Die kovalente Bindung

Die chemische Bindung, die der Kohlenstoff eingeht, um organische Verbindungen zu bilden, wird als 'Kovalenzbindung' bezeichnet. Man spricht von einer kovalenten Bindung, wenn sich zwei Atome ihre Elektronen 'teilen', d.h. gegenseitig zur Verfügung stellen.

Die Elektronen eines Atoms bewegen sich auf bestimmten Umlaufbahnen, die konzentrisch um den Kern gelagert sind. Die dem Kern am nächsten liegende Elektronenbahn kann nur zwei Elektronen unterbringen. Die folgende Elektronenbahn kann 8 Elektronen aufnehmen und auf der dritten Bahn können bis zu 18 Elektronen kreisen. Die Anzahl der Elektronen wächst weiter mit der Zufügung weiterer Umlaufbahnen. Ein interessanter Aspekt dieser Anordnung ist, dass die Atome 'bestrebt sind', die Anzahl der Elektronen in ihren Umlaufbahnen zu vervollständigen. Der Sauerstoff z.B., hat 6 Elektronen in seiner zweiten, d.h. äußersten Elektronenbahn. Das macht ihn 'geneigt', Verbindungen mit anderen Atomen einzugehen, die ihm die zwei Elektronen zur Verfügung stellen, die nötig sind, um die Anzahl auf 8 - das volle Potential der zweiten Bahn - zu erhöhen.

Warum Atome diese Tendenz haben, ist eine Frage die bisher nicht beantwortet werden konnte, doch es ist gewiss von Vorteil, dass diese Tendenz besteht, denn wenn sich die Atome nicht dermaßen verhalten würden, wäre das Leben nicht möglich.

Kovalente Bindungen entstehen aufgrund dieser Tendenz der Atome, ihre Elektronenbahnen voll zu besetzen. Zwei oder mehrere Atome können diese Mängel in ihren Elektronenbahnen oft beheben, indem sie sich ihre Elektronen gegenseitig zur gemeinsamen Verfügung stellen. Ein gutes Beispiel dafür ist das Wassermolekül (H₂O), dessen Bausteine - zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom - eine kovalente Bindung eingehen. In dieser Verbindung ergänzt der Sauerstoff seine zweite Elektronen-bahn auf 8 indem er je ein Elektron der beiden Wasserstoffatome mitverwendet, wobei sich gleichzeitig die beiden Wasserstoffatome je ein Elektron vom Sauerstoff 'ausleihen', um ihrerseits ihre jeweilige Elektronenbahn auf zwei zu ergänzen.

Der Kohlenstoff zeigt eine starke Tendenz, kovalente Bindungen mit anderen Atomen (einschließlich weiteren Kohlenstoffatomen) einzugehen, wovon eine enorme Anzahl verschiedener Stoffe entstehen kann. Eine der einfachsten dieser Substanzen ist Methan, ein gewöhnliches Gas, das durch eine kovalente Bindung von vier Wasserstoffatomen an ein Kohlenstoffatom gebildet wird. Da der Kohlenstoff nur insgesamt 6 Elektronen - 2 auf der inneren und 4 auf der äußeren Bahn - hat, bindet er vier Wasserstoffatome anstatt von zweien, wie im Fall des Sauerstoffs.

Wie bereits erwähnt legt der Kohlenstoff eine besondere Vielfalt hinsichtlich der Bildung von Verbindungen mit anderen Elementen an den Tag, und diese Vielfalt ermöglicht die Erzeugung einer beträchtliche Anzahl von Substanzen. Die Kategorie der Verbindungen des Kohlenstoffs ausschließlich mit Wasserstoff werden die 'Kohlenwasserstoffe' genannt. Diese bilden eine große Familie von organischen Verbindungen, der, Erdgas, flüssiges Petroleum, Kerosin und Schmieröle angehören. Kohlenwasserstoffe, wie Ethylen und Propylen sind die Grundfesten, auf denen sich die gesamte petrochemische Industrie aufbaut. Kohlenwasserstoffe, wie Benzol, Toluol und Terpentin sind jedem, der mit Farben zu tun hat, geläufig. Naphthalin, das wir in Form von Mottenkugeln in unseren Schränken als Schutz für unsere Kleidung aufbewahren, ist ebenfalls ein Kohlenwasserstoff. In Verbindungen mit Chlor werden einige Kohlenwasserstoffe als Betäubungsmittel verwendet, und mit dem Zusatz von Fluor erhält man Freon, ein Gas, das in der Kühlungsindustrie Verwendung findet.

Eine andere wichtige Klasse von Verbindungen ist die, in der der Kohlenstoff kovalente Bindungen mit Wasserstoff und Sauerstoff eingeht. In dieser Familie finden wir unter sehr vielen anderen Substanzen die Alkohole, wie Ethanol und Propanol, Ketone, Aldehyde und Fettsäuren. Eine weitere Gruppe von Verbindungen des Kohlenstoffs mit Wasserstoff und Sauerstoff sind die Verschiedenen Formen des Zuckers, einschließlich Glukose und Fruktose.

Die Zellulose, die sozusagen das Skelett des Holzes ausmacht und das Rohmaterial für das Papier liefert, ist ein weiterer Kohlenwasserstoff, ebenso wie der Essig, das Bienenwachs und die Ameisensäure. Fast jedes Exemplar dieses unglaublich üppigen Sortiments von Stoffen und Materialien, die natürlich in unserer Welt vorkommen, ist 'nichts weiter' als eine jeweils andere Anordnungsvariante von kovalenten Bindungen zwischen Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff.

Wenn Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff solche Bindungen eingehen, bilden sie Moleküle einer Kategorie, die die Grundlage und chemische Struktur des Lebens selbst darstellt: die Aminosäuren, aus denen die Proteine aufgebaut sind. Die Nukleotiden, aus denen sich die DNS zusammensetzt, sind ebenfalls Moleküle, die aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff gebildet werden.

	Olivenöl, Fleisch und Rohzucker, alles was wir essen, besteht aus Verbindungen unterschiedlicher Anordnung von Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff mit dem Zusatz anderer Elemente, wie Stickstoff.

Kurz gesagt, die kovalenten Bindungen, die der Kohlenstoff eingehen kann, bilden einen Großteil der Grundlage für die Existenz des Lebens. Wenn Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff nicht so 'bestrebt' wären, sich ihre Elektronen zur gemeinsamen Verwendung gegenseitig zur Verfügung zu stellen, wäre das Leben tatsächlich nicht möglich.

Was es dem Kohlenstoff ermöglicht, solche Bindungen einzugehen, ist eine Eigenschaft, die die Chemiker als 'Metastabilität' bezeichnen, was wörtlich 'Umformungsbeständigkeit' bedeutet. Der Biochemiker J.B.S. Haldane beschreibt diese Eigenschaft folgendermaßen:

Ein metastabiles Molekül ist ein solches, das durch eine Umwandlung verfügbare Energie freisetzen kann, doch genügend stabil ist um auf die Dauer fortzubestehen, es sei denn, dass es durch Wärme, Bestrahlung oder in Verbindung mit einem Katalysator erregt wird. 1

WASSER und METHAN: ZWEI VERSCHIEDENE BEISPIELE VON KOVALENTEN BINDUNGEN In dem obig abgebildeten Wassermolekül besteht eine kovalente Bindung zwischen den beiden Wasserstoffatomen und dem einen Sauerstoffatom. In dem unten abgebildeten Methanmolekül bilden vier Wasserstoffatome kovalente Bindungen mit einem einzigen Kohlenstoffatom.

Was diese etwas technische Definition aussagt, ist, dass der Kohlenstoff eine ziemlich einzigartige Struktur hat, die es ihm unter normalen Bedingungen sehr leicht macht, kovalente Bindungen einzugehen.

Doch hier begegnen wir einer sehr interessanten Situation, denn der Kohlenstoff ist nur innerhalb einer sehr begrenzten Temperaturspanne 'metastabil'. Insbesonders Kohlenstoffverbindungen werden äußerst unbeständig, wenn die Temperatur über 100°C ansteigt.

Diese Tatsache begegnet uns ständig in unserem alltäglichen Leben, so dass wir sie als ganz normal erachten. Wenn wir z.B. Fleisch braten, verändern wir im Grunde genommen nur die Struktur seiner Kohlenstoffverbindungen. Doch hier sollte man einen sehr wichtigen Punkt beachten; das gebratene Fleisch ist vollständig 'tot', d.h. sein chemischer Aufbau unterschiedet von dem, was er ursprünglich war, als es Teil eines lebenden Organismen war. In der Tat werden die meisten Kohlenstoffverbindungen bei Temperaturen über 100°C 'denaturalisiert'. Der Großteil aller Vitamine, z.B. zerfällt bei dieser Temperatur, Zucker unterliegt ebenfalls strukturellen Änderungen und verliert einen Teil seines Nährwerts, und um 150°C beginnen Kohlenstoffverbindungen zu brennen.

In anderen Worten, falls die Kohlenstoffatome kovalente Bindungen mit anderen Atomen bilden sollen, und die resultierenden Verbindungen beständig sein sollen, darf die vorherrschende Temperatur höchstens 100°C betragen. Die untere Grenze dagegen ist etwa 0°C. In Temperaturen, die beträchtlich darunter liegen ist organische Biochemie unmöglich.

Im Fall anderer Verbindungen herrscht grundsätzlich eine andere Situation vor. Die meisten anorganischen Verbindungen sind nicht metastabil, und ihre Beständigkeit ist von Temperaturveränderungen nicht in bedeutender Weise beeinflußt. Man kann das leicht beobachten, wenn man ein Stück Fleisch aufspießt und über das Feuer hält. Je länger man das Fleisch braten lässt, desto brauner wird es bis es ganz verkohlt und schließlich Feuer fängt, lange bevor irgend etwas mit dem metallenem Spieß geschieht. Das gleiche würde geschehen, wenn anstelle des Metalls Glas oder Stein verwendet würden. Man müsste die Temperatur um viele hundert Grade erhöhen bevor sich die Struktur dieser Materialien zu verändern begänne.

Sie mögen nun bereits die Ähnlichkeit zwischen der Temperatur-spanne bemerkt haben, innerhalb der der Kohlenstoff beständige kovalente Bindungen bilden kann, und den, auf unserem Planeten vorherrschenden Temperaturbedingungen. Wie bereits an anderer Stelle erwähnt, variieren die Temperaturen im Weltall zwischen Millionen von Graden im Zentrum der Sterne und dem absoluten Gefrierpunkt (-273.15°C), doch die Erde, die als Lebensraum für den Menschen geschaffen wurde, besitzt ein Klima, das genau dieser schmalen Temperaturspanne entspricht, innerhalb der die Bildung von Kohlenstoffverbindungen erfolgen kann, welche ihrerseits die Grundbausteine des Lebens darstellen.

Diese interessanten 'Zufälle' sind hier jedoch noch nicht zuende. Die genau gleiche Temperaturspanne ist es, in der das Wasser in flüssigem Zustand ist. Wie im vorhergehenden Kapitel erörtert, ist flüssiges Wasser, eines der Grunderfordernisse des Lebens, und um flüssig zu bleiben, benötigt es genau die selben Temperaturen, welche auch die Kohlenstoffver-bindungen zu ihrer Entstehung und Erhaltung brauchen. Es gibt kein Naturgesetz, das diese Übereinstimmung erfordern würde, und somit kann sie nur ein Hinweis darauf sein, dass die physikalischen Eigenschaften des Wassers und des Kohlenstoffs und die klimatischen Bedingungen der Erde in einander angepaßter Harmonie erschaffen wurden.

ANMERKUNGEN

1 J. B. S. Haldane, "The Origin of Life", New Biology, 1954, Bd. 16, S. 12