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

yd

roch

lori

c

acid

(H

CI)

sto

ma

ch

acid

(2

)

lem

on

ju

ice

(2

.3)

"a

cid

ra

in" (

2.5–5

.5)

bee

r (4

.1)

tom

ato

es (

4.5

) b

lac

k c

off

ee (

5.0

)

no

rma

l ra

in (

5.6

)

mil

k (

6.4

)

pu

re w

ate

r (7

.0)

sea

wa

ter

(7.8–8

.3)

bak

ing

so

da (

8.4

)

an

tacid

(1

0)

ho

useh

old

am

mo

nia

(11.9

) w

ash

ing

so

da (

12)

ove

n c

lea

ner

(13.0

)

1 m

ola

r s

od

ium

hyd

roxid

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

eg

ar,

co

la (

3.0

)

uri

ne (

5.7

)

blo

od

, s

we

at

(7.4

)

ch

lori

ne b

lea

ch

(1

2.6

)

dra

in c

lea

ner

(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