Hoe goed kent u het periodiek systeem? In onze serie De Elementen worden de fundamentele bouwstenen van het waarneembare universum – en hun relevantie voor jouw leven – een voor een onderzocht.
Het kan glinsteren en hard zijn. Het kan zacht en schilferig zijn. Het kan eruit zien als een voetbal. Koolstof is de ruggengraat van alles wat leeft, en toch zou het wel eens het einde kunnen betekenen van het leven op aarde zoals wij dat kennen. Hoe kunnen een klomp steenkool en een glimmende diamant uit hetzelfde materiaal bestaan? Hier zijn acht dingen die je waarschijnlijk nog niet wist over koolstof.
1. Het is de “slang van het leven.”
Het zit in elk levend ding, en in heel wat dode. “Water mag dan het oplosmiddel van het universum zijn,” schrijft Natalie Angier in haar klassieke inleiding tot de wetenschap, The Canon, “maar koolstof is de duct tape van het leven.” Koolstof is niet alleen duct tape, het is ook een verdomd goede duct tape. Het bindt atomen aan elkaar en vormt zo mensen, dieren, planten en rotsen. Als we ermee spelen, kunnen we het in plastics, verf en allerlei chemicaliën gieten.
2. HET IS EEN VAN DE MEESTE ELEMENTEN IN DE UNIVERIE.
Het staat bovenaan het periodiek systeem, ingeklemd tussen boor en stikstof. Atoomnummer 6, chemisch teken C. Zes protonen, zes neutronen, zes elektronen. Het is het op drie na meest voorkomende element in het heelal, na waterstof, helium en zuurstof, en het 15e in de aardkorst. Terwijl zijn oudere neven waterstof en helium zouden zijn gevormd tijdens het tumult van de oerknal, zou koolstof zijn ontstaan uit een opeenhoping van alfadeeltjes in supernova-explosies, een proces dat nucleosynthese in supernova’s wordt genoemd.
3. HET IS NAMED AFTER KOLEN.
De mens kent koolstof al duizenden jaren als steenkool en – na verbranding – roet, maar het was Antoine Lavoisier die in 1772 aantoonde dat het in feite een unieke chemische eenheid was. Lavoisier gebruikte een instrument dat de zonnestralen richtte met lenzen met een diameter van ongeveer een meter. Hij gebruikte het apparaat, een zonneoven genaamd, om een diamant in een glazen pot te verbranden. Door het residu in de pot te analyseren, kon hij aantonen dat diamant uitsluitend uit koolstof bestond. Lavoisier noemde het voor het eerst als element in zijn leerboek Traité Élémentaire de Chimie, gepubliceerd in 1789. De naam koolstof is afgeleid van het Franse charbon, of steenkool.
4. IT LOVES TO BOND.
Het kan vier bindingen vormen, wat het doet met veel andere elementen, waardoor honderdduizenden verbindingen ontstaan, waarvan we er sommige dagelijks gebruiken. (Plastics! Drugs! Benzine!) Belangrijker nog, deze bindingen zijn zowel sterk als flexibel.
5. NARLY 20 PERCENT OF YOUR BODY IS CARBON.
May Nyman, een professor in de anorganische chemie aan de Oregon State University in Corvallis, Oregon vertelt Mental Floss dat koolstof een bijna ongelooflijke reikwijdte heeft. “Het maakt alle levensvormen, en in het aantal stoffen dat het maakt, de vetten, de suikers, is er een enorme diversiteit,” zegt ze. Het vormt ketens en ringen, in een proces dat chemici catenering noemen. Elk levend wezen is gebouwd op een ruggengraat van koolstof (met stikstof, waterstof, zuurstof en andere elementen). Dus dieren, planten, elke levende cel, en natuurlijk de mens zijn een product van catenatie. Ons lichaam bestaat voor 18,5 procent uit koolstof, in gewicht.
En toch kan het ook anorganisch zijn, zegt Nyman. Het vormt samen met zuurstof en andere stoffen grote delen van de levenloze wereld, zoals rotsen en mineralen.
6. WE hebben pas onlangs TWEE NIEUWE VORMEN ERVAN ONTDEKT.
Koolstof komt voor in vier hoofdvormen: grafiet, diamant, fullerenen, en grafeen. “De structuur bepaalt de eigenschappen van koolstof,” zegt Nyman. Grafiet (“de schrijfsteen”) bestaat uit losjes verbonden vellen koolstof, gevormd als kippengaas. Iets met potlood schrijven is eigenlijk gewoon laagjes grafiet op papier krassen. Diamanten, daarentegen, zijn driedimensionaal met elkaar verbonden. Deze uitzonderlijk sterke bindingen kunnen alleen verbroken worden door een enorme hoeveelheid energie. Omdat diamanten veel van deze bindingen hebben, zijn ze de hardste stof op aarde.
Fullerenen werden in 1985 ontdekt toen een groep wetenschappers grafiet met een laser bestraalde en het resulterende koolstofgas condenseerde tot voorheen onbekende bolvormige moleculen met 60 en 70 atomen. Ze werden zo genoemd ter ere van Buckminster Fuller, de excentrieke uitvinder die beroemd werd om zijn geodetische koepels met deze voetbalachtige samenstelling. Robert Curl, Harold Kroto en Richard Smalley kregen in 1996 de Nobelprijs voor scheikunde voor hun ontdekking van deze nieuwe vorm van koolstof.
Het jongste lid van de koolstoffamilie is grafeen, dat in 2004 bij toeval werd gevonden door Andre Geim en Kostya Novoselov in een geïmproviseerd onderzoeksjam. De wetenschappers gebruikten scotch tape – ja, echt – om koolstofvellen van één atoom dik uit een klomp grafiet te tillen. Het nieuwe materiaal is extreem dun en sterk. Het resultaat: de Nobelprijs voor Natuurkunde in 2010.
7. DIAMANTEN WORDEN NIET “IJS” GENOMEN OM WEG VAN HUN UITZICHT.
Diamanten worden “ijs” genoemd omdat hun vermogen om warmte te transporteren ze koel maakt om aan te raken – niet vanwege hun uiterlijk. Dit maakt ze ideaal voor gebruik als koellichamen in microchips. (Meestal worden synthetische diamanten gebruikt.) Ook hier speelt de driedimensionale roosterstructuur van diamant een rol. De warmte wordt omgezet in trillingen van het rooster, die verantwoordelijk zijn voor het zeer hoge warmtegeleidingsvermogen van diamant.
8. IT HELPT ONS DE JAARGETALEN VAN ARTIFACTEN TE BEPALEN- EN BEWIJZEN DAT SOMMIGE DELEN Vals zijn.
De Amerikaanse wetenschapper Willard F. Libby kreeg in 1960 de Nobelprijs voor scheikunde voor het ontwikkelen van een methode om relikwieën te dateren door het analyseren van de hoeveelheid van een radioactieve ondersoort van koolstof die er in zit. Radiokoolstof- of C14-datering meet het verval van een radioactieve vorm van koolstof, C14, die zich ophoopt in levende wezens. Het kan worden gebruikt voor voorwerpen die tot 50.000 jaar oud zijn. Koolstofdatering hielp bij het bepalen van de leeftijd van Ötzi de Iceman, een 5300 jaar oud lijk dat bevroren in de Alpen werd gevonden. Ook werd vastgesteld dat de Ronde Tafel van Lancelot in de kathedraal van Winchester honderden jaren na het veronderstelde Arthuriaanse tijdperk werd gemaakt.
9. Te VEEL VAN HET VERANDERT ONZE WERELD.
Koolstofdioxide (CO2) is een belangrijk onderdeel van een gasvormige deken die om onze planeet is gewikkeld en haar warm genoeg maakt om leven te ondersteunen. Maar bij het verbranden van fossiele brandstoffen – die zijn gebouwd op een koolstofruggengraat – komt meer kooldioxide vrij, wat rechtstreeks verband houdt met de opwarming van de aarde. Er is een aantal manieren voorgesteld om kooldioxide te verwijderen en op te slaan, waaronder bio-energie met opvang en opslag van kooldioxide, waarbij grote bomenopstanden worden aangeplant, geoogst en verbrand om elektriciteit op te wekken, en de daarbij vrijkomende CO2 wordt opgevangen en ondergronds opgeslagen. Een andere aanpak die wordt besproken is oceanen kunstmatig alkalischer te maken om ze meer CO2 te laten binden. Bossen zijn natuurlijke koolstofputten, omdat bomen CO2 vastleggen tijdens de fotosynthese, maar de menselijke activiteit in deze bossen gaat de eventuele winst aan CO2-vastlegging teniet en overtreft die. Kortom, we hebben nog geen oplossing voor de overvloed aan C02 die we in de atmosfeer hebben gecreëerd.