Zakaj je ogljik tako pomemben za organske spojine?

Organske spojine so tiste, od katerih je odvisno življenje, in vse vsebujejo ogljik. Pravzaprav je definicija organske spojine tista, ki vsebuje ogljik. To je šesti najbolj razširjeni element v vesolju, ogljik pa zaseda tudi šesto mesto v periodnem sistemu. V svoji notranji lupini ima dva elektrona, v zunanji pa štiri, zato je zaradi tega ogljik tako vsestranski element. Ker se lahko kombinira na toliko različnih načinov in ker so vezi ogljikove oblike dovolj močne ostati nedotaknjen v vodi - druga življenjska zahteva - ogljik je, kot vemo, nepogrešljiv za življenje to. Pravzaprav lahko trdimo, da je ogljik potreben za življenje drugje v vesolju in tudi na Zemlji.

TL; DR (predolgo; Nisem prebral)

Ker ima v svoji drugi orbiti štiri elektrone, ki lahko sprejmejo osem, se ogljik lahko kombinira na različne načine in tvori zelo velike molekule. Ogljikove vezi so močne in lahko ostanejo skupaj v vodi. Ogljik je tako vsestranski element, da obstaja skoraj 10 milijonov različnih ogljikovih spojin.

Tvorba kemičnih spojin praviloma sledi pravilu okteta, po katerem atomi iščejo stabilnost tako, da pridobijo ali izgubijo elektrone, da dosežejo optimalno število osmih elektronov v svoji zunanji lupini. V ta namen tvorijo ionske in kovalentne vezi. Ko atom tvori kovalentno vez, si atom deli elektrone z vsaj enim drugim atomom, kar omogoča, da oba atoma dosežeta stabilnejše stanje.

S samo štirimi elektroni v zunanji lupini je ogljik enako sposoben darovati in sprejemati elektrone in lahko tvori štiri kovalentne vezi hkrati. Molekula metana (CH₄) je preprost primer. Ogljik lahko tvori tudi vezi sam s sabo in vezi so močne. Diamant in grafit sta v celoti sestavljena iz ogljika. Zabava se začne, ko se ogljik poveže s kombinacijami atomov ogljika in drugih elementov, zlasti vodika in kisika.

Razmislite, kaj se zgodi, ko dva atoma ogljika tvorita kovalentno vez med seboj. Kombinirajo se lahko na več načinov, na enega pa si delijo en sam elektronski par, pri čemer ostanejo trije vezni položaji odprti. Par atomov ima zdaj šest odprtih veznih položajev in če enega ali več zaseda ogljikov atom, število veznih položajev hitro naraste. Rezultat so molekule, sestavljene iz velikih nizov atomov ogljika in drugih elementov. Te strune lahko rastejo linearno ali pa se lahko zaprejo in tvorijo obroče ali šesterokotne strukture, ki se lahko kombinirajo tudi z drugimi strukturami in tvorijo še večje molekule. Možnosti so skoraj neomejene. Do danes so kemiki katalogizirali skoraj 10 milijonov različnih ogljikovih spojin. Najpomembnejši za življenje so ogljikovi hidrati, ki se v celoti tvorijo z ogljikom, vodikom, lipidi, beljakovinami in nukleinskimi kislinami, med katerimi je najbolj znan primer DNK.

Silicij je element, ki je v periodnem sistemu tik pod ogljikom, in ga je na Zemlji približno 135-krat več. Tako kot ogljik ima tudi v zunanji lupini le štiri elektrone, zakaj torej makromolekule, ki tvorijo žive organizme, niso na osnovi silicija? Glavni razlog je, da ogljik tvori močnejše vezi kot silicij pri temperaturah, ugodnih za življenje, zlasti sam s seboj. Štirje neparni elektroni v zunanji ovojnici silicija so v njeni tretji orbitali, ki lahko sprejme 18 elektronov. Štirje neparni elektroni Carbona pa so v drugi orbitali, ki sprejme le 8, in ko je orbita napolnjena, molekularna kombinacija postane zelo stabilna.

Ker je vez ogljik-ogljik močnejša od vezi silicij-silicij, ogljikove spojine ostanejo skupaj v vodi, medtem ko se silicijeve spojine ločijo. Poleg tega je še en verjeten razlog za prevlado molekul na osnovi ogljika na Zemlji številčnost kisika. Oksidacija spodbuja večino življenjskih procesov, stranski produkt pa je ogljikov dioksid, ki je plin. Organizmi, nastali z molekulami na osnovi silicija, bi verjetno dobili energijo tudi od oksidacije, a ker je silicijev dioksid trdna snov, bi morali izdihniti trdno snov.