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La combustione
•Si dice combustione qualunque reazione chimica
nella quale un combustibile (“sostanza
ossidabile”) reagisce con un comburente
(“sostanza ossidante”), liberando energia, in
genere sotto forma di calore
La combustione
Comburente
elettronegativo
attrae gli elettroni
(si riduce)
Combustibile li
perde ( si ossida)
Comburenti
Oltre
all’ossigeno,
sono
comburenti
(ossidanti,
elettronegativi) quelle sostanze che cedono facilmente
l’ossigeno contenuto alimentando la combustione,
talvolta anche in modo molto violento (per esempio a
contatto di oli, grassi, ed in genere con sostanze organiche)
Esempio di combustione
Calore
2H2
+
Due molecole
di Idrogeno allo
stato di gas
O2
Una molecole
di ossigeno allo
stato di gas
2(H2O)
Due molecole di
acqua allo stato di
gas
La combustione è una reazione
esotermica, che libera calore perché i
reagenti possiedono più energia dei
prodotti di reazione
Classificazione delle combustioni
• COMBUSTIONE OMOGENEA
(combustibile gassoso e comburente
gassoso)
•COMBUSTIONE ETEROGENEA
(combustibile liquido o solido e
comburente gassoso)
Combustibili fossili
Si definiscono combustibili fossili quei combustibili che derivano dalla
trasformazione della sostanza organica in forme via via più stabili e ricche
di carbonio.
Carbone
Petrolio
Gas naturale
Respirazione cellulare
• La respirazione polmonare rifornisce le nostre cellule di
ossigeno ed elimina diossido di carbonio
• La respirazione polmonare permette gli scambi di ossigeno
molecolare (O2) e diossido di carbonio (CO2) tra un
organismo e il suo ambiente.
I polmoni svolgono la
O2
CO2
Respirazione
polmonare
Polmoni
CO2
Circolo sanguigno
O2
Le cellule muscolari svolgono la
Respirazione cellulare
Glucosio + O2
CO2 + H2O + ATP
Le cellule estraggono energia dalle sostanze
organiche
Il complesso delle reazioni che permettono l’estrazione di energia dalle
sostanze organiche è il metabolismo energetico.
L’energia potenziale
immagazzinata nei legami
• si libera durante la loro
ossidazione che avviene per
tappe successive
(respirazione cellulare)
• viene sfruttata per
sintetizzare ATP
• La respirazione cellulare accumula energia
sotto forma di molecole di ATP
• La respirazione cellulare scinde le molecole di glucosio e
immagazzina la loro energia sotto forma di molecole di
ATP.
C6H12O6
Glucosio
Figura 6.2
+
6
O2
Ossigeno
gassoso
6
CO2
+
Diossido
di carbonio
6
H2O
Acqua
+
ATP
Energia
• Il nostro corpo utilizza l’energia dell’ATP per
svolgere le proprie attività
• L’ATP è il «motore» di quasi tutte le attività di cellule e
corpo.
Tabella 6.3
• Le etichette dei cibi confezionati indicano il
contenuto energetico e nutrizionale degli
alimenti
Le etichette degli alimenti
confezionati contengono varie
informazioni, tra le quali le
calorie contenute nei cibi.
Figura 6.6
• Una visione d’insieme della respirazione
cellulare
• La respirazione cellulare produce fino a 38 molecole di ATP
per ogni molecola di glucosio:
– la glicolisi produce 2 molecole di ATP;
– il ciclo di Krebs produce 2 molecole di ATP;
– la catena di trasporto degli elettroni e la
chemiosmosi formano numerose molecole di ATP.
La resa complessiva della respirazione cellulare:
Trasportatore di membrana
degli elettroni
Citoplasma
2 NADH
Mitocondrio
2 NADH
(o 2 FADH2)
6 NADH
2 NADH
GLICOLISI
1
molecola
di glucosio
2
molecole
di acido
piruvico
2 Acetil
CoA
+ 2 ATP
Dalla fosforilazione a
livello di substrato
+ 2 ATP
Dalla fosforilazione a
livello di substrato
Resa massima
per molecola di glucosio:
Figura 6.13
CICLO DI
KREBS
Circa
38 ATP
2 FADH2
FOSFORILAZIONE
OSSIDATIVA
(Catena di trasporto
e chemiosmosi)
+ circa 34 ATP
Dalla fosforilazione
ossidativa
• La fermentazione alcolica e la fermentazione
lattica permettono di ricavare energia in assenza
di ossigeno
– In condizioni anaerobiche, molti tipi di cellule
possono usare la glicolisi da sola per produrre una
piccola quantità di ATP.
– Queste vie alternative sono le fermentazioni e
avvengono nelle cellule dei lieviti.
• Nella fermentazione lattica il NADH è ossidato a NAD+
mentre l’acido piruvico è ridotto ad acido lattico.
2
NAD+
2
NADH
2
NADH
2
NAD+
GLICOLISI
2 ADP + 2
Glucosio
Figura 6.14A
P
2
ATP
2 molecole di
acido piruvico
2 molecole
di acido lattico
• Nella fermentazione alcolica il NADH è ossidato a NAD+
mentre l’acido piruvico è ridotto a CO2 ed etanolo.
2
NAD+
2 NADH
2 NADH
+
2 NAD
GLICOLISI
2 ADP + 2 P
Glucosio
2
2 CO2
ATP
liberate
2 molecole
di etanolo
2 molecole di
acido piruvico
Figura 6.14C
Figura 6.14B
Il metabolismo cellulare
• Le cellule utilizzano varie molecole organiche
come fonte di energia
– I carboidrati, i grassi e le proteine che assumiamo con
l’alimentazione vengono trasformati in molecole che
fungono da combustibile per la respirazione cellulare.
– L’insieme delle reazioni che consentono di ricavare
energia dagli alimenti viene detto catabolismo.
Gli organismi trasformano il
cibo in energia:
Alimento
Carboidrati
Grassi
Zuccheri
Proteine
Glicerolo Acidi grassi
Amminoacidi
Gruppi
amminici
Glucosio
G3P
Acido
piruvico
Acetil
CoA
GLICOLISI
ATP
Figura 6.15
CICLO DI
KREBS
FOSFORILAZIONE
OSSIDATIVA
(Catena di trasporto
e chemiosmosi)
• Le molecole alimentari forniscono i materiali
grezzi per la biosintesi
ATP
• Le cellule usano alcune
molecole alimentari e
intermedi dalla glicolisi
e dal ciclo di Krebs
come materiali grezzi
(sostanze di partenza
per la biosintesi di
molecole).
CICLO DI
KREBS
Acetil
CoA
SINTESI DEL GLUCOSIO
Acido
G3P Glucosio
piruvico
Gruppi
amminici
Amminoacidi
Proteine
• Questo processo di
biosintesi (anabolismo)
consuma ATP.
Acidi grassi Glicerolo
Grassi
Cellule, tessuti, organismi
Figura 6.16
Zuccheri
Carboidrati
• Le biomolecole necessarie alla respirazione
derivano dalla fotosintesi
– Tutti gli organismi possono ricavare energia dalle
molecole organiche.
– Le piante possono anche sintetizzare molecole
organiche a partire da fonti inorganiche attraverso il
processo della fotosintesi.
Schema generale del metabolismo
energetico
• Le sostanze introdotte con i cibi
• vengono idrolizzate e trasformate prevalentemente in
monosaccaridi, aminoacidi, glicerolo, acidi grassi
• subiscono varie trasformazioni in modo che il loro livello
(pool) nel sangue si mantenga costante
CINETICA CHIMICA
• Velocità di reazione
• Formule della velocità
• Fattori che influenzano la velocità
Velocità di reazione
definita come
quantità di prodotto che si forma nel tempo
o
quantità di reagente che si consuma nel tempo
Fattori che determinano il k
Natura dei reagenti
Temperatura di reazione
Presenza di eventuali catalizzatori
Superficie dell’interfaccia (stato di
aggregazione dei reagenti)
Natura chimica dei reagenti
Il ferro
reagisce più lentamente
con
l’ossigeno
Che con lo
zolfo
Concentrazione dei reagenti
Quanto è maggiore la
concentrazione dei reagenti…
…tanto più veloce è la reazione.
Ma…
a mano a mano che la reazione
prosegue…
…le concentrazioni dei reagenti
diminuiscono e la velocità di
reazione diminuisce in proporzione.
Quando non ci sono più reagenti, la
velocità è pari è zero e la reazione
ha termine
velocità
Temperatura di reazione
La temperatura può sia
accelerare una reazione sia
inibirla o rallentarla a seconda
che la reazione sia
• endotermica
• esotermica
Stato di aggregazione dei reagenti
Maggiore è la
superficie di reazione
Maggiore è la
velocità di reazione
Limatura di ferro reagisce con l’ossigeno
più velocemente di
un pezzo di ferro di uguale massa
le sostanze in soluzione reagiscono più
velocemente delle sostanze solide pure
I fisici spiegano a livello particellare la cinetica di reazione
ricorrendo due teorie combinate: T. degli urti e T. dello stato
attivato. Le molecole dei reagenti devono urtarsi con una certa
energia e secondo un certo angolo per scindere i legami “vecchi” e
formarne di nuovi per dare i prodotti.
O2 + 2H2
2 H2O
Da un punto di vista
energetico, al termine
della reazione, si
possono avere due
situazioni:
1) I prodotti hanno
meno energia dei
reagenti (reazione
esotermica)
2) I prodotti hanno più
energia dei reagenti
(reazione
endotermica)
ΔH=variazione di entalpia
Parametri spiegati con la teoria delle collisioni
Temperatura  aumenta l’energia cinetica, quindi la
frequenza degli urti
Pressione  aumenta l’energia cinetica, quindi la frequenza
degli urti
Natura dei reagenti  dipende dai legami, dalla loro forza,
tra gli atomi.
Catalizzatori  influenzano l’orientamento degli urti oppure
la frequenza e la forza
Catalisi
Chiamiamo catalizzatore una sostanza che aumenta (catalizzatore positivo) o
diminuisce (catalizzatore negativo) la velocità di una data reazione chimica
entrando a far parte del meccanismo di reazione, ma alla fine non subisce
trasformazioni.
Normalmente con catalisi si intende l’aumento della velocità di reazione in
seguito all’aggiunta del catalizzatore.
Un esempio è la reazione fra SO2 ed O2 per dare SO3 che è catalizzata da
NO:
NO
2 SO2(g) + O2(g)
2SO3(g)
Realmente avvengono due reazioni consecutive, invece di una
2 NO(g) + O2(g)
2NO2(g)
2 NO2(g) + SO2(g)
2NO(g) + SO3(g)
Pur essendo due le reazioni, complessivamente la velocità è maggiore rispetto a
quella singola.
In generale:
un catalizzatore non prende parte alla reazione, ma cambia
l’energia dello stato di transizione.
stato di
transizione
reagenti
con il catalizzatore
prodotti
Gli enzimi: catalizzatori biologici