Chimica e chimica della vita Tocca, Oliver diceva, lanciandomi una barretta non c è niente al mondo come il tungsteno sinterizzato Batteva sulle barrette e queste emettevano un tintinnio profondo Il suono del tungsteno diceva zio Dave. Non esiste nulla di simile. Non sapevo se fosse vero, ma non lo misi mai in dubbio. Da: Oliver Sacks Zio Tungsteno Ed. Adelphi Per chiunque tema che la chimica (o la fisica) siano materie impossibili : un percorso di riconciliazione: Sacks, Zio Tungsteno, Adelphi; Feynman, Sei pezzi facili, Adelphi. (in modo particolare il capitolo 1) Materia ed elementi Atomi e molecole Legami chimici Reazioni chimiche Macromolecole organiche Chimica della vita Materia ed elementi Materia: tutto ciò che occupa spazio e ha una massa - può essere in tre stati: solido,liquido e gassoso Elementi - Singole forme della materia che non possono essere divise in forme più semplici con delle reazioni chimiche ordinarie. Dei 115 elementi conosciuti 4 (C, O, N, ) costituiscono il 96% della massa degli organismi viventi. Ognuno dei 115 elementi presenta distinte categorie chimiche. Atomi Atomi - Particelle più piccole che possiedono le caratteristiche degli elementi.sono costituiti da: Protoni (carica elettrica positiva unitaria)- Nucleo Neutroni (carica neutra) Elettroni (carica elettrica negativa unitaria) Numero atomico: n di protoni per atomo; Massa atomica: somma di protoni e neutroni in un singolo atomo (massa elettrone = 1/1800 della massa di un protone e/o neutrone). Unità di misura = uma (unità di massa atomica) o dalton. 1 uma massa di un protone o neutrone Isotopo - Forme di un elemento che variano per differenze di massa atomica (differiscono per il numero di neutroni). Elementi ed atomi Tavola periodica degli elementi Ciascun elemento ha nel nucleo un numero fisso di protoni. Tale numero è detto numero atomico. Nella tavola periodica gli elementi sono sistemati in un ordine che dipende (anche) dal loro numero atomico. Da Figura 2-1 Solomon, Berg, Martin 1
Elettroni ed orbitali Gli elettroni si muovono in particolari regioni dello spazio dette orbitali (rappresentati come nuvole elettroniche ). Ogni orbitale contiene al massimo due elettroni. L energia di un elettrone dipende dall orbitale che esso occupa. Elettroni posti in orbitali con energie simili hanno lo stesso livello energetico principale e costituiscono un guscio elettronico (modello di Bohr) Da Figura 2-4 Solomon, Berg, Martin Da Figura 2-9 Campbell - Reece Elettroni ed orbitali Modello di Bohr: configurazione elettronica dei primi 18 elementi Elettroni ed orbitali Gli elettroni di maggiore energia vengono detti elettroni di valenza e occupano il guscio di valenza che costituisce il cerchio più esterno del modello proposto da Bohr Da Figura 2-4 Solomon, Berg, Martin Da Figura 2-10 Campbell - Reece Formule chimiche Da Figura 2-11 Campbell - Reece Una formula chimica è il modo più abbreviato per descrivere la composizione chimica di una sostanza. I simboli chimici identificano gli atomi presenti, e i numeri a pedice il rapporto tra gli atomi. Formula semplice o formula empirica: i.e. N 2 (rapporto 1:2 azoto e idrogeno). Formula molecolare: i.e. N 2 4 (ogni molecola di idrazina è in realtà composta da 2 atomi di azoto e quattro di idrogeno); 2 O (ogni molecola di acqua è in realtà composta da 2 atomi di idrogeno e uno di ossigeno). Formula di struttura: i.e. -O- (riporta non solo il tipo e il numero di atomi, ma anche la loro organizzazione reciproca). 2
Molecole e composti Composto chimico. Atomi di due o più elementi differenti combinati in un rapporto fisso: i.e. NaCl (cloruro da sodio sale da cucina). Molecole e composti Massa molecolare. La massa molecolare di un composto è la somma delle masse atomiche degli atomi che compongono ogni molecola. Acqua 2 O = (: 2 X 1uma) + (O: 1 X 16 uma) = 18 uma Glucosio C 6 12 O 6 = (C: 6 X 12 uma) + (: 12 X 1uma) + (O: 6 X 16 uma) = 180 uma Molecola. Due o più atomi che si combinano chimicamente e formano unità dette molecole 2 O (ogni molecola di acqua è in realtà composta da 2 atomi di idrogeno e uno di ossigeno). Molecole e composti : moli Mole. La mole è la quantità di un composto la cui massa in grammi è equivalente alla sua massa atomica o molecolare. 1 mole di acqua corrisponde è 18 grammi (g), una mole di glucosio ha una massa di 180 g. Permette paragoni tra atomi e molecole di massa diversa perché una mole di ciascuna sostanza contiene sempre lo stesso numero di unità (sia che si tratti di piccoli atomi che di grandi molecole). In una mole ci sono 6,02 X 10 23 unità (numero di Avogadro). 1 mole di 2 0 = 18 g = 6,02 X 10 23 molecole 1 mole di 2 = 2 g = 6,02 X 10 23 molecole 5 moli di C 6 12 O 6 = 900 g [5X180] = 30,1 [5X 6,02] X 10 23 molecole Non si possono contare singolarmente gli atomi e le molecole, grazie al numero di Avogadro è possibile calcolarne il numero attraverso una pesatura. Molecole e composti: moli Il concetto di mole permette anche di paragonare tra loro le soluzioni. Una soluzione 1 molare si indica come 1M, contiene una mole di una data sostanza sciolta in un litro di soluzione. 1 litro di soluzione 1M glucosio [C 6 12 O 6 ] 1 litro di soluzione 1M saccarosio [C 12 22 O 11 ] differiscono per la massa di zucchero disciolto (180 e 340 g) ma entrambe contengono 6,02 X 10 23 molecole di zucchero Reazioni chimiche Il comportamento chimico di un atomo è determinato dal numero e dalla posizione degli elettroni di valenza. Il guscio di valenza di e e è completo (e cioè stabile) quando contiene 2 elettroni. Quando il guscio di valenza non è completo l atomo tende ad acquisire, cedere o condividere elettroni per completare il guscio esterno. Le reazioni chimiche possono essere descritte attraverso delle equazioni: C 6 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6 2 O + Energia reagenti prodotti Legami chimici Legami chimici - Forze (energia chimica) che uniscono gli atomi in molecole. L energia di legame è l energia necessaria per rompere il legame chimico. Covalenti - condivisione di elettroni tra due atomi adiacenti Ionici - Cationi (caricati positivamente) ed anioni (caricati negativamente) Idrogeno - Ineguale attrazione degli elettroni condivisi (nell acqua l atomo di ossigeno attrae gli elettroni condivisi molto di più di quanto non facciano gli atomi di idrogeno e questo fa si che gli atomi di idrogeno siano parzialmente positivi, mentre quello di ossigeno sia parzialmente negativo; ne consegue che gli atomi di idrogeno sono debolmente attratti dagli atomi di ossigeno delle molecole circostanti 3
Comportano la condivisione di elettroni tra due atomi adiacenti in modo tale che ogni atomo un guscio di valenza completo. I.e. Ogni atomo di idrogeno ha un solo elettrone di valenza e per completare il guscio di valenza ne sono necessari due. I due atomi hanno la stessa capacità di attrarre elettroni, quindi nessuno dona un elettrone all altro, ma condividono gli unici elettroni che vengono attratti dai due protoni. Di conseguenza gli elettroni ruotano attorno ad entrambi i nuclei, tenendo uniti gli atomi I legami covalenti possono essere rappresentati mediante la formula di struttura o la forma di Lewis Formula di struttura Acqua ( 2 0): -O- Idrogeno molecolare ( 2 ): - Ammoniaca (N 3 ) Metano (C 4 ) N C Formula di Lewis Acqua ( 2 0): : O: Idrogeno molecolare ( 2 ): : Ammoniaca (N 3 ) Metano (C 4 ) : : : : : N: : : C: : Da Figura 2-5 Solomon, Berg, Martin Singolo legame covalente: un doppietto di elettroni condiviso da due atomi Doppio legame covalente: due doppietti di elettroni condivisi da due atomi Triplo legame covalente: tre doppietti di elettroni condivisi da due atomi Ogni molecola ha forma e caratteristiche ben precise. La forma geometrica di una molecola permette di mantenere la distanza ottimale tra gli elettroni per controbilanciare la repulsione dei doppietti elettronici. Un atomo legato covalentemente con altri atomi può presentare un riarrangiamento degli orbitali del guscio di valenza, in un processo detto ibridazione degli orbitali. Da Figura 2-6 Solomon, Berg, Martin Da Figura 2-5 Solomon, Berg, Martin Gli atomi di ogni elemento differiscono per l affinità per gli elettroni. L elettronegatività è la misura dell attrazione esercitata da un atomo sulla coppia di elettroni di un legame covalente. Tra due atomi dello stesso elemento l attrazione è in equilibrio (legame covalente non polare). Tra due atomi con diversa elettronegatività gli elettroni sono attratti dal nucleo con maggior affinità (nell acqua dall ossigeno). Si parla in questo caso di legame covalente polare. Tale legame ha due estremità (o poli) diverse, una con carica negativa e una con carica positiva. Legami ionici Ioni - Atomi che contengono un numero maggiore o minore di elettroni rispetto a protoni (sono quindi carichi elettricamente). Se un atomo ha 1,2,3 elettroni nel guscio di valenza tende a cederli, mentre se un atomo ha 5,6,7, elettroni nel guscio di valenza tende ad accettare elettroni da altri atomi. Cationi: caricati positivamente Anioni: caricati negativamente Da Figura 2-7 Solomon, Berg, Martin Da Figura 2-7 Solomon, Berg, Martin 4
Legami ionici Legame ionico: conseguenza dell attrazione tra la carica positiva di un catione e la carica negativa di un anione. Esempio è il sale da cucina (cloruro di sodio NaCl) Legami ionici Un composto ionico tende ad essere i legami molto forti quando si trova allo stato solido (i.e. NaCl), ma posto in un solvente, come l acqua (anche grazie alla sua polarità) il solido si scioglie. Nella soluzione ogni catione e anione è circondato da estremità di molecole di acqua con la carica opposta Da Figura 2-10 Solomon, Berg, Martin Da Figura 2-9 Solomon, Berg, Martin Legami idrogeno Da Figura 2-11 Solomon, Berg, Martin L idrogeno può combinarsi con atomi elettronegativi, e questo conferisce una parziale carica positiva all idrogeno, che si lega anche ad altri atomi elettronegativi. Sono legami deboli (si formano e si rompono facilmente) ma se numerosi l insieme è molto forte Reazioni redox Quando una reazione prevede il trasferimento di un elettrone da una sostanza all altra si ha una reazione di ossido-riduzione (o redox) L ossidazione è un processo chimico nel quale un atomo, ione o molecola perde elettroni La riduzione è un processo chimico nel quale un atomo, ione o molecola acquista elettroni 4 Fe + 3 O 2 2 Fe 2 O 3 4 Fe 4 Fe 3+ +12e- ferro perde 12 elettroni 3 O2 + 12e- 6 O2- ossigeno guadagna 12 elettroni Acqua Buona parte degli organismi è costituita da acqua 70% del nostro peso corporeo è costituito da acqua Nelle cellule umane il 20% delle ossa è cosituito da acqua e il 85% delle cellule cerebrali è costituito da acqua. L acqua ha un ruolo fondamentale nel permettere la vita sulla terra Sostanze possono essere idrofile/idrofobe Acqua Da Figura 2-12 Solomon, Berg, Martin 5
Ioni, Acidi, e Basi Ioni - Atomi che contengono un numero maggiore o minore di elettroni rispetto a protoni (sono quindi carichi elettricamente). Acidi - sostanze che rilasciano ioni idorgeno. Basi - sostanze che legano ioni idrogeno. Scala p : 0-14 (usata per descrivere il numero di ioni idrogeno in una soluzione acquosa) < 7 Acidi > 7 Basi 6