La materia es definida como aquello que ocupa espacio y tiene masa; asi mismo, existe en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. La materia esta compuesta de átomos. Cada átomo tiene un núcleo cargado positivamente que contiene a los protones y neutrones; el núcleo está rodeado por los electrones que tienen carga eléctrica negativa.
Seis elementos (carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, fósforo y azufre) constituyen el 98% del peso de los organismos vivos.
La Estructura Atómica
Los elementos consisten de partículas muy pequeñas denominadas átomos. Un átomo es la unidad más pequeña de un elemento que exhibe las propiedades de dicho elemento. Una o dos letras (i.e. H, Na) forma el símbolo átomico de un elemento.
El peso átomico depende de la presencia de ciertas partículas subatómicas. Los átomos contienen números específicos de protones, neutrones y electrones.
La tabla periódica muestra como las características de los elementos son recurrentes. Los grupos se ubican en las columnas de la tabla, los períodos están en filas horizontales; el peso atómico se incrementa en la medida en que nos movemos hacia abajo de los grupos o a través de un período. El número atómico se coloca sobre el símbolo y el peso atómico debajo de él.
Isótopos
Los isótopos son átomos de un mismo elemento que difieren en el número de neutrones (y por eso tienen diferente peso atómico). Por ejemplo, el carbono-12 tienen 6 protones y 6 neutrones, el carbono 14 tienen 6 protones y 8 neutrones.
Un átomo de carbono que tiene 8 en lugar de 6 neutrones es inestable; éste libera energía y partículas subatómicas, lo que lo convierte en un isótopo radioactivo. Los isótopos radioactivos o radioisotopos emiten radiaciones que decaen con el tiempo. Debido al que el comportamiento químico de un isótopo radioactivo es el mismo que el de un isótopo estable de cualquier elemento; los niveles bajos de un isótopo radioactivo (i.e. iodo radioactivo o glucosa) permiten a los investigadores seguir la ubicación y la actividad de los elementos químicos en los tejidos vivos; estos isótopos son denominados trazadores o marcadores.
Altos niveles de radiación pueden destruir células y causar cáncer; el uso cuidadoso de la radiación puede esterilizar productos como alimentos y matar células cancerosas.
Electrones y Energía
Los electrones están distribuidos en capas u orbitales externos que consisten en volúmenes de espacio definido; el volumen está relacionado con el número de orbitales que tiene un átomo. Los electrones ocupan orbitales en diferentes niveles de energía, cerca o lejos del núcleo de un átomo. Mientras más lejos este el orbital del núcleo, mayor será su nivel de energía.
Un orbital es un volumen de espacio en donde es más probable encontrar al electrón; el nivel energético menor más cercano al núcleo no puede contener más de dos electrones.
Cuando los átomos absorben energía durante la fotosíntesis, los electrones son estimulados y empujados a niveles de energía más altos. Cuando los electrones retornan a su nivel de energía original, la energía liberada es convertida en energía química. Esta energía química sostiene toda la vida sobre la tierra.
El primer nivel de energía de un átomo que está más cercano al núcleo se completa con dos electrones; los otros niveles de energía se completan con 8 electones. Esto se denomina la regla del octeto.
Los átomos cederán, aceptarán o compartirán electrones a fin de tener sus 8 electrones en sus respectivos orbitales o niveles de energía. Un átomo puede combinarse con otros átomos para formar moléculas, perdiendo, ganando o compartiendo electrones hasta obtener la estructura más estable.
Elementos y Compuestos
Un enlace químico es una fuerza de atracción y unión que une a dos átomos en una molécula. Un compuesto es una molécula hecha de dos o más elementos unidos en una proporción fija, como el agua (H2O) o la glucosa (C6H12O6). Una molécula es la parte más pequeña de un compuesto que tiene las propiedades del compuesto.
Los electrones poseen energía y por eso las uniones que existen entre los átomos también contienen energía.
Enlaces Iónicos
Los enlaces iónicos son atracciones eléctricas entre iones con cargas opuestas y se forman cuando los electrones son transferidos de un átomo a otro. Los iones son cuerpos eléctricamente cargados que se forman cuando un átomo gana o pierde uno o más electrones. Los enlaces iónicos son fuertes en los compuestos sólidos (i.e. sal) pero débiles cuando éstos se separan unos de otros en una solución. Los aniones son átomos que están cargados negativamente y los cationes están cargados positivamente.
Al perder o ganar electrones los átomos completan sus orbitales más externos y son más estables (regla del octeto). Ejemplo: el sodio pierde un electrón y adquiere una carga positiva, el cloro gana un electrón que le da una carga negativa adicional. Estas partículas con carga eléctrica se denominan iones.
La atracción entre iones con cargas opuestas mantiene unidos a los átomos formando el enlace ionico. La sal (i.e. NaCl) es un ejemplo de un compuesto formado por enlaces iónicos.
Enlaces covalentes
Los enlaces covalentes son enlaces muy fuertes, y se forman cuando dos átomos comparten uno o más pares de electrones de tal manera que forman un octeto de electrones en su orbital más externo (en el caso del hidrógeno, su orbital más externo tiene 2 electrones).
La formula estructural de un compuesto indica, mediante el dibujo de una línea entre dos átomos, a un par de electrones compartidos, i.e. un enlace covalente simple (H–H), enlace covalente doble(O=O), enlace covalente triple (N = N). Cada línea entre dos átomos representa un par de electrones.
La forma tridimensional de las moléculas no se representa por las fórmulas estructurales; dicha forma tridimensional es fundamental para comprender las propiedades biológicas de las moléculas. Diferentes moléculas tienen diferentes formas tridimensionales dependiendo del número de átomos en la molécula y el tipo de enlaces (simples, dobles, triples, enlaces covalentes, etc.).
Enlaces Covalentes No Polares y Polares
En los enlaces covalentes no polares los átomos comparten electrones de forma equitativa; i.e. los electrones no son atraidos hacia ninguno de los átomos en mayor o menor grado.
En los enlaces covalentes polares los electrones se comparten inequitativamente entre dos átomos con diferente electronegatividad. En los extremos de estos enlaces formados, también denominados polos, las moléculas se encuentran cargadas eléctricamente de forma parcial ( δ+ o δ-).
En una molécula de agua (H2O), los electrones entre el oxígeno y los hidrógenos no se comparten de forma equitativa; el átomo de oxígeno con un mayor número de protones atrae los electrones de los hidrógenos más cerca de él. La atracción de un átomo por los electrones en un enlace covalente se denomina electronegatividad; un átomo de oxígeno es más electronegativo que un átomo de hidrógeno.
En la molécula del agua, el oxígeno al atraer hacia él los pares de electrones, adquiere una carga parcial negativa.
Enlaces de Hidrógeno
Un enlace de hidrógeno es una fuerza de atracción eléctrica débil entre un átomo de hidrógeno con carga parcialmente positiva (δ+) y otro átomo con carga parcialmente negativa (δ-) en una misma molécula o entre moléculas diferentes. Los enlaces de hidrógeno son muy abundantes en el agua.
En las reacciones químicas los átomos se combinan o cambian sus patrones de unión con otros átomos; asi mismo, los reactantes se convierten en productos. Algunas reacciones químicas liberan energía espontáneamente en la formación de los productos, mientras que otras reacciones solo pueden ocurrir si la energía necesaria para que la reacción ocurra la suministran los reactantes. Ni la materia ni la energía pueden ser creadas o destruidas en una reacción química, pero pueden cambiar de un estado a otro. Algunas reacciones químicas, especialmente las que se dan en los organismos vivos, son reversibles. Esto significa que los productos formados pueden convertirse en los reactantes que les dieron origen.
La Química del Agua
Todos los organismos vivos estan compuestos entre un 70–90% de agua.
Debido a que el agua es una molécula polar, éstas se unen unas con otras mediante enlaces de hidrógeno. Gracias a los enlaces de hidrógeno, el agua es líquida entre los 0° C y 100° C, lo que es esencial para la existencia de la vida.
Propiedades del Agua
La estructura molecular del agua y su capacidad para formar enlaces de hidrógeno le confieren propiedades únicas que son importantes para la vida. Su alto calor específico le permite ganar o perder una gran cantidad de calor cuando cambia de un estado a otro. El agua tiene una alta capacidad calórica. La temperatura del agua líquida se eleva y cae más lentamente que la de cualquier otro líquido. Una caloría es la cantidad de energía que se requiere para elevar la temperatura de un gramo de agua en 1° C.
Debido a que los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua retienen más calor, la temperatura del agua desciende más lentamente que la de cualquier otro líquido; ésto proteje a los organismos vivos de cambios bruscos de temperatura, y los ayuda a mantener su temperatura de homeostasis.
El agua tiene un alto calor de vaporizacion. Este asegura un enfriamiento efectivo cuando el agua se evapora. Los enlaces de hidrógeno que se forman entre las moléculas de agua requieren relativamente una gran cantidad de energía calórica para ser rotos. Esta propiedad del agua regula la temperatura de la superficie terrestre y permite que los sistemas vivos existan.
Cuando los animales transpiran, la evaporacion del sudor ayuda a remover el exceso de calor corporal enfriando al animal.
El agua disuelve una gran cantidad de sustancias (i.e. sales, grandes moléculas polares). Moléculas ionizadas o polares atraen al agua y son hidrofílicas (tienen afinidad por el agua). Moléculas no ionizadas o no polares no atraen al agua y son hidrofóbicas (no tienen afinidad por el agua).
Las soluciones se producen cuando sustancias sólidas (solutos) se disuelven en un líquido (solvente). El agua es el solvente por excelencia para la vida.
Las molecuas de agua son cohesivas y adhesivas. La cohesión le permite al agua fluir libremente sin que se separen sus moléculas; es decir, sus moléculas tienen la capacidad de resistir el ser apartadas unas de otras. La adhesión es la capacidad de adherirse a superficies polares; las moléculas de agua tienen polos positivos y negativos. El agua puede subir por un árbol desde las raíces hacia las hojas a través de tubos vasculares de diámetro muy pequeño. La adhesión del agua a las paredes de los tubos casculares de las plantas impide que la columna de agua que circula por ellos se "desarme". La cohesión permite la evaporación del agua desde las hojas, lo que empuja la columna de agua desde las raíces hacia las partes altas de la planta, es decir hacia arriba.
El agua tiene una gran tensión superficial. Es relativamente difícil que el agua se "rompa" en su superficie. Esta propiedad le permite a una roca rebotar sobre la superficie de un lago, así como soportar el peso de ciertos insectos que caminan sobre su superficie.
A diferencia de muchas sustancias, el agua congelada es menos densa que el agua líquida. Por debajo de los 4° C, los enlaces de hidrógeno son más rígidos pero más abiertos, produciendo una expansion del agua. Debido a que el hielo es menos denso que el agua líquida, éste flota; por eso los cuerpos de agua se congelan de arriba hacia abajo. Si el hielo fuera más pesado que el agua líquida, éste e hundiría y los cuerpos de agua serían sólidos. Esta propiedad le permite al hielo actuar como un aislante de los cuerpos de agua , protegiendo a los organismos acuáticos durante el invierno.
Acidos y Bases
Los ácidos son solutos que liberan iones hidrógeno en una solución acuosa. Las bases aceptan iones hidrógeno. Cuando el agua se ioniza o se disocia, libera un pequeño pero igual número de iones hidrógeno (H+) y de iones hidroxilo (OH-); H – O –H → H+ + OH-.
Las moléculas ácidas se disocian en el agua liberando iones hidrógeno (H+): HCl → H+ + Cl-. Las bases son moléculas que capturan iones hidrogeno o liberan iones hidroxilo. NaOH → Na+ + OH-
La escala de pH indican la acidez o alcalinidad de una solución. El pH mide la cantidad de iones hidrógeno y se expresa como el logaritmo negativo de la concentración de iones hidrógeno -log [H+]. Los valores de pH van desde el 0 (0 moles/litro; mas ácido) hasta el 14 (10 a la 14 moles/litro; más básico). Una mol de agua tiene 10 a la 7 moles/litro de iones hidrógeno; por lo que tiene un pH de 7. Un ácido es una sustancia con un pH menor a 7; una base es una sustancia con un pH mayor a 7.
Debido a que se utiliza una escala logarítmica, cada unidad inmediata inferior tiene 10 veces más la cantidad de iones hidrógeno que la unidad inmediata superior; cuando se sube en la escala de pH cada unidad tiene 10 veces la basicidad o alcalinidad que la unidad previa.
Los bufferes son mezclas de ácidos y bases débiles que limitan y regulan el cambio de pH en una solución cuando un ácido o una base son añadidos. Los buffers mantienen el pH en valores estables y dentro de límites normales para los organismos vivos. Los buffers estabilizan el pH de una solución al capturar el exceso de iones hidrógeno (H+) o iones hidroxilo (OH-).
El acido carbónico ayuda a mantener el pH sanguíneo dentro de los límites normales: H2CO3 → H+ + HCO3-.
Imágenes tomadas de:
http://www.geocities.com/wimaso2003/enlace_ionico.gif
http://img101.imageshack.us/img101/1944/watercovalentbondvs8.gif
http://www.biologia.arizona.edu/biochemistry/tutorials/chemistry/graphics/water.gif
http://bifi.unizar.es/jsancho/estructuramacromoleculas/1agua/pdeHenagua.gif
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