Capítulo 2: El Contexto Químico de la Vida - Tema 1: Materia y Energía - PDF

Capítulo 2 El Contexto Químico de la Vida Resumen: Una conexión química con la biología La biología es una ciencia multidisciplinar Los organismos vivos están sujetos a las leyes básicas de la física y la química Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cumming...

Capítulo 2 El Contexto Químico de la Vida Resumen: Una conexión química con la biología La biología es una ciencia multidisciplinar Los organismos vivos están sujetos a las leyes básicas de la física y la química Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Concepto 2.1: La materia se compone de elementos químicos en forma pura y en combinaciones llamadas compuestos Los organismos están compuestos de materia La materia es cualquier cosa que ocupa espacio y tiene masa Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Elementos y compuestos La materia está formada por elementos Un elemento es una sustancia que no puede descomponerse en otras sustancias mediante reacciones químicas Un compuesto es una sustancia que consta de dos o más elementos en una proporción fija Un compuesto tiene características diferentes a las de sus elementos Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-3 Sodio Cloro Cloruro de sodio Elementos esenciales de la vida Alrededor de 25 de los 92 elementos son esenciales para la vida El carbono, el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno constituyen el 96% de la materia viva La mayor parte del 4% restante consiste en calcio, fósforo, potasio y azufre Los oligoelementos son aquellos requeridos por un organismo en cantidades mínimas Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Table 2-1 Fig. 2-4 a) Deficiencia de nitrógeno b) Carencia de yodo Concepto 2.2: Propiedades de un elemento dependen de la estructura de sus átomos Cada elemento consta de átomos únicos Un átomo es la unidad más pequeña de materia que aún conserva las propiedades de un elemento Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Partículas subatómicas Los átomos están compuestos de partículas subatómicas Las partículas subatómicas relevantes incluyen: ✓ Neutrones (sin carga eléctrica) ✓ Protones (carga positiva) ✓ Electrones (carga negativa) Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings  Los neutrones y los protones forman el núcleo atómico Los electrones forman una nube alrededor del núcleo La masa de neutrones y la masa de protones son casi idénticas y se miden en Daltons Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-5 Nube de negativos Carga (2 electrones) Electrones Núcleo (a) (b)  Número atómico y masa atómica Los átomos de los diversos elementos difieren en el número de partículas subatómicas – El número atómico de un elemento es el número de protones en su núcleo – El número de masa de un elemento es la suma de protones más neutrones en el núcleo – La masa atómica, la masa total del átomo, se puede aproximar por el número de masa Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Isótopos Todos los átomos de un elemento tienen el mismo número de protones, pero pueden diferir en el número de neutrones Los isótopos son dos átomos de un elemento que difieren en número de neutrones Los isótopos radiactivos se desintegran espontáneamente, emitiendo partículas y energía Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings  Algunas aplicaciones de los isótopos radiactivos en la investigación biológica son: 1. Datación de fósiles 2. Rastreo de átomos a través de procesos metabólicos 3. Diagnóstico de trastornos médicos Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-7 Tejido canceroso de la garganta Los niveles de energía de los electrones La energía es la capacidad de provocar cambios El estado de energía potencial de un electrón se denomina nivel de energía o capa de electrones Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-8 (a) Una pelota que rebota por un tramo de escaleras proporciona una analogía para los niveles de energía de los electrones Tercer nivel energía (órbita) Segunda nivel Energía energía (órbita) absorbida Primer nivel energía (órbita) Energía perdida Núcleo atómico (b) Distribución electrónica y propiedades químicas El comportamiento químico de un átomo está determinado por la distribución de electrones en las capas de electrones La tabla periódica de los elementos muestra la distribución de electrones para cada elemento Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-9 Hydrogen 2 Número atómico Helium 1H He 2He Masa atómica 4.00 Símbolo del elemento Primera órbita Diagrama de distribución de electrones Lithium Beryllium Boron Carbon Nitrogen Oxygen Fluorine Neon 3Li 4Be 5B 6C 7N 8O 9F 10Ne Segunda órbita Sodium Magnesium Aluminum Silicon Phosphorus Sulfur Chlorine Argon 11Na 12Mg 13Al 14Si 15P 16S 17Cl 18Ar Tercera órbita  Los electrones de valencia son los que se encuentran en la capa más externa, o capa de valencia El comportamiento químico de un átomo está determinado principalmente por los electrones de valencia Los elementos con una capa de valencia completa son químicamente inertes Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Orbitales electrónicos Un orbital es el espacio tridimensional donde se encuentra un electrón el 90% del tiempo Cada capa de electrones consta de un número específico de orbitales Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-10-1 Neón, con dos capas llenas (10 (a) Distribución de electrones) electrones diagrama Primera Segunda órbita órbita Fig. 2-10-2 Neón, con dos capas llenas (10 (a) Diagrama de electrones) distribución de electrones Primera órbita Segunda órbita (b) Orbitales de electrones separados 1s orbital Fig. 2-10-3 Neón, con dos capas llenas (10 (a) Diagrama de electrones) distribución de electrones Primera órbita Segunda órbita (b) Orbitales de electrones separados x y z 1s orbital 2s orbital Three 2p orbitals Fig. 2-10-4 Neón, con dos capas llenas (10 (a) Diagrama de electrones) distribución de electrones Primera órbita Segunda órbita (b) Orbitales de electrones separados x y z 1s orbital 2s orbital Three 2p orbitals (c) Orbitales de electrones superpuestos 1s, 2s, and 2p orbitals Concepto 2.3: La formación y función de las moléculas dependen de la unión química entre átomos Los átomos con capas de valencia incompletas pueden compartir o transferir electrones de valencia con otros átomos Estas interacciones generalmente dan como resultado que los átomos permanezcan muy juntos, sostenidos por atracciones llamadas enlaces químicos Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Enlaces covalentes Un enlace covalente es el intercambio de un par de electrones de valencia por dos átomos Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-11 Hidrógeno átomos (2 H) Molécula de hidrógeno (H2)  Una molécula consta de dos o más átomos unidos por enlaces covalentes Un enlace covalente simple, o enlace simple, es el intercambio de un par de electrones de valencia Un enlace covalente doble, o doble enlace, es el intercambio de dos pares de electrones de valencia Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings  La notación utilizada para representar los átomos y los enlaces se denomina fórmula estructural Por ejemplo, H–H Esto se puede abreviar aún más con una fórmula molecular Por ejemplo, H2 Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-12 Fig. 2-12a Name and Electron- Lewis Dot Space- Molecular distribution Structure and filling Formula Diagram Structural Model Formula (a) Hydrogen (H2) Fig. 2-12b Name and Electron- Lewis Dot Space- Molecular distribution Structure and filling Formula Diagram Structural Model Formula (b) Oxygen (O2) Fig. 2-12c Name and Electron- Lewis Dot Space- Molecular distribution Structure and filling Formula Diagram Structural Model Formula (c) Water (H2O) Fig. 2-12d Name and Electron- Lewis Dot Space- Molecular distribution Structure and filling Formula Diagram Structural Model Formula (d) Methane (CH4)  Los enlaces covalentes pueden formarse entre átomos del mismo elemento o átomos de diferentes elementos Un compuesto es una combinación de dos o más elementos diferentes Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings  La electronegatividad es la atracción de un átomo por los electrones en un enlace covalente Cuanto más electronegativo es un átomo, más fuertemente atrae los electrones compartidos hacia sí mismo Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Electronegatividad: la fuerza con que atrae un átomo a sus electrones  En un enlace covalente no polar, los átomos comparten el electrón por igual En un enlace covalente polar, un átomo es más electronegativo y los átomos no comparten el electrón por igual El intercambio desigual de electrones causa una carga parcial positiva o negativa para cada átomo o molécula Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Enlaces iónicos Los átomos a veces arrancan electrones de sus compañeros de enlace Un ejemplo es la transferencia de un electrón del sodio al cloro Después de la transferencia de un electrón, ambos átomos tienen cargas Un átomo (o molécula) cargado se llama ion Entre un átomo muy electronegativo y otro muy poco Metal con No metal Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-14-1 Na Cl Na Cl Átomo de sodio Átomo de cloro Fig. 2-14-2 Na Cl Na Cl Na Cl Na+ Cl– Átomo de sodio Átomo de cloro Ion de sodio (un Ion cloruro (un catión) anión) Cloruro de sodio (NaCl)  Un catión es un ion cargado positivamente Un anión es un ion cargado negativamente Un enlace iónico es una atracción entre un anión y un catión Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings  Los compuestos formados por enlaces iónicos se denominan compuestos iónicos o sales Las sales, como el cloruro de sodio (sal de mesa), a menudo se encuentran en la naturaleza como cristales Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-15 Na+ Cl– Enlaces de hidrógeno Un enlace de hidrógeno se forma cuando un átomo de hidrógeno unido covalentemente a un átomo electronegativo también es atraído por otro átomo electronegativo En las células vivas, los socios electronegativos suelen ser átomos de oxígeno o nitrógeno Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Interacciones de Van der Waals Si los electrones se distribuyen asimétricamente en moléculas o átomos, pueden dar lugar a "puntos calientes" de carga positiva o negativa Las interacciones de Van der Waals son atracciones entre moléculas que están muy juntas como resultado de estas cargas Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-18 Carbono Nitrógeno Hidrógeno Azufre Endorfinas naturales Oxígeno Morfina a) Estructuras de la endorfina y la morfina Endorfinas naturales Morfina Receptores de Célula cerebral endorfinas b) Unión a los receptores de endorfinas Concepto 2.4: Las reacciones químicas crean y rompen enlaces químicos Las reacciones químicas son la formación y ruptura de enlaces químicos Las moléculas de inicio de una reacción química se denominan reactivos Las moléculas finales de una reacción química se denominan productos Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-UN2 2 H2 O2 2 H2O Reactivos Reacción Productos  La fotosíntesis es una reacción química importante La luz solar potencia la conversión de dióxido de carbono y agua en glucosa y oxígeno – 6 CO2 + 6 H20 → C6H12O6 + 6 O2 Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings  Algunas reacciones químicas llegan a su fin: todos los reactivos se convierten en productos Todas las reacciones químicas son reversibles: los productos de la reacción directa se convierten en reactivos para la reacción inversa El equilibrio químico se alcanza cuando las velocidades de reacción directa e inversa son iguales Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Ahora debería ser capaz de: 1. Identificar los cuatro elementos principales 2. Distinga entre los siguientes pares de términos: neutrón y protón, número atómico y número de masa 3. Distinguir y discutir la importancia biológica de los siguientes: enlaces covalentes no polares, enlaces covalentes polares, enlaces iónicos, enlaces de hidrógeno e interacciones de van der Waals Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings