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Zucchero (Dolce)

Glutammato(Umami)

Perché è necessario che queste sostanze si leghino a un recettore sulla membrana delle cellule?Non potrebbero entrare nelle cellule e svolgere all’interno il loro ruolo?

Perché è necessario studiare Chimica?

O Ossigeno 65 %

C Carbonio 18.5 %

H Idrogeno 9.5 %

N Azoto 3.3 %

Ca Calcio 1.5 %

P Fosforo 1 %

K Potassio 0.4 %

S Zolfo 0.3 %

Na Sodio 0.2 %

Cl Cloro 0.2 %

Mg Magnesio 0.1 %

Elementi traccia < 0.1 %

Esempi di elementiTraccia

Fe - FerroI - IodioMn - ManganeseCo - CobaltoCu - RameZn - ZincoLi - LitioF - Fluoro

Composizione elementare di un organismo vivente

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Esistono davvero gli atomi?

La natura atomica della materia era stata già ipotizzata da Democrito intorno al 400 a.C. I chimici del XIX secolo come Dalton e Lavoisier ripresero ed elaborarono la teoria atomica, soprattutto sulla base degli studi quantitativi delle reazioni chimiche, ma ancora alla fine dell’800 molti dubitavano della reale esistenza degli atomi.Il famoso fisico Ernst Mach nel 1897 dichiarò pubblicamente di non credere nell’esistenza degli atomi.

La prova della reale esistenza degli atomi e delle molecole giunge nel 1905, ad opera di Albert Einstein

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Il moto Browniano

Particelle sospese in un liquido o nell’aria hanno piccoli movimenti incessanti, i moti Browniani

Da un testo di biologia cellulare “Questo fenomeno viene chiamato moto Browniano perché descritto per la prima volta nel 1828 dal botanico Robert Brown che aveva osservato al microscopio il movimento di granuli di polline di licopodio in acqua.”

In realtà studiava il polline di un’altra pianta,

Pulchella e il movimento non era dei granuli

di polline ma di particelle molto più piccole,

contenute all’interno dei granuli, che

fuoriescono mettendo il polline in acqua

distillata.

I granuli di polline (qualche decina di

micrometri) sono di gran lunga troppo

grandi per mostrare visibilmente moti

browniani apprezzabili (è come prendere a

calci un camion sperando che si muova)

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Traccia dei movimenti di una singola particella.I movimenti non hanno una direzionalità ma sono casuali

I moti Browniani possono essere osservati facilmente guardando i raggi di sole in una stanza scura e polverosa

Einstein comprese che i movimenti di particelle sospese nell’aria o nell’acqua sono dovuti agli urti da parte delle molecole di aria o di acqua che si muovono continuamente per l’energia termica (agitazione termica). Egli riuscì inoltre a dare una descrizione quantitativa del fenomeno, che

poteva essere sperimentalmente verificata.

Se le molecole di aria o di acqua fossero infinitamente piccole e numerose le particelle sospese non si muoverebbero affatto, perché gli effetti degli urti da destra e da sinistra in ogni istante si bilancerebbero esattamente.

Se le molecole fossero grandi e poco numerose le particelle sospese avrebbero grandi spostamenti, come un pallone preso a calci dai giocatori.

Misurando i movimenti delle particelle sospese Einstein riuscì a stimare le dimensioni e il numero delle molecole: i suoi risultati coincidono con ciò che oggi sappiamo sulle dimensioni degli atomi.

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Quanto è grande un atomo?

L’ordine di grandezza è di 10-10 m, cioè il decimo di miliardesimo di metro.

Il nucleo è 10.000 volte più piccolo, 10 -14 m

Il rapporto tra le dimensioni del nucleo, che contiene praticamente tutta la massa dell’atomo, e quella dell’intero atomo è paragonabile al rapporto tra le dimensioni di una moneta da 1 centesimo e un campo di calcio.

Quanti atomi ci sono?

In una mole di qualsiasi sostanza ci sono circa 6.02 x 10 23

atomi o molecole (numero di Avogadro)

Quindi ad esempio per lo zucchero (peso molecolare = 342) una mole, cioè 342 grammi, contiene 6.02 x 10 23

molecole.

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Un atomo di ogni elemento presenta un determinato numero di protoni nel nucleo e lo stesso numero di elettroni orbitanti.

L’atomo risulta quindi elettricamente neutro.Nel nucleo sono inoltre essere presenti dei neutroni (non

nell’idrogeno). Il numero di protoni definisce il numero atomico, la somma di neutroni e protoni definisce il peso atomico

N.A. = 2P.A. = 4

L’atomo dell’ Elio (He)

Cloruro di sodio NaCl

Na 11 Protoni, 12 Neutroni; Peso atomico calcolato = 23 Cl 17 Protoni, 18 Neutroni : Peso atomico calcolato = 35

NaCl peso molecolare misurato 58,443Perché non 58 ?

Il peso degli elettroni è trascurabile (un elettrone pesa 1/1836)

Peso Atomico e Peso Molecolare

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ISOTOPI Molti elementi sono presenti in diverse forme isotopiche, con lo stesso numero di protoni ed elettroni, ma diverso numero di neutroni: stesso NUMERO ATOMICO, diverso PESO ATOMICO. La maggior parte degli elementi sono una miscela di isotopi in proporzioni fisse

Peso atomico

Numero atomico

ISOTOPIGli isotopi sono atomi dello stesso elemento, e quindi

con lo stesso numero atomico (e quindi stesse proprietà chimiche), ma con differente peso atomico,

a causa a un diverso numero di neutroni.Per esempio il Carbonio è una miscela di tre isotopi con

numero di massa pari a 12, 13 e 14 (12C, 13C e 14C).

Alcuni isotopi sono STABILI, altri INSTABILIGli isotopi INSTABILI (RADIOATTIVI) decadono, trasformandosi in altri Isotopi o in altri Elementi, emettendo RADIAZIONI α, β o γ

Il tempo di decadimento può essere molto diverso per i diversi isotopi: T ½ (tempo di dimezzamento) da pochi secondi a migliaia di anni (T ½ = 12 anni per il trizio, 5700 anni per il 14C)

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Cloro: isotopi più abbondanti con peso atomico 35 e 37

35Cl (75.77%) e 37Cl (24.23%)

Questo ci fa capire perché il peso molecolare di Na Cl è maggiore di 58 (58,443)

UN ATOMO RAGGIUNGE LA SITUAZIONE DI MASSIMA STABILITA’ QUANDO LO STRATO

ELETTRONICO PIU’ ESTERNO E’ SATURO DI ELETTRONI

PER IL LIVELLO 1 : 2 ELETTRONI

PER I LIVELLI SUCCESSIVI : 8 ELETTRONI

LA SATURAZIONE DI UNO STRATO PUÒ ESSERE RAGGIUNTA SOTTRAENDO ELETTRONI AD ALTRI ATOMI O CONDIVIDENDO ELETTRONI CON ALTRI

ATOMI, QUINDI FORMANDO UN LEGAME

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Due atomi di idrogeno, ciascuno con un solo elettrone sull’unico strato presente, formano un legame unendosi e condividendo gli elettroni. Ora ambedue gli atomi hanno raggiunto la situazione di stabilità con due elettroni. Gli elettroni sono condivisi in modo simmetrico: il legame si definisce COVALENTE

E’ facile capire quanti legami può formare ogni elemento

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UN ATOMO DI CARBONIO (4 ELETTRONI SUL LIVELLO ESTERNO) LEGA 4 ATOMI DI IDROGENO (1 ELETTRONE

CIASCUNO SUL LIVELLO ESTERNO) CONDIVIDENDO GLI ELETTRONI IN 4 LEGAMI COVALENTI

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SE I DUE ATOMI CHE PARTECIPANO AD UN LEGAME HANNO UNA CAPACITA’ DI “ATTIRARE”GLI ELETTRONI SIMILE (ELETTRONEGATIVITA’SIMILE), ALLORA GLI ELETTRONI CONDIVISI SARANNO DISTRIBUITI IN MODO OMOGENEO, COME NEL CASO DI CARBONIO E IDROGENO.(LEGAMI COVALENTI)

SE INVECE I DUE ATOMI HANNO ELETTRONEGATIVITA’ MOLTO DIVERSA………..

Na 0.93

H 2.2

C 2.6

N 3

Cl 3.2

O 3.4

VALORI DI ELETTRONEGATIVITA’ DI ALCUNI ATOMI

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Elettronegatività 0.93 Elettronegatività 3.2

Due atomi con elettronegatività molto diversa

L’ATOMO DI CLORO HA AFFINITA’ PER GLI ELETTRONI MOLTO MAGGIORE DEL SODIO. PUO’ QUINDI

SOTTRARRE UN ELETTRONE AL SODIO – AMBEDUE GLI ATOMI HANNO ORA 8 ELETTRONI SUL LIVELLO

ESTERNO ED HANNO ACQUISTATO CARICA

+ -

0.93 3.4

Cloruro di sodio: esempio di legame ionico

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H

H

H2

ELETTRONEGATIVITA’ DIVERSA ELETTRONEGATIVITA’ UGUALE

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LEGAME COVALENTE NON POLARE

+

e-

+

e-

+ +

e-

e-

ATOMO 1 ATOMO 2 MOLECOLA

Molecola non polare dell’ossigeno

AFFINITA’ PER GLI ELETTRONI IDENTICA

LA AFFINITA’ PER GLI ELETTRONI NON È IDENTICA, MA LA DIFFERENZA NON È ABBASTANZA GRANDE DA DETERMINARE UN TRASFERIMENTO COMPLETO DI ELETTRONI COME NEL CASO DEL LEGAME IONICO

Affinità

minore

Affinità

maggioreAffinità

minoreAffinità

maggiore

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L’OSSIGENO HA AFFINITA’ PER GLI ELETTRONI MAGGIORE DELL’IDROGENO:

GLI ELETTRONI SI TROVANO DISLOCATI VERSO IL NUCLEO DELL’OSSIGENO CHE ASSUME

QUINDI CARICA PARZIALE NEGATIVA

H 2.2

O 3.4

ELETTRONEGATIVITA’

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Lunghezza e forza dei legami

Lunghezza nm Forza nel vuoto (kcal/mole)

Forza in acqua (kcal/mole)

Covalente 0,15 90 90

Ionico 0,25 80 3

Idrogeno 0,30 4 1

Van der Waals 0,35 0,1 0,1

I legami covalenti e ionici hanno energie di circa 100 volte superiore a quella dell’agitazione termica a temperatura ambiente: non si rompono quindi spontaneamente.Legami idrogeno e forze di van der Waals sono molto più deboli e quindi si rompono facilmente

In un legame covalente non polare gli elettroni sono egualmente condivisi tra i due atomi

Gli elettroni sono però in movimento, quindi MA IN OGNI SINGOLO ISTANTE

UN ELETTRONE SI TROVERA’ SPOSTATO verso l’uno o l’altro dei due atomi,

DETERMINANDO DELLE ASIMMETRIE DI CARICA (dipoli) ISTANTANEE.

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DOVE SI TROVANO GLI ELETTRONI CONDIVISI IN UNA MOLECOLA COME IL METANO, in cui un carbonio forma quattro legami covalenti con polari con quattro atomi di idrogeno ?

IN MEDIA, SARANNO EGUALMENTE DISTRIBUITI TRA IDROGENO E CARBONIO, ma in ogni singolo istante un elettrone sarà più spostato verso il carbonio o verso l’idrogeno, producendo delle asimmetrie di carica

LA PRESENZA DI QUESTE CARICHE DI SEGNO OPPOSTO SU MOLECOLE

DIVERSE POTRA’ GENERARE DELLE INTERAZIONI DEBOLI: LE FORZE DI VAN

DER WAALS

LE FORZE DI VAN DER WAALS CONTRIBUISCONO ALLA AGGREGAZIONE DI MOLECOLE APOLARI E, IN GENERALE, ALLE INTERAZIONI TRA MOLECOLE

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Perché è meglio andare al mare ?

La struttura dell’acqua: La formazione del maggior numero possibile di legami idrogeno rappresenta la condizione energeticamente più favorevole.

La rottura di legami idrogeno richiede la somministrazione di energia.

Questa è la causa dell’elevato calore specifico dell’acqua, e della grande quantità di calore richiesta per portare l’acqua alla ebollizione o per farla evaporare

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La tensione superficiale dell’acqua è dovuta al grande numero di legami idrogeno che si formano tra le molecole di acqua, disposte in modo ordinato all’interfaccia tra acqua e aria. Il “ragno d’acqua” (che invece è un insetto) pattina sull’acqua grazie a questa forza.

Gerride

TENSIONE SUPERFICIALE

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Le molecole all’interno del liquido formano legami idrogeno con altre molecole che le circondano in tutte le direzioni. Le forze applicate hanno risultante nulla. Le molecole che si trovano in superficie legano soltanto molecole sottostanti o laterali: la risultante è diversa da zero, ed è diretta verso l'interno del liquido.Le molecole che costituiscono lo strato superficiale, attirate verso l'interno, tendono ad occupare la minima superficie possibile; il risultato di questa attrazione è che la superficie di un liquido si comporta come una membrana elastica in tensione.

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Le sostanze che riducono la tensione superficiale prendono il nome di TENSIOATTIVI. Una tensione superficiale ridotta è desiderabile nei liquidi impiegati in operazioni di pulizia in quanto il liquido, frammentandosi più facilmente in minutissime gocce, si disperde con maggior facilità sul materiale che s'intende pulire.

L’insetto pattinatore affonda se aggiungiamo un detergente (tensioattivo) all’acqua

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La vita nelle acque è resa possibile dal fatto che il ghiaccio galleggia sull’acqua, grazie alla proprietà dei legami idrogeno.

Se il ghiaccio affondasse, tutti i mari finirebbero per congelare completamente. Al contrario, anche nei mari più freddi, la strato di ghiaccio che galleggia in superficie funzione come isolante termico e impedisce il congelamento degli stati sottostanti, liquidi e più pesanti.

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Nel ghiaccio il volume è maggiore, perché legami idrogeno stabili e ordinati, mantengono le molecole relativamente lontane l’una dall’altra.

Nell’acqua liquida il legami si formano e si rompono continuamente, permettendo alle molecole di scivolare l’una sull’altra: il volume è minore