Elementi di Chimica e molecole biologiche

Chimica propedeutica biochimica

Legame chimico

Gli atomi si associano per formare un gran numero di sostanze e quando due atomi si associano intervengono gli elettroni più esterni (di valenza) per andare poi a formare quell'orbital molecolare. Quindi al legame prendono parte gli elettroni periferici (del guscio più esterno) che sono chiamati elettroni di valenza, che sono quelli presenti negli orbitali più grandi; quindi, quando si vengono a formare i legami non intervengono sicuramente gli elettroni più interni e ben che meno i protoni che sono nel nucleo.

Cosa si intende per orbitale? È quella regione dello spazio in cui vi è più del 90% di probabilità di trovare l'elettrone; quindi, quando due atomi si uniscono per formare un orbitale molecolare al legame prendono parte gli elettroni periferici.

Sistema periodico degli elementi o tavola di Mendeleev

Perché si chiama sistema periodico degli elementi? Perché gli elementi variano le loro caratteristiche chimico fisiche man mano che percorriamo i periodi e i gruppi in cui è suddiviso il sistema periodico. Infatti, la tavola di Mendeleev è suddivisa in 7 periodi che si leggono orizzontalmente e in 8 gruppi che si leggono verticalmente (colonne). Ogni elemento è disposto secondo il suo numero atomico crescente. Ed essendo elementi neutri, abbiamo egual numero di protoni e uguali numero di elettroni.

Nella tavola periodica, a sinistra abbiamo i metalli, a destra i non metalli o metalloidi e al centro i semimetalli o elementi di transizione. In che cosa si differenziano gli elementi gli uni dagli altri? Questa differenza non dipende dal numero totale di elettroni, gli elementi si differenziano per il numero di elettroni presenti nell'orbital più esterno (di valenza), l'orbital che contiene gli elettroni che poi interagiscono tra di loro per formare un orbitale molecolare sempre formato da due orbitali atomici.

Infatti, sappiamo che se percorriamo un periodo, abbiamo che nell'orbital più esterno il sodio ha un elettrone, poi a seguire man mano che ci spostiamo sullo stesso periodo aumenta il numero degli elettroni fino ad arrivare ai gas nobili. I gas nobili sono chiamati così perché hanno una configurazione elettronica completa, hanno l'ottetto; quindi, si chiamano gas nobili perché non reagiscono con altri atomi, sono già stabili. Perché gli altri atomi reagiscono fra di loro? Perché tentano di raggiungere la configurazione elettronica del gas nobile più vicino.

I tipi di legame sono essenzialmente 2: legame ionico e legame covalente. Se noi andiamo da sinistra verso destra, avremo che si aumenterà sempre di più il numero di elettroni fino ad arrivare ai gas nobili. Quindi, da sinistra a destra, avremo che gli elementi cambiano molto le caratteristiche chimico fisiche. Ma se ad esempio noi scendiamo lungo un periodo dove praticamente tutti gli elementi hanno la stessa configurazione elettronica esterna, anche le loro caratteristiche fisico chimiche cambiano anche se molto meno, cambiano perché aumenta il volume atomico e di conseguenza ecco che cambiano anche le caratteristiche chimico fisiche.

Volume atomico

Se noi andiamo da sinistra verso destra lungo un periodo, il raggio atomico tende a diminuire, perché aumenta il numero di protoni e quindi aumenta anche la forza di attrazione degli elettroni verso il centro. Se noi scendiamo lungo il gruppo, il raggio atomico tende ad aumentare proprio perché aumentano il numero di orbitali, quindi vengono occupati orbitali più grandi. Ovviamente gli elettroni occupano prima gli orbitali a minor energia e poi tutti gli altri a maggior energia a mano a mano.

I metalli tenderanno a cedere elettroni mentre gli elementi del 7 gruppi, ad esempio, tenderanno ad acquistare gli elettroni; quindi, l'elettronegatività andando da sinistra verso destra aumenta.

Numero atomico e isotopi

Numero atomico: numero dei protoni presenti nel nucleo di un atomo.

Isotopi: sono atomi di uno stesso elemento con un numero diverso di neutroni.

Numero di massa: somma di protoni (Z) e neutroni (N) presenti nel nucleo di un atomo, chiamati nucleoni.

La tavola di Mendeleev è chiamata sistema periodico degli elementi perché per gli elementi disposti lungo le linee orizzontali (i periodi) e le colonne verticali (i gruppi) si hanno delle continue, periodiche variazioni delle proprietà chimiche e fisiche. Ogni periodo corrisponde al riempimento di un guscio elettronico; i gruppi sono 8 e i periodi sono 7. Nel sistema periodico tutti gli elementi sono riportati in ordine di "Z" (numero atomico) crescente, "Z" indica non solo il numero di elettroni ma anche l'ordine di riempimento degli orbitali in ordine crescente di energia.

Le proprietà fisiche di un elemento e dei suoi composti dipendono dalla forza dei legami con cui un atomo dell'elemento si unisce ad un altro atomo, cioè dipendono dalle proprietà chimiche. Le proprietà chimiche di un elemento dipendono dal numero dei legami che un elemento può formare e dalla forza di questi legami. Le proprietà chimiche e fisiche di un elemento non dipendono dal numero totale di elettroni, ma dal numero degli elettroni più esterni, cioè quelli che poi andranno a interagire formare legami e molecole. Infatti, un atomo si lega a un altro atomo unendo i suoi orbitali più esterni con gli orbitali più esterni dell'altro atomo. Spostandosi nel periodo, gli elettroni presenti negli orbitali più esterni aumentano con continuità da 1 a 8 e, con continuità, variano le proprietà chimiche e fisiche degli elementi del periodo.

Gli elementi di uno stesso gruppo hanno la stessa configurazione elettronica esterna, quindi hanno proprietà molto simili, ma non uguali, perché hanno volumi atomici diversi con conseguenti piccole variazioni delle proprietà chimiche e fisiche; lungo il periodo, gli elementi, avendo una configurazione elettronica esterna diversa, hanno proprietà molto diverse. Quindi, orizzontalmente il raggio atomico diminuisce perché aumentando i protoni aumenta la forza di attrazione che gli elettroni subiscono verso il centro. L'atomo deve essere elettronicamente neutro, altrimenti sarebbe uno ione. Scendendo in un gruppo, il raggio atomico aumenta, perché aumentano le dimensioni degli orbitali, cioè sono occupati gli orbitali a maggiore energia e di conseguenza aumenta il raggio atomico.

Volume atomico

Il volume di un atomo è dato dal volume degli orbitali contenenti elettroni. Gli elettroni sono attirati dal nucleo con forze elettrostatiche la cui intensità diminuisce all'aumentare della distanza; quindi, man mano che il raggio atomico aumenta, diminuisce la forza con cui gli elettroni sono attratti verso il nucleo ed è quindi più facile allontanare un elettrone da un atomo, viceversa, quanto più un atomo è piccolo, quanto più questo atomo tenderà ad attirare gli elettroni.

Tutti gli elementi dell'ottavo gruppo del sistema periodico degli elementi sono gas poco reattivi, perché hanno completato la struttura elettronica dell'orbital più esterno con 8 elettroni e quindi non formano legami, infatti esistono in forma monoatomica. Mentre tutti gli altri per raggiungere questa configurazione elettronica al cui compete la minima energia; infatti, ricordiamoci che tutti gli elementi tendono a stare nella minore energia possibile ed è per questo che fanno legami o covalenti o ionici per raggiungere la configurazione elettronica del gas nobile più vicino e quindi ogni elemento a seconda di dove si trova tende a cedere o acquistare elettroni.

Potenziale di ionizzazione

Si misura in kilocalorie per mole (kcal/mol) e corrisponde all'energia richiesta per staccare da un atomo isolato allo stato gassoso l'elettrone meno saldamente legato e portarlo all'infinito, quindi, è una misura della forza con cui gli elettroni sono attratti da un nucleo; esso dipende sia dalla configurazione elettronica, sia dal volume atomico. Nella tavola periodica degli elementi, andando da sinistra verso destra, vedremo che il potenziale di ionizzazione aumenterà mentre scendendo in un gruppo il potenziale di ionizzazione tenderà a diminuire. Infatti, scendendo lungo un gruppo, il raggio atomico cresce e quindi, allontanandosi l'elettrone dal nucleo, diminuisce la forza di attrazione esistente tra nucleo ed elettrone; inoltre essendoci tra l'orbital più esterno e il nucleo altri elettroni, questi esercitano anche un'azione schermante; quindi, più gli elettroni si allontanano dal nucleo, minore sarà l'attrazione esercitata sugli elettroni dai protoni. Quindi il potenziale di ionizzazione è una funzione inversa del raggio atomico, che va aumentando da sinistra verso destra lungo il periodo e diminuendo scendendo in un gruppo. Quindi sarà molto basso nei metalli e sarà molto alto nei non metalli.

Affinità dell'elettrone

È il lavoro che un atomo allo stato gassoso compie per acquistare un elettrone; gli elementi degli ultimi gruppi hanno una grande affinità per l'elettrone, mentre quelli dei primi gruppi, che non necessitano di elettroni, hanno una bassissima affinità per l'elettrone. Quindi i metalli hanno una bassa affinità per l'elettrone mentre i non metalli una alta affinità per l'elettrone.

Il sistema periodico degli elementi

• Metalli (a sinistra nella tavola periodica) hanno un basso potenziale di ionizzazione e tendono a cedere elettroni, questi hanno anche gli elettroni del guscio esterno debolmente legati e quindi tenderanno a perderli; hanno una elevata conducibilità elettrica e, inoltre, caratteristiche meccaniche e lucentezza propria dei metalli;
• Non metalli (a destra nella tavola periodica) hanno un alto potenziale di ionizzazione e tendono ad acquistare elettroni e a tenerlo strettamente legati, tra questi ricordiamo l'idrogeno, l'ossigeno, il fluoro, il cloro, l'azoto e tutti i gas nobili;
• Semimetalli (nella zona intermedia della tavola periodica) hanno caratteristiche intermedie. (elementi di transizione).

L'elettronegatività degli elementi aumenta da sinistra verso destra e diminuisce andando dall'alto verso il basso, quindi gli elementi maggiormente elettronegativi stanno in alto a destra mentre quelli a minore in basso a sinistra. Quindi, quando si forma un legame tra due atomi, l'atomo che ha una maggiore elettronegatività tenderà ad attrarre verso di sé gli elettroni di legame e quindi maggiore è l'elettronegatività, quindi maggiore sarà la forza con cui quell'elemento attrae verso di sé gli elettroni di legame.

L'elettronegatività è stata individuata da Linus Pauling che è un biochimico americano che tra le varie cose che ha studiato vi è anche questo. Si definisce elettronegatività di un elemento la tendenza che ha questo elemento a spostare verso di sé gli elettroni di legame, essa aumenta spostandosi da sinistra a destra in un periodo e diminuisce andando dall'alto al basso in un gruppo; infatti, se ci si sposta da sinistra verso destra, il raggio atomico diminuisce, gli elettroni di legame diventano sempre più vicini al nucleo e sono attratti con una forza maggiore, scendendo nel gruppo, il raggio atomico aumenta, gli elettroni di legame si trovano più lontani dai nuclei e sono attirati meno fortemente. Ad ogni elemento è stato attribuito dal chimico americano Pauling un valore di elettronegatività. L'ossigeno, dopo il fluoro (che sono in alto a destra nella tavola) è il più elettronegativo di tutti gli elementi; il francio e il cesio (in basso a sinistra nella tavola) sono gli elementi meno elettronegativi. Gli elementi di transizione stanno riempendo, con gli elettroni, gli orbitali più interni, hanno un raggio atomico pressoché costante e, quindi, hanno tutti un valore di elettronegatività molto simile gli uni agli altri.

Legame chimico

Gli atomi della maggior parte degli elementi non esistono isolati, ma interagiscono fra di loro e le proprietà chimiche di un elemento dipendono dalla configurazione elettronica dei suoi atomi; infatti, i gas nobili sono stabili perché hanno il livello elettronico esterno completamente riempito e al fine di ottenere tale stabilità gli altri elementi interagiscono tra loro per raggiungere la configurazione elettronica del gas nobile più vicino (regola dell'ottetto). Gli elettroni più esterni (gli elettroni di valenza) sono gli elettroni direttamente interessati dal legame chimico.

I due tipi fondamentali di legame sono:

• Ionico: dove un atomo cede un elettrone a un altro atomo, questo è tipico di quando reagiscono un metallo (bassa elettronegatività) con un non metallo (alta elettronegatività), l'atomo che cede un elettrone diventa un catione mentre l'atomo che lo acquista diventa un anione, ad esempio sodio (1 gruppo) e cloro (7 gruppo) ed ecco che si forma il cloruro di sodio, ovvero un sale e in questo caso si ha un trasferimento di elettrone dal sodio al cloro e quindi alla formazione di due ioni che hanno 8 elettroni periferici ciascuno. Il legame ionico si basa su una legge che è la legge di Coulomb, che si basa sulla formula: K è la costante di proporzionalità; q1 e q2 sono le cariche elettriche che interagiscono; d² è la distanza tra le cariche. Questo legame ionico è molto debole, infatti è pari a 7kcal/mole. La struttura delle sostanze ioniche: ovviamente non esistono delle molecole distinte nel caso del sale NaCl avremo tanti ioni cloro e altrettanti ioni sodio che si organizzano in una struttura cristallina che è tipica delle sostanze ioniche. Ogni ione occupa uno spazio ben preciso.
• Covalente: quando due atomi mettono in compartecipazione un elettrone ciascuno. Quindi alla fine l'ottetto può essere raggiunto o attraverso il legame ionico o attraverso il legame covalente; quindi, l'obiettivo è la maggiore stabilità dell'elemento. Il legame covalente più semplice è l'omopolare, ad esempio, una molecola di idrogeno, ecco che ciascun atomo mette in compartecipazione un elettrone che appartiene a entrambi gli atomi legati. Quindi generalmente i legami covalenti si hanno tra atomi con elettronegatività uguale o molto simile, quando è uguale avremo che gli elettroni possono ugual tempo tra i 2 atomi invece se un atomo ha una maggiore elettronegatività ecco che i 2 elettroni di legame (sono legame singolo) sono più verso l'elettrone con più elettronegatività. Quindi ciascun elettrone di legame si muove nel campo elettrico di entrambi i nuclei atomici.

Energia di legame: è l'energia che si sviluppa quando si forma un legame e che deve essere somministrata per separare gli atomi di partenza e si esprime in Kcal/mole. Questa varia da legame a legame a seconda degli atomi costituenti.

Poi abbiamo il legame parzialmente ionico o polarizzatore; quindi, le sostanze polari e sono le sostanze che presentano una separazione delle cariche elettriche nelle loro molecole sono definite polari, ad esempio in HCl è dove il delta sta ad indicare che il cloro è molto più elettronegativo rispetto all'idrogeno. In pratica gli elettroni di legame passano più tempo attorno al nucleo del cloro.

Legame dativo: si ha quando un atomo, che ha già il suo ottetto completo, mette un suo doppietto elettronico a disposizione di un altro atomo che ha un orbitale completamente vuoto e a questo punto si forma sempre un legame covalente dato dai due elettroni che fanno parte tutti di uno stesso atomo. Gli ioni di tutti i metalli di transizione presentano molti orbitali vuoti ed un esempio è quello che vedremo succedere nell'emoglobina e nella mioglobina. La mioglobina è l'emoglobina hanno un gruppo prostetico (gruppo eme) e una parte proteica. Il gruppo prostetico ha al cui centro c'è un atomo di ferro nello stato di ossidazione +2 quindi ferroso, e questo atomo di ferro forma 6 legami di coordinazione (quindi avrà almeno 6 orbitali vuoti, 4 legami di coordinazione li fa con i 4 anelli dei gruppi pirrolici, il quinto lo fa con l'istidina prossimale e il sesto con l'ossigeno) che prendono poi all'ossigeno di legarsi reversibilmente al gruppo eme, e quindi il sesto legame a permettere all'emoglobina e alla mioglobina di liberarsi e collegarsi all'ossigeno in base ai momenti funzionali. Essendo molecole con strutture diverse avremo una curva di saturazione per l'ossigeno diverso.

Poi abbiamo la possibilità di formazione di legami doppi e tripli. Si parla di doppio legame quando ogni atomo mette in compartecipazione due elettroni come il monossido di carbonio. Si parla di legame triplo quando ogni atomo mette in compartecipazione tre elettroni, ad esempio la molecola dell'azoto (N2). Quindi gli atomi possono quindi condividere più di un doppietto elettronico, per completare i loro gusci di valenza.

Come si chiama il legame quando due orbitali di ciascun atomo con un singolo elettrone si uniscono? Legame sigma. Quando invece le stesse molecole hanno a disposizione 2 altri orbitali singolari si può formare un secondo legame che è perpendicolare al precedente ed è il legame pi greco che è molto più debole del precedente. Se ancora queste due molecole hanno a disposizione un altro orbitale singoletto ciascuno ecco che si formerà un altro legame che si chiamerà pi greco sempre perpendicolare ai precedenti.

Cosa si intende per valenza? La valenza covalente indica il numero di legami formati da un atomo in una molecola, ad esempio, il metano che ha 4 legami, l'ammoniaca 3 e il monossido di azoto 2. La valenza ionica indica la carica elettrica posseduta da uno ione monoatomico. Ad esempio, il sodio 1, il cloro 1 e il calcio.

Formule di struttura

Si intende una formula in cui si rappresentano gli atomi presenti nella molecola e i legami che li uniscono, mostrando quindi la disposizione spaziale degli atomi e la natura dei legami chimici.