Organische verbindingen zijn die waarvan het leven afhangt, en ze bevatten allemaal koolstof. In feite is de definitie van een organische verbinding er een die koolstof bevat. Het is het zesde meest voorkomende element in het universum en koolstof neemt ook de zesde positie in op het periodiek systeem. Het heeft twee elektronen in de binnenste schil en vier in de buitenste, en het is deze opstelling die koolstof zo'n veelzijdig element maakt. Omdat het op zoveel verschillende manieren kan combineren, en omdat de bindingen koolstofvormen sterk genoeg zijn intact blijven in water - de andere vereiste voor leven - koolstof is onmisbaar voor het leven zoals we weten het. Er kan zelfs een argument worden aangevoerd dat koolstof nodig is om leven elders in het universum en op aarde te laten bestaan.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Omdat het vier elektronen heeft in zijn tweede orbitaal, die plaats biedt aan acht, kan koolstof op veel verschillende manieren combineren en kan het zeer grote moleculen vormen. Koolstofbindingen zijn sterk en kunnen in water bij elkaar blijven. Koolstof is zo'n veelzijdig element dat er bijna 10 miljoen verschillende koolstofverbindingen bestaan.
Het gaat over valentie
De vorming van chemische verbindingen volgt in het algemeen de octetregel waarmee atomen stabiliteit zoeken door elektronen te winnen of te verliezen om het optimale aantal van acht elektronen in hun buitenste schil te bereiken. Daartoe vormen ze ionische en covalente bindingen. Bij het vormen van een covalente binding deelt een atoom elektronen met ten minste één ander atoom, waardoor beide atomen een stabielere toestand kunnen bereiken.
Met slechts vier elektronen in zijn buitenste schil, is koolstof even goed in staat om elektronen te doneren en te accepteren, en het kan vier covalente bindingen tegelijk vormen. Het methaanmolecuul (CH4) is een eenvoudig voorbeeld. Koolstof kan ook bindingen met zichzelf vormen, en de bindingen zijn sterk. Diamant en grafiet bestaan beide volledig uit koolstof. Het plezier begint wanneer koolstof zich bindt met combinaties van koolstofatomen en die van andere elementen, met name waterstof en zuurstof.
De vorming van macromoleculen
Bedenk wat er gebeurt als twee koolstofatomen een covalente binding met elkaar vormen. Ze kunnen op verschillende manieren combineren, en in één delen ze een enkel elektronenpaar, waardoor drie bindingsposities open blijven. Het paar atomen heeft nu zes open bindingsposities en als een of meer wordt ingenomen door een koolstofatoom, groeit het aantal bindingsposities snel. Het resultaat zijn moleculen die bestaan uit grote strengen koolstofatomen en andere elementen. Deze snaren kunnen lineair groeien, of ze kunnen zich sluiten en ringen of hexagonale structuren vormen die ook kunnen worden gecombineerd met andere structuren om nog grotere moleculen te vormen. De mogelijkheden zijn bijna onbeperkt. Tot op heden hebben chemici bijna 10 miljoen verschillende koolstofverbindingen gecatalogiseerd. De belangrijkste voor het leven zijn koolhydraten, die volledig worden gevormd met koolstof, waterstof, lipiden, eiwitten en nucleïnezuren, waarvan het bekendste voorbeeld DNA is.
Waarom geen silicium?
Silicium is het element net onder koolstof in het periodiek systeem, en het is ongeveer 135 keer overvloediger op aarde. Net als koolstof heeft het slechts vier elektronen in zijn buitenste schil, dus waarom zijn de macromoleculen die levende organismen vormen niet op silicium gebaseerd? De belangrijkste reden is dat koolstof sterkere bindingen vormt dan silicium bij temperaturen die bevorderlijk zijn voor het leven, vooral met zichzelf. De vier niet-gepaarde elektronen in de buitenste schil van silicium bevinden zich in de derde orbitaal, die mogelijk 18 elektronen kan herbergen. De vier ongepaarde elektronen van koolstof bevinden zich daarentegen in zijn tweede baan, die slechts 8 kan bevatten, en wanneer de baan gevuld is, wordt de moleculaire combinatie zeer stabiel.
Omdat de koolstof-koolstofbinding sterker is dan de silicium-siliciumbinding, blijven koolstofverbindingen bij elkaar in water terwijl siliciumverbindingen uiteenvallen. Daarnaast is een andere waarschijnlijke reden voor de dominantie van op koolstof gebaseerde moleculen op aarde de overvloed aan zuurstof. Oxidatie voedt de meeste levensprocessen en een bijproduct is koolstofdioxide, wat een gas is. Organismen gevormd met op silicium gebaseerde moleculen zouden waarschijnlijk ook energie krijgen van oxidatie, maar aangezien siliciumdioxide een vaste stof is, zouden ze vaste materie moeten uitademen.