Elementi di chimica (prerequisiti) La materia è costituita da elementi chimici In natura sono presenti 92 elementi Circa 25 dei 92 elementi sono definiti essenziali per la vita Quattro di questi costituiscono da soli circa il 96% del corpo umano Ossigeno (O)
Carbonio (C)
Idrogeno (H)
Azoto (N)
Elementi di chimica (prerequisiti) La materia è costituita da elementi chimici In natura sono presenti 92 elementi Circa 25 dei 92 elementi sono definiti essenziali per la vita Quattro di questi costituiscono da soli circa il 96% del corpo umano Ossigeno (O)
Carbonio (C)
Idrogeno (H)
Azoto (N)
Calcio (Ca), fosforo (P), potassio (K), zolfo (S) e pochi altri costituiscono il rimanente 4% Ci sono poi circa altri 15 elementi che si trovano in tracce. 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 sopravviverebbe senza di questi elementi La rilevante percentuale di O2 è dovuta al fatto che esso entra nella composizione dell’acqua (H2O) la sostanza che compone quasi il 90% del nostro organismo
Oltre a comporre l’acqua, l’ ossigeno è necessario per la respirazione cellulare ed è un componente della maggior parte dei composti organici Elementi importanti dal punto di vista biologico 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 componente degli acidi nucleici e dell’ATP. 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)
Ogni elemento è costituito da un solo tipo di atomi Atomi L’atomo è la più piccola unità di materia che mantiene le proprietà di un elemento Gli atomi sono a loro volta composti di particelle sub-atomiche (le stesse compongono gli atomi di tutti gli elementi) protoni
elettroni
neutroni Carica elettrica positiva
Carica elettrica negativa
Nessuna carica Anche se gli elettroni sono molto più piccoli dei protoni essi posseggono entrambi carica elettrica unitaria (ma di segno opposto)
La massa dell’elettrone è enormemente più piccola di quella di protoni e neutroni (i quali hanno la stessa massa) Protoni e neutroni compongono il nucleo attorno al quale gli elettroni ruotano Per convenzione la massa di protoni e neutroni è considerata = 1.
Quella degli elettroni è considerata nulla
Il numero atomico di un elemento è costituito dal numero di protoni che si trovano nel nucleo Numero atomico e numero di massa Il numero di massa di un atomo è dato dalla somma del numero di protoni e di neutroni Carbonio
6 protoni
6 neutroni
6 elettroni Numero atomico = 6 Numero di
massa = 12
Tutti gli atomi di Carbonio hanno numero atomico 6 Se avessero 7 protoni sarebbero atomi di Azoto Non tutti gli atomi di carbonio hanno massa atomica = 12 Carbonio-12
6 protoni
6 neutroni
6 elettroni Carbonio-13
6 protoni
7 neutroni
6 elettroni Carbonio-14
6 protoni
8 neutroni
6 elettroni Il 99% degli atomi Meno dell’1% degli atomi In quantità minime Le forme dello stesso elemento che differiscono per il numero di massa si chiamano ISOTOPI ( 12C, 13C, 14C )
Alcuni isotopi sono instabili e decadono emettendo particelle ed energia Questi isotopi si chiamano Isotopi radioattivi Un esempio è dato dall’isotopo del Carbonio-14 Alcuni isotopi radiottivi come il carbonio-14, il fosforo-32 e il trizio (3H) trovano largo impiego sia nella Diagnostica Medica che nella Ricerca Biologica
L’elemento più piccolo è l’Idrogeno ( H ) Esso possiede un un protone e un elettrone All’aumentare del numero atomico aumenta il numero di elettroni che ruotano intorno al nucleo 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) L’elio ne ha 2, il litio ne ha 3 e così via Gli elettroni occupano orbitali. Ci sono due elettroni per ogni orbitale
I due elettroni più vicini al nucleo occupano un orbitale chiamato s che costituisce un primo livello energetico chiamato guscio K I seguenti otto elettroni vanno ad occupare quattro orbitali organizzati in secondo livello energetico chiamato un guscio L Poi segue un guscio M…… ecc Guscio K La figura 2.4 del Purves trae in inganno in quanto può far pensare che il guscio L ha solo tre orbitali Guscio L Orbitale di tipo s
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)
Elementi inerti
Viceversa gli elementi cui mancano uno o più elettroni per completare il guscio e quelli che hanno uno o più elettroni in eccesso sono estremamamente reattivi. I primi invece tenderanno a combinarsi con altri elementi in modo tale da attirare elettroni per completare l’orbitale Questi secondi tenderanno a combinarsi con altri elementi in modo tale da ‘perdere’ gli elettroni in eccesso Elementi chimicamente reattivi
Capire queste semplici regole sul comportamento degli elettroni ci aiuta a prevedere il tipo di legame che un dato atomo tende a fare
La tavola periodica
I legami chimici Ci sono 4 differenti tipi di legame chimico Covalente
Ionico
A idrogeno
Di van der Waals
Legame Covalente 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 Ad esempio due atomi di H condividono una coppia di elettroni in modo tale che entrambi raggiungono la condizione con due elettroni nel un primo livello energetico ( guscio K) In questo modo il C raggiunge la condizione stabile con 8 elettroni nel secondo livello energetico ( guscio L) Un atomo di C condivide una coppia di elettroni con ciascuno dei quattro atomi di H cui si lega modo H H
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) O O O O
Legami covalenti asimmetrici In una molecola gli atomi che formano tra loro un legame 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 Gli elettroni condivisi passano più tempo attorno all’O che all’H Legame covalente
Legame a idrogeno Legame a idrogeno Un esempio di legame ad idrogeno è quello che si forma tra le molecole d’acqua Il legame ad idrogeno si forma tra un atomo di idrogeno con una carica parziale positiva e una altro atomo (ad es ossigeno o azoto) con una carica parziale negativa Esso può formarsi tra piccole molecole o tra parti diverse di una stessa grande molecola 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 L’esempio di come questo trasferimento può legare assieme atomi differenti è dato dal cloruro di sodio (NaCl) il comune sale da cucina Legame Ionico
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