Organische Verbindungen sind diejenigen, von denen das Leben abhängt, und sie alle enthalten Kohlenstoff. Tatsächlich ist die Definition einer organischen Verbindung eine, die Kohlenstoff enthält. Es ist das sechsthäufigste Element im Universum und Kohlenstoff nimmt auch den sechsten Platz im Periodensystem ein. Es hat zwei Elektronen in seiner inneren Schale und vier in der äußeren, und diese Anordnung macht Kohlenstoff zu einem so vielseitigen Element. Weil es sich auf so viele verschiedene Arten verbinden kann und weil die Bindungen des Kohlenstoffs stark genug sind im Wasser intakt zu bleiben – die andere Voraussetzung für das Leben – Kohlenstoff ist bekanntlich für das Leben unentbehrlich es. Tatsächlich kann argumentiert werden, dass Kohlenstoff notwendig ist, damit Leben anderswo im Universum sowie auf der Erde existieren kann.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Da es vier Elektronen in seinem zweiten Orbital hat, das acht aufnehmen kann, kann sich Kohlenstoff auf viele verschiedene Arten verbinden und sehr große Moleküle bilden. Kohlenstoffbindungen sind stark und können im Wasser zusammenbleiben. Kohlenstoff ist ein so vielseitiges Element, dass fast 10 Millionen verschiedene Kohlenstoffverbindungen existieren.
Es geht um Wertigkeit
Die Bildung chemischer Verbindungen folgt im Allgemeinen der Oktettregel, nach der Atome Stabilität suchen, indem sie Elektronen aufnehmen oder verlieren, um die optimale Anzahl von acht Elektronen in ihrer äußeren Hülle zu erreichen. Dazu bilden sie ionische und kovalente Bindungen. Bei der Bildung einer kovalenten Bindung teilt ein Atom Elektronen mit mindestens einem anderen Atom, wodurch beide Atome einen stabileren Zustand erreichen können.
Mit nur vier Elektronen in seiner äußeren Hülle ist Kohlenstoff gleichermaßen in der Lage, Elektronen abzugeben und aufzunehmen, und kann gleichzeitig vier kovalente Bindungen eingehen. Das Methanmolekül (CH4) ist ein einfaches Beispiel. Kohlenstoff kann auch mit sich selbst Bindungen eingehen, und die Bindungen sind stark. Diamant und Graphit bestehen beide vollständig aus Kohlenstoff. Der Spaß beginnt, wenn sich Kohlenstoff mit Kombinationen von Kohlenstoffatomen und denen anderer Elemente, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff, verbindet.
Die Bildung von Makromolekülen
Überlegen Sie, was passiert, wenn zwei Kohlenstoffatome eine kovalente Bindung miteinander eingehen. Sie können auf verschiedene Weise kombiniert werden, und in einer teilen sie sich ein einziges Elektronenpaar, wodurch drei Bindungspositionen offen bleiben. Das Atompaar hat nun sechs offene Bindungsstellen, und wenn eine oder mehrere von einem Kohlenstoffatom besetzt sind, wächst die Zahl der Bindungsstellen schnell. Das Ergebnis sind Moleküle, die aus großen Ketten von Kohlenstoffatomen und anderen Elementen bestehen. Diese Stränge können linear wachsen oder sich zu Ringen oder hexagonalen Strukturen schließen, die sich auch mit anderen Strukturen zu noch größeren Molekülen verbinden können. Die Möglichkeiten sind fast grenzenlos. Bis heute haben Chemiker fast 10 Millionen verschiedene Kohlenstoffverbindungen katalogisiert. Zu den wichtigsten für das Leben zählen Kohlenhydrate, die vollständig aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Lipiden, Proteinen und Nukleinsäuren gebildet werden, von denen das bekannteste Beispiel die DNA ist.
Warum kein Silizium?
Silizium ist das Element, das im Periodensystem direkt unter Kohlenstoff liegt, und es kommt auf der Erde etwa 135-mal häufiger vor. Wie Kohlenstoff hat es nur vier Elektronen in seiner äußeren Hülle, warum also basieren die Makromoleküle, die lebende Organismen bilden, nicht auf Silizium? Der Hauptgrund ist, dass Kohlenstoff bei Temperaturen, die dem Leben förderlich sind, insbesondere mit sich selbst stärkere Bindungen eingeht als Silizium. Die vier ungepaarten Elektronen in der äußeren Hülle von Silizium befinden sich in seinem dritten Orbital, das möglicherweise 18 Elektronen aufnehmen kann. Die vier ungepaarten Elektronen von Kohlenstoff hingegen befinden sich in seinem zweiten Orbital, das nur 8 aufnehmen kann, und wenn das Orbital gefüllt ist, wird die molekulare Kombination sehr stabil.
Da die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung stärker ist als die Silizium-Silizium-Bindung, bleiben Kohlenstoffverbindungen im Wasser zusammen, während Siliziumverbindungen auseinanderbrechen. Abgesehen davon ist ein weiterer wahrscheinlicher Grund für die Dominanz von kohlenstoffbasierten Molekülen auf der Erde der Sauerstoffüberschuss. Oxidation treibt die meisten Lebensprozesse an, und ein Nebenprodukt ist Kohlendioxid, das ein Gas ist. Organismen, die mit Molekülen auf Siliziumbasis gebildet werden, würden wahrscheinlich auch Energie durch Oxidation gewinnen, aber da Siliziumdioxid ein Feststoff ist, müssten sie Feststoffe ausatmen.