Tại sao Carbon rất quan trọng đối với các hợp chất hữu cơ?

NộI Dung

• TL; DR (Quá dài; Không đọc)
• Về giá trị của nó
• Sự hình thành của Macromolecules
• Tại sao không phải là Silicon?

Các hợp chất hữu cơ là những chất phụ thuộc vào sự sống và tất cả chúng đều chứa carbon. Trong thực tế, định nghĩa của một hợp chất hữu cơ là một hợp chất có chứa carbon. Đây là nguyên tố dồi dào thứ sáu trong vũ trụ và carbon cũng chiếm vị trí thứ sáu trong bảng tuần hoàn. Nó có hai electron ở lớp vỏ bên trong và bốn electron ở lớp ngoài cùng, và sự sắp xếp này làm cho carbon trở thành một nguyên tố linh hoạt. Bởi vì nó có thể kết hợp theo nhiều cách khác nhau và vì các dạng liên kết carbon đủ mạnh để giữ nguyên vẹn trong nước - yêu cầu khác đối với sự sống - carbon là không thể thiếu đối với sự sống như chúng ta biết. Trên thực tế, một lập luận có thể được đưa ra rằng carbon là cần thiết cho sự sống tồn tại ở những nơi khác trong vũ trụ cũng như trên Trái đất.

TL; DR (Quá dài; Không đọc)

Bởi vì nó có bốn electron trong quỹ đạo thứ hai của nó, có thể chứa tám, carbon có thể kết hợp theo nhiều cách khác nhau và nó có thể tạo thành các phân tử rất lớn. Liên kết carbon rất mạnh và có thể ở cùng nhau trong nước. Carbon là một nguyên tố linh hoạt đến mức gần 10 triệu hợp chất carbon khác nhau tồn tại.

Về giá trị của nó

Sự hình thành các hợp chất hóa học thường tuân theo quy tắc bát tử, theo đó các nguyên tử tìm kiếm sự ổn định bằng cách tăng hoặc giảm electron để đạt được số lượng tối ưu của tám electron ở lớp vỏ ngoài của chúng. Cuối cùng, chúng tạo thành liên kết ion và cộng hóa trị. Khi hình thành liên kết cộng hóa trị, một nguyên tử chia sẻ các electron với ít nhất một nguyên tử khác, cho phép cả hai nguyên tử đạt được trạng thái ổn định hơn.

Chỉ với bốn electron ở lớp vỏ ngoài, carbon có khả năng hiến và chấp nhận các electron như nhau, và nó có thể tạo thành bốn liên kết cộng hóa trị cùng một lúc. Phân tử metan (CH₄) là một ví dụ đơn giản. Carbon cũng có thể hình thành liên kết với chính nó, và trái phiếu rất mạnh. Kim cương và than chì đều được cấu tạo hoàn toàn bằng carbon. Cuộc vui bắt đầu khi các liên kết carbon với sự kết hợp của các nguyên tử carbon và các nguyên tố khác, đặc biệt là hydro và oxy.

Sự hình thành của Macromolecules

Xem xét những gì xảy ra khi hai nguyên tử carbon tạo thành liên kết cộng hóa trị với nhau. Chúng có thể kết hợp theo nhiều cách, và trong một, chúng chia sẻ một cặp electron, để lại ba vị trí liên kết mở. Cặp nguyên tử hiện có sáu vị trí liên kết mở và nếu một hoặc nhiều hơn bị chiếm giữ bởi một nguyên tử carbon, số lượng vị trí liên kết sẽ nhanh chóng tăng lên. Các phân tử bao gồm các chuỗi lớn các nguyên tử carbon và các nguyên tố khác là kết quả. Các chuỗi này có thể phát triển tuyến tính, hoặc chúng có thể đóng lại và tạo thành các vòng hoặc cấu trúc lục giác cũng có thể kết hợp với các cấu trúc khác để tạo thành các phân tử lớn hơn. Các khả năng là gần như vô hạn. Đến nay, các nhà hóa học đã lập danh mục gần 10 triệu hợp chất carbon khác nhau. Điều quan trọng nhất đối với sự sống bao gồm carbohydrate, được hình thành hoàn toàn bằng carbon, hydro, lipid, protein và axit nucleic, trong đó ví dụ nổi tiếng nhất là DNA.

Tại sao không phải là Silicon?

Silic là nguyên tố ngay dưới carbon trong bảng tuần hoàn và nó có số lượng dồi dào hơn khoảng 135 lần trên Trái đất. Giống như carbon, nó chỉ có bốn electron ở lớp vỏ ngoài của nó, vậy tại sao lại không có các đại phân tử hình thành các sinh vật sống dựa trên silicon? Lý do chính là carbon hình thành các liên kết mạnh hơn silicon ở nhiệt độ thuận lợi cho sự sống, đặc biệt là với chính nó. Bốn electron không ghép đôi trong lớp vỏ ngoài của silic nằm trong quỹ đạo thứ ba của nó, có khả năng chứa 18 electron. Mặt khác, bốn electron không ghép cặp nằm trong quỹ đạo thứ hai của nó, chỉ có thể chứa 8 và khi quỹ đạo được lấp đầy, tổ hợp phân tử trở nên rất ổn định.

Do liên kết carbon-carbon mạnh hơn liên kết silicon-silicon, các hợp chất carbon ở lại với nhau trong nước trong khi các hợp chất silicon bị phá vỡ. Bên cạnh đó, một lý do có thể khác cho sự thống trị của các phân tử dựa trên carbon trên Trái đất là sự phong phú của oxy. Oxy hóa nhiên liệu cho hầu hết các quá trình sống và một sản phẩm phụ là carbon dioxide, là một loại khí. Các sinh vật được hình thành với các phân tử dựa trên silicon có thể cũng sẽ nhận được năng lượng từ quá trình oxy hóa, nhưng vì silicon dioxide là một chất rắn, chúng sẽ phải thở ra chất rắn.