Elementos Químicos

A química está na base das ciências da vida. Os organismos podem ser vistos como fábricas químicas que realizam inúmeras reações a cada segundo apenas para se manterem vivos. Portanto, para estudar os blocos de construção da vida, precisamos primeiro entender um pouco de química básica.

Esta seção apresenta uma breve introdução aos elementos biologicamente relevantes, à estrutura dos átomos, aos isótopos e às camadas eletrônicas.

Elementos importantes

Há mais de cem elementos químicos na tabela periódica, mas apenas uma parcela relativamente pequena é especialmente relevante em biologia.

Cerca de 98% da massa da maioria dos organismos é formada por estes seis elementos, destacados em vermelho: hidrogênio (H), carbono (C), nitrogênio (N), oxigênio (O), fósforo (P) e enxofre (S). Outro conjunto de elementos, mostrado em amarelo, aparece em quantidades menores, mas ainda é muito importante. Entre eles estão potássio (K), cálcio (Ca), sódio (Na), cloro (Cl) e magnésio (Mg).

Estrutura geral dos átomos

Os átomos são formados por três tipos de partículas: elétrons com carga negativa, prótons com carga positiva e nêutrons sem carga. O núcleo atômico contém prótons e nêutrons, enquanto os elétrons ocupam regiões ao redor dele. Um átomo de carbono (C), por exemplo, tem 6 prótons, 6 nêutrons e 6 elétrons, resultando em carga total neutra. O número atômico (6) corresponde ao número de prótons, que é o que define o elemento. A massa atômica de 12,011 se deve principalmente às partículas do núcleo, enquanto os elétrons contribuem muito pouco para a massa total.

Esta representação típica de um átomo é uma simplificação e não está em escala. As órbitas podem ser entendidas mais como diferentes níveis de energia. Além disso, os elétrons são minúsculos em comparação com prótons e nêutrons, mas a região ocupada pelos elétrons é enorme. Se o núcleo tivesse o tamanho de uma cabeça de alfinete, a nuvem eletrônica teria o tamanho de uma catedral. Ainda assim, este modelo simplificado é muito útil e complexo o suficiente para seguirmos adiante.

Isótopos

Como vimos, o número de prótons determina a identidade de um elemento. No entanto, um mesmo elemento pode ter versões com diferentes números de nêutrons. Essas versões são chamadas isótopos.

O hidrogênio (H ou ¹H) tem a estrutura atômica mais simples: apenas um próton e um elétron. Deutério (²H) e trítio (³H) são isótopos do hidrogênio com nêutrons adicionais no núcleo. Isótopos muitas vezes são instáveis, o que faz seus núcleos decaírem e emitirem radiação nesse processo.

Camadas eletrônicas

O número de elétrons específico de cada elemento governa a forma como diferentes elementos se comportam em reações químicas, que envolvem mudanças na interação entre elétrons.

Os elétrons estão localizados em diferentes camadas ao redor do núcleo. A camada mais interna pode conter até dois elétrons, a seguinte pode conter oito, e a terceira camada pode conter até 18. A camada mais externa de qualquer átomo é chamada de camada de valência, que tem maior relevância para as interações químicas.

Dentro das camadas eletrônicas, os elétrons se emparelham nos chamados orbitais. Há uma tendência de preencher todos os orbitais de uma camada com pares de elétrons, o que torna os elementos reativos para alcançar um estado de alta estabilidade. O oxigênio, por exemplo, precisa de dois elétrons adicionais para preencher todos os orbitais de sua camada de valência. O enxofre, embora tenha uma terceira camada, também precisa de dois elétrons, enquanto o carbono precisa de quatro, assim como o silício.

Na próxima seção veremos como as ligações químicas são formadas.