Koolstof

Koolstof(Latyn:Carbogenum), is 'nchemiese elementin dieperiodieke tabelmet die simboolCenatoomgetalvan6.Dié niemetaalagtige, tetravalente element kom algemeen voor en het verskeie allotropiese vorms:

diamant(die hardstemineraalbekend). Die verbindingstruktuur kan beskryf word met vier elektrone in sogenaamde driedimensionele sp³orbitale.
grafiet(een van die sagste stowwe). Die verbindingstruktuur is drie elektrone in tweedimensionele sp²-orbitale en een elektron in 'n p-orbitaal.
Kovalent verbinde sp¹-orbitale is slegs van chemiese belang.

Fullerene isnanometerskaalmolekules. In die eenvoudigste vorm daarvan bestaan dit uit 60 koolstofatome in 'n gebuigde grafietlaag om 'n driedimensionele struktuur te gee wat baie soos 'n sokkerbal lyk.

Lampswart of Roet bestaan uit klein grafietagtige areas. Die areas is lukraak verspreid, dus is die hele struktuur isotropies.

Sogenaamde 'glasagtige koolstof' is isotropies en net so sterk soos glas. Anders as normale grafiet, is die grafietagtige lae nie gerangskik soos in die bladsye van 'n boek nie maar gefrommel soos wanneer 'n mens papier opfrommel.

Koolstofvesels is soortgelyk aan glasagtige koolstof. Onder spesiale behandeling (die rek van organiese vesels en verkoling daarvan) is dit moontlik om die grafietvlakke in die rigting van die vesel te rangskik. Daar is dan geen koolstofvlakke wat loodreg tot die as van die vesel gerangskik is nie. Die resultaat is vesels met 'n baie hoër spesifieke breeksterkte as die van staal.

Koolstof kom voor in alle organieseleween vorm die basis vanorganiese chemie.Hierdie niemetaal het ook die interessante eienskap dat dit met atome van sy eie soort verbindings kan vorm asook met 'n groot verskeidenheid ander elemente – soveel so dat daar bykans tienmiljoen bekende verbindings van koolstof bestaan. Wanneer dit metsuurstofverbind vorm ditkoolstofdioksied,'n molekuul wat absoluut noodsaaklik is virplanteom te groei. Wanneer dit metwaterstofverbind, vorm dit verskeie verbindings bekend askoolwaterstowwewat weer uiters noodsaaklik is vir die nywerheid in die vorm vanfossielbrandstowwe.Wanneer dit met beide suurstof en waterstof verbind kan dit baie groepe verbindings vorm insluitend vetsure wat noodsaaklik is vir lewe, en esters wat die geur aan baie vrugte verleen. Dieisotoop koolstof-14word algemeen gebruik inradioaktiewe datering.

Kenmerkende eienskappe[wysig|wysig bron]

Koolstof is om baie redes 'n merkwaardige element. Sy verskillende vorme sluit een van die sagste- (grafiet) en een van die hardste (diamant) stowwe wat aan die mens bekend is in. Merendeels het dit 'n sterk neiging om verbindings te vorm met ander kleinatome,insluitende ander koolstofatome en sy klein grootte maak dit vir die element moontlik om veelvuldige verbindings te maak. As gevolg van hierdie eienskappe is dit bekend dat koolstof byna tienmiljoen bekende chemiese stowwe kan vorm.

Koolstofverbindings vorm die basis van alle lewe opaardeen die koolstofstikstofsiklus verskaf van die energie wat deur diesonen andersterreuitgestraal word. Koolstof is nie in diegrootknalgeskep nie as gevolg van die feit dat dit driedubbele botsings van alfapartikels ofheliumkernevereis om geproduseer te kan word. Die heelal het aanvanklik uitgesit en ook te vinnig afgekoel vir dit om te gebeur. Koolstof word egter aan die binnekant vansterregevorm omdat die botsingsproses daar skynbaar moontlik is.

Aanwendings[wysig|wysig bron]

Koolstof is 'n noodsaaklike komponent van alle lewende stelsels en sonder dit sou lewe soos ons dit ken nie kon bestaan nie.

Die hoofekonomiese gebruik van koolstof is in die vorm van koolwaterstowwe, waarvan die fossielbrandstowwe,metaangasenru-olie,die vernaamste bronne is.Ru-olieword deur die petrochemiese nywerheid gebruik om onder anderepetrol,dieselenkeroseendeur middel vandistillasieprosesseinraffinaderyete vervaardig. Ru-olie is die roumateriaal vir vele sintetiese stowwe waaronder dieplastiekeook tel.

Ander gebruike[wysig|wysig bron]

Koolstof se¹⁴Cisotoop, wat op27 Februarie 1940ontdek is, word gebruik omradiokoolstofdateringte doen.
Sommige rookverklikkers gebruik klein hoeveelhede van die radioaktiewe koolstofisotoop as bron van ioniserende bestraling (Die meeste rookverklikkers van dié tipe gebruik egter 'n isotoop vanAmerikium).
Grafiet word gekombineer met kleie om die 'lood' te maak wat inpotlodegebruik word.
Diamante word vir versieringsdoeleindes gebruik, om boorpunte te maak en vir ander eienskappe waarvan hul hoë hardheid gebruik gemaak word.
Koolstof word byystergevoeg omstaalte maak.
Koolstof word gebruik vir die beheerstawe inkernreaktore.
Grafietkoolstof in 'n verpoeierde koekvorm en word gebruik ashoutskool,om mee tekook,vir kunswerk en ander gebruike.
Houtskool word gebruik in pil- of poeiervorm om toksiese stowwe of giwwe in die spysverteringskanaal te absorbeer.
Die chemiese en strukturele eienskappe van fullerene, in die vorm van koolstofnanobuise, het belowende potensiële gebruike in die ontluikende veld vannanotegnologie.

Geskiedenis[wysig|wysig bron]

Koolstof is reeds in die voorgeskiedenis ontdek en was al bekend aan die antieke mens wat dit vervaardig het deur die verbranding van organiese materiaal met onvoldoende hoeveelhede suurstof om houtskool te vorm. Diamante is ook lank bekend as edelgesteentes, al was mense nie bewus van die verbintenis met houtskool nie. Die mees onlangs ontdekteallotroop,fullerene, is ontdek as 'n neweproduk van molekulêre bundeleksperimente in die 1980's.

Allotrope[wysig|wysig bron]

Vier allotrope van koolstof is bekend naamlik amorfe, grafiet, diamant en fullerene. Die ontdekking van 'n vyfde vorm is op22 Maart 2004bekend gemaak.

In sy amorfevorm is koolstof basies grafiet maar word nie saamgebind in 'n kristallyne makrostruktuur nie. Dit kom eerder voor as 'n poeier wat die hoofbestanddeel is van stowwe soos houtskool en lampswart of roet.

Teen normale druk neem koolstof die vorm van grafiet aan, waar elke atoom gebonde is aan drie ander in 'n vlak wat bestaan uit versmelteheksagonaleringe, soortgelyk aan dié inaromatiese koolwaterstowwe.Die twee bekende vorms van grafiet, alfa (heksagonaal) en beta (rombies), het beide identiese fisiese eienskappe behalwe vir hul kristalstruktuur. Grafiet wat natuurlik voorkom bevat tipies tot 30% van die betavorm, terwyl sinteties vervaardigde grafiet slegs die alfavorm bevat. Die alfavorm kan na die betavorm omgeskakel word deur meganiese behandeling en die betavorm skakel terug na die alfavorm wanneer dit bo 1000°Cverhit word.

Grafiet geleielektrisiteitvanweë die delokalisering van die pi-wolk. Die materiaal is sag en die blaadjies van die lae word slegs deur Van der Waalkragte aanmekaar gehou. Dit beteken dat hulle maklik oormekaar gly.

Teen baie hoë druk het koolstof 'n allotroop wat diamant genoem word. Hier is elke atoom verbind aan vier ander koolstofatome. Diamant het dieselfde kubiesestruktuur assilikonengermaniumen danksy die sterkte van die koolstof-koolstof binding is dit saam met die iso-elektroniese boornitried (BN) die hardste stof bekend, gedefinieer as sy weerstand teen krapmerke. Die oorgang na grafiet is by kamertemperatuur so stadig dat dit onopmerklik is. Onder sekere toestande kan koolstof kristalliseer tot Lonsdaliet, 'n vorm soortgelyk aan diamant maar heksagonaal.

Fullerene het 'n grafietagtige struktuur, maar in plaas van 'n suiwer heksagonale pakking bevat dit ook pentagone of moontlik heptagone van koolstofatome wat gebuig is om sfere, ellipse of silinders te vorm. Die eienskappe van fullerene (ook bekend in Engels as "buckyballs" en "buckytubes" ) is nog nie ten volle ontleed nie. Die name van die fullerene word ontleen aan die naam van die ontwerper van die geodesiese koepel wat 'n soortgelyke struktuur het as die van die "buckyballs".

'n Ferromagnetiese nanoskuimallotroop is ook onlangs ontdek.

Voorkoms[wysig|wysig bron]

Daar bestaan byna tien miljoen koolstofverbindings wat bekend is aan diewetenskapen baie duisende van hierdie verbindings is noodsaaklik tot lewensprosesse en baie van die organies-gebaseerde reaksies is ekonomies belangrik. Hierdie element kom in groot hoeveelhede voor in dieson,sterre,kometeen in die atmosfeer van baieplanete.

Sommigemeteorietebevat mikroskopiese klein diamante wat gevorm is toe diesonnestelselslegs 'nprotoplanetêre skyfwas. Koolstof kan in samestelling met ander elemente in die aarde se atmosfeer gevind word asook opgelos in water.

Met klein hoeveelhedekalsium,magnesiumenysteris dit 'n groot komponent van baie groot rotsformasies karbonaatrots (kalksteen, dolomiet, marmer ens.). Wanneer koolstof metwaterstofverbind word vorm ditsteenkool,petroleumenaardgaswat koolwaterstowwe genoem word.

Grafiet word in groot hoeveelhede inNew YorkenTexasin die VSA en inRusland,Meksiko,GroenlandenIndiëaangetref.

Natuurlike diamante kom in die gesteentekimberlietvoor wat in antiekevulkaniesenekke en pype gevind kan word. Die grootste neerslae van diamante kom inAfrikaen spesifiek inSuid-Afrika,Namibië,Botswana,dieRepubliek van die KongoenSierra Leonevoor. Daar is ook neerslae inKanada,die Russiese Noordpoolstreek,Brasiliëen in Noord- en Wes-Australië.

Anorganiese verbindings[wysig|wysig bron]

(Sien ookorganiese chemie.)

Die mees prominente oksied van koolstof iskoolstofdioksied,CO₂.Dit vorm 'n mindere komponent van dieAarde se atmosfeer,word geproduseer en verbruik deur lewende wesens. Inwatervorm dit spoorhoeveelhedekoolsuurgas,H₂CO₃.Karbonaat ioneword ook gevorm deur die reaksie van die koolsuurgas met ander elemente om karbonaatsoute of minerale te vorm sooskalsiet.

Die ander oksiede iskoolstofmonoksied,CO, en die seldsamekoolstofsuboksied,C₃O₂.Koolstofmonoksied word gevorm deur onvolledige verbranding en is 'n kleurlose en reuklose gas. Die molekules bevat elkeen 'n driedubbele verbinding en is nogal polêr, wat dit 'n neiging gee om permanent aanhemoglobienmolekuleste bind en dit dus 'n hoogsgiftige gas maak.Sianied,CN, het 'n soortgelyke struktuur en tree baie soos 'n halied-ioon op; die nitriedsianogeen,(CN)₂,is verwant.

Met sterkmetalevorm koolstof of karbiede, C^-,of aseteliede, C₂^2-;Koolstof met 'n elektronegatiwiteit van 2,55 verkies omkovalente verbindingste vorm. 'n Paar karbiede het kovalente roosterstrukture wat baie soos dié van 'ndiamantlyk.

Koolstofkettings[wysig|wysig bron]

Koolstofkettingsis die atomiese struktuur vankoolwaterstowwewat 'n reeks koolstofatome in 'n ketting vorm met die oorblywende verbindings wat met waterstofversadigword. Vlugtige olies het tipies korter kettings en vette nog langer kettings. Wasse (soos kerswas) het uiters lang kettings.

Koolstofkringloop[wysig|wysig bron]

Sienkoolstofkringloop.

Die koolstofkringloop is die voortdurende proses van verbinding en vrystelling van koolstof ensuurstofmet die daarmee gepaardgaande stoor en vrystelling vanenergie.Katabolisme + anabolisme = metabolisme.

Isotope[wysig|wysig bron]

Koolstof het twee stabiele isotope wat natuurlik voorkom:

Koolstof-12(98.89%)
Koolstof-13(1.11%) wat virkernspinresonansiegebruik word.

In1961het die "Internasionale Unie van Suiwer en Toegepaste Chemie" die koolstof-12-isotoopaanvaar as die basis vir die bepaling vanatoommassa.

Koolstof-14is 'nradioïsotoopmet 'nhalfleeftydvan 5715 jaar en is baie gebruik vir dieradiokoolstofdateringvan hout en ander monsters vanafargeologieseterreine.

Voorsorgmaatreëls[wysig|wysig bron]

Verbindings van koolstof het 'n wye verskeidenheid toksiese werkinge. Koolstofmonoksied (CO), wat teenwoordig is in die uitlaatgasse van motorvoertuigenjins, enSianied(CN^-) wat gebruik word in die mynboubedryf is uitermate giftig virsoogdiere.Baie ander koolstofverbindings is nie-giftig en is om die waarheid te sê noodsaaklik vir die bestaan van lewe. Organiesegassesooseteen(CH₂=CH₂) (ooketileengenoem),etyn(HCCH) (ook asetileen genoem) enmetaan(CH₄) is hoogs vlambaar en selfs plofbaar wanneer dit met lug gemeng word. Suiwer koolstof is egter nie giftig nie.