Hvorfor er kulstof så vigtig for organiske forbindelser?

Organiske forbindelser er dem, som livet afhænger af, og de indeholder alle kulstof. Faktisk er definitionen af en organisk forbindelse en, der indeholder kulstof. Det er det sjette mest rigelige element i universet, og kulstof indtager også den sjette position på det periodiske bord. Det har to elektroner i det indre skal og fire i det ydre, og det er dette arrangement, der gør kulstof til et så alsidigt element. Fordi det kan kombinere på så mange forskellige måder, og fordi bindingerne kulstofformer er stærke nok til at forblive intakte i vand - det andet livskrav - er kul uundværlig for livet, som vi kender det. Faktisk kan man argumentere for, at kulstof er nødvendigt for, at livet findes andre steder i universet såvel som på Jorden.

TL; DR (for lang; læste ikke)

Fordi det har fire elektroner i sin anden orbital, der kan rumme otte, kan kulstof kombineres på mange forskellige måder, og det kan danne meget store molekyler. Carbonbindinger er stærke og kan forblive sammen i vand. Kulstof er et så alsidigt element, at der findes næsten 10 millioner forskellige kulstofforbindelser.
Det handler om Valency

Dannelsen af kemiske forbindelser følger generelt octetreglen, hvorved atomer søger stabilitet ved at vinde eller miste elektroner for at opnå det optimale antal otte elektroner i deres ydre skal. Til dette formål danner de ioniske og kovalente bindinger. Når der dannes en kovalent binding, deler et atom elektroner med mindst et andet atom, hvilket tillader begge atomer at opnå en mere stabil tilstand.

Med kun fire elektroner i sin ydre skal, er kulstof lige i stand til at donere og acceptere elektroner, og det kan danne fire kovalente bindinger på én gang. Methanmolekylet (CH <4) er et simpelt eksempel. Kulstof kan også danne obligationer med sig selv, og obligationerne er stærke. Diamant og grafit består begge udelukkende af kulstof. Det sjove starter, når kulstofbindinger med kombinationer af carbonatomer og dem fra andre elementer, især brint og ilt.
Dannelsen af makromolekyler

Overvej hvad der sker, når to carbonatomer danner en kovalent binding med hinanden. De kan kombineres på flere måder, og på én deles de et enkelt elektronpar, hvilket giver tre bindingspositioner åbne. Atomparret har nu seks åbne bindingspositioner, og hvis en eller flere er optaget af et carbonatom, vokser antallet af bindingspositioner hurtigt. Molekyler bestående af store strenge af carbonatomer og andre elementer er resultatet. Disse strenge kan vokse lineært, eller de kan lukkes ind og danne ringe eller hexagonale strukturer, som også kan kombineres med andre strukturer for at danne endnu større molekyler. Mulighederne er næsten ubegrænsede. Til dato har kemikere katalogiseret næsten 10 millioner forskellige kulstofforbindelser. De vigtigste for livet inkluderer kulhydrater, der er dannet udelukkende med kulstof, brint, lipider, proteiner og nukleinsyrer, hvoraf det bedst kendte eksempel er DNA.
Why Not Silicon?

Silicium er element lige under kulstof i det periodiske system, og det er omkring 135 gange mere rigeligt på Jorden. Ligesom kulstof har den kun fire elektroner i sin ydre skal, så hvorfor er ikke makromolekylerne, der danner levende organismer siliciumbaseret? Den væsentligste årsag er, at kulstof danner stærkere bindinger end silicium ved temperaturer, der er befordrende for livet, især med sig selv. De fire ikke-parrede elektroner i siliciums ydre skal er i dets tredje orbitale, der potentielt kan rumme 18 elektroner. Carbon's fire uparrede elektroner er derimod i sin anden orbital, der kun kan rumme 8, og når orbitalen er fyldt, bliver den molekylære kombination meget stabil.

Fordi carbon-carbonbindingen er stærkere end silicium-siliciumbindingen forbliver kulstofforbindelser sammen i vand, mens siliciumforbindelser bryder fra hinanden. Derudover er en anden sandsynlig årsag til dominansen af kulstofbaserede molekyler på Jorden overflod af ilt. Oxidation brændstof for de fleste livsprocesser, og et biprodukt er kuldioxid, som er en gas. Organismer dannet med siliciumbaserede molekyler vil sandsynligvis også få energi fra oxidation, men da siliciumdioxid er et fast stof, er de nødt til at udånde fast stof.