Zawartość
Związki organiczne to te, od których zależy życie, i wszystkie one zawierają węgiel. W rzeczywistości definicja związku organicznego obejmuje węgiel. Jest szóstym najliczniejszym pierwiastkiem we wszechświecie, a węgiel zajmuje także szóstą pozycję na układzie okresowym. Ma dwa elektrony w swojej wewnętrznej skorupie i cztery w zewnętrznej, a ten układ sprawia, że węgiel jest tak wszechstronnym pierwiastkiem. Ponieważ może łączyć się na wiele różnych sposobów i ponieważ wiązania formy węgla są wystarczająco silne, aby pozostać nienaruszone w wodzie - drugi warunek życia - węgiel jest niezbędny do życia, jakie znamy. W rzeczywistości można wysunąć argument, że węgiel jest niezbędny, aby życie istniało gdzie indziej we wszechświecie, a także na Ziemi.
TL; DR (Too Long; Didnt Read)
Ponieważ na drugim orbicie ma cztery elektrony, które mogą pomieścić osiem, węgiel może łączyć się na wiele różnych sposobów i może tworzyć bardzo duże cząsteczki. Wiązania węgla są silne i mogą pozostawać razem w wodzie. Węgiel jest tak wszechstronnym pierwiastkiem, że istnieje prawie 10 milionów różnych związków węgla.
To o wartościowości
Tworzenie związków chemicznych zasadniczo przebiega zgodnie z regułą oktetów, według której atomy dążą do stabilności, zyskując lub tracąc elektrony, aby osiągnąć optymalną liczbę ośmiu elektronów w swojej zewnętrznej powłoce. W tym celu tworzą wiązania jonowe i kowalencyjne. Podczas tworzenia wiązania kowalencyjnego atom dzieli elektrony z co najmniej jednym innym atomem, umożliwiając obu atomom osiągnięcie bardziej stabilnego stanu.
Mając tylko cztery elektrony w swojej zewnętrznej powłoce, węgiel jest równie zdolny do przekazywania i przyjmowania elektronów, i może tworzyć jednocześnie cztery wiązania kowalencyjne. Cząsteczka metanu (CH4) jest prostym przykładem. Węgiel może również tworzyć wiązania ze sobą, a wiązania są silne. Zarówno diament, jak i grafit składają się w całości z węgla. Zabawa zaczyna się, gdy węgiel wiąże się z kombinacjami atomów węgla i innych pierwiastków, zwłaszcza wodoru i tlenu.
Tworzenie się makrocząsteczek
Zastanów się, co się dzieje, gdy dwa atomy węgla tworzą kowalencyjne wiązanie ze sobą. Mogą łączyć się na kilka sposobów, i na jednym, dzielą jedną parę elektronów, pozostawiając trzy pozycje wiązania otwarte. Para atomów ma teraz sześć otwartych pozycji wiązania, a jeśli jeden lub więcej jest zajętych przez atom węgla, liczba pozycji wiązania szybko rośnie. Rezultatem są cząsteczki składające się z dużych łańcuchów atomów węgla i innych pierwiastków. Te struny mogą rosnąć liniowo lub mogą się zamykać i tworzyć pierścienie lub struktury heksagonalne, które mogą również łączyć się z innymi strukturami, tworząc jeszcze większe cząsteczki. Możliwości są prawie nieograniczone. Do tej pory chemicy skatalogowali prawie 10 milionów różnych związków węgla. Najważniejsze dla życia obejmują węglowodany, które powstają w całości z węgla, wodoru, lipidów, białek i kwasów nukleinowych, z których najbardziej znanym przykładem jest DNA.
Dlaczego nie krzemu?
Krzem jest pierwiastkiem znajdującym się tuż pod węglem w układzie okresowym i jest około 135 razy więcej na Ziemi. Podobnie jak węgiel, ma tylko cztery elektrony w swojej zewnętrznej powłoce, więc dlaczego makrocząsteczki, które tworzą żywe organizmy na bazie krzemu? Głównym powodem jest to, że węgiel tworzy silniejsze wiązania niż krzem w temperaturach sprzyjających życiu, szczególnie z samym sobą. Cztery niesparowane elektrony w zewnętrznej powłoce silikonowej znajdują się na trzeciej orbicie, która może potencjalnie pomieścić 18 elektronów. Z drugiej strony węgle cztery niesparowane elektrony znajdują się na drugim orbicie, który może pomieścić tylko 8, a kiedy orbital jest wypełniony, połączenie molekularne staje się bardzo stabilne.
Ponieważ wiązanie węgiel-węgiel jest silniejsze niż wiązanie krzem-krzem, związki węgla pozostają razem w wodzie, podczas gdy związki krzemu rozpadają się. Poza tym kolejnym prawdopodobnym powodem dominacji molekuł węglowych na Ziemi jest obfitość tlenu. Utlenianie napędza większość procesów życiowych, a produktem ubocznym jest dwutlenek węgla, który jest gazem. Organizmy utworzone z cząsteczek na bazie krzemu prawdopodobnie również otrzymałyby energię z utleniania, ale ponieważ dwutlenek krzemu jest ciałem stałym, musiałyby wydychać ciało stałe.