Koolstof (Latyn: Carbogenum), is 'n chemiese element in die periodieke tabel met die simbool C en atoomgetal van 6. Die nie-metaalagtige, tetravalente element kom algemeen voor en het verskeie allotropiese vorms:
diamant (die hardste mineraal bekend). Die verbindingstruktuur kan beskryf word met 4 elektrone in sogenaamde 3-dimensionele sp3 orbitale.
grafiet (een van die sagste stowwe). Verbindingstruktuur: 3 elektrone in 2-dimensionele sp2-orbitale en 1 elektron in 'n p-orbitaal.
Fullerene is nanometer-skaal molekules. In die eenvoudigste vorm daarvan bestaan uit 60 koolstof atome in 'n grafietlaag wat gebuig is om 'n driedimensionele struktuur te gee wat baie soos 'n sokkerbal lyk.
Lampswart bestaan uit klein grafietagtige areas. Die areas kom lukraak verspreid voor dus is die hele struktuur isotropies.
Sogenaamde 'glasagtige koolstof' is isotropies en net so sterk soos glas. Anders as in normale grafiet, is die grafietagtige lae nie gerangskik soos in die bladsye van 'n boek nie maar is gefrommel soos wanneer 'n mens papier frommel.
Koolstofvesels is soortgelyk aan glasagtige koolstof. Onder spesiale behandeling (rek van organiese vesels en verkoling daarvan) is dit moontlik om die grafietvlakke in die rigting van die vesel te rangskik. Daar is dan geen koolstofvlakke wat loodreg tot die as van die vesel gerangskik is nie. Die resultaat is vesels met 'n baie hoër spesifieke breeksterkte as die van staal!
Koolstof kom voor in alle organiese lewe en vorm die basis van organiese chemie. Hierdie nie-metaal het ook die interessante eienskap dat dit met atome van sy eie soort kan verbindings vorm asook met 'n groot verskeidenheid ander elemente – soveel dat daar bykans 10 miljoen bekende verbindings van koolstof bestaan. Wanneer dit met suurstof verbind vorm dit koolstofdioksied, 'n molekuul wat absoluut noodsaaklik is vir plante om te groei. Wanneer dit met waterstof verbind, vorm dit verskeie verbindings bekend as koolwaterstowwe wat weer uiters noodsaaklik is vir die nywerheid in die vorm van fossielbrandstowwe. Wanneer dit met beide suurstof en waterstof verbind kan dit baie groepe verbindings vorm insluitend vetsure wat noodsaaklik is vir lewe en esters wat die geur aan baie vrugte verleen. Die isotoop koolstof-14 word algemeen gebruik in radioaktiewe datering.
Koolstof is vir baie redes 'n merkwaardige element. Sy verskillende vorme sluit een van die sagste (grafiet) en een van die hardste (diamant) stowwe wat aan die mens bekend is in. Meerendeels het dit 'n sterk neiging om verbindings te vorm met ander klein atome, insluitende ander koolstofatome en sy klein grootte maak dit vir die element moontlik om veelvuldige verbindings te maak. As gevolg van hierdie eienskappe is dit bekend dat koolstof byna tien miljoen bekende chemiese stowwe kan vorm. Koolstofverbindings vorm die basis van alle lewe op aarde en die koolstof-stikstofsiklus verskaf van die energie wat deur die son en ander sterre uitgestraal word.
Koolstof is nie in die grootknal geskep nie as gevolg van die feit dat dit 'n driedubbele botsings van alfa partikels (heliumkerne) vereis om geproduseer te kan word. Die heelal het aanvanklik uitgesit en ook te vinnig afgekoel vir dit om te gebeur. Dit word egter in die binnekant van sterre gevorm omdat die botsingsproses skynbaar daar moontlik is.
Die hoof ekonomiese gebruik van koolstof is in die vorm van koolwaterstowwe, waarvan die fossielbrandstowwe, metaangas en ru-olie, die vernaamste bronne is. Ru-olie word deur die petrochemiese nywerheid gebruik om onder andere petrol, diesel en keroseen deur middel van distillasieprosesse in raffinaderye te vervaardig. Ru-olie is die rou-materiaal vir vele sintetiese stowwe waaronder die plastieke ook tel.
Die isotoop 14C, wat op 27 Februarie 1940 ontdek is, word gebruik om radiokoolstofdatering te doen.
Sommige rookverklikkers gebruik klein hoeveelhede radioaktiewe koolstof isotoop as bron van ioniserende bestraling (Die meeste rookverklikkers van die tipe gebruik egter 'n isotoop van Amerikium).
Diamant word vir versieringsdoeleindes gebruik, om boorpunte te maak en vir ander eienskappe waar van sy hoë hardheid gebruik gemaak word.
Koolstof word ook gebruik vir die beheerstawe in kernreaktore.
Grafiet koolstof in 'n verpoeierde, koekvorm word gebruik as houtskool om mee te kook, vir kunswerk en ander gebruike.
Houtskool word gebruik in pil of poeier vorm om toksiese stowwe of giwwe in die spysverteringskanaal te adsorbeer.
Die chemiese en strukturele eienskappe van fullerene, in die vorm van koolstof nanobuise het belowende potensiële gebruike in die ontluikende veld van nanotegnologie.
Koolstof is reeds in die voorgeskiedenis ontdek en was al bekend aan die antieke mens, wat dit vervaardig het deur die verbranding van organiese materiaal met onvoldoende hoeveelhede suurstof (houtskool). Diamante is ook lank bekend as edelgesteente al was mense nie bewus van die verbintenis met houtskool nie. Die mees onlangste allotroop wat ontdek is fullerene is ontdek as 'n neweproduk van molekulêre bundel eksperimente van die 1980's.
Vier allotrope van koolstof is bekend: amorfe, grafiet, diamant en fullerene. Die ontdekking van 'n vyfde vorm is op 22 Maart 2004 bekend gemaak.
In sy amorfe vorm is koolstof eintlik basies grafiet maar word nie saamgebind in 'n kristallyne makrostruktuur nie. Dit kom eerder voor as 'n poeier wat die hoofbestanddeel is van stowwe soos houtskool en lampswart (roet).
Teen normale drukke neem koolstof die vorm van grafiet aan, waar elke atoom gebonde is aan drie ander 'n vlak wat bestaan uit versmelte heksagonale ringe, soortgelyk aan dié in aromatiese koolwaterstowwe. Die twee bekende vorms van grafiet, alfa (heksagonaal) en beta (rombies), het beide identiese fisiese eienskappe behalwe vir hul kristalstruktuur. Grafiet wat natuurlik voorkom bevat tipies tot 30% van die beta vorm, terwyl sinteties vervaardigde grafiet slegs die alfa vorm bevat. Die alfa vorm kan na die beta vorm omgeskakel word deur meganiese behandeling en die beta vorm skakel terug na de alfa vorm wanneer dit bo 1000°C verhit word.
Grafiet gelei elektrisiteit vanweë die delokalisering van die pi-wolk. Die materiaal is sag en die blaadjies van die lae word slegs deur Van der Waalskragte aanmekaar gehou wat beteken dat hulle maklik oormekaar gly.
Teen baie hoë drukke het koolstof 'n allotroop wat diamant genoem word waar elke atoom verbind is aan vier ander koolstof atome. Diamant het dieselfde kubiese struktuur as silikon en germanium en danksy die sterkte van die koolstof-koolstof binding is dit saam met die iso-elektroniese boornitried (BN) die hardste stof bekend gedefinieer as sy weerstand teen krapmerke. Die oorgang na grafiet is by kamertemperatuur so stadig dat dit onopmerklik is. Onder sekere toestande kan koolstof kristalliseer tot Lonsdaliet, 'n vorm soortgelyk aan diamant maar heksagonaal.
Fullerene het 'n grafietagtige struktuur, maar in plaas van 'n suiwer heksagonale pakking bevat dit ook pentagone (of moontlik heptagone) van koolstof atome wat gebuig is om sfere, ellipse of silinders te vorm. Die eienskappe van fullerene (ook bekend in Engels as "buckyballs" en "buckytubes") is nog nie ten volle ontleed nie. Die name van die fullerene word ontleen aan die naam van die ontwerper van die geodesiese koepel wat 'n soortgelyke struktuur het as die van die "buckyballs".