Wat u moet weten over koolstofverbindingen

Koolstofverbindingen zijn chemische stoffen die koolstofatomen bevatten gebonden aan een ander element. Er zijn meer koolstofverbindingen dan voor enig ander element behalve waterstof. De meerderheid van deze moleculen zijn organische koolstofverbindingen (bijvoorbeeld benzeen, sucrose), hoewel er ook een groot aantal anorganische koolstofverbindingen bestaat (bijvoorbeeld koolstofdioxide). Een belangrijk kenmerk van koolstof is catenatie, wat het vermogen is om lange ketens of polymeren te vormen. Deze ketens kunnen lineair zijn of kunnen ringen vormen.

Soorten chemische banden gevormd door koolstof

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 tetravalent (oxidatietoestand van +4 of -4). Andere oxidatietoestanden zijn echter 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 zo organisch of anorganisch zijn, zijn er zoveel verschillende verbindingen dat ze verder kunnen worden onderverdeeld.

Koolstofallotropen

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 bestanddelen

Organische verbindingen werden ooit gedefinieerd als elke koolstofverbinding die uitsluitend door een levend organisme wordt gevormd. Nu kunnen veel van deze verbindingen worden gesynthetiseerd in een laboratorium of zijn ze anders bevonden dan organismen, dus de definitie is herzien (hoewel niet overeengekomen). Een organische verbinding moet ten minste koolstof bevatten. De meeste chemici zijn het erover eens dat waterstof ook aanwezig moet zijn. Toch is de classificatie van sommige verbindingen omstreden. Belangrijke klassen van organische verbindingen omvatten (maar zijn niet beperkt tot) koolhydraten, lipiden, eiwitten en nucleïnezuren. Voorbeelden van organische verbindingen omvatten benzeen, tolueen, sucrose en heptaan.

Anorganische verbindingen

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

Organometaalverbindingen

Organometallische verbindingen bevatten ten minste één koolstof-metaalbinding. Voorbeelden omvatten tetraethyllood, ferroceen en het zout van Zeise.

Koolstoflegeringen

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

Namen van koolstofverbindingen

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 omvatten Al₄C₃, CaC₂, SiC, TiC, WC.
• Koolstofhalogeniden: Koolstofhalogeniden bestaan ​​uit koolstof gebonden aan een halogeen. Voorbeelden omvatten koolstoftetrachloride (CCl₄) en koolstoftiodiodide (CI₄).
• carboranen: Carboranen zijn moleculaire clusters die zowel koolstof- als booratomen bevatten. Een voorbeeld is H₂C₂B₁₀H₁₀.

Eigenschappen van koolstofverbindingen

Koolstofverbindingen hebben bepaalde gemeenschappelijke kenmerken:

1. De meeste koolstofverbindingen hebben een lage reactiviteit bij gewone temperatuur, maar kunnen krachtig reageren wanneer warmte wordt toegepast. Cellulose in hout is bijvoorbeeld stabiel bij kamertemperatuur, maar brandt bij verhitting.
2. Bijgevolg worden organische koolstofverbindingen als brandbaar beschouwd en kunnen ze als brandstoffen worden gebruikt. Voorbeelden zijn teer, plantmateriaal, aardgas, olie en steenkool. Na verbranding is het residu hoofdzakelijk elementaire koolstof.
3. Veel koolstofverbindingen zijn niet-polair en vertonen een lage oplosbaarheid in water. Om deze reden is alleen water niet voldoende om olie of vet te verwijderen.
4. Verbindingen van koolstof en stikstof zijn vaak goede explosieven. De bindingen tussen de atomen kunnen onstabiel zijn en zullen bij het breken waarschijnlijk veel energie vrijgeven.
5. Verbindingen die koolstof en stikstof bevatten hebben typisch een duidelijke en onaangename geur als vloeistoffen. De vaste vorm kan reukloos zijn. Een voorbeeld is nylon, dat ruikt tot het polymeriseert.

Gebruik van koolstofverbindingen

Het gebruik van koolstofverbindingen is onbeperkt. 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.