ATOMI E MOLECOLE: LA BASE DELLA CHIMICA DELLA VITA

La composizione chimica e i processi metabolici di tutti gli esseri viventi sono molto simili tra loro.

Le leggi della fisica e della chimica sono valide sia per le cose non viventi sia per gli organismi viventi.

Gli organismi sono costituiti sia da composti inorganici, semplici e di piccole dimensioni, sia da composti organici contenenti carbonio, molto più complessi e di grandi dimensioni.

Un elemento è una sostanza che non può essere scissa in sostanze più semplici per mezzo di reazioni chimiche.

La materia vivente è costituita principalmente dagli elementi Carbonio C, Idrogeno H, Ossigeno O e Azoto N, fosforo P, Calcio Ca e Zolfo S (circa il 97% del peso secco del corpo umano) e da numerosi altri elementi, presenti in tracce, tra cui B, F, Al, Si, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Br, Mo, Cd, I e W.

Gli atomi sono costituiti da:

• un nucleo contenente protoni (carichi +) e neutroni (privi di carica). Quasi tutta la massa dell’atomo è concentrata nel nucleo;
• elettroni (carichi -), aventi una massa piccolissima se paragonata ai protoni e ai neutroni. Sono localizzati all'esterno del nucleo dell'atomo e si muovono rapidamente intorno al nucleo in un volume che definisce le dimensioni dell'atomo.

La tavola periodica è una disposizione tabellare degli elementi lungo un periodo (riga orizzontale), in ordine crescente di numero atomico, che pone gli elementi con proprietà chimiche simili nello stesso gruppo (colonna verticale) della tabella. All'interno della tavola periodica ciascuno elemento viene rappresentato in un riquadro e per ogni elemento vengono riportati il simbolo (a una o due lettere), il numero atomico e la massa atomica.

Il numero atomico (indicato solitamente con Z) indica quanti protoni sono contenuti in un atomo (e in un atomo neutro, dato che il numero di protoni è uguale al numero di elettroni, si ha che Z corrisponde anche al numero di elettroni); ad ogni numero atomico corrisponde un diverso elemento chimico.

In un atomo elettricamente neutro (carica netta = 0) il numero dei protoni è uguale a quello degli elettroni.

La somma del numero dei protoni e dei neutroni è detta numero di massa (indicato con A). Poiché le masse di neutroni e protoni sono circa pari a 1 uma (Atomic Mass Unit o Unità di Massa Atomica) o dalton (Da), approssimativamente il valore del numero di massa può essere considerato uguale in termini numerici al valore della somma delle masse in uma dei neutroni e dei protoni, detto massa atomica o peso atomico.

Atomi dello stesso elemento (stesso numero atomico Z) con una diversa massa atomica (e quindi differente numero di massa A) per la presenza di un diverso numero di neutroni nel nucleo, sono detti isotopi, e si comportano chimicamente nello stesso modo, ma in modo differente a livello fisico. Gli isotopi si suddividono in stabili e radioattivi.

Col termine orbitale si indica una data regione intorno al nucleo in cui è alta la probabilità (più del 90%) di trovare l’elettrone e viene determinata da una particolare funzione d’onda, detta ψ2 (psi). Le proprietà chimiche di un atomo sono determinate dal numero e dall’organizzazione dei suoi elettroni più energetici, ossia quelli localizzati nell’orbitale più esterno, noti come elettroni di valenza.

Ogni orbitale è caratterizzato da una determinata dimensione, forma e

orientamento spaziale, indicati da 3 numeri interi, detti numeri quantici:

- la dimensione dal numero quantico principale (n);

- la forma dal numero quantico secondario (l);

- l’orientamento dal numero quantico magnetico (m).

Gli orbitali che hanno lo stesso valore di n e di l costituiscono un sottolivello.

Ogni orbitale può essere occupato al massimo da 2 elettroni.

Un sottolivello con l = 0 ha un orbitale sferico s che può ospitare 2 elettroni, un sottolivello l = 1 ha tre orbitali bilobati p (px, py, pz) che possono ospitare 6 elettroni, un sottolivello l = 2 ha cinque orbitali d quadrilobati che possono ospitare 10 elettroni, ecc.

   

I LEGAMI CHIMICI

Quasi tutti gli atomi presenti in natura si legano fra di loro per formare le molecole. Vi sono molecole formate da atomi uguali fra loro (A + A → A2) e composti formati da atomi diversi (A + B → AB), tenuti insieme da legami chimici.

La regola dell’ottetto è una regola empirica che spiega la tendenza degli atomi a raggiungere sull’ultimo livello energetico una configurazione di grande stabilità, data dall’avere otto elettroni (ottetto) nell'ultimo livello di energia, proprio come li hanno i gas nobili particolarmente stabili e poco reattivi.

Alcuni atomi raggiungono l'ottetto stabile acquistando o cedendo elettroni, mentre allo stesso tempo altri atomi li cedono o li acquistano. Entrambi gli atomi interessati perderanno la neutralità e si trasformeranno in ioni:

• quello che li perde diventa uno ione carico positivamente, detto catione;
• quello che li acquista si carica negativamente e viene detto anione.

Il tipo di legame che si instaura tra gli ioni viene detto legame ionico, dovuto all’attrazione elettrostatica tra due ioni di carica opposta. È tipico dei sali e di molti composti che formano cristalli.

Es.

Na+ + Cl- → NaCl (cloruro di sodio, il comune sale da cucina)

I legami ionici sono forti in ambiente non acquoso, ma risultano relativamente deboli in acqua per cui vengono rotti in soluzione acquosa.

Nel legame covalente gli atomi completano l’ultimo livello quantico mettendo in comune o compartecipazione i loro elettroni esterni per ottenere la stabilità della loro configurazione elettronica esterna. Nel caso dell’idrogeno (H) ogni atomo possiede un solo elettrone e per formare la molecola di idrogeno, H2, occorre che due elettroni si leghino tra loro mettendo in comune i loro elettroni, ossia formino un duetto.

La maggior parte degli atomi formano l’ottetto, mettendo in compartecipazione una (legame singolo Cl2) o due (legame doppio O2) o tre (legame triplo N2) coppie di elettroni di legame.

Il legame covalente è un legame molto forte e stabile e comporta la riorganizzazione degli orbitali dei singoli atomi coinvolti, per mezzo di un processo noto come ibridazione degli orbitali.

I legami covalenti vengono distinti in:

• apolari o puri od omopolare quando gli elettroni di legame sono condivisi equamente tra i due atomi uguali tra loro o con elettronegatività molto simile es. H2, Cl2, ecc;
• polari quando uno dei due atomi è più elettronegativo, ossia attira più fortemente a sé gli elettroni di legame, caricandosi parzialmente negativamente δ-, mentre l’altro atomo acquista una parziale carica positiva δ+. La molecola costituisce un dipolo elettrico.

I LEGAMI SECONDARI O DEBOLI O FORZE INTERMOLECOLARI
I legami deboli comprendono:

• le interazioni dipolo/dipolo: sono attrazioni reciproche che si esercitano tra le estremità opposte di due o più molecole polari (per es. HCl);
• le interazioni dipolo/dipolo indotto: si verificano quando un dipolo induce la formazione di dipoli in altre molecole;
• le deboli forze di attrazione tra molecole non polari sono dette forze di van der Waals o forze di London o dipolo istantaneo, sono dovute a dipoli istantanei che si formano come risultato del continuo movimento degli elettroni nelle molecole che determina piccole distorsioni nella distribuzione di carica nelle molecole non polari;
• il legame a idrogeno o legame H o legame a ponte di idrogeno sono legami deboli che si instaurano quando un atomo di idrogeno con una parziale carica positiva viene attratto da un elemento con una parziale carica negativa (azoto N, fluoro F, ossigeno O), che si trova in un’altra molecola o in un’altra parte della stessa molecola.

I legami deboli hanno una forza nettamente inferiore rispetto a quella dei legami covalenti o ionici, ma la cooperazione tra numerosi legami deboli mantiene assieme le molecole e permette di spiegare il loro comportamento.