Koolstof

Koolstof Definitie

zelfstandig
plural: carbons
car-bon, /ˈkɑɹbən/

(biochemie) Het chemische element met een atoomnummer van 6, en is wijd verspreid en vormt organische verbindingen wanneer het gecombineerd wordt met waterstof, zuurstof, enz.

Etymologie: Latijn carbō (“houtskool”, “steenkool”). Symbool: C

Overzicht

Koolstof is een van de chemische elementen die in de natuur voorkomen. Een chemisch element verwijst naar de zuivere substantie van één soort atoom. Momenteel zijn 94 natuurlijke elementen en 24 synthetische. Koolstof is een van de meest voorkomende elementen in levende wezens, samen met zuurstof, waterstof, en stikstof.

Eigenschappen van koolstof

Koolstof is het zesde element in het periodiek systeem. Het atoomgewicht is 12,011. Het symbool is C. Het sublimatiepunt is 3642 °C. Koolstof is een niet-metaal. Het atoomnummer is 6. Het behoort tot groep 14 van het periodiek systeem. Het kan voorkomen als een atoom of als een zuiver element. Afhankelijk van de structurele configuratie zullen de allotropen van koolstof morfologisch verschillen. Grafiet is bijvoorbeeld ondoorzichtig en zwart, terwijl diamant doorzichtig is. Koolstof is tetravalent, wat betekent dat het een valentie van vier elektronen heeft. Het kan zoveel verbindingen vormen dat het de koning der elementen wordt genoemd.

Ontdekking van koolstof

Koolstof is een polyatomisch niet-metaal, soms beschouwd als een metalloïde element. Het werd voor het eerst ontdekt door Egyptenaren en Soemeriërs (3750 v. Chr.1) maar het werd voor het eerst als element erkend door Antoine Lavoisier (1789)2.

Koolstofhoudende stoffen

Koolstof is een van de meest overvloedige elementen op aarde. Het heeft drie natuurlijk voorkomende isotopen: Koolstof-12, Koolstof-13 en Koolstof-14. Koolstof kan een wisselwerking aangaan met andere koolstofatomen en allotropen vormen. Het kan ook reageren met atomen of groepen atomen van verschillende elementen om verbindingen te vormen. Koolstofhoudende verbindingen kunnen worden ingedeeld als organisch of anorganisch.

Isotopen

Isotopen verwijzen naar een van de twee of meer vormen van hetzelfde element. Zij hebben hetzelfde aantal protonen, maar verschillen in het aantal neutronen in hun kernen. Daarom verschillen zij in atomair massagetal. Toch vertonen zij vrijwel identieke chemische eigenschappen. Koolstofisotopen die in de natuur voorkomen zijn Koolstof-12, Koolstof-13 en Koolstof-14. Koolstof-12 en koolstof-13 zijn stabiele isotopen. Koolstof-14 is een radio-isotoop, d.w.z. een radioactieve isotoop. Een radio-isotoop vervalt in andere elementen door een proces dat radioactief verval wordt genoemd. Dit proces vindt plaats wanneer de onstabiele atoomkern van de radio-isotoop energie verliest door straling uit te zenden. Koolstof-14 is een bètastraler met een halveringstijd van ongeveer 5.715 jaar. Het wordt veel gebruikt als tracer bij het bestuderen van verschillende aspecten van het metabolisme. Deze natuurlijk voorkomende isotoop, afkomstig van bombardementen met kosmische stralen, kan worden gebruikt om relicten te dateren die natuurlijk koolstofhoudend materiaal bevatten. Koolstof-11 is een synthetische isotoop; het wordt cyclotrongeproduceerd. Het is een positron-uitzendende radio-isotoop van koolstof met een halveringstijd van 20,3 minuten die wordt gebruikt bij positron-uitzendende tomografie.

Allotroop

Een allotroop van een element heeft betrekking op een van de vele stoffen die door slechts één soort element worden gevormd. De allotropen kunnen echter qua structuur verschillen. Zo zijn steenkool, grafiet en diamant allotropen van koolstof. Hoewel ze uit slechts één soort element bestaan, namelijk koolstof, verschillen ze in fysische eigenschappen. Grafiet is bijvoorbeeld ondoorzichtig, terwijl diamant doorzichtig is. Grafiet is zacht, terwijl diamant wordt beschouwd als de hardste natuurlijk voorkomende stof. Grafiet is een goede elektrische geleider, terwijl diamant dat niet is. Allotropen zijn echter geen verbindingen maar zuivere elementen.

Organische verbindingen

Organische verbindingen werden aanvankelijk gedefinieerd als die stoffen die alleen door levende organismen worden geproduceerd. Deze definitie werd later echter als onjuist beschouwd, omdat er stoffen zijn die zowel door levende als levenloze wezens kunnen worden geproduceerd. Zo werd een organische verbinding uiteindelijk gedefinieerd als “een verbinding die koolstof bevat die covalent gebonden is aan andere atomen”, met name koolstof-koolstof (C-C) en koolstof-waterstof (C-H) (zoals in koolwaterstoffen). Er zijn vele manieren om organische verbindingen in te delen. Een daarvan is gebaseerd op de wijze waarop zij worden gesynthetiseerd. Een natuurlijke organische verbinding (of gewoon natuurlijke verbinding) is een verbinding die op natuurlijke wijze wordt geproduceerd, bijvoorbeeld door planten of dieren. Een synthetische organische verbinding (of synthetische verbinding) is een organische verbinding die door chemische manipulaties (chemische reacties) wordt bereid. Voorbeelden van natuurlijke organische verbindingen zijn suikers, enzymen, hormonen, lipiden, antigenen, vetzuren, neurotransmitters, nucleïnezuren, eiwitten, peptiden, aminozuren, vitaminen, lectines, sommige alkaloïden en terpenoïden, enz. Voorbeelden van synthetische organische verbindingen zijn synthetische polymeren zoals kunststoffen en rubbers.

Anorganische verbindingen

Een algemene voorstelling van een anorganische verbinding is een verbinding die geen koolstofatomen bevat en archaïsch niet door een levend wezen wordt geproduceerd. Later wordt het gedefinieerd als een verbinding die C-C en C-H covalente bindingen mist. Enkele van de koolstofhoudende verbindingen die als anorganisch worden geïdentificeerd zijn carbonaten, cyaniden, carbiden, thiocyanaten, koolmonoxide en kooldioxide.

Koolstofcyclus

Koolstof is het op drie na meest voorkomende element in het heelal, na de elementen waterstof, helium, en zuurstof. Wat de aardkorst betreft, is koolstof het 15e meest voorkomende element. Koolstof circuleert dus op grote schaal en wordt van de ene vorm in de andere omgezet. De koolstofcyclus is een van de biogeochemische cycli die op aarde voorkomen. Koolstof kringloopt door de lithosfeer, de hydrosfeer en de atmosfeer.

In de atmosfeer bestaat koolstof hoofdzakelijk in de vorm van kooldioxide en methaan. Deze twee zijn de belangrijkste factoren die verantwoordelijk zijn voor het broeikaseffect. Koolstofdioxide wordt beschouwd als een belangrijk broeikasgas, meer dan methaan. De concentratie kooldioxide in de atmosfeer is in de loop der jaren gestegen en een van de belangrijkste factoren die tot deze stijging hebben geleid, zijn menselijke activiteiten, b.v. verbranding van fossiele brandstoffen, betonfabricage, ontbossing, enz.

In terrestrische omstandigheden is de hoeveelheid koolstof betrekkelijk constant. Koolstof komt voor en wordt opgeslagen in organismen (ongeveer 500 gigaton koolstof) en in de bodem (ongeveer 1500 gigaton koolstof). Organische koolstof wordt gebruikt door levende organismen, met name door foto-autotrofe organismen. Foto-autotrofe organismen, zoals planten en cyanobacteriën, gebruiken kooldioxide als een belangrijke reactant om suikers te produceren via fotosynthese. Aangezien levende wezens bestaan uit verbindingen op basis van koolstof, worden ze afgebroken in kleinere, eenvoudiger verbindingen door afbraak wanneer ze sterven. Levende organismen scheiden ook materiaal uit dat wordt beschouwd als organisch materiaal (materie). Organisch materiaal is elk van de verbindingen op basis van koolstof die in de natuur voorkomen. Dit organisch materiaal van levende wezens wordt een deel van het milieu. Zo komt organische stof in overvloed voor in het ecosysteem, bv. het ecosysteem van de bodem. Het komt in de bodem of in het water terecht, waar het vervolgens als voedingsbron voor levende organismen dient.
Naast deze biogene bronnen wordt kooldioxide ook geproduceerd uit andere natuurlijke bronnen, zoals vulkanen, hete bronnen en geisers. Met name vulkanen stoten ongeveer 0,2 tot 0,3 miljard ton kooldioxide per jaar uit. Carbonaatgesteenten die zijn opgelost in water en zuren zijn ook een bron van kooldioxide. Kooldioxide lost op in verschillende watermassa’s bij drukken boven 5,1 atm. Het keert terug in de atmosfeer als gas wanneer de druk daalt.

Biologisch belang

Koolstof wordt vaak beschouwd als de basis van het leven op aarde, vanwege zijn chemische eigenschappen. In het menselijk lichaam is het, na zuurstof, het element dat het meest voorkomt in massa. Koolstof maakt ongeveer 18,5% uit van het menselijk lichaam van een volwassene.

Zie ook

• Covalente binding
• Organische verbinding
• Organische stof
• Anorganische verbinding

Referentie