Inhoud
- TL; DR (te lang; niet gelezen)
- Het gaat over Valency
- De vorming van macromoleculen
- Waarom geen silicium?
Organische verbindingen zijn die waarvan het leven afhankelijk is en ze bevatten allemaal koolstof. In feite is de definitie van een organische verbinding er een die koolstof bevat. Het is het zesde meest voorkomende element in het universum en koolstof neemt ook de zesde positie in op het periodiek systeem. Het heeft twee elektronen in zijn binnenste schil en vier in de buitenste schil, en deze opstelling maakt koolstof tot een veelzijdig element. Omdat het op zoveel verschillende manieren kan combineren, en omdat de bindingen koolstofvormen sterk genoeg zijn om intact te blijven in water - de andere vereiste voor het leven - is koolstof onmisbaar voor het leven zoals we het kennen. In feite kan een argument worden aangevoerd dat koolstof noodzakelijk is om het leven elders in het universum en op aarde te laten bestaan.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Omdat het vier elektronen in zijn tweede baan heeft, die plaats bieden aan acht, kan koolstof op veel verschillende manieren worden gecombineerd en kan het zeer grote moleculen vormen. Koolstofbindingen zijn sterk en kunnen in water bij elkaar blijven. Koolstof is zo'n veelzijdig element dat er bijna 10 miljoen verschillende koolstofverbindingen bestaan.
Het gaat over Valency
De vorming van chemische verbindingen volgt in het algemeen de octetregel waarmee atomen stabiliteit zoeken door elektronen te verkrijgen of te verliezen om het optimale aantal van acht elektronen in hun buitenste schil te bereiken. Hiertoe vormen ze ionische en covalente bindingen. Bij het vormen van een covalente binding deelt een atoom elektronen met ten minste één ander atoom, waardoor beide atomen een stabielere toestand kunnen bereiken.
Met slechts vier elektronen in zijn buitenste schil, is koolstof evengoed in staat elektronen af te staan en te accepteren en kan het tegelijkertijd vier covalente bindingen vormen. Het methaanmolecuul (CH4) is een eenvoudig voorbeeld. Koolstof kan ook banden met zichzelf vormen en de banden zijn sterk. Diamant en grafiet bestaan beide volledig uit koolstof. Het plezier begint wanneer koolstof bindt met combinaties van koolstofatomen en die van andere elementen, met name waterstof en zuurstof.
De vorming van macromoleculen
Bedenk wat er gebeurt wanneer twee koolstofatomen een covalente binding met elkaar vormen. Ze kunnen op verschillende manieren worden gecombineerd, en op één manier delen ze een enkel elektronenpaar, waardoor drie bindingsposities open blijven. Het paar atomen heeft nu zes open bindingsposities, en als een of meer bezet zijn door een koolstofatoom, groeit het aantal bindingsposities snel. Moleculen bestaande uit grote reeksen koolstofatomen en andere elementen zijn het resultaat. Deze snaren kunnen lineair groeien, of ze kunnen sluiten en ringen of hexagonale structuren vormen die ook kunnen combineren met andere structuren om nog grotere moleculen te vormen. De mogelijkheden zijn bijna onbeperkt. Tot op heden hebben chemici bijna 10 miljoen verschillende koolstofverbindingen gecatalogiseerd. De belangrijkste voor het leven zijn koolhydraten, die volledig worden gevormd met koolstof, waterstof, lipiden, eiwitten en nucleïnezuren, waarvan het bekendste voorbeeld DNA is.
Waarom geen silicium?
Silicium is het element net onder koolstof in het periodiek systeem en het is ongeveer 135 keer overvloediger op aarde. Net als koolstof heeft het slechts vier elektronen in zijn buitenste schil, dus waarom zijn de macromoleculen die levende organismen vormen op basis van silicium? De belangrijkste reden is dat koolstof sterkere bindingen vormt dan silicium bij temperaturen die bevorderlijk zijn voor het leven, vooral met zichzelf. De vier niet-gepaarde elektronen in de buitenste schil van siliconen bevinden zich in de derde omloopbaan, die mogelijk 18 elektronen kan bevatten. Koolstoffen zijn vier ongepaarde elektronen, aan de andere kant, in zijn tweede baan, die slechts 8 kan herbergen, en wanneer de baan gevuld is, wordt de moleculaire combinatie zeer stabiel.
Omdat de koolstof-koolstofbinding sterker is dan de silicium-siliciumbinding, blijven koolstofverbindingen samen in water, terwijl siliciumverbindingen uiteenvallen. Daarnaast is de overvloed aan zuurstof een andere waarschijnlijke reden voor de dominantie van koolstofgebaseerde moleculen op aarde. Oxidatie voedt de meeste levensprocessen en een bijproduct is koolstofdioxide, wat een gas is. Organismen gevormd met op silicium gebaseerde moleculen zouden waarschijnlijk ook energie halen uit oxidatie, maar omdat siliciumdioxide een vaste stof is, zouden ze vaste stoffen moeten uitademen.