Koolstof

Koolstof (uit het Latijn: carbo “steenkool”) is een chemisch element met het symbool C en atoomnummer 6. Het is niet-metalen en tetravalente vier elektronen die beschikbaar zijn om covalente chemische bindingen te vormen. Het behoort tot groep 14 van het periodiek systeem. Drie isotopen komen van nature voor, 12C en 13C zijn stabiel, terwijl 14C een radionuclide is, die vervalt met een halfwaardetijd van ongeveer 5.730 jaar. Koolstof is een van de weinige elementen die sinds de oudheid bekend zijn.

Koolstof is het 15e meest voorkomende element in de aardkorst, en het vierde meest voorkomende element in het universum, na waterstof, helium en zuurstof. De overvloed van koolstof, de unieke diversiteit aan organische verbindingen en het ongewone vermogen om polymeren te vormen bij de temperaturen die gewoonlijk op aarde voorkomen, maken dat dit element kan dienen als een gemeenschappelijk element van al het bekende leven. Het is na zuurstof het meest voorkomende element in het menselijk lichaam (ongeveer 18,5%).

De koolstofatomen kunnen zich op verschillende manieren aan elkaar binden, wat resulteert in verschillende allotropen van koolstof. De bekendste allotropen zijn grafiet, diamant en buckminsterfullereen. De fysische eigenschappen van koolstof variëren sterk met de allotrope vorm. Zo is grafiet bijvoorbeeld ondoorzichtig en zwart, terwijl diamant zeer transparant is. Grafiet is zacht genoeg om een streep te vormen op papier (vandaar de naam, van het Griekse werkwoord “γράφειν” wat “schrijven” betekent), terwijl diamant het hardste natuurlijke materiaal is dat bekend is. Grafiet is een goede elektrische geleider, terwijl diamant een laag elektrisch geleidingsvermogen heeft. Onder normale omstandigheden hebben diamant, koolstofnanobuizen en grafeen de hoogste thermische geleidbaarheid van alle bekende materialen. Alle koolstof-allotropen zijn vaste stoffen onder normale omstandigheden, waarbij grafiet de meest thermodynamisch stabiele vorm is bij standaardtemperatuur en -druk. Ze zijn chemisch resistent en hebben een hoge temperatuur nodig om zelfs met zuurstof te kunnen reageren.

De meest voorkomende oxidatietoestand van koolstof in anorganische verbindingen is +4, terwijl +2 wordt aangetroffen in koolmonoxide en overgangsmetaalcarbonylcomplexen. De grootste bronnen van anorganische koolstof zijn kalkstenen, dolomieten en kooldioxide, maar aanzienlijke hoeveelheden komen voor in organische afzettingen van steenkool, turf, olie en methaanclatraten. Koolstof vormt een enorm aantal verbindingen, meer dan enig ander element, met bijna tien miljoen beschreven verbindingen tot nu toe, en toch is dat aantal slechts een fractie van het aantal theoretisch mogelijke verbindingen onder standaardomstandigheden. Om deze reden wordt koolstof vaak de “koning der elementen” genoemd.

Geschiedenis

De Engelse naam carbon komt van het Latijnse carbo voor kolen en houtskool, vandaar ook de Franse charbon, wat houtskool betekent. In het Duits, Nederlands en Deens zijn de namen voor koolstof respectievelijk Kohlenstoff, koolstof en kulstof, die allemaal letterlijk kolenstof betekenen.

Koolstof werd ontdekt in de prehistorie en was bekend in de vormen van roet en houtskool voor de vroegste menselijke beschavingen. Diamanten waren in China waarschijnlijk al 2500 v.Chr. bekend, terwijl koolstof in de vorm van houtskool rond de Romeinse tijd werd gemaakt door dezelfde chemie als vandaag de dag, door het verwarmen van hout in een piramide bedekt met klei om lucht uit te sluiten.

In 1722 toonde René Antoine Ferchault de Réaumur aan dat ijzer werd omgezet in staal door de absorptie van een stof die nu bekend staat als koolstof. In 1772 toonde Antoine Lavoisier aan dat diamanten een vorm van koolstof zijn; toen hij monsters van houtskool en diamant verbrandde, ontdekte hij dat beide geen water produceerden en dat beide dezelfde hoeveelheid koolstofdioxide per gram vrijgaven. In 1779 toonde Carl Wilhelm Scheele aan dat grafiet, dat als een vorm van lood werd beschouwd, in plaats daarvan identiek was aan houtskool maar met een kleine toevoeging van ijzer, en dat het “luchtzuur” (zijn naam voor kooldioxide) gaf wanneer het met salpeterzuur werd geoxideerd. In 1786 bevestigden de Franse wetenschappers Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge en C. A. Vandermonde dat grafiet vooral koolstof was door het in zuurstof te oxideren op ongeveer dezelfde manier als Lavoisier met diamant had gedaan. Er bleef nog wat ijzer over, dat volgens de Franse wetenschappers noodzakelijk was voor de grafietstructuur. In hun publicatie stelden ze de naam carbone (Latijns carbonum) voor voor het element in grafiet dat als gas werd afgegeven bij het branden van grafiet. Antoine Lavoisier noemde toen koolstof als element in zijn leerboek van 1789.

Een nieuwe allotroop van koolstof, fullereen, die in 1985 werd ontdekt, bevat nanogestructureerde vormen zoals buckyballen en nanobuizen. Hun ontdekkers - Robert Curl, Harold Kroto en Richard Smalley - ontvingen in 1996 de Nobelprijs voor de Scheikunde. De daaruit voortvloeiende hernieuwde belangstelling voor nieuwe vormen leidde tot de ontdekking van nog meer exotische allotropen, waaronder glasachtige koolstof, en het besef dat “amorfe koolstof” niet strikt amorf is.

Natuurlijk voorkomen

Koolstof is het vierde meest voorkomende chemische element in het waarneembare universum, na waterstof, helium en zuurstof. Koolstof is overvloedig aanwezig in de Zon, sterren, kometen en in de atmosferen van de meeste planeten. Sommige meteorieten bevatten microscopische diamanten die gevormd werden toen het zonnestelsel nog een protoplanetaire schijf was. Microscopische diamanten kunnen ook gevormd worden door de intense druk en de hoge temperatuur op de plekken waar meteorieten inslaan.

In 2014 kondigde NASA een sterk verbeterde database aan voor het opsporen van polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK’s) in het heelal. Meer dan 20% van de koolstof in het heelal kan in verband worden gebracht met PAK’s, complexe verbindingen van koolstof en waterstof zonder zuurstof. Deze verbindingen komen voor in de PAK-wereldhypothese, waarbij wordt verondersteld dat ze een rol spelen bij de abiogenese en de vorming van leven. PAK’s lijken “een paar miljard jaar” na de oerknal te zijn gevormd, zijn wijdverspreid over het heelal en worden geassocieerd met nieuwe sterren en exoplaneten.

Er wordt geschat dat de vaste aarde als geheel 730 ppm koolstof bevat, met 2000 ppm in de kern en 120 ppm in de gecombineerde mantel en korst. Aangezien de massa van de aarde 5,972×1024 kg is, zou dit 4360 miljoen gigaton aan koolstof betekenen. Dit is veel meer dan de hoeveelheid koolstof in de oceanen of de atmosfeer (hieronder).

In combinatie met zuurstof in kooldioxide wordt koolstof gevonden in de atmosfeer van de aarde (ongeveer 900 gigaton koolstof - elke ppm komt overeen met 2,13 Gt) en opgelost in alle waterlichamen (ongeveer 36.000 gigaton koolstof). Koolstof in de biosfeer is geschat op 550 gigaton, maar met een grote onzekerheid, voornamelijk als gevolg van een enorme onzekerheid in de hoeveelheid bacteriën in de diepe ondergrond van de aarde. Koolwaterstoffen (zoals steenkool, aardolie en aardgas) bevatten ook koolstof. De “reserves” van steenkool (niet “grondstoffen”) bedragen ongeveer 900 gigaton met misschien 18.000 Gt aan grondstoffen. De oliereserves bedragen ongeveer 150 gigaton. Bewezen bronnen van aardgas zijn ongeveer 175×1012 kubieke meter (met ongeveer 105 gigaton koolstof), maar studies schatten nog eens 900×1012 kubieke meter “onconventionele” afzettingen zoals schaliegas, wat neerkomt op ongeveer 540 gigaton koolstof.

Koolstof wordt ook gevonden in methaanhydraten in de poolgebieden en onder de zeeën. Volgens verschillende schattingen ligt deze koolstof tussen 500, 2500 Gt of 3.000 Gt.

In het verleden waren de hoeveelheden koolwaterstoffen groter. Volgens één bron is in de periode 1751-2008 ongeveer 347 gigaton koolstof als kooldioxide in de atmosfeer vrijgekomen bij de verbranding van fossiele brandstoffen. Een andere bron schat de toegevoegde hoeveelheid aan de atmosfeer voor de periode vanaf 1750 op 879 Gt, en het totaal dat naar de atmosfeer, de zee en het land (zoals veengebieden) gaat op bijna 2.000 Gt.

Koolstof is een bestanddeel (ongeveer 12% van de massa) van de zeer grote massa’s carbonaatgesteente (kalksteen, dolomiet, marmer, enz.). Steenkool is zeer rijk aan koolstof (antraciet bevat 92-98%) en is de grootste commerciële bron van minerale koolstof, goed voor 4.000 gigaton of 80% van de fossiele brandstof.

Wat betreft de individuele koolstofdiolen wordt grafiet in grote hoeveelheden gevonden in de Verenigde Staten (meestal in New York en Texas), Rusland, Mexico, Groenland en India. Natuurlijke diamanten komen voor in het rotskimberliet, dat wordt gevonden in oude vulkanische “nekken”, of “pijpen”. De meeste diamantdeposito’s bevinden zich in Afrika, met name in Zuid-Afrika, Namibië, Botswana, de Republiek Congo en Sierra Leone. Diamantafzettingen zijn ook gevonden in Arkansas, Canada, het Russische Noordpoolgebied, Brazilië en in Noord- en West-Australië. Ook op de oceaanbodem van Kaap de Goede Hoop worden nu diamanten teruggevonden. Diamanten worden op natuurlijke wijze gevonden, maar ongeveer 30% van alle industriële diamanten die in de VS worden gebruikt, worden nu geproduceerd.

Koolstof-14 wordt gevormd in de bovenste lagen van de troposfeer en de stratosfeer op 9-15 km hoogte door een reactie die wordt neergeslagen door kosmische stralen. Er worden thermische neutronen geproduceerd die in botsing komen met de kernen van stikstof-14, waarbij koolstof-14 en een proton worden gevormd. Als zodanig bevat 1,5%×10-10 van het koolstofdioxide in de atmosfeer koolstof-14.

Koolstofrijke asteroïden zijn in de buitenste delen van de asteroïdengordel in ons zonnestelsel relatief sterk aanwezig. Deze asteroïden zijn nog niet rechtstreeks door wetenschappers bemonsterd. De asteroïden kunnen worden gebruikt in hypothetische koolstofmijnbouw in de ruimte, wat in de toekomst mogelijk is, maar op dit moment technologisch onmogelijk is.

Productie

Grafiet

Commercieel levensvatbare natuurlijke vindplaatsen van grafiet komen in vele delen van de wereld voor, maar de belangrijkste economische bronnen bevinden zich in China, India, Brazilië en Noord-Korea. Grafietdeposito’s zijn van metamorfe oorsprong en worden gevonden in combinatie met kwarts, mica en veldspaat in schist, gneis en gemetamorfoseerde zandsteen en kalksteen als lenzen of aders, soms van een meter of meer in dikte. Deposito’s van grafiet in Borrowdale, Cumberland, Engeland waren in eerste instantie van voldoende omvang en zuiverheid dat, tot de 19e eeuw, potloden gewoon werden gemaakt door blokken natuurlijk grafiet te zagen in stroken voordat de stroken in hout werden ingekapseld. Vandaag de dag worden kleinere afzettingen van grafiet verkregen door het moedergesteente te pletten en het lichtere grafiet op het water te laten drijven.

Er zijn drie soorten natuurlijk grafietamorf, vlok of kristallijne vlok, en ader of klomp. Amorf grafiet is de laagste kwaliteit en het meest overvloedig. In tegenstelling tot de wetenschap, verwijst “amorf” in de industrie naar een zeer kleine kristalgrootte in plaats van een volledig gebrek aan kristalstructuur. Amorf wordt gebruikt voor laagwaardige grafietproducten en is het laagst geprijsde grafiet. Grote amorfe grafietafzettingen worden gevonden in China, Europa, Mexico en de Verenigde Staten. Vlokgrafiet komt minder vaak voor en is van hogere kwaliteit dan amorf; het komt voor als afzonderlijke platen die gekristalliseerd zijn in metamorf gesteente. Vlokgrafiet kan vier keer de prijs van amorf zijn. Goede kwaliteit vlokken kunnen worden verwerkt tot expandeerbaar grafiet voor vele toepassingen, zoals brandvertragers. De belangrijkste afzettingen zijn te vinden in Oostenrijk, Brazilië, Canada, China, Duitsland en Madagaskar. Ader- of klompgrafiet is het zeldzaamste, meest waardevolle en meest hoogwaardige type natuurlijk grafiet. Het komt voor in aders langs opdringerige contacten in vaste klonten, en het wordt alleen commercieel ontgonnen in Sri Lanka.

Volgens de USGS bedroeg de wereldproductie van natuurlijk grafiet 1,1 miljoen ton in 2010, waaraan China 800.000 ton bijdroeg, India 130.000 ton, Brazilië 76.000 ton, Noord-Korea 30.000 ton en Canada 25.000 ton. Er werd geen natuurlijk grafiet gedolven in de Verenigde Staten, maar 118.000 ton synthetisch grafiet met een geschatte waarde van 998 miljoen dollar werd geproduceerd in 2009.

Diamant

De diamantleveringsketen wordt gecontroleerd door een beperkt aantal machtige bedrijven en is ook sterk geconcentreerd op een klein aantal locaties in de wereld (zie figuur).

Slechts een zeer klein deel van het diamanterts bestaat uit echte diamanten. Het erts wordt verbrijzeld, waarbij er voorzichtig te werk moet worden gegaan om te voorkomen dat grotere diamanten in dit proces worden vernietigd en de deeltjes vervolgens op dichtheid worden gesorteerd. Vandaag de dag bevinden de diamanten zich in de diamantrijke dichtheidsfractie met behulp van röntgenfluorescentie, waarna de laatste sorteerstappen met de hand worden uitgevoerd. Voordat het gebruik van röntgenstralen gemeengoed werd, werd de scheiding gedaan met vetbanden; diamanten hebben een sterkere neiging om zich aan vet te hechten dan de andere mineralen in het erts.

Historisch gezien werden diamanten alleen gevonden in alluviale afzettingen in het zuiden van India. India leidde de wereld in de diamantproductie vanaf de tijd van hun ontdekking in ongeveer de 9e eeuw voor Christus tot het midden van de 18e eeuw na Christus, maar het commerciële potentieel van deze bronnen was tegen het einde van de 18e eeuw uitgeput en in die tijd werd India overschaduwd door Brazilië, waar de eerste niet-Indiase diamanten werden gevonden in 1725.

De diamantproductie van primaire afzettingen (kimberlieten en lamprofielen) begon pas in de jaren 1870 na de ontdekking van de diamantvelden in Zuid-Afrika. De productie is in de loop van de tijd toegenomen en sindsdien zijn er in totaal 4,5 miljard karaat gedolven. Ongeveer 20% van die hoeveelheid is alleen al in de laatste 5 jaar gedolven, en gedurende de laatste 10 jaar zijn 9 nieuwe mijnen begonnen met de productie, terwijl er nog 4 wachten op de opening van de nieuwe mijnen. De meeste van deze mijnen bevinden zich in Canada, Zimbabwe, Angola en één in Rusland.

In de Verenigde Staten zijn er diamanten gevonden in Arkansas, Colorado en Montana. In 2004 leidde een opzienbarende ontdekking van een microscopische diamant in de Verenigde Staten tot de bulkbemonstering van kimberlietbuizen in een afgelegen deel van Montana in januari 2008.

Vandaag de dag bevinden de meeste commercieel levensvatbare diamantdepots zich in Rusland, Botswana, Australië en de Democratische Republiek Congo. In 2005 produceerde Rusland bijna een vijfde van de wereldwijde diamantproductie, zo meldt de British Geological Survey. Australië heeft de rijkste diamantpijp met een productie die een piekniveau van 42 ton (41 lange ton; 46 korte ton) per jaar bereikt in de jaren negentig. Er zijn ook commerciële afzettingen die actief worden gedolven in de Noordwestelijke gebieden van Canada, Siberië (meestal in Yakutia; bijvoorbeeld Mir-pijp en Udachnaya-pijp), Brazilië, en in Noord- en West-Australië.

Economisch gebruik

Koolstof is essentieel voor alle bekende levende systemen, en zonder koolstof zou het leven zoals we dat kennen niet kunnen bestaan (zie alternatieve biochemie). Het belangrijkste economische gebruik van koolstof anders dan voedsel en hout is in de vorm van koolwaterstoffen, met name de fossiele brandstof methaangas en ruwe olie (aardolie). Ruwe olie wordt door de petrochemische industrie in raffinaderijen gedistilleerd voor de productie van benzine, kerosine en andere producten. Cellulose is een natuurlijk, koolstofhoudend polymeer dat door planten wordt geproduceerd in de vorm van hout, katoen, linnen en hennep. Cellulose wordt voornamelijk gebruikt voor het behoud van de structuur van planten. Commercieel waardevolle koolstofpolymeren van dierlijke oorsprong zijn onder andere wol, kasjmier en zijde. Kunststoffen worden gemaakt van synthetische koolstofpolymeren, vaak met zuurstof- en stikstofatomen die met regelmatige tussenpozen in de hoofdpolymeerketen worden opgenomen. De grondstoffen voor veel van deze synthetische stoffen zijn afkomstig van ruwe olie.

Het gebruik van koolstof en zijn verbindingen is zeer gevarieerd. Het kan legeringen vormen met ijzer, waarvan koolstofstaal de meest voorkomende is. Grafiet wordt gecombineerd met klei om het ‘lood’ te vormen dat gebruikt wordt in potloden die gebruikt worden om te schrijven en te tekenen. Het wordt ook gebruikt als smeermiddel en als pigment, als gietmateriaal bij de vervaardiging van glas, in elektroden voor droge batterijen en bij het galvaniseren en elektrovormen, in borstels voor elektromotoren en als neutronenmoderator in kernreactoren.

Houtskool wordt gebruikt als tekenmateriaal in artwork, barbecue-grillen, ijzersmelten en in vele andere toepassingen. Hout, kolen en olie worden gebruikt als brandstof voor de productie van energie en verwarming. De diamant van de edelsteenkwaliteit wordt gebruikt in juwelen, en industriële diamanten worden gebruikt in boor-, snij- en polijstgereedschappen voor het bewerken van metalen en steen. Kunststoffen worden gemaakt van fossiele koolwaterstoffen, en koolstofvezel, gemaakt door pyrolyse van synthetische polyestervezels, wordt gebruikt om kunststoffen te versterken om geavanceerde, lichtgewicht composietmaterialen te vormen.

Koolstofvezel wordt gemaakt door pyrolyse van geëxtrudeerde en uitgerekte filamenten van polyacrylonitril (PAN) en andere organische stoffen. De kristallografische structuur en de mechanische eigenschappen van de vezel zijn afhankelijk van het type uitgangsmateriaal en van de daaropvolgende verwerking. Koolstofvezels gemaakt van PAN hebben een structuur die lijkt op smalle filamenten van grafiet, maar de thermische verwerking kan de structuur opnieuw ordenen tot een continu gewalste plaat. Het resultaat is vezels met een hogere specifieke treksterkte dan staal.

Koolstofzwart wordt gebruikt als het zwarte pigment in drukinkt, olieverf en aquarelverf voor kunstenaars, carbonpapier, auto’s, Indiase inkt en toner voor laserprinters. Koolstofzwart wordt ook gebruikt als vulstof in rubberproducten zoals banden en in kunststofcompounds. Actieve kool wordt gebruikt als een absorberend en adsorberend middel in filtermateriaal in uiteenlopende toepassingen zoals gasmaskers, waterzuivering en keukenafzuigkappen, en in de geneeskunde om giftige stoffen, giftige stoffen of gassen uit het spijsverteringsstelsel te absorberen. Koolstof wordt gebruikt in chemische reductie bij hoge temperaturen. Cokes wordt gebruikt om ijzererts te reduceren tot ijzer (smelten). Harding van staal wordt bereikt door het verhitten van afgewerkte stalen onderdelen in koolstofpoeder. Carbiden van silicium, wolfraam, boor en titanium, behoren tot de hardste bekende materialen, en worden gebruikt als schuurmiddelen in snij- en slijpgereedschappen. Koolstofverbindingen vormen de meeste materialen die in kleding worden gebruikt, zoals natuurlijk en synthetisch textiel en leer, en bijna alle oppervlakken in het interieur van de gebouwde omgeving, met uitzondering van glas, steen en metaal.

Diamanten

De diamantindustrie valt in twee categorieën uiteen: de ene betreft edelsteendiamanten en de andere industriële diamanten. Hoewel er een grote handel in beide soorten diamant bestaat, functioneren de twee markten dramatisch verschillend.

In tegenstelling tot edele metalen zoals goud of platina, handelen edelsteendiamanten niet als handelswaar: er is een aanzienlijke handelsmarge in de verkoop van diamanten en er is geen zeer actieve markt voor de wederverkoop van diamanten.

Industriële diamanten worden vooral gewaardeerd om hun hardheid en warmtegeleiding, waarbij de gemmologische kwaliteiten van helderheid en kleur meestal irrelevant zijn. Ongeveer 80% van de gedolven diamanten (gelijk aan ongeveer 100 miljoen karaat of 20 ton per jaar) zijn ongeschikt voor gebruik als edelstenen voor industrieel gebruik (bekend als bort). synthetisch diamant, uitgevonden in de jaren 1950, vond bijna onmiddellijk industriële toepassingen; jaarlijks wordt 3 miljard karaat (600 ton) synthetisch diamant geproduceerd.

Het dominante industriële gebruik van diamant is het snijden, boren, slijpen en polijsten. De meeste van deze toepassingen vereisen geen grote diamanten; in feite kunnen de meeste diamanten van edelsteenkwaliteit, met uitzondering van hun kleine formaat, industrieel worden gebruikt. Diamanten worden ingebed in boorpunten of zaagbladen, of geslepen tot een poeder voor gebruik in slijp- en polijsttoepassingen. Gespecialiseerde toepassingen zijn onder andere gebruik in laboratoria als inperking voor hoge druk experimenten (zie diamant aambeeld cel), hoogwaardige lagers, en beperkt gebruik in gespecialiseerde ramen. Met de voortdurende vooruitgang in de productie van synthetisch diamant worden nieuwe toepassingen mogelijk. Veel opwinding is het mogelijke gebruik van diamant als een halfgeleider die geschikt is voor microchips, en vanwege zijn uitzonderlijke warmtegeleidingseigenschap, als koellichaam in de elektronica.

Biologie

Koolstof komt voor in al het bekende organische leven en is de basis van de organische chemie. In combinatie met waterstof vormt het verschillende koolwaterstoffen die belangrijk zijn voor de industrie als koelmiddel, smeermiddel, oplosmiddel, als chemische grondstof voor de productie van kunststoffen en petrochemie en als fossiele brandstof.

In combinatie met zuurstof en waterstof kan koolstof vele groepen belangrijke biologische verbindingen vormen, waaronder suikers, lignanen, chitines, alcoholen, vetten en aromatische esters, carotenoïden en terpenen. Met stikstof vormt het alkaloïden, en met de toevoeging van zwavel vormt het ook antibiotica, aminozuren en rubberproducten. Met de toevoeging van fosfor aan deze andere elementen vormt het DNA en RNA, de chemische coderingsdragers van het leven, en adenosinetrifosfaat (ATP), het belangrijkste energie-overdrachtsmolecuul in alle levende cellen.

Veiligheid

Zuivere koolstof heeft een extreem lage giftigheid voor de mens en kan veilig worden behandeld in de vorm van grafiet of houtskool. Het is bestand tegen oplossen of chemische aantasting, zelfs in het zure gedeelte van het spijsverteringskanaal. Als het eenmaal in de weefsels van het lichaam terechtkomt, zal het daar waarschijnlijk voor onbepaalde tijd blijven. Carbon black was waarschijnlijk een van de eerste pigmenten die gebruikt werden voor het tatoeëren, en Ötzi de Iceman bleek koolstoftatoeages te hebben die tijdens zijn leven en 5200 jaar na zijn dood overleefden. Inademing van koolstof of roet (carbon black) in grote hoeveelheden kan gevaarlijk zijn, irriterend voor het longweefsel en de oorzaak zijn van de congestieve longziekte, de pneumoconiose van de mijnwerker. Diamantstof dat als schuurmiddel wordt gebruikt, kan schadelijk zijn als het wordt ingeslikt of ingeademd. Koolstofdeeltjes worden geproduceerd in de uitlaatgassen van dieselmotoren en kunnen zich ophopen in de longen. In deze voorbeelden kan de schade eerder het gevolg zijn van verontreinigingen (bijv. organische chemicaliën, zware metalen) dan van de koolstof zelf.

Koolstof heeft over het algemeen een lage giftigheid voor het leven op aarde; maar koolstofnanopartikels zijn dodelijk voor Drosophila.

Koolstof kan krachtig en helder verbranden in de aanwezigheid van lucht bij hoge temperaturen. Grote opeenhopingen van steenkool, die honderden miljoenen jaren inert zijn gebleven in afwezigheid van zuurstof, kunnen spontaan verbranden wanneer ze worden blootgesteld aan lucht op stortplaatsen voor steenkoolmijnen, scheepsvracht en kolenbunkers, en op stortplaatsen.

In nucleaire toepassingen waar grafiet als neutronenmoderator wordt gebruikt, kan accumulatie van Wigner-energie gevolgd door een plotselinge, spontane vrijzetting plaatsvinden. Bij het gloeien tot minstens 250 °C kan de energie veilig vrijkomen, hoewel bij de Windscale brand de procedure foutief is verlopen, waardoor andere reactormaterialen kunnen ontbranden.

De grote verscheidenheid aan koolstofverbindingen omvat dodelijke gifstoffen zoals tetrodotoxine, de lectine ricine uit de zaden van de ricinusolieplant Ricinus communis, cyanide (CN-), en koolmonoxide; en essentiële bestanddelen van het leven zoals glucose en proteïne.