Uhlík a uhlovodíky

Uhlík je všude kolem nás. Pokud jsi někdy použil/a tužku, tak už uhlík znáš v jeho grafitové podobě. I brikety dřevěného uhlí, které používáme při grilování, jsou z uhlíku. Dokonce i diamanty v prstenech či náhrdelnících jsou jednou z forem uhlíku (v tomto případě byly vystaveny vysokým teplotám a vysokému tlaku). Co ale možná nevíš, je, že zhruba 18 % tvého těla (jeho hmotnosti) je tvořeno právě uhlíkem. Atomy uhlíku jsou stavebním kamenem mnoha důležitých molekul ve tvém těle, nachází se ve struktuře proteinů, DNA, RNA, sacharidů a tuků.

Těmto složitým biologickým molekulám se často říká makromolekuly. Jsou také označovány jako organické molekuly, což jednoduše znamená, že obsahují atomy uhlíku. (Existuje ale několik výjimek. Například oxid uhličitý a oxid uhelnatý obsahují uhlík, ale nepovažujeme je za organické molekuly.)

Co je na uhlíku tak speciálního, že je stavebním kamenem mnoha molekul? Proč ke stejnému účelu nepoužíváme například kyslík? Zaprvé jsou vazby mezi uhlíky neobyčejně silné a tak uhlík utváří stabilní základ pro velkou molekulu. Atom uhlíku navíc má schopnost utvořit kovalentní vazby až se čtyřmi dalšími atomy a tak je velmi vhodný k utvoření jakési základní kostry či "stavebního kamene" makromolekuly.

Představ si, že si hraješ se stavebnicí a máš spojovací dílky, které mají buď dvě, nebo čtyři dírky. Pokud si vybereš spojovací dílek se čtyřmi otvory, dokážeš vytvořit více spojení, a tak snáze postavit složitější stavby, než by se ti povedlo se spojovacím dílkem se dvěma otvory. Atom uhlíku dokáže utvořit vazby se čtyřmi dalšími atomy a je tedy jako takový spojovací dílek se čtyřmi otvory, zatímco atom kyslíku je jako spojovací dílek s pouze dvěma otvory.

Schopnost uhlíku utvářet vazby se čtyřmi dalšími atomy vychází z jeho atomového čísla a elektronové konfigurace. Atomové číslo uhlíku je šest (tedy má šest protonů a šest elektronů), první dva elektrony zaplní vnitřní slupku a zbývající čtyři zůstávají ve druhé, tedy valenční slupce. Aby dosáhl stability, musí uhlík nalézt čtyři další elektrony, kterými vyplní vnější slupku, a tak dosáhne celkového počtu osm - tím splní oktetové pravidlo. Atomy uhlíku tedy dokáží utvářet vazby s až čtyřmi dalšími atomy. Například v metanu (CH${}_4$‍) uhlík utváří kovalentní vazby se čtyřmi atomy vodíku. Každá vazba odpovídá páru sdílených elektronů (jeden uhlíku a jeden vodíku), čímž uhlík získává osm elektronů, které ve vnější slupce potřebuje.

Uhlovodíky jsou organické molekuly sestávající výhradně z uhlíku a vodíku. Uhlovodíky vlastně používáme každý den: například propan, se kterým se setkáváme při používání plynového sporáku, a butan v zapalovačích jsou uhlovodíky. Jsou to také dobrá paliva, protože se v jejich kovalentních vazbách ukládá velké množství energie, která se uvolňuje při spalování molekul (například když reagují s kyslíkem a dojde k vytvoření oxidu uhličitého a vody).

Metan (CH${}_4$‍) je nejjednodušší uhlovodík. Sestává z atomu uhlíku, který je navázán na čtyři atomy vodíku. Tyto atomy zaujímají vrcholy trojrozměrného tělesa zvaného čtyřstěn, který je tvořen čtyřmi trojúhelníkovými plochami. Proto říkáme, že molekula metanu má geometrii čtyřstěnu. Když se atom uhlíku naváže na čtyři další atomy, tato molekula (nebo část molekuly) začne vypadat jako čtyřstěn podobný čtyřstěnu molekuly metanu. Volné elektronové páry se totiž navzájem odpuzují a tvar, který umožňuje pravidelné uspořádání atomů tak, aby si co nejméně překážely, je právě čtyřstěn.

Většina makromolekul nepatří mezi uhlovodíky, protože kromě uhlíku a vodíku obsahují další atomy, jako jsou dusík, kyslík a fosfor. Uhlíkové řetězce s navázanými vodíky jsou však klíčovou strukturální složkou většiny makromolekul (i když jsou třeba nakombinovány s jinými atomy), a proto je znalost vlastností uhlovodíků tak důležitá pro pochopení chování makromolekul.