Warum ist Kohlenstoff f├╝r organische Verbindungen so wichtig?

Organische Verbindungen sind diejenigen, von denen das Leben abh├Ąngt, und sie alle enthalten Kohlenstoff. In der Tat ist die Definition einer organischen Verbindung eine, die Kohlenstoff enth├Ąlt. Es ist das sechsth├Ąufigste Element im Universum und Kohlenstoff nimmt auch den sechsten Platz im Periodensystem ein. Es hat zwei Elektronen in seiner inneren Schale und vier in der ├Ąu├čeren, und es ist diese Anordnung, die Kohlenstoff so ein vielseitiges Element macht. Weil es auf so viele verschiedene Arten kombiniert werden kann, und weil die Bindungen, die Kohlenstoffformen bilden, stark genug sind, um im Wasser intakt zu bleiben - die andere Voraussetzung f├╝r das Leben - ist Kohlenstoff f├╝r das Leben, wie wir es kennen, unverzichtbar. Tats├Ąchlich kann argumentiert werden, dass Kohlenstoff notwendig ist, damit das Leben irgendwo anders im Universum und auf der Erde existiert.

TL; DR (zu lang; nicht gelesen)

Weil es in seinem zweiten Orbital vier Elektronen hat, die acht aufnehmen k├Ânnen, kann sich Kohlenstoff auf viele verschiedene Arten kombinieren, und er kann sehr gro├če Molek├╝le bilden. Kohlenstoffbindungen sind stark und k├Ânnen in Wasser zusammenbleiben. Kohlenstoff ist ein so vielseitiges Element, dass fast 10 Millionen verschiedene Kohlenstoffverbindungen existieren.

Es geht um Valency

Die Bildung chemischer Verbindungen folgt im allgemeinen der Oktettregel, nach der Atome Stabilit├Ąt suchen, indem sie Elektronen gewinnen oder verlieren, um die optimale Anzahl von acht Elektronen in ihrer ├Ąu├čeren H├╝lle zu erreichen. Zu diesem Zweck bilden sie ionische und kovalente Bindungen. Bei der Bildung einer kovalenten Bindung teilt ein Atom Elektronen mit mindestens einem anderen Atom, wodurch beide Atome einen stabileren Zustand erreichen k├Ânnen.

Mit nur vier Elektronen in seiner ├Ąu├čeren H├╝lle ist Kohlenstoff gleicherma├čen in der Lage, Elektronen abzugeben und aufzunehmen, und er kann vier kovalente Bindungen gleichzeitig bilden. Das Methanmolek├╝l (CH4) ist ein einfaches Beispiel. Kohlenstoff kann auch Bindungen mit sich selbst eingehen, und die Bindungen sind stark. Diamant und Graphit bestehen beide vollst├Ąndig aus Kohlenstoff. Der Spa├č beginnt, wenn Kohlenstoff-Bindungen mit Kombinationen von Kohlenstoffatomen und denen anderer Elemente, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff.

Die Bildung von Makromolek├╝len

├ťberlegen Sie, was passiert, wenn zwei Kohlenstoffatome miteinander eine kovalente Bindung eingehen. Sie k├Ânnen sich auf mehrere Arten kombinieren, und in einem teilen sie sich ein einzelnes Elektronenpaar, wobei drei Bindungspositionen offen bleiben. Das Paar von Atomen hat nun sechs offene Bindungspositionen, und wenn eines oder mehrere von einem Kohlenstoffatom besetzt sind, w├Ąchst die Anzahl der Bindungspositionen schnell an. Molek├╝le, die aus gro├čen Ketten von Atomen aus Kohlenstoff und anderen Elementen bestehen, sind das Ergebnis. Diese Strings k├Ânnen linear wachsen, oder sie k├Ânnen sich schlie├čen und Ringe oder hexagonale Strukturen bilden, die sich auch mit anderen Strukturen kombinieren lassen, um noch gr├Â├čere Molek├╝le zu bilden. Die M├Âglichkeiten sind nahezu unbegrenzt. Bis heute haben Chemiker fast 10 Millionen verschiedene Kohlenstoffverbindungen katalogisiert. Die wichtigsten f├╝r das Leben sind Kohlenhydrate, die vollst├Ąndig mit Kohlenstoff, Wasserstoff, Lipiden, Proteinen und Nukleins├Ąuren gebildet werden, von denen das bekannteste Beispiel DNA ist.

Warum nicht Silizium?

Silizium ist das Element knapp unter Kohlenstoff im Periodensystem und es ist etwa 135 Mal h├Ąufiger auf der Erde. Wie Kohlenstoff hat er nur vier Elektronen in seiner ├Ąu├čeren H├╝lle, warum also sind die Makromolek├╝le, die lebende Organismen bilden, nicht siliziumbasiert? Der Hauptgrund ist, dass Kohlenstoff bei lebenswerten Temperaturen, insbesondere bei sich selbst, st├Ąrkere Bindungen bildet als Silizium. Die vier nicht gepaarten Elektronen in der ├Ąu├čeren H├╝lle des Siliziums befinden sich in seinem dritten Orbital, das m├Âglicherweise 18 Elektronen aufnehmen kann. Die vier ungepaarten Elektronen des Kohlenstoffs befinden sich dagegen in seinem zweiten Orbital, das nur 8 aufnehmen kann, und wenn das Orbital gef├╝llt ist, wird die molekulare Kombination sehr stabil.

Da die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung st├Ąrker ist als die Silizium-Silizium-Bindung, bleiben Kohlenstoffverbindungen in Wasser zusammen, w├Ąhrend Siliziumverbindungen auseinanderbrechen. Ein anderer wahrscheinlicher Grund f├╝r die Dominanz von Kohlenstoff-basierten Molek├╝len auf der Erde ist der Sauerstoffgehalt. Die Oxidation f├Ârdert die meisten Lebensprozesse, und ein Nebenprodukt ist Kohlendioxid, das ein Gas ist. Organismen, die mit siliziumbasierten Molek├╝len gebildet werden, w├╝rden wahrscheinlich auch Energie aus der Oxidation erhalten, aber da Siliziumdioxid ein Feststoff ist, m├╝ssten sie feste Materie ausatmen.

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