How big is Koolstofatoom?

Een koolstofatoom heeft zes elektronen rond een kern van zes protonen en meestal zes neutronen. Op dezelfde manier gemeten als het waterstofatoom in de verkenner, namelijk als tweemaal de afstand waarop de buitenste elektronen zich het waarschijnlijkst bevinden, is het ongeveer 0,13 nanometer breed, oftewel 130 picometer. Een nanometer is een miljardste van een meter en een picometer is een duizendste van een nanometer.

Grootte

Een atoom heeft geen vaste vorm of grootte. Er zijn dus verschillende manieren om het te definiëren, en elke manier geeft een ander getal. Het getal dat hier wordt gebruikt, komt uit berekeningen van waar de elektronen zich het waarschijnlijkst bevinden. Twee van de zes elektronen van koolstof blijven dicht bij de kern en de andere vier zitten verder weg, zoals de afbeelding in de verkenner laat zien. De buitenste vier bevinden zich het waarschijnlijkst op ongeveer 65 picometer van de kern, waardoor het atoom ongeveer 130 picometer breed is.

Voor atomen in moleculen gebruiken scheikundigen vaak een andere maat. De covalente straal is de helft van de afstand tussen de middelpunten van twee gebonden atomen. Twee koolstofatomen die met een enkele binding verbonden zijn, liggen gemiddeld 154 picometer uit elkaar. Volgens deze maat is een koolstofatoom dus ongeveer 150 picometer breed.

De van der Waals-straal meet juist hoe dicht twee losse atomen elkaar kunnen naderen voordat ze elkaar wegduwen. Volgens die maat is een koolstofatoom ongeveer 340 picometer breed.

Groottevergelijkingen

Een koolstofatoom is ongeveer 1,2 keer zo breed als een waterstofatoom, dat volgens dezelfde maat 106 picometer breed is.
De dubbele helix van DNA, ongeveer 2 nanometer breed, is ongeveer 15 koolstofatomen breed.
Ongeveer 600.000–800.000 koolstofatomen, naast elkaar, zouden de breedte van een mensenhaar beslaan.
Als een koolstofatoom werd vergroot tot de grootte van een basketbal, ongeveer 24 centimeter breed, zou een mensenhaar ongeveer 150–185 kilometer breed zijn.

Hoe koolstofatomen zich aan elkaar binden

Koolstofatomen vormen meestal vier bindingen en kunnen zich aan elkaar koppelen in ketens van allerlei lengtes. Dankzij dit vermogen om ketens van veel verschillende lengtes te vormen, is koolstof essentieel voor het leven. Een dubbele binding trekt twee koolstofatomen dichter naar elkaar toe dan een enkele binding, tot 134 picometer, en een drievoudige binding tot 120 picometer.

Zuivere koolstof komt in verschillende vormen voor, waaronder diamant, grafiet en grafeen. Diamant is hard genoeg om gesteente te snijden, terwijl grafiet zacht is. Grafeen is een vel van koolstofatomen dat maar één atoom dik is, verbonden in een patroon van zeshoeken zoals kippengaas.

Losse koolstofatomen zien

Afzonderlijke koolstofatomen zijn veel te klein voor een lichtmicroscoop, maar ze zijn wel gezien met elektronenmicroscopen. In 2008 gebruikten onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory de TEAM 0.5-microscoop om beelden te maken waarop elk koolstofatoom in een vel grafeen te zien is. Grafeen is kwetsbaar. Daarom gebruikten ze een zachtere elektronenbundel met lagere energie, waarmee nog steeds details te onderscheiden waren die 1 ångström (100 picometer) uit elkaar lagen.

Atomen wegen

Koolstof bepaalt ook de maatstaf voor het wegen van atomen. Sinds 1960 is koolstof-12, de vorm van koolstof met zes neutronen, de referentie voor atoommassa's. De gebruikte eenheid, de dalton, is gedefinieerd als een twaalfde van de massa van een koolstof-12-atoom. Ongeveer 99% van de koolstof op aarde is koolstof-12.