A szén és a szénhidrogének

A szenet nem nehéz észrevenni mindennapi életünk során. Például ha használtál ceruzát, láthattad a szenet grafit formájában. Hasonlóképpen, a grillezéshez használt brikett is szénből készül, de még a gyűrűkben vagy nyakláncokban található gyémánt is (ez utóbbi kialakulása során magas hőmérsékletnek és nagy nyomásnak volt kitéve). Amit talán kevésbé érzékelhetsz, az az, hogy a tested tömegének 18%-a szintén szénből épül fel. Valójában szénatomok alkotják a testedben található számos fontos molekula vázát, beleértve a DNS-t, RNS-t, cukrokat és zsírokat.

Ezeket az összetett biológiai molekulákat gyakran nevezik makromolekuláknak; a szerves molekulák közé is sorolják őket, ami egyszerűen annyit jelent, hogy van bennük szénatom. (Tegyük hozzá, hogy van néhány kivétel az alól a szabály alól. Például a szén-dioxid és a szén-monoxid is tartalmaz szenet, de ezeket általában nem tekintjük szerves vegyületeknek.)

Mitől olyan népszerű a szénatom, amikor molekulák vázának felépítésére kerül sor? Miért nem használatosak mondjuk oxigénatomok ugyanerre a célra? Ennek egyik oka, hogy a szénatomok közötti kötések rendkívül erősek, így a nagyméretű molekulák számára a szén stabil, szilárd vázat képezhet. Talán még ennél is fontosabb azonban, hogy a szén kovalens kötéseket képes létrehozni. Mivel a szénatom akár négy másik atommal is kialakíthat kovalens kötéseket, alkalmas arra, hogy a makromolekulák alapvázát vagy „gerincét” képezze.

Összehasonlításképpen képzeld el, hogy Babylon építőjátékkal játszol, és az építőelemeken kettő, vagy négy lyuk van. Ha azt az elemet választod, amin négy lyuk van, akkor több csatlakozást hozhatsz létre, és sokkal könnyebb összetett szerkezeteket építeni, mint a kétlyukas elemmel. A szénatom négy másik atommal tud kötést létrehozni, olyan mint a négylyukú építőelem, míg az oxigénatom, mely mindössze két másik atommal tud kapcsolódni, olyan mint a kétlyukú építőelem.

A szén azon képessége, hogy négy másik atomhoz kötődhet, a rendszámára és elektronkonfigurációjára vezethető vissza. A szén rendszáma hat (ami azt jelenti, hogy a semleges atomja hat protont és hat elektront tartalmaz), így az első két elektron a belső héjon, a maradék négy pedig a második héjon helyezkedik el, ami egyben a vegyértékhéj (legkülső héj) is. A stabilitás elérése érdekében a szénatomnak további négy elektront kell találnia, hogy feltöltse a külső héját, vagyis összesen nyolc elektronra van szüksége az oktett-szabály teljesítéséhez. A szénatomok így akár négy másik atomhoz is kötődhetnek. A metánban (CH$_4$start subscript, 4, end subscript) például egy szénatomhoz négy hidrogénatom kapcsolódik kovalens kötéssel. Minden kötés egy megosztott elektronpárnak felel meg (egy elektron a szénatomból, a másik egy hidrogénatomból), ezáltal biztosítva a szénatom számára a külső elektronhéj betöltéséhez szükséges nyolc elektront.

A szénhidrogének szerves molekulák, melyek kizárólag szén- és hidrogénatomokból épülnek fel. Mindennapi életünk során gyakran használunk szénhidrogéneket: például a gázgrillben található propán, vagy az öngyújtóban levő bután is szénhidrogén. Mindkettő kiváló tüzelőanyag, mert kovalens kötéseik nagy mennyiségű energiát tárolnak, ami a molekulák égése során felszabadul (azaz amikor oxigénnel reagálva szén-dioxidot és vizet képeznek).

A metán (CH$_4$start subscript, 4, end subscript), a legegyszerűbb szénhidrogén-molekula egy központi szénatomból és négy hozzákapcsolódó hidrogénatomból épül fel. A szén- és a négy hidrogénatom egy háromdimenziós alakzat csúcsait alkotja, ezt tetraédernek nevezzük, melynek négy, háromszög alakú oldala van. Ennek alapján a metán tetraéderes elrendeződésű. Ez általában is igaz: ha egy szénatom négy másik atomhoz kapcsolódik, akkor a molekula (vagy a molekula egy része) a metánhoz hasonlóan tetraéderes szerkezetű lesz. Ez annak következménye, hogy a kötéseket alkotó elektronpárok taszítják egymást, és tetraéderes elrendeződés esetén lesz a köztük levő távolság maximális.

A legtöbb makromolekulát nem sorolják a szénhidrogének közé, mivel más atomokat is tartalmaznak a szén és a hidrogén mellett, például nitrogént, oxigént és foszfort. Mindazonáltal a szénláncok és a hozzájuk kapcsolódó hidrogénatomok kulcsfontosságú szerkezeti összetevői a legtöbb makromolekulának (még akkor is, ha más atomokkal vannak tarkítva), így a szénhidrogének tulajdonságainak megértése fontos ahhoz, hogy megértsük a makromolekulák viselkedését.