لماذا تشكل ذرة الكربون أساس الحياة؟

الإنسان، صيغة حية ذات أساس كربوني!!

الكربون ... موجود بكل شي حوالينا، من اللحم للخشب للورق للسيارات للمحروقات للأكل ... وهيييك لنوصل لفحم الأرغيلة .

شو سر تميز الكربون عن باقي العناصر الكيميائية وتواجده بــ 98% من كل ما يحيط فينا.

يتشكل كل ما على الأرض من مركبات ذات عناصر مختلفة، تتواجد كلها في الجدول الدوري.

برغم احتواء الجدول الدوري على 118 عنصراً كيميائياً، إلا أن الحياة العضوية تميل إلى تمييز 5 أو 6 فقط من هذه العناصر مهما كان حجم الكتلة التي تكونها ضخماً، ويبقى الكربون عنصراً أساسياً

.

يتواجد الكربون في المواد العضوية كعنصرٍ أساسي، بينما تكون ذراته هي المكون الوحيد في كلٍ من الغرافيت والألماس.

سيكون من المستحيل أن تتواجد الحياة على الأرض بدون الكربون، فهو المكون الأساسي للسكريات والبروتينات والدسم والحمض النووي منقوص الاكسجين DNA والنسج والعضلات وفي كل شيءٍ في أجسامنا .

يتميز الكربون عن باقي العناصر بسبب تركيبه الالكتروني لذرة الكربون المفردة ، حيث تتواجد الإلكترونات في مدارات حول النواة المركزية؛ تملكُ ذرة الكربون أربعة الكترونات في مدارها الأقصى ( الخارجي ). تكون الذرة في أكثر حالاتها استقراراً عندما تملك ثمانية الكترونات في مدارها الخارجي وهذا يعني أن كل ذرة كربون يمكنها تشكيل أربعة روابط ( أحادية ) مع الذرات المحيطة .

على سبيل المثال يقوم الكربون بتشكيل أربعة روابط مع أربعة ذرات هيدروجين لينتج عن ذلك جزيء الميتان CH4 ، تتشكل كل رابطة في هذا الجزيء بمشاركة الكترونين، أحدهما من الكربون والآخر من الهيدروجين .ومع ذلك فإن قابلية تشكيل أربعة روابط ليست محصورة بالكربون فحسب، ولكنها تشمل أي ذرة تملك أربعة الكترونات في مدارها الخارجي كالسيليكون والقصدير والرصاص.

لكن ما الذي يجعل الكربون عنصراً مميزاً؟ وما هو سبب اقتصار أشكال الحياة ذات القاعدة السليكونية على الخيال العلمي؟ ولماذا لا نكاد نسمع عن وجود أشكال حياة ذات قاعدة رصاصية!

يتميز الكربون بقدرته على تشكيل روابط ثنائية ( مضاعفة ) يشارك فيها أكثر من الكترون واحد مع ذرة أخرى. تقوم كل ذرة كربون بتكوين أربعة روابط يمكن تمثيلها بأربعة خطوط متفرعة من ذرة الكربون، ولكن ترتبط رابطتين من هذه الروابط مع نفس الجزيئة.

لماذا يستطيع الكربون تشكيل روابط ثنائية بينما لا يمكن للسيليكون القيام بذلك ؟

ترسم الروابط الكيميائية على شكل خطوط مستقيمة ولكنها في الواقع غير متساوية . تتألف الرابطة المضاعفة ( الثنائية ) من نوعين مختلفين من الروابط حيث تتشكل كل رابطة من تداخل مدارين إلكترونيين ( واحد من كل ذرة ).

لفهم المدار الالكتروني دون الدخول في متاهةٍ فيزيائية يمكننا اعتباره منطقة ضبابية نوعاً ما، يكون احتمال دوران الكترون فيها بسرعة عالية جدا ً هو الاحتمال الأكبر. يضاعف تداخل مدارين الكترونيين من المساحة التي يمكن لإلكترونين أن يدورا فيها بسرعةٍ كبيرة.

تتشكل الرابطة الأحادية من مدارين دائريين يتداخلا ويحيطا بكلا الذرتين المشكلتين للرابطة، حيث تكون نواة الذرة الكربونية في مركز كل مدارٍ كروي عندما يتداخل مداران كرويان ويتشاركان الالكترونات والفضاء الالكتروني.

أما الرابطة الثانية فتتكون بشكل مغاير قليلا ً، لا تدور الإلكترونات المكونة لهذه الروابط في مدارات كروية محيطة بالنواة، بل في مدارات بيضاوية الشكل ناتئة أعلى وأسفل النواة، عندما تتداخل المدارات البيضاوية تتشكل الرابطة أعلى وأسفل الرابطة الأولى .

إذاً ما الذي يعطي للكربون القدرة على تشكيل هذه الروابط بعكس السليكون؟

تكمن الإجابة في الحجم؛

تعتبر ذرة عنصر الكربون الأصغر حجماً بين كل الذرات رباعية الالكترونات في مداراتها الخارجية، مما يعني أن الالكترونات في المدارات العليا والسفلى قريبة بما يكفي لتتداخل وتشكل هذه الرابطة الثانية .

بينما توجد مدارات الكترونية أكثر في السليكون، كما أن ذرة السيليكون أكبر حجماً ومن شبه المستحيل أن تتقارب المدارات الخارجية لتتداخل وتستطيع تشكيل الرابطة الثنائية.

وهذا هو سبب صغر حجم جزيئة ثاني أكسيد الكربون الغازية ( CO2 ) والمتضمنة لذرتي أكسجين، تقوم كل منهما بتشكيل رابطة ثنائية مع ذرة كربون واحدة، على عكس جزيء ثاني أكسيد السيليكون ( SiO2 ) الضخم والذي يتشكل من عددٍ هائلٍ من ذرات الأكسجين والسيليكون المتعاقبة والذي يُعرف بالرمل .

إذا حاولنا بجهد، يمكننا الحصول على رابطة سيليكون – سيليكون مضاعفة، لكنها غير مستقرة وستستغل أي فرصةٍ قد تتاح لها لتتخلص من هذه الرابطة المضاعفة في سبيل تشكيل رابطة أحادية ثانية .

أما الرابطة المضاعفة كربون – كربون فتتشكل بشكلٍ طبيعيّ وبسهولة، وهي ضرورية لكافة الأحياء على وجه الأرض .

سيختلف شكل الحياة على سطح كوكبنا بشكل تام إذا ما كانت ذات قاعدة سيليكونية .

فلولا صغر حجم ذرة الكربون و الأربع الكترونات الموجودة بمدارها الخارجي ... كان إلنا حكي تاني

* يتواجد مصطلح "تداخل المدارات" باسم "التهجين" في مناهجنا الدراسية .

المصدر:

هنا