ნახშირბადი და ნახშირწყალბადები

ყოველდღიურ ცხოვრებაში ნახშირბადის შემჩნევა ძალიან მარტივია. მაგალითად, თუ ოდესმე ფანქარი გამოგიყენებიათ, მაშინ თქვენ გინახავთ ნახშირბადი, გრაფიტის ფორმით. იგივენაირად, ნახშირი, რომელსაც მწვადების შესაწვავად იძენთ, ნახშირბადისგანაა შექმნილი და ბრილიანტებიც კი, ბეჭედსა და ყელსაბამზე, ნახშირბადის ფორმებია (ამ შემთხვევაში, მაღალ ტემპერატურასა და წნევაში მოხვედრილი ნახშირბადი). თუმცა, რაც შეიძლება არ გაგიცნობიერებიათ, არის ის, რომ თქვენი სხეულის 18% (წონის მიხედვით) აგრეთვე ნახშირბადისგანაა შემდგარი. მართლაც, ნახშირბადის ატომები შეადგენენ თქვენი სხეულისთვის მნიშვნელოვანი მრავალი მოლეკულის ჩონჩხს, ცილების, დნმ-ს, რნმ-ს, შაქრებისა და ცხიმების ჩათვლით.

ეს რთული ბიოლოგიური მოლეკულები ხშირად მაკრომოლეკულების სახელით მოიხსენიება; ისინი აგრეთვე ორგანულ მოლეკულებადაა კლასიფიცირებული, რაც ნიშნავს, რომ ისინი ნახშირბადის ატომებს შეიცავს. (აღსანიშნავია, რომ არსებობს ამ წესის რამდენიმე გამონაკლისი. მაგალითად, ნახშირბადის დიოქსიდი და ნახშირბადის მონოოქსიდი შეიცავს ნახშირბად , მაგრამ ზოგადად, ისინი ორგანულად არ მოიაზრება.)

რატომ არის ნახშირბადი ასეთი კარგი მოლეკულური ჩონჩხების შექმნაში? რატომ არ ვიყენებთ მის მაგივრად, დავუშვათ, ჟანგბადს? ჯერ ერთი, ნახშირბად-ნახშირბადის ბმები უჩვეულოდ ძლიერია, ამიტომ ნახშირბადს შეუძლია წარმოქმნას მყარი ჩონჩხი დიდი მოლეკულისთვის. თუმცა შესაძლოა მეტად მნიშვნელოვანი ნახშირბადის კოვალენტური ბმების წარმოქმნის უნარია. C ატომს კოვალენტური ბმების წარმოქმნა 4 სხვა ატომთან შეუძლია, რაც ძალიან ხელსაყრელია მაკრომოლეკულის ძირიადი „ჩონჩხის" წარმოქმნისთვის.

ანალოგიურად, წარმოიდგინეთ, რომ თამაშობთ თინქერთოითი® (სათამაშო კონსტრუქციების კომპლექტი) და გაქვთ დამაკავშირებელი ბორბლები 2 და 4 ნახვრეტით. თუ აირჩვთ 4-ნახვრეტიან დამაკავშირებელ ბორბალს, მეტი დაკავშირების შესაძლებლობა გექნებათ და ააგებთ უფრო რთულ სტრუქტურას, ვიდრე 1-ნახვრეტიანი ბორბლის საშუალებით შეძლებდით. ნახშირბადის ატომს შეუძლია ოთხ სხვა ატომთან დაკავშირება და 4-ნახვრეტიანი ბორბალივითაა, მაშინ, როდესაც ჟანგბადის ატომს 2-ნახვრეტიანი ბორბლის მსგავსად, მხოლოდ ორ ატომთან შეუძლია დაკავშირება.

ნახშირბადის უნარი, რომ წარმოქმნას ბმები ოთხ სხვა ატომთან მისი ელექტრონების კონფიგურაციის დამსახურებაა. ნახშირბადის ატომური ნომერია ექვსი (ექვსი პროტონი და ექვსი ელექტრონია ნეიტრალურ ატომში) — პირველი ორი ელექტრონი შიდა შრეს ავსებს, დანარჩენი ოთხი კიდევ მეორე (ყველაზე გარე) შრეზეა დარჩენილი, რომელიც ვალენტურია. სტაბილურობის მისაღწევად, ნახშირბადმა კიდევ ოთხი ელექტრონით უნდა შეავსოს გარეთა შრე და დააკმაყოფილოს ოქტეტის წესი. ამიტომ ნახშირბადის ატომებს ოთხს სხვა ატომთან შეუძლიათ ბმის დამყარება. მაგალითად, მეთანში (CH${}_4$‍), ნახშირბადი კოვალენტურ ბმებს ამყარებს წყალბადის ოთხ ატომთან, თითოეული ბმა შეესაბამება საზიარო ელექტრონი ერთ წყვილს (ერთი ნახშირბადიდან და მეორე წყალბადიდან), და იღებს რვა ელექტრონს, რომელიც სჭირდება იმისთვის, რომ შევსებული გარე შრე ჰქონდეს.

ნახშირწყალბადები ორგანული მოლეკულებია, რომლებიც ნახშირბადისა და წყალბადისგან შედგება. ჩვენ ხშირად ვიყენებთ ნახშირწყალბადებს ყოველდღიურ ცხოვრებაში: მაგალითად, პროპანი გაზის გრილში და ბუტანი სანთებელაში, ორივე ნახშირწყალბადია. ისინი კარგ საწვავს ქმნიან, რადგან მათი კოვალენტური ბმები ინახავს დიდი რაოდენობით ენერგიას, რომელიც გამომუშავდება მოლეკულების წვისას (ანუ, რეაქციაში შედიან ჟანგბადთან, ნახშირბადის დიოქსიდისა და წყლის წარმოსაქმნელად).

მეთანი (CH${}_4$‍), უმარტივესი ნახშირწყალბადური მოლეკულა, შედგება ცენტრალური ნახშირბადის ატომისა და მასთან დაკავშირებული ოთხი წყალბადის ატომისგან. ნახშირბადი და წყალბადის 4 ატომი ქმნიან სამგანზომილებიანი ფორმის ტეტრაედრის წვეროებს, რომელის ოთხ გვერდსაც სამკუთხედები შეადგენს; ამის გამო ამბობენ, რომ მეთანს ტეტრაედრული გეომეტრია აქვს. უფრო ზოგადად, როდესაც ნახშირბადის ატომი დაკავშირებულია ოთხ სხვა ატომთან, მოლეკულა (ან მოლეკულის ნაწილი) მეთანის ფორმის მსგავს ტეტრაედრის ფორმას იღებს. ეს იმიტომ ხდება, რომ ელექტრონული წყვილები, რომლებიც ბმებს წარმოქმნიან, ერთმანეთისგან განიზიდებიან და ფორმა, რომელიც მაქსიმალურად ზრდის მათ შორის დისტანციას, ტეტრაედრია.

მაკრომოლეკულების უმეტესობა ნახშირწყალბადად არ მიიჩნევა, რადგან მათ ნახშირბადსა და წყალბადთან ერთად სხვა ატომებიც აქვთ — აზოტი, ჟანგბადი და ფოსფორი. თუმცა ნახშირბადის ჯაჭვი, რომელზეც წყალბადებია დამაგრებული მაკრომოლეკულების უმეტესობის უმთავრესი სტრუქტურული კომპონენტია (თუნდაც სხვა ატომებთანაც იყვნენ დაკავშირებულნი), ამიტომ ნახშირწყალბადების თვისებების გაგება მნიშვნელოვანია, რომ გავიგოთ მაკრომოლეკულების თვისებები და ქცევები.