koolstof

eigenschappen en toepassingen

op basis van het gewicht is koolstof 19e in volgorde van de elementaire abundantie in de aardkorst, en er worden naar schatting 3,5 keer zoveel koolstofatomen als siliciumatomen in het universum. Alleen waterstof, helium, zuurstof, neon en stikstof zijn atomisch meer aanwezig in de kosmos dan koolstof. Koolstof is het kosmische product van het” verbranden ” van helium, waarbij drie heliumkernen, atoomgewicht 4, fuseren om een koolstofkern, atoomgewicht 12 te produceren.,

in de aardkorst is elementair koolstof een minder belangrijk bestanddeel. Echter, koolstofverbindingen (d.w.z., carbonaten van magnesium en calcium) vormen gemeenschappelijke mineralen (bijv., magnesiet, dolomiet, marmer of kalksteen). Koraal en de schelpen van oesters en kokkels zijn voornamelijk calciumcarbonaat. Koolstof wordt wijd verspreid als steenkool en in de organische verbindingen die aardolie, aardgas, en al plantaardig en dierlijk weefsel vormen., Een natuurlijke opeenvolging van chemische reacties genaamd de koolstofcyclus—waarbij de omzetting van atmosferische koolstofdioxide in koolhydraten door fotosynthese in planten, de consumptie van deze koolhydraten door dieren en oxidatie van hen door middel van metabolisme om kooldioxide en andere producten te produceren, en de terugkeer van kooldioxide naar de atmosfeer—is een van de belangrijkste van alle biologische processen.

koolstof als element werd ontdekt door de eerste persoon die houtskool van vuur hanteerde., Samen met zwavel, ijzer, tin, lood, koper, kwik, zilver en goud was koolstof dus een van de kleine groep elementen die in de oude wereld bekend was. De moderne koolstofchemie dateert van de ontwikkeling van kolen, aardolie en aardgas als brandstoffen en van de opheldering van de synthetische organische chemie, beide aanzienlijk ontwikkeld sinds de jaren 1800.

elementair koolstof bestaat in verschillende vormen, die elk hun eigen fysische kenmerken hebben. Twee van zijn goed gedefinieerde vormen, diamant en grafiet, zijn kristallijn van structuur, maar ze verschillen in fysische eigenschappen omdat de arrangementen van de atomen in hun structuren verschillend zijn. Een derde vorm, fullereen genaamd, bestaat uit een verscheidenheid aan moleculen die volledig uit koolstof zijn samengesteld., Bolvormige, gesloten-kooi fullerenen worden buckerminsterfullerenen genoemd, of “buckyballs,” en cilindrische fullerenen worden nanotubes genoemd. Een vierde vorm, genaamd Q-koolstof, is kristallijn en magnetisch. Nog een andere vorm, amorf koolstof genaamd, heeft geen kristallijne structuur. Andere vormen—zoals roetzwart, houtskool, lampzwart, steenkool en cokes—worden soms amorf genoemd, maar röntgenonderzoek heeft aangetoond dat deze stoffen een lage mate van kristalliniteit bezitten., Diamant en grafiet komen van nature op aarde voor, en ze kunnen ook synthetisch worden geproduceerd; ze zijn chemisch inert, maar combineren wel met zuurstof bij hoge temperaturen, net als amorf koolstof. Fullerene werd serendipitously ontdekt in 1985 als een synthetisch product in de loop van laboratoriumexperimenten om de chemie in de atmosfeer van reuzensterren te simuleren. Later bleek het in kleine hoeveelheden op aarde en in meteorieten op natuurlijke wijze voor te komen. Q-koolstof is ook synthetisch, maar wetenschappers hebben gespeculeerd dat het zich zou kunnen vormen in de hete omgevingen van sommige planetaire kernen.,

The word carbon probably derives from the Latin carbo, meaning variously “coal,” “charcoal,” “ember.,”De term diamant, een corruptie van het Griekse woord adamas, “de onoverwinnelijke,” beschrijft treffend de permanentie van deze gekristalliseerde vorm van koolstof, net zoals grafiet, de naam voor de andere kristalvorm van koolstof, afgeleid van het Griekse werkwoord graphein, “schrijven,” weerspiegelt zijn eigenschap van het verlaten van een donkere vlek wanneer gewreven op een oppervlak. Vóór de ontdekking in 1779 dat grafiet bij verbranding in de lucht kooldioxide vormt, werd grafiet verward met zowel het metaallood als een oppervlakkig vergelijkbare stof, het mineraal molybdeniet.,

zuivere diamant is de hardste natuurlijke stof die bekend is en is een slechte geleider van elektriciteit. Grafiet, aan de andere kant, is een zacht gladde vaste stof die een goede geleider van zowel warmte en elektriciteit. Koolstof als diamant is de duurste en briljantste van alle natuurlijke edelstenen en de hardste van de natuurlijk voorkomende slijpmiddelen. Grafiet wordt gebruikt als smeermiddel. In microkristallijne en bijna amorfe vorm wordt het gebruikt als zwart pigment, als adsorbens, als brandstof, als vulmiddel voor rubber en, gemengd met klei, als het “lood” van potloden., Omdat het elektriciteit geleidt maar niet smelt, wordt grafiet ook gebruikt voor elektroden in elektrische ovens en droge cellen en voor het maken van smeltkroezen waarin metalen worden gesmolten. Moleculen van fullereen zijn veelbelovend in een reeks toepassingen, waaronder materialen met een hoge treksterkte, unieke elektronische en energie-opslagapparaten en veilige inkapseling van brandbare gassen, zoals Waterstof., Q-carbon, dat wordt gecreëerd door snel een monster van elementaire koolstof te koelen waarvan de temperatuur is verhoogd tot 4.000 K (3.727 °C ), is harder dan diamant, en het kan worden gebruikt om diamantstructuren (zoals diamantfilms en microneedles) binnen de matrix te vervaardigen. Elementair koolstof is niet giftig.

elk van de” amorfe ” vormen van koolstof heeft zijn eigen specifieke karakter en heeft dus elk zijn eigen specifieke toepassingen. Alle zijn producten van oxidatie en andere vormen van afbraak van organische verbindingen. Steenkool en cokes worden bijvoorbeeld op grote schaal als brandstof gebruikt., Houtskool wordt gebruikt als absorberend en filtermiddel en als brandstof en werd ooit veel gebruikt als ingrediënt in buskruit. (Kolen zijn elementaire koolstof gemengd met verschillende hoeveelheden koolstofverbindingen. Coke en houtskool zijn bijna pure koolstof.) Naast het gebruik ervan in het maken van inkten en verven, wordt carbon black toegevoegd aan het rubber dat wordt gebruikt in banden om de slijteigenschappen te verbeteren. Bone black, of dierlijke houtskool, kan gassen en kleurstoffen van vele andere materialen adsorberen.,

koolstof, hetzij elementair, hetzij gecombineerd, wordt gewoonlijk kwantitatief bepaald door omzetting in kooldioxidegas, dat vervolgens door andere chemische stoffen kan worden geabsorbeerd om ofwel een weegbaar product of een oplossing met zure eigenschappen te verkrijgen die kan worden getitreerd.