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Immagini e concetti della biologia Sylvia S. Mader Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

A2 – La chimica della vita Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Gli elementi chimici della materia È materia qualsiasi cosa, vivente e non vivente, che occupi dello spazio e che abbia una massa. La materia è composta da elementi chimici ed esiste in tre stati distinti: solido, liquido e aeriforme. Un elemento è una sostanza formata da un solo tipo di atomi. Ogni elemento è contraddistinto da un simbolo. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Gli elementi chimici della materia I sei elementi più importanti per i viventi sono il carbonio (C), l’idrogeno (H), l’azoto (N), l’ossigeno (O), il fosforo (P) e lo zolfo (S). Questi elementi formano il 95% in peso degli organismi. I principali elementi chimici che formano la crosta terrestre e gli organismi viventi Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Gli elementi chimici della materia La materia è composta da atomi, che rappresentano la più piccola unità di un elemento. Gli atomi sono costituiti da varie particelle subatomiche: i protoni (con carica elettrica positiva) e i neutroni (privi di carica), che sono localizzati nel nucleo gli elettroni (con carica elettrica negativa), che orbitano intorno al nucleo e sono localizzati nei livelli elettronici Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Gli elementi chimici della materia La maggior parte della massa atomica è localizzata nel nucleo. Gli elettroni sono così piccoli da essere considerati privi di massa. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Gli elementi chimici della materia Il numero atomico indica il numero di protoni presenti nel nucleo di un elemento. Il numero di massa (massa atomica) indica il numero di protoni e neutroni presenti nel nucleo di un elemento. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Gli elementi chimici della materia Gli atomi di un elemento che presentano lo stesso numero atomico ma differiscono per la massa atomica sono definiti isotopi. Il carbonio-14 è chimicamente instabile ed emette radiazioni. Per questo motivo è un isotopo radioattivo. C 12 6 13 14 * *radioattivo Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Piccola porzione della tavola periodica degli elementi Atomi e legami chimici Gli elementi sono disposti nella tavola periodica in modo ordinato secondo il numero atomico. Gli elementi con caratteristiche di reattività simili sono raggruppati in gruppi e periodi. Piccola porzione della tavola periodica degli elementi Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Atomi e legami chimici Gli elementi dello stesso periodo hanno lo stesso numero di livelli elettronici. Gli elementi dello stesso gruppo presentano lo stesso numero di elettroni nel livello elettronico più esterno. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Atomi e legami chimici Secondo la regola dell’ottetto, il livello elettronico esterno è più stabile (livello esterno completo) quando ospita otto elettroni. Fanno eccezione gli atomi che hanno un solo livello elettronico. Nel caso del primo elemento della tavola periodica, l’idrogeno (H), il livello elettronico è al completo quando ospita due elettroni. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Atomi e legami chimici La molecola è la parte più piccola di un composto che ne mantiene le proprietà chimiche e fisiche tipiche. Il legame chimico è la forza che consente di tenere uniti più atomi per formare una molecola. Esistono due tipi principali di legame: legame ionico legame covalente Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Atomi e legami chimici Nel legame ionico gli elettroni vengono trasferiti da un atomo all’altro. In questo modo si formano particelle atomiche caricate elettricamente, gli ioni. Gli ioni sono tenuti uniti grazie all’attrazione elettrica tra cariche positive e negative. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Ioni importanti nel corpo umano Atomi e legami chimici Molti ioni rivestono grande importanza in tutti gli organismi viventi. Ioni importanti nel corpo umano Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Atomi e legami chimici Nel legame covalente gli elettroni sono condivisi tra gli atomi. Nella molecola di idrogeno (H2) ciascun atomo condivide un elettrone con un altro atomo. Il legame covalente è molto forte, serve infatti molta energia per spezzarlo. Può essere di due tipi: legame covalente apolare (o non polare) legame covalente polare Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Atomi e legami chimici Quando la condivisione degli elettroni tra atomi è circa bilanciata, il legame si dice covalente apolare (o non polare). Una condivisione ineguale degli elettroni crea invece un legame polare. In questo caso, gli atomi mantengono una leggera carica (positiva e negativa) e la molecola stessa è definita polare. Metano (CH4) δ+ δ- Acqua (H2O) Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Atomi e legami chimici Il tipo di legame che si forma tra due atomi dipende da una proprietà detta elettronegatività, che rappresenta l’attrazione di un atomo per gli elettroni. Il grado di elettronegatività dipende da due fattori: carica positiva del nucleo distanza tra il nucleo e gli elettroni Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Atomi e legami chimici Il legame a idrogeno si forma quando gli atomi di idrogeno, poco elettronegativi, vengono attratti debolmente dagli atomi più elettronegativi di altre molecole. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Le proprietà dell’acqua La coesione e l’adesione mantengono le molecole d’acqua unite tra loro e ad altre molecole polari importanti per la vita. Per questo motivo, l’acqua è un eccellente mezzo di trasporto per i nutrienti e le sostanze di rifiuto. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Le proprietà dell’acqua L’acqua possiede un’elevata capacità termica grazie ai legami idrogeno. Questo le permette di ridurre gli sbalzi termici, proteggendo gli organismi dai cambiamenti termici repentini. Il suo elevato calore di vaporizzazione permette agli animali di perdere calore attraverso la sudorazione, evitando il surriscaldamento. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Le proprietà dell’acqua A causa della sua polarità, l’acqua è un buon solvente. È infatti in grado di sciogliere altre sostanze polari. Le molecole idrofile, come il sale, attirano l’acqua. Le molecole idrofobiche, invece, non attraggono l’acqua. Un sale ionico, NaCl (cloruro di sodio) in acqua si scioglie (le linee punteggiate indicano i legami a idrogeno). Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Le proprietà dell’acqua L’acqua e il ghiaccio hanno densità diverse. A causa della sua struttura cristallina l’acqua in forma solida è meno densa di quella in forma liquida. Ciò permette al ghiaccio di galleggiare sull’acqua. Questa proprietà ha implicazioni importanti per la vita. Per esempio, la superficie ghiacciata di uno stagno consente agli organismi di sopravvivere nell’ambiente sottostante. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

I limiti di pH entro cui è possibile la vita L’acqua è un liquido polare. Quando si dissocia, l’acqua pura rilascia un identico numero di ioni idrogeno (H+) e di ioni ossidrile (OH−). Normalmente, solo poche molecole di acqua sono nello stato dissociato. La concentrazione di ioni H+ è uguale a quella di ioni OH− e corrisponde a 10-7 moli/litro. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

I limiti di pH entro cui è possibile la vita L’acidità è un eccesso di ioni idrogeno. pH<7 ➡ gli ioni H+ sono più degli ioni OH- ➡ la soluzione è acida Un acido è una sostanza che aumenta la concentrazione di ioni H+ in una soluzione. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

I limiti di pH entro cui è possibile la vita La basicità è un eccesso di ioni ossidrile. pH>7 ➡ gli ioni H+ sono meno degli ioni OH- ➡ la soluzione è basica (o alcalina) Una base è una sostanza che aumenta la concentrazione di ioni OH− in una soluzione. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

I limiti di pH entro cui è possibile la vita La scala del pH misura il grado di acidità o di basicità di una soluzione. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018

Le piogge acide hanno effetti dannosi Le piogge acide hanno un pH inferiore a 5. Si formano quando si bruciano combustibili fossili (carbone, petrolio, gas). La combustione rilascia nell’aria ossidi di zolfo e di azoto, che combinandosi con l’acqua formano sostanze inquinanti come l’acido solforico e l’acido nitrico. Sylvia S. Mader, Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2018