Chimica

Lezione 1: Introduzione

Il covid è formato da una proteina e una glicoproteina S detta spike. La glicoproteina si interagisce con l'enzima Ace 2 (angiotensin converting enzyme 2) presente sulla membrana plasmatica delle cellule alveolari di tipo 2 dei polmoni, riuscendo così ad entrare nelle cellule. Si veicola dagli animali, modificandosi da una specie all'altra, tramite scambi di sangue. È appunto una zoonosi, ovvero una malattia infettiva che si può trasmettere dagli animali all'uomo:

• Direttamente: tramite pelle, peli, sangue e secrezioni;
• Indirettamente tramite organismi vettori.

Il virus si modifica per adattarsi all'uomo.

Il termine chimica deriva da "Kemá", ovvero il libro dei segreti dell'arte egizia, da cui l’arabo "al-kimiaa". Gli egizi furono i primi a maneggiare la materia tramite la mummificazione e la conservazione dei corpi. La chimica è lo studio delle proprietà della materia e delle sue trasformazioni. È la scienza che permette di progettare e sintetizzare nuova materia artificiale come ad esempio le protesi. Ciò ha portato a uno sviluppo tecnologico di materiali, processi e fabbricazione di nuovi materiali.

Lo sviluppo di nuova materia ha dei pro e dei contro:

• Pro: si ha uno sviluppo, un'evoluzione delle tecniche;
• Contro: si sottraggono all'ambiente risorse naturali e vi si introducono sostanze che l'ambiente non riesce a smaltire.

In medicina veterinaria la chimica interviene:

• Nei biomateriali: come ad esempio le protesi di zampe degli elefanti (interazione dinamica tra un materiale e un organismo), le protesi non devono essere attaccate dai meccanismi di difesa dell'uomo, perciò devono essere fatte del materiale corretto, si parla di biocompatibilità, devono essere della corretta morfologia e funzionali;
• Ambito fisiologico: come ad esempio le flebo;
• Meccanismo di rilevazione patologica: ad esempio la PCR ovvero la reazione a catena della polimerasi.

La foresta amazzonica in Brasile è minacciata dalla politica che vuole costruire campi per nutrire la grande quantità di capi di bestiame i quali svolgono fermentazione enterica, ovvero i batteri ruminali del primo stomaco, il rumine, riescono a rompere i legami tra zuccheri che l'uomo non può rompere, ad esempio quelli della cellulosa, ma facendo ciò liberano metano e CO2. Metano e CO2 sono entrambi gas serra, dunque gli allevamenti costituiscono gran parte dell'inquinamento e contribuiscono alla formazione del buco dell'ozono. L'acqua viene impiegata per il 70% in agricoltura (così intensiva per poter fornire cibo agli allevamenti), il 20% è impiegata nell'industria e un 10% all’uso domestico.

La chimica ha dato un enorme contributo per quanto riguarda la creazione di tessuti: è stato stimato che sia possibile produrre fino a 50.000 tonnellate di carne a partire da 10 cellule muscolari di maiale. Tramite la tecnica della coltivazione in vitro si può infatti creare carne artificiale, insulina artificiale e caglio artificiale.

Lezione 2: Il modello atomico della materia

Tutto ciò che ci circonda è un miscuglio complicato di diverse sostanze in diverse fasi che possono essere solida, liquida o gassosa. La materia può essere descritta tramite il concetto di atomo. La chimica studia la materia e i cambiamenti che questa subisce; materia è tutto ciò che occupa spazio e che ha una massa, tutta la materia è costituita da miscele omogenee o eterogenee di sostanze pure o individui chimici.

La chimica studia la materia attraverso modelli, ovvero una riproduzione della materia abbastanza generale che volontariamente non vuole essere esaustiva ma solo idealmente riconducibile alla realtà. Sono perciò modelli rappresentativi della realtà che si avvalgono di calcoli matematici e leggi della fisica che con lo sviluppo tecnologico diventano sempre più accurati. L'approccio ai modelli, insieme al metodo sperimentale, consente mediante esperimenti mirati di definire un fenomeno in maniera generale come ad esempio fece Galilei con la caduta dei gravi: si giunse alla conclusione che tutti i corpi, indipendentemente dal loro peso, cadono percorrendo la stessa distanza nello stesso tempo. Sulla luna ciò che cambia è la forza di gravità che è minore, mentre la massa è la stessa che sulla Terra.

La materia si descrive tramite il modello atomico: una sostanza pura è una composizione precisa ed omogenea in tutte le sue parti con proprietà chimico-fisiche specifiche. Le trasformazioni fisiche non modificano la natura della materia, come ad esempio i passaggi di stato, quelle chimiche invece sì, come ad esempio la combustione.

Possiamo dividere la materia in: elementi e composti.

• Elementi: sono sostanze composte da un solo elemento come l'idrogeno o l'ossigeno e non sono scindibili in sostanze più semplici attraverso mezzi chimici. Esistono 118 elementi, di cui 82 naturali e 32 creati in laboratorio. Il simbolo del rame deriva dai giacimenti di rame nell'isola di Cipro, il quale veniva chiamato oro di Cipro, (Aes Cyprium), che in latino di venne cuprum.
• Composti: hanno proprietà diverse rispetto agli elementi costitutivi. Sono sostanze composte da due o più elementi uniti chimicamente in proporzioni definite. Da qui nasce la legge di Proust: quando gli elementi si combinano per formare un composto lo fanno secondo proporzioni in massa definite e costanti (legge delle proporzioni definite di Proust).

Un miscuglio o miscela è un insieme di più sostanze in cui ogni sostanza mantiene la sua composizione e le sue proprietà.

• Miscela eterogenea: è costituita da più fasi fisicamente distinte le une dalle altre, perciò la composizione non è uniforme. Le diverse fasi hanno proprietà chimiche e fisiche diverse, tramite mezzi fisici si possono separare i componenti ad esempio tramite filtrazione o distillazione;
• Miscela omogenea o soluzione: i componenti non sono distinguibili, perciò non ha fasi. Anche queste però si possono separare tramite mezzi fisici. Le miscele omogenee dunque non hanno fasi, aria e acqua marina sono miscele omogenee poiché monofasiche.

Le proprietà fisiche e chimiche rimangono costanti per tutto il sistema, le concentrazioni variano a seconda del campione preso, ma le proprietà sono sempre le stesse. La materia naturale può essere composta da 90 specie atomiche ma per il 99% del peso è fatta da 10 elementi principali. Elementi e composti si rappresentano con formule chimiche, nel 1811 Berzelius introdusse i simboli degli elementi rappresentati dalle loro iniziali in latino.

La IUPAC (Unione Internazionale di Chimica Pura e Applicata) è un'organizzazione dedita al progresso della chimica, si riuniscono per aggiornare le regole della nomenclatura.

Abbiamo tre tipi di formule chimiche:

• Formula minima: indica quali atomi e in che rapporto sono legati tra loro tramite i pedici, ad esempio H₂O;
• Formula molecolare: indica quali atomi, quanti e in che rapporto sono tra loro, ad esempio H₂O₂;
• Formula di struttura: rappresenta la concatenazione dei legami fra gli atomi e la loro disposizione spaziale.

Una molecola può avere diverse forme allotropiche, ovvero stesso elemento, stessa formula chimica, ma in due diverse forme come ad esempio il diamante e la grafite. Tutta la materia è riconducibile ad atomi, fra diametro del nucleo e atomo intero c'è un rapporto da 1 a 10.000, circa il 99,8% della massa dell'atomo risiede nel nucleo:

• Massa di protoni e neutroni ha un valore di 1,673*10^-27;
• Massa dell'elettrone è di 9,1094 * 10^-31;
• La carica di un protone è di 1,602 x 10^-19;
• La carica di un neutrone è 0;
• La carica di un elettrone è uguale a quella di un protone ma con segno inverso ovvero -1,6022 * 10^-19.

Il numero atomico, indicato con la lettera Z, è il numero di protoni che è uguale anche al numero di elettroni, si scrive in basso a sinistra C₆.

Isotopi: ogni elemento in natura è presente secondo diversi isotopi, che sono atomi dello stesso elemento che differiscono per il numero di neutroni e quindi per il numero di massa, indicato con la lettera A (si scrive in alto a sinistra).

Ad esempio l'idrogeno è formato al 99,985% da H¹, allo 0,015% da H² o deuterio e tracce di H³ o trizio.

Fra un isotopo e l'altro non cambiano le proprietà chimiche, per sapere la massa di un elemento si fa la media delle masse degli isotopi. Per ogni atomo non si possono aggiungere troppi neutroni altrimenti l'atomo diventa instabile perciò solitamente si aggiungono massimo due o tre neutroni.

Peso atomico e massa atomica: si usa come unità di misura per la massa atomica una misura che i fisici definiscono Uma ovvero unità di massa atomica, i biologi la chiamano Dalton e chimici invece definiscono la massa atomica come la dodicesima parte della massa dell'isotopo del C¹² come unità di misura. Siccome ogni elemento è formato da diversi isotopi non potrà mai avere una massa che corrisponde a un numero preciso, ad esempio la massa atomica del carbonio è 12,01 perché si fa la media pesata delle masse dei singoli isotopi.

Gli isotopi instabili dei radioisotopi hanno tempi di vita breve poiché subiscono un decadimento radioattivo emettendo radiazioni principalmente di tipo Alfa, Beta e gamma. La Tomografia a emissione di positroni (o PET) in oncologia si utilizza il ¹⁸fluorodesossiglucosio, ovvero il glucosio che in posizione 2, invece di avere un ossidrile, presenta un atomo di F emettitore di positroni che viene captato maggiormente delle cellule neoplastiche che assorbono gli zuccheri facendo collassare il fluoro che emette positroni, (un positrone è un’antiparticella di un elettrone con carica positiva). Dunque il fluoro collassa ed emette positroni che la macchina è in grado di rilevare per localizzare il tumore.

Peso molecolare indicato con lettere PM, è la somma dei pesi atomici o masse atomiche contenuti in una molecola. Ad esempio la molecola di I₂ ha un peso molecolare di 126,9 + 126,9 = 253,8.

La massa è una quantità di materia, il peso invece è la forza che la gravità esercita su un oggetto. Una mole è un'unità di misura della quantità di sostanza, una mole contiene tante unità (atomi, molecole, particelle), quanti sono gli atomi contenuti in 12 g di C. Una mole è sempre uguale al numero di Avogadro, (indicato con N_A) che corrisponde al valore di 6,0221404 * 10²³. Per ottenere il numero di particelle è sufficiente fare il numero di moli moltiplicato per il numero di Avogadro. La massa molare, indicata con la lettera M, è la massa di una mole di atomi in grammi.

Una mole di atomi di C pesa 12g; Una mole di atomi di litio è uguale al peso atomico del litio: Ne deriva che massa atomica in uma è uguale alla massa molare in grammi: Mm(g) = n(mol).

Peso formula: è la somma delle masse atomiche degli atomi che costituiscono la formula minima del composto.

Lezione 3: Modelli elettronici

La parola atomo deriva dal greco “atomos” ovvero indivisibile. Democrito, allievo di Leucippo, fondatore della scuola atomistica, fu il primo a introdurre il concetto di atomo. Attraverso scoperte successive, anche sulla base del metodo sperimentale, si è costruito un modello più preciso di atomo.

A fine 800 si scoprì la presenza di elettroni. Thompson costruisce un primo modello di atomo detto “a panettone” che prevede una distribuzione omogenea della carica positiva nell'intero volume dell'atomo e le cariche negative incastonate come uva passa. A fine 900, grazie ai raggi X, Rutherford conduce un esperimento confermando il suo modello planetario dell'atomo che prevedeva gli elettroni intorno al nucleo (gli atomi sono costituiti principalmente da spazi vuoti). Con le radiazioni elettromagnetiche nasce il modello atomico di Bohr secondo cui l'elettrone può avere solo determinati valori di energia quantizzata.

Il principio di quantizzazione dell'energia afferma che le particelle non possono assumere e trasferire energia in modo continuo, ma soltanto per piccole quantità discrete dette quanti. Per aumentare l'orbita, l'elettrone deve assorbire energia pari alla differenza dell'energia dell’orbita che deve raggiungere e di quella che lascia. Se deve diminuire l'orbita, allora deve liberare energia. Un aumento di orbita corrisponde a un aumento di livello di energia, quindi l'elettrone può assumere determinati livelli energetici e può andare da un livello energetico a un altro assorbendo o emettendo energia. Per questo motivo vi è un livello energetico definito e di conseguenza l'elettrone sta anche a una precisa distanza dal nucleo.

Il numero quantico principale, indicato con N, indica la distanza media dell'elettrone dal nucleo e quindi anche il suo stato energetico. I valori che può assumere sono tutti i numeri interi positivi, più è alto il valore di N, più l'elettrone è mediamente lontano dal nucleo e più è alta la sua energia. Bohr accetta anche il modello planetario e vi aggiunge però i quanti di energia. Bohr crea una relazione tra l'organizzazione degli elettroni attorno al nucleo e la teoria di Balmer-Rydberg sull'emissione ed assorbimento della luce.

Ma il modello di Bohr non spiega perché ci sono queste energie e perché sono quantizzate, allora sempre nel 900 interviene De Broglie, su suggerimento di Einstein, che disse che la luce può dimostrare sia proprietà ondulatorie che particellari. Tramite esperimenti vari nel 1924 si conferma l'ipotesi del dualismo onda-particella per la luce e la materia, dunque un elettrone è allo stesso tempo particella e onda. Un'onda è una perturbazione che nasce da una sorgente e si propaga nel tempo e nello spazio trasportando energia o quantità di moto senza comportare spostamento di materia.

In matematica un'onda è una soluzione dell'equazione delle onde la cui espressione varia a seconda del tipo di perturbazione. Einstein disse che un'onda è come un pettegolezzo, arriva da un capo all'altro senza trasportare materia, ovvero persone.

Un pettegolezzo che parte da Washington raggiunge molto rapidamente New York, anche se nemmeno uno degli individui che prendono parte allo spargimento della voce viaggia fra queste due città. Ci sono due movimenti ben diversi in questione: quello della voce, da Washington a New York, e quello delle persone che spargono la voce. Il vento che passa sopra un campo di grano genera un'onda che si sparge per tutto il campo. Qui dobbiamo distinguere ancora fra il movimento dell'onda e il movimento delle singole piante, che subiscono soltanto piccole oscillazioni [...] Le particelle che costituiscono il mezzo eseguono soltanto piccole vibrazioni, ma l'intero movimento è quello di un'onda progressiva. La cosa essenzialmente nuova qui è che per la prima volta consideriamo il movimento di qualcosa che non sia materia, ma di energia propagata attraverso la materia. ALBERT EINSTEIN

L'onda è energia propagata attraverso materia e non è la materia a spostarsi.

Proprietà delle onde:

• Lunghezza d’onda λ (lambda), è la distanza fra due punti identici su due onde successive;
• Ampiezza, è la distanza verticale esistente tra la linea mediana dell’onda ed il suo punto di picco;
• Frequenza (v), è il numero di onde che passano attraverso un particolare punto in un secondo (Hz=1 ciclo/s);
• Velocità (u) dell’onda = λ*v.

Secondo il principio di indeterminazione di Heisenberg (1927), è impossibile determinare simultaneamente con precisione la quantità di moto e la posizione di un elettrone. Di fatto, secondo l'equazione di Schrodinger, stabilisce diverse soluzioni delle equazioni d'onda, ogni soluzione definisce una serie di numeri quantici che forniscono informazioni sugli orbitali in cui sono posizionati gli elettroni. Quindi l'equazione di Schrodinger descrive la natura di un elettrone tenendo conto sia della natura corpuscolare che della natura ondulatoria. La funzione d’onda psi Ψ, soluzione dell’equazione di Schrodinger, ci dà una serie di numeri quantici che ci dicono sia l'energia di un elettrone che la probabilità di trovare un elettrone in un determinato volume di spazio. L'equazione di Schrodinger può essere risolta esattamente solo per l’atomo di idrogeno, anche secondo Heisenberg possiamo avere solo la possibilità di trovare un elettrone, quindi soluzioni approssimative, mai precise.

Un'onda elettromagnetica è una propagazione d’onda attraverso lo spazio tramite un campo elettrico e magnetico, si ha una radiazione elettromagnetica. Maxwell nel 1873 propose di considerare la luce visibile composta da onde elettromagnetiche. Ogni elettrone è descritto da una funzione d’onda Ψ e il suo quadrato ci dice la probabilità di trovare l'elettrone in una determinata regione di spazio detta distribuzione radiale di probabilità (RPD). Un’orbitale atomico è definito da tre numeri quantici ovvero n, l e m i cui valori si ottengono risolvendo l'equazione di Schrodinger per l'atomo. L'elettrone è caratterizzato da un quarto...