Orgaaniset yhdisteet ovat niitä, joista elämä riippuu, ja ne kaikki sisältävät hiiltä. Itse asiassa orgaanisen yhdisteen määritelmä on sellainen, joka sisältää hiiltä. Se on kuudenneksi yleisimpiä elementtejä maailmankaikkeudessa, ja hiili on myös jaksollisen taulukon kuudes sijainti. Sen sisäkuoressa on kaksi elektronia ja ulommassa neljä, ja juuri tämä järjestely tekee hiilestä niin monipuolisen elementin. Koska se voi yhdistää niin monella eri tavalla ja koska sidokset hiilimuodot ovat riittävän vahvoja hiilen pysyminen ehjänä vedessä - toinen elämän vaatimus - on välttämätöntä elämälle, kuten tiedämme se. Itse asiassa voidaan väittää, että hiili on välttämätöntä, jotta elämä olisi olemassa muualla maailmankaikkeudessa ja myös maapallolla.
TL; DR (liian pitkä; Ei lukenut)
Koska sen toisella kiertoradalla, johon mahtuu kahdeksan, on neljä elektronia, hiili voi yhdistyä monin eri tavoin, ja se voi muodostaa hyvin suuria molekyylejä. Hiilisidokset ovat vahvoja ja voivat pysyä yhdessä vedessä. Hiili on niin monipuolinen alkuaine, että lähes 10 miljoonaa erilaista hiiliyhdistettä on olemassa.
Kyse on valenssista
Kemiallisten yhdisteiden muodostuminen noudattaa yleensä oktettisääntöä, jonka mukaan atomit pyrkivät vakauteen hankkimalla tai menettämällä elektroneja saavuttaakseen optimaalisen kahdeksan elektronin määrän ulkokuoressaan. Tätä varten ne muodostavat ionisia ja kovalenttisia sidoksia. Muodostettaessa kovalenttista sidosta atomi jakaa elektroneja vähintään yhden muun atomin kanssa, jolloin molemmat atomit voivat saavuttaa vakaamman tilan.
Koska ulkokuoressa on vain neljä elektronia, hiili pystyy yhtä hyvin luovuttamaan ja vastaanottamaan elektroneja, ja se voi muodostaa neljä kovalenttista sidosta kerralla. Metaanimolekyyli (CH4) on yksinkertainen esimerkki. Hiili voi myös muodostaa sidoksia itsensä kanssa, ja sidokset ovat vahvoja. Timantti ja grafiitti koostuvat molemmat kokonaan hiilestä. Hauskuus alkaa, kun hiili sitoutuu hiiliatomien ja muiden alkuaineiden, erityisesti vedyn ja hapen, yhdistelmiin.
Makromolekyylien muodostuminen
Mieti, mitä tapahtuu, kun kaksi hiiliatomia muodostaa kovalenttisen sidoksen toistensa kanssa. Ne voivat yhdistää monin tavoin, ja yhdessä he jakavat yhden elektroniparin jättäen kolme sidosasentoa auki. Atomisparilla on nyt kuusi avointa sitoutumisasentoa, ja jos yksi tai useampi on hiiliatomissa, sitoutumisasemien määrä kasvaa nopeasti. Tuloksena ovat molekyylit, jotka koostuvat suurista hiiliatomien ja muiden alkuaineiden ketjuista. Nämä merkkijonot voivat kasvaa lineaarisesti tai ne voivat sulkeutua ja muodostaa renkaita tai kuusikulmaisia rakenteita, jotka voivat myös yhdistää muiden rakenteiden kanssa muodostaen vielä suurempia molekyylejä. Mahdollisuudet ovat melkein rajattomat. Tähän mennessä kemistit ovat luetteloineet lähes 10 miljoonaa erilaista hiiliyhdistettä. Elämän kannalta tärkeimpiä ovat hiilihydraatit, jotka muodostuvat kokonaan hiilen, vedyn, lipidien, proteiinien ja nukleiinihappojen kanssa, joista tunnetuin esimerkki on DNA.
Miksi ei piitä?
Pii on jaksollisen taulukon hiilin alapuolella oleva elementti, ja sitä on noin 135 kertaa enemmän maapallolla. Kuten hiilellä, sen ulkokuoressa on vain neljä elektronia, joten miksi eläviä organismeja muodostavat makromolekyylit eivät ole piipohjaisia? Tärkein syy on, että hiili muodostaa vahvempia sidoksia kuin pii elämää edistävissä lämpötiloissa, erityisesti itsensä kanssa. Piin ulkokuoressa olevat neljä parittamatonta elektronia ovat sen kolmannella kiertoradalla, johon mahtuu mahdollisesti 18 elektronia. Carbonin neljä parittamatonta elektronia puolestaan ovat sen toisella kiertoradalla, johon mahtuu vain 8, ja kun kiertorata on täytetty, molekyyliyhdistelmä muuttuu erittäin vakaana.
Koska hiili-hiilisidos on vahvempi kuin pii-piisidos, hiiliyhdisteet pysyvät yhdessä vedessä, kun taas piiyhdisteet hajoavat. Tämän lisäksi toinen todennäköinen syy hiilipohjaisten molekyylien hallitsevuuteen maapallolla on hapen runsaus. Hapetus polttoaineena on useimmat elämänprosessit, ja sivutuote on hiilidioksidi, joka on kaasu. Piipohjaisten molekyylien muodostamat organismit saisivat todennäköisesti myös energiaa hapettumisesta, mutta koska piidioksidi on kiinteää ainetta, niiden on hengitettävä kiinteää ainetta.