Koolstofverbindingen: wat u moet weten

Koolstofverbindingen zijn chemische stoffen die bevatten koolstofatomen gebonden aan elk ander element. Er zijn meer koolstofverbindingen dan voor enig ander element behalve waterstof. De meeste van deze moleculen zijn organische koolstofverbindingen (bijv. Benzeen, sucrose), hoewel er ook een groot aantal anorganische koolstofverbindingen bestaan ​​(bijv. kooldioxide). Een belangrijk kenmerk van koolstof is catenation, het vermogen om lange ketens of te vormen polymeren. Deze kettingen kunnen lineair zijn of ringen vormen.

Koolstof vormt meestal covalente bindingen met andere atomen. Koolstof vormt niet-polaire covalente bindingen wanneer het bindt aan andere koolstofatomen en polaire covalente bindingen met niet-metalen en metalloïden. In sommige gevallen vormt koolstof ionische bindingen. Een voorbeeld is een binding tussen calcium en koolstof in calciumcarbide, CaC₂.

Koolstof is meestal vierwaardig (oxidatietoestand van +4 of -4). Er zijn echter andere oxidatietoestanden bekend, waaronder +3, +2, +1, 0, -1, -2 en -3. Van koolstof is zelfs bekend dat het zes bindingen vormt, zoals in hexamethylbenzeen.

Hoewel de twee belangrijkste manieren om koolstofverbindingen te classificeren als organisch of anorganisch zijn, zijn er zoveel verschillende verbindingen dat ze verder kunnen worden onderverdeeld.

Allotropen zijn verschillende vormen van een element. Technisch gezien zijn het geen verbindingen, hoewel de structuren vaak met die naam worden genoemd. Belangrijke allotropen van koolstof omvatten amorfe koolstof, diamant, grafiet, grafeen en fullerenen. Andere allotropen zijn bekend. Hoewel allotropen allemaal vormen van hetzelfde element zijn, hebben ze enorm verschillende eigenschappen van elkaar.

Organische verbindingen werden ooit gedefinieerd als elke koolstofverbinding die uitsluitend werd gevormd door een levend organisme. Veel van deze verbindingen kunnen nu in een laboratorium worden gesynthetiseerd of zijn los van organismen gevonden, dus de definitie is herzien (hoewel niet overeengekomen). Een organische verbinding moet minimaal koolstof bevatten. De meeste chemici zijn het erover eens dat waterstof ook aanwezig moet zijn. Toch wordt de classificatie van sommige verbindingen betwist. Grote klassen van organische verbindingen omvatten (maar zijn niet beperkt tot) koolhydraten, lipiden, eiwitten, en nucleïnezuren. Voorbeelden van organische verbindingen zijn onder meer benzeen, tolueen, sucrose en heptaan.

Anorganische verbindingen kunnen worden aangetroffen in mineralen en andere natuurlijke bronnen of kunnen in het laboratorium worden gemaakt. Voorbeelden zijn koolstofoxiden (CO en CO₂), carbonaten (bijvoorbeeld CaCO₃), oxalaten (bijvoorbeeld BaC₂O₄), koolstofsulfiden (bijv. koolstofdisulfide, CS₂), koolstof-stikstofverbindingen (bijvoorbeeld waterstofcyanide, HCN), koolstofhalogeniden en carboranen.

Organometaalverbindingen bevatten ten minste één koolstof-metaalbinding. Voorbeelden zijn onder meer tetraethyllood, ferroceen en het zout van Zeise.

Meerdere legeringen bevatten koolstof, inclusief staal en gietijzer. "Pure" metalen kunnen worden gesmolten met cokes, waardoor ze ook koolstof bevatten. Voorbeelden zijn aluminium, chroom en zink.

Bepaalde klassen van verbindingen hebben namen die hun samenstelling aangeven:

• Carbiden: Carbiden zijn binaire verbindingen gevormd door koolstof en een ander element met een lagere elektronegativiteit. Voorbeelden zijn Al₄C₃CaC₂SiC, TiC, WC.
• Koolstofhaliden: Koolstofhaliden bestaan ​​uit koolstof gebonden aan een halogeen. Voorbeelden zijn tetrachloorkoolstof (CCl₄) en koolstoftetrajodide (CI₄).
• Carboranen: Carboranen zijn moleculaire clusters die zowel koolstof als bevatten boor atomen. Een voorbeeld is H₂C₂B₁₀H₁₀.

Koolstofverbindingen hebben bepaalde gemeenschappelijke kenmerken:

1. De meeste koolstofverbindingen hebben een lage reactiviteit bij normale temperatuur, maar kunnen heftig reageren wanneer warmte wordt toegepast. Zo is cellulose in hout stabiel bij kamertemperatuur, maar verbrandt het bij verhitting.
2. Dientengevolge worden organische koolstofverbindingen als brandbaar beschouwd en kunnen ze als brandstoffen worden gebruikt. Voorbeelden zijn teer, plantaardig materiaal, aardgas, olie en kolen. Na verbranding bestaat het residu voornamelijk uit elementaire koolstof.
3. Veel koolstofverbindingen zijn niet-polair en vertonen een lage oplosbaarheid in water. Om deze reden is water alleen niet voldoende om olie of vet te verwijderen.
4. Verbindingen van koolstof en stikstof zijn vaak goede explosieven. De bindingen tussen de atomen zijn mogelijk onstabiel en geven bij het verbreken veel energie vrij.
5. Verbindingen die koolstof en stikstof bevatten, hebben doorgaans een duidelijke en onaangename geur als vloeistoffen. De vaste vorm kan geurloos zijn. Een voorbeeld is nylon, dat ruikt tot het polymeriseert.

Het gebruik van koolstofverbindingen is grenzeloos. Het leven zoals we het kennen, is afhankelijk van koolstof. De meeste producten bevatten koolstof, inclusief kunststoffen, legeringen en pigmenten. Brandstoffen en voedingsmiddelen zijn gebaseerd op koolstof.