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 Ossigeno (O) Carbonio (C) Idrogeno (H) Azoto (N) Quattro di questi costituiscono da soli circa il 96% del corpo umano

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 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

Elementi importanti dal punto di vista biologico Oltre a comporre l’acqua, l’ ossigeno è necessario per la respirazione cellulare ed è un componente della maggior parte dei composti organici 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)

protoni elettroni neutroni Atomi Ogni elemento è costituito da un solo tipo di 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) Carica elettrica positiva Carica elettrica negativa Nessuna carica protoni elettroni neutroni 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

Carbonio 6 protoni 6 neutroni 6 elettroni Numero atomico e numero di massa Il numero atomico di un elemento è costituito dal numero di protoni che si trovano nel nucleo 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

Carbonio-12 6 elettroni Carbonio-13 6 elettroni Carbonio-14 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 ) Numero atomico 1 Numero di massa 1 Esso possiede un un protone e un elettrone 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) All’aumentare del numero atomico aumenta il numero di elettroni che ruotano intorno al nucleo L’elio ne ha 2, il litio ne ha 3 e così via Gli elettroni occupano orbitali. Ci sono due elettroni per ogni orbitale

Poi segue un guscio M…… ecc 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 La figura 2.4 del Purves trae in inganno in quanto può far pensare che il guscio L ha solo tre orbitali Guscio K Orbitale di tipo s Guscio L

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

Elementi chimicamente reattivi 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. Questi secondi tenderanno a combinarsi con altri elementi in modo tale da ‘perdere’ gli elettroni in eccesso I primi invece tenderanno a combinarsi con altri elementi in modo tale da attirare elettroni per completare l’orbitale 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 Covalente Ionico A idrogeno Di van der Waals Ci sono 4 differenti tipi di legame chimico Covalente Ionico A idrogeno Di van der Waals

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) H Un atomo di C condivide una coppia di elettroni con ciascuno dei quattro atomi di H cui si lega modo In questo modo il C raggiunge la condizione stabile con 8 elettroni nel secondo livello energetico ( guscio L) Legame covalente

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

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 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 Un esempio di legame ad idrogeno è quello che si forma tra le molecole d’acqua 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 a idrogeno

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

Il cloro “strappa” un elettrone al sodio All’inizio i due atomi sono elettricamente neutri ma instabili e fortemente reattivi Il sodio ha un elettrone ‘in più’ rispetto al numero che serve per completare il guscio elettronico esterno e assumere una configurazione stabile (8 elettroni) Al cloro invece manca un elettrone per raggiungere la configurazione stabile con 8 elettroni nel guscio esterno Il cloro “strappa” un elettrone al sodio La reazione tra sodio e cloro permette ad entrambi di ottenere una condizione stabile con otto elettroni nel guscio esterno

Cationi Anioni Legame Ionico Legame Ionico Ora però il sodio è caricato positivamente (ha perso un elettrone cioè una carica unitaria) Na+ Il cloro invece è caricato negativamente (ha acquistato un elettrone cioè una carica unitaria) Cl- Cationi Anioni Legame Ionico Legame Ionico

Fe+++ Ca++ Mg++ PO4+++ SO4++ Ione calcio Ione ferrico Ione magnesio Alcuni atomi o molecole possono perdere o guadagnare più di un elettrone Ca++ Fe+++ Ione calcio Ione ferrico Mg++ Ione magnesio PO4+++ SO4++ Ione fosfato Ione solfato Legame Ionico

Poiché hanno cariche opposte, Na+ e Cl- si attraggono Allo stato solido i due ioni sono strettamente uniti a formare cristalli Legame Ionico

Quando un sale, ad esempio cloruro di sodio , viene disciolto in acqua le sue molecole si dissociano in ioni Na+ Cl- Nel sale NaCl allo stato solido il legame chimico è molto forte (in quanto le cariche opposte di Na+ e Cl- si attraggono) La separazione dei due ioni in soluzione è resa possibile dal fatto che in sostituzione del legame forte tra Na+ e Cl- si formano tanti legami deboli tra le molecole di acqua e gli ioni (il cosiddetto guscio di idratazione) L’acqua infatti è un dipolo cioè una molecola con una parziale carica positiva e una parziale carica negativa in grado quindi di formare legami sia con Na+ che con Cl- O H O H Cl- O H O H O H (-) O H (+) O H Na+ O H O H

Per le sue proprietà, acqua è un buon solvente per le sostanze polari ( per queste si usano i termini idrofile o idrosolubili) Al contrario, poiché tra molecole polari come l’acqua e molecole apolari come idrocarburi, trigliceridi e altri lipidi non esiste attrazione e non si formano legami, questi ultimi sono insolubili in acqua Le molecole apolari tra loro formano altri tipi di legami… Forze di van der Waals …le quali possono essere biologicamente importanti (es membrana citoplasmatica)

Alcune importanti proprietà dell’acqua L’acqua ricopre i 3/4 del nostro pianeta e nella parte degli organismi viventi costituisce il 70-95% del peso corporeo La particolare struttura della molecola conferisce all’acqua alcune proprietà peculiari che hanno reso possibile la vita sul nostro pianeta L’acqua è un solvente ottimale non solo per gli ioni ma anche per una grande varietà di sostanze organiche polari (glucidi, aminoacidi ecc) indispensabili per la vita L’acqua ha una grande capacità termica (immagazzina e rilascia il calore molto lentamente): ciò significa che i grandi bacini d’acqua mostrano variazioni di temperatura molto più ridotte rispetto all’aria circostante

L’acqua che evapora in superficie raffredda il rimanente liquido rallentando il surriscaldamento dell’ambiente acquatico. Questo principio è utilizzato dall’uomo e da altri animali per ridurre la propria temperatura tramite sudorazione Il ghiaccio è più leggero dell’acqua e man mano che si forma sale in superficie. Questo serve a limitare l’ulteriore raffreddamento dell’acqua e impedisce la formazione di ghiaccio permanente sul fondo di mari e laghi Le molecole d’acqua mostrano una forte coesione. Ciò determina vari fenomeni tra cui la salita della linfa nel tronco dell’albero per capillarità

pH superiore a 7 soluzione BASICA candeggina: pH=12 Acididi, basi e pH L’aqua in percentuale minima tende spontaneamente a ionizzarsi (perde o accetta un H+) In assenza di soluti la loro concentrazione è uguale Gli Acidi e Basi tendono ad alterare questo equilibrio La misura dell’acidità di una soluzione (concentrazione di idrogenioni, ioni H+) si misura tramite il pH pH inferiore a 7 soluzione ACIDA limone: pH=2 pH superiore a 7 soluzione BASICA candeggina: pH=12

La chimica organica studia i composti del carbonio Il carbonio forma più di 2 milioni di composti differenti. Una grossa branca della chimica, la chimica organica si occupa specificamente dei composti del carbonio Un atomo di carbonio forma facilmente legami con altri atomi di carbonio fino a formare catene (scheletri carboniosi) anche molto lunghe. Queste catene possono ramificarsi o chiudersi ad anello assumendo migliaia di strutture differenti. Talvolta sono presenti doppi legami tra due atomi di C I composti più semplici del carbonio sono gli idrocarburi composti solo di C e H

Gruppi funzionali Gli idrocarburi sono poco importanti dal punto di vista biologico Sono invece importanti altre molecole organiche nelle quali uno o più legami tra C e H sono sostituiti con legami con gruppi funzionali

Gruppo ossidrile Gruppo carbonile Gruppo carbossile Gruppo aminico Gruppo fosfato

Il gruppo più importante di composti che contengono gruppi ossidrilici sono gli alcoli (es etanolo o alcol etilico) I composti che contengono gruppi carbonilici si chiamano aldeidi (se il gruppo è legato ad un carbonio terminale) o chetoni (se il gruppo è legato ad un carbonio interno della catena) Gli zuccheri semplici (monosaccaridi) contengono sia un gruppo carbonilico che gruppi ossidrilici

Le molecole che presentano uno o più gruppi carbossilici si chiamano acidi carbossilici o acidi organici (es acido acetico) Infatti il gruppo –COOH tende a liberare uno ione H+ rendendo acida la soluzione –COOH --> –COO- H+

Le molecole che presentano uno o più gruppi aminici si chiamano amine I gruppi aminici tendono ad accettare H+ formando un gruppo ammonio –NH3+. Le amine pertanto sono classificate come basi Importanti composti organici, gli aminoacidi contengono sia un gruppo aminico che un gruppo carbossilico legati allo stesso atomo di carbonio Catena laterale o residuo aminoacidico

Il gruppo fosfato si trova negli acidi nucleici (DNA ed RNA) e nelle molecole che presiedono al metabolismo energetico (ATP)