ทำไมคาร์บอนจึงมีความสำคัญต่อสารประกอบอินทรีย์?

สารประกอบอินทรีย์เป็นสิ่งที่ชีวิตขึ้นอยู่กับและพวกมันทั้งหมดมีคาร์บอน อันที่จริง คำจำกัดความของสารประกอบอินทรีย์คือสารประกอบที่มีคาร์บอน เป็นธาตุที่มีมากเป็นอันดับที่หกในจักรวาล และคาร์บอนยังครองตำแหน่งที่หกในตารางธาตุด้วย มันมีอิเล็กตรอนสองตัวในเปลือกชั้นในและสี่ตัวในชั้นนอก และการจัดเรียงนี้ทำให้คาร์บอนเป็นองค์ประกอบที่ใช้งานได้หลากหลาย เพราะมันสามารถรวมกันได้หลายวิธี และเนื่องจากพันธะรูปแบบคาร์บอนนั้นแข็งแรงเพียงพอ ให้คงสภาพเดิมในน้ำ – ข้อกำหนดอื่น ๆ สำหรับการดำรงชีวิต – คาร์บอนเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้สำหรับชีวิตดังที่เราทราบ มัน. อันที่จริง เราสามารถโต้แย้งได้ว่าคาร์บอนเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับชีวิตที่จะมีอยู่ที่อื่นในจักรวาลและบนโลก

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

เนื่องจากมีอิเล็กตรอนสี่ตัวในวงโคจรที่สอง ซึ่งสามารถรองรับได้แปดตัว คาร์บอนจึงสามารถรวมกันได้หลายวิธี และสามารถสร้างโมเลกุลขนาดใหญ่มากได้ พันธะคาร์บอนมีความแข็งแรงและสามารถอยู่รวมกันในน้ำได้ คาร์บอนเป็นองค์ประกอบอเนกประสงค์ที่มีสารประกอบคาร์บอนเกือบ 10 ล้านชนิด

การก่อตัวของสารประกอบทางเคมีโดยทั่วไปจะเป็นไปตามกฎออกเตตโดยที่อะตอมแสวงหาความเสถียรโดยการเพิ่มหรือสูญเสียอิเล็กตรอนเพื่อให้ได้จำนวนอิเล็กตรอนที่เหมาะสมที่สุดแปดตัวในเปลือกนอก ด้วยเหตุนี้ พวกมันจึงสร้างพันธะไอออนิกและโควาเลนต์ เมื่อสร้างพันธะโควาเลนต์ อะตอมจะแบ่งอิเล็กตรอนกับอะตอมอื่นอย่างน้อยหนึ่งอะตอม ทำให้อะตอมทั้งสองมีสถานะคงตัวมากขึ้น

ด้วยอิเล็กตรอนเพียง 4 ตัวในเปลือกนอก คาร์บอนจึงสามารถบริจาคและรับอิเล็กตรอนได้เท่าเทียมกัน และสามารถสร้างพันธะโควาเลนต์ได้สี่พันธะในคราวเดียว โมเลกุลมีเทน (CH₄) เป็นตัวอย่างง่ายๆ คาร์บอนยังสามารถสร้างพันธะกับตัวมันเองและพันธะก็แข็งแรง เพชรและกราไฟต์ประกอบด้วยคาร์บอนทั้งหมด ความสนุกเริ่มต้นขึ้นเมื่อคาร์บอนจับตัวกับอะตอมของคาร์บอนและองค์ประกอบอื่นๆ โดยเฉพาะไฮโดรเจนและออกซิเจน

พิจารณาว่าจะเกิดอะไรขึ้นเมื่ออะตอมของคาร์บอนสองอะตอมเกิดพันธะโควาเลนต์ซึ่งกันและกัน พวกมันสามารถรวมกันได้หลายวิธี และในหนึ่งเดียว พวกเขาใช้คู่อิเล็กตรอนร่วมกัน โดยปล่อยให้ตำแหน่งพันธะเปิดอยู่สามตำแหน่ง อะตอมคู่ตอนนี้มีตำแหน่งพันธะเปิดอยู่หกตำแหน่ง และหากมีอะตอมของคาร์บอนอย่างน้อยหนึ่งตำแหน่ง จำนวนของตำแหน่งพันธะจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว โมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนขนาดใหญ่และองค์ประกอบอื่น ๆ เป็นผล สตริงเหล่านี้สามารถเติบโตเป็นเส้นตรง หรือสามารถปิดและสร้างวงแหวนหรือโครงสร้างหกเหลี่ยมที่สามารถรวมกับโครงสร้างอื่นๆ เพื่อสร้างโมเลกุลที่ใหญ่กว่าได้ ความเป็นไปได้แทบจะไร้ขีดจำกัด จนถึงปัจจุบัน นักเคมีได้จัดทำรายการสารประกอบคาร์บอนต่างๆ เกือบ 10 ล้านชนิด สิ่งสำคัญที่สุดสำหรับชีวิต ได้แก่ คาร์โบไฮเดรต ซึ่งเกิดขึ้นจากคาร์บอน ไฮโดรเจน ลิปิด โปรตีน และกรดนิวคลีอิกทั้งหมด ซึ่งตัวอย่างที่รู้จักกันดีที่สุดคือ DNA

ซิลิคอนเป็นธาตุที่อยู่ใต้คาร์บอนในตารางธาตุ และมีปริมาณมากกว่าบนโลกประมาณ 135 เท่า เช่นเดียวกับคาร์บอน มันมีอิเล็กตรอนเพียงสี่ตัวในเปลือกนอก ดังนั้นทำไมโมเลกุลมหภาคที่ก่อตัวเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีซิลิคอนเป็นส่วนประกอบ เหตุผลหลักคือคาร์บอนสร้างพันธะที่แข็งแรงกว่าซิลิคอนที่อุณหภูมิเอื้อต่อการดำรงชีวิต โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับตัวมันเอง อิเล็กตรอนที่ไม่จับคู่สี่ตัวในเปลือกนอกของซิลิกอนอยู่ในวงโคจรที่สาม ซึ่งสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้ 18 ตัว อิเล็กตรอนสี่ตัวที่ไม่มีคู่ของคาร์บอนอยู่ในวงโคจรที่สอง ซึ่งสามารถรองรับได้เพียง 8 อิเล็กตรอน และเมื่อการโคจรเต็มไป การรวมตัวของโมเลกุลจะมีเสถียรภาพมาก

เนื่องจากพันธะคาร์บอน-คาร์บอนมีความแข็งแรงมากกว่าพันธะซิลิกอน-ซิลิกอน สารประกอบคาร์บอนจึงอยู่ด้วยกันในน้ำในขณะที่สารประกอบซิลิกอนจะแตกออกจากกัน นอกจากนี้ สาเหตุที่เป็นไปได้อีกประการหนึ่งสำหรับการครอบงำโมเลกุลที่มีคาร์บอนเป็นพื้นฐานบนโลกก็คือปริมาณออกซิเจนที่อุดมสมบูรณ์ การเกิดออกซิเดชันเป็นเชื้อเพลิงในกระบวนการชีวิตส่วนใหญ่ และผลพลอยได้คือคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งเป็นก๊าซ สิ่งมีชีวิตที่เกิดจากโมเลกุลที่มีซิลิกอนก็อาจจะได้รับพลังงานจากการเกิดออกซิเดชันเช่นกัน แต่เนื่องจากซิลิกอนไดออกไซด์เป็นของแข็ง พวกมันจึงต้องหายใจออกสสารที่เป็นของแข็ง