EL CONTEXTO QUÍMICO DE LA VIDA LOS LOS FUNDAMENTOS FUNDAMENTOS QUÍMICOS QUÍMICOS DE DE LA LA VIDA VIDA
∗ ¿Qué tiene este animal diminuto que ha hecho que la industria aeronáutica se siente y tome atención? El escarabajo bombardero tiene un mecanismo pulsativo de defensa que trabaja en la siguiente manera. Dos químicos, hidroquinonas y peróxido de hidrógeno, son producidos en las glándulas, y luego almacenados en un reservorio grande albergado dentro del abdomen del escarabajo. Cuando el animal se siente amenazado, los músculos que circundan el reservorio se contraen, empujando los químicos a través de una válvula controlada por músculos hacía una cámara de reacción en forma de corazón cubierta por células que segregan peroxidasas y catalasas— enzimas oxidativas. Las enzimas rápidamente descomponen el peróxido de hidrógeno, y catalizan la oxidación de las hidroquinonas en pbenzoquinonas—compuestos que son bien conocidos por sus propiedades irritantes. La reacción química resulta en una emisión de oxígeno libre, y causa una liberación substancial de calor. ¡El escarabajo entonces es capaz de echar este chorro fuera de la torreta movible—a 100° C!—en manera pulsativa al ritmo de 500 pulsaciones por segundo (vea Aneshansley y Eisner, 1969; Dean, et.al., 1990; Eisner, et.al., 2000).
∗ Al igual que otros animales, los escarabajos han desarrollado estructuras y mecanismos que los defienden de los ataques. ∗ El escarabajo bombardero que habita en el suelo tiene un mecanismo particularmente efectivo para tratar con las hormigas que lo asedian. ∗ Al detectar una hormiga en su cuerpo, este escarabajo arroja un aerosol de líquido caliente hirviendo desde sus glándulas en el abdomen, apuntando directamente a la hormiga. ∗ El aerosol contiene compuestos irritantes generados en el momento de la expulsión por la reacción explosiva de dos grupos de sustancias químicas almacenadas por separado en las glándulas. La reacción produce calor y un estallido audible.
La biología biología es es una una ciencia ciencia multidisciplinar multidisciplinar La
∗ En la investigación acerca del escarabajo bombardero participaron la quimica, la física y la ingeniería, además de la biología. ∗ La naturaleza no está ordenadamente empaquetada en las distintas ciencias naturales. ∗ Los biólogos se especializan en el estudio de la vida, pero los organismos y el mundo en el que viven son sistemas naturales a los cuales se aplican los conceptos básicos de la química y la física.
La química es un aspecto integral de la biología ∗ La organización de la vida en una jerarquía de niveles estructurales, con propiedades adiciones que surgen en cada nivel sucesivo. ∗ Las propiedades emergentes a los niveles más bajos de la organización biológica, el ordenamiento de los átomos en moléculas y las interacciones de esas moléculas dentro de las células. ∗ En algún lugar en la transición de moléculas a células se cruzará el ambiguo límite entre lo inanimado y la vida.
ELEMENTOS Y COMPUESTOS ∗ Los organismos están compuestos por materia, que es cualquier cosa que ocupa un espacio y tienen una masa. ∗ La materia existe en muchas formas cada una con sus propias características: rocas, metales, aceites, gases y seres humanos
∗ La materia se compone de elementos químicos en forma pura y de combinaciones denominadas compuestos
ELEMENTOS Y COMPUESTOS
Define y diferencia ambos tĂŠrminos
LA MATERIA ESTÁ FORMADA DE ELEMENTOS Un elemento es una sustancia que no puede descomponerse en otras sustancias mediante reacciones química
ELEMENTOS Y COMPUESTOS
UN COMPUESTO ES UNA SUSTANCIA QUE SE COMPONE DE DOS O MÁS ELEMENTOS DIFERENTES COMBINADOS EN UNA RELACIÓN FIJA.
La sal de mesa, es cloruro de sodio NaCl, un compuesto constituido por los elementos sodio y cloro en una relación 1:1. El sodio puro es un metal y el cloro puro es un gas tóxico. Sin embargo, cuando se combinan químicamente, el sodio y el cloro forman un compuesto alimenticio.
ELEMENTOS ESENCIALES PARA LA VIDA
Elementos esenciales para la vida
∗ Observa atentamente la tabla, indica a continuación que elementos incluirías en las siguientes categorías: ∗ Elementos mayoritarios o primarios ∗ Elementos minoritarios o secundarios ∗ Oligoelementos. ∗ Pon un ejemplo de cada uno de ellos y explica la función que realiza
ELEMENTOS ESENCIALES PARA LA VIDA
∗ Una ingesta diaria de solo 0,15 miligramos de yodo es adecuada para la actividad normal de la glándula humana. ∗ Una deficiencia de yodo en la dieta determina que la glándula tiroidea crezca hasta alcanzar un tamaño anormal produciendo una enfermedad llamada bocio. ∗ Las sales yodadas han reducido la incidencia del bocio en las regiones que disponen de ellas.
ELEMENTOS ESENCIALES PARA LA VIDA
DEFICIENCIA DE NITRÓGENO
DEFICIENCIA DE YODO
LAS PROPIEDADES DE UN ELEMENTO DEPENDEN DE LA ESTRUCTURA DE SUS ÁTOMOS CADA ELEMENTO SE COMPONE DE UN CIERTO TIPO DE ÁTOMOS QUE ES DIFERENTE DE LOS ÁTOMOS DE CUALQUIER OTRO ELEMENTO
REPRESENTACIÓN DE LOS ELECTRONES COMO UNA NUBE DE CARGA NEGATIVA
REPRESENTACIÓN MEDIANTE ESFERAS
UN ÁTOMO ÁTOMO ES ES LA LA MENOR MENOR UNIDAD UNIDAD DE DE UN MATERIA QUE QUE ÁUN ÁUN RETIENE RETIENE LAS LAS MATERIA PROPIEDADES DE DE UN UN ELEMENTO. ELEMENTO. PROPIEDADES PARTÍCULAS PARTÍCULAS SUBATÓMICAS, SUBATÓMICAS, LOS LOS NEUTRONES NEUTRONES YY PROTONES PROTONES ESTÁN EMPAQUETADOS FUERTEMENTE Y FORMAN ESTÁN EMPAQUETADOS FUERTEMENTE Y FORMAN UN UN NÚCLEO NÚCLEO DENSO, DENSO, O O NÚCLEO NÚCLEO ATÓMICO. ATÓMICO. AL AL MOVERSE MOVERSE CASI CASI AA LA LA VELOCIDAD VELOCIDAD DE DE LA LA LUZ, LUZ, LOS LOS ELECTRONES FORMAN UNA NUBE ALREDEDOR DEL NÚCLEO ELECTRONES FORMAN UNA NUBE ALREDEDOR DEL NÚCLEO
DALTON, DALTON, UNIDAD UNIDAD DE DE MEDIDA MEDIDA DE DE LA LA MASA MASA ATÓMICA ATÓMICA O O AMU, AMU, Los Los neutrones neutrones yy los los protones protones tienen tienen masas masas cercanas cercanas aa 11 dalton. dalton. La La masa masa de de un un electrón electrón es es de de solo solo un un 1/2000 1/2000 de de la la de de un un neutrón neutrón oo un un protón protón
NÚMERO ATÓMICO Y MASA ATÓMICA ∗ NÚMERO ATÓMICO 2He ∗ Los átomos de los diversos elementos difieren en su número de partículas subatómicas, todos los átomos de un elemento tienen el mismo número de protones en su núcleo.
∗ MASA ATÓMICA ∗ Es la suma de protones más neutrones en el núcleo de un átomo. 4 He
NÚMERO ATÓMICO Y MASA ATÓMICA DEFINICIÓN Y APLICACIÓN He
ISÓTOPOS ∗ Todos los átomos de un elemento dado tienen el mismo número de protones, pero algunos átomos tienen más neutrones que otros átomos del mismo elemento y, por lo tanto, tienen mayor masa. ∗ Estas formas atómicas diferentes se denominan isótopos del elemento. ∗ En la naturaleza, un elemento se encuentra como una mezcla de sus isótopos ∗ Ejemplo el carbono, el más común es el carbono 12, que representa alrededor del 99% del carbono en la naturaleza. ∗ La mayoría del 1%se compone de átomos del isótopo 13 con 7 neutrones. ∗ Un tercer isótopo aún más raro, es el 14 con 8 neutrones. ∗ Aunque los isótopos de un elemento tienen masas levemente diferentes, se comportan de forma idéntica en las reacciones químicas. ∗ Tanto el isótopo 12 y 13 son estables, lo que significa que sus núcleos no tienen una tendencia a perder partículas. El isótopo 14 sin embargo, es inestable, o radioactivo. ∗
ISÓTOPOS RADIACTIVOS ∗ Es aquel en el cual el núcleo se descompone espontáneamente y emite partículas y energía. Cuando la descomposición conduce a un cambio en el número de protones, el átomo se transforma en un átomo de un elemento diferente. ∗ Ejemplo, el carbono radiactivo se descompone hasta formar nitrógeno.
Marcadores radiactivos ∗ LOS ISÓTOPOS RADIACTIVOS TIENEN MUCHAS APLICACIONES ÚTILES EN BIOLOGÍA. ∗ Como marcadores para seguir a los átomos a través del metabolismo. ∗ Las células usan los átomos radioactivos como si no fueran isótopos radioactivos del mismo elemento, pero el marcador radioactivo puede detectarse rápidamente. ∗ Los marcadores son herramientas diagnósticas importante en medicina. Ejemplo los trastornos renales pueden diagnosticarse inyectando pequeñas dosis de sustancias que contienen isótopos radioactivos en la sangre y midiendo luego la cantidad de marcador excretado en la orina.
LE 2-5a
TECHNIQUE Ingredients including radioactive tracer (bright blue) Human cells
Incubators 1
2
10°C
15°C
4
5
25°C
30°C
35°C
7 40°C
8 45°C
9 50°C
DNA (old and new)
3 20°C 6
LE 2-5c
Counts per minute (x 1,000)
RESULTS
30 20
Optimum temperature for DNA synthesis
10 0 10
20
30
40
Temperature (째C)
50
LE 2-6
Cancerous throat tissue
PartĂculas radiactivas
Exploración por PET un procedimiento médico que utiliza isótopos radiactivos.
^PET, tomografía por emisión de positrones, detecta localizaciones de actividad química intensa en el cuerpo. Primero, se inyecta al paciente un nutriente como glucosa marcada con un isótopo radioactivo que emite partículas subatómicas. Estas partículas colisionan con electrones, que quedaron disponibles debido a reacciones químicas en el cuerpo. Una PET detecta la energía liberada en estas colisones y registra los “sitios calientes”, las regiones de un órgano que está más activas químicamente en ese momento. El color de la imagen varía con la cantidad del isótopo presente; aquí, el color amarillo brillante identifica un sitio caliente debido a tejido canceroso localizado en la garganta.
NIVELES DE ENERGÍA DE LOS ELECTRONES ∗ Los átomos se componen en su mayor parte de espacio vacío. ∗ Cuando los átomos se aproximan entre sí durante una reacción química, sus núcleos no se acercan los suficiente como para interactúan. ∗ Solo los electrones participan directamente en las reacciones químicas entre átomos.
Los niveles de energía de los electrones
∗ Los electrones de un átomo varía en la cantidad de energía que poseen. ∗ La energía se define como la capacidad para causar cambio, por ejemplo realizar trabajo. ∗ La energía potencial es la energía que la materia posee debido a su localización o estructura. ∗ La materia tienen una tendencia natural a moverse hacia el estado de energía potencial más bajo posible.
LE 2-7a
Una bola que cae por una escalera proporciona una analog铆a para los niveles de energ铆a de electrones debido a que s贸lo puede apoyarse sobre cada escal贸n y no entre dos escalones.
LE 2-7b
TERCER NIVEL DE ENERGÍA)
SEGUNDO NIVEL DE ENERGÍA)
Energy absorbed
PRIMER NIVEL DE ENERGÍA Atomic nucleus
Energy lost
Un electrón puede moverse desde un nivel a otro solamente si la energía que gana o pierde es exactamente igual a la diferencia en energía entre los dos niveles. las flechas indican algunos de los posibles cambios escalonados en energía potencial.
UN ELECTRÓN NO PUEDE EXISTIR ENTRE SUS ESTADOS FIJOS DE ENERGÍA POTENCIAL.
∗ Los electrones de un átomo también tienen energía potencial debido al modo en que están dispuestos en relación con el núcleo. ∗ Los electrones cargados negativamente son atraídos hacia el núcleo cargado positivamente. ∗ Supone trabajo mover un electrón fuera del núcleo, de manera que cuanto mayor sea la distancia a que se encuentran los electrones respecto del núcleo mayor es su energía potencial. ∗ A diferencia del flujo continuo de agua hacia abajo, los cambios en la energía potencial de los electrones pueden ocurrir solo en intervalos de cantidades fijas. ∗ Un electrón con cierta cantidad discreta de energía es algo así como una pelota sobre una escalinata., la pelota puede tener cantidades diferentes de energía potencial, según el escalón en que se encuentre, pero no puede pasar mucho tiempo entre los escalones.
NIVELES DE ENERGÍA Diferentes Diferentes estados estados de de energía energía potencial potencial que que los electrones electrones tienen tienen en en un un átomo. átomo.
ÓRBITAS DE ELECTRONES un nivel de energía de un electrón se correlaciona con su distancia promedio desde el núcleo; estas distancias promedio se representan simbólicamente por las órbitas de electrones.
NIVELES DE ENERGÍA ∗ Un electrón puede cambiar la órbita que ocupa, pero solo mediante absorción o pérdida de una cantidad de energía igual a la diferencia de energía potencial entre su posición en la órbita antigua y la de la órbita nueva. ∗ Cuando un electrón absorbe energía se mueve a una órbita más alejada respecto del núcleo. Ejemplo, la luz puede excitar un electrón hacia un nivel de energía superior (fotosíntesis) ∗ Cuando un electrón pierde energía, éste “regresa” a una órbita más cercana al núcleo y la energía perdida generalmente se libera al ambiente en la forma de calor. ∗ Ejemplo la luz solar excita los electrones de la pintura de un coche oscuro hacia niveles de energía más altos. ∗ Cuando los electrones regresan a sus niveles originales, la superficie del auto se calienta. Esta energía térmica puede transferirse al aire o a la mano si tocamos el coche.
LE 2-8
Hydrogen 1H
2
Atomic number
He Atomic mass
First shell
4.00
Helium 2He
Element symbol Electron-shell diagram
Lithium 3Li
Beryllium 4Be
Boron 5B
Carbon 6C
Nitrogen 7N
Oxygen 8O
Fluorine 9F
Neon 10Ne
Sodium 11Na
Magnesium 12Mg
Aluminum 12Al
Silicon 14Si
Phosphorus 15P
Sulfur 16S
Chlorine 17Cl
Argon 18Ar
Second shell
Third shell
Explica por qu茅 los 谩tomos de Ne贸n y Arg贸n son inertes
CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA Y PROPIEDADES QUÍMICAS. ∗∗ El El comportamiento comportamiento químico químico de de un un átomo átomo está está determinado determinado por por su su configuración configuración electrónica; electrónica; esto esto es, es, la la distribución distribución de de electrones electrones en en las las órbita órbita del del átomo. átomo. ∗∗ El El comportamiento comportamiento químico químico de de un un átomo átomo depende, depende, sobre sobre todo, todo, del del número número de de electrones electrones en en su su órbita órbita más más externa. externa. ∗∗ Llamamos Llamamos aa estos estos electrones electrones externos externos electrones electrones de de valencia valencia yy aa la la órbita órbita de de los los electrones electrones más más externa, externa, la la órbita órbita de de valencia. valencia. ∗∗ Los Los átomos átomos con con el el mismo mismo número número de de electrones electrones en en sus sus órbitas órbitas de de valencia valencia exhiben exhiben un un comportamiento comportamiento químico químico similar. similar.
Orbítales electrónicos electrónicos Orbítales ∗ Una órbita de electrones representa la distancia promedio de un electrón respecto del núcleo. ∗ Nunca podremos saber cual es el camino exacto de un electrón. ∗ En cambio podemos describir el espacio en el cual un electrón pasa la mayoría del tiempo. ∗ El espacio tridimensional donde un electrón se encuentra el 90% del tiempo se denomina orbital.
La reactividad de los átomos surge de la presencia de electrones desapareados en uno o más orbitales de sus capas de valencia
∗ Cada orbital se compone de un número determinado de orbitales de formas y orientaciones características. Sólo dos electrones pueden ocupar un orbital, por eso, la primera órbita electrónica es capaz de contener como máximo dos electrones en su orbital s. ∗ Los cuatro orbitales de la segunda órbita de electrones pueden contener como máximo ocho electrones. ∗ Los electrones de cada uno de los cuatro orbitales tienen casi la misma energía, pero se mueven en volúmenes diferentes del espacio.
LE 2-9
Electron orbitals
y
x
z
1s orbital
2s orbital
Three 2p orbitals
1s, 2s, and 2p orbitals
Electron-shell diagrams
First shell (maximum 2 electrons)
Second shell (maximum 8 electrons)
Neon, with two filled shells (10 electrons)
LOS ÁTOMOS INTERACTÚAN: ENLACES QUÍMICOS
LA FORMACIÓN Y LA FUNCIÓN DE LAS MOLÉCULAS DEPENDEN DE LOS ENLACES QUÍMICOS ENTRE LOS ÁTOMOS
∗ Ascendemos en la jerarquía de la organización y vemos como se combinan los átomos para formar las moléculas y compuestos iónicos. ∗ Los átomos con órbitas de valencia incompleta pueden interactuar con algunos otros átomos de manera que cada uno complete su órbita de valencia: los átomos comparten o transfieren sus electrones de valencia. ∗ Estas interacciones ocasionan átomos que permanecen juntos, mantenidos por atracciones denominados enlaces químicos. ∗ Los enlaces químicos más fuertes son los enlaces covalentes y los enlaces iónicos.
ENLACE COVALENTE Consiste en un par de electrones de valencia compartidos por dos รกtomos.
LE 2-10
Hydrogen atoms (2 H)
¿Cuántos electrones Tienen un átomo de Hidrógeno?
Cuando se aproximan el electrón de cada átomo ¿qué ocurre?
La molécula de hidrógeno Tiene un enlace covalente ¿qué significa? Hydrogen molecule (H2)
¿Cuántos electrones comparten los átomos de hidrógeno? ¿Qué tipo de enlace presenta la molécula de hidrógeno?
LE 2-11b
Name (molecular formula)
Oxygen (O2)
Electronshell diagram
Structural formula
Spacefilling model
LE 2-11c
Name (molecular formula)
Water (H2O)
Electronshell diagram
Structural formula
Spacefilling model
LE 2-11d
Name (molecular formula)
Methane (CH4)
Electronshell diagram
Structural formula
Spacefilling model
ELECTRONEGATIVIDAD La atracción de un tipo de átomo por los electrones de un enlace covalente. Cuanto más electronegativo sea el átomo, más fuertemente atraerá a los electrones compartidos hacia él.
ELECTRONEGATIVIDAD ∗ ENLACE COVALENTE NO POLAR ∗ Entre dos átomos del mismo elemento, los dos átomos son igualmente electronegativo. Los electrones son compartidos de forma equitativa. ∗ ENLACE COVALENTE POLAR ∗ Entre átomos con diferente electronegatividad, los electrones no se comparten equitativamente.
ACTIVIDAD DE APLICACIÓN ∗ Las cuatro moléculas anteriores tenían enlaces covalentes. ∗ Indica a continuación que enlaces covalentes son polares o no polares. Justifica tu respuesta ∗ Hidrógeno, oxígeno, agua, metano.
LE 2-12
δ–
O
H δ+
H H2O
δ+
Enlace covalente polar en una molécula de agua ∗ El oxígeno es uno de los más electronegativos de los 92 elementos y atrae electrones compartidos con mucha mayor fuerza que el hidrógeno. ∗ En un enlace covalente entre el oxígeno y el hidrógeno, los electrones pasan más tiempo cerca del núcleo del oxígeno que del núcleo del hidrógeno. ∗ Debido a que los electrones tienen una carga negativa, la distribución desigual de los electrones en el agua determina que el átomo de oxígeno tenga una carga negativa parcial
ENLACES IÓNICOS Los átomos cargados se denominan iones, debido a que las cargas opuestas, los cationes y los aniones se atraen entre sí; esta atracción se denomina enlace iónico. La transferencia de un electrón no es la formación de un enlace; más bien, permite que un enlace se forme debido a que da como resultado dos iones.
LE 2-13
Na
Cl
Na+
Cl–
Sodium ion (a cation)
Chlorine ion (an anion)
Sodium chloride (NaCl)
Explica que ha ocurrido entre el átomo de sodio y el átomo de cloro
LE 2-14
Cristal de cloruro de sodio. los iones sodio y los iones cloruro, se mantienen juntos mediante enlaces iĂłnicos
Na+ Cl–
ENLACES QUÍMICOS DÉBILES
∗ ENLACE DE HIDRÓGENO ∗ Se forma cuando un átomo de hidrógeno unido de forma covalente a un átomo electronegativo también es atraído hacia otro átomo electronegativo. ∗ Por lo general, en las células vivas, los elementos electronegativos implicados son átomos de oxígeno o nitrógeno.
LE 2-15
δ–
δ+
Water (H2O)
δ+ Hydrogen bond
δ–
Ammonia (NH3)
δ+
δ+
δ+
Las interacciones de van der Waals y el geco ∗ Pese a su debilidad, las interacciones de van der Waals demostraron recientemente ser responsables de la capacidad del lagarto geco para caminar por una pared. ∗ Cada dedo del geco tiene cientos de miles de pelos diminutos, con múltiples proyecciones en la punta de los pelos que incrementan la superficie. ∗ Aparentemente, las interacciones de van der Waals, entre las moléculas de la punta de los pelos y las moléculas de la superficie de la pared son tan numerosas que a pesar de su debilidad individual, en conjunto pueden soportar el peso corporal del geco.
ENLACES QUÍMICOS DÉBILES ∗ FUERZAS DE VAN DER WAALS ∗ Una molécula con enlaces covalentes no polares puede tener regiones cargadas de forma positiva o negativa. ∗ Debido a que los electrones se encuentran en movimiento constante, no siempre están distribuidos de forma simétrica en la molécula; en cualquier instante pueden acumularse por casualidad en una parte de la molécula o en otra. ∗ El resultado son “zonas calientes” siempre cambiantes que permiten a todos los átomos y moléculas unirse los unos a los otros. ∗ Estas fuerzas o interacciones de van der Waals son débiles y tienen lugar solo cuando los átomos y las moléculas están muy cercanos entre sí.