Sadržaj
Organski spojevi su oni o kojima ovisi život, a svi sadrže ugljik. U stvari, definicija organskog spoja je ona koja sadrži ugljik. Njezin je šesti najbogatiji element u svemiru, a ugljik također zauzima šestu poziciju na periodičnoj tablici. Ima dva elektrona u svojoj unutarnjoj ljusci i četiri u vanjskoj, a upravo ovaj raspored čini karbon tako svestranim elementom. Zato što se može kombinirati na toliko različitih načina i zbog toga što su ugljikovi oblici veze dovoljno jaki da ostanu netaknuti u vodi - drugi je zahtjev za životom - ugljik neophodan za život onakav kakav znamo. U stvari, može se dati argument da je ugljik potreban da bi život postojao drugdje u svemiru i na Zemlji.
TL; DR (Predugo; nisam pročitao)
Budući da u svojoj drugoj orbitali ima četiri elektrona, koji mogu primiti osam, ugljik se može kombinirati na mnogo različitih načina i može tvoriti vrlo velike molekule. Karbonske veze su jake i mogu ostati zajedno u vodi. Ugljik je tako svestran element da postoji gotovo 10 milijuna različitih ugljikovih spojeva.
O Valenciji
Stvaranje kemijskih spojeva uglavnom slijedi oktetsko pravilo prema kojem atomi traže stabilnost dobivanjem ili gubitkom elektrona kako bi postigli optimalni broj od osam elektrona u svojoj vanjskoj ljusci. U tu svrhu tvore ionske i kovalentne veze. Formirajući kovalentnu vezu, atom dijeli elektrone s barem jednim drugim atomom, omogućujući oba atoma postizanje stabilnijeg stanja.
Sa samo četiri elektrona u svojoj vanjskoj ljusci, ugljik je jednako sposoban donirati i prihvaćati elektrone, a može istovremeno tvoriti četiri kovalentne veze. Molekula metana (CH4) jednostavan je primjer. Ugljik također može tvoriti veze sa sobom, a veze su jake. Dijamant i grafit su u potpunosti sastavljeni od ugljika. Zabava započinje kada ugljik povezuje kombinacije ugljikovih atoma i ostalih elemenata, posebno vodika i kisika.
Formiranje makromolekula
Razmotrite što se događa kada dva atoma ugljika međusobno tvore kovalentnu vezu. Mogu se kombinirati na više načina, a na jedan dijele jedan par elektrona, a tri vezana položaja su otvorena. Par atoma sada ima šest otvorenih veza, a ako jedan ili više zauzima ugljikov atom, broj vezanih položaja brzo raste. Rezultat su molekule koje se sastoje od velikih nizova atoma ugljika i drugih elemenata. Ti žice mogu rasti linearno ili se mogu zatvoriti i formirati prstenove ili šesterokutne strukture koje se također mogu kombinirati s drugim strukturama i tvore još veće molekule. Mogućnosti su gotovo neograničene. Do danas su kemičari katalogizirali gotovo 10 milijuna različitih ugljikovih spojeva. Najvažniji za život uključuju ugljikohidrate koji se formiraju u potpunosti s ugljikom, vodikom, lipidima, proteinima i nukleinskim kiselinama, od kojih je najpoznatiji primjer DNK.
Zašto ne silicijum?
Silicij je element koji se nalazi ispod ugljika u periodičnoj tablici, a na Zemlji ga ima oko 135 puta obilnije. Poput ugljika, on ima samo četiri elektrona u svojoj vanjskoj ljusci, pa zašto onda nisu makromolekule koje žive organizme grade na siliciju? Glavni razlog je taj što ugljik formira jače veze od silicija pri temperaturama pogodnim za život, posebno sa samim sobom. Četiri neparena elektrona u vanjskoj ljusci silikona nalaze se u svojoj trećoj orbitali koja potencijalno može primiti 18 elektrona. Karboni, četiri nesparena elektrona, s druge strane, nalaze se u svojoj drugoj orbiti, koja može primiti samo 8, a kad se orbitala ispuni, molekulska kombinacija postaje vrlo stabilna.
Kako je veza ugljik-ugljik jača od veze silicijum-silicij, ugljični spojevi ostaju zajedno u vodi dok se silicijski spojevi raspadaju. Uz to, još jedan vjerojatni razlog za dominaciju molekula temeljenih na ugljiku na Zemlji je obilje kisika. Oksidacija pokreće većinu životnih procesa, a nusproizvod je ugljični dioksid, a to je plin. Organizmi formirani molekulama na bazi silicija vjerojatno bi također dobili energiju oksidacijom, ali s obzirom na to da je silicijev dioksid čvrst, iz njih bi se trebali istisnuti krute tvari.