| Symbool | C |
|---|---|
| Atoomnummer | 6 |
| Atoommassa | 12,011 u |
| Categorie | Niet-metaal |
| Groep | 14 |
| Periode | 2 |
| Blok | p-blok |
| Fase bij 20 °C | vast |
| Smeltpunt | geen: sublimeert |
| Kookpunt | sublimeert bij ca. 3642 °C |
| Dichtheid | 2,27 g/cm³ (grafiet), 3,51 g/cm³ (diamant) |
| Elektronenconfiguratie | [He] 2s2 2p2 |
| Elektronen per schil | 2, 4 |
| Elektronegativiteit (Pauling) | 2,55 |
| Oxidatiegetallen | −4, +2, +4 |
| Ontdekt | prehistorie |
| Engelse naam | Carbon |
| Latijnse naam | Carbonium |
Eigenschappen van koolstof
Koolstof heeft vier valentie-elektronen en vormt daardoor vier sterke covalente bindingen, enkelvoudig, dubbel of drievoudig. Die veelzijdigheid is de basis van de organische chemie. Zuivere koolstof bestaat in verschillende vormen, allotropen genoemd. In diamant is elk atoom aan vier andere gebonden in een driedimensionaal rooster: keihard, doorzichtig en een elektrische isolator. In grafiet liggen platte lagen van zeshoeken los op elkaar: zacht, zwart en elektrisch geleidend. Eén enkele grafietlaag heet grafeen, en daarnaast bestaan bolvormige fullerenen en koolstofnanobuisjes. Bij normale druk smelt koolstof niet maar sublimeert het rond 3640 °C direct tot gas. Verbranding geeft koolstofdioxide, of bij zuurstoftekort het giftige koolstofmonoxide. Natuurlijke koolstof bestaat uit koolstof-12 en een beetje koolstof-13. Het radioactieve koolstof-14, met een halveringstijd van 5730 jaar, ontstaat in de atmosfeer en maakt koolstofdatering van organische resten mogelijk.
Naam. Het symbool C komt van het Latijnse ‘carbo’ (houtskool); de Nederlandse naam ‘koolstof’ betekent letterlijk ‘de stof van steenkool en houtskool’.
Atoombouw en plaats in het periodiek systeem
Koolstof staat in periode 2 en groep 14 (koolstofgroep) van het periodiek systeem, in het p-blok.
Een neutraal atoom heeft 6 protonen in de kern en 6 elektronen, verdeeld over 2 schillen: 2, 4. Het periodenummer (2) is gelijk aan het aantal schillen.
Omdat het in groep 14 staat, heeft Koolstof 4 valentie-elektronen in de buitenste schil; die bepalen hoe het reageert en bindingen vormt (zie chemische bindingen).
Buren in het systeem: links/ervoor: Boor (B, 5); rechts/erna: Stikstof (N, 7); eronder in dezelfde groep: Silicium (Si).
Andere elementen in groep 14: Silicium, Germanium, Tin, Lood, Flerovium.
Voorkomen
Koolstof is het op drie na meest voorkomende element in het heelal; het wordt in sterren gevormd door het samensmelten van drie heliumkernen. Op aarde zit het in kalksteen en marmer (calciumcarbonaat), in steenkool, aardolie en aardgas, als CO2 in de atmosfeer en opgelost in de oceanen, en in alle levende wezens. Ongeveer 18 procent van je lichaamsgewicht is koolstof. Koolstof circuleert voortdurend tussen lucht, planten, dieren, bodem en zee in de koolstofcyclus. Grafiet en diamant worden gemijnd, maar ook synthetisch gemaakt; kunstdiamant ontstaat onder hoge druk en temperatuur of door neerslag uit een gas.
Toepassingen
- Fossiele brandstoffen als steenkool, aardolie en aardgas bestaan grotendeels uit koolstofverbindingen en leveren nog steeds het grootste deel van de wereldenergie.
- Cokes (bijna zuivere koolstof) reduceert ijzererts tot ijzer in hoogovens; staal is ijzer met een klein beetje koolstof.
- Grafiet zit in potloden, smeermiddelen, elektroden en in de negatieve pool van lithium-ionbatterijen.
- Diamant wordt behalve als edelsteen vooral gebruikt in boor-, zaag- en slijpgereedschap.
- Koolstofvezel is licht en sterk en wordt toegepast in racefietsen, vliegtuigen en windturbinebladen.
- Actieve kool filtert verontreinigingen uit drinkwater en lucht en wordt gebruikt tegen vergiftigingen.
Veelgestelde vragen
Waarom is koolstof zo belangrijk voor het leven?
Koolstof kan vier stevige bindingen vormen en lange ketens, vertakkingen en ringen maken. Zo ontstaan grote, ingewikkelde moleculen zoals eiwitten, suikers, vetten en DNA. Geen ander element kan zo’n enorme variatie aan stabiele verbindingen vormen. Daarom heet de chemie van koolstofverbindingen ook wel organische chemie.
Wat is het verschil tussen diamant en grafiet?
Beide bestaan uit zuivere koolstof, alleen de rangschikking van de atomen verschilt. In diamant is elk atoom stevig aan vier buren gebonden in een 3D-rooster, wat hem keihard maakt. In grafiet liggen platte lagen los op elkaar die makkelijk verschuiven; daarom is grafiet zacht en schrijft het.
Hoe werkt koolstofdatering?
Levende wezens nemen koolstof op, waaronder een vast klein deel radioactief koolstof-14. Na de dood stopt die opname en vervalt koolstof-14 met een halveringstijd van 5730 jaar. Door te meten hoeveel er nog over is, kun je de ouderdom van hout, botten of textiel tot ongeveer 50.000 jaar bepalen.