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Gli organismi sono fatti da MATERIA*.
(*qualsiasi cosa che occupa uno spazio e ha una massa)
Gli antichi filosofi greci dicevano che la materia deriva da 4
ingredienti di base o ELEMENTI (ARIA, ACQUA, TERRA e
FUOCO), supposti come sostanze pure che non potevano essere
scomposti in altre forme di materia
Tutte le sostanze erano considerate come prodotto del mescolamento
in varie proporzioni dei vari elementi.
Nonostante i filosofi avessero proposto gli elementi sbagliati, l’idea
base era corretta
In natura sono presenti 92 elementi
La materia è costituita da elementi chimici
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)
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
Numero atomico e numero di massa
Il numero atomico 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
Numero atomico =
6
Ricordando
che
la
massa di protoni e
neutroni è considerata
= 1 e quella degli
elettroni è nulla
6 protoni
6 neutroni
6 elettroni
Numero di
massa = 12
I legami chimici
I legami chimici
sono prevalentemente di 4 tipi
¾ Legame Covalente
¾ Legame Ionico
¾ Legame a idrogeno
¾ Legame (forze) di van der Waals
¾ 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 (s)
H
H
Un atomo di C (che è
TETRAVALENTE)
può condividere una
coppia di elettroni con
ciascuno dei quattro
atomi di H a cui si lega
METANO
In questo modo il C raggiunge la condizione stabile con 8 elettroni nel secondo
livello energetico (s + p)
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
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
¾ Legame a idrogeno
(o a ponte di H)
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 un legame ad idrogeno(3-5 Kcal/mol) è circa 1/20 di quella
di un legame covalente (80-100 Kcal/mol). Tuttavia la formazione di
molti legami ad idrogeno può conferire una notevole stabilità alle
strutture.
Proteine, DNA .... etc.
Legame a idrogeno
¾ 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
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 8 elettroni nel guscio esterno
Ora però il sodio è caricato
positivamente (ha perso un elettrone
cioè una carica unitaria)
Na+
Cationi
Il cloro invece è caricato
negativamente (ha acquistato
un elettrone cioè una carica
unitaria)
ClAnioni
Quando un sale, ad esempio cloruro di sodio, viene disciolto in acqua le
sue molecole si dissociano in ioni:
Na+ e ClNel 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+
sia con Cl(-)
O
O
H
H
H
H
C
O
H
H
H
H
O
O
O
H
H
O
N
O
H
H
O
Per le sue proprietà, l’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 (sostanze idrofobe)
Le molecole apolari tra loro formano altri tipi di legami…
Le Forze di van der Waals
¾ Forze di van der Waals
Anche una molecola con legami covalenti apolari può
contenere regioni con parziali cariche positive e negative.
Infatti essendo gli elettroni in costante movimento, essi non
sono mai distribuiti in modo perfettamente simmetrico,
pertanto, in ogni istante, si possono accumulare in modo
casuale in una parte o nell’altra della molecola.
Ne risultano “punti caldi” di carica + o – che cambiamo
continuamente permettendo ad atomi e molecole di associarsi
transitoriamente. Queste “forze di van der Waals” sono molto
deboli e fanno sentire il loro effetto solo a distanze molto brevi.
Importante: tutti i legami anche se deboli possono stabilizzare in
modo significativo la forma di grosse molecole grazie al loro effetto
cumulativo.
La differenza dei valori di elettronegatività, tra
gli atomi di H e di O fa sì che la nube
elettronica costituita dagli elettroni di legame sia
"spostata” sull'atomo di O (parzialmente
negativo) piuttosto che su quelli di H
(parzialmente positivi).
Sono state elencate almeno “37 anomalie” dell’acqua, cioè
comportamenti anomali che l’acqua ha rispetto ad altri
composti chimicamente simili:
•alto punto di fusione
•alto punto di ebollizione
•alta tensione superficiale
•alta viscosità
•la sua densità aumenta all’aumentare della temperatura
•bassa compressibilità
•alto calore specifico
•ecc…ecc……………….
Ð L’acqua è una molecola polare
Con due estremità cariche di segno opposto e
una forma grossolanamente a V.
Praticamente un DIPOLO
La differenza dei valori di elettronegatività, tra gli atomi di H e di O
fa sì che la nube elettronica costituita dagli elettroni di legame sia
"spostata” sull'atomo di O (parzialmente negativo)
piuttosto che su quelli di H (parzialmente positivi).
LE CARATTERISTICHE FONDAMENTALI
DELL’ACQUA.
La Durata dei
legami-H è di
trilionesimi di
secondo
• L’ACQUA E’ ADESIVA E COESIVA
Ma le molecole formano
continuamente nuovi legami
con molecole diverse questo
conferisce all’acqua
particolare struttura. I
legami-H tengono insieme
l’acqua liquida (C
COESIONE)
Azione capillare
Anche il trasporto di acqua
contro gravità nelle piante è
dovuto alla COESIONE e
all’ADESIONE delle molecole
di acqua alle pareti dei vasi
Tensione superficiale
Correlata all’ADESIONE è la tensione
superficiale: all’interfaccia tra acqua e
aria si trova uno strato di molecole di
acqua, ognuna delle quali è legata a
molecole vicine e/o sottostanti mediante
legami-H, questo fa si che l’acqua sia
come coperta da una pellicola invisibile
che permette agli insetti di appoggiarvisi
Oltre
Ciò
O
aavvie
t
Legame H e interazioni idrofobiche sono
i due effetti principali che determinano
la struttura delle biomolecole
MOLTE
INTERAZIONI
DEBOLI
STABILIZANO
LE STRUTTURE