Riassunto esame biochimica, Prof. Celotti Fabio, libro consigliato Chimica e biochimica , Edises

Materia e chimica

●​ La materia e definita come quella parte del nostro Universo che ha un volume (dato

dallo spazio che occupa) e una massa.

●​ Un albero, l'acqua e il nostro corpo sono esempi di materia che possiamo vedere e

toccare.

●​ L'aria e un esempio di materia che invece non possiamo vedere nonostante essa sia

intorno a noi.

●​ Non tutta la materia e dello stesso tipo e puo essere classificata come solida, liquida

e gassosa.

●​ La massa di un oggetto e una misura dell'inerzia (resistenza) alla forza necessaria

per alterarne lo stato di quiete o di moto.

●​ La massa e costante e indipendente dall'Universo in cui si trova.

●​ Il peso e invece una misura della forza di attrazione gravitazionale e dipende dalla

massa, dalla posizione e dall'Universo in cui si trova.

●​ La chimica e la scienza che si occupa di studiare la natura, la composizione, le

proprieta e le trasformazioni della materia.

Stati di aggregazione della materia

Solidi

●​ I solidi hanno una forma e un volume definiti (forze di traslazione, ovvero di

movimento, inferiori alle forze di attrazione).

●​ Una sbarra di ferro e un esempio di materia allo stato solido.

●​ La massa e definita da una propria forma, che non puo essere facilmente cambiata.

●​ Il volume della sbarra (cioe la quantita di spazio che essa occupa) e definito e non

cambia.

●​ Le particelle che compongono molti solidi sono strettamente legate tra loro e in

maniera molto ordinata, pertanto il loro movimento e molto limitato.

●​ Questo spiega perche i solidi hanno una forma ben definita, resistente ad eventuali

cambiamenti.

●​ La compattezza delle particelle che compongono un solido spiega anche la loro

incomprimibilita.

●​ Il riscaldamento di un solido provoca un aumento del moto delle particelle che lo

compongono e, pertanto, molti solidi si espandono leggermente in seguito al

riscaldamento.

Liquidi

●​ I liquidi hanno invece un volume definito ma una forma imposta dal contenitore (forze

di traslazione pari alle forze di attrazione).

●​ Le particelle che compongono un liquido sono moderatamente ordinate (ma sempre

in contatto tra loro).

●​ Questa struttura meno compatta spiega perche i liquidi non hanno una forma ben

definita.

●​ Le particelle che compongono un liquido sono sufficientemente vicine e, pertanto,

anche i liquidi sono incomprimibili.

●​ I liquidi si espandono modestamente in seguito al riscaldamento.

●​ Quando un liquido e travasato da un contenitore ad un altro, esso assume la forma

del nuovo contenitore, ma il suo volume rimane inalterato.

Gas

●​ I gas non hanno ne forma ne volume propri, diffondono facilmente e le particelle che

li compongono hanno un movimento libero e non condizionato dalla presenza di altre

particelle.

●​ Lo stato gassoso e quindi caratterizzato dall'avere volume e forma impostati dal

contenitore (forze di traslazione inferiori alle forze di attrazione).

●​ Nei gas, le particelle sono tutte indipendenti le une dalle altre e libere di muoversi in

tutte le direzioni dello spazio, quindi i gas sono capaci di assumere qualunque forma

o volume e di comprimersi o di espandersi.

Cambiamenti di stato

●​ Le particelle che costituiscono un solido sono dotate di moti vibrazionali intorno a

posizioni fisse.

●​ Se il solido e riscaldato, la sua temperatura aumenta.

●​ A causa dell'incremento di temperatura, la velocita di vibrazione delle particelle

aumenta e, quindi, esse si discostano tra loro.

●​ Se eventualmente si raggiunge un punto in cui le particelle non possono piu

mantenere un certo ordine, il solido fonde e diventa un liquido.

●​ La temperatura alla quale avviene questo fenomeno e definita punto di fusione del

solido.

●​ Quando tutto il solido e passato allo stato liquido, l'ulteriore aggiunta di calore porta

ad un aumento della temperatura del liquido e le particelle cominciano a vibrare piu

rapidamente.

●​ Se si raggiunge un punto in cui le particelle si separano e diventano indipendenti tra

loro, quando questo avviene, il liquido passa allo stato di vapore (gas).

●​ La temperatura alla quale avviene questo fenomeno e definita punto di ebollizione

del liquido.

●​ Anche i processi inversi sono possibili.

●​ Un gas puo essere raffreddato fino a diventare un liquido e, quindi, per ulteriore

raffreddamento un solido.

●​ In generale, la materia puo essere convertita da uno stato all'altro semplicemente

cambiando la sua temperatura.

●​ I passaggi di stato fondamentali includono: fusione (da solido a liquido),

solidificazione (da liquido a solido), evaporazione o condensazione (tra liquido e

gassoso), sublimazione (da solido a gassoso) e brinamento (da gassoso a solido).

Proprieta della materia

●​ La materia puo essere descritta e identificata mediante le sue proprieta, che sono

classificabili principalmente in proprieta fisiche e proprieta chimiche.

Proprieta fisiche

●​ Le proprieta fisiche descrivono il comportamento dei composti quando sono

sottoposti a processi fisici che ne modificano la posizione, il contenuto e/o la

distribuzione dell'energia, ma non ne cambiano la natura o la composizione.

●​ Alcune proprieta fisiche dipendono dalle dimensioni del campione (estensive; ad

esempio il peso e il volume), altre invece ne sono indipendenti (intensive; ad

esempio la temperatura e la densita).

●​ Sono proprieta fisiche, ad esempio, il colore, l'odore, il gusto, la densita, la durezza, il

punto di fusione e il punto di ebollizione.

●​ Queste proprieta, o alcune di esse, possono essere utilizzate per identificare una

certa sostanza.

●​ Ad esempio, se una sostanza e di colore bianco, automaticamente si eliminano tutte

quelle sostanze che non sono bianche.

●​ Se la sostanza non ha odore, allora tutte quelle che hanno un odore sono escluse,

riducendo cosi la responsabilita di scelta ad un numero piu piccolo di sostanze che

siano bianche e prive di odore.

●​ Se si continuano ad eliminare con questa procedura altre proprieta fisiche, come la

densita, la durezza, i punti di fusione e di ebollizione, eventualmente una sola

sostanza alla fine presentera le stesse proprieta di quella da identificare.

Proprieta chimiche

●​ Le proprieta chimiche descrivono come una sostanza si comporta nei fronti di altre

sostanze con le quali interagisce tramite reazioni chimiche, cioe processi che

modificano la sua natura.

●​ Sono definite proprieta chimiche la capacita di una sostanza di reagire (o non

reagire) in presenza di aria o di un acido o quella di bruciare (o non bruciare).

Energia

●​ L'energia viene definita come la capacita di compiere un lavoro.

●​ I muscoli del nostro corpo ricavano la loro energia da reazioni chimiche che

avvengono nelle cellule muscolari.

●​ L'energia necessaria per mantenere la nostra temperatura corporea intorno a 37

gradi centigradi viene ricavata dall'ossidazione del cibo che ingeriamo.

●​ L'energia elettrica che utilizziamo nelle nostre case e prodotta dalla combustione del

petrolio.

●​ L'energia esiste sotto diverse forme: termica, luminosa, elettrica, sonora, chimica e

atomica, e puo essere distinta in energia cinetica ed energia potenziale.

●​ L'energia cinetica e l'energia con la quale si sta compiendo un'azione, come ad

esempio l'energia prodotta dalla combustione del legno o l'energia meccanica

prodotta da un motore.

●​ L'energia potenziale e l'energia conservata (immagazzinata), cioe non associata a

un'azione o movimento.

●​ Esempi di energia potenziale sono una pila (la quale puo fornire energia elettrica se

connessa con una lampadina), il cibo (che fornisce energia al nostro organismo

quando e metabolizzato), l'acqua di un bacino idroelettrico (che fornisce energia

elettrica se fatta passare attraverso le pale di una turbina).

●​ L'energia chimica e una forma di energia potenziale.

●​ Molte reazioni chimiche comportano anche cambiamenti energetici.

●​ Se durante una reazione chimica si sviluppa del calore, la reazione e definita

esotermica; se invece durante una reazione e assorbito del calore, la reazione e

definita endotermica.

●​ L'energia puo essere convertita da una forma in un'altra.

●​ Bruciare un pezzo di legno significa convertire l'energia potenziale in esso contenuta

in calore.

●​ L'energia termica cosi ottenuta puo essere utilizzata per far bollire dell'acqua, che a

sua volta produce vapore.

●​ Il vapore puo essere impiegato per alimentare un generatore per la produzione di

energia elettrica, che a sua volta puo essere utilizzata per azionare un motore

(energia meccanica), per accendere una lampada fluorescente (energia sonora), per

alimentare una radio (energia acustica) o per mettere in funzione un forno (energia

termica).

●​ Il Sole irradia la Terra con energia prodotta dalle reazioni nucleari.

●​ Le piante durante il processo della fotosintesi catturano tale energia, generando

composti ricchi di energia chimica.

●​ Quando gli umani o gli esseri umani ingeriscono tali composti, i loro corpi convertono

l'energia chimica in calore ed energia meccanica.

Conservazione dell'energia e della materia

●​ La legge della conservazione dell'energia afferma che durante una reazione chimica

l'energia non e ne creata ne distrutta, puo solo essere convertita da una forma in

un'altra; la quantita totale di energia rimane invariata, indipendentemente dalla forma

in cui e stata convertita.

●​ La legge della conservazione della massa afferma che durante una reazione chimica

non si ha ne creazione ne distruzione di materia; cio significa che il peso totale delle

sostanze che partecipano ad una reazione deve risultare uguale al peso totale dei

prodotti della reazione.

Principi Fondamentali della Materia e dell'Energia

Massa, Energia e la loro Conservazione

La legge della conservazione della massa stabilisce che durante una reazione chimica la

materia non subisce né creazione né distruzione. Parallelamente, la legge della

conservazione dell'energia afferma che quest'ultima può essere unicamente convertita da

una forma all'altra, senza poter essere creata o distrutta. Queste due leggi sono integrabili in

un unico principio generale, supportato anche dalle affermazioni di Albert Einstein

sull'intercambiabilità tra massa ed energia: sia la massa che l'energia non si creano e non si

distruggono, ma possono solo essere convertite l'una nell'altra. L'energia è definita come la

capacità di compiere un lavoro ed è classificabile in energia cinetica, associata al

movimento, ed energia potenziale, ovvero energia immagazzinata.

Il Calore e la sua Misurazione

La forma di energia più comune, in cui tutte le altre possono essere convertite, è il calore.

L'unità di misura dell'energia termica è la caloria (cal), che corrisponde alla quantità di calore

richiesta per innalzare la temperatura di un grammo di acqua di un grado Celsius. In ambito

medico e nutrizionale si utilizza frequentemente la chilocaloria (kcal), equivalente a 1000 cal,

per valutare il contenuto termico dei cibi. In chimica, l'unità di misura preferita per l'energia è

il joule (J), con un fattore di conversione dove 1 cal equivale a 4,18 J. A livello nutrizionale,

l'ossidazione di 1 grammo di carboidrati o di proteine produce 4 kcal, mentre l'ossidazione di

1 grammo di grassi ne produce 9 kcal.

Definizione e Proprietà della Materia

La materia è definita come tutto ciò che possiede una massa e occupa uno spazio. Esiste in

tre stati di aggregazione (solido, liquido e gassoso), i quali sono interconvertibili tra loro

principalmente in base alle variazioni di temperatura. Il comportamento di una sostanza

viene descritto tramite le sue proprietà fisiche, che non ne alterano la natura o la

composizione, e le sue proprietà chimiche, che invece descrivono come essa si comporta e

reagisce rispetto ad altre sostanze.

Classificazione della Materia

La materia si divide in due macro-categorie principali: individui singoli (sostanze pure) e

miscele.

Gli individui singoli possiedono una composizione definita e costante e si suddividono in

due gruppi:

●​ Elementi: formati da atomi della stessa specie (come l'azoto e l'ossigeno). Sono

sostanze omogenee che non possono essere divise in costituenti più semplici

mediante reazioni chimiche ordinarie.

●​ Composti: formati da due o più specie atomiche (come l'anidride carbonica).

Anch'essi omogenei, possiedono una proporzione in peso definita dei loro

componenti e presentano proprietà distinte rispetto agli elementi che li compongono.

Le miscele sono composte da due o più sostanze (individui singoli) in un rapporto variabile

e non presentano una proporzione definita. I singoli componenti di una miscela mantengono

inalterate le proprie proprietà e possono essere separati utilizzando metodi fisici. Le miscele

si classificano in:

●​ Omogenee: caratterizzate da una composizione costante e uniforme in ogni loro

parte (ad esempio, urina e plasma).

●​ Eterogenee: caratterizzate da una composizione variabile (ad esempio, il sangue,

che è diviso in una parte corpuscolata e una liquida).

Struttura della Materia: L'Atomo

Componenti Fondamentali

●​ Un atomo può essere definito come la più piccola parte di un elemento che ne

conserva le relative proprietà.

●​ Ciascuna specie atomica è rappresentata da un simbolo, che coincide generalmente

con la prima o le prime due lettere del nome dell'elemento (ad esempio, C per il

carbonio, Ca per il calcio).

●​ Le particelle fondamentali che costituiscono un atomo sono tre: protoni, elettroni e

neutroni.

●​ I protoni presentano una carica positiva (+1) e una massa di circa una unità di massa

atomica, e si trovano nel nucleo dell'atomo.

●​ Gli elettroni possiedono una carica negativa (-1), hanno una massa trascurabile (pari

a 1/1837 della massa di un protone) e si trovano all'esterno del nucleo.

●​ I neutroni sono particelle prive di carica elettrica, presentano una massa di circa una

unità e si trovano all'interno del nucleo atomico.

Massa, Numero Atomico e Numero di Massa

●​ Nella pratica di laboratorio non si utilizza il valore della massa atomica assoluta in

chilogrammi, poiché è un numero troppo piccolo e di difficile impiego.

●​ Si ricorre quindi alla massa atomica relativa (o peso atomico), un numero

adimensionale che indica il rapporto tra la massa assoluta di un atomo e 1/12 della

massa di un atomo di carbonio-12.

●​ Ogni atomo è identificato in modo univoco da un numero atomico, che indica il

numero di protoni presenti nel suo nucleo e, in un atomo neutro, corrisponde anche

al numero degli elettroni.

●​ Il numero atomico viene scritto come pedice sul lato sinistro del simbolo

dell'elemento.

●​ Il numero di massa rappresenta la somma totale dei protoni e dei neutroni presenti

nel nucleo e si indica come apice sul lato sinistro del simbolo chimico.

●​ Poiché la massa degli elettroni è trascurabile, la massa di un atomo è determinata

dalle particelle del suo nucleo.

●​ È possibile calcolare il numero di neutroni di un elemento sottraendo il numero

atomico dal suo numero di massa.

●​ L'atomo più semplice è quello dell'idrogeno, che possiede un solo protone, un

elettrone e nessun neutrone.

Gli Isotopi

●​ In natura esistono atomi di uno stesso elemento che presentano il medesimo numero

atomico ma un diverso numero di massa; questi atomi sono definiti isotopi.

●​ La variazione di massa è dovuta esclusivamente a un diverso numero di neutroni

presenti all'interno del nucleo.

●​ Un esempio è il cloro, che si presenta in due isotopi naturali: uno con massa 35 (17

protoni e 18 neutroni) e uno con massa 37 (17 protoni e 20 neutroni).

●​ La massa atomica riportata per ciascun elemento (ad esempio nella tavola periodica)

è la media delle masse di tutti i suoi isotopi presenti in natura.

●​ Gli isotopi di un medesimo elemento possiedono proprietà chimiche identiche, poiché

hanno lo stesso numero di elettroni e protoni, ma presentano proprietà fisiche

differenti.

Disposizione degli Elettroni e Livelli di Energia

●​ Gli elettroni si dispongono nell'atomo seguendo un ordine definito all'interno di livelli

energetici, i quali rappresentano il volume occupato dalla nuvola elettronica.

●​ Il numero massimo di elettroni che ciascun livello energetico può ospitare è

calcolabile tramite la relazione 2n^2, dove n è il numero del livello considerato a

partire dal nucleo.

●​ Seguendo questa formula, il primo livello può contenere al massimo 2 elettroni, il

secondo 8 e il terzo 18.

●​ Il numero massimo di elettroni nel livello più esterno di un atomo è sempre otto.

●​ Il riempimento dei livelli avviene in modo progressivo: il primo livello deve essere

completamente pieno prima che gli elettroni possano iniziare a occupare il secondo,

e così via.

●​ Secondo il modello di Bohr, gli elettroni si muovono attorno al nucleo in orbite ben

definite, senza modificare la propria energia a meno che non assorbano o emettano

energia per saltare da un'orbita all'altra.

●​ Ogni livello energetico (o guscio) è a sua volta suddiviso in sottolivelli (o sottogusci),

caratterizzati da un diverso arrangiamento spaziale e formati da orbitali atomici

(identificati dalle lettere s, p, d, f).

Struttura dell'Atomo e Tavola Periodica

Organizzazione degli Elettroni negli Orbitali

A partire dal secondo livello energetico di un atomo, ogni livello include un sottolivello p che

comprende tre orbitali. Dal terzo livello si aggiunge un sottolivello d composto da cinque

orbitali, mentre dal quarto livello è