Het element koolstof

Het element koolstof bevindt zich in groep IVa (14) van het PS. Het vormt bij n.o. een vast niet-metaal met vier allotrope vormen n.l. één amorfe en drie kristallijne (grafiet, diamant en fullereen).
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.
Alhoewel koolstof slechts voor ca. 0,1 massa% op aarde voorkomt, speelt het toch een zeer belangrijke rol in de natuur, zowel in de minerale als in de levende materie. Het is na zuurstof het element dat het meest vertegenwoordigd is in de levende wezens. Onder de vorm van calciet, dolomiet, marmer en andere kalkgesteenten vindt men het zeer verspreid in steengroeven, grotten en rotsmassieven. Als overblijfsel van vroeger levende organismen vindt men veel fossiele koolstof in steenkool, bruinkool en turf. Aardolie of ruwe petroleum bestaat uit verbindingen van koolstof met waterstof(koolwaterstoffen). De lucht bevat gemiddeld 0,03 volume% CO2.

Diamant

Diamant is een van de vier natuurlijke allotrope verschijningsvormen van koolstof (de meest voorkomende is grafiet). Diamant is in zuivere toestand een kleurloze kristallijne stof met r = 3510 kg/m3. Door verontreinigingen kan het soms geel of zwart gekleurd zijn (carbonado). Het heeft een sterk lichtbrekend vermogen, eigenschap waaraan een geslepen diamant zijn schittering dankt. De diamant ontleent zijn naam aan het Griekse adamas, "ontembaar" of "onoverwinnelijk", verwijzend naar zijn hardheid.

In diamant is elk koolstofatoom covalent gebonden met vier andere koolstof atomen, die de toppen van een regelmatige tetraëder innemen. Hun onderlinge afstand bedraagt 154 pm. Elk dergelijk koolstofatoom is op zijn beurt tetraëdrisch met vier andere verbonden, zodat een reuzemolecule ontstaat, die buitengewoon hard is. Diamant is de hardste van alle stoffen, het is dan ook het ijkpunt voor hardheid 10 op de hardheidsschaal van Mohs.

Diamant is niet geleidend voor de elektrische stroom.
Diamant wordt noch door zuren, HF inbegrepen, noch door basen aangetast. Bij gloeihitte verbrandt het met zuurstof tot CO2. Uit dit enige verbrandingsproduct blijkt dat diamant enkel uit koolstof bestaat.
Diamant is een transparant kristal met een brekingsindex van 2,417. In juwelen wordt zo het (zon)licht mooi gebroken en weerkaatst. Bovendien wordt het gepolijste glanzende oppervlak van de diamantsteen niet mat omdat het materiaal zo hard is.

Winning

Diamant vindt men als zodanig in de natuur. Het heeft zich onder hoge druk in gesmolten rotsen gevormd en werd nadien door vulkanische uitbarstingen naar de hogere grondlagen meegevoerd. Men vindt het bijna uitsluitend naast eruptieve gesteenten. De belangrijkste voorbrengers zijn Zuid-Africa, Brazilië, Kongo en de vroegere Sovjet-Unie.
Het gewicht van diamant wordt aangegeven in karaat (0,2 g).

Grafiet

Grafiet is een zwarte tot zwart-grijze kristallijne stof, met doffe metaalglans, zacht en vettig aanvoelend met r = 2250 kg/m3. Men vindt het in de natuur (Siberië) maar het kan ook kunstmatig verkregen worden, door amorfe koolstof in de elektrische oven, bij luchtafsluiting, tot zeer hoge temperatuur te brengen. (Acheson-grafiet)


Acheson

Grafiet bestaat uit bladvormige reuzemoleculen op 340 pm van elkaar, samengehouden door londonkrachten. In de bladen zelf is elk koolstof atoom covalent met drie andere koolstofatomen gebonden. Hun onderlinge afstand bedraagt 142 pm. Daar koolstof vier valentie-elektronen heeft, is elk koolstof atoom met de drie buren enkelvoudig gebonden. Elk koolstofatoom heeft nog één elektron in een p-orbitaal die loodrecht staat op vlak waarin zich de bladvormige reuzemolecule bevindt. Vermits dus alle p-orbitalen evenwijdig zijn kunnen de zich daarin bevindende elektronen vrij bewegen in een soort reusachtige molecuulorbitaal over geheel de molecule.
Zijn zachtheid dankt grafiet aan de zwakke bindingen tussen de bladstructuren, waardoor de bladen gemakkelijk over elkaar kunnen glijden. Daarom is het ook een goed smeermiddel. In tegenstelling tot diamant geleidt grafiet de elektrische stroom goed. Dat geleidingsvermogen is het gevolg van de beweeglijke elektronen in de hoger besproken molecuulorbitalen.

Grafiet wordt gebruikt voor het maken van potloden, smeltkroezen, elektroden materiaal, koolborstels voor dynamo’s en motoren, om gietvormen geleidend te maken in de galvanoplastie, als smeermiddel voor bladveren, om ijzeren toestellen tegen roesten te beschermen.