Związki organiczne to te, od których zależy życie i wszystkie zawierają węgiel. W rzeczywistości definicja związku organicznego to taka, która zawiera węgiel. Jest to szósty najobficiej występujący pierwiastek we wszechświecie, a węgiel zajmuje również szóstą pozycję w układzie okresowym pierwiastków. Ma dwa elektrony w powłoce wewnętrznej i cztery w powłoce zewnętrznej i to właśnie ten układ sprawia, że węgiel jest tak wszechstronnym pierwiastkiem. Ponieważ może się łączyć na wiele różnych sposobów, a wiązania węglowe są wystarczająco silne pozostać nietkniętym w wodzie – drugi warunek życia – węgiel jest niezbędny do życia, jak wiemy to. W rzeczywistości można argumentować, że węgiel jest niezbędny do istnienia życia w innych miejscach we wszechświecie, a także na Ziemi.
TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)
Ponieważ ma cztery elektrony na swoim drugim orbicie, który może pomieścić osiem, węgiel może łączyć się na wiele różnych sposobów i może tworzyć bardzo duże cząsteczki. Wiązania węglowe są silne i mogą pozostawać razem w wodzie. Węgiel jest tak wszechstronnym pierwiastkiem, że istnieje prawie 10 milionów różnych związków węgla.
Chodzi o Valency
Tworzenie związków chemicznych generalnie odbywa się zgodnie z zasadą oktetu, zgodnie z którą atomy poszukują stabilności, zyskując lub tracąc elektrony, aby osiągnąć optymalną liczbę ośmiu elektronów w zewnętrznej powłoce. W tym celu tworzą wiązania jonowe i kowalencyjne. Tworząc wiązanie kowalencyjne, atom dzieli elektrony z co najmniej jednym innym atomem, umożliwiając obu atomom osiągnięcie bardziej stabilnego stanu.
Mając tylko cztery elektrony w zewnętrznej powłoce, węgiel jest równie zdolny do oddawania i przyjmowania elektronów i może tworzyć jednocześnie cztery wiązania kowalencyjne. Cząsteczka metanu (CH4) to prosty przykład. Węgiel może również tworzyć wiązania ze sobą, a wiązania są silne. Diament i grafit składają się w całości z węgla. Zabawa zaczyna się, gdy węgiel łączy się z kombinacjami atomów węgla i innych pierwiastków, zwłaszcza wodoru i tlenu.
Powstawanie makrocząsteczek
Zastanów się, co się dzieje, gdy dwa atomy węgla tworzą ze sobą wiązanie kowalencyjne. Mogą łączyć się na kilka sposobów, a na jednym dzielą pojedynczą parę elektronów, pozostawiając otwarte trzy pozycje wiązania. Para atomów ma teraz sześć otwartych pozycji wiązania, a jeśli jedna lub więcej jest zajętych przez atom węgla, liczba pozycji wiązania szybko rośnie. W rezultacie powstają cząsteczki składające się z dużych łańcuchów atomów węgla i innych pierwiastków. Struny te mogą rosnąć liniowo lub mogą zamykać się i tworzyć pierścienie lub struktury heksagonalne, które mogą również łączyć się z innymi strukturami, tworząc jeszcze większe cząsteczki. Możliwości są prawie nieograniczone. Do tej pory chemicy skatalogowali prawie 10 milionów różnych związków węgla. Do najważniejszych dla życia należą węglowodany, które w całości zbudowane są z węgla, wodoru, lipidów, białek i kwasów nukleinowych, czego najbardziej znanym przykładem jest DNA.
Dlaczego nie krzem?
Krzem jest pierwiastkiem tuż pod węglem w układzie okresowym i występuje na Ziemi około 135 razy w większej ilości. Podobnie jak węgiel, ma tylko cztery elektrony w zewnętrznej powłoce, dlaczego więc makrocząsteczki tworzące żywe organizmy nie są oparte na krzemie? Głównym powodem jest to, że węgiel tworzy silniejsze wiązania niż krzem w temperaturach sprzyjających życiu, zwłaszcza z samym sobą. Cztery niesparowane elektrony w zewnętrznej powłoce krzemu znajdują się na trzecim orbitalu, który potencjalnie może pomieścić 18 elektronów. Z drugiej strony cztery niesparowane elektrony węgla znajdują się na jego drugim orbitalu, który może pomieścić tylko 8, a gdy orbital jest wypełniony, kombinacja molekularna staje się bardzo stabilna.
Ponieważ wiązanie węgiel-węgiel jest silniejsze niż wiązanie krzem-krzem, związki węgla pozostają razem w wodzie, podczas gdy związki krzemu rozpadają się. Poza tym innym prawdopodobnym powodem dominacji cząsteczek opartych na węglu na Ziemi jest obfitość tlenu. Utlenianie napędza większość procesów życiowych, a produktem ubocznym jest dwutlenek węgla, który jest gazem. Organizmy utworzone z molekuł opartych na krzemie prawdopodobnie również czerpałyby energię z utleniania, ale ponieważ dwutlenek krzemu jest ciałem stałym, musiałyby wydychać materię stałą.