Organické zlúčeniny sú tie, od ktorých závisí život, a všetky obsahujú uhlík. V skutočnosti je definícia organickej zlúčeniny taká, ktorá obsahuje uhlík. Je to šiesty najpočetnejší prvok vo vesmíre a uhlík tiež zaujíma šiestu pozíciu v periodickej tabuľke. Má dva elektróny vo vnútornom obale a štyri vo vonkajšom a práve toto usporiadanie robí z uhlíka taký všestranný prvok. Pretože sa môže kombinovať toľkými rôznymi spôsobmi a pretože väzby sú uhlíkové formy dostatočne silné zostať nedotknutý vo vode - ďalšia požiadavka na život - uhlík je pre život nevyhnutný, ako vieme to. V skutočnosti možno tvrdiť, že uhlík je nevyhnutný na to, aby život mohol existovať inde vo vesmíre aj na Zemi.
TL; DR (príliš dlhý; Nečítali)
Pretože má na svojej druhej obežnej dráhe štyri elektróny, ktoré pojmú osem, môže sa uhlík kombinovať mnohými rôznymi spôsobmi a môže vytvárať veľmi veľké molekuly. Uhlíkové väzby sú silné a môžu zostať pohromade vo vode. Uhlík je taký všestranný prvok, že existuje takmer 10 miliónov rôznych zlúčenín uhlíka.
Je to o valencii
Tvorba chemických zlúčenín sa všeobecne riadi oktetovým pravidlom, podľa ktorého atómy hľadajú stabilitu získavaním alebo stratou elektrónov, aby dosiahli optimálny počet ôsmich elektrónov vo svojom vonkajšom obale. Za týmto účelom tvoria iónové a kovalentné väzby. Pri vytváraní kovalentnej väzby atóm zdieľa elektróny s najmenej jedným ďalším atómom, čo umožňuje obom atómom dosiahnuť stabilnejší stav.
S iba štyrmi elektrónmi vo svojom vonkajšom obale je uhlík rovnako schopný darovať a prijímať elektróny a môže vytvárať štyri kovalentné väzby naraz. Molekula metánu (CH4) je jednoduchý príklad. Uhlík môže tiež vytvárať väzby sám so sebou a väzby sú silné. Diamant a grafit sú zložené úplne z uhlíka. Zábava začína, keď sa uhlík viaže s kombináciami atómov uhlíka a tých, ktoré majú iné prvky, najmä vodík a kyslík.
Tvorba makromolekúl
Zvážte, čo sa stane, keď dva atómy uhlíka navzájom vytvoria kovalentnú väzbu. Môžu sa kombinovať niekoľkými spôsobmi a jedným zdieľajú jeden elektrónový pár, pričom tri väzbové polohy nechávajú otvorené. Dvojica atómov má teraz šesť otvorených pozícií väzby, a ak je jedna alebo viac z nich obsadená atómom uhlíka, počet pozícií väzby rýchlo rastie. Výsledkom sú molekuly pozostávajúce z veľkých reťazcov atómov uhlíka a ďalších prvkov. Tieto reťazce môžu rásť lineárne alebo sa môžu uzatvárať a vytvárať krúžky alebo šesťuholníkové štruktúry, ktoré sa tiež môžu kombinovať s inými štruktúrami a vytvárať ešte väčšie molekuly. Možnosti sú takmer neobmedzené. Chemici doposiaľ katalogizovali takmer 10 miliónov rôznych zlúčenín uhlíka. Medzi najdôležitejšie pre život patria sacharidy, ktoré sú tvorené výlučne uhlíkom, vodíkom, lipidmi, bielkovinami a nukleovými kyselinami, z ktorých najznámejším príkladom je DNA.
Prečo nie kremík?
Kremík je v periodickej tabuľke prvok tesne pod uhlíkom a na Zemi je asi 135-krát hojnejšie. Rovnako ako uhlík má vo svojom vonkajšom obale iba štyri elektróny, tak prečo nie sú makromolekuly, ktoré tvoria živé organizmy na báze kremíka? Hlavným dôvodom je, že uhlík vytvára silnejšie väzby ako kremík pri teplotách priaznivých pre život, najmä sám so sebou. Štyri nepárové elektróny vo vonkajšom obale kremíka sú na jeho tretej obežnej dráhe, ktorá potenciálne pojme 18 elektrónov. Štyri nepárové elektróny uhlíka sú naopak v jeho druhej obežnej dráhe, ktorá pojme iba 8, a keď je obežná dráha naplnená, molekulárna kombinácia sa stáva veľmi stabilnou.
Pretože väzba uhlík-uhlík je silnejšia ako väzba kremík-kremík, uhlíkové zlúčeniny zostávajú pohromade vo vode, zatiaľ čo sa kremíkové zlúčeniny rozpadajú. Okrem toho je ďalším pravdepodobným dôvodom dominancie molekúl na báze uhlíka na Zemi dostatok kyslíka. Oxidácia podporuje väčšinu životných procesov a vedľajším produktom je oxid uhličitý, čo je plyn. Organizmy vytvorené s molekulami na báze kremíka by pravdepodobne tiež získavali energiu z oxidácie, ale keďže oxid kremičitý je tuhá látka, museli by tuhé látky vydýchať.