deze niet snel doorsmelt. (Hoe hoger de stroom, hoe groter de temperatuur, en hoe groter de weerstand.)
- Koolhydraten als ethanol, suikers als sacharose, glucose, fructose, zetmeel enz.
- Plantaardige oliën en vetten en de verwerking daarvan in voeding en oleochemie.
- Als allerbelangrijkste: het element koolstof is onmisbaar voor alle levende wezens: alle organische verbindingen bevatten het element koolstof.