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% CO
2.

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.

Diamantslijpen

Tijdens het slijpen wordt ruwe diamant tot een siersteen omgevormd.

Vaak wordt gedacht dat er hardere materialen bestaan dan diamant, vanwege de noodzakelijke bewerking voor o.a. sieraden. Het slijpen gebeurt echter ook met diamanten. Deze worden zorgvuldig onder een bepaalde hoek met de te slijpen diamant gezet. De kristalstructuur bepaalt op welke wijze het meest efficiënt geslepen kan worden. Voor het slijpen van de standaardvorm diamant houdt men vaak minder dan de helft van het originele materiaal over en de slijpduur kan afhankelijk van o.a. de grootte tot enkele maanden bedragen.
Vanwege zijn extreme hardheid wordt de niet heldere, minder voor het slijpen geschikte diamant (bijv. carbonado’s) gebruikt in de industrie, o.a. voor slijpen, boren, snijden en polijsten van harde materialen. Ook diamant poeder wordt voor slijpen en polijsten gebruikt.

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.
Diamant wordt o.a. gevonden in het Sperrgebiet ten zuiden van Lüderitz aan de kust van Namibië en in het aansluitende kustgebied van Zuid-Afrika. In die gebieden komt diamant voor in een zandlaag enige meters onder de oppervlakte. Deze gebieden zijn gesloten voor eenieder die er niets te zoeken heeft. Een deel van de diamant spoelt ook wel de Atlantische Oceaan in en wordt daar door diamantvissers gewonnen. Zij werken onder licentie van De Beers, het grote diamantbedrijf dat vrijwel een wereldmonopolie op diamant bezit, hoewel landen van de voormalige Sovjet-Unie ook een belangrijke diamantproducent zijn geworden.
De belangrijkste centra voor verhandeling van diamant zijn Londen (waar De Beers gevestigd is) en Antwerpen (80% van alle diamanten gaat langs Antwerpen).
Het gewicht van diamant wordt aangegeven in karaat (0,2 g). De grote diamanten kregen vroeger een naam. Beroemde diamanten zijn de Orlow of groot Mogol, de Zuidster, de Hope, enz. De grootste diamant die totnogtoe op aarde is gevonden, is de Cullinan.
De Cullinan werd op 26 januari 1905 in de Premier-mijn (Zuid-Afrika) ontdekt. De Cullinan woog 3601 karaat en had aan één kant een groot plat vlak, waaruit blijkt dat de oorspronkelijke steen nog veel groter is geweest. De Cullinan is genoemd naar Thomas Cullinan, de eigenaar van de mijn.
Van de Cullinan zijn in Engeland negen grote en 96 kleine diamanten geslepen, waaronder de Star of Africa . Deze diamant van 530,2 karaat is verwerkt in de Britse kroonjuwelen.
Veel diamant voor industriële doeleinden worden ook synthetisch gemaakt; diamanten van sieradenkwaliteit levert dit echter (nog) niet op. Onderzoekers van de Carnegie Institution of Washington ontdekten in 2004 een procédé om binnen 24 uur diamant te synthetiseren dat meer dan 50% harder is dan de natuurlijke diamant.

Ethische bemerking

Het winnen van diamanten in bepaalde delen van Afrika roept tegenwoordig bij sommigen ethische bezwaren op, omdat de verkoop door verschillende legers wordt gebruikt om hun oorlogen mee te financieren. Men spreekt dan van conflict- of bloeddiamant. Recent zijn stappen ondernomen om dit fenomeen tegen te gaan, het zgn. Kimberley-proces (naar een conferentie in die Zuid-Afrikaanse stad). Afgesproken is dat diamanten nog alleen zullen mogen circuleren met een attest, waaruit blijkt dat ze op reguliere wijze zijn gewonnen, en niet in conflictzones. Het proces staat evenwel nog maar in de kinderschoenen, omdat de controle moeilijk is en omdat regeringen - die moeten instaan voor de attestering - nu juist in die oorlogszones meestal geen grote garantie voor betrouwbaarheid bieden. Bovendien staan zulke grote bedragen op het spel, dat smokkel, corruptie en fraude uiterst verlokkelijk zijn. In de toekomst zal een oplossing wellicht gezocht moeten worden in spectrografisch bewijs van oorsprong. Aan die technologie wordt gewerkt.

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.