Nivel Químico de Organización - Química y Homeostasis (PDF)

2 EL NIVEL QUÍMICO DE ORGANIZACIÓN QUÍMICA Y HOMEOSTASIS Mantener la variedad y la cantidad de miles de diferentes sustancias químicas del cuerpo, y controlar las interacciones de estas sustancias químicas entre sí son dos aspectos importante...

2 EL NIVEL QUÍMICO DE ORGANIZACIÓN QUÍMICA Y HOMEOSTASIS Mantener la variedad y la cantidad de miles de diferentes sustancias químicas del cuerpo, y controlar las interacciones de estas sustancias químicas entre sí son dos aspectos importantes de la homeostasis. En el Capítulo 1, aprendió que el nivel químico de organiza- ción, el nivel más bajo de la organización estructural, consis- A T te en átomos y moléculas. Estas letras del alfabeto anatómico se combinan para formar órganos y sistemas del cuerpo de G C tamaño y complejidad asombrosos. En este capítulo, se consi- dera cómo se unen los átomos para formar moléculas, y cómo T A los átomos y las moléculas liberan o almacenan energía en procesos denominados reacciones químicas. Asimismo, se comentará la importancia vital del agua, que representa casi dos tercios del peso corporal, en las reacciones químicas y en C G el mantenimiento de la homeostasis. Por último, se presentan varios grupos de moléculas cuyas propiedades singulares con- T A tribuyen a ensamblar las estructuras del cuerpo y a aportar energía para los procesos que posibilitan la vida. La química es la ciencia que estudia la estructura y las inter- C G acciones de la materia. Todas las cosas vivas e inertes están formadas de materia, que es algo que ocupa espacio y tiene A T masa. La masa es la cantidad de materia de cualquier objeto, que no se modifica. El peso, la fuerza de gravedad que actúa sobre la materia, sí se modifica. Cuando los objetos están más alejados de la Tierra, la atracción de la gravedad es más débil; G C esto explica por qué el peso de un astronauta es cercano a cero en el espacio exterior. T A ¿Alguna vez pensó cómo se ? relacionan los ácidos grasos con la salud y la enfermedad? 29 ERRNVPHGLFRVRUJ 30 CAPÍTULO 2 EL NIVEL QUÍMICO DE ORGANIZACIÓN El resto fue producido a partir de elementos naturales utilizando ace- 2.1 CÓMO ESTÁ ORGANIZADA leradores de partículas o reactores nucleares. Cada elemento se desig- LA MATERIA na con un símbolo químico, una o dos letras del nombre del elemen- to en inglés, latín u otro idioma; por ejemplo, H para hidrógeno, C OBJETIVOS para carbono, O para oxígeno, N para nitrógeno, Ca para calcio y Na Identificar los principales elementos químicos del cuerpo para sodio (natrium = sodio).* humano. Por lo general, el cuerpo contiene veintiséis elementos químicos Describir las estructuras de átomos, iones, moléculas, radi- diferentes. Sólo cuatro elementos, denominados elementos mayores, cales libres y compuestos. representan alrededor del 96% de la masa del cuerpo: oxígeno, carbo- no, hidrógeno y nitrógeno. Otros ocho, los elementos menores, son responsables de aproximadamente el 3,6% de la masa del cuerpo: cal- Elementos químicos cio, fósforo (P), potasio (K), azufre (S), sodio, cloro (Cl), magnesio La materia existe en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Los (Mg) y hierro (Fe). Otros 14 elementos, los oligoelementos, están pre- sólidos, como huesos y dientes, son compactos y tienen una forma y sentes en cantidades ínfimas. En conjunto, representan el 0,4% restan- un volumen definidos. Los líquidos, como el plasma sanguíneo, tienen te de la masa corporal. Varios oligoelementos cumplen funciones un volumen definido pero adoptan la forma del elemento que los con- importantes. Por ejemplo, se requiere yodo para elaborar hormonas tiene. Los gases, como el oxígeno y el dióxido de carbono, no tienen tiroideas. Se desconocen las funciones de algunos oligoelementos. En ni forma ni volumen definidos. Todas las formas de la materia –tanto el Cuadro 2.1 se mencionan los principales elementos químicos del vivas como inertes– están constituidas por un número limitado de cuerpo humano. componentes denominados elementos químicos. Cada elemento es una sustancia que no puede ser dividida en una sustancia más simple por medios químicos comunes. En la actualidad, los científicos reco- *En el Apéndice B se puede hallar la tabla periódica de elementos que enumera nocen 117 elementos. De ellos, 92 existen naturalmente en la Tierra. todos los elementos químicos conocidos. CUADRO 2.1 Principales elementos químicos del cuerpo ELEMENTO QUÍMICO % DE MASA (SÍMBOLO) CORPORAL TOTAL SIGNIFICACIÓN ELEMENTOS MAYORES (aproximadamente 96) Oxígeno (O) 65,0 Forma parte del agua y de numerosas moléculas orgánicas (que contienen carbono); usado para generar ATP, una molécula utilizada por las células para almacenar transitoriamente energía química. Carbono (C) 18,5 Forma el esqueleto de cadenas y anillos de todas las moléculas orgánicas: hidratos de carbono, lípidos (grasas), proteínas y ácidos nucleicos (DNA y RNA). Hidrógeno (H) 9,5 Componente del agua y de la mayoría de las moléculas orgánicas; la forma ionizada (H+) torna más ácidos los líquidos corporales. Nitrógeno (N) 3,2 Componente de todas las proteínas y ácidos nucleicos. ELEMENTOS MENORES (aproximadamente 3,6) Calcio (Ca) 1,5 Contribuye a la dureza de los huesos y los dientes; la forma ionizada (Ca2+) es necesaria para la coagulación de la sangre, la liberación de algunas hormonas, la contracción muscular y muchos otros procesos. Fósforo (P) 1,0 Componente de ácidos nucleicos y ATP; requerido para la estructura normal de los huesos y los dientes. Potasio (K) 0,35 La forma ionizada (K+) es el catión (partícula con carga positiva) más abundante del líquido intracelular, nece- sario para generar potenciales de acción. Azufre (S) 0,25 Componente de algunas vitaminas y muchas proteínas. Sodio (Na) 0,2 La forma ionizada (Na+) es el catión más abundante del líquido extracelular; esencial para mantener el equili- brio hídrico; necesario para generar potenciales de acción. Cloro (Cl) 0,2 La forma ionizada (Cl−) es el anión (partícula con carga negativa) más abundante del líquido extracelular; esencial para mantener el equilibrio hídrico. Magnesio (Mg) 0,1 La forma ionizada (Mg2+) es necesaria para la acción de numerosas enzimas, moléculas que aumentan la velo- cidad de las reacciones químicas en los organismos. Hierro (Fe) 0,005 Las formas ionizadas (Fe2+ y Fe3+) forman parte de la hemoglobina (proteína transportadora de oxígeno de los eritrocitos) y algunas enzimas. OLIGOELEMENTOS (aproximadamente 0,4) Aluminio (Al), boro (B), cromo (Cr), cobalto (Co), cobre (Cu), flúor (F), yodo (I), manganeso (Mn), molibde- no (Mo), selenio (Se), silicio (Si), estaño (Sn), vanadio (V) y cinc (Zn). ERRNVPHGLFRVRUJ  2.1 CÓMO ESTÁ ORGANIZADA LA MATERIA 31 Estructura de los átomos regiones alrededor del núcleo. Estas regiones, denominadas capas de electrones, se representan como círculos simples alrededor del Cada elemento está compuesto por átomos, las unidades más núcleo. Como cada capa de electrones puede contener un número pequeñas que conservan las propiedades y características del elemen- específico de electrones, el modelo de capas de electrones es el que to. Los átomos son sumamente pequeños. Doscientos mil de los áto- mejor transmite este aspecto de la estructura atómica (Figura 2.1b). La mos más grandes cabrían en el punto al final de esta oración. Los áto- primera capa de electrones (la más cercana al núcleo) nunca contiene mos de hidrógeno, los átomos más pequeños, tienen un diámetro infe- más de 2 electrones. La segunda capa contiene un máximo de 8 elec- rior a 0,1 nanómetro (0,1 × 10–9 m = 0,0000000001 m), y los átomos trones y la tercera puede contener hasta 18. Las capas de electrones se más grandes son sólo cinco veces mayores. llenan de electrones en un orden específico, que comienza por la pri- Cada átomo está compuesto por docenas de diferentes partículas mera capa. Por ejemplo, obsérvese en la Figura 2.2 que el sodio (Na), subatómicas. Sin embargo, sólo tres tipos de partículas subatómicas que tiene 11 electrones en total, contiene 2 electrones en la primera son importantes para comprender las reacciones químicas del cuer- capa, 8 en la segunda y 1 en la tercera. El elemento más masivo pre- po humano: protones, neutrones y electrones (Figura 2.1). La parte sente en el cuerpo humano es el yodo, que tiene un total de 53 elec- central densa de un átomo es su núcleo. Dentro del núcleo, hay pro- trones: 2 en la primera capa, 8 en la segunda, 18 en la tercera, 18 en tones (p+) de carga positiva y neutrones (n0) sin carga (neutros). la cuarta y 7 en la quinta. Los diminutos electrones (e−) de carga negativa se giran en un gran El número de electrones de un átomo de un elemento es equivalen- espacio que rodea al núcleo. No siguen un recorrido ni órbita fijo, te al número de protones. Como cada electrón y protón lleva una sino que forman una “nube” con carga negativa que envuelve al carga, los electrones de carga negativa y los protones de carga positi- núcleo (Figura 2.1a). va se equilibran entre sí. Por lo tanto, cada átomo es eléctricamente Si bien no es posible predecir su posición exacta, lo más probable neutral; su carga total es cero. es que determinados grupos de electrones se muevan dentro de ciertas Número atómico y número de masa El número de protones del núcleo de un átomo es su número ató- mico. La Figura 2.2 muestra que átomos de diferentes elementos tie- Figura 2.1 Dos representaciones de la estructura de un átomo. nen distintos números atómicos, porque tienen diferente número de Los electrones se mueven alrededor del núcleo, que contiene neutro- protones. Por ejemplo, el oxígeno tiene un número atómico de 8 por- nes y protones. (a) En el modelo de nube de electrones de un átomo, que contiene 8 protones en su núcleo, y el sodio tiene un número ató- el sombreado representa la probabilidad de hallar un electrón en mico de 11 porque su núcleo tiene 11 protones. regiones fuera del núcleo. (b) En el modelo de capas de electrones, los El número de masa de un átomo es la suma de sus protones y círculos llenos representan electrones individuales, que están agrupa- neutrones. Como el sodio tiene 11 protones y 12 neutrones, su dos en círculos concéntricos de acuerdo a las capas que ocupan. número de masa es 23 (Figura 2.2). Aunque todos los átomos de un Ambos modelos representan un átomo de carbono con seis protones, elemento tienen la misma cantidad de protones, pueden tener dife- seis neutrones y seis electrones. rente número de neutrones y, por ende, diferentes números de masa. Los isótopos son átomos de un elemento que tienen diferente núme- ro de neutrones y, por lo tanto, distintos números de masa. En una muestra de oxígeno, por ejemplo, la mayoría de los átomos tienen 8 Un átomo es la unidad más pequeña de materia que conserva neutrones, y unos pocos, 9 o 10, pero todos tienen 8 protones y 8 las propiedades y características de su elemento. electrones. La mayoría de los isótopos son estables, lo que significa que su estructura nuclear no cambia a lo largo del tiempo. Los isó- topos estables del oxígeno se designan 16O, 17O y 18O (u O-16, Protones (p+) O-17 y O-18). Como ya puede haber advertido, los números indican Núcleo el número de masa de cada isótopo. Como se observará en breve, el Neutrones (n0) número de electrones de un átomo determina sus propiedades quími- cas. Si bien los isótopos de un elemento tienen diferente número de Electrones (e−) neutrones, tienen idénticas propiedades químicas porque tienen la misma cantidad de electrones. Ciertos isótopos, denominados isótopos radiactivos, son inesta- bles; sus núcleos se desintegran (cambian en forma espontánea) y adoptan una configuración más estable. H-3, C-14, O-15 y O-19 son algunos ejemplos. A medida que se desintegran, estos átomos emi- ten radiación −ya sea partículas subatómicas o paquetes de energía− y en el proceso se suelen transformar en un elemento diferente. Por ejemplo, el isótopo radiactivo del carbono, C-14, se desintegra a N-14. La desintegración de un radioisótopo puede ser tan rápida como una fracción de segundo o tan lenta como millones de años. La (a) Modelo de la nube (b) Modelo de las capas semivida de un isótopo es el tiempo requerido para que la mitad de de electrones de electrones los átomos radiactivos de una muestra de ese isótopo se desintegren hacia una forma más estable. La semivida del C-14, que se utiliza para determinar la edad de muestras orgánicas, es de alrededor de ¿Cómo se distribuyen los electrones del carbono entre la prime- 5 730 años; la semivida del I-131, un instrumento clínico importan- ra y la segunda capa de electrones? te, es de 8 días. ERRNVPHGLFRVRUJ 32 CAPÍTULO 2 EL NIVEL QUÍMICO DE ORGANIZACIÓN Figura 2.2 Estructuras atómicas de varios átomos estables. Los átomos de diferentes elementos tienen diferentes números atómicos porque tienen diferente número de protones. Primera Segunda capa de capa de electrones electrones + + + + 6p 0 7p 0 8p 0 1p 6n 7n 8n Hidrógeno (H) Carbono (C) Nitrógeno (N) Oxígeno (O) Número atómico = 1 Número atómico = 6 Número atómico = 7 Número atómico = 8 Número de masa = 1 o 2 Número de masa = 12 o 13 Número de masa = 14 o 15 Número de masa = 16, 17 o 18 Masa atómica = 1,01 Masa atómica = 12,01 Masa atómica = 14,01 Masa atómica = 16,00 Tercera capa de electrones Cuarta capa Quinta capa de electrones de electrones + + + + 11p 0 17p 0 19p 0 53p 0 12n 18n 20n 74n Sodio (Na) Cloro (Cl) Potasio (K) Yodo (I) Número atómico = 11 Número atómico = 17 Número atómico = 19 Número atómico = 53 Número de masa = 23 Número de masa = 35 o 37 Número de masa = 39, 40 o 41 Número de masa = 127 Masa atómica = 22,99 Masa atómica = 35,45 Masa atómica = 39,10 Masa atómica =126,90 Número atómico = número de protones de un átomo Número de masa = número de protones y neutrones de un átomo (la negrita indica el isótopo más común) Masa atómica = masa promedio de todos los átomos estables de un elemento dado en daltons ¿Cuáles de estos cuatro elementos son más abundantes en los organismos vivos? Efectos nocivos y benefi- Masa atómica CORRELACIÓN CLÍNICA | ciosos de la radiación La unidad estándar para medir la masa de los átomos y sus partícu- Los isótopos radiactivos pueden tener efectos nocivos o beneficiosos. las subatómicas es el dalton, conocido también como unidad de masa Sus radiaciones pueden degradar moléculas, lo que plantea una grave atómica (uma). Un neutrón tiene una masa de 1,008 dalton, y un pro- amenaza para el cuerpo humano al provocar daño tisular y/o causar dis- tón una masa de 1,007 dalton. La masa de un electrón, de 0,0005 dal- tintos tipos de cáncer. Si bien la desintegración de isótopos radiactivos ton, es casi 2 000 veces menor que la masa de un neutrón o de un pro- naturales suele liberar sólo una pequeña cantidad de radiación hacia el tón. La masa atómica (denominada también peso atómico) de un ele- medio ambiente, puede haber acumulaciones localizadas. El radón-222, mento es la masa promedio de todos sus isótopos naturales. Por lo un gas incoloro e inodoro que es un producto de degradación natural general, la masa atómica de un elemento es cercana al número de del uranio, puede emanar del suelo y acumularse en los edificios. No masa de su isótopo más abundante. sólo se asocia con numerosos casos de cáncer de pulmón en fumadores, sino que también fue implicado en muchos casos de cáncer de pulmón en no fumadores. Los efectos beneficiosos de ciertos radioisótopos Iones, moléculas y compuestos comprenden su uso en procedimientos imagenológicos médicos para diagnosticar y tratar ciertos trastornos. Algunos radioisótopos se pue- Como ya se comentó, los átomos del mismo elemento tienen la den emplear como trazadores para seguir el desplazamiento de cier- misma cantidad de protones. Los átomos de cada elemento tienen una tas sustancias por el cuerpo. El talio-201 se utiliza para controlar el flujo manera característica de perder, ganar o compartir sus electrones al sanguíneo a través del corazón durante una ergometría. El yodo-131 se interactuar con otros átomos para lograr estabilidad. La manera en que emplea para detectar cáncer de tiroides y para evaluar su extensión y se comportan los electrones permite que los átomos del cuerpo exis- actividad, y también se puede usar para destruir parte de una glándula tan en formas con carga eléctrica llamadas iones o que se unan entre tiroides hiperactiva. El cesio-137 se utiliza para tratar cáncer de cuello sí en combinaciones complejas llamadas moléculas. Si un átomo cede uterino avanzado, y el iridio-192, para tratar cáncer de próstata. o gana electrones, se convierte en un ion. Un ion es un átomo con ERRNVPHGLFRVRUJ  2.2 ENLACES QUÍMICOS 33 carga positiva o negativa porque tiene números desiguales de protones Figura 2.3 Estructura atómica de una molécula de oxígeno y y electrones. La ionización es el proceso de ceder o ganar electrones. un radical libre superóxido. Un ion de un átomo se simboliza escribiendo su símbolo químico seguido del número de sus cargas positivas (+) o negativas (−). Así, Ca2+ corresponde al ion calcio que tiene dos cargas positivas porque Un radical libre tiene un electrón impar en su capa ha perdido dos electrones. de electrones más externa. Cuando dos o más átomos comparten electrones, la combinación resultante se denomina molécula. Una fórmula molecular indica los – elementos y el número de átomos de cada elemento que conforman una molécula. Una molécula puede consistir en dos átomos de la O O O O misma clase, como una molécula de oxígeno (Figura 2.3a). La fórmu- la molecular de una molécula de oxígeno es O2. El subíndice 2 indica Electrón impar que la molécula contiene 2 átomos de oxígeno. Dos o más clases dife- rentes de átomos también pueden formar una molécula, como en una (a) Molécula de oxígeno (O2) (b) Radical libre superóxido (O2−) molécula de agua (H2O). En H2O, un átomo de oxígeno comparte electrones con dos átomos de hidrógeno. ¿Qué sustancias del cuerpo pueden inactivar radicales libres Un compuesto es una sustancia que contiene átomos de dos o más derivados del oxígeno? elementos diferentes. La mayoría de los átomos del cuerpo están uni- dos en compuestos. El agua (H2O) y el cloruro de sodio (NaCl), sal de mesa, son compuestos. En cambio, una molécula de oxígeno (O2) no es un compuesto, porque consiste en átomos de un solo elemento. Un radical libre es un átomo o grupo de átomos con un electrón 2.2 ENLACES QUÍMICOS impar en la capa más externa. Un ejemplo común es el superóxido, que está formado por el agregado de un electrón a una molécula de OBJETIVOS oxígeno (Figura 2.3b). El electrón impar hace que el radical libre sea Describir cómo forman enlaces químicos los electrones de inestable, altamente reactivo y destructivo para las moléculas adya- valencia. centes. Los radicales libres se estabilizan cediendo su electrón impar Distinguir entre enlaces iónicos, covalentes y de hidrógeno. o tomando un electrón de otra molécula. Al hacerlo, los radicales libres pueden degradar moléculas importantes del cuerpo. Las fuerzas que mantienen juntos los átomos de una molécula o un compuesto son enlaces químicos. La probabilidad de que un átomo forme un enlace químico con otro átomo depende del número de elec- trones de su capa más externa, denominada capa de valencia. Un Radicales libres y átomo con una capa de valencia que contiene ocho electrones es quí- CORRELACIÓN CLÍNICA | antioxidantes micamente estable, lo que significa que es improbable que forme enla- ces químicos con otros átomos. Por ejemplo, el neón tiene ocho elec- Hay varias fuentes de radicales libres, como exposición a luz ultraviole- trones en su capa de valencia y por esta razón no se une fácilmente ta de la luz solar, exposición a rayos X y algunas reacciones que se pro- con otros átomos. La capa de valencia del hidrógeno y el helio es la ducen durante procesos metabólicos normales. Ciertas sustancias noci- primera capa de electrones, que tiene un máximo de dos electrones. vas, como el tetracloruro de carbono (un solvente usado para la limpie- Como el helio tiene dos electrones de valencia, es demasiado estable za en seco) también da origen a radicales libres cuando participan en y pocas veces forma enlaces con otros átomos. Por el contrario, el reacciones metabólicas del cuerpo. Entre los numerosos trastornos, hidrógeno tiene un solo electrón de valencia (véase la Figura 2.2), de enfermedades y afecciones vinculados a radicales libres derivados del manera que se une fácilmente con otros átomos. oxígeno se encuentran el cáncer, la aterosclerosis, la enfermedad de Los átomos de la mayoría de los elementos biológicamente impor- Alzheimer, el enfisema, la diabetes mellitus, las cataratas, la degenera- tantes no tienen ocho electrones en sus capas de valencia. En las con- ción macular, la artritis reumatoidea y el deterioro asociado con el diciones apropiadas, dos o más átomos pueden interactuar de manera envejecimiento. Se considera que consumir más antioxidantes −sus- que producen una disposición químicamente estable de ocho electro- tancias que inactivan los radicales libres derivados del oxígeno− enlen- nes de valencia para cada átomo. Este principio químico, denominado tece el ritmo del daño causado por éstos. Los antioxidantes dietéticos importantes son selenio, cinc, betacaroteno, y vitaminas C y E. Las fru- regla del octeto (octeto = juego de ocho), ayuda a explicar por qué los tas rojas, azules o púrpura y las verduras contienen altos niveles de átomos interactúan de manera predecible. Es más probable que un antioxidantes. átomo interactúe con otro si al hacerlo ambos quedarán con ocho elec- trones de valencia. Para que esto suceda, un átomo vacía su capa de valencia parcialmente ocupada, la llena con electrones donados o comparte electrones con otros átomos. La manera en que se distribu- yen los electrones determina qué clase de enlace químico se forma. Se considerarán tres tipos de enlaces químicos: enlaces iónicos, enlaces covalentes y enlaces de hidrógeno. P R E G U N TA S D E R E V I S I Ó N 1. Enumere los nombres y los símbolos químicos de los 12 ele- mentos químicos más abundantes del cuerpo humano. Enlaces iónicos 2. ¿Cuál es el número atómico, el número de masa y la masa ató- Como ya se mencionó, cuando los átomos ganan o pierden uno o mica del carbono? ¿Cómo están relacionados? más electrones de valencia, se forman iones. Los iones de carga posi- 3. Defina isótopos y radicales libres. tiva y negativa se atraen entre sí: los opuestos se atraen. La fuerza de ERRNVPHGLFRVRUJ 34 CAPÍTULO 2 EL NIVEL QUÍMICO DE ORGANIZACIÓN atracción que mantiene juntos iones con cargas opuestas es un enlace como electrolitos, así llamados porque sus soluciones pueden condu- iónico. Considérense los átomos de sodio y cloro, los componentes de cir una corriente eléctrica (en el Capítulo 27 se analizará la química y la sal de mesa. El sodio tiene un electrón de valencia (Figura 2.4a). Si la importancia de los electrolitos). El Cuadro 2.2 enumera los nom- el sodio pierde este electrón, queda con ocho electrones en su segun- bres y símbolos de los iones comunes del cuerpo. da capa, que se convierte en la capa de valencia. Sin embargo, y en consecuencia, el número total de protones (11) supera el número de electrones (10). Así, el átomo de sodio se ha convertido en un catión CUADRO 2.2 o un ion con carga positiva. Un ion de sodio tiene una carga de 1+ y se escribe Na+. En cambio, el cloro tiene siete electrones de valencia Iones comunes del cuerpo (Figura 2.4b). Si el cloro gana un electrón de un átomo adyacente, tendrá un octeto completo en su tercera capa de electrones. Después CATIONES ANIONES de ganar un electrón, el número total de electrones (18) supera el NOMBRE SÍMBOLO NOMBRE SÍMBOLO número de protones (17), y el átomo de cloro se convierte en un anión, un ion con carga negativa. La forma iónica del cloro se llama ion cloruro. Tiene una carga de 1− y se escribe Cl−. Cuando un átomo Ion hidrógeno H+ Ion fluoruro F− de sodio dona su único electrón de valencia a un átomo de cloro, las cargas positiva y negativa resultantes unen estrechamente a ambos Ion sodio Na+ Ion cloruro Cl− iones y se forma un enlace iónico (Figura 2.4c). El compuesto resul- Ion potasio K+ Ion yoduro I− tante es cloruro de sodio, que se escribe NaCl. Por lo general, los compuestos iónicos existen como sólidos, con Ion amonio NH4+ Ion hidróxido OH− una disposición repetitiva ordenada de los iones, como en el cristal de NaCl (Figura 2.4d). Un cristal de NaCl puede ser grande o pequeño − Ion magnesio Mg2+ Ion bicarbonato HCO3− la cantidad total de iones puede variar− pero la relación de Na+ y Cl− Ion calcio Ca2+ Ion óxido O2− siempre es 1:1. En el cuerpo, los enlaces iónicos se hallan principal- mente en dientes y huesos, donde confieren intensa fuerza a estos teji- Ion ferroso Fe2+ Ion sulfato SO42− dos estructurales importantes. Un compuesto iónico que se degrada en Ion férrico Fe3+ Ion fosfato PO43− iones positivo y negativo en solución se denomina electrolito. La mayoría de los iones del cuerpo se disuelven en líquidos corporales Figura 2.4 Iones y formación de enlaces iónicos. (a) Un átomo de sodio puede tener un octeto completo de electrones en su capa más externa perdiendo un electrón. (b) Un átomo de cloro puede tener un octeto completo ganando un electrón. (c) Se puede formar un enlace iónico entre iones con carga opuesta. (d) En un cristal de NaCl, cada Na+ está rodeado de seis Cl−. En (a), (b) y (c), el electrón que se pierde o se acepta es de color rojo. Un enlace iónico es la fuerza de atracción que mantiene juntos iones de carga opuesta. Electrón aceptado Na Na Cl Cl Electrón donado Ion Átomo Átomo Ion (a) Sodio: 1 electrón de valencia (b) Cloro: 7 electrones de valencia Na+ Na Cl Cl – (c) Enlace iónico del cloruro de sodio (NaCl) (d) Empaquetamiento de iones en un cristal de cloruro de sodio ¿Qué son los cationes y los aniones? ERRNVPHGLFRVRUJ  2.2 ENLACES QUÍMICOS 35 Enlaces covalentes entre átomos de un mismo elemento o de diferentes elementos. Son los enlaces químicos más comunes del cuerpo, y los compuestos Cuando se forma un enlace covalente, dos o más átomos com- que resultan de ellos forman la mayor parte de las estructuras cor- parten electrones en lugar de ganarlos o perderlos. Los átomos for- porales. man una molécula unida covalentemente al compartir uno, dos o Se forma un enlace covalente simple cuando dos átomos compar- tres pares de electrones de valencia. Cuando mayor es el número ten un par de electrones. Por ejemplo, se forma una molécula de de pares de electrones compartidos entre dos átomos, más resisten- hidrógeno cuando dos átomos de hidrógeno comparten sus únicos te es el enlace covalente. Se pueden formar enlaces covalentes electrones de valencia (Figura 2.5a), lo que permite que ambos átomos Figura 2.5 Formación de enlaces covalentes. Los electrones rojos son compartidos por igual en (a)-(d) y de manera desigual en (e). Al escribir la fórmula estructural de una molécula con enlaces covalentes, cada línea recta entre los símbolos químicos de dos átomos denota un par de electrones compartidos. En las fórmulas moleculares, el número de átomos de cada molécula se anota con subíndices. En un enlace covalente, dos átomos comparten uno, dos o tres pares de electrones de valencia. FÓRMULA FÓRMULA DIAGRAMAS DE ESTRUCTURA ATÓMICA Y MOLECULAR ESTRUCTURAL MOLECULAR H + H H H H H H2 (a) Átomos de hidrógeno Molécula de hidrógeno O + O O O O O O2 (b) Átomos de oxígeno Molécula de oxígeno N + N N N N N N2 (c) Átomos de nitrógeno Molécula de nitrógeno H H H H C + H H C H H C H CH4 H H H (d) Átomo de carbono Átomos de hidrógeno Molécula de metano δ+ H H H O + δ– O O H2O H H H δ+ (e) Átomo de oxígeno Átomos de hidrógeno Molécula de agua ¿Cuál es la diferencia principal entre un enlace iónico y un enlace covalente? ERRNVPHGLFRVRUJ 36 CAPÍTULO 2 EL NIVEL QUÍMICO DE ORGANIZACIÓN tengan una capa de valencia completa por lo menos parte del tiempo. entre moléculas o entre diferentes partes de una molécula grande, Cuando dos átomos comparten dos pares de electrones, como sucede como una proteína o un ácido nucleico (ambas analizadas más adelan- en la molécula de oxígeno (Figura 2.5b), se forma un enlace covalen- te en este capítulo). te doble. Un enlace covalente triple se produce cuando dos átomos Los enlaces de hidrógeno que unen moléculas de agua vecinas con- comparten tres pares de electrones, como en una molécula de nitróge- fieren al agua considerable cohesión, la tendencia de partículas simi- no (Figura 2.5c). Obsérvese en las fórmulas estructurales de las molé- lares a permanecer juntas. La cohesión de las moléculas de agua crea culas unidas covalentemente de la Figura 2.5 que el número de líneas una tensión superficial muy alta, un parámetro de la dificultad para entre los símbolos químicos indica si el enlace covalente es simple estirar o romper la superficie de un líquido. En el límite entre el agua (i), doble (p) o triple (I). y el aire, la tensión superficial del agua es muy alta porque la atrac- Los mismos principios de los enlaces covalentes entre átomos del ción es mucho mayor entre las moléculas de agua que entre éstas y las mismo elemento son aplicables a los enlaces covalentes entre átomos moléculas de aire. Esto es fácil de observar cuando una araña camina de distintos elementos. El gas metano (CH4) contiene enlaces cova- sobre el agua o una hoja flota sobre el agua. La influencia de la ten- lentes formados entre átomos de diferentes elementos, un carbono y sión superficial del agua sobre el cuerpo se puede observar en la cuatro hidrógenos (Figura 2.5d). La capa de valencia del átomo de manera que aumenta el trabajo requerido para respirar. Una delgada carbono puede contener ocho electrones, pero sólo tiene cuatro pro- película de líquido acuoso reviste los sacos alveolares de los pulmo- pios. La única capa de electrones de un átomo de hidrógeno puede nes. Por consiguiente, cada inspiración debe tener la fuerza suficiente contener dos electrones, pero cada átomo de hidrógeno tiene sólo uno para superar el efecto de oposición de la tensión superficial cuando los propio. Una molécula de metano contiene cuatro enlaces covalentes sacos alveolares se expanden y se agrandan con el ingreso del aire. simples independientes. Cada átomo de hidrógeno comparte un par de Aunque los enlaces de hidrógeno simples son débiles, moléculas electrones con el átomo de carbono. muy grandes pueden contener miles de estos enlaces. Actuando En algunos enlaces covalentes, dos átomos comparten por igual los en conjunto, los enlaces de hidrógeno confieren considerable resisten- electrones, un átomo no atrae los electrones compartidos con mayor cia y estabilidad y ayudan a determinar la forma tridimensional de intensidad que el otro átomo. Este tipo de enlace es un enlace cova- moléculas grandes. Como se verá más adelante en este capítulo, la lente no polar. Los enlaces entre dos átomos idénticos siempre son forma de una molécula grande determina su manera de funcionar. enlaces covalentes no polares (Figura 2.5a-c). Los enlaces entre áto- mos de carbono e hidrógeno también son no polares, como los cuatro P R E G U N TA S D E R E V I S I Ó N enlaces C–H de una molécula de metano (Figura 2.5d). 4. ¿Qué capa de electrones es la capa de valencia de un átomo y En un enlace covalente polar, los dos átomos comparten electrones cuál es su significación? de manera desigual: el núcleo de un átomo atrae los electrones com- 5. Compare las propiedades de los enlaces iónicos, covalentes y partidos con mayor intensidad que el núcleo del otro átomo. Cuando de hidrógeno. se forman enlaces covalentes polares, la molécula resultante tiene una 6. ¿Qué información se transmite cuando escribe la fórmula carga negativa parcial cerca del átomo que atrae con mayor intensidad molecular o estructural de una molécula? los electrones. Este átomo tiene mayor electronegatividad, el poder de atraer electrones hacia sí mismo. Por lo menos otro átomo de la molécula tendrá una carga positiva parcial. Las cargas parciales se indican con una letra delta griega minúscula, con un signo menos o más: δ− o δ+. En los sistemas vivos, un ejemplo muy importante de un Figura 2.6 Enlaces (puentes) de hidrógeno entre enlace covalente polar es el enlace entre el oxígeno y el hidrógeno en moléculas de agua. Cada molécula de agua forma una molécula de agua (Figura 2.5e); en esta molécula, el núcleo del enlaces de hidrógeno (indicados por líneas de puntos) átomo de oxígeno atrae los electrones con más intensidad que los con tres o cuatro moléculas de agua vecinas. núcleos de los átomos de hidrógeno, por lo que se dice que el átomo de oxígeno tiene mayor electronegatividad. Más adelante en este capí- Los enlaces de hidrógeno se forman porque los átomos tulo, veremos cómo los enlaces covalentes polares permiten que el de hidrógeno de una molécula de agua son atraídos hacia la carga negativa parcial del átomo de oxígeno de agua disuelva muchas moléculas que son importantes para la vida. otra molécula de agua. Los enlaces entre nitrógeno e hidrógeno y aquellos entre oxígeno y carbono también son enlaces polares. Enlaces (puentes) de hidrógeno Enlaces de hidrógeno Los enlaces covalentes polares que se forman entre átomos de δ + hidrógeno y otros átomos pueden crear un tercer tipo de enlace quími- H co, un enlace de hidrógeno (Figura 2.6). Se forma un enlace (puente) O de hidrógeno cuando un átomo de hidrógeno con una carga positiva H δ+ parcial (δ+) atrae la carga negativa parcial (δ−) de átomos electronega- δ– tivos adyacentes, la mayoría de las veces átomos de oxígeno o nitró- geno más grandes. Así, los enlaces de hidrógeno se deben a que partes de moléculas con cargas opuestas se atraen más que a que com- partan electrones, como en los enlaces covalentes, o a que ganen o pierdan electrones, como en los enlaces iónicos. Los enlaces de hidró- geno son débiles en comparación con los enlaces iónicos y covalen- tes. Por lo tanto, no pueden unir átomos para formar moléculas. Sin ¿Por qué esperaría que el amoníaco (NH3) formara enlaces de embargo, los enlaces de hidrógeno sí establecen uniones importantes hidrógeno con moléculas de agua? ERRNVPHGLFRVRUJ