Karbon ve Hidrokarbonlar

Karbon günlük hayatınızda karşılaşmanızın pek de zor olmadığı bir elementtir. Örneğin eğer kurşun kalem kullandıysanız, karbonu grafit formunda görmüşsünüzdür. Benzer şekilde mangallarda kullandığınız kömür de karbondan yapılmıştır. Hatta yüzüklerdeki veya kolyelerdeki elmas bile karbonun bir formudur (yüksek sıcaklık ve basınca maruz kalmış bir formu). Ama vücudunuzun (kütlece) %18'inin karbondan meydana geldiğinin farkında olmayabilirsiniz. Aslında karbon atomları proteinler, DNA, RNA, şekerler ve yağlar dahil olmak üzere vücudumuzdaki birçok molekülün temelini oluştururlar.

Bu karmaşık biyolojik moleküller, genellikle makromolekül olarak adlandırılır. Aynı zamanda organik molekül adını da alırlar, bu da basit bir şekilde karbon atomu içerdikleri anlamına gelir. (Ancak bu kuralın birkaç istisnası bulunur. Örneğin karbondioksit ve karbonmonoksit karbon içermesine rağmen organik olarak kabul edilmezler.)

Karbon, moleküllerin temellerini oluşturmakta neden bu kadar popüler? Mesela onun yerine aynı amaç için neden oksijeni kullanmıyoruz? Öncelikle, karbon-karbon bağları alışılmadık derecede güçlüdür, bu sayede karbon büyük moleküller için kararlı ve sağlam temeller oluşturabilir. Ama büyük ihtimalle daha da önemlisi, karbonun kovalent bağ yapma kapasitesidir. Bir C atomu, dört atom gibi fazla sayıda atomla kovalent bağ yapabildiğinden dolayı bir makromolekülün basit iskeletini ya da "temelini" oluşturmak için çok uygundur.

Bir örnek olarak bir lego setiyle oynadığınızı düşünün. Tekerlekleriniz var ve bu tekerlekler ya iki ya da dört delikli. Eğer dört delikli tekerleği seçerseniz iki delikli tekerlekle yapabileceğinizden daha fazla bağlantı yaparsınız ve daha kolay bir şekilde daha karmaşık bir yapı elde edersiniz. Bir karbon atomu, başka dört atomla bağ yapabilir ve bu anlamda dört delikli tekerleğe benzer; oksijen atomuysa yalnızca iki bağ yapabildiği için, onun da iki delikli tekerlek parçasıyla eşdeğer olduğunu düşünebiliriz.

Karbonun dört atomla bağ yapabilmesi, elektron sayısı ve dizilişinden kaynaklanan bir durumdur. Karbonun atom numarası altıdır (bu 6 proton ve nötr atomunda 6 elektrona sahip olduğu anlamına gelir). Bu yüzden ilk iki elektron, içteki kabuğu doldurur, diğer dört elektron da aynı zamanda değerlik (en dıştaki) olarak adlandırılan ikinci kabukta kalır. Kararlı bir yapıya ulaşabilmek için karbon atomunun en dış kabuğunu dolduracak, toplamda sekiz elektrona ulaşıp oktet kuralına uymasını sağlayacak dört elektrona daha ihtiyacı vardır. Karbon atomları bu sebeple dört atomla bağ kurabilirler. Örneğin metandaki (CH${}_4$‍) karbon, dört hidrojen atomuyla bağ kurar. Her bağ, paylaşılan bir çift (biri karbondan biri hidrojenden) elektronu karşılar ve karbon bu şekilde dış kabuğunda ihtiyacı olan sekiz elektrona ulaşır.

Hidrokarbonlar, tamamen karbon ve hidrojenden oluşan organik moleküllerdir. Hidrokarbonları günlük hayatımızda sık sık kullanırız: Örneğin; gazlı ızgaralardaki propan gazı ve çakmaklardaki bütan gazı hidrokarbonlara verilebilecek örneklerdir. Kovalent bağları büyük miktarda enerji depoladığı için hidrokarbonlar iyi yakıtlardır; bu enerji, moleküller yandığında (örneğin, karbondioksit ve su oluşturmak için oksijenle tepkimeye girdiğinde) ortaya çıkar.

En basit hidrokarbon molekülü olan metan (CH${}_4$‍), merkezi bir karbon atomuna bağlı dört adet hidrojen atomundan oluşur. Karbon ve dört hidrojen atomu, dört yüzlü adı verilen üç boyutlu bir yapının köşelerini oluştururlar. Dört yüzlünün 4 adet üçgensel yüzü bulunur, bundan dolayı da metanın dört yüzlü bir geometrik yapısı olduğu kabul edilir. Genel olarak, bir karbon atomu, dört atomla bağ kurduğunda, oluşan molekül tıpkı metanda olduğu gibi dört yüzlü bir geometriye sahip olacaktır. Bu olayın sebebi, bağları oluşturan elektron çiftlerinin birbirlerini itmeleridir. Elektronların arasındaki mesafenin itiş kuvveti sebebiyle maksimum olduğu şekil de dört yüzlüdür.

Birçok makromolekül, karbon ve hidrojene ek olarak, nitrojen, oksijen veya fosfor gibi diğer atomları da içerdikleri için hidrokarbon olarak sınıflandırılmaz. Ancak, hidrojen bağlı karbon zincirleri çoğu makromolekülün önemli bir yapısal bileşenidir (diğer atomlar arasına serpiştirilmiş olsalar bile). Bu sebeple, hidrokarbonların özelliklerini anlamak, makromoleküllerin davranışlarını anlayabilmek için önemli ve gereklidir.