Chimica e propedeutica biochimica (semestre filtro)

Chimica e propedeutica biochimica (6 CFU)

La struttura dell’atomo, la tavola periodica degli elementi e i legami chimici

→ La composizione della materia

La materia è tutto ciò che ha una massa, occupa spazio ed ha quindi volume.

Essa è composta da elementi chimici e da composti (= elementi combinati in rapporti

stechiometrici) e come sappiamo gli elementi sono a loro volta costituiti da atomi che hanno

le stesse proprietà chimiche.

Durante l’esplosione del Big Bang (14 miliardi di anni fa) materia e antimateria furono create

in quantità quasi uguali e avrebbero dovuto annichilarsi completamente, lasciando l'universo

solo di energia. Tuttavia, una piccola asimmetria iniziale, un lieve eccesso di materia rispetto

all'antimateria, fece sì che la materia sopravvivesse a questa annichilazione, formando la

base dell'universo che conosciamo.

Ricordiamo due dati:

●​ Nascita vita sulla terra → 4 miliardi di anni fa

●​ Comparsa dell’uomo sulla terra → 4 milioni di anni fa

Il corpo umano, così come qualsiasi altro oggetto o corpo solido, è fatto essenzialmente da

vuoto particolare in quanto questa è la caratteristica principale e strutturale di ogni atomo: la

maggior parte di esso è fatto dello spazio vuoto che si trova tra il nucleo (in cui sono presenti

il neutrone e il protone) e la parte esterna, rappresentata dagli orbitali dell’elettrone.

Ricordiamo inoltre le dimensioni relative di

un atomo, un nucleo e alcune particelle

subatomiche.

Importante è conoscere la struttura dell’atomo che sappiamo essere la più piccola porzione

di un elemento che mantiene inalterate tutte le proprietà chimiche dell’elemento stesso.

All’interno dell’atomo abbiamo, come già citato, un nucleo contenente neutroni e protoni e

all’esterno troviamo gli elettroni.

Il numero dei protoni (carica +) e degli elettroni (carica -) è uguale ed è per questo che

l’atomo ha carica neutra in quanto carica positiva e negativa si neutralizzano.

Osservando i costituenti dell’atomo notiamo che ciò che pesa sono protoni e neutroni. 1

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Nel nucleo ci sono protoni, che hanno la stessa carica, molto vicini tra loro e in base alle

forze che conosciamo (gravitazionale ed elettromagnetica) i protoni dovrebbero respingersi

violentemente e quindi distruggere o impedire la formazione dei nuclei atomici ma all’interno

dei nuclei atomici si manifesta un’ulteriore forza di attrazione, capace di “incollare” tra loro i

protoni.

Questo è possibile grazie ai neutroni che vengono anche definiti “colla nucleare”.

Se si sommassero le masse dei singoli protoni e neutroni che formano un nucleo, il risultato

sarebbe maggiore della massa del nucleo stesso e la differenza tra la somma delle masse

dei nucleoni isolati e la massa misurata del nucleo definisce il concetto di difetto di massa.

Questa massa "persa" non viene distrutta, ma convertita in energia, che è l'energia

necessaria per tenere insieme i nucleoni nel nucleo.

Questa energia è chiamata energia di legame nucleare. Più è grande il difetto di massa,

maggiore è l'energia di legame, e più il nucleo è stabile.

→ Tutto questo viene definito dall'equazione di Einstein (E=mc²).

→ Numero di massa atomica -isotopi

Il numero di massa è uguale alla somma dei protoni e dei neutroni (nucleoni) e si indica con

A invece il numero dei protoni si indica con Z.

Il numero dei neutroni può variare anche per atomi che appartengono ad uno stesso

elemento e quando succede ci troviamo davanti a degli isotopi.

Un esempio è l’idrogeno che è costituito da 3 isotopi:

●​ Il prozio (o idrogeno) → un elettrone ed un protone.

●​ Il deuterio → un elettrone, un protone ed un neutrone.

●​ Il trizio → un elettrone, un protone e due neutroni

Importante è anche la definizione di massa atomica media che è data dalla media ponderata

che tiene conto delle abbondanze relative dei vari isotopi presenti in natura.

Si esprime in unità di massa atomica: u.m.a. chiamata anche u e in passato Dalton (Da).

Dal 1969 si usa una scala basata sul Carbonio-12 ossia dell'isotopo 12C.

A tale isotopo è stata arbitrariamente assegnata una massa di 12 unità di massa atomica e

per conoscere le masse degli altri elementi facciamo riferimento ad essa.

→ La massa atomica si riferisce alla massa di un singolo atomo, espressa in unità di massa

atomica (u.m.a. o u).

massa → quantità di materia di cui è fatto il corpo

peso → forza che ci attira verso la Terra 2

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→ Numero atomico (Z)

Il numero atomico è il numero di protoni in un atomo e si indica con Z ed identifica tutti gli

elementi chimici.

I protoni si trovano nel nucleo, che costituisce il cuore dell’atomo, il loro numero (numero

atomico) è costante per gli atomi che appartengono ad uno stesso elemento.

Gli elettroni e i protoni hanno carica uguale ma di segno contrario, in un atomo neutro il

numero degli elettroni è sempre uguale al numero dei protoni.

→ invece gli elettroni si trovano in zone dello spazio intorno al nucleo chiamate orbitali.

→ Applicazione medica relativa alle proprietà del nucleo

La Risonanza Magnetica (RM) è una tecnica diagnostica che fornisce immagini dettagliate

del corpo umano utilizzando campi magnetici, senza esporre il paziente a radiazioni

ionizzanti, come invece avviene con la classica TC o TAC (tomografia computerizzata a

raggi X) e si basa sull’interazione di un campo magnetico con gli spin nucleari.

Il principio su cui si basa è che questi nuclei ruotano sul proprio asse: hanno un movimento

di 'spin’ e come tutte le cariche elettriche in movimento, a causa del loro spin, generano

campi elettromagnetici che noi riusciamo a vedere con la risonanza ma solo i nuclei con un

numero dispari di protoni o neutroni.

In un corpo qualsiasi gli spin nucleari sono orientati in tutte le direzioni dello spazio (sono

cioè disordinati, ed il campo magnetico risultante è nullo). Un campo magnetico artificiale

prodotto per esempio da una grossa elettrocalamita agisce sui nuclei, che interagendo

allineano il proprio momento magnetico parallelamente alla linea di forza del magnete, come

succede alla limatura di ferro quando è sottoposta ad una calamita.

Gli impulsi delle onde a radiofrequenza modificano l'orientamento dei nuclei che, al cessare

degli impulsi tornano a orientarsi secondo l'asse del campo magnetico. Così facendo

risuonano, cioè emettono un debolissimo segnale detto segnale di risonanza. Captato da

ricevitori radio, convertito in impulsi digitali ed elaborato al computer, permette di ottenere

un'immagine la cui scala dei grigi corrisponde alle diverse intensità del segnale di risonanza.

→ Elementi e composti: mole e molecola

●​ Elemento → sostanza formata da atomi tutti uguali (tutti = numero atomico).

●​ Molecola → aggregato distinto di più atomi che possono essere dello stesso

elemento o di elementi diversi ed è dotata di proprietà caratteristiche che la rendono

riconoscibile.

●​ Composto → si forma quando due o più atomi diversi che si legano insieme (es H2O

e HCl) e il suo peso o massa è dato dalla somma dei pesi (o masse) degli atomi che

lo compongono.

Dal punto di vista pratico, è comodo prendere non il peso di un singolo atomo, ma di un

certo numero di atomi in modo da poter usare le unità di grandezze abituali (es. grammi).

-24

sapendo che 1 uma o (u) = 1,661*10 g. 3

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→ Come posso passare dal peso di un atomo al peso di un grammo di atomi di un

determinato elemento?

●​ Mole → quantità di sostanza che contiene un Numero di Avogadro (NA) di unità

elementari (atomi, molecole, elettroni, ecc).

Esempio → Un atomo di C pesa 12 u o uma, mentre 1 mole di atomi di C pesa 12 g.

La mole di una sostanza praticamente è il peso in grammi corrispondente al suo peso

atomico o molecolare della sostanza.

Qualche definizione

●​ Massa → resistenza del corpo all’accelerazione e dipende dalla quantità di materia

in esso contenuta.

●​ Peso → forza con cui un corpo è attratto sulla terra dalla gravità

●​ Massa atomica relativa → peso medio di un atomo di quel elemento dipende dal

N° di massa e dalle percentuali relative con cui i vari isotopi sono presenti in

natura)

●​ Mole → quantità di sostanza che contiene un Numero di Avogadro (NA) di unità

elementari

●​ Numero di Avogadro → numero di atomi che sono contenuti in 12 g (numero

esatto) del Carbonio-12

●​ Densità → concentrazione della materia m/V (g/ml)

→ Orbitali e principio di indeterminazione di Heisenberg

I protoni si trovano nel nucleo, che costituisce il cuore dell’atomo, il loro numero (numero

atomico) è costante per gli atomi che appartengono ad uno stesso elemento.

Gli elettroni e i protoni hanno carica uguale ma di segno contrario.

Gli elettroni girano attorno al nucleo ma secondo il principio di indeterminazione di

Heisenberg, non è possibile conoscere con esattezza sia la posizione che la velocità di un

elettrone contemporaneamente.

Pertanto gli elettroni non girano attorno al nucleo in orbite definite ma essendo sia onde che

particelle si trovano in zone dello spazio attorno al nucleo dette orbitali. 4

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Gli orbitali sono le zone dello spazio dove la probabilità di trovare l’elettrone è maggiore del

95%.

→ Fondamenti della teoria atomica

→ Gli orbitali e i numeri quantici

Sappiamo che gli elettroni si muovono velocemente attorno al nucleo e che questo

movimento è associato ad una equazione matematica.

Questa funzione matematica si chiama funzione d’onda o orbitale le cui caratteristiche sono

definite dai numeri quantici

I numeri quantici che definiscono un orbitale sono 3:

●​ Numero quantico principale (n) → descrive il livello energetico dell’orbitale e si

esprime con numeri che vanno da 1 a infinito (noi ne conosciamo 7 si numeri quantici

n).

●​ Numero quantico secondario (l) → descrive la forma dell’orbitale e si esprime con

numeri che vanno da 0 a n - 1.

Essendo che caratterizza la forma dell'orbitale; di solito i valori di l si indicano con le

lettere s,p,d,f ( l=0, orbitale s; l=1 orbitale p; l=2 orbitale d; l=3 orbitale f).

●​ Numero quantico magnetico (m) → descrive l’orientamento nello spazio dell’orbitale

per effetto di un campo magnetico e si esprime con numeri che vanno da -l a +l.

Esiste un altro numero quantico che però non riguarda l’orbitale:

●​ Numero quantico magnetico di spin (m ) → descrive il moto degli elettroni attorno al

s

proprio asse e può avere due valori: +½ o -½ . 5

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→ Ogni orbitale può contenere al massimo due elettroni

→ Il principio di esclusione di Pauli e Regola di Hund

Come abbiamo detto gli elettroni si dispongono negli orbitali e lo fanno seguendo un ordine

ben preciso che si basa su 3 principi fondamentali:

1.​ Principio di Aufbau

2.​ Principio di esclusione di Pauli

3.​ La regola di Hund

Il principio di Aufbau gli elettroni hanno la

tendenza ad occupare gli

orbitali disponibili con

minore energia (gli orbitali

più vicini al nucleo).

Dal livello 4s in poi gli s hanno livelli energetici più bassi di sottogusci con n° quantico

-

inferiore e quindi vengono riempiti prima dagli e .

Infatti l’energia del sottolivello 3d è maggiore di quella del sottolivello 4s, che di

conseguenza verrà riempito successivamente al sottolivello 3p; analogamente l’energia del

sottolivello 4d è maggiore di quella del sottolivello 5s, quella del 5d è maggiore di quella del

4f e così via. 6

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Il principio di esclusione di Pauli

Questo principio dice che gli elettroni di un certo atomo non possono avere

gli stessi numeri quantici.

Infatti ogni orbitale, essendo caratterizzato da tre numeri quantici, può

accogliere non più di due elettroni con spin opposto, cioè in disposizione

antiparallela

La regola di Hund Questa regola afferma che due

elettroni nello stesso orbitale

con spin antiparallelo esercitano

una repulsione maggiore che

due elettroni con lo stesso spin

in orbitali distinti della stessa

energia, quindi gli elettroni si

dispongono con spin paralleli

nel massimo numero di orbitali

isoenergetici possibile.

→ Il sistema periodico degli elementi

II Sistema Periodico moderno è stato costruito sulla base della struttura degli atomi, e gli

elementi sono stati disposti secondo le seguenti tre regole:

●​ Numero atomico (Z) crescente

●​ Numero quantico principale crescente → ogni volta che il n° quantico aumenta si va

a capo

●​ Energia crescente degli orbitali → per questa ragione gli orbitali 3d si riempiono dopo

l'orbitale 4s

→ Si conoscono ad oggi 118 elementi chimici, con Z da 1 a 118, di cui 94 sono esistenti in

natura e 24 prodotti in laboratorio. 7

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→ Proprietà periodiche: configurazione elettronica esterna, volume atomico,

potenziale di ionizzazione, affinità elettronica, elettronegatività

Raggio atomico

Il raggio atomico è la metà della distanza tra i nuclei di due atomi uguali e adiacenti.

●​ Aumenta scendendo il gruppo

●​ Diminuisce da sinistra verso destra nel periodo

Elettronegatività

L’elettronegatività è la tendenza di un elemento ad attirare gli elettroni di legame.

●​ Aumenta da sinistra verso destro lungo il periodo

●​ Diminuisce scendendo verso il gruppo

Potenziale di ionizzazione

Il potenziale di ionizzazione è l'energia necessaria per allontanare un elettrone da un atomo

allo stato gassoso.

●​ Aumenta da sinistra verso destro lungo il periodo

●​ Diminuisce scendendo verso il gruppo

Affinità elettronica

L’affinità elettronica è l’energia che si libera quando un atomo acquista un elettrone.

●​ Aumenta da sinistra verso destro lungo il periodo

●​ Diminuisce scendendo verso il gruppo

→ Ricorda 8

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NOMENCLATURA (a parte)

→ I radioisotopi e la radioattività

La radioattività è il fenomeno per cui alcuni nuclei non stabili si trasformano in altri nuclei

emettendo particelle o radiazioni che possono essere magnetiche o corpuscolate.

La radioattività è presente ovunque infatti la possiamo trovare nelle stelle, nella terra e

persino all’interno del nostro corpo.

La radioattività è stata scoperta verso la fine del 1800 grazie a Henry Bequerel e ai coniugi

Pierre e Marie Curie, che ricevettero il Premio Nobel per la Fisica.

Abbiamo parlato di nuclei non stabili ma cos’è un nucleo instabile e cos’è invece un nucleo

stabile?

Nucleo stabile

Un nucleo stabile ha un numero di neutroni bilanciato rispetto al numero di protoni e

possiamo dire che un nucleo è stabile quando il rapporto tra il numero dei protoni con quello

dei neutroni è di 1 o massimo 1,5.

Nucleo instabile

Quando il rapporto tra il numero di protoni e neutroni è maggiore di 1,5 allora il nucleo non è

più stabile e tenta di stabilizzarsi emettendo radiazioni e trasformandosi nel nucleo di un

altro elemento.

Anche gli isotopi (due o più forme di uno stesso elemento, che presentano lo stesso numero

atomico ma diverso numero di massa) possono essere stabili o instabili:

●​ Stabili → Non sono radioattivi.

●​ Instabili → Il nucleo va incontro ad una reazione nucleare e sono radioattivi.

Essi sono chiamati radionuclidi e si trasformano in elementi stabili attraverso

l'emissione di radiazione corpuscolata o elettromagnetica. 9

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Quando parliamo di radiazioni facciamo riferimento a dei fenomeni che sono diversi tra loro

ma hanno in comune la tendenza a trasportare energia nello spazio.

Un esempio di radiazioni sono: la luce visibile, le onde radiotelevisive, le emissioni di

particelle o fotoni X o gamma da parte di un elemento radioattivo.

L'energia trasportata dalla radiazioni viene ceduta quando la radiazione interferisce con la

materia attraversata.

Le radiazioni più comuni sono:

●​ Alfa

●​ Beta +

●​ Beta -

●​ Gamma

●​ Raggi X

→ Il decadimento radioattivo

Il decadimento radioattivo è il processo di trasformazione che porta ad una liberazione di

energia, attraverso il quale un radionuclide padre si trasforma in un radionuclide figlio che

potrà anch’esso essere stabile o instabile.

Se il figlio è stabile, il processo di decadimento è terminato. Se anche il figlio è instabile,

inizia un nuovo processo di decadimento che può essere differente rispetto a quello del suo

predecessore.

Un nucleo instabile impiega tot tempo a decadere e questo tempo è soggetto ad una legge

probabilistica ed è caratteristico per ogni radionuclide.

Il tempo che deve trascorrere perché la metà dei nuclei di un radionuclide decadano si

chiama emivita o tempo di dimezzamento.

Il decadimento di un radionuclide può essere espresso dalla funzione:

Quando una radiazione ha energia sufficiente può ionizzare il mezzo attraversato, ossia

produrre cariche positive e negative.

A seconda che la ionizzazione del mezzo irradiato avvenga per via diretta o indiretta le

radiazioni vengono distinte in:

●​ Radiazioni direttamente ionizzanti → sono particelle cariche elettricamente, come le

particelle alfa e le particelle beta.

●​ Radiazioni indirettamente ionizzanti → fotoni X e gamma ( e anche i neutroni). 10

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Inoltre le radiazioni più comuni si distinguono in:

●​ Corpuscolate → vuol dire che sono dotate di massa come le particelle cariche

elettricamente e i neutroni, pertanto sono direttamente ionizzanti (Alpha, Beta + e

Beta -).

●​ Non corpuscolate → Non hanno né massa né carica e sono indirettamente ionizzanti

(Fotoni x, Gamma e neutroni).

→ Il decadimento Alfa 4

Queste particelle sono nuclei di elio He carichi positivamente con Z = 2 e A = 4.

2

Le particelle hanno scarso potere penetrante e sono formate da nuclei di metalli pesanti (con

numero atomico da 84 a 92) attraverso la perdita di 2 protoni e 2 neutroni.

Si trasformano nell’elemento che lo precede di due caselle nella tavola periodica e che ha

quindi:

●​ Z - 2

●​ A - 4

Interazione con la materia

Il passaggio di una particella alfa attraverso un mezzo porta alla ionizzazione di atomi per

l'attrazione di elettroni e questo comporta alla creazione di ioni negativi e ioni positivi che

possono a loro volta produrre un’ulteriore ionizzazione del mezzo che chiamiamo

ionizzazione secondaria.

Quindi comprendiamo che le particelle alfa hanno un grande potenziale di ionizzazione ma

un basso range di azione infatti queste particelle non sono in grado di passare attraverso i

tessuti come ad esempio la pelle.

Non sono quindi nocive per noi, a meno che non vengano emesse dall’interno del nostro

corpo.

→ Il decadimento Beta

Una particella beta è un elettrone ad alta velocità che fuoriesce da un nucleo in

disintegrazione e come sappiamo, essa può avere carica negativa o carica positiva.

→ Decadimento Beta -

Abbiamo un decadimento B- nel momento in cui un nucleo è instabile a causa di un eccesso

di neutroni e per stabilizzarsi un neutrone si trasforma in protone.

Quindi questo decadimento cambia il numero atomico e si trasforma nell’elemento che si

trova alla sua destra nella tavola periodica.

Importante è ricordare che però il numero di massa rimane uguale.

Quindi:

●​ Z + 1

●​ A sempre uguale

Interazioni con la materia

Le particelle Beta - possono ionizzare il mezzo attraversato causando un allontanamento

degli elettroni dalla sfera di influenza nucleare e questo avviene a causa della repulsione

elettrostatica. 11

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Essendo particelle più piccole e meno dense hanno un potere penetrante maggiore e sono

quindi in grado di penetrare i tessuti.

Questo le rende chiaramente nocive all’essere umano.

→ Decadimento Beta +

Abbiamo un decadimento Beta + nel momento in cui un nucleo è instabile a causa di un

difetto di neutroni, un protone in eccesso emette una particella beta + che si chiama

positrone e si trasforma in un neutrone.

Questo decadimento comporta alla perdita di un protone e di conseguenza il numero

atomico diminuisce di uno e quindi il nucleo si trasforma nel nucleo dell’elemento che lo

precede sulla tavola periodica.

Quindi

●​ Z - 1

●​ A sempre uguale

→ I radionuclidi che decadono per emissione ß+ sono usati in medicina nucleare per la

Tomografia ad Emissione di Positroni (PET).

I positroni provengono dal decadimento di nuclei radioattivi che vengono incorporati in un

fluido iniettato poi per via endovenosa al paziente. I positroni emessi annichilano con gli

elettroni degli atomi vicini e danno luogo a due raggi gamma emessi in direzioni opposte.

Essi vengono rivelati tramite rivelatori disposti in "anelli" attorno al paziente, per ricostruire

dove si è distribuito il radiofarmaco nel corpo.

→ Radiazioni Gamma (nel nucleo)

Le radiazioni gamma sono radiazioni elettromagnetiche ad alta energia e sono emesse

durante il decadimento radioattivo dei nuclei atomici.

I raggi γ sono chiamati anche fotoni perché possiedono sia le proprietà di una particella sia

quelle di un'onda, non hanno né massa né carica e viaggiano alla velocità della luce.

Il loro potere penetrante è di gran lunga maggiore delle altre radiazioni.

Quando un nucleo emette una particella, si scinde in due frammenti dove uno è

rappresentato dalle particelle alfa e beta