Elementi chimici

La chimica è alla base delle scienze della vita. Gli organismi possono essere visti come fabbriche chimiche che eseguono una miriade di reazioni ogni secondo solo per rimanere in vita. Quindi, per studiare gli elementi costitutivi della vita, dobbiamo prima capire un po' di chimica di base.

Questa sezione vi darà una breve introduzione agli elementi biologicamente rilevanti, alla struttura dell'atomo, agli isotopi e ai gusci elettronici.

Elementi importanti

Ci sono più di cento elementi chimici nella tavola periodica, ma solo un numero relativamente piccolo è altamente rilevante in biologia.

Circa il 98% della massa della maggior parte degli organismi è costituito da questi sei elementi che sono rappresentati in rosso: idrogeno (H), carbonio (C), azoto (N), ossigeno (O), fosforo (P) e zolfo (S). Un altro sottoinsieme di elementi che sono mostrati in giallo si trovano in quantità minori, ma sono ancora molto importanti. Questi includono potassio (K), calcio (Ca), sodio (Na), cloro (Cl) e magnesio (Mg), tra gli altri.

Struttura generale degli atomi

Gli atomi sono composti da tre tipi di particelle: elettroni con carica negativa, protoni con carica positiva e neutroni senza carica. Il nucleo dell'atomo (nucleo) consiste di protoni e neutroni, mentre gli elettroni orbitano intorno al nucleo. Un atomo di carbonio (C), per esempio, ha 6 protoni, 6 neutroni e 6 elettroni, risultando in una carica complessiva neutra. Il numero atomico (6) si riferisce al numero di protoni, che alla fine determina l'elemento. La massa atomica di 12,011 è dovuta principalmente alle 12 particelle del nucleo, mentre gli elettroni non contribuiscono molto alla massa totale.

Questa rappresentazione tipica di un atomo è una semplificazione e non è affatto proporzionale. Le orbite possono essere piuttosto pensate come diversi livelli di energia. Inoltre, gli elettroni sono minuscoli rispetto ai protoni e ai neutroni, ma il guscio elettronico di un atomo, l'area in cui si trovano gli elettroni, è gigantesco. Se un nucleo avesse le dimensioni di una testa di spillo, il guscio sarebbe grande come una cattedrale. Tuttavia, questo modello semplificato è molto utile e abbastanza complesso da permetterci di andare avanti.

Isotopi

Come abbiamo imparato prima, il numero di protoni determina la natura dell'elemento. Tuttavia, a volte un elemento può avere versioni con diversi numeri di neutroni. Queste versioni sono chiamate isotopi.

L'idrogeno (H o ¹H) ha la struttura dell'atomo più semplice, composta da un solo protone e un elettrone. Il deuterio (²H) e il trizio (³H) sono isotopi dell'idrogeno con neutroni aggiuntivi nel nucleo. Gli isotopi sono spesso instabili, causando il decadimento dei loro nuclei e l'emissione di radiazioni nel processo.

Gusci di elettroni

Il numero di elettroni specifico di ciascun elemento determina il modo in cui i diversi elementi si comportano nelle reazioni chimiche, che comportano cambiamenti nelle interazioni elettroniche.

Gli elettroni si trovano in diversi gusci intorno al nucleo. Il guscio più interno può contenere fino a due elettroni, quello successivo otto e il terzo fino a 18. Il guscio più esterno di ogni atomo è chiamato guscio di valenza ed è il più rilevante per le interazioni chimiche.

All'interno dei gusci, gli elettroni sono accoppiati nei cosiddetti orbitali. C'è una propensione a riempire tutti gli orbitali di un guscio con coppie di elettroni, il che rende gli elementi reattivi, al fine di raggiungere uno stato di alta stabilità. L'ossigeno, per esempio, ha bisogno di due elettroni supplementari per riempire tutti gli orbitali del suo guscio di valenza. Lo zolfo, anche se ha un terzo guscio, ha bisogno di due elettroni, mentre il carbonio ne ha bisogno di quattro, proprio come il silicio. Nella prossima sezione vedremo come si formano i legami chimici.