Elementi di chimica (prerequisiti)
La materia è costituita da elementi chimici
In natura sono presenti 92 elementi
Circa 25 dei 92 elementi sono definiti essenziali per la vita
Quattro di questi
costituiscono
da
soli circa il 96%
del corpo umano
•
•
•
•
Ossigeno (O)
Carbonio (C)
Idrogeno (H)
Azoto (N)
La rilevante percentuale di O2 è
dovuta al fatto che esso entra nella
composizione dell’acqua (H2O) la
sostanza che compone quasi il
90% del nostro organismo
Calcio (Ca), fosforo (P), potassio
(K), zolfo (S) e pochi altri
costituiscono il rimanente 4%
Ci sono poi circa altri 15 elementi
che si trovano in tracce. Assieme
sono poco più di un decimillesimo
Pur essendo in tracce, la loro importanza non è
minore. Infatti nella maggior parte dei casi
l’organismo non sopravviverebbe senza di
questi elementi
Elementi importanti dal punto di vista biologico
Oltre a comporre l’acqua, l’ ossigeno è necessario per la respirazione cellulare ed è
un componente della maggior parte dei composti organici
Il carbonio costituisce lo scheletro di tutti i composti organici (ogni C forma 4
legami)
L’ idrogeno è presente in tutti i composti organici; è un componente dell’acqua.
Nelle proteine e negli acidi nucleici oltre ai tre precedenti elementi, è presente l’
azoto
Il calcio in forma ionica (Ca++) è importante per la contrazione muscolare, per la
liberazione di neurotrasmettitori. È una componente strutturale di denti e ossa
Il fosforo è componente degli acidi nucleici e dell’ATP. Componente strutturale delle
ossa
Sodio, potassio e Cloro in forma ionica (Na+, K+, Cl-) sono importanti per l’attività
elettrica del neurone (e nelle cellule in generale)
Atomi
Ogni elemento è costituito da un solo tipo di atomi
L’atomo è la più piccola unità di materia che
mantiene le proprietà di un elemento
Gli atomi sono a
loro volta composti
di particelle subatomiche (le stesse
compongono gli atomi
di tutti gli elementi)
• protoni
• elettroni
• neutroni
Carica elettrica positiva
Carica elettrica negativa
Nessuna carica
Anche se gli elettroni sono molto più piccoli dei protoni essi
posseggono entrambi carica elettrica unitaria (ma di segno opposto)
La massa dell’elettrone è enormemente più piccola di
quella di protoni e neutroni (i quali hanno la stessa massa)
Protoni e neutroni compongono il nucleo
attorno al quale gli elettroni ruotano
Per convenzione la massa di
protoni
e
neutroni
è
considerata = 1.
Quella degli elettroni
considerata nulla
è
Numero atomico e numero di massa
Il numero atomico di un elemento è costituito dal numero di
protoni che si trovano nel nucleo
Il numero di massa di un atomo è dato dalla somma del numero
di protoni e di neutroni
Carbonio
Numero atomico = 6
6 protoni
6 neutroni
6 elettroni
Numero di
massa = 12
Tutti gli atomi di Carbonio hanno numero atomico 6
Se avessero 7 protoni sarebbero atomi di Azoto
Non tutti gli atomi di carbonio hanno massa atomica = 12
Carbonio-12
Carbonio-13
Carbonio-14
6 protoni
6 neutroni
6 protoni
7 neutroni
6 protoni
8 neutroni
6 elettroni
6 elettroni
6 elettroni
Il 99% degli
atomi
Meno dell’1%
degli atomi
In quantità
minime
Le forme dello stesso elemento che differiscono per il numero di massa
si chiamano ISOTOPI ( 12C, 13C, 14C )
Alcuni isotopi sono instabili e decadono emettendo particelle ed energia
Questi isotopi si chiamano Isotopi radioattivi
Un esempio è dato dall’isotopo del Carbonio-14
Alcuni isotopi radiottivi come il carbonio-14, il fosforo-32 e il trizio (3H)
trovano largo impiego sia nella Diagnostica Medica che nella Ricerca
Biologica
L’elemento più piccolo è l’Idrogeno ( H )
Esso possiede un un protone e un elettrone
Numero atomico 1
Numero di massa 1
In realtà un atomo su 6500 possiede anche un neutrone (deuterio, massa 2) e in
laboratorio si può produrre un atomo di H con due neutroni (trizio, massa 3)
All’aumentare del numero atomico
aumenta il numero di elettroni che
ruotano intorno al nucleo
L’elio ne ha 2, il
litio ne ha 3 e così
via
Gli elettroni occupano orbitali. Ci sono due elettroni per ogni orbitale
I due elettroni più vicini al nucleo occupano un
orbitale chiamato s che costituisce un primo
livello energetico chiamato guscio K
I seguenti otto elettroni vanno ad occupare quattro orbitali
organizzati in secondo livello energetico chiamato un guscio L
Poi segue un guscio M…… ecc
La figura 2.4 del Purves trae in inganno in quanto
può far pensare che il guscio L ha solo tre orbitali
Guscio K
Orbitale di tipo s
Guscio L
Gli elementi chimici che hanno un guscio completamente
riempito (2, 10 o 18 elettroni) sono molto stabili e tendono a
reagire poco con gli altri elementi (elementi inerti)
Elementi inerti
Viceversa gli elementi cui mancano uno o più elettroni per
completare il guscio e quelli che hanno uno o più elettroni
in eccesso sono estremamamente reattivi.
Questi secondi tenderanno a
combinarsi con altri elementi
in modo tale da ‘perdere’ gli
elettroni in eccesso
I primi invece tenderanno a
combinarsi con altri elementi in
modo tale da attirare elettroni per
completare l’orbitale
Elementi chimicamente reattivi
Capire queste semplici regole sul comportamento degli elettroni ci
aiuta a prevedere il tipo di legame che un dato atomo tende a fare
La tavola periodica
I legami chimici
Ci sono 4 differenti tipi di legame chimico
 Covalente
 Ionico
 A idrogeno
 Di van der Waals
 Legame Covalente
Un legame covalente semplice viene a formarsi quando due
atomi condividono una coppia di elettroni in modo tale che
entrambi raggiungono una condizione più stabile
Ad esempio due atomi di H condividono una
coppia di elettroni in modo tale che entrambi
raggiungono la condizione con due elettroni
nel un primo livello energetico ( guscio K)
H
H
Un
atomo
di
C
condivide una coppia di
elettroni con ciascuno
dei quattro atomi di H
cui si lega modo
In questo modo il C raggiunge la condizione stabile con 8 elettroni nel secondo
livello energetico ( guscio L)
Legame covalente
Oltre a poter formare legami con più atomi diversi, uno stesso
atomo può formare più legami covalenti con un singolo atomo
Ciò avviene quando due atomi condividono non una sola ma più
coppie di elettroni (ad es. in O2)
O
O
O
O
Legami covalenti asimmetrici
In una molecola gli atomi che formano tra loro un legame
possono avere una differente tendenza ad attrarre elettroni
(si dice che uno è più elettronegativo dell’altro)
Questo accade per esempio nella molecola dell’acqua dove
l’Ossigeno è più elettronegativo dell’idrogeno
Gli elettroni condivisi passano più tempo attorno all’O che all’H
Legame covalente
 Legame a idrogeno
Il legame ad idrogeno si forma tra un atomo di idrogeno con una carica
parziale positiva e una altro atomo (ad es ossigeno o azoto) con una
carica parziale negativa
Esso può formarsi tra piccole molecole o tra
parti diverse di una stessa grande molecola
Un esempio di legame ad
idrogeno è quello che si forma
tra le molecole d’acqua
La forza di legame ad idrogeno è 1/20 di quella di un legame
covalente. Tuttavia la formazione di molti legami ad idrogeno può
conferire una notevole stabilità alle strutture
Proteine, DNA
Legame a idrogeno
 Legame Ionico
Quando due atomi differiscono notevolmente nella loro
elettronegatività e uno mostra forte tendenza a perdere
elettroni e l’altro ad acquistarli può avvenire il trasferimento
di un elettrone da un atomo all’altro
L’esempio di come questo trasferimento può legare assieme
atomi differenti è dato dal cloruro di sodio (NaCl) il comune
sale da cucina
Legame Ionico
All’inizio i due atomi sono elettricamente neutri ma instabili e
fortemente reattivi
Il sodio ha un elettrone ‘in più’
rispetto al numero che serve per
completare il guscio elettronico
esterno
e
assumere
una
configurazione stabile (8 elettroni)
Al cloro invece manca un
elettrone per raggiungere
la configurazione stabile
con 8 elettroni nel guscio
esterno
Il cloro “strappa” un elettrone al sodio
La reazione tra sodio e cloro permette ad entrambi di ottenere
una condizione stabile con otto elettroni nel guscio esterno
Ora però il sodio è caricato
positivamente (ha perso un
elettrone cioè una carica
unitaria)
Na+
Cationi
Il cloro invece è caricato
negativamente (ha acquistato
un elettrone cioè una carica
unitaria)
Cl-
Anioni
Legame
Legame Ionico
Ionico
Alcuni atomi o molecole possono perdere
o guadagnare più di un elettrone
Fe+++
Ca++
Ione
calcio
Mg++
Ione
magnesio
SO4++
Ione
solfato
Ione
ferrico
PO4+++
Ione
fosfato
Legame Ionico
Poiché hanno cariche opposte, Na+ e Cl- si attraggono
Allo stato solido i
due
ioni
sono
strettamente uniti a
formare cristalli
Legame Ionico
Quando un sale, ad esempio cloruro di sodio , viene disciolto in acqua le sue
molecole si dissociano in ioni
Na+
ClNel sale NaCl allo stato solido il legame chimico è molto forte (in quanto le
cariche opposte di Na+ e Cl- si attraggono)
La separazione dei due ioni in soluzione è resa possibile dal fatto che in
sostituzione del legame forte tra Na+ e Cl- si formano tanti legami deboli tra le
molecole di acqua e gli ioni (il cosiddetto guscio di idratazione)
(-)
O
H
H
H
O
Cl-
H
H
H
H
O
O
H
H
(+)
O
Na+
O
H
H
H
H
O
O
L’acqua infatti è un dipolo cioè una
molecola con una parziale carica
positiva e una parziale carica
negativa in grado
quindi di formare
legami sia con Na+
(+)
H
che con Cl
O
H
H
H
H
Per le sue proprietà, acqua è un buon solvente per le sostanze
polari ( per queste si usano i termini idrofile o idrosolubili)
Al contrario, poiché tra molecole polari come l’acqua e molecole
apolari come idrocarburi, trigliceridi e altri lipidi non esiste
attrazione e non si formano legami, questi ultimi sono insolubili in
acqua
Le molecole apolari tra loro formano altri tipi di legami…
 Forze di van der Waals
…le quali possono essere biologicamente importanti (es
membrana citoplasmatica)
Alcune importanti proprietà dell’acqua
L’acqua ricopre i 3/4 del nostro pianeta e nella parte degli
organismi viventi costituisce il 70-95% del peso corporeo
La particolare struttura della molecola conferisce
all’acqua alcune proprietà peculiari che hanno
reso possibile la vita sul nostro pianeta
L’acqua è un solvente ottimale non solo per gli ioni ma anche
per una grande varietà di sostanze organiche polari (glucidi,
aminoacidi ecc) indispensabili per la vita
L’acqua ha una grande capacità termica (immagazzina e
rilascia il calore molto lentamente): ciò significa che i grandi
bacini d’acqua mostrano variazioni di temperatura molto più
ridotte rispetto all’aria circostante
L’acqua che evapora in superficie raffredda il rimanente
liquido rallentando il surriscaldamento dell’ambiente
acquatico. Questo principio è utilizzato dall’uomo e da altri
animali per ridurre la propria temperatura tramite
sudorazione
Il ghiaccio è più leggero dell’acqua e man mano che si forma
sale in superficie. Questo serve a limitare l’ulteriore
raffreddamento dell’acqua e impedisce la formazione di
ghiaccio permanente sul fondo di mari e laghi
Le molecole d’acqua mostrano una forte coesione. Ciò
determina vari fenomeni tra cui la salita della linfa nel tronco
dell’albero per capillarità
Acididi, basi e pH
L’aqua in percentuale minima
tende spontaneamente a ionizzarsi
(perde o accetta un H+)
Gli Acidi e Basi tendono ad
alterare questo equilibrio
In assenza di soluti la loro
concentrazione è uguale
La misura dell’acidità di una soluzione (concentrazione di
idrogenioni, ioni H+) si misura tramite il pH
pH inferiore a 7 soluzione ACIDA
limone: pH=2
pH superiore a 7 soluzione BASICA
candeggina: pH=12
La chimica organica studia i composti del carbonio
Il carbonio forma più di 2 milioni di composti differenti. Una
grossa branca della chimica, la chimica organica si occupa
specificamente dei composti del carbonio
Un atomo di carbonio forma facilmente
legami con altri atomi di carbonio fino a
formare catene (scheletri carboniosi)
anche molto lunghe. Queste catene
possono ramificarsi o chiudersi ad anello
assumendo
migliaia
di
strutture
differenti.
Talvolta sono presenti doppi legami tra
due atomi di C
I composti più semplici del carbonio sono
gli idrocarburi composti solo di C e H
Gruppi funzionali
Gli idrocarburi sono poco importanti dal punto di vista biologico
Sono invece importanti altre molecole organiche nelle quali uno o
più legami tra C e H sono sostituiti con legami con gruppi
funzionali
Gruppo
ossidrile
Gruppo
carbonile
Gruppo
carbossile
Gruppo
aminico
Gruppo
fosfato
Il gruppo più importante di composti che contengono gruppi
ossidrilici sono gli alcoli (es etanolo o alcol etilico)
I composti che contengono gruppi carbonilici si chiamano
aldeidi (se il gruppo è legato ad un carbonio terminale) o chetoni
(se il gruppo è legato ad un carbonio interno della catena)
Gli zuccheri semplici
(monosaccaridi)
contengono sia un gruppo
carbonilico che gruppi
ossidrilici
Le molecole che presentano uno o più gruppi carbossilici si
chiamano acidi carbossilici o acidi organici (es acido acetico)
Infatti il gruppo –COOH tende a liberare uno ione H+ rendendo
acida la soluzione
–COOH --> –COO- H+
Le molecole che presentano uno o più gruppi aminici si
chiamano amine
I gruppi aminici tendono ad accettare H+ formando un gruppo
ammonio –NH3+. Le amine pertanto sono classificate come basi
Importanti
composti
organici, gli aminoacidi
contengono sia un gruppo
aminico che un gruppo
carbossilico legati allo
stesso atomo di carbonio
Catena laterale
o residuo
aminoacidico
Il gruppo fosfato si trova negli acidi nucleici (DNA ed RNA) e
nelle molecole che presiedono al metabolismo energetico (ATP)