Appunti Biologia-Chimica per superare OFA!! Utile anche per superare il Test d'ingresso

Chimica generale o chimica inorganica

Elementi di chimica (prerequisiti)

La materia è costituita da elementi chimici. Un elemento chimico è la più piccola unità che contiene le caratteristiche tipiche di quella specie, è una sostanza che non può essere scissa in sostanze più semplici tramite una reazione chimica senza perdere le sue caratteristiche. In natura gli elementi presenti sono 92. Circa 25 dei 92 elementi sono definiti essenziali per la vita.

Quattro di questi costituiscono da soli più del 95% del corpo umano:

• Ossigeno (O)
• Carbonio (C)
• Idrogeno (H)
• Azoto (N)

Nessun essere vivente funziona solo con questi 4 tipi di atomi, ce ne sono altri importanti anche se in peso e proporzione valgono molto meno.

I principali elementi chimici che compongono il corpo umano (in peso)

O: 65%
C: 18,5%
H: 9,5%
N: 3,3%

Il resto è composto da:

• Circa 15 elementi che si trovano in tracce e assieme sono poco più di un decimillesimo. Pur essendo in tracce, la loro importanza non è minore. Infatti nella maggior parte dei casi l’organismo non sopravvivrebbe senza di questi elementi.
• e da calcio, fosforo, potassio, zolfo, sodio, cloro, magnesio che sono importantissimi per la sopravvivenza di ogni organismo vivente e insieme sono circa il 4%.

La rilevante percentuale di O è dovuta al fatto che esso entra nella composizione dell’acqua (H₂O), la sostanza che compone circa il 75% del nostro organismo.

Elementi importanti dal punto di vista biologico

- Oltre a comporre l’acqua, l’ossigeno è necessario per la respirazione cellulare ed è un componente della maggior parte dei composti organici.

- Il carbonio costituisce lo scheletro di tutti i composti organici (ogni C forma 4 legami).

- L’idrogeno è presente in tutti i composti organici, è un componente dell’acqua.

- Nelle proteine e negli acidi nucleici oltre ai tre precedenti elementi, è presente l’azoto.

- Il calcio in forma ionica (Ca⁺⁺) è importante per la contrazione muscolare, per la liberazione di neurotrasmettitori. È una componente strutturale di denti e ossa.

- Il fosforo è un componente degli acidi nucleici e dell’ATP. È un componente dei fosfolipidi, i costituenti delle membrane. Componente strutturale delle ossa.

- Sodio, potassio e cloro in forma ionica (Na⁺, K⁺, Cl^-) sono importanti per l’attività elettrica del neurone (e nelle cellule in generale).

Atomi

Ogni elemento è costituito da un solo tipo di atomi. L’atomo è la più piccola unità di materia che mantiene le proprietà di un elemento. Gli atomi sono a loro volta composti da particelle subatomiche (le stesse compongono gli atomi di tutti gli elementi); queste particelle subatomiche sono:

• Protoni → Carica elettrica positiva
• Elettroni → Carica elettrica negativa
• Neutroni → Nessuna carica

Neutroni e protoni sono delle particelle di grande dimensione e si trovano nel nucleo dell’atomo, mentre gli elettroni sono particelle di più piccole dimensioni che ruotano attorno al nucleo dell’atomo.

Anche se gli elettroni sono molto più piccoli dei protoni, essi posseggono entrambi carica elettrica unitaria (ma di segno opposto). Sono estremamente importanti perché si trovano all’esterno dell’atomo e sono quelli che conferiscono le caratteristiche che sono diverse per ciascun atomo, per ciascun elemento quindi come un elemento reagisce con un altro elemento dipende dalla configurazione esterna dei suoi elettroni.

Primo concetto: unità di massa atomica o dalton

Per convenzione la massa (che noi comunemente chiamiamo peso) di protoni e neutroni è considerata =1. 1 protone pesa 1 Dalton. La massa di un elettrone è circa 1/1800 della massa del protone e di fatto viene trascurata nel calcolare la massa atomica.

Numero atomico e numero di massa

• Il numero atomico di un elemento è costituito dal numero di protoni che si trovano nel nucleo (definisce di che elemento stiamo parlando, come il nome).
• Il numero di massa di un atomo è dato dalla somma del numero di protoni e di neutroni.

Il numero di neutroni può essere variabile quindi può variare anche il numero di massa.

Carbonio:

• 6 protoni
• 6 neutroni
• 6 elettroni

Quindi numero atomico del carbonio è 6 (6 protoni) e gli dà tutte le caratteristiche chimiche del carbonio. Quindi il numero di massa è 12.

Il numero atomico si scrive in basso a sinistra ¹²C, mentre il numero di massa di scrive in alto a sinistra ¹²C, quindi 6¹²C₆. Quindi il carbonio è il sesto elemento. Tutti gli atomi di carbonio hanno numero atomico 6 perché se avessero 7 protoni sarebbero atomi di azoto. La maggior parte ma non tutti gli atomi di carbonio hanno massa atomica = 12.

Carbonio -12, Carbonio -13, Carbonio -14

• 6 protoni, 6 neutroni, 6 elettroni
• 6 protoni, 7 neutroni, 6 elettroni
• 6 protoni, 8 neutroni, 6 elettroni

In quantità:

• Il 99% degli atomi
• Circa l’1% degli atomi
• Minime quantità

Cosa cambia tra il carbonio -12 e il carbonio -13? Dal punto di vista chimico non cambia niente, perché sono i 6 elettroni che fanno sì che il carbonio sia carbonio e questi 6 elettroni dipendono dai 6 protoni che ci sono all’interno del nucleo. La differenza è che pesa di più.

Le forme dello stesso elemento che differiscono per il numero di massa si chiamano isotopi (¹²C, ¹³C, ¹⁴C). Avendo numero di massa diverso, i diversi isotopi pesano in modo diverso. Essi tuttavia, avendo lo stesso numero di elettroni, tendono a comportarsi in modo simile dal punto di vista chimico.

Alcuni isotopi sono instabili e decadono, trasformandosi in un isotopo più stabile ed emettendo particelle ed energia (radiazioni atomiche). Questi isotopi si chiamano isotopi radioattivi o radioisotopi perché nel decadere non si limitano a perdere un neutrone ma liberano un sacco di particelle subatomiche.

Un esempio è dato dall’isotopo del Carbonio -14: pesa quasi il 20% in più del normale carbonio ma nelle reazioni chimiche si comporta in modo pressoché uguale. Entra nella composizione di piante ed animali in proporzione nota e le radiazioni che emette possono essere utilizzate per la datazione dei fossili → finché siamo in vita manteniamo un tasso costante di C-14 che ci entra con la dieta, dopo che siamo morti quindi non entra e non esce più nulla i C-14 possono diminuire perché tutti quelli che decadono spariscono. Confrontando il C-14 che c’è in un organismo vivo con quello del fossile possono determinare da quanto tempo si è fossilizzato.

Alcuni isotopi radioattivi come il carbonio-14, il fosforo-32 e il trizio (³H) trovano largo impiego sia nella Diagnostica Medica che nella Ricerca Biologica. L’ormone ossitocina nell’uomo e negli altri mammiferi è implicato nella formazione di legami affettivi (legame di coppia e legame tra genitori e figli). Gli isotopi radioattivi hanno permesso di localizzare il sito d’azione per l’ossitocina nel cervello di un roditore. Quando si viene toccati dal partner si ha livelli di ossitocina a picco, le persone innamorate hanno un livello di ossitocina 5 o 6 volte superiore alla popolazione di controllo. Facilità la formazione tra legami affettivi.

Le radiazioni emesse dagli isotopi danneggiano il DNA. Per questo vengono utilizzate nella terapia di alcuni tipi di tumore. La radioterapia consiste nell’irradiare selettivamente l’area interessata preservando i tessuti circostanti. La PET, Tomografia a emissione di positroni utilizza dei radioisotopi a rapido decadimento come ¹¹C, ¹³N o ¹⁵O, incorporati in uno zucchero per mettere in evidenza zone dove vi sono differenze di metabolismo. Nel cervello si usano soprattutto zuccheri. Si vedono le parti più attive, quelle che stanno utilizzando più zucchero.

Mediante marcatori radioattivi è possibile stabilire il sito in cui agisce un neurotrasmettitore. I fumatori abituali di sigarette hanno da due a quattro volte più recettori nicotinici per il neurotrasmettitore acetilcolina in alcune aree corticali. Si modifica il tessuto neuronale e aumentano i recettori nicotinici.

L’elemento più piccolo è l’idrogeno (H). Esso possiede un protone e un elettrone → numero atomico=1, numero di massa=1. In realtà un atomo su 6500 possiede anche un neutrone (deuterio, massa 2) e in laboratorio si può produrre un atomo di H con due neutroni (trizio, massa 3).

All’aumentare del numero atomico aumenta il numero di elettroni che ruotano intorno al nucleo. L’elio ne ha 2, il litio ne ha 3 e così via.

Gli elettroni occupano orbitali

Ci sono due elettroni per ogni orbitale. Gli elettroni posti in orbitali con livelli energetici simili costituiscono un guscio elettronico. Un primo guscio che contiene un solo orbitale, un orbitale può tenere fino a 2 elettroni. Gli elettroni possono essere da 1 a 92 a seconda dell’elemento chimico, questi si dispongono in posizioni discrete, non sono tutti mescolati insieme, in particolare si sistemano in gusci concentrici. Il primo contiene solo 1 orbitale, ogni orbitale può contenere 1 o 2 elettroni. Il primo orbitale può contenere 1 come nel caso dell’idrogeno, o 2 come nel caso dell’elio ecc.

I successivi gusci elettronici sono costituiti da 4 orbitali ciascuno (fino ad 8 elettroni). Nei primi due elementi idrogeno ed elio (H=1e, He=2e) quindi, gli elettroni occupano un orbitale (chiamato anche s) che costituisce il primo livello energetico o primo guscio. I seguenti otto elettroni vanno ad occupare quattro orbitali organizzati in secondo livello energetico (secondo guscio). Poi segue un terzo guscio ecc.

Quando un guscio si riempie si ottiene un elemento molto stabile (He). Diventa instabile quando ha o tutto il guscio riempito tranne uno o quando ha un guscio tutto vuoto tranne uno → elementi più reattivi che si combinano con un sacco di altri elementi (Idrogeno, Litio).

Legami e molecole

Due o più atomi possono legarsi tra loro per formare molecole. Due atomi di idrogeno e uno di ossigeno si legano insieme per formare una molecola d’acqua. Il comportamento chimico di un dato atomo, la sua affinità per altri atomi e il tipo di legami che forma dipende essenzialmente dal numero di elettroni che si trovano nel guscio più esterno. Gli elettroni che si trovano nel guscio più esterno vengono anche chiamati elettroni di valenza cioè quelli che mi fanno prevedere cosa farà quel determinato elettrone per diventare stabile.

Per valenza si indica il numero di elettroni che un atomo guadagna, perde o mette in compartecipazione quando forma legami con altri atomi. Gli elementi chimici che hanno un guscio completamente riempito (2, 10 o 18 elettroni) sono molto stabili e tendono a reagire poco con gli altri elementi (elementi inerti o gas nobili). Viceversa gli elementi cui mancano uno o più elettroni per completare il guscio e quelli che hanno uno o più elettroni in eccesso sono estremamente reattivi. Questi secondo tenderanno a combinarsi con altri elementi in modo tale da “perdere” gli elettroni in eccesso. I primi invece tenderanno a combinarsi con altri elementi in modo tale da attirare elettroni per completare l’orbitale.

Il concetto di mole

Supponiamo di dover combinare H e O in parti giuste per ottenere H₂O, quanti grammi di H e quanti di O dobbiamo preparare? Se si usasse un peso doppio di H rispetto a O avanzerebbe un sacco di H. Infatti poiché H ha numero di massa = 1 e O numero di massa = 16, 10 grammi di idrogeno contengono molte più molecole rispetto a 10 gr di ossigeno (per l’esattezza 16 volte di più).

La mole di una sostanza è il peso in grammi pari al suo numero di massa. 1 grammo di H (una mole di H) contiene lo stesso numero di atomi di 16 grammi di O (1 mole di O). Poiché in una molecola di acqua ci sono due atomi di H e un atomo di O le proporzioni giuste da far reagire sono 2 g di H e 16 g di O. Quando si ha a che fare con mole occorre sapere la loro massa molecolare (la somma della massa atomica degli atomi che la compongono). Una mole d’acqua (H₂O) pesa 18 grammi [16+(2x1)]. Una mole di glucosio (C₆H₁₂O₆) pesa 180 grammi [(6x12)+(12x1)+(6x16)].

I legami chimici

Ci sono 4 differenti tipi di legame chimico:

• Covalente *
• Ionico *
• A idrogeno
• Di van del Waals

Legame covalente

Un legame covalente semplice viene a formarsi quando due atomi condividono una coppia di elettroni in modo tale che entrambi raggiungono una condizione più stabile; questo non succede a caso, si forma quando questa messa in comune rende più stabile la condizione di entrambi. Ad esempio due atomi di H condividono una coppia di elettroni in modo tale che entrambi raggiungono la condizione con due elettroni nel primo livello energetico (guscio K). Un atomo di C condivide una coppia di elettroni con ciascuno dei quattro atomi di H cui si lega in modo. In questo modo C raggiunge la condizione stabile con 8 elettroni nel secondo livello energetico (guscio L).

Legame covalente doppio

Oltre a poter formare legami con più atomi diversi, uno stesso atomo può formare più legami covalenti con un singolo atomo. Ciò avviene quando due atomi condividono non una sola ma più coppie di elettroni (ad es. in O₂). Il legame covalente doppio si simbolizza con un doppio trattino tra i due atomi coinvolti:

Legame semplice H-H
Legame doppio O=O

Fin qui abbiamo trattato legami covalenti apolari cioè si univano o atomi di uno stesso elemento (H-H) oppure si univano elementi che mettevano in comune atomi che trascorrevano lo stesso tempo sia in uno che nell’altro atomo.

Legami covalenti polari

In una molecola gli atomi che formano tra loro un legame covalente possono avere una differente tendenza ad attrarre elettroni (si dice che uno è più elettronegativo dell’altro). Questo accade per esempio nella molecola dell’acqua dove l’Ossigeno è più elettronegativo dell’idrogeno. L’acqua possiede legami covalenti polari. Gli elettroni di legame dell’acqua sono condivisi in modo ineguale: la densità elettronica è maggiore in prossimità dell’atomo di ossigeno. L’ossigeno ha carica negativa mentre l’idrogeno positiva. In questo caso gli elettroni condivisi passano più tempo attorno all’O che all’H e si forma il cosiddetto legame covalente polare.

Sono covalenti apolari i legami in H₂ e O₂ e i legami tra C e H come nel metano CH₄. Ossigeno, azoto, fluoro e cloro sono molto elettronegativi e tendono a dormare legami covalenti polari. L’ossigeno ad esempio forma legami polari oltre che con l’idrogeno anche con il carbonio e la maggioranza degli atomi con cui si combina. Quando si forma un legame covalente polare, come in H₂O, sebbene la molecola sia complessivamente neutra, essa ha un estremo con una carica parziale positiva δ+ (idrogeno) e uno con una carica parziale negativa δ- (ossigeno).

Legame a idrogeno

Il legame ad idrogeno (molto più debole) si forma tra un atomo di idrogeno con una carica parziale positiva e un altro atomo (ad es ossigeno o azoto) con una carica parziale negativa. Esso può formarsi tra due molecole o tra parti diverse di una stessa grande molecola. Un esempio di legame ad idrogeno è quello che si forma tra le molecole d’acqua. La forza di legame ad idrogeno è 1/20 di quella di un legame covalente. Tuttavia la formazione di molti legami ad idrogeno può conferire una notevole stabilità alle strutture → Proteine, DNA.

Legame ionico

Quando due atomi differiscono notevolmente nella loro elettronegatività e uno mostra forte tendenza a perdere elettroni e l’altro ad acquistarli può avvenire il trasferimento di un elettrone da un atomo all’altro (quando ad uno manca uno e all’altro mancano tutti tranne uno).

Atomi con 1,2,3 elettroni nel guscio esterno tendono a perdere per raggiungere uno stato di maggiore stabilità
Atomi con 5,6,7 elettroni tendono ad acquistarli per raggiungere uno stato di maggiore stabilità

Es.

• Sodio
• Potassio
• Calcio
• Fluoro
• Cloro
• Zolfo

Un esempio di come questo trasferimento può legare assieme atomi differenti è dato dalla formazione di legame ionico tra cloro e sodio a formare cloruro di sodio (NaCl) il comune sale da cucina. All’inizio i due atomi sono elettricamente neutri ma instabili e fortemente reattivi. Il sodio ha un elettrone “in più” rispetto al numero che serve per completare il guscio elettronico esterno e assumere una configurazione stabile (8 elettroni). Al cloro invece manca un elettrone per raggiungere la configurazione stabile con 8 elettroni nel guscio esterno. Il cloro “strappa” un elettrone al sodio. La reazione tra sodio e cloro permette ad entrambi di ottenere una condizione stabile con otto elettroni nel guscio esterno.

Ora però il sodio è carico positivamente (ha perso un elettrone cioè una carica unitaria -) Na⁺ mentre il cloro è caricato negativamente (ha acquistato un elettrone cioè una carica unitaria -) Cl^-. Quando un atomo perde un elettrone o lo acquista, esso diventa uno ione perché il numero di protoni non è più uguale a quello degli elettroni ed esso non è più elettricamente neutro. Raggiungono sì la stabilità, ma a costo della carica.

Gli ioni carichi positivamente come Na⁺ si chiamano → Cationi
Gli ioni carichi negativamente come Cl^- si chiamano → Anioni

Alcuni atomi o molecole possono perdere o guadagnare più di un elettrone. Poiché hanno cariche opposte, Na⁺ e Cl^- si attraggono. Allo stato solido i due ioni sono strettamente uniti a formare cristalli. Si forma un legame così forte (è difficile rompere il sale) perché si forma un "reticolo" cristallino.