Koolstof werd al in deprehistorische oudheid ontdekt en gebruikt in de vorm vanhoutskool, dat bereid werd door organisch materiaal (meestal hout) zuurstofarm te verhitten, middelspyrolyse. Het Engelse equivalentcarbon is dan ook afgeleid van hetLatijnse woord voor houtskool.
Het was de Franse scheikundigeAntoine Lavoisier die wist datcarbon pur (zuivere koolstof) een chemisch element was. Halverwege de achttiende eeuw was algemeen bekend dat diamant bij hoge temperaturenbrandt. Maar Lavoisier toonde aan dat het verbrandingsproduct kooldioxide is, wat inhield dat diamant zuivere koolstof is. In 1779 ontdekte de Zweedse scheikundigeCarl Wilhelm Scheele dat ook grafiet zuivere koolstof is.
De chemische en structurele eigenschappen vanfullerenen maken dat voor deze koolstofcomplexen misschien een veelbelovende rol is weggelegd in denanotechnologie.
In fijnverdeelde toestand, als zogenaamdeactieve kool, heeft kool een hoogspecifiek oppervlak en kan het gebruikt worden alsadsorptiemiddel. Het wordt gebruikt als filtermateriaal om vloeistoffen te ontkleuren, en zelfs ingeslikt om gifstoffen uit het maag-darmkanaal te verwijderen ('Norit').
Elektronicaweerstanden (grafietweerstand); koolstof is weliswaar een goede stroomgeleider, maar een dun laagje grafiet kan als weerstand dienen. Daarbij neemt deweerstand van grafiet met toenemende temperatuur toe: hoe krachtiger deelektrische stroom, hoe hoger de temperatuur, en hoe hoger de weerstand. Grafiet heeft daarbij als voordeel dat het temperatuurverhoging goed doorstaat.
Koolstof is een vierwaardig element dat in grote hoeveelheden op aarde voorkomt. Het heeft de unieke eigenschap zich stabiel met andere koolstofatomen te kunnenbinden tot ringen en ketens, vertakt of onvertakt.
De vier belangrijksteallotropen van koolstof zijn:
grafiet, een van de zachtst bekende vaste stoffen, met een hardheid van 1,5 maar, in de vorm vankoolstofvezel, wel met een hogetreksterkte;
Bij normale druk vormt koolstof grafiet. Hierbij vormt elk koolstofatoom bindingen met drie andere koolstofatomen. Deze verbindingen liggen alle in hetzelfde vlak, dat bestaat uit gefuseerde hexagonale ringen, net als bijaromatische koolwaterstoffen. De twee bekende vormen van grafiet, alfa-hexagonaal en bèta-rombohedraal, hebben identieke fysische eigenschappen, maar verschillen in hun kristalstructuur. Natuurlijk grafiet kan tot 30% uit de bètavorm bestaan. Synthetisch grafiet bevat alleen de alfavorm. De alfavorm kanovergaan in de bètavorm door mechanische behandeling. Boven 1000 °C gaat de bètavorm weer over in de alfavorm.
Grafiet geleidtelektriciteit, dankzij dedelokalisatie van hetp-orbitaal. Grafiet is zeer zacht en bestaat uit lagen die makkelijk over elkaar heen glijden, doordat dechemische binding tussen de lagen uit de relatief zwakkevanderwaalskrachten bestaat. De sterkte binnen iedere afzonderlijke laag is wel groot, een eigenschap die bijkoolstofvezels - 'linten' van grafiet - tot uiting komt.
Bij zeer hoge druk kan de tweede allotrope vorm van koolstof, diamant, ontstaan. In diamant vormt elk koolstofatoom covalente bindingen met vier andere koolstofatomen. Diamant heeft dezelfde kubischekristalstructuur alssilicium engermanium. De sterkte van de koolstof-koolstofbindingen maken diamant, samen met hetiso-elektronischeboornitride, de hardst bekende verbindingen, die uiterst krasbestendig zijn.
Bijkamertemperatuur verloopt de faseovergang van grafiet naar diamant extreem traag. Onder sommige omstandigheden kristalliseert koolstof alsLonsdaleïet, een vorm die overeenkomsten vertoont met diamant, maar hexagonaal is.
Koolstof komt in zeer veel verschillendechemische verbindingen voor, in alle organische levensvormen, en vormt de basis voor deorganische chemie. Koolstof heeft de interessante eigenschap dat hetcovalente bindingen met zichzelf en talloze andereelementen kan aangaan, het aantal mogelijke koolstofverbindingen is theoretisch onbeperkt. Koolstof vormt in verbinding metzuurstof onder andereCO2, dat viafotosynthese essentieel is voor plantengroei. In verbinding metwaterstof vormt het zogenaamdekoolwaterstoffen. Hiertoe behoren ook devetzuren, waarvan vele onmisbaar zijn voor het leven. Ook worden veel koolwaterstoffen in de aardkorst alsfossiele brandstoffen aangetroffen.
Koolstof is om vele redenen een bijzonder element. Het vormt zowel een van de zachtste bekende materialen (grafiet), als een van de hardste (diamant). Koolstof gaat gemakkelijk verbindingen aan met veel andere kleineatomen, waaronder andere koolstofatomen. Er zijn zo'n 10 miljoen koolstofverbindingen bekend. Koolstofverbindingen vormen de basis voor al het leven op aarde. Dekoolstof-stikstofcyclus is een van de processen die in dezon en anderesterren energie levert.
Koolstof werd niet gevormd bij het ontstaan van het heelal, tijdens deoerknal, doordat er drie botsingen tussenalfadeeltjes (heliumkernen) nodig zijn om koolstof te vormen. Het heelal koelde daarvoor in het begin te snel af. Devorming van koolstof vindt voornamelijk in de hete sterren plaats.
Fullerenen zijn genoemd naar dearchitectBuckminster Fuller, die soortgelijke constructies in architectonische ontwerpen introduceerde, en worden om dezelfde reden ook wel "buckyballs" en "buckytubes" genoemd.Fullerenen hebben een grafietachtige structuur maar, naast een zuivere hexagonale opeenstapeling, komen er ook pentagonale en mogelijk heptagonale ordeningen van koolstofatomen in voor, waardoor de lagen zich vormen tot bollen, ellipsen en cilinders.Aan demateriaaleigenschappen van fullerenen valt nog veel te ontdekken.
Het element komt op aarde van nature als twee stabiele isotopen voor:12C en13C. Daarnaast is er eenradioactiefisotoop14C (Koolstof 14) dat in deatmosfeer voortdurend aangemaakt wordt door kernreacties ten gevolge van dekosmische straling.Koolstof-14-datering wordt veel gebruikt om archeologische vondsten te dateren.
Koolstof wordt (beperkt) gebruikt als voedseladditief. In deEU is dit toegestaan onderE-nummer E153.
Roetuitstoot door onder andere het verkeer bestaat voor een belangrijk deel uit koolstof. Koolstof is daarmee een component vanfijnstof.
Naast de talloze koolstofverbindingen zonder welke het leven op aarde niet mogelijk zou zijn, zijn er ook veel toxische koolstofverbindingen, waaronder:
Door de centrale plaats die koolstof in de organische chemie inneemt, en het feit dat het, net als zuurstof, met een groot aantal elementen directe bindingen kan aangaan, zijn de verschillende koolstof-elementverbindingen ook zelf uitgebreid onderwerp van studie geworden. In onderstaande tabel zijn de verwijzingen naar de verschillende studiegebieden in het periodiek systeem opgenomen.
