Chimica

Definizioni cardine

La materia è tutto ciò che ha una massa e occupa uno spazio, ovvero un volume. La costituente della materia, la massa, invece è la resistenza che il corpo oppone a una forza che tenta di far variare il suo stato di quiete o di moto; per questo è indipendente dalla forza di gravità, a differenza del peso.

La chimica

La chimica è la scienza che studia la struttura, le proprietà della materia e le sue trasformazioni che, nell’ambito delle scienze mediche, riguardano tutti quegli eventi alla base dei fenomeni biologici che regolano il funzionamento dell’organismo.

Proprietà della materia

Le proprietà della materia si descrivono e dividono in due grandi compartimenti:

• Chimiche: sono caratteristiche delle sostanze che, se messe ad interagire, instaurano processi capaci di modificarne la loro natura.
• Fisiche: esse invece descrivono il comportamento della materia sottoposta a processi fisici, cioè a sollecitazioni che possono modificarne: posizione, contenuto, distribuzione dell’energia ma non natura e composizione.

Stati di aggregazione della materia

La materia si può presentare sotto forme diverse: gli stati di aggregazione. I vari stati di aggregazione dipendono dalla stabilità, dalla posizione e dalla quantità di spazio occupato dagli atomi nell’ambiente che li circonda. Essi sono 3 diversi fra loro:

• Solido: lo stato più ordinato di tutti; l’entropia è al minimo e l’entalpia è al massimo. Se si aggiunge ancora entropia al sistema si ha la liquefazione (solido – gassoso: sublimazione).
• Liquido: in questo stato c’è un po’ più di disordine e gli atomi hanno più spazio per occuparlo. Se si aggiunge ancora entropia al sistema si ha l'evaporazione.
• Gassoso: gli atomi sono totalmente liberi e non hanno un loro ordine. Questo è il grado con maggior entropia fra tutti.

La sublimazione è il processo di cambiamento di stato di aggregazione della materia più importante fra tutti: con questo meccanismo si riescono a trasportare grandi quantità di gas sotto forma liquida (ossigeno, elio).

Legge di Boyle

I gas sottostanno a delle leggi ben particolari. Quella che ci interessa di più è la legge di Boyle, quando a temperatura costante, il prodotto tra pressione e volume è costante. La legge di Boyle è molto importante anche per noi e per il funzionamento del nostro corpo: spiega perché e come facciamo a respirare. Quando inspiriamo, il diaframma, il muscolo posto sotto ai nostri polmoni, viene contratto e si sposta verso il basso, permettendo ai polmoni-spugna di aumentare il loro volume e diminuendo quindi la loro pressione. Quando invece espiriamo, il diaframma si rilassa e si sposta verso l’alto, spingendo anche i polmoni verso l’alto, alzando la pressione e facendo uscire la massa di aria.

Cristalli liquidi

Un altro stato importante della materia è quello dei cristalli liquidi o liquido cristallino. Questo stato non si può definire né liquido né solido, nonostante abbia delle caratteristiche intermedie fra i due e abbia delle molecole coordinate che però non interagiscono molto come in quello solido. Questa aggregazione della materia è presente bene nelle nostre cellule, che devono essere:

• Non solide devono poter cambiare forma senza spezzarsi e poter comunicare con le altre cellule.
• Non liquide perché devono avere una forma che le mantenga e non può fuoriuscire nulla.

Esempio: i lipidi hanno delle teste polari idrofile e delle code idrofobiche che non vengono mai a contatto con l’acqua (al massimo si creano dei sistemi micellari). Per questo motivo, si va a creare il famoso doppio strato lipidico che costituisce le membrane cellulari.

La materia

La materia è qualsiasi cosa che abbia una massa e che sia in grado di occupare spazio.

• Sostanze pure quando hanno una composizione fissa e non possono essere ulteriormente purificate.
  • Elementi: non possono essere ulteriormente suddivisi utilizzando mezzi chimici o fisici (e si combinano per formare i composti).
  • Composti: sono elementi uniti sempre in rapporti fissi.
• Miscele sono una combinazione di due o più sostanze pure (separabili in sostanze pure).
  • Materia omogenea: ha una composizione totalmente omogenea in cui non possiamo distinguere il solvente dal soluto.
  • Materia eterogenea: ha una composizione non uniforme in cui il solvente ed il soluto sono divisi e si possono ben distinguere. Esempio: l’acqua del mare è considerata eterogenea se si considera l’acqua con la sabbia ed omogenea se si considera solo l’acqua con il sale.

Le sostanze pure e gli elementi

Le sostanze pure hanno quindi una composizione sempre definita e costante (possiamo egualiarle ai composti). Queste sono formate dagli elementi:

• Sono formati da atomi della stessa specie, uguali fra loro.
• Non possono essere scomposti in sostanze più semplici (né attraverso reazioni chimiche né attraverso la corrente elettrica). Esempio: idrogeno molecolare si ottiene sottoponendo l’acqua ad elettrolisi con il Pt o Ag che rompono i legami a idrogeno fra H ed O.
• Vengono rappresentati con un simbolo (esempio: sodio = Na) H = idrogeno, O = ossigeno, P = fosforo, Cl = cloro, la seconda lettera è sempre minuscola.

Gli elementi importanti per la vita sono principalmente in relazione con la percentuale di presenza che c’è nella crosta terrestre. Quasi tutti ad eccezione del silicio: vedi libro.

• Ossigeno (O): presente nell’acqua e nei composti organici. Fondamentale nell’ossidazione del glucosio la catena respiratoria mitocondriale utilizza O₂ per produrre energia partendo dal glucosio.
• Carbonio (C): presente nei composti organici e quindi alla base della vita. C₆H₁₂O₆ = glucosio senza glucosio non si sopravvive perché il cervello smette di funzionare con meno del 50% di aminoacidi (120g) + i globuli rossi del SNC utilizzano glucosio.
• Idrogeno (H): presente nell’acqua e nei composti organici.
• Azoto (N): presente nei composti organici e in tutte le proteine che sono formate dagli amminoacidi (ma anche nel DNA, nelle basi azotate). È un gas nobile ed inerte.
• Fosforo (P): è il principale costituente nelle ossa e nei denti (sotto forma di idrossiapatite), negli acidi nucleici, nei fosfolipidi e in alcune proteine; è alla base dei composti ad alto contenuto energetico (ATP).
• Zolfo (S): è presente in alcune proteine e in alcuni composti organici. Ce n’è molto nella crosta terrestre ma non era un elemento favorevole alla vita per alcuni motivi, fra cui: potrebbe formare organi analoghi ai cervelli a base di carbonio ma non è adatto perché si può trasportare solo solido (diventa gassoso a 2200°). Inoltre, non è solubile in acqua ed è più cicciotto perché contiene più atomi. Non forma catene chiuse e non forma legami doppi.

Esistono anche degli ioni molto importanti per la nostra sopravvivenza, che sono contenuti in quantità molto minori ma che sono comunque fondamentali.

• Calcio (Ca): è presente nelle ossa e nei denti come deposito, necessario per alcuni enzimi, per la funzione di nervi, muscoli ecc. (per la conduzione del segnale elettrico si propagano dall’assone verso la sinapsi). Importante mediatore del segnale cellulare.
• Magnesio (Mg): richiesto per l’attività di molti enzimi ed è necessario nelle reazioni energetiche che richiedono ATP (viene dato agli anziani in estate).
• Sodio (Na): ione positivo extracellulare.
• Potassio (K): ione positivo intracellulare. Questi due sono costituenti della pompa sodio-potassio.
• Cloro (Cl): ione negativo. Assenza di questi elementi = infarto del corpo calloso alla base dell’encefalo.

Altri elementi

• Ferro (Fe): presente nell’emoglobina (proteina che trasporta l’ossigeno) e in molti enzimi.
• Iodio (I): presente negli ormoni tiroidei + coordina il metabolismo basale.

I composti

I composti si dividono essenzialmente in due categorie:

• Molecolari: sono formati da molecole costituite da atomi di elementi diversi. Si indicano con una formula molecolare che mostra l’esatto numero di atomi di ciascun elemento presenti nella molecola. H₂O = acqua.
• Ionici: formati da ioni (atomi degli elementi costituenti che hanno assunto una carica opposta + o -): si legano per attrazione elettrostatica e formano cristalli neutri formati da un numero elevato di ioni. Non è possibile identificare la molecola, non vengono scritti i numeri di quell’atomo ma si utilizza una formula empirica (minima) = indica la natura degli ioni presenti nel cristallo.

Le formule invece rappresentano le sostanze, sia che siano formate da molecole distinte sia che siano formate da reticoli ionici indefiniti. Nella formula devono essere quindi indicati:

• I simboli degli elementi che compongono la sostanza.
• Numero di atomi di ciascun elemento presenti nella singola molecola.

Le miscele

Le miscele sono dei sistemi prodotti dall’unione di due o più sostanze pure, senza che queste reagiscano tra di loro.

• Non hanno una composizione definita e costante.
• Possono essere separate nei loro componenti con metodi fisici.
• Ciascuno dei componenti mantiene inalterate le sue proprietà.

Le miscele si distinguono in:

• Omogenee: la composizione è la stessa in ogni punto = soluzione, composto da soluto e solvente.
  • Solvente = materiale più abbondante.
  • Soluto = materiale meno abbondante.
• Eterogenee: la composizione è differente in punti diversi = miscuglio.
  • Miscuglio = viene definito sistema polifasico (si definiscono due fasi).

Le sospensioni sono delle miscele eterogenee (per mantenere il soluto in modo uniforme all’interno del solvente), in cui un materiale finemente suddiviso è disperso in un altro materiale in modo tale da non sedimentare in tempo breve. Rimane tale fino a quando al sistema viene applicata energia sotto forma di agitazione, ma quando l’apporto di energia cessa, le particelle di ogni dimensione sedimentano a causa della forza di gravità.

Un colloide, o sistema colloidale, è una particolare miscela in cui una sostanza si trova in uno stato finemente disperso = via di mezzo tra soluzione e sospensione. Le particelle che lo compongono hanno dimensioni ben definite, tra 1 e 100 nm (citoplasma cellulare, albume delle uova, plasma). Una caratteristica delle soluzioni colloidali è la loro capacità di disperdere un raggio di luce che lo investe; in una soluzione vera e propria le particelle sono troppo piccole per disperdere la luce.