Organické sloučeniny jsou ty, na kterých závisí život, a všechny obsahují uhlík. Ve skutečnosti je definice organické sloučeniny ta, která obsahuje uhlík. Je to šestý nejhojnější prvek ve vesmíru a uhlík také zaujímá šestou pozici na periodické tabulce. Má dva elektrony ve svém vnitřním obalu a čtyři ve vnějším a právě toto uspořádání dělá z uhlíku tak univerzální prvek. Protože se může kombinovat mnoha různými způsoby a protože vazby jsou uhlíkové formy dostatečně silné zůstat neporušený ve vodě - další požadavek na život - uhlík je pro život nepostradatelný, jak víme to. Ve skutečnosti lze argumentovat, že uhlík je nezbytný k tomu, aby život existoval jinde ve vesmíru i na Zemi.
TL; DR (příliš dlouhý; Nečetl)
Protože má ve své druhé oběžné dráze čtyři elektrony, které pojmou osm, může se uhlík kombinovat mnoha různými způsoby a může tvořit velmi velké molekuly. Uhlíkové vazby jsou silné a mohou zůstat pohromadě ve vodě. Uhlík je tak všestranný prvek, že existuje téměř 10 milionů různých sloučenin uhlíku.
Je to o valenci
Tvorba chemických sloučenin se obecně řídí oktetovým pravidlem, podle kterého atomy hledají stabilitu získáním nebo ztrátou elektronů, aby dosáhly optimálního počtu osmi elektronů ve svém vnějším obalu. Za tímto účelem vytvářejí iontové a kovalentní vazby. Při vytváření kovalentní vazby atom sdílí elektrony s alespoň jedním dalším atomem, což umožňuje oběma atomům dosáhnout stabilnějšího stavu.
S pouhými čtyřmi elektrony ve vnějším plášti je uhlík stejně schopný darovat a přijímat elektrony a může vytvářet čtyři kovalentní vazby najednou. Molekula metanu (CH4) je jednoduchý příklad. Uhlík může také tvořit vazby sám se sebou a vazby jsou silné. Diamant i grafit jsou složeny výhradně z uhlíku. Zábava začíná, když se uhlík váže s kombinací atomů uhlíku a kombinací jiných prvků, zejména vodíku a kyslíku.
Vznik makromolekul
Zvažte, co se stane, když dva atomy uhlíku navzájem vytvoří kovalentní vazbu. Mohou se kombinovat několika způsoby a v jednom sdílejí jeden elektronový pár a ponechávají tři vazebné pozice otevřené. Dvojice atomů má nyní šest otevřených vazebných pozic, a pokud je jedna nebo více obsazena atomem uhlíku, počet vazebných pozic rychle roste. Výsledkem jsou molekuly skládající se z velkých řetězců atomů uhlíku a dalších prvků. Tyto řetězce mohou růst lineárně, nebo se mohou uzavírat a tvořit prsteny nebo hexagonální struktury, které lze také kombinovat s jinými strukturami a vytvářet ještě větší molekuly. Možnosti jsou téměř neomezené. Chemici doposud katalogizovali téměř 10 milionů různých sloučenin uhlíku. Mezi nejdůležitější pro život patří sacharidy, které jsou zcela tvořeny uhlíkem, vodíkem, lipidy, bílkovinami a nukleovými kyselinami, z nichž nejznámějším příkladem je DNA.
Proč ne křemík?
Křemík je v periodické tabulce prvek těsně pod uhlíkem a na Zemi je asi 135krát hojnější. Stejně jako uhlík má ve svém vnějším obalu pouze čtyři elektrony, tak proč nejsou makromolekuly, které tvoří živé organismy na bázi křemíku? Hlavním důvodem je to, že uhlík vytváří silnější vazby než křemík při teplotách příznivých pro život, zejména sám se sebou. Čtyři nespárované elektrony ve vnějším plášti křemíku jsou na jeho třetím orbitálu, který může potenciálně pojmout 18 elektronů. Čtyři nepárové elektrony uhlíku jsou naproti tomu v jeho druhé oběžné dráze, která pojme pouze 8, a když je oběžná dráha naplněna, molekulární kombinace se stává velmi stabilní.
Protože vazba uhlík-uhlík je silnější než vazba křemík-křemík, zůstávají sloučeniny uhlíku pohromadě ve vodě, zatímco sloučeniny křemíku se rozpadají. Kromě toho je dalším pravděpodobným důvodem dominance molekul na bázi uhlíku na Zemi nadbytek kyslíku. Oxidace pohání většinu životních procesů a vedlejším produktem je oxid uhličitý, což je plyn. Organismy vytvořené s molekulami na bázi křemíku by pravděpodobně také získaly energii z oxidace, ale protože oxid křemičitý je pevná látka, musely by vydechovat pevnou hmotu.