La complessità degli atomi e la loro importanza nella vita

La struttura degli esseri viventi

Gli esseri viventi, animali e vegetali, sono costituiti da atomi (che si trovano in aria, suolo e acqua), che negli esseri viventi interagiscono a formare il metabolismo che produce le molecole strutturali. L’energia che guida il metabolismo è creata da reazioni chimiche.

Gli elementi essenziali per la vita

In natura esistono 92 atomi, tra i più diffusi O, H, C ed N. Il carbonio C è il più importante di tutte, in quanto è presente in tutte le componenti cellulari.

Per la vita sono essenziali anche tutti gli altri atomi, la loro mancanza porta a seri problemi, ad esempio carenze di Ca portano a malfunzionamenti nelle pareti cellulari, oppure carenze di magnesio possono interferire con la fotosintesi. Sono definiti elementi traccia (oligoelementi) quelli necessari a un organismo in quantità estremamente basse.

Le particelle fondamentali degli atomi

Gli atomi di tutti gli elementi sono costituiti da tre particelle fondamentali:

 Elettrone:

- Massa9,109x10-31 kg;

- Carica elettricaNegativa, -1,6x10-19 C (q.tà di carica indicata con la lettera e).

 Protone:

- Massa1836 volte quella dell’elettrone, cioè 1,673x10-27 kg;

- Carica elettricaPositiva, +1,6x10-19 C.

 Neutrone:

- Massa1839 volte quella dell’elettrone, cioè 1,675x10-27 kg;

- Carica elettricaNon presente.

Più recentemente si è scoperto che elettroni, protoni e neutroni sono a loro volta costituiti da ulteriori particelle, chiamate quark.

Il comportamento degli elettroni

Ogni atomo contiene poi un nucleo, in cui sono presenti protoni e neutroni, a cui si conferisce il nome di nucleoni. Gli elettroni si muovono secondo orbite precise o classi energetiche. L’orbitale più vicino al nucleo è il meno energetico, più ci si allontana dal nucleo più il livello di energia aumenta, così come la reattività. Questo determina la capacità di attrarre e acquistare elettroni. Più l’elettronegatività sarà alta, più l’atomo potrà attirare elettroni, e questo determina la capacità di formare legami e molecole (l’elettronegatività è la forza esercitata da un particolare su una coppia di elettroni di un legame).

Altra caratteristica fondamentale dell’atomo è che gli elettroni, se eccitati, passano a livelli energetici superiori, di conseguenza più il livello energetico è alto più l’energia potenziale (cioè la quota di energia posseduta dalla materia in funzione della posizione e della struttura di questa) sarà elevata. Quindi un elettrone eccitato nell’orbitale più esterno (più alto) tende a tornare nel più basso. L’energia è restituita in lampi di energia o calore.

Tale fenomeno è sfruttato nella fotosintesi, in cui gli elettroni sono eccitati dalla radiazione solare, passano quindi a livelli energetici superiori, ritornando poi negli orbitali più bassi liberano energia che viene trasportata da altre molecole e quindi sfruttata.

La stabilità delle molecole

Ogni molecola ha caratteristiche energetiche specifiche. Perché la molecola sia stabile occorre che i livelli più esterni siano completi (8 e-), altrimenti la molecola risulta instabile e reattiva. Il carbonio ad esempio ha 4 e- (elettroni) nel livello più esterno, potrà quindi formare 4 legami.

Altro esempio è dato dal cloruro di sodio (NaCl), in cui il cloro ha 7 e- e il sodio ha 1 e-. Il sodio cede il suo elettrone al cloro e si forma una molecola stabile.

La reazione è esoergonica, quindi parte dell’energia viene liberata all’esterno e la molecola ne possiede meno rispetto a prima. Se l’energia è liberata sotto forma di calore la reazione è anche detta esotermica.