Chimica – completo Semestre filtro Medicina

CHIMICA E PROPEDEUTICA BIOCHIMICA

Chiara Sburlino

Semestre filtro a.a. 2025/2026

UNITÀ DIDATTICA 1: La struBura dell’atomo, la tavola periodica e i legami chimici

La costituzione della materia. Fondamenti della teoria atomica. Struttura del nucleo

§ atomico, neutroni e protoni. Numero atomico e numero di massa. Massa atomica. Gli

isotopi. (pag.2)

Cenni alle proprietà magnetiche del nucleo come base per lo strumento diagnostico della

§ Risonanza Magnetica Nucleare. (pag.25-26)

Elementi e composti: mole e molecola. I numeri quantici, gli orbitali, il principio di

§ esclusione di Pauli ed il principio di indeterminazione di Heisenberg. Regola di Hund. La

configurazione elettronica degli elementi. (pag. 3-5)

I radioisotopi e la radioattività. Il decadimento radioattivo (radiazioni α, β, positroni,

§ gamma, X): unità di misura anche rispetto all’effetto di tossicità biologica, correlazioni di

interesse per applicazioni biomediche. (pag. 5-9)

Il sistema periodico degli elementi. Proprietà periodiche: configurazione elettronica

§ esterna, volume atomico, potenziale di ionizzazione, affinità elettronica, elettronegatività.

Elementi chimici di rilevanza biologica. La regola dell’ottetto. (pag. 10-11)

Concetto di molecola e di ione poliatomico. Massa molecolare. (pag. 12)

§ Il legame chimico. Orbitale di legame. Legame covalente: omopolare, eteropolare, dativo.

§ Legame ad elettroni delocalizzati. Il legame ionico. Ibridazione degli orbitali: sp, sp2, sp3.

Teoria VSEPR. Orbitali molecolari sigma e pi-greco. Angolo di legame. (pag.12-18)

Nomenclatura e struttura dei principali composti inorganici di interesse biomedico. Esempi

§ di struttura di composti chimici binari e ternari, scrittura e riconoscimento delle formule di

struttura (ossidi, acidi, basi, sali). Nomenclatura IUPAC e tradizionale. Interazioni deboli

(legame idrogeno e forze di van der Waals) e interazioni idrofobiche. (18-25) 1

LA MATERIA: tutto ciò che ha una massa e occupa volume costituita da:

à ELEMENTI CHIMICI = non

§ possono essere ulteriormente

decomposte

+ costituite da atomi aventi le

stesse proprietà chimiche

+ 118 elementi differenti (89 di

origine naturale)

COMPOSTI = elementi uniti in

§ legami fissi formano

à

molecole (non mantengono

proprietà)

N.B: dei 118 elemen. solo 20

sono necessari per la vita:

- H, O, C, N, P, S: 97% del totale

- Na, K, Ca, Mg, Cl: essenziali

- altri presen. in tracce

L’ATOMO: particella indivisibile + più piccola porzione di un elemento chimico mantiene

à

inalterate le proprietà chimiche

+ può subire trasformazioni fisiche = radioattività

Costituenti dell’atomo: EleHroni sono eleHricamente

!"#

ELETTRONI: carichi negativamente (massa: 9,1 x 10 )

§ neutri:

!"$

PROTONI: carichi positivamente (massa: 1,67 x 10 )

§ n. ele&roni = n. protoni

NEUTRONI: privi di carica

§

atomo è costituito per la maggior parte di spazio vuoto: elettroni occupano lo spazio vuoto

à

+ protoni e neutroni formano il nucleo = dove si concentra la maggior parte della massa

dell’atomo Tutti gli atomi hanno lo stesso numero atomico (Z) ma a uno

stesso ma a uno stesso Z possono corrispondere diversi

numeri di massa A = ISOTOPI

+ diverse quantità con cui sono presenti in natura =

abbondanza naturale

PRINCIPIO DI AVOGADRO: volume dei gas dipende unicamente dal numero di particella presenti

permette di misurare la massa di un elemento relativa a quella di un altro preso come

à %"

riferimento: ISOTOPO !"$

1 unità di massa atomica = 1,66 x 10

+ massa atomica = massa atomica media di un elemento allo stato naturale MEDIA PONDERATA

à 2

MOLE E MOLECOLA: %"

Mole= numero di atomi in un grammo di = 12 u

!"$

1 u = 1,66 x 10

à %"

Numero di Avogadro: numero di atomi contenuti in 12 g dell’isotopo = 6,022 x

Modelli atomici:

1. 1808, Dalton: materia fatta di particelle indistruttibili e indivisibili = ATOMO

à

+ tutti gli atomi sono uguali per massa e proprietà

2. 1899, Thomson: SCOPRE L’ESISTENZA DEGLI ELETTRONI

Atomo sfera carica positivamente: elettroni immersi nella massa positiva

à

(distribuzione omogenea)

3. 1908, Rutherford: studia la diffusione di particelle attraverso sottili strati metallici

à

solo alcune particelle vengono deviate quando colpiscono la lamina d’oro

= in base alla deviazione studia il raggio nucleare dell’oro atomo

à

principalmente composto da vuoto

+ carica positiva e la massa sono nella piccola regione centrale (nucleo)

+ elettroni ruotano attorno al nucleo (mantengono neutralità)

4. 1913, Bohr: modello planetario a orbite quantizzate (a diversa distanza dal nucleo) DOTATE

DI ENERGIA (intrappola e impedisce all’elettrone di collassare) energia

à

aumenta man mano che ci si allontana dal nucleo

!

+ 7 ORBITE: gli possono passare da un’orbita all’altra (assorbendo o

rilasciando energia)

+ Bohr dimostra che quando un elemento gassoso viene riscaldato emette luce = radiazioni

elettromagnetiche a frequenze specifiche (diverso per ogni elemento) distribuzione non

à

casuale = propone modello diviso in orbite definite e quantizzate (livelli di energia specifici)

N.B: LA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA (elm) James C.Maxwell: radiazione è prodotta da

à

particelle cariche che accelerano

= tutti i corpi avendo particelle in movimento emettono spontaneamente radiazioni elm

+ insieme di tutte le onde elettromagnetiche = spettro magnetico

Parametri che caratterizzano un’onda elm:

Lunghezza d’onda

§ Frequenza v (oscillazioni per secondo)

§

Marx Plank (1990): studia la radiazione emessa dal “corpo nero” riscaldato ad altissime

temperature (oggetto che assorbe tutta la radiazione elm che lo colpisce) 3

scaldando il “corpo nero” si produce un moto oscillatorio di atomi che emettono energia in

à

maniera quantizzata a pacchetti di energia = QUANTI

Albert Einstein (1905): EFFETTO FOTOELETTRICO quando la luce colpisce la superficie di certi

à

metalli vengono emessi elettroni

+ propone che la luce sia composta di FOTONI = energia di un fotone sia proporzionale alla

frequenza della luce

5. 1925, Schrödinger (attuale modello atomico): formula un’equazione che descrive il

comportamento delle particelle

subatomiche come onde di probabilità : funzione d’onda ()

"

+ = probabilità di trovare l’elettrone

elettrone diventa una “nuvola elettronica”

à

+ ORBITALE = zona in cui c’è una probabilità maggiore al 95% di

trovare l’elettrone in un determinato punto in dato momento

PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE DI HEISENBERG:

non è possibile determinare contemporaneamente sia la posizione sia la quantità di moto

dell’elettrone

segnano la fine della fisica e della meccanica classica = nasce la MECCANICA QUANTISTICA

à

(definizione probabilistica degli eventi, non più deterministica)

I NUMERI QUANTICI:

NUMERI QUANTICI = parametri necessari per definire la funzione d’onda definiscono un

à

orbitale

• Numero quantico principale n: definisce l’energia e le dimensioni dell’orbitale

+ tanto più alto n = tanto più l’orbitale è grande = maggiore

energia

+ stesso n = orbitali appartenenti allo stesso livello energetico

• Numero quantico secondario l: definisce la forma dell’orbitale

+ valori compresi tra 0 e n-1: -

-

NB: livello di energia dipende sia

da n che da l ex. Tra 4s e 3d il

à -

livello di energia è minore in 4s -

• Numero quantico magnetico m: definisce l’orientamento degli orbitali

+ valori compresi tra -l e + l

• Numero quantico di spin definisce il senso di rotazione dell’elettrone attorno all’asse

:

( −1 1

+ valori possono essere o o

0 0

2 2 4

in uno stesso orbitale non possono esserci due elettroni

à

con lo stesso numero di spin =

PRINCIPIO DI ESCLUSIONE DI PAULI: orbitale contiene al

massimo due elettroni e devono avere numero di spin

opposto

+ REGOLA DI HUND: elettroni tendono a occupare il maggior

numero di orbitali isoenergetici singolarmente e con spin

paralleli prima di appaiarsi in coppie con spin opposto

Configurazione elettronica:

elettroni seguono un ordine ben preciso:

Si dispongono in ordine di energia

§ crescente (principio di Aufbau)

Principio di Pauli

§ Principio di Hund

§

I RADIOISOTOPI E LA RADIOATTIVITÀ:

RADIOATTIVITÀ: fenomeno per il quale alcuni nuclei non stabili si trasformano in altri nuclei

emettendo radiazioni

+ 1896: Henry Becquerel studia la fosforescenza dei sali di uranio nota che le lastre

à

fotografiche si anneriscono = uranio emette spontaneamente radiazioni

+ Marie e Pierre Curie isolano il polonio e il radio = emettono spontaneamente radiazioni

à + introducono il termine radioattività

ISOTOPI: (due o più atomi con lo stesso numero di protoni ma diverso numero di neutroni, con

le stesse proprietà chimiche) diverso numero di massa influenza la stabilità dell’atomo

+ affinché un nucleo sia stabile = rapporto ottimale tra n. neutroni e n. protoni neutralizza le

à

forze repulsive tra i protoni 5

Se il rapporto tra neutroni e protoni super il valore ottimale (troppi o troppi pochi neutroni

rispetto ai protoni) = NUCLEO INSTABILE ISOTOPO RADIOATTIVO / RADIOISOTOPO

à

+ Tendono a stabilizzarsi emettendo radiazioni e trasformandosi nel nucleo di un altro elemento:

processo chiamato decadimento radioattivo (liberazione di energia nucleare con cui un

à

radionuclide modifica la sua struttura nucleare si trasforma nell’isotopo di un altro elemento)

LEGGE DEL DECADIMENTO RADIOATTIVO:

NB: dopo un certo intervallo di tempo: TEMPO DI

DIMEZZAMENTO / EMIVITA = la metà degli atomi

originari è decaduta (n. di atomi si è ridoto della

metà)

+ interagendo con la materia, le radiazioni con energia superiore a 10 eV provocano la ionizzazione

di atomi o molecole (nei tessuti creano danni in quanto spezzano legami molecolari)

Radiazioni ionizzanti sono caratterizzate da due misure fisiche:

Intensità/attività: n. particelle emessi per unità di tempo

§ Energia di ciascuna particella

§ Interazioni radiazione – materia si distinguono in: - radiazioni direttamente ionizzanti =

radiazioni e

- radiazioni indirettamente ionizzanti =

radiazioni e X

Generano composu altamente reavvi

modalità di interazione sono diverse a seconda del tipo di radiazione:

LET (linear energy transfer) = quantità di energia ceduta da una particella mentre percorre

§ 1 tanto più alto LET = tanto più breve il suo percorso = tanto maggiore l’energia

à

ceduta

RANGE = distanza media percorsa dalla radiazione indica il potere penetrante della

§ à

radiazione (inversamente proporzionale al LET) 6

DIVERSI TIPI DI DECADIMENTO:

DECADIMENTO ALFA (): nucleo di elio con carica +2 perdita di un elione

§ à

+ basso range di azione ma alto LET (no pericolose se irradiate

ma estremamente pericolose se inalate o ingerite)

NB: solitamente emesse da nuclei di elementi con elevato

numero atomico (Z > 83) si trasformano in elementi più

à

leggeri

!

DECADIMENTO : avviene quando il nucleo è instabile per eccesso di neutroni

§ à

neutrone in eccesso si trasforma in protone = provoca una

transizione isobarica (numero di massa rimane invariato)

NB: energia liberata dalla trasformazione del neutrone in protone

!

diventa energia cinetica dell’elettrone ( ) espulso dal nucleo

à

insieme a un antineutrino (v)

+ rispetto alle radiazioni basso LET ma un potere penetrante circa

:

1000 volte maggiore

)

DECADIMENTO : avviene quando il nucleo è instabile per eccesso di protoni protone

§ à

)

emette una particella = POSITRONE, trasformandosi in un

neutrone

+ avviene in generale per elementi con un basso numero atomico

NB: per gli elemenu ad alto numero atomico: CATTURA

ELETTRONICA nucleo è instabile per eccesso di protoni =

à

consiste nella catura di un eletrone tra quelli più vicini al nucleo

(orbitale 1s)

+ riarrangiamento degli eletroni esterni = occupano l’orbitale

lasciato libero dall’eletrone caturato eccesso di energia causato

à

dal movimento degli eletroni tra orbitali viene liberato soto forma

di raggi X 7

)

+ radionuclidi che decadono per emissione sono usati in medicina nucleare per la tomografia a

emissione di positroni (PET): impiegata principalmente in oncologia, cardiologia e nelle

neuroscienze

basata sulla somministrazione endovenosa di farmaci in cui sono presenti isotopi emettitori di

à

positroni = sostanza di distribuisce nei tessuti

Positroni interagiscono con gli eletroni degli atomi nei tessuu circostanu = li annichiliscono ed

emetono raggi radiazioni caturate da rilevatori disposu intorno alla persona soto diagnosi =

à

fornisce ricostruzione tridimensionale della distribuzione del radiofarmaco nei vari organi

(permete di studiare in vivo il metabolismo: si accumula nella aree in cui il metabolismo è più

avvo) DECADIMENTO E RAGGI X: - radiazioni radiazioni eletromagneuche di origine

:

§ nucleare FOTONI (fotone = radiazione

à

eletromagneuca che possiede sia le proprietà

di una parucella sia di un’onda + viaggiano alla

velocità della luce)

+ nucleo di trova in uno stato eccitato = per

ritornare allo stato fondamentale emete

l’eccesso di energia soto forma di radiazioni

- raggi X: radiazioni eletromagneuche che derivano da un

riarrangiamento degli eletroni dagli orbitali esterni

verso gli orbitali interni

NB: hanno un elevato potere

penetrante ma un baso LET (prive di

massa)

UNITÀ DI MISURA DELLE RADIAZIONI:

la pericolosità per l’uomo delle radiazioni dipende da:

- Energia delle radiazioni

- Tempo di decadimento

- Tempo di esposizione

- Distribuzione del radionuclide nel corpo 8

+ scopo della radioprotezione = valutare e impedire il danno biologico

DOSE MASSIMA ASSORBIBILE (DMA): rappresenta l’energia che le radiazioni ionizzanu cedono

à quando atraversano la materia (relauva al tempo di

esposizione)

+ RADIOATTIVITÀ NATURALE MEDIA: 2 mSV/anno radioavvità assorbibile in un anno senza

à

conseguenze: 5mSV

USO DELLE RADIAZIONI NELLA MEDICINA:

RADIODIAGNOSTICA RADIOTERAPIA

USO DELLE RADIAZIONI NELLA DIAGNOSTICA SFRUTTA LE CAPACITÀ DELLE RADIAZIONI PER

atraverso tecniche si osserva l’interno DISTRUGGERE I TESSUTI PATOLOGICI

à

dell’organismo e i diversi organi con livelli di tecniche basate sull’avvazione di sostanze

à

accuratezza e detaglio molto elevau avenu le proprietà di concentrarsi nei tessuu

patologici = cellule cancerose irradiate

selevvamente e dall’interno

Radiazioni su usano per la cura dei tumori

grazie alla selevvità biologica e spaziale à

effeto delle radiazioni si concentra sulle

cellule tumorali

- SELETTIVITÀ BIOLOGICA: cellule

tumorali sono in grado di riparare il

danno da radiazioni in maniera minore

rispeto a quelle sane

- SELETTIVITÀ SPAZIALE: dose di

radiazioni viene depositata in modo

selevvo a livello del tumore (risparmio

dei tessuu circostanu) 9

IL SISTEMA PERIODICO DEGLI ELEMENTI:

Dimitrij Mendeleev, 1869: TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI dispone gli elemenu nou in

à

ordine di peso crescente

+ inizia una nuova riga ogni volta che si ripresentavano le proprietà chimiche del primo elemento

della riga precedente

NB: lascia spazi vuou ipouzzando l’esistenza di elemenu ancora sconosciuu!!

Nel sistema periodico moderno:

- Periodi (le righe): rappresentano il numero quanuco principale di valore più elevato

- Gruppi (le colonne): indicano il numero degli eletroni di valenza

LA CONFIGURAZIONE ELETTRONICA ESTERNA: indica quali e quanu eletroni vi sono negli orbitali

più esterni determina le proprietà chimiche di un atomo

à

NB: gli elemenu di uno stesso gruppo hanno la stessa configurazione eletronica esterna =

proprietà chimiche simili non uguali!: eletroni di valenza sono gli stessi ma uulizzano orbitali

à

con diverso numero quanuco principale Tanto più il numero quanuco principale è elevato,

tanto è più grande l’orbitale = tanto maggiore è il

volume dell’atomo

+ modo più semplice per determinare le

dimensioni è calcolare la distanza tra gli atomi =

raggio atomico = volume atomico

VOLUME ATOMICO: volume occupato dal nucleo

e dagli eletroni

+ NB: aumenta scendendo lungo il gruppo e si

riduce spostandosi a destra lungo il periodo

POTENZIALE DI IONIZZAZIONE: energia necessaria per allontanare un eletrone da un atomo allo

stato gassoso sempre posiuva perché deve superare le forze atravve tra nucleo ed eletroni

à

+ diminuisce scendendo lungo il gruppo (aumenta il volume = aumenta la distanza dal nucleo =

diminuiscono le forze d’atrazione) 10

+ aumenta spostandosi a destra lungo il periodo (al crescere della carica nucleare aumentano

anche le forze d’atrazione)

AFFINITÀ ELETTRONICA: energia r