cap. 2 Átomos y molÉculas · 2014-09-15 · cantidad de electrones en su capa de valencia, lo que...
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B I O L 3 0 1 1
D R A . O M A Y R A H E R N Á N D E Z V A L E
CAP. 2 ÁTOMOS Y MOLÉCULAS:
LA BASE QUÍMICA DE LA VIDA
• Qué son los elementos? ¿Qué elementos
conocemos?¿Cómo o porqué son asociados a los
seres vivos? ¿Cuáles son algunos elementos
esenciales en los organismos?¿Cuáles encontramos
en el ambiente?¿Cómo interactuamos con ellos?
¿En qué estado físico los podemos encontrar?
Mencione algunos ejemplos
OBJETIVOS
• Conocer los elementos principales encontrados en los seres vivientes
• Conocer cuales son las funciones más importantes de estos elementos.
• Comparar las propiedades físicas (masa y carga) y la localización de las partículas de los átomos (e-, H+ y neutrones)
• Entender la diferencia entre el # atómico y el # de masa de
un átomo.
• Conocer cual es la diferencia entre los diferentes tipos de
enlaces químicos.
2.1 ELEMENTOS Y ÁTOMOS
Elemento
Sustancia que no puede romperse en sustancias
más simples por reacciones químicas normales
LA TABLA PERIÓDICA
CONCEPTOS CLAVES
• Carbono, hidrógeno,
oxígeno y nitrógeno son
los elementos más
abundantes en los seres
vivos (sobre el 96% de la
masa)
Funciones de elementos
• Carbono
• Esqueleto de moléculas orgánicas
• Hidrógeno y oxígeno
• Componentes de agua
• Nitrógeno
• Componente de proteínas y ácidos nucléicos
Átomo
Unidad fundamental de la materia; unidad más
pequeña que mantiene las propiedades de los
elementos
Se compone de tres partículas
• Protones (H+): carga positiva
• Neutrones: sin carga
• Electrones (e-): carga negativa
En el núcleo
En órbita (orbitales)
alrededor del núcleo
MODELO ATÓMICO
Hidrógeno (H)
Orbital
Núcleo atómico
e
p
Helio (He)
n n
e
p
p
e
ÁTOMOS IDENTIFICADO POR # DE PROTONES
El número atómico determina la identidad del
átomo y define el elemento
Es identificado por su # de protones = número
atómico
1H, 6C, 7N, 8O
Los elementos son arreglados en orden en la tabla
periódica por su # atómico
PROTONES + NEUTRONES
Masa Atómica:
• # que indica la materia aproximada que tiene un
átomo
• Suma de protones y neutrones
• Se expresa en unidad de masa atómica (amu, siglas
en inglés) o dalton
• La masa de un e- es ignorada por lo pequeña que
es
• 1/1800 amu de la masa de un H+ o un neutrón
1H, 12C, 14N, 16O
ISÓTOPOS
ISÓTOPOS
¿Cuál crees que es el isótopo más común? ¿Cuáles el # atómico de cada uno de ellos?
¿Cuál es la masa atómica de cada uno de ellos, es igual, no lo es, porqué?
ISÓTOPOS
La mayoría de los elementos consisten de una
mezcla de átomos con diferente # de neutrones y por lo tanto diferente masa atómica. isótopos
• Mismo # de e- y H+, solo cambia # de neutrones
Nota: la masa de un elemento es expresada como promedio de las masas de sus
isótopos (pesado por la abundancia relativa en naturaleza)
Ej. La masa atómica de H no es realmente 1, es 1.0079 por las pequeñas cantidades
de deuterium y tritium en adición a la forma más abundante
Isótopos radioactivos
• Los isótopos mantienen las mismas características,
esto por poseer la misma cantidad de e-.
• Pero algunos son radioisótopos por no ser estables y se
tienden a romper para formar un átomo más estable.
x
Nitrógeno 147N
(7p, 7n, 7e- )
CONCEPTO CLAVE
• Las propiedades químicas de un átomo son
determinadas por sus electrones con mayor energía
(electrones de valencia)
ELECTRONES EN ORBITALES NIVELES DE ENERGÍA
Los electrones se mueven en un
espacio tridimensional (orbitales)
alrededor del núcleo
• cada orbital puede tener un
máximo de 2 e-
• Por su movimiento constante no
puede saberse su posición precisa nube de electrones
La energía de un e- depende del orbital que ocupa
Capa de electrón
• e- en orbitales con un mismo nivel de energía
“principal energy level”
• Los e- en capas más alejados del núcleo tienen más
energía que los que se encuentran en capas más
cercanas
• 1ra capa: un solo orbital, 2 e-
• Capas siguientes : 4 orbitales, c/u con un máximo de 2 e-
• Capa de Valencia: e- con mayor energía (e- de
valencia)
ELECTRONES EN ORBITALES NIVELES DE ENERGÍA
Fig. 2-4a, p. 30
En la primera capa hay solo un orbital (1s),
por lo tanto tenemos un máximo de 2 e-
Primer nivel de energía
Núcleo
ELECTRONES EN ORBITALES NIVELES DE ENERGÍA
Fig. 2-4b, p. 30
En la segunda capa (segundo nivel de energía) tenemos cuatro orbitales c/u con
un máximo de 2 e-. (b) 1 orbital esférico (2s) y 3 en forma de pesa (2p) en diferente
ejes imaginarios (x, y, z)
ELECTRONES EN ORBITALES NIVELES DE ENERGÍA
Fig. 2-4c, p. 30
ELECTRONES EN ORBITALES NIVELES DE ENERGÍA
La capa de valencia= anillo más externo
• Los e- de esta capa rol principal en rx químicas
Fig. 2-4d, p. 30
(d) Neon atom (Bohr model)
ELECTRONES EN ORBITALES NIVELES DE ENERGÍA
¿Cuantas capas de electrones tienen estos átomos? Cuáles son los electrones de valencia?
ELECTRONES EN ORBITALES NIVELES DE ENERGÍA
• Los e- pueden moverse hacia un un
orbital alejado del núcleo si reciben
más energía y viceversa.
– Estos cambios en los niveles de
energía de los e- son importante
en la conversión de energía en los
organismos
•Ej: la energía solar absorbida en
la fotosíntesis causa un mov. de
e- hacia un nivel de energía
mayor.
ELECTRONES EN ORBITALES NIVELES DE ENERGÍA
2.2 REACCIONES QUÍMICAS
El comportamiento químico de un átomo es
determinado principalmente por el número y arreglo
de sus e- de valencia.
• La capa de valencia de los átomos de H y He es
estable (está llena) con 2 e-.
• La capa de valencia del resto de los átomos lo está
cuando contiene 8 e-.
¿Qué pasa cuando no está llena?
(H)
e
p
(He)
n n
e
p
p
e
Cl
Cuando la capa de valencia no está llena,
los átomos tienden a perder, ganar o
compartir e- para lograr una capa externa
(de valencia) completa y/o estable.
REACCIONES QUÍMICAS
ÁTOMOS FORMAN COMPUESTOS Y MOLÉCULAS
Dos o más átomos pueden combinarse…
• Molécula: dos o más átomos fuertemente unidos
formando una partícla estable
Ej: O2,
• Combinación de dos o más átomos de diferentes elementos compuesto químico
Ej: H2O, NaCL
¿Los compuestos son moléculas?
¿Los compuestos son moléculas?
• Algunos compuestos si son de naturaleza
moleculares: Ej: H2O, Glucosa
…Pero algunos compuestos no lo son:
Ej: NaCL
Esto depende de la naturaleza del átomo, o sea su
cantidad de electrones en su capa de valencia, lo que determina su estabilidad
ÁTOMOS FORMAN COMPUESTOS Y MOLÉCULAS
FÓRMULAS QUÍMICAS
Expresión que describe la composición de una
sustancia
Los símbolos químicos indican el átomo y el número
subíndice indica su proporción
Fórmula simple (empírica)
Bióxido de carbono: CO2 (1:2 de carbono y oxígeno)
Agua: H2O (2:1 de hidrógeno y oxígeno)
* dice proporción de los átomos
Fórmula estructural
Agua: H-O-H
* Dice número y arreglo de los átomos
UN MOL DE CUALQUIER SUSTANCIA TIENE EL MISMO # DE UNIDADES
La masa molecular de un compuesto es la suma de
las masas atómicas de todos sus átomos
Masa molecular de H2O es:
(MA de H x 2) + (MA de O x 1)= (1amu x 2)+ (16 amu x 1)
= 2 + 16 amu 18 amu
Resuelvan este ej: C6H12O6 ; (MA de C es12amu, MA de H es 1 amu y MA
de O es 16 amu)
?
ECUACIONES QUÍMICAS RX QUÍMICAS
Muchas rx químicas complejas ocurren en cualquier
momento en un organismo.
• Estas pueden describirse como ecuaciones químicas
C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + energía
coeficientes: # de átomos en la molécula que están rx
CO2 + H2O H2CO3
glucosa oxígeno bióxido de
carbono
agua
reactivos productos
2.3 ENLACES QUÍMICOS
ENLACES QUÍMICOS
Fuerzas de atracción que mantiene juntos a
átomos
Cada enlace representa una cantidad de
energía
Los e- de valencia determinan cuantos enlaces pueden formarse
• Enlaces iónicos
• Enlaces covalentes
• Enlaces (puentes) de hidrógeno
• Interacciones van de Walls
ENLACES IÓNICOS
Enlace en el que se transfiere electrones, creando
iones (átomos con carga y atracción mutua)
Catión: átomo con carga +
Anión: átomo con carga –
Ocurre en átomos con capa de valencia casi
llena o casi vacía
los átomos se estabilizan al perder (1,2 o 3 e-) o ganar
un e- (4, 5 o 6 e-) respectivamente
ENLACES IÓNICOS
ENLACES IÓNICOS
Na+ Cl-
NaCl
Resultado:
Cristales arreglados en pares
ordenados y repetidos de los iones
de Cl- y Na+
ENLACES COVALENTES
• Formados cuando los átomos comparten sus e- de
valencia, de tal manera que ambos tengan sus
capas de valencia llenas
• Enlaces fuertes y estables
• Forman moléculas
“Lewis structure of atom”
Fig. 2-5, p. 32
Hidrógeno molecular (H2)
H H
H H or Hidrógeno (H) Hidrógeno (H)
Oxígeno Molecular (O2)
(formación doble enlace)
O O
O O Oxígeno (O) Oxígeno (O) or
(a) Formación enlace covalente sencillo. Dos átomos de hidrógeno logran estabilidad compartiendo
un par de e-, formando consigo una molécula. Representa dos e-
(b) Formación de un enlace covalente doble. En el oxígeno molecular, dos átomos de oxígeno
comparten dos pares de e-, formando el enlace doble. Representa dos pares de e-
ENLACES COVALENTES
ENLACES COVALENTES
• ¿ Cuantos e- tiene carbono?
¿Cuantos tiene en su segunda capa
de energía? ¿Cuantos enlaces
puedo formar enlaces puede formar
carbono?¿Qué forma?
ENLACES COVALENTES
• ¿ Cuantos e- tiene carbono?
¿Cuantos tiene en su segunda capa
de energía? ¿Cuantos enlaces
puedo formar enlaces puede formar
carbono?¿Qué forma?
Metano (CH4)
ENLACES COVALENTES
ENLACES COVALENTES
FORMA Y FUNCIÓN DE LA MOLÉCULA
Las moléculas en adición de estar compuestas por
átomos con ciertas propiedades, cada una de ellas
tiene un tamaño y forma característica.
• dos átomos forma linear
• > de 2 átomos linear o formas más complicadas
FORMA Y FUNCIÓN DE LA MOLÉCULA
Hibridización orbital: Al formarse los enlaces
covalentes los orbitales en la capa de valencia (de c/u de los átomos involucrados) se rearregla
afectando la forma de esa molécula
ENLACES COVALENTES POLARES Y NO POLARES
Enlaces covalentes no
polares:
Compartir equitativo
de e-
electronegatividad
igual de átomos
Enlaces covalentes
polares:
mayor atracción de
electrones hacia el
núcleo de uno de los átomos
dif. electronegatividad
de los átomos
Electronegatividad: medida de la atracción de un átomo
por electrones compartidos en un enlace El que tiene mayor # de protones en el núcleo hala más
ENLACES COVALENTES POLARES Y NO POLARES
Enlaces covalentes no polares:
Compartir equitativo de
e-
electronegatividad igual
de átomos
Enlaces covalentes polares:
mayor atracción de
electrones hacia el
núcleo de uno de los
átomos
dif. electronegatividad de
los átomos
ENLACES (PUENTES DE HIDRÓGENO)
Atracción entre el H ligeramente + de una molécula
polar y el polo negativo de otra molécula polar
cercana
Las moléculas de agua,
carbohidratos, proteínas
y ADN son polares
Enlaces de H
Estos enlaces (puentes)
de H le confieren al agua
propiedades esenciales
para la vida.
Cargas opuestas se atraen!! aplica tambien a las moléculas
ENLACES DE HIDRÓGENO
INTERACCIONES DE VAN DER WAALS
• Fuerzas de atracción debiles basadas en cargas
eléctricas que fluctuan
POLARIDAD DEL AGUA (H2O) Y ENLACES (PUENTES) DE HIDRÓGENO
AGUA
• Sumamente abundante en la tierra
• aprox 70% de la superficie de la
tierra
• Propiedades peculiares
• Brindadas por puentes de H
• Esencial para la vida 60-90% del
peso corporal de la mayor
http://www.youtube.com/watch?v=iOOvX0jmhJ4
Fluidez del agua
Cohesión
tensión superficial
Resistencia de superficie del agua a romperse
• Hojas, arañas, insectos
acuáticos
Movim. de agua de raices
a hojas
Adhesión: acción capilar
tendencia a pegarse a
superficies que atraen
moléculas polares
Puentes de H
H2O: PROPIEDADES LAS MOLÉCULAS DE H2O SE ATRAEN ENTRE SÍ
http://www.youtube.com/watch?v=EKyHbanzYnI
H2O: PROPIEDADES LAS MOLÉCULAS DE H2O SE ATRAEN ENTRE SÍ
H2O - PROPIEDADES
Temperaturas bien elevadas o bien bajas pueden dañar
las enzimas o retrazar las rx químicas
El agua modera el efecto de la temperatura
Calor específico elevado
• Se necesita má calor para calentar agua que cualquier otra sustancia ???
Calor causa movimiento en moléculas
energía romper puentes de H mov
moléculas
energía necesaria para elevar 1gramo de una
sustancia 1ºC
H2O - PROPIEDADES
Temperaturas bien elevadas o bien bajas pueden
dañar las enzimas o retrazar las rx químicas
El agua modera el efecto de la temperatura
Calor de vaporización elevado
Debe absorber mucha energía romper puentes
de H
• Es por esto que nosotros podemos absorber
mucho calor sin que nuestra temperatura
corporal suba demasiado alta
Cantidad de calor necesario para
evaporar una sustancia (líquidovapor)
El agua forma el hielo!!!
Evita congelamiento de todo cuerpo de agua
incluyendo los océanos y permite vida!!!
• Mayoría de las sustancias se hacen más densas al pasar de líquido sólido
• El hielo es inusual porque es MENOS DENSO que el
agua líquida
• Las moléculas de agua forman enlaces estables con
otras cuatro moléculas de agua y adquieren una forma
hexagonal al congelarse
Impide que se alejen:
Consecuencia menos denso
H2O - PROPIEDADES
AGUA, VAPOR Y HIELO
Fig. 2-14
H2O: PROPIEDADES EL AGUA INTERACTÚA CON MUCHAS OTRAS MOLÉULAS
• Excelente solvente
• Disuelve muchas moléculas como:
Proteínas
Carbohidratos
Sales ej H2O y NaCl
Oxígeno
CO2
H2O: HIDROFÍLICO VS HIDROFÓBICO
La molécula de agua es
atraída por sustancias polares hidrofílico
ej: iones
• disuelven fácilmente en
agua
• Moléculas pequeñas
(aunque no polares) como
O2 y CO2 no transtornan los
puentes de H.
Moléculas no polares no disuelven en agua
hidrofóbico
ej: grasas y aceites
Interacción
hidrofóbica
SOLUCIONES EN AGUA
• Soluciones en agua pueden ser ácidas, básicas o
neutral
• una pequeña fracción de las moléculas de agua se
rompen en iones:
H2O OH– + H+
ion hidrógeno
(H) Ion hidroxilo
(OH)
agua
(H2O)
( ) ( )
O H H
O H
H
• Soluciones en agua pueden ser ácidas, básicas o neutral (continuación)
• Soluciones donde H+ > OH– son acídicas
• Ej. Ácido hidroclorídico se ioniza en agua:
HCl H+ + Cl–
• Soluciones donde OH– > H+ are básicas
• Ej. Hidróxido de sodio se ioniza en agua:
NaOH Na+ + OH–
SOLUCIONES EN AGUA
SOLUCIONES EN AGUA
Soluciones en agua pueden ser ácidas, básicas o neutral (continuación)
• El grado de acidez de una solución se mide
usando la escala de pH
• pH 0–6 es acídico (H+ > OH–)
• pH 7 es neutral (H+ = OH–)
• pH 8–14 es básico (OH– > H+)
LA ESCALA DE PH
Fig. 2-12
1 m
ola
r h
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(H
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(7.8–8
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(13.0
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ola
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e (
Na
OH
)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
pH value
Concentration de H en moles/L
100 10–1 10–2 10–3 10–4 10–5 10–6 10–7 10–8 10–9 10–10 10–11 10–12 10–13 10–14
neutral
(H OH)
(H OH) (H < OH)
vin
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3.0
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5.7
)
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2.6
)
dra
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(14.0
)
ora
ng
e (
3.5
)
increasingly acidic increasingly basic
SOLUCIONES EN AGUA
Citoplasma y líquidos intersticiales son casi neutrales
(7.3-7.4)
• Cambios en pH cambios drásticos en función y
estructura muerte células organismo
• Un amortiguador “buffer” ayuda a mantener un pH
constante en solución
Compuesto que acepta o libera H+ en respuesta al
cambio de pH
• Fosfatos y bicarbonato son amortiguadores comunes
en seres vivos
SOLUCIONES EN AGUA REGULACIÓN DEL PH DE LA SANGRE
Ej
Si la sangre se torna muy acídica:
HCO3– + H+ H2CO3
bicarbonato ion de H ácido carbónico
Si la sangre se torna muy básica:
H2CO3 + OH– HCO3– + H2O
ácido carbónico ion hidróxido bicarbonato agua
SOLUCIONES EN AGUA FORMACIÓN E IMPORTANCIA DE SALES
Unión de un ácido y una base en agua SAL
HCL + NaOH H2O + NaCl
Disociación de sal, ácido o base iones
conducen corrientes eléctricas= electrolitos
Na+, K+, Ca+, Mg2+ [cationes importantes]
Cl-, P3- [ aniones importantes]
Balance concentración de partículas, de pH, de
hidratación en células y fluídos intersticiales de animales
y plantas
Función nerviosa, muscular, coagulación, formación
osea
ÁCIDO SAL BASE
REACCIONES REDOX
Transferencia de un e- envuelve transferencia de
energía
Reacciones de oxidación-reducción (reacciones
REDOX)
SIEMPRE simultáneamente
Oxidación: proceso químico en el cual un átomo,
ion o molécula PIERDE uno o más e-
Reducción: proceso químico en el que un átomo,
ion o molécula GANA uno o más e-
4 Fe + 3 O2 2 Fe2O3
4 Fe 4 Fe3+ + 12 e-
O sea que cada átomo de hierro pierde 3 e- y gana 3 cargas positiva
3 O2 +12 e- 6 O2-
Cada átomo de oxígeno (alta electronegatividad) adquiere
los e- que pierde (le quita) hierro
REACCIONES REDOX
Cada átomo de hierro pierde 3 electrones Fe 3+ ;
como son cuatro átomos se pierden 12 e-
Déficit de
electrones
EN LA OXIDACIÓN DEL HIERRO:
REACCIONES REDOX
Ocurren simultáeamente porque una sustancia debe
aceptar el electrón que es removido de la otra.
Oxígeno es el agente oxidante (átomo que se reduce) más común [razón del nombre al proceso]
Hace que el otro átomo se oxide
Agente reductor (átomo que se oxida)
hace que el otro átomo se reduzca
En enlaces covalentes los e- no son facilmente removidos de
un compuesto excepto se remueva el átomo completo
En las células:
la oxidación envuelve la pérdida de H (su e- y su H+), mientras que la
reducción es la ganancia de un un átomo de H (con su e- y su H+)
REACCIONES REDOX
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