Por que o carbono está em toda parte

RKA5MB - Oi, eu sou Hank! Eu vou supor que você está aqui porque você gosta de Biologia. E, se você gosta, isso faz sentido, porque, como qualquer boa canção do 50 Cent, Biologia é apenas sobre sexo, e não sobre morrer. E todo mundo que está assistindo a isso, deve estar interessado em sexo, e não em morrer (supondo que você seja um ser humano, claro). Eu vou ensinar esse curso de Biologia um pouco diferente da maioria dos cursos a que você já assistiu. Por exemplo, eu não vou passar a primeira aula falando sobre como será a primeira aula, eu já vou começar ensinando a aula. Bom, eu vou começar logo após o próximo corte. Primeiramente, eu gostaria de dizer que, se eu estou indo muito rápido para você, a jogada aqui é que isso é um vídeo. E, logo, você pode pausá-lo e voltar para ouvir o que eu disse de novo. Eu prometo que eu não vou me importar. Na verdade, se você quiser, pode fazer isso com frequência. Um grande professor me disse uma vez que, para se entender um assunto, você só precisa entender um outro assunto um pouco mais complicado e que tenha a ver com o assunto que é de seu interesse. Um assunto um pouco mais complicado do que a Biologia é a Química; ou, caso você seja um bioquímico, provavelmente para você é a Bioquímica. Então, para começar a nossa aula, antes precisamos saber um pouco sobre Química. Então, vamos começar por isso. Eu sou um colecionador de compostos orgânicos. Chamo-me Hank Green. Um composto orgânico é mais ou menos qualquer composto que contenha carbono. O carbono é incrível! Por quê? Por muitas razões. Eu vou te falar três. Primeira: o carbono é pequeno. Não tem muitos prótons ou nêutrons, quase sempre 12. Raramente tem alguns nêutrons extras, tornando-se carbono 13 ou carbono 14. Por causa disso, o carbono não ocupa muito espaço e pode se apresentar em formas elegantes: pode formar anéis, pode formar ligações duplas, ou mesmo triplas, pode formar espirais e folhas, e todos os tipos de coisas realmente incríveis que moléculas maiores nunca conseguiriam fazer. Basicamente, o carbono é como uma ginasta olímpica. Ela só pode fazer essas coisas notáveis e lindas porque é pequena. Em segundo lugar, o carbono é estável. Não é como outros elementos que querem desesperadamente ganhar, perder, ou compartilhar elétrons para obter o número exato que eles querem. Não, o carbono sabe o que é estar sozinho. Então, não é como: "oh, eu não posso viver sem os seus elétrons!", como o cloro ou o sódio precisam. É por isso que o cloro parece rasgar o seu interior se você respirá-lo em sua forma gasosa. E, como o sódio é um metal, se você ingeri-lo, vai explodir. Por outro lado, o carbono não. Ele quer mais elétrons, mas não vai matar por eles. É fácil lidar com ele. Ele faz e desfaz ligações como um adolescente namora. Mas, no fim, não sai chateado! Terceiro: o carbono ama fazer ligações, porque ele precisa de quatro elétrons extras. Então, ele se ligará a quem quer que seja e esteja próximo. Normalmente, ele se liga a dois, três ou quatro deles ao mesmo tempo. O carbono pode se ligar a um monte de elementos diferentes: hidrogênio, oxigênio, fósforo, nitrogênio e outros átomos de carbono. Ele pode fazer isso em infinitas configurações, o que permite que ele seja o elemento central de estruturas complexas, que fazem coisas vivas, como nós. Como o carbono é pequeno, estável e ama fazer ligações, a vida é construída em torno dele. O carbono é a base da Biologia; tão fundamental que os cientistas têm dificuldade em acreditar que haja vida que não seja baseada em carbono. O silício, que é análogo ao carbono em muitos aspectos, é frequentemente citado como o elemento potencial no qual a vida alienígena é baseada. Mas ele é mais volumoso, por isso não têm as mesmas formas elegantes que o carbono. Também não é encontrado quaisquer gases. Isso significa que a vida teria de ser mantida ao comer silício sólido, considerando que a vida aqui na Terra só é possível porque o carbono está constantemente flutuando no ar, na forma de dióxido de carbono. O carbono por si só é um átomo com 6 prótons, 6 elétrons e 6 nêutrons. Os átomos têm orbitais eletrônicos, e eles precisam ou querem preencher seus orbitais eletrônicos para serem átomos estáveis. O primeiro orbital eletrônico, chamado orbital "s", precisa de 2 elétrons para estar cheio. Há também o orbital "2s", que também precisa de 2 elétrons. O carbono tem esses dois orbitais completos. Depois, temos o primeiro orbital "p", que precisa de 6 para ser preenchido. O carbono tem apenas 2 elétrons nesse orbital, por isso, ele precisa de mais 4. O carbono forma muitas ligações que chamamos de covalentes: são ligações em que os átomos realmente compartilham elétrons. Assim, o composto carbônico mais simples sempre é o metano, no qual o carbono está compartilhando 4 elétrons com 4 átomos de hidrogênio. O hidrogênio só tem 1 elétron, assim, quer seu primeiro orbital esteja completo. O carbono compartilha seus 4 elétrons com os 4 hidrogênios. E os 4 hidrogênios, cada um compartilha 1 elétron com o carbono. Então, todo mundo fica estável. Isso tudo pode ser representado com o que chamamos de estrutura de Lewis. Gilbert Lewis, que também é o cara por trás dos ácidos e bases de Lewis, foi nomeado para o Prêmio Nobel 35 vezes, mas não ganhou nenhuma. É o maior número de nomeações do que qualquer outra pessoa já teve na história, e também, aproximadamente, o mesmo número de vencedores. Lewis não gostou muito disso! Ele pode ter sido o mais influente químico de seu tempo. Inclusive, criou o termo fóton. Ele revolucionou a forma como nós vemos os ácidos e bases, e produziu a primeira molécula de água deuterada. Além disso, foi a primeira pessoa a conceituar as ligações covalentes sobre as quais estamos falando agora. No entanto, ele era uma pessoa bem difícil de se conviver. Foi forçado a se demitir de lugares importantes, e também foi afastado do projeto Manhattan. Enquanto todos os seus colegas trabalhavam para salvar o país, Lewis escreveu um romance horrível. Ele morreu sozinho em seu laboratório, enquanto trabalhava com cianeto, após o almoço com um colega mais jovem, mais carismático, que ganhou o Prêmio Nobel e que trabalhou no projeto Manhattan. Muitas pessoas suspeitam que ele se matou com cianeto enquanto estava trabalhando, mas o médico-legista disse que ele teve um ataque do coração, antes mesmo de examiná-lo. Eu contei tudo isso porque... bem, a estrutura de Lewis, que estou prestes a mostrar, foi criada por um gênio perturbado de verdade. E isso não é algo inventado ao acaso; isso é algo pensado. Alguém, em algum lugar, pensou nisso, e essa é uma ferramenta tão maravilhosamente útil que estamos usando desde então. Na Biologia, a maioria dos compostos pode ser mostrada na forma de estrutura de Lewis. Uma das regras básicas ao fazer esses diagramas é que alguns elementos tendem a reagir uns com os outros de tal forma que cada átomo acaba com 8 elétrons em sua camada mais externa. Nós chamamos isso de regra do octeto porque esses átomos querem completar sua camada de valência com 8 elétrons; para, assim, ficarem estáveis. O oxigênio tem 6 elétrons em sua camada externa. Isso quer dizer que ele precisa de 2 elétrons, e por isso temos o H₂O. Isso também ocorre com o carbono, que precisa de 4 elétrons. Assim, ele faz duas ligações duplas com 2 átomos de oxigênio, e nós temos o CO₂, que é o gás responsável pelo aquecimento global, como também o material que as plantas utilizam e do qual toda vida é feita. O nitrogênio tem 5 elétrons na sua camada exterior. Veja como os contamos: há 4 espaços vazios, cada um comporta 2 átomos, e, assim como as pessoas em um ônibus, eles preferem começar sentando cada um em uma cadeira. Eu não estou brincando sobre isso! Eles, realmente, não ficam um ao lado do outro até que seja necessário. Vamos contar: um, dois, três, quatro, cinco. Então, para a felicidade de todos, o nitrogênio se liga a 3 hidrogênios formando a amônia, ou conduz hidrogênios que chamamos de grupo amino, que posteriormente irá se ligar a outro grupo. E, se esse grupo amino estiver ligado a um carbono, que, por sua vez, se liga a um ácido carboxílico, temos um aminoácido. Às vezes, os elétrons são compartilhados igualmente dentro de uma ligação covalente, como com o O₂. Isso é chamado de ligação covalente não polar, mas algumas vezes um dos participantes é mais ganancioso. Na água, por exemplo, a molécula de oxigênio atrai mais os elétrons, e eles passam mais tempo em torno do oxigênio do que em torno dos hidrogênios. Isso cria uma carga ligeiramente positiva em torno dos hidrogênios, e ligeiramente negativa em torno do oxigênio. Quando algo tem carga, nós dizemos que é polar; temos um polo positivo ou negativo. E essa é uma ligação covalente polar. Já as ligações iônicas ocorrem quando, ao invés de compartilhar elétrons, os átomos apenas doam ou recebem um elétron de outro átomo, que, ao fazer isso, fica mais estável como um átomo carregado ou íon. Os átomos, em geral, preferem ser neutros, mas, comparado a ter os orbitais eletrônicos preenchidos de elétrons, esse não é um mau negócio. Qual é o composto mais comum em nossas vidas cotidianas? É o nosso velho e conhecido sal de cozinha, NaCl ou cloreto de sódio. Mas não se engane com seu sabor, o cloreto de sódio, como já mencionei, é feito de dois elementos muito desagradáveis. O cloro é um halogênio, um elemento que só precisa de 1 elétron para completar seu octeto, enquanto que o sódio é um metal alcalino, um elemento que só tem 1 elétron em seu octeto. Eles irão destruir qualquer composto químico que entrar em contato para satisfazer a regra do octeto. Nada de bom podia resulta da combinação de cloro e sódio. Eles imediatamente transferem elétrons: o sódio doa seu elétron extra e o cloro recebe esse elétron, completando a regra do octeto. E, aí, eles se tornam Na⁺ e Cl⁻. E são tão carregados que eles permanecem juntos, e isso é o que chamamos de ligação iônica. Essas mudanças químicas são um grande negócio, não é mesmo? O sódio e o cloro, que são altamente perigosos, juntos são deliciosos. Há também as ligações de hidrogênio, que não são realmente ligações. Então, você se lembra da água? Espero que não tenha se esquecido da água. A água é muito importante! Uma vez que a água está ligada por ligações covalentes polares, o hidrogênio está parcialmente positivo, enquanto que o oxigênio está parcialmente negativo. Quando as moléculas de água se movimentam, elas permanecem juntas: hidrogênio ao lado de oxigênio. Esse tipo de ligação acontece nas mais diversas moléculas, particularmente nas proteínas, e desempenham um papel extremamente importante em como as proteínas se dobram para fazer o seu trabalho. É importante notar que as ligações, mesmo quando são escritas como traços ou linhas contínuas, ou quando não há linha, têm forças diferentes. Às vezes, as ligações iônicas são mais fortes do que as ligações covalentes, embora essa seja uma exceção ao invés de ser a regra. A força de ligação covalente varia muito. O modo como essas forças são quebradas é extremamente importante em relação a como nossa vida funciona, e é a chave para a própria vida. Ah, também é importante para o caso em que você estivesse perto de engolir um pouco de sódio metálico. Isso seria a chave para a morte. Mas não se esqueça que essa aula é de Biologia. Mas mesmo a pessoa mais quente que você já conheceu é apenas um monte de produtos químicos caminhando em um saco de água. E, nas próximas aulas, vamos falar sobre isso e muito mais!