Koolstof

Portaal Scheikunde
Chemisch element

Een stukje antraciet
Naam	Koolstof / Carbonium (Latijn)
Latijn
Symbool	C
Atoomnummer	6
Soort	niet-metaal
Kleur	zwart
Smeltpunt	3652 ^oC
Kookpunt	4827 ^oC

Koolstof (van het Latijn : carbo "kool") is een scheikundig element met het symbool C en atoomnummer 6. Het is niet-metaalachtig. Het behoort tot groep 14 van het periodiek systeem. Koolstof in zijn natuurlijke vorm, vormt slechts ongeveer 0,025 procent van de aardkorst. Koolstof is een van de weinige elementen die sinds de oudheid bekend zijn.

Voorkomen

In de natuur kan koolstof onder anderen voorkomen in de vorm van diamant, grafiet en normale koolstof. Koolstof is wat overblijft nadat je hout verbrandt.

Koolstof is het 15e meest voorkomende element in de aardkorst, en het vierde meest voorkomende element in het universum in massa na waterstof, helium en zuurstof. De overvloed aan koolstof, met een enorme variatie aan organische verbindingen (koolwaterstoffen) en het ongebruikelijke vermogen om polymeren te vormen bij de temperaturen die gewoonlijk op aarde worden aangetroffen. Polymeren zijn stoffen of materialen zoals plastics en kunstmatig rubber die bestaan uit zeer grote moleculen of macromoleculen. De (natuurlijke) polymeren met meerdere atomen koolstof komen in allerlei vormen voor in al het bekende leven (planten en dieren). Het is dan ook het tweede meest voorkomende element in het menselijk lichaam in massa (ongeveer 18,5%) na zuurstof.

De atomen van koolstof kunnen op verschillende manieren aan elkaar binden, de zogeheten allotropen. Bekende allotropen zijn grafiet (zit in potlood), diamant, steenkool en fullerenen (ingewikkelde kippengaasachtige atoomstructuren - zie modellen). Het voorkomen van koolstof kan sterk van vorm, kleur en hardheid variëren. Grafiet is bijvoorbeeld ondoorzichtig en zwart, terwijl diamant zeer transparant (doorzichtig) is. Grafiet is zacht genoeg om een streep op papier te vormen (vandaar de naam, van het Griekse werkwoord "γράφειν", gráfein wat "schrijven" betekent), terwijl diamant het moeilijkste bewerkbare natuurlijk voorkomende materiaal is dat bekend is. Grafiet is een goede elektrische geleider terwijl diamant stroom slecht door laat. Onder normale omstandigheden hebben diamant, koolstofnanobuisjes en grafeen de hoogste warmte geleiding van alle bekende materialen. Alle koolstof-allotropen zijn onder normale omstandigheden vaste stoffen. Koolstof-allotropen zijn bestand tegen chemische inwerking en hebben een hoge temperatuur nodig om zelfs met zuurstof te reageren.

Een verbinding tussen koolstof en zuurstof komt in twee gasvormen voor: Koolmonoxide (giftig en verstikkend) en kooldioxide (zit in de adem die je uitademt). Niet-organische koolstof bronnen zijn kalksteen, dolomieten en kool(stof)dioxide, maar aanzienlijke hoeveelheden komen voor in organische afzettingen van steenkool, turf en olie. Koolstof vormt een groot aantal verbindingen, meer dan enig ander chemisch element, met bijna tien miljoen verbindingen die tot nu toe zijn beschreven. Een toch is dat aantal maar een heel klein deel van het aantal mogelijke verbindingen wat theoretisch onder standaardomstandigheden te maken zou zijn of zou voorkomen. Om deze reden wordt koolstof vaak de "koning van de elementen" genoemd.

Koolstof als erts of mineraal en organische afzetting

Glasachtig koolstof en een grafietblokje van 1 cm³ ter vergelijking.
Stuk koolstof
Houtskool
Fossiele houtskool
Steenkool
Deels gestoken turf
Plas aardolie
Grafieterts
Ruwe diamant
Marmer is een metamorf gesteente dat bestaat uit herkristalliseerde carbonaatmineralen, meestal calciet of dolomiet
Calcietbloem met calciumcarbonaat.
Dolomiet op talkgesteente

Modellen van koolstof en koolstofverbindingen

Koolstofdioxine molecuul (CO₂) met 1 koolstof atoom (C, zwart) en 2 zuurstof atomen (O, rood). Ook bekend als koolzuurgas of prik in limonade
Koolzuur (H₂CO₃), of (di)waterstofcarbonaat. Wordt gebruikt in bruistabletten voor het oplossen van geneesmiddelen, vitamines, etc.
Koolmonoxide (CO)
Acht voorbeelden van allotropen van koolstof: a) Diamant, b) Grafiet, c) Lonsdaleiet, d) C60 (Buckminsterfullereen), e) C540 (Fullereen), f) C70 (Fullereen), g) Amorfe koolstof (b.v. houtskool), h) enkelwandige koolstof nanobuis
Glucose (C₆H₁₂O₆), bevat 6 koolstof- (C), 12 waterstof- (H) en 6 zuurstofatomen (O). Het is een soort suiker.
Fructose (C₆H₁₂O₆), soort suiker
Kunststof, polymeer (paarsblauw is hier koolstof)
Vitamine D3 (C₂₇H₄₄O), is onder andere belangrijk voor de ontwikkeling van de botten.

Gebruik

Koolstof komt op heel veel plekken voor, zoals in koolwaterstoffen (steenkool, aardolie en aardgas), maar ook in bijvoorbeeld diamant. Diamant ontstaat als je koolstof heel erg samendrukt. Koolstof zit ook veel in benzine, wat gemaakt is uit aardolie. Naast benzine (voor auto's) worden er nog andere zogeheten fossiele brandstoffen uit aardolie gehaald, zoals petrolium, diesel en kerosine (voor vliegtuigen). Hout en kolen zijn ook fossiele brandstoffen. Bij al deze stoffen komt er bij (volledige) verbranding kooldioxide (CO₂) en water vrij. Kooldioxide is mede de oorzaak van luchtvervuiling. Doordat er steeds meer van dit gas in de lucht komt is het een van de oorzaken van de opwarming van de aarde (broeikaseffect).

Bij een slechte of onvolledige verbranding kan er koolmonoxide ontstaan. Dit gas is giftig, verstikkend en dus dodelijk. Dit gebeurd wel eens bij vervuilde gasbranders of geisers. Bij het koken is het goed ventileren dan ook verstandig. Brand- en/of koolmonoxide melders worden door de brandweer geadviseerd.

Daarnaast worden uit aardolie stoffen gehaald zoals bitumen voor het asfalt waar wegen van worden gemaakt.

Plastics (kunststoffen) zijn hierboven al genoemd. Kunststoffen hebben als nadeel dat het als zwerfafval in de rivieren en oceanen terecht kunnen komen en daar verbrokkelen en de plasticsoep in de oceanen veroorzaken.

Er worden ook Vezelversterkte kunststoffen gemaakt die carbon heten. Deze worden bijvoorbeeld gebruikt voor frames van racefietsen en tennisrackets. Dit materiaal is lastig her te gebruiken (recycling).

Drukinkt (vooral zwart) bevat ook koolstof, deels als kleurstof. Het vet in de inkt bevat trouwens ook koolstof. Smeer je drukinkt op een heel dun papier, dan krijg je carbonpapier, waarmee je tekeningen kunt overzetten op bijvoorbeeld blank hout.

Biologie

Koolstof komt ook voor in plantaardige stoffen zoals in pindakaas en slaolie. Veel van wat we dagelijks eten en drinken bevat koolstof. Denk aan aardappelen, groenten en fruit, maar ook brood. Laat je dit aanbakken dan zie je een zwart laagje koolstof ontstaan. Suikers (zoals glucose, fructose en sacherose) en zetmeel (frisdranken, snoep, zoet beleg, brood, pasta en rijst) bevatten koolstof in de vorm van koolhydraten. Kauw maar eens wat langer op een korstje brood, dan proef je dat het zoeter wordt. Het speeksel in je mond zet het zetmeel dan om in suikers . Ook vetten en eiwitten bevatten koolstof. Verderop in je lichaam (maag en darmen) wordt het voedsel verbrand, alleen gaat dat niet met vuur. Zo krijg je wel energie in je lijf om te kunnen bewegen.

Vitamines worden ook gevormd door koolstof-, zuurstof- en waterstofatomen. Vitamines zijn voedingsstoffen. Ze komen in kleine hoeveelheden voor in eten en drinken. Ze zijn nodig voor een normale ontwikkeling en groei en zijn nodig om gezond te blijven. Ze leveren geen energie.

Het mooie van groene planten en bomen is, dat ze kooldioxide uit de lucht halen en er zuurstof voor teruggeven. Dit proces gebeurt in het bladgroen van de plant en bladeren van bomen. Het proces heet fotosynthese. Probleem is echter dat de planten en bomen het teveel aan kooldioxide in de lucht niet (meer) allemaal omgezet krijgen (het natuurlijke evenwicht is verstoord). Als er dan ook nog veel bossen worden gekapt, wordt het probleem alleen maar groter.

Veiligheid

Houtskool en aardolieproducten, plastics etc Zijn brandbaar
De niet of moeilijk afbreekbare koolstof verbindingen zijn slecht voor het milieu
Met name koolmonoxide is giftig en verstikkend
Koolstof verwerkt in kruit is explosief
Sommige koolstof verbindingen zijn gevaarlijk bij inademing en inname