Biochimica - Appunti

La chimica e la materia

La chimica è la scienza che studia la struttura, la composizione, le proprietà e le trasformazioni chimiche della materia. La materia è tutto ciò che ha massa (quantità di materia all'interno del corpo) e volume (porzione di spazio che occupa un corpo). La massa è una grandezza diversa dal peso, che è invece la misura della forza con cui il corpo viene attirato verso il centro della Terra e varia quindi a seconda della forza di gravità.

Trasformazioni fisiche e chimiche

Distinguiamo trasformazioni fisiche, in cui non cambia la natura chimica della materia (es. da ghiaccio a acqua), e trasformazioni chimiche, in cui si altera la natura chimica della materia (es. combustione, che è l'ossidazione il cui prodotto è CO2, calore, e H₂O).

Energia e atomi

L'energia (in fisica) è la capacità di un corpo di compiere un lavoro. Più in generale è tutto ciò che provoca un qualsiasi cambiamento della materia. Può passare da un corpo all'altro ma non è né creata né distrutta. In termini di movimento distinguiamo energia cinetica e energia potenziale (non si manifesta subito ma in determinate condizioni). Quindi la materia, in termini chimici, è costituita da atomi.

• Composto chimico = è formato da atomi di elementi legati tra loro (molecola).
• Elemento chimico = è formato dagli stessi atomi (idrogeno).
• Atomo = il termine significa "indivisibile"; le prime scoperte sulle particelle atomiche avvennero intorno al 1800-1900 e queste sono chiamate: neutroni, protoni, elettroni (particelle subatomiche).

Struttura dell'atomo

L'atomo non è l'unità fondamentale della materia in quanto si è scoperto che le particelle subatomiche sono a loro volta formate da particelle ancora più piccole non identificabili. L'atomo è una struttura vuota (presente tra il nucleo e gli elettroni) che eviterebbe che tutta la materia fosse compatta. La massa dell'atomo è costituita dai protoni che hanno massa maggiore degli elettroni (la massa degli elettroni è trascurabile) e da neutroni, la cui massa è simile a quella dei protoni ma sono privi di carica. Ecco definito il numero di massa = protoni + neutroni.

Numero di massa e numero atomico

Quindi la massa di un atomo è determinata dal suo nucleo e si esprime con il numero di massa di Dalton che è l'unità di misura della massa atomica definita come la dodicesima parte della massa di un atomo di carbonio C₁₂ ed equivale alla massa di un atomo di H = 1,66 * 10^-24 grammi. 1 Dalton = 1,66 * 10^-24 grammi. Nella tavola periodica viene indicata la massa atomica (è un calcolo di media della massa di un atomo). Ma ciò che distingue un atomo dall'altro non è la massa, bensì il numero atomico (Z) = è il numero degli elettroni che è uguale a quello dei protoni (in un atomo neutro).

• Protone = è la più piccola carica elettrica positiva esistente in natura e stabilisce il tipo di atomo.
• Neutrone = è privo di carica e ha la funzione di tenere legati insieme i protoni nel nucleo. Il numero dei neutroni è diverso dal numero dei protoni ma si è notato che al crescere del numero atomico anche i neutroni aumentano di numero; questo perché aumenta la necessità di tenere insieme i protoni.
• Elettrone = è la particella con carica negativa più piccola in natura e si trova in ugual numero con i protoni in condizioni di neutralità. L'elettrone più esterno, quindi più lontano dal nucleo, è responsabile del comportamento chimico dell'elemento.

Dimensioni atomiche e modelli atomici

L'atomo ha un raggio pari a 1 Å (Angstrom) = 10^-10; il protone ha un raggio pari a 0,0001 Å e l'elettrone è 1830 volte più piccolo del protone. L'atomo è molto più grande del suo nucleo ma si parla sempre di dimensioni microscopiche! Essendo che gli elettroni sono responsabili del comportamento chimico degli elementi essi sono stati studiati nella loro posizione; sono stati presentati diversi modelli: modello di Rutherford, di Bohr, di Schrödinger. Tuttavia il modello planetario cui ci riferiamo non è da considerare reale in tutti i suoi aspetti poiché per poter vedere un elettrone è necessario sottoporlo a radiazione la quale però farebbe spostare l'elettrone stesso non indicando la sua posizione reale.

Principio di indeterminazione e orbitali

Da questa realtà deriva il principio di indeterminazione capace di definire il dualismo onda-particella secondo cui le particelle elementari come l'elettrone e il fotone presentano una duplice natura: corpuscolare e ondulatoria. Secondo il principio di indeterminazione è impossibile definire l'orbita, piuttosto si parla di orbitale, il quale definisce una zona intorno al nucleo in cui si ha un'alta probabilità di trovarvi l'elettrone (90% di probabilità). Dall'introduzione della probabilità nella definizione degli orbitali, è stata introdotta una formula matematica chiamata funzione d'onda, la quale descrive la forma, la dimensione e l'orientamento nello spazio degli elettroni attraverso numeri, chiamati a loro volta numeri quantici:

• Principale (n) indica il volume e l'energia dell'orbitale cui si riferisce (quindi indica il numero del livello e assume i valori compresi tra 1 e 7).
• Secondario (l) indica la forma dell'orbitale e assume i valori che vanno da 0 a n-1.
• Magnetico (m) indica l'orientamento spaziale dell'orbitale e assume i valori compresi da -l a +l.
• Spin (ms) indica il singolo elettrone e il suo verso (orario o antiorario) e assume i valori compresi tra +1/2 e -1/2.

Energia degli orbitali

L'energia dell'orbitale è data dall'energia dell'elettrone che vi si colloca. Gli elettroni tendono a stare spontaneamente e naturalmente nel livello di energia più basso cioè vicino al nucleo. Quando un elettrone viene spinto a passare ad un livello di energia più alto (quindi si allontana dal nucleo) emette una radiazione e quando l'energia smette di influenzarlo esso torna nel livello più basso.

Regole per il riempimento degli orbitali

• In un orbitale non vi possono essere più di due elettroni e devono avere spin opposto.
• L'elettrone occupa l'orbitale con minore energia se questo non è già occupato da due elettroni.
• Avendo due orbitali con stessa energia in cui uno ha un elettrone e l'altro è vuoto, il secondo elettrone va nell'orbitale vuoto con spin uguale all'elettrone di fianco.
• L'energia di un orbitale varia al variare di n e l (numero quantico principale e secondario).

Interazioni tra elementi

Gli elementi della tavola periodica interagiscono tra loro per raggiungere l'ottetto ovvero la configurazione s²p⁶ (stabilità elettronica) che hanno solo i gas nobili allo stato neutro (8° gruppo). Per raggiungere la stabilità formano dei legami tra loro. L'energia di ionizzazione è l'energia necessaria per allontanare un elettrone dal suo atomo. Essa è una proprietà periodica (aumenta all'aumentare del periodo da sinistra verso destra mentre diminuisce lungo i gruppi). Quando un atomo si ionizza diventa ione e cambia il suo volume e può essere catione (perde un elettrone e diventa +) o anione (acquista un elettrone e diventa -). L'anione quindi diventa più grande perché acquista un elettrone. L'energia di ionizzazione quindi a sinistra della tavola sarà bassa mentre a destra sarà alta (gli ultimi gruppi tendono ad attirare elettroni mentre i primi gruppi tendono a lasciare un elettrone).

Volume atomico ed elettronegatività

Il volume dell'atomo invece è una proprietà che diminuisce lungo il periodo e aumenta lungo i gruppi quindi aumenta all'aumentare del numero atomico; il numero atomico però aumenta anche lungo il periodo, e perché lungo il periodo il volume diminuisce? Per l'attrazione energetica del nucleo: per esempio il litio e il berillio sono vicini lungo il periodo; il Be ha un numero atomico più alto ma volume più piccolo... perché? Perché l'elettrone del litio è influenzato dall'elettrone del berillio quindi tende a stare molto lontano dal nucleo e appare più grande rispetto al berillio pur avendo numero atomico minore. Gli elementi con alta energia di ionizzazione si chiamano non metalli (sono cattivi conduttori ma buoni isolanti), quelli con bassa energia di ionizzazione si chiamano metalli (proprio per la loro bassa ionizzazione sono buoni conduttori). L'elettronegatività è la tendenza che ha un atomo di attirare verso di sé gli elettroni. È una proprietà periodica ma è diversa dall'energia di ionizzazione poiché quest'ultima riguarda il volume mentre l'elettronegatività riguarda il legame tra gli atomi. L'elemento più elettronegativo è il fluoro.

Legami chimici

Un legame chimico è la forza che tiene uniti due atomi. Quando 2 atomi si legano si crea una molecola.

• Formula grezza o bruta = indica quali e quanti atomi ci sono in quella molecola;
• Formula di struttura = indica il tipo di legame tra gli atomi della molecola.

La lunghezza del legame è molto importante perché indica la forza del legame, infatti se il legame è lungo l'atomo sarà grande ma instabile e il legame sarà debole; se il legame è corto l'atomo sarà piccolo ma stabile e il legame sarà forte. La lunghezza del legame dipende dal raggio atomico (un atomo piccolo avrà un legame corto) ma anche dal numero dei legami che si creano (più sono i legami più il legame è corto) infatti in un legame doppio il legame è sicuramente più corto di un legame semplice (il doppio legame avviene solo tra atomi piccoli). La conformazione spaziale dipende dalla struttura degli atomi i quali si deformano in conseguenza del legame. Esistono legami ionici, covalenti, metallici.

Tipi di legami chimici

Il legame covalente consiste in una condivisione reciproca di uno o più elettroni tra due atomi. Avviene tra due atomi con differenza di elettronegatività quasi nulla (<1,7). Può essere un legame covalente polare o apolare. È polare se vi è una differenza di elettronegatività che va da 0,4 a 1,7 e la condivisione non è equa e si originano cariche parziali (che in un legame covalente non dovrebbero esserci). La differenza di elettronegatività in questo caso esiste ma non è tale da formare un legame ionico (infatti si chiamano cariche parziali). Il legame covalente è apolare o omopolare se non vi è differenza di elettronegatività e non vi sono cariche parziali.

Il legame ionico invece è un'attrazione elettrostatica poiché si forma tra atomi con elevata differenza di elettronegatività con conseguente formazione di cariche (positive o negative). Il legame non è una condivisione ma implica proprio la perdita o l'acquisto di un elettrone tra atomi. Dal legame ionico non si forma una molecola ma un reticolo con struttura cristallina quindi un solido. Si forma tra un metallo e un non metallo.

Il legame metallico invece è specifico dei primi due gruppi della tavola ed ha proprietà sia covalenti sia ioniche ed è adirezionale. Questi tre legami descritti sono tipi di legami intramolecolari. Per quanto riguarda i legami intermolecolari invece parliamo delle forze di Van der Waals, legami deboli elettrostatici. Tra le forze di Van der Waals troviamo vari tipi di legami:

• Interazioni dipolo-dipolo = forza elettrostatica tra due molecole polari, è un dipolo spontaneo e permanente; il legame idrogeno è un legame particolare di dipolo-dipolo;
• Interazioni dipolo-dipolo indotto = una molecola apolare induce l'altra ad assumere una carica temporanea (questo è causato dal moto rapido degli elettroni intorno al nucleo);
• Interazioni dipolo indotto-dipolo indotto = entrambe le molecole apolari si inducono a cambiare carica e divenire temporaneamente molecole polari.

Questi legami sono deboli rispetto al legame covalente, ionico, metallico poiché è bassa la loro energia di legame (Kcal) che è la quantità di energia che si libera o occorre fornire per rompere un legame. In biologia i legami deboli servono a strutturare molecole che hanno necessità nel loro ruolo di rompersi. Il valore dell'energia di legame dipende da tre fattori importanti:

• Raggio degli atomi
• Tipo di legame
• Numero dei legami

Il legame ponte idrogeno è una particolare interazione tra dipoli che si forma nelle molecole di acqua (grazie alla sua dipolarità) o meglio, si forma tra un atomo di idrogeno, già legato covalentemente con un atomo molto elettronegativo, e un altro atomo molto elettronegativo. I legami ponte idrogeno si formano quando la temperatura dell'acqua cala e sono proprio questi legami a dare la struttura cristallina del ghiaccio. Il legame ponte idrogeno si spezza all'aumentare della temperatura quindi all'aumentare del movimento tra gli atomi dell'acqua.

Esiste poi un legame ione-dipolo come avviene tra l'acqua e uno ione come il sale da cucina NaCl: le molecole di acqua vengono attirate dal cloro e lo staccano dal sodio rompendo il legame; il cloro così viene circondato dall'idrogeno, mentre il sodio viene circondato dall'ossigeno dell'acqua. Lo zucchero e il sale si sciolgono attraverso legami ponte idrogeno.

Proprietà dell'H₂O

• Allo stato liquido ha un volume proprio e assume la forma del recipiente che la contiene;
• Presenta deboli forze di coesione tra molecole;
• Elevato calore specifico e elevata capacità termica (si scalda e si raffredda lentamente proprio per la presenza di legami ponte idrogeno);
• Quando si solidifica il volume aumenta, diminuisce la densità e il ghiaccio galleggia sull'acqua;
• L'acqua ha un peso quindi esercita una pressione: pressione idrostatica.

Materia: sostanze pure e miscele

La materia è suddivisa in:

• Sostanze pure ➔ elementi (non scomponibili); sono sostanze pure anche composti come acqua, zucchero, sale poiché sono composti da due o più elementi in proporzioni fisse ed equilibrate.
• Miscele ➔ mescolanza tra 2 sostanze e sono di due tipi: miscele omogenee (miscelate in modo uniforme) e miscele eterogenee (miscelate in modo non uniforme). L'aria è una miscela omogenea; il sangue, la roccia e il legno sono miscele eterogenee.

La materia si presenta sotto forma di stati di aggregazione. Le molecole allo stato gassoso non hanno legami, allo stato liquido hanno legami ponte idrogeno, allo stato solido hanno legami ionici, metallici, covalenti.

Fenomeno dell'evaporazione

Il fenomeno dell'evaporazione avviene anche senza aumento della temperatura poiché è una tendenza naturale delle particelle che trova la sua vera causa nell'entropia (situazione naturale di disordine, corrispondente alla situazione di minor energia, cui tendono le cose). Nel passaggio di liquefazione, aggiungendo calore, la temperatura del corpo è costante, perché? Perché l'energia data in più è usata per rompere i legami: quando l'acqua arriva a 100°C notiamo che pur dando sempre calore la temperatura rimane costante per un certo momento, in questo momento l'energia in più è appunto usata per spezzare i legami.

Soluzioni e concentrazione

Una soluzione è un sistema omogeneo composto dall'unione di 2 o più elementi. La soluzione è composta da un solvente (sostanza in maggiore quantità) e un soluto (sostanza in minore quantità). L'acqua è un ottimo solvente. Si distinguono anche soluzioni gassose in cui le particelle esercitano una certa pressione all'interno del contenitore che aumenta se aumenta il numero di particelle. La pressione esercitata qui, dipende solo dal numero delle particelle e non dal tipo.

Una soluzione si dice satura quando raggiunge una situazione di equilibrio in cui il movimento delle particelle di soluto ha uguale intensità (il movimento c'è sempre!!). Il raggiungimento della condizione di equilibrio dinamico (poiché c'è sempre movimento) avviene quando le particelle di soluto, dopo essere passate in soluzione (sono entrare in contatto con il solvente) compiono un movimento stabile nel passaggio di ritorno e nel passaggio in soluzione. La parte di soluto non disciolta si chiama corpo di fondo.

Metodi di misurazione della concentrazione

• Percentuale peso/volume = è il numero di grammi di soluto sciolti in 100 ml di soluzione (1 ml = millesima parte di 1 litro) (100 ml = decima parte di 1 litro). Una soluzione è al 0,9% quando ha 0,9 grammi di soluto in 100 ml di soluzione.
• Percentuale volume/volume
• Percentuale peso/peso
• Molarità = è il numero di moli in 1 l di soluzione. La mole è il peso molecolare espresso in grammi. Per definizione la mole è la quantità di sostanza che contiene 6,02 * 10²³ unità elementari; è la quantità di materia che contiene un numero di entità elementari pari al numero di atomi presenti in 12 grammi di carbonio-12. La mole di un composto è uguale al suo peso molecolare espresso in grammi; una mole di un elemento è uguale al suo peso atomico espresso in grammi.