|  | ||||||
VOORKOMEN
0,02 % van de aardkost (tot 16 km diepte) bestaat uit koolstof; het is het 17e element in rangorde van voorkomen.
Het komt voor als niet-ontleedbare stof in de vorm van grafiet en diamant. Verder treft men het aan in steenkool en aardolie, in de atmosfeer (CO2) en in tal van mineralen, onder andere als carbonaat, bijvoorbeeld in:
| PbCO3 |
| CaMg(CO3)2 |
| MgCO3 |
| CaCO3 |
| CoCO3 |
| FeCO3 |
| ZnCO3 |
In de oceanen is veel koolstofdioxide opgelost: ongeveer 50 maal de hoeveelheid die in de atmosfeer aanwezig is. Ook op de zon en in sterren is koolstof aangetoond. Koolstof komt voor in alle levende organismen en in alle organische stoffen, zoals koolwaterstoffen, koolhydraten, vetten, eiwitten.
WINGEBIEDEN
De belangrijkste wingebieden voor diamant liggen in Zuid-Afrika, de Verenigde Staten van Amerika, Rusland, Oekraïne, Polen, Democratische Republiek Kongo, India, Indonesië, Brazilië, Namibië, Tanzania en Australië.
Natuurlijk grafiet wordt op talrijke plaatsen aangetroffen, de grootste voorraden liggen in Mexico en China. Op veel plaatsen wordt, in mijn- en dagbouw, steenkool gewonnen.
NAAM
De Latijnse naam voor koolstof, carbonium, is afgeleid van carbo, wat steenkool betekent. De naam koolstof duidt op de herkomst van het element: aanwezig in steenkolen.
De naam grafiet is afkomstig van het Griekse graphein, wat schrijven betekent. De naam diamant komt van een samentrekking van de Griekse woorden diaphanes en adamas, wat resp. transparant en onoverwinnelijk (vanwege de hardheid) betekent.
ONTDEKKING
Koolstof was reeds in de Oudheid bekend. Het werd gebruikt bij de productie van onder andere ijzer en zilver. Aangenomen wordt dat hiervoor aanvankelijk grafiet werd gebruikt. Later werd koolstof verkregen via de productie van houtskool. In de 16e eeuw werden grafietmijnen geëxploiteerd. Grafiet werd onder meer gebruikt voor de vervaardiging van potloden. C. W. Scheele stelde in 1779 vast dat grafiet een vorm van koolstof was. S. Tennant en A.L. Lavoisier toonden dit in 1796 aan voor diamant.
BEREIDING VROEGER
Koolstof werd vroeger gewonnen als natuurproduct (grafiet, kolen) en bereid door onvolledige verbranding van hout (houtskool), beenderen of bloed.
BEREIDING NU
Diamant
Een deel van de diamanten wordt synthetisch bereid. De maximale grootte die hierbij bereikt wordt, bedraagt ongeveer 1 karaat (1 karaat is 200 mg; ter vergelijking: bij natuurlijke diamant worden normaliter stukken verkregen tot ca. 50 karaat; de grootste diamant, de Cullinan, is 3106 karaat!). Men verkrijgt de synthetische diamanten door zeer zuiver grafiet samen te persen bij 1450 ºC en circa 60.000.105 Pa.
Een nieuwe methode, die nog in ontwikkeling is, gaat uit van een mengsel van waterstofgas en een koolwaterstof (bijv. methaan of ethyn), dat in vacuüm tot meer dan 2000 ºC wordt verhit, waarbij koolstof zich in diamantvorm afzet op een substraat.
Diamant is ook geschikt als basisstof voor halfgeleiders, die bij extreem hoge temperaturen (ca. 700 ºC) nog moeten functioneren.
Grafiet
Grafiet wordt zowel uit de natuur verkregen als synthetisch bereid. Hierbij wordt koolstof (bijv. roet of cokes) verhit met zand, waarna het gevormde carbide wordt ontleed:
SiO2 + 3 C → SiC + 2 CO
SiC → 2500°C → Si + C
Om zeer zuiver grafiet te verkrijgen wordt natuurlijk grafiet behandeld met HCl/HF en vervolgens verhit tot 1500 ºC.
Roet
Roet wordt gevormd door onvolledige verbranding van koolwaterstoffen.
Cokes
Cokes, één van de belangrijkste reductoren bij de winning van diverse metalen, wordt gemaakt door het ontgassen van steenkool.
Andere vormen
Sinds 1985 is het mogelijk andere kristalvormen van koolstof te bereiden. De eerste vorm die kon worden gesynthetiseerd, bestaat uit moleculen met 60 koolstofatomen. De atomen zijn, in 12 vijfringen en 20 zesringen, gerangschikt in de vorm van een voetbal. Deze vorm - die overigens ook in de natuur voorkomt - wordt (buckminster)-fullereen genoemd, naar de Amerikaanse architect Buckminster Fuller, die in zijn ontwerpen met vijf- en zesringen werkt. Veelal wordt de naam afgekort tot buckyball. Naar toepassingen voor deze bijzondere stof wordt nog gezocht.
Daarna is men er in geslaagd allerlei andere vormen te maken, die koolstof-nanotuben of buckytubes (C70) en uien (Cx met x>70) genoemd worden. In de nanotuben komen zevenringen voor. Zowel nanotuben als uien kunnen binnen hun driedimensionale structuur met metaal ‘gevuld’ worden.
Op diverse gebieden (met name in de geneeskunde en de fotofysica) wordt naar toepassingen gezocht.
TOEPASSINGEN EN TOELICHTING
Water, luchtzuivering
Voor de zuivering van water en lucht wordt gebruik gemaakt van zogenoemde actieve kool. Hiervoor wordt zuivere koolstof zo behandeld - bijvoorbeeld door verhitting met stoom/ koolstofdioxide (880 - 1000 °C) - dat uiterst fijne koolstofdeeltjes met een zeer groot oppervlak ontstaan (tot ca. 2000 m2 per gram). De adsorberende werking van deze actieve kool is bijzonder groot. Actieve kool wordt op grote schaal en voor velerlei doeleinden toegepast, onder meer voor waterfilters, gasmaskers en de zuivering van diverse voedingsmiddelen (olie, suiker), chemische en farmaceutische producten. Ook voor de zuivering van bijvoorbeeld de maag kan actieve kool worden gebruikt in de vorm van tabletten.
Autobandroet
Roet wordt gevormd door onvolledige verbranding van koolwaterstoffen. Hierbij ontstaan koolstofdeeltjes met een grootte van ca. 0,02 tot 0,30 mm. Roet wordt toegevoegd aan autobanden om de slijtvastheid en de stevigheid te verhogen. Voor één personenautoband is ca. 3 kg roet nodig. De productie van roet bedraagt vele miljoenen tonnen per jaar. Het grootste deel van het geproduceerde roet is bestemd voor de rubberindustrie, onder andere voor autobanden, drijfriemen en afdichtingsringen.
Staal
Koolstof wordt bij de bereiding van staal aan ruw ijzer toegevoegd om de sterkte en de hardbaarheid te verbeteren (zie ook staalbereiding, 26 - IJzer).
Diamant
Diamant is ten gevolge van zijn tetraëdrische structuur zeer hard en wordt toegepast in boorkoppen voor de aardoliewinning en bij diverse soorten snijapparatuur, zoals glassnijders en steenzagen. Zowel natuurlijke als synthetische diamanten zijn hiervoor geschikt.
Diamant heeft een zeer hoge brekingsindex. Als een ruwe diamant goed wordt geslepen, wordt het invallende licht in de diamant vele malen weerkaatst, alvorens het op de daarvoor bestemde vlakken uittreedt. Hierdoor ontstaat een bijzondere schittering, wat diamant zo aantrekkelijk maakt voor gebruik als sieraden.
Potlood
Voor potloden wordt grafiet gebruikt. Door de lagenstructuur van grafiet slijten bij gebruik kleine schilfers af, die aan het papier hechten. Grafiet kan door deze eigenschappen ook gebruikt worden in smeervetten en smeermiddelen voor industrieel gebruik, bijvoorbeeld voor tandwielkasten en vrachtwagens, als elektrische geleider bij bewegende onderdelen (koolborstels) en als hulpstof bij het vervormen van metalen. Ook kruipolie bevat grafiet.
Kunststoffen
Kunststoffen of plastics zijn niet meer weg te denken uit onze samenleving. Aanvankelijk werden deze stoffen gebruikt als vervanger van de klassieke materialen, maar inmiddels worden voor diverse toepassingen speciale kunststoffen “op maat” ontwikkeld. Met kunststoffen zijn constructies en vormen mogelijk die met metalen of andere materialen niet gemaakt kunnen worden. Zo zijn ontwikkelingen op het gebied van de lucht- en ruimtevaart, de auto-industrie, de sport, de geneeskunde en de informatietechnologie onmogelijk zonder deze nieuwe materialen.
De allereerste kunststof (omstreeks 1868) was celluloid. Hiervan werden voornamelijk siervoorwerpen gemaakt. Door deze stof kwam de filmindustrie op gang.
Bijna alle kunststoffen hebben met elkaar gemeen dat ze zijn opgebouwd uit lange, al dan niet vertakte, ketens met veel koolstofatomen.
De kunststoffen zijn in verschillende groepen te onderscheiden. Een belangrijke groep vormen de kunststoffen die door polymerisatie of polyadditie worden gevormd. Hierbij worden moleculen met een dubbele binding omgezet in een lange keten:
n CH2 = CH → … - CH2 - CH - CH2 - CH - CH2- CH - CH2- CH - …
l l l l l
X X X X X
Afhankelijk van de groep op plaats X, ontstaan verschillende polymeren met hun specifieke toepassingen:
H polyetheen (PE)
verpakkingsmateriaal, huishoudelijke artikelen, speelgoed, vezels
CH3 polypropeen (PP)
tuinmeubelen, kratten, autobumpers, vezels, injectiespuiten, huishoudelijke artikelen
Cl polyvinylchloride (PVC)
leidingen, rioolbuizen, kozijnen, creditcards, vezels voor ondergoed, dekens,
gordijnen, vloerbedekking
C6H5 polystyreen (PS)
koffiebekers, roerstaafjes, speelgoed, videocassette- en CD-dozen, isolatiemateriaal
CN polyacrylonitril (PAN)
vezels breigarens, vesten, truien, gordijnen, meubelen, tapijten, dekens
F polytetrafluoretheen (zie 9 - Fluor)
Een andere groep vormen de polycondensatieproducten. Bij het maken van deze kunststoffen gaat men uit van twee stoffen, die onder afsplitsen van bijv. water of methanol, gekoppeld worden. Hierbij ontstaan lange ketens, zoals bijvoorbeeld bij de koppeling van ethaandiol (glycol) en benzeen-1,4-dicarbonzuur (tereftaalzuur) tot polyetheentereftalaat (PET):
n HO- CH2- CH2-OH + n HOOC- C6H5-COOH → ...[O- CH2- CH2-OOC- C6H5-CO-]n + 2n H2O
Een kunststof die op deze wijze is gevormd noemen we een polyester. Op deze wijze kunnen ook koppelingen plaatsvinden door de vorming van amidegroep (-CO-NH-) of een ether groep (C-O-C) We spreken dan van polyamiden resp. polyethers.
Voorbeelden van polycondensatieproducten en hun toepassingen zijn:
nylon-6, [-NH-(CH2)5-CO]n ; tandwielen, lagers, lenzen, heupprothese-cups.
polyetheentereftalaat (PET), [O-CH2-CH2-OOC-C6H5-CO-]n ; flessen, lagers, tandwielen, huishoudelijke artikelen, auto-onderdelen, banden voor audio en video, vezels.
bakeliet, driedimensionale koppeling van fenol en methanal (of formaldehyde): C6H4OH-CH2-C6H3OH-…. ; isolatoren, handvatten voor deksels en pannen, wandcontactdozen.
Bakeliet wordt beschouwd als de eerste volledig synthetische kunststof en is genoemd naar de Belg L. H. Baekeland, die in 1907 als eerste octrooi heeft aangevraagd op deze kunststof (een dag later gevolgd door de Engelsman Sir James Swinburne).
Alle genoemde kunststoffen, behalve bakeliet zijn thermoplasten. Ze bezitten lange, niet (of niet al te zeer) vertakte ketens. Ze kunnen in korrelvorm (granulaat) worden gemaakt en later worden verwerkt, bijvoorbeeld door spuitgieten, extruderen of spinnen en zo in de gewenste vorm worden gebracht.
Bakeliet is een thermoharder. Er worden bij de bereiding starre, driedimensionaal vertakte ketens gevormd, waardoor het niet als granulaat kan worden aangemaakt. De gewenste producten kunnen dus alleen via spuitgieten in matrijzen worden verkregen.
Vezels
(Kunst)vezels zijn kunststoffen die tot draden zijn gesponnen. Met deze draden kunnen op dezelfde manier als met natuurlijke vezels (wol en katoen) textielproducten zoals kleding, gordijnen, vloerbedekking, enz. worden gemaakt. In principe zou vrijwel ieder polymeer op deze wijze kunnen worden bewerkt, maar vanwege de bijzondere eisen die aan kledingtextiel worden gesteld, wordt slechts een beperkt aantal kunststoffen hiervoor gebruikt. In veel gevallen worden zelfs natuurlijke vezels gemengd met de kunstvezels, teneinde de eigenschappen zo optimaal mogelijk te krijgen.
Een aantal belangrijke vezels zijn:
Nylon (formule: zie boven); wordt toegepast in bijv. sokken, kousen, panty’s, lingerie, sport- en badkleding, gordijnen, meubelbekleding, tapijt, skikleding, regenkleding en veiligheidsgordels. Merknamen o.a. Antron®, Enkalon®, Perlon®, Stanyl®, Trilenka®.
Polyetheentereftalaat (PET; formule: zie boven); wordt toegepast in bijv. kostuums, rokken, vitrages, ski-jacks, aandrijfriemen, zeildoek, gordijnen, veloursstoffen, overhemden . Merknamen o.a. Dacron®, Diolen®, Teryleen®, Trevira®.
Polyacrylonitril (PAN of acryl; formule: zie boven); wordt toegepast in bijv. vesten, truien, sokken, imitatie-bont, zonwering, gordijnen, dekens, stof voor tuinstoelen, tafelkleden. Merknamen o.a. Acrylan®, Dralon®, Leacril®, Orlon®.
Ook polyvinylchloride en polyetheen worden als vezel gebruikt in bijvoorbeeld autobekleding, dekzeilen, gordijnstoffen, (isolerende)kleding, waterdichte visserskleding, tapijt, visnetten en touw.
De wereldproductie van kunstvezels bedraagt momenteel ongeveer 50 miljoen ton per jaar. Van katoen en wol wordt ongeveer 20 miljoen ton geproduceerd.
supersterke vezels:
Supersterke vezels zijn vezels met een zeer grote trekkracht. Dat wil zeggen dat ze pas bij een zeer hoge belasting breken. Supersterke vezels zijn vele malen sterker en vele malen lichter dan staal. Deze vezels ontstaan als de moleculen zo kunnen worden 'opgerekt' dat ze zoveel mogelijk parallel lopen. Hierdoor nemen de onderlinge krachten tussen de moleculen (de vanderWaalskrachten) sterk toe. Men kan dit bereiken door:
- een polymeer te maken met een bijzondere structuur, waardoor het oriënteren van de moleculen wordt bevorderd (uiteraard gecombineerd met een goede techniek van verspinnen)
- het toepassen van een bijzondere techniek bij het spinnen, waardoor een 'gewoon' polymeer als polyetheen een vezel oplevert die meer dan tien maal sterker is dan staal.
Het eerste gebeurt bij de polyaramidevezels Kevlar® (van DuPont de Nemours) en Twaron® (van Akzo). Een andere handelsnaam voor supersterke aramidevezel is Technora®, geproduceerd door het Japanse bedrijf Teijina. Door het aanbrengen van aromatische groepen in de vezel (in plaats van gewone C-ketens, zoals bij nylon) en door een goede techniek bij het spinnen, ontstaan de beoogde supersterke vezels. Aramidevezels worden bereid uit p-fenyleendiamine en tereftaloyldichloride:
n H2N-C6H5-NH2 + n Cl-CO- C6H5 – CO-Cl → ....[-NH- C6H5-NH-CO- C6H5-CO-]n .... + 2n HCl
De tweede methode wordt toegepast bij de productie van Dyneema®, de supersterke vezel van DSM. Bij dit proces laat men polyetheen zwellen in heet water, waarna men gaat verspinnen en afkoelen. Daarbij ontstaan lang gerekte polyetheenkristallen, waarin de moleculen zeer sterk parallel gerangschikt zijn. De treksterkte van deze vezel bedraagt ruim het tienvoudige van staaldraad. (Bij de grootst mogelijke parallelle oriëntatie van de moleculen zou de treksterkte van de vezels nog minstens met een factor 10 kunnen worden vergroot!)
De verkregen vezels worden op zeer uiteenlopende gebieden toegepast:
- in kabels en touwen, vislijnen en -netten
- in beschermende kleding, zoals snijbestendige handschoenen, kogelwerende vesten, bepantsering voor o.a. politieauto's, beenbeschermers voor shorttrackschaatsers, enz.
- ter versterking van autobanden, in remvoeringen, koppelingsplaten, en afdichtingsringen
- voor lichte, zeer stevige constructies, o.a. in vliegtuigbouw en ruimtevaart (als zogenoemde composieten: gecombineerd met andere materialen, waarbij de vezel dient ter versterking van de andere materialen)
- in de sport: voor de bouw van zeer lichte jachten, zeilen, ski's, vishengels, tennisrackets, kleding en handschoenen bij het schermen, enz.
koolstofvezels
De koolstofvezel was één van de eerste supersterke vezels. Deze wordt nog steeds veel toegepast in producten die zeer licht, maar toch sterk en buigzaam moeten zijn. Koolstofvezels worden gemaakt door een polymeer, meestal polyacrylonitril sterk te oxideren bij zeer hoge temperatuur (1200 - 1500 ºC) , waarbij driedimensionale koolstofketens ontstaan (men spreekt van grafitiseren). Meestal dient de koolstofstructuur als basis, ter versterking van de andere vezels (composieten). Deze vezels vinden hun toepassing in constructies in de lucht- en ruimtevaart en in lichte, sterke carrosserieonderdelen bij racemotoren en formule-1-auto’s. Ook in sporten waar vermindering van het gewicht van groot belang is, worden deze vezels veel gebruikt, o.a. in ski’s rackets, golfclubs en speciale fietsen.
Aardgas, benzine, olie
Alle fossiele brandstoffen zoals kolen, aardolie en aardgas zijn gevormd uit plantaardig materiaal en bevatten koolstof of koolwaterstoffen. Van aardolie worden door destillatie of door kraken en destillatie diverse aardolieproducten verkregen, zoals benzine, kerosine, dieselolie, smeerolie, paraffine en asfalt. Tevens worden uit aardolie veel (half)producten gemaakt voor de chemische en farmaceutische industrie.
VERDERE TOEPASSINGEN
Toepassingen als niet-ontleedbare stof (element):
booglampen
elektrische contacten
elektrodemateriaal
kleurstof voedingsmiddelen (E153)
moderator in kernreactoren
ovens
pigment inkt, verf, papier, kunststoffen, beton, keramiek
sigarettenfilter
smeermiddel
smeltkroezen
toner voor kopieerapparatuur en laserprinter
Toepassingen als ontleedbare stof (verbinding):
| CO2 | |
| CaC2 | |
| CO | |
| CO2 | |
| CO2 | |
| CO2 | |
| NbC | |
| Cr3C2 en Cr23C6 | |
| CO2 | |
| CO2 | |
| WC | |
| B4C | |
| CO22 | |
| KCN | |
| 11C-verbindingen | |
| TiC | |
| Be2C | |
| SiC | ||
| BC2N | |
| TiC | |
| CO2 | |
| CS2 | |
| CO2 | |
| CO2 | |
| 14C-verbindingen | |
| TaC | |
| B4C | |
| WC | |
| WC en W2C | |
| TaC | ||
| ZrC2 | ||
| B4C | |
| CO2 | |
| CS2 | |
| CO2 | |
| CO2 | |
| ||
| SrCO3 | |
| KHCO3 | |
| La2(CO3)3 | |
| CsCO3 | |
| SrCO3 | |
| NiCO3 | |
| SrCO3 | |
| Rb2CO3 | |
| Li2CO3 | |
| BaCO3 | ||
| (karmijnrood) | SrCO3 |
| (blauwgroen) | CuCO3 | |
| MgCO3 | |
| BaCO3 | |
| basisch loodcarbonaat | 2PbCO3.Pb(OH)2 |
| BaCO3 | |
| Rb2CO3 | |
| CaCO3 | |
| MgCO3 | |
| MgCO3 | |
| MgCO3 | |
| K2CO3 | |
| ijzeraarde | Fe2(CO3) 3 |
Alle organische verbindingen zoals vetten, eiwitten, koolhydraten, alcohol(en), geneesmiddelen, bevatten koolstof.