Inleiding tot de scheikunde

Termen

• halfwaardetijdIn een radioactief vervalproces, de hoeveelheid tijd die nodig is om te eindigen met de helft van het oorspronkelijke (niet-vergane) materiaal.
• radiometrische dateringEen techniek die wordt gebruikt om materialen te dateren door de natuurlijke abundantie van radioactieve atomen te vergelijken met hun resterende vervalproducten.
• allotropenVerschillende vormen van een chemisch element die in zijn natuurlijke staat worden aangetroffen.

Koolstof is het chemische element met het symbool C en atoomnummer 6 (bevat 6 protonen in zijn kern). Als lid van groep 14 op het periodiek systeem is het niet metaalhoudend en tetravalent, waardoor vier elektronen beschikbaar zijn om covalente chemische bindingen te vormen. De meest voorkomende isotoop van koolstof heeft 6 protonen en 6 neutronen, en heeft een atoommassa van 12,0107 amu. Zijn elektronenconfiguratie in de grondtoestand is 1s22s22p2. Zijn oxidatietoestand varieert van 4 tot -4, en het heeft een elektronegativiteit van 2,55 op de schaal van Pauling. Het is een vaste stof, en sublimeert bij 3.642 °C (het heeft het hoogste sublimatiepunt van alle elementen).

Koolstofallotropen

Koolstof heeft verschillende allotropen, of verschillende vormen waarin het bestaat. Interessant is dat koolstofallotropen een breed scala van fysische eigenschappen omvatten: diamant is de hardste natuurlijk voorkomende stof, en grafiet is een van de zachtste bekende stoffen. Diamant is transparant, het ultieme schuurmiddel, en kan een elektrische isolator en warmtegeleider zijn. Grafiet daarentegen is ondoorzichtig, een zeer goed smeermiddel, een goede geleider van elektriciteit en een warmte-isolator. Allotropen van koolstof zijn niet beperkt tot diamant en grafiet, maar omvatten ook buckyballs (fullerenen), amorfe koolstof, glasachtige koolstof, koolstofnanofoam, nanobuisjes, en andere.

Chemische reactiviteit van koolstof

Koolstofverbindingen vormen de basis van al het bekende leven op aarde, en de koolstof-stikstofcyclus levert een deel van de energie die door de zon en andere sterren wordt geproduceerd. Koolstof heeft een affiniteit om zich te binden met andere kleine atomen, waaronder andere koolstofatomen, via de vorming van stabiele, covalente bindingen. Ondanks het feit dat het aanwezig is in een groot aantal verbindingen, is koolstof onder normale omstandigheden zwak reactief in vergelijking met andere elementen. Bij normale temperatuur en druk is het bestand tegen oxidatie; het reageert niet met zwavelzuur, zoutzuur, chloor of alkalimetalen. Bij hogere temperaturen reageert koolstof met zuurstof tot koolstofoxiden, en met metalen tot metaalcarbiden.

Koolstof heeft het vermogen zeer lange ketens te vormen van sterke en stabiele onderling verbonden C-C bindingen. Door deze eigenschap kan koolstof een bijna oneindig aantal verbindingen vormen; in feite zijn er meer bekende koolstofhoudende verbindingen dan alle verbindingen van de andere chemische elementen samen, behalve die van waterstof (omdat bijna alle organische verbindingen ook waterstof bevatten).

Koolstofisotopen

Koolstof heeft twee stabiele, natuurlijk voorkomende isotopen: koolstof-12 en koolstof-13. Koolstof-12 vormt 98,93% en koolstof-13 vormt de resterende 1,07%. De concentratie van 12C wordt nog verhoogd in biologische materialen omdat biochemische reacties 13C discrimineren. Identificatie van koolstof in NMR-experimenten wordt gedaan met de isotoop 13C. 14C is een radioactieve isotoop van koolstof met een halveringstijd van 5730 jaar. Het heeft een zeer lage natuurlijke abondantie (0,0000000001%), en vervalt tot 14N door bètaverval. Het wordt gebruikt bij radiometrische dateringen om de ouderdom van koolstofhoudende monsters (van fysische of biologische oorsprong) tot ongeveer 60.000 jaar oud te bepalen.

In totaal zijn er 15 isotopen van koolstof bekend en de kortstlevende daarvan is 8C, dat vervalt door protonemissie en alfaverval, en een halveringstijd van 1,98739 x 10-21 seconden heeft. Het exotische 19C vertoont een nucleaire halo, wat betekent dat zijn straal aanzienlijk groter is dan zou worden verwacht als de kern een bol van constante dichtheid zou zijn.