2.07 Koolstof vs silicium
Koolstof (Latijn: carbonium, chemische aanduiding: C) is een veel voorkomend element op aarde. Een belangrijke eigenschap van koolstof is, dat atomen zich gemakkelijk aan elkaar binden en zo ketens vormen.
Hieronder staan 2 mogelijke manieren om een molecuul hexaan (C6 H14) weer te geven. Aan de naam is te zien dat het molecuul 6 koolstofatomen bevat: hexa is Grieks voor zes.
Afb. 1 (boven) en 2 (onder): Mogelijke weergaves van een hexaanmolecuul. (Bron: Wikipedia)
In de bovenste afbeelding stellen de zwarte bolletjes koolstofatomen voor en de witte waterstofatomen.
Daaronder een meer schematische weergave van hetzelfde molecuul, waarbij je goed kunt zien, dat elk koolstofatoom (C) 4 bindingsplekken heeft en elk waterstofatoom (H van hydrogenium) 1.
Zo’n keten kan gemakkelijk langer of korter gemaakt worden door koolstofatomen toe te voegen of te verwijderen. Ook kunnen er zijtakken ontstaan en verder kunnen andere elementen en ionen de plaats van waterstof en/of van koolstof innemen.
Zoals bekend is de kern van ieder levend wezen op aarde zijn DNA en dat DNA is opgebouwd uit een groot aantal combinaties van 4 aminozuren.
Aangezien de basis van elk aminozuur een koolstofketen is kunnen we concluderen dat leven, zoals wij dat kennen, zonder koolstof niet mogelijk is. Ook eiwitten, suikers, enzymen, etc. bestaan uit koolstofketens.
Daarnaast heeft koolstof een aantal zeer uiteenlopende eigenschappen. Zowel het hardste natuurlijke mineraal (diamant) als een van de zachtste (grafiet) bestaat vrijwel uitsluitend uit koolstof.
Afb. 3: Een stukje grafiet uit Sri Lanka. Slijp er een puntje aan en je kunt er mee schrijven of tekenen.
Verder kennen we sinds enkele jaren fullerenen, waarvan de bekendste de ‘buckyball’ is, een C60-atoom dat eruit ziet als een voetbal.
Afb. 4: Buckminsterfullereen alias ‘buckyball’. (Bron: Wikipedia)
Al iets langer kennen we het oersterke grafeen, een soort koolstofmat in honingraatvorm van slechts 1 atoom dik, die 200 keer zo sterk is als staal.
Afb. 5: Impressie van grafeen. (Bron: Wikipedia)
In het Periodiek Systeem der Elementen (zie b.v. 1.10) staat silicium (symbool Si van het Latijnse silex oftewel ‘vuursteen’) in dezelfde groep (kolom) als koolstof, maar dan een plekje naar beneden. Dat betekent dat koolstof en silicium veel kenmerken gemeen hebben.
Zo kan silicium ook ketens vormen. Vul in afb. 2 Si in voor elke C en je krijgt hexasilaan met als formule Si6H14. Wel is het zo, dat siliciumatomen een stuk groter zijn dan koolstofatomen, met als gevolg dat de binding tussen 2 siliciumatomen zwakker is dan die tussen 2 koolstofatomen. Daardoor vallen siliciumketens eerder uit elkaar. Langere ketens kunnen (bij normale temperatuur en druk) zelfs spontaan aan de lucht ontbranden.
Koolstof vormt naast ketens ook ringen. En dat geldt tevens voor silicium. Zie de afbeeldingen in de volgende kolom.
Vanwege deze overeenkomsten is door sciencefictionschrijvers nog wel eens gespeculeerd over levensvormen, die niet gebaseerd zijn op koolstof maar op silicium. Dat gaat altijd gepaard met veel geknars, vanwege de veronderstelde ‘stenige’ samenstelling. Maar silanen zijn meestal vloeibaar en de kleinste zijn zelfs gasvormig.
Afb. 6 en 7: Boven cyclohexaan, onder cyclohexasilaan. (Bron: Wikipedia)
Ook kennen we siliconen, een zacht en kneedbaar materiaal, dat voor een groot deel uit silicium bestaat. Dus wie weet wat er allemaal mogelijk is, als het om op silicium gebaseerde levensvormen gaat.
Hier op aarde komen we in de natuur silicium vooral tegen als het materiaal, waaruit rotsen en zand bestaan.
Nog een bijzondere vorm van koolstof, die ook de mineralenverzamelaar aanspreekt: shungiet. Oorspronkelijk is dit de naam voor een zeldzaam, amorf ‘mineraloïde’, dat voor meer dan 98% uit koolstof bestaat.
Sinds de commercie zich er op heeft geworpen, is dit percentage steeds verder verlaagd, zodat tegenwoordig zelfs materiaal met minder dan 10% koolstof reeds als shungiet wordt verkocht. Het is dan ook niet verwonderlijk dat de markt op het ogenblik overspoeld wordt met shungiet-bollen, -piramides, -hangers, etc.
Dat hoeft geen probleem te zijn, want het is beslist decoratief spul. Je moet je alleen realiseren, dat geslepen Shungiet voor maximaal 50% uit koolstof kan bestaan, want met meer koolstof is het materiaal te zacht om te slijpen!
Als reactie hierop wordt er tegenwoordig zgn. ‘edel-shungiet’ aangeboden, dat meer koolstof zou bevatten. Maar hoeveel precies wordt gewoonlijk niet vermeld
Afb. 9: ‘Edel-shungiet’ uit Rusland.
Afb. 8 (links): Shungiet-bol uit Rusland.
Nog een paar weetjes over shungiet:
- Het is genoemd naar de rivier de Shunga in Karelië, Rusland, waar het voor het eerst werd gevonden.
- Lang werd aangenomen, dat shungiet ontstaan is bij de inslag van een meteoriet, maar inmiddels wordt meer aan een organische oorsprong gedacht.
- Shungiet, die voor het grootste deel uit koolstof bestaat, is een uitstekend middel om water te zuiveren. In de 18e eeuw gebruikte tsaar Peter de Grote het hier al voor (Bron: Wikipedia).
- Vrij recent is ontdekt, dat in shungiet ook minuscule hoeveelheden (0,0001 – 0.001%) fullerenen zitten, een materiaal waarvan men voordien dacht dat het niet in de natuur voorkomt.
En dan nog een niet-weetje: waaruit (laagwaardige) shungiet naast koolstof verder nog bestaat is mij niet duidelijk. Obsidiaan? Kwarts? Wie het weet mag het zeggen.