Organiske forbindelser er dem, som livet afhænger af, og de indeholder alle kulstof. Faktisk er definitionen af en organisk forbindelse en, der indeholder kulstof. Det er det sjette mest forekommende element i universet, og kulstof indtager også den sjette position på det periodiske system. Den har to elektroner i sin indre skal og fire i den ydre, og det er dette arrangement, der gør kulstof til et så alsidigt element. Fordi det kan kombineres på så mange forskellige måder, og fordi bindingerne kulstofformer er stærke nok at forblive intakt i vand - det andet krav til liv - kulstof er uundværligt for livet som vi kender det. Faktisk kan der argumenteres for, at kulstof er nødvendigt for at livet kan eksistere andre steder i universet såvel som på Jorden.
TL; DR (for lang; Har ikke læst)
Fordi det har fire elektroner i sin anden orbital, som kan rumme otte, kan kulstof kombineres på mange forskellige måder, og det kan danne meget store molekyler. Kulstofbindinger er stærke og kan forblive sammen i vand. Kulstof er et så alsidigt element, at der findes næsten 10 millioner forskellige kulstofforbindelser.
Det handler om Valency
Dannelsen af kemiske forbindelser følger generelt oktetreglen, hvorved atomer søger stabilitet ved at vinde eller miste elektroner for at opnå det optimale antal på otte elektroner i deres ydre skal. Til dette formål danner de ioniske og kovalente bindinger. Når der dannes en kovalent binding, deler et atom elektroner med mindst et andet atom, hvilket tillader begge atomer at opnå en mere stabil tilstand.
Med kun fire elektroner i sin ydre skal er kulstof lige så i stand til at donere og acceptere elektroner, og det kan danne fire kovalente bindinger på én gang. Methanmolekylet (CH4) er et simpelt eksempel. Kulstof kan også danne bindinger med sig selv, og bindingerne er stærke. Diamant og grafit er begge sammensat udelukkende af kulstof. Sjovet begynder, når kulstof binder med kombinationer af kulstofatomer og de af andre grundstoffer, især brint og ilt.
Dannelsen af makromolekyler
Overvej hvad der sker, når to kulstofatomer danner en kovalent binding med hinanden. De kan kombineres på flere måder, og på den ene deler de et enkelt elektronpar og efterlader tre bindingspositioner åbne. Atomparret har nu seks åbne bindingspositioner, og hvis en eller flere er optaget af et carbonatom, vokser antallet af bindingspositioner hurtigt. Molekyler bestående af store strenge af atomer af kulstof og andre grundstoffer er resultatet. Disse strenge kan vokse lineært, eller de kan lukkes ind og danne ringe eller sekskantede strukturer, der også kan kombineres med andre strukturer for at danne endnu større molekyler. Mulighederne er næsten ubegrænsede. Hidtil har kemikere katalogiseret næsten 10 millioner forskellige kulstofforbindelser. De vigtigste for livet inkluderer kulhydrater, der er dannet udelukkende med kulstof, brint, lipider, proteiner og nukleinsyrer, hvoraf det mest kendte eksempel er DNA.
Hvorfor ikke silicium?
Silicium er elementet lige under kulstof i det periodiske system, og det er omkring 135 gange mere rigeligt på Jorden. Ligesom kulstof har den kun fire elektroner i sin ydre skal, så hvorfor er de makromolekyler, der danner levende organismer, ikke siliciumbaserede? Hovedårsagen er, at kulstof danner stærkere bindinger end silicium ved temperaturer, der fremmer liv, især med sig selv. De fire ikke-parrede elektroner i siliciums ydre skal er i sin tredje orbital, som potentielt kan rumme 18 elektroner. Kulstofs fire uparrede elektroner er derimod i dens anden orbital, som kun kan rumme 8, og når orbitalen er fyldt, bliver molekylkombinationen meget stabil.
Fordi kulstof-kulstofbinding er stærkere end silicium-siliciumbinding, forbliver kulstofforbindelser sammen i vand, mens siliciumforbindelser brydes fra hinanden. Ud over dette er en anden sandsynlig årsag til dominansen af kulstofbaserede molekyler på Jorden overflod af ilt. Oxidation fremmer de fleste livsprocesser, og et biprodukt er kuldioxid, som er en gas. Organismer dannet med siliciumbaserede molekyler ville sandsynligvis også få energi fra oxidation, men da siliciumdioxid er et fast stof, skulle de udånde fast stof.