Węgiel i węglowodory

Węgiel to pierwiastek, który można łatwo zauważyć w swoim życiu. Na przykład znajduje się on w ołówku w formie grafitu. Podobnie brykiety, które używa się do rozpalania grilla, są z węgla, a także diamenty wykorzystywane w jubilerstwie są jego odmianą (w tym przypadku, jest to węgiel poddany działaniu wysokiej temperatury i ciśnienia). To, z czego można nie zdawać sobie sprawy, to fakt, że około 18% (masowo) ludzkiego ciała to również węgiel. Atomy węgla tworzą główny szkielet dla wielu ważnych cząsteczek w ciele, na przykład białek, DNA, RNA, cukrów oraz tłuszczy.

Takie złożone struktury biologiczne często są nazywane markomolekułami; klasyfikujemy je także jako związki organiczne, co po prostu oznacza, że zawierają atomy węgla. (Warto zauważyć, że istnieją wyjątki od tej reguły. Na przykład tlenek węgla i dwutlenek węgla zawierają węgiel, ale nie są uznawane za związki organiczne.)

Dlaczego tak często to właśnie z węgla są stworzone szkielety cząsteczek? Dlaczego, powiedzmy, to nie tlen pełni taką rolę? Po pierwsze, wiązania węgiel-węgiel są niezwykle silne, więc atomy węgla mogą tworzyć silny i stabilny łańcuch, który tworzy szkielet większej cząsteczki. Co, być może, jest jeszcze ważniejsze, węgiel może tworzyć wiązania kowalencyjne aż z czterema innymi atomami. Jest więc dobrym kandydatem do tworzenia głównego szkieletu, "kręgosłupa" makromolekuły.

Aby łatwiej to zrozumieć, można wyobrazić sobie zabawę z użyciem zestawu Tinker Toy®. Zestaw zawiera koliste łączniki z dwoma lub czterema dziurkami, które służą do przyłączania kolejnych elementów. Wybór łącznika z czterema dziurkami umożliwi dołączenie większej ilości elementów i w konsekwencji pozwoli na zbudowanie bardziej złożonych struktur. W tej analogii łącznikiem z większą ilością dziurek jest atom węgla, a łącznikiem z mniejszą ilością — atom tlenu.

Węgiel może wiązać się z czterema innymi atomami dzięki liczbie i konfiguracji jego elektronów. Węgiel ma liczbę atomową 6 (co oznacza, że w pojedynczym, neutralnym atomie znajduje się 6 protonów i 6 elektronów); jego dwa elektrony wypełniają pierwszą powłokę elektronową, a pozostałe cztery — drugą, która jest dla węgla powłoką walencyjną. Aby osiągnąć stan trwały, węgiel musi znaleźć dodatkowo jeszcze cztery elektrony, które zapełnią ostatnią powłokę, łącznie dając osiem elektronów (aby spełnić regułę oktetu). Dlatego też atomy węgla mogą tworzyć wiązania nawet z 4 innymi atomami. Na przykład, w metanie (CH$_4$start subscript, 4, end subscript), węgiel tworzy wiązania kowalencyjne z czterema atomami wodoru. Każde wiązanie odpowiada parze wspólnych elektronów (jeden elektron pochodzi od węgla, a drugi — od wodoru), dając węglowi 8 elektronów, które potrzebuje, by zapełnić powłokę walencyjną.

Węglowodory to organiczne cząsteczki złożone w całości z węgla i wodoru. Są one wykorzystywane przez ludzi na co dzień: na przykład w grillu gazowym znajduje się węglowodór o nazwie propan, a w zapalniczce — butan. Są dobrymi paliwami, ponieważ ich wiązania kowalencyjne magazynują dużo energii, która jest uwalniana podczas ich spalania (czyli podczas reakcji węglowodoru z tlenem, w której powstaje dwutlenek węgla i woda).

Metan (CH$_4$start subscript, 4, end subscript) jest najprostszym węglowodorem; zawiera jeden, centralny atom węgla połączony z czterema atomami wodoru. Te atomy tworzą wierzchołki trójwymiarowej figury zwanej czworościanem foremnym (tetraedrem), który ma cztery trójkątne ściany — z tego powodu mówi się, że cząsteczka metanu ma geometrię tetragonalną. Uogólniając, jeśli atom węgla jest połączony z czterema innymi atomami, cząsteczka (lub jej część) przyjmie kształt czworościanu, podobny do kształtu metanu. Dzieje się tak, ponieważ pary elektronów, które tworzą wiązania między węglem i wodorem, odpychają się, a kształt, który pozwala na maksymalne oddalenie się ich od siebie nawzajem, to właśnie czworościan foremny.

Większość makromolekuł nie jest jednak węglowodorami, ponieważ zawierają także inne atomy poza węglem i wodorem — na przykład azot, tlen i fosfor. Mimo tego, łańcuchy węgla z przyczepionymi do niego atomami wodoru są ich bazą, kluczowym elementem struktury (nawet jeżeli zawierają one inne atomy), dlatego zrozumienie właściwości węglowodorów jest ważne, by móc zrozumieć zachowanie także i innych cząsteczek.