Composizione chimica della materia vivente

Parlare di biologia

Elementi e atomi

Gli elementi sono sostanze che non possono essere scisse in sostanze più piccole. I principali elementi che compongono gli organismi viventi sono carbonio (C), azoto (N), idrogeno (H) e ossigeno (O). Gli elementi sono composti da atomi. L'atomo è la più piccola parte di un elemento chimico e mantiene tutte le proprietà chimiche di quell'elemento. È composto da piccole particelle di materia (particelle subatomiche), cioè tutto ciò che ha una massa e occupa spazio.

Le principali sono protoni (privi di carica), neutroni (+) ed elettroni (-). I protoni sono privi di carica, i neutroni hanno carica positiva e gli elettroni hanno carica negativa. Se il numero degli elettroni è uguale a quello dei protoni, l'atomo è neutro. L'insieme di protoni e neutroni costituisce il nucleo atomico. Gli elettroni invece non hanno una posizione fissa ma si muovono intorno al nucleo atomico e sono disposti in diversi livelli (gusci elettronici). Quelli con maggiore energia occupano il guscio più esterno (guscio di valenza).

• 1° guscio: max 2 elettroni (elementi semplici)
• 2° guscio: max 8 elettroni (elementi complessi)
• 3° guscio: max 8 elettroni (elementi più complessi)

Ogni elemento ha nel nucleo atomico un numero fisso di protoni (numero atomico, scritto in basso a sinistra del simbolo chimico). Esso identifica l'atomo e definisce l'elemento. La tavola periodica racchiude tutti gli elementi presenti in natura, ordinati in base al numero atomico. La massa atomica di un atomo indica quanta materia è contenuta. È calcolata secondo il numero di protoni e neutroni ed è scritta in alto a sinistra del simbolo chimico.

La maggior parte degli elementi è costituita da un insieme di atomi che hanno numero di neutroni diverso e quindi massa diversa. Questi sono detti isotopi, e hanno lo stesso numero di protoni ed elettroni, ma non dei neutroni. Gli atomi si uniscono a formare composti e molecole. Quando atomi di elementi diversi si uniscono formano un composto chimico (es. cloruro di sodio = cloro + sodio). Quando due o più atomi si combinano chimicamente formano una molecola (ossigeno + ossigeno = molecola di ossigeno).

I legami chimici

Gli atomi di una molecola sono tenuti insieme da forze attrattive, i legami chimici. L'energia di legame è l'energia necessaria per rompere un legame. I due principali tipi di legami chimici forti sono il legame covalente e il legame ionico.

Legame covalente (molto forte)

Si basa sull'equa condivisione di elettroni in modo che ogni atomo abbia un guscio di valenza completo (massima stabilità). Ogni atomo di H ha un solo elettrone, per raggiungere la stabilità ha quindi bisogno di un altro elettrone. Quando i due atomi vengono a contatto condividono ciascuno l'elettrone dell'altro. Quando sono condivisi due elettroni si ha un legame covalente semplice, quando sono condivisi 4 elettroni si ha un doppio legame covalente.

Legame covalente polare

Avviene tra atomi con elettronegatività diversa, cioè tra atomi che hanno nuclei di diversa grandezza e quello più grande tende ad attrarre a sé gli elettroni. H₂O (acqua) l'ossigeno attrae tutti gli elettroni a sé avendo il nucleo più grande. La molecola risultante avrà quindi una distribuzione asimmetrica degli elettroni dove attorno all'ossigeno ci sarà più carica negativa mentre attorno all'idrogeno ci sarà più carica positiva.

Legame ionico

Avviene tra atomi con opposta carica, cioè un elemento (o atomo) tende a raggiungere la massima stabilità interagendo con altri per completare l'ultimo guscio. Attraverso l'attrazione elettrostatica uno cede l'elettrone e l'altro lo acquista.

• Sodio = 11 protoni, 11 elettroni - 3° guscio: 1
• Cloro = 17 protoni, 17 elettroni - 3° guscio: 7

Il sodio cede l'elettrone al cloro e diventa carica (+) (cationi). Il cloro acquista l'elettrone e diventa carica (-) (anioni). (+) e (-) si attraggono e formano un legame ionico.

Condensazione: cioè l'eliminazione di una molecola d'acqua e la formazione di legami a idrogeno forti.

Legame a idrogeno (debole)

Avviene tra un atomo con una parziale carica negativa e un atomo di idrogeno legato covalentemente all'ossigeno (o a un'altra molecola "grande"). Le molecole d'acqua interagiscono tra di loro dando origine a legami a idrogeno. Questi possono formarsi e rompersi rapidamente.

Forze di Van der Waals (deboli)

Avvengono tra molecole apolari. Gli elettroni, che sono in costante movimento, possono disporsi in modo asimmetrico rispetto al nucleo e quindi concentrarsi in un solo lato, formando così un dipolo istantaneo. Questo a sua volta provoca la formazione di dipoli anche nelle molecole vicine e tra tutti i dipoli formati si esercitano delle forze di attrazione chiamate appunto forze di London.

L'acqua

Proprietà

• Forza di coesione. Le molecole d'acqua grazie ai legami a idrogeno hanno la tendenza ad attaccarsi tra di loro (forza coesiva). Ogni molecola d'acqua può infatti formare legami a idrogeno con 4 molecole. Se quindi 'porto via' una molecola d'acqua, ne trascinerò con me altre quattro, ognuna attaccata ad altre quattro. E così via. Riescono così a formare colonne d'acqua e ad aderire alle strutture.
• Tensione superficiale. L'acqua ha un alto grado di resistenza alla penetrazione.