Im Einführungskapitel zur Organischen Chemie hatten wir gesehen, dass es mehrere hunderttausend anorganische Verbindungen gibt, während es mehrere Millionen verschiedene organische Verbindungen gibt. Dies liegt an der Sonderstellung des Kohlenstoffs:
Das Kohlenstoffatom verfügt über 4 Valenzelektronen. Zur Erreichung der Edelgaskonfiguration kann das Kohlenstoffatom vier Atombindungen mit anderen Bindungspartner eingehen. Neben der “normalen” Einfachbindung kann das Kohlenstoffatom auch Doppelbindung oder Dreifachbindung ausbilden. Alleine durch die Ausbildung von (unterschiedlichen) Mehrfachbindungen resultieren eine Vielzahl von verschiedenen Strukturmöglichkeiten, die es in der anorganischen Chemie kaum gibt. Dadurch, dass ein Kohlenstoffatom bis zur vier Bindungen zu anderen Bindungspartnern ausbilden kann, ermöglicht sich hierdurch eine Vielzahl von unterschiedlichen dreidimensionalen Strukturen. So sind neben linearen oder verzweigten Kohlenstoffketten auch Kohlenstoffringe oder Netzwerke aus Kohlenstoffatomen möglich.
Viele organische Verbindungen werden aus einem Kohlenstoffwasserstoff-Gerüst aufgebaut. Würde man nun Bindungstheorien heranziehen, so würde sich zeigen, dass die Ladungsverteilung (der Bindungselektronen zwischen dem Kohlenstoff- und dem Wasserstoffatom) fast symmetrisch ist, d.h. die Elektronegativitätsdifferenz der Bindung ist relativ klein. Es handelt sich bei einer C-H-Bindung um eine schwach polare Atombindung. (Wie wir in der anorganischen Chemie bereits gesehen hatten, sind polare Bindungen in der Regel reaktiver, als unpolare und schwach polare Bindungen. Dies liegt daran, dass der elektronegativere Bindungspartner die Bindungselektronen stärker an sich zieht und somit die Bindung “lockert”). Wie wir im Rahmen der Organischen Chemie noch sehen werden, benötigt man bei C-C- oder C-H-Einfach-Bindungen (im Vergleich zu anderen Bindungen) eine große Aktivierungsenergie, um solche “Stoffe” zur Reaktion zu bringen (d.h. neue Bindungen auszubilden). Daher sagt man auch, dass C-H bzw. C-C-Einfach-Bindungen (chemisch) inert sind.
Der Elektronegativitätswert (nach Pauling) des Kohlenstoffatoms liegt bei 2,5 (also etwa in der Mitte der Skala). Daher zeigt das Kohlenstoffatom auch in etwa gleichstarke Tendenz, Elektronen aufzunehmen oder Elektronen abzugeben. So kann das Kohlenstoffatom mit elektronegativen oder elektropositiven Elementen eine (Elektronenpaar)Bindung ausbilden. Dies liegt daran, dass das Kohlenstoffatom mit 4 Valenzelektronen “eine halb-besetzte Valenzschale” besitzt. Um eine “vollbesetzte Valenzschale” zu erhalten kann das Kohlenstoffatom also 4 Valenzelektronen abgeben oder 4 Elektronen “aufnehmen”. Betrachten wir hierzu die Anorganische Chemie, zeigt sich, dass alle Elemente eine “bestimmte” Neigung haben, die Edelgaskonfiguration (eine volle Valenzschale) zu erreichen. So haben Metalle die Tendenz, (Valenz-)Elektronen abzugeben, während Nichtmetalle bevorzugt Elektronen aufnehmen.
Alle diese “besonderen” Eigenschaften des Kohlenstoffatoms erklären die Sonderstellung des Kohlenstoffatoms und die Vielfalt der organischen Stoffe im Vergleich zu den anorganischen Stoffen.
Das Kohlenstoffatom hat vier Valenzelektronen in seiner äußersten Schale, welche es ihm ermöglichen, mit anderen Atomen eine kovalente Bindung einzugehen und daher eine Vielzahl von Molekülen zu bilden.
Das Kohlenstoffatom nimmt eine Sonderstellung ein, da es die Fähigkeit besitzt, lange Kettenmoleküle und Ringe zu bilden, was bei anderen Elementen nicht vorkommt. Diese Eigenschaft macht es grundlegend für das Leben auf der Erde.
Die Tetraederform des Kohlenstoffs bezieht sich auf die räumliche Anordnung der vier Elektronen in der Valenzschale des Kohlenstoffatoms, wodurch es eine dreidimensionale, tetraedrische Struktur bildet.
Die Fähigkeit von Kohlenstoff, (kohlenstoffbasierte) lange Ketten und Ringe zu bilden, ermöglicht die Bildung komplexer Biomoleküle, wie DNA und Proteinen, die für das Leben unentbehrlich sind.
Kohlenstoff ist wichtig für das Leben auf der Erde, da es die Grundlage für alle organischen Verbindungen, einschließlich Proteinen, Fetten, Zuckern und Nukleinsäuren bildet, welche essentiell für das Leben sind.
Ja, Kohlenstoff kann Verbindungen mit Atomen anderer Elemente eingehen. Beispielsweise bindet sich Kohlenstoff in Methan (CH4) mit Wasserstoff oder in Kohlendioxid (CO2) bindet es sich mit Sauerstoff.
In der Photosynthese nutzt die Pflanze Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre und wandelt es in Glukose (eine Kohlenstoffverbindung) um, welches die Pflanze zur Energiegewinnung und Wachstum benötigt.
Im Kohlenstoffkreislauf spielt Kohlenstoff eine zentrale Rolle. Es wird in Form von CO2 in die Atmosphäre abgegeben, von Pflanzen in der Photosynthese aufgenommen und anschließend durch die Atmung von Tieren und Menschen und durch die Zersetzung toter Organismen wieder in die Atmosphäre zurückgegeben.
Kohlenstoff wird oft als “das Element des Lebens” bezeichnet, da alle bekannten lebenswichtigen Moleküle – Proteine, Fette, Zucker und DNA/RNA – kohlenstoffbasiert sind.
Eine Kohlenstoffverbindung ist eine chemische Verbindung, in der Kohlenstoff mit anderen Elementen gebunden ist. Beispiele dafür sind Glukose (C6H12O6) und Ethanol (C2H5OH).