Biologa 1010

Unidad 1

Derechos Reservados 2012 National University College www.nuc.edu/enlinea

Los productos qumicos componen nuestro cuerpo y los de otros organismos. Adems, los qumicos componen el ambiente que nos rodea.

La organizacin de los tomos para formar molculas representa el nivel ms bajo de la organizacin biolgica. Por lo tanto, para entender la vida, es importante entender los conceptos bsicos de la qumica.

Comencemos con el estudio de la qumica de la vida.

La selva amaznica es una muestra de la diversidad de la vida en la Tierra.

Un ejemplo es la hormiga de limn; sta evita el crecimiento de todos los rboles excepto el del rbol de la hormiga de limn en sus jardines.

Hormiga

Hormigas de limn

Las hormigas inyectan una sustancia qumica en otros rboles que los mata.

Esta hormiga vive en los tallos huecos del rbol de hormigas de limn.

Elementos, tomos y molculas

Los organismos vivos estn compuestos de materia, que es todo lo que ocupa espacio y tiene masa (peso). La materia est compuesta de elementos qumicos.

Un elemento es una sustancia que no puede descomponerse en otras sustancias.

Hay 92 elementos en la naturaleza.

Slo unos cuantos existen en estado puro.

La vida requiere de 25 elementos esenciales.

Observemos los elementos presentes en el cuerpo humano.

A estos elementos

esenciales se aaden el agua y los alimentos.

Algunos de estos

elementos son necesarios para prevenir enfermedades.

Por ejemplo, sin el

hierro, su cuerpo no puede transportar oxgeno.

Agua y alimentos

Estos elementos esenciales se aaden al agua y a los alimentos.

Una deficiencia de yodo previene la produccin de hormonas tiroideas, lo que resulta en un agrandamiento de la glndula tiroidea en el cuello o bocio.

Echa un vistazo a la "informacin nutricional" o etiqueta de los alimentos y bebidas que compras.

Los elementos

Los elementos pueden combinarse para formar compuestos.

Un ejemplo es el elemento Litio.

Un compuesto es una sustancia constituida por dos o ms elementos diferentes, combinados en una proporcin fija.

Ejemplo Cloruro de sodio (NaCl)

Cloruro de sodio (sal de mesa)

Cloro Sodio

+

Hay muchos compuestos que constan de dos elementos. Un ejemplo es la sal de mesa o cloruro de sodio (NaCl). Sodio es un metal y cloro es un gas venenoso. Sin embargo, cuando se combinan qumicamente, surge un

compuesto comestible.

Compuesto

Compuestos

Muchos de los compuestos en los organismos vivos contienen carbono, hidrgeno, oxgeno y nitrgeno El ADN, por ejemplo, contiene

los cuatro elementos.

Curiosamente, diversos arreglos de elementos proporcionan caractersticas nicas para cada compuesto.

Los tomos

Un tomo es la unidad ms pequea de la materia que conserva las propiedades de un elemento.

Los tomos estn compuestos de ms de

un centenar de partculas subatmicas, pero slo tres son importantes para los compuestos biolgicos.

El Protn tiene una carga elctrica positiva. El Electrntiene una carga elctrica

negativa. El Neutrn es elctricamente neutral.

Los elementos se diferencian en su

nmero de protones, neutrones y electrones.

tomo de Helio

Los tomos

Los neutrones y los protones estn

comprimidos en el ncleo del tomo.

La carga negativa de los electrones y la carga positiva de los protones se atraen y mantienen los electrones cerca del ncleo.

El nmero de protones es el nmero atmico del tomo.

El helio tiene dos protones y su nmero atmico es 2.

El nmero de masa es la suma de los protones y neutrones en el ncleo (helio-4 se escribe 4He).

Ncleo

Nube de electrones

Protones

2e Ncleo

Electrones

Nmero de masa = 4 Neutrones

2

2

2

Nube de electrones

Protones

6e

Ncleo

Electrones

Nmero de Masa = 12 Neutrones

6

6

6

Modelo de tomo de Carbono

Los electrones

Slo los electrones estn involucrados en la actividad qumica.

La posicin de los electrones determina las propiedades qumicas del tomo.

Los electrones estn en niveles de energa llamados capas de electrones.

Magnesium

Lithium

Hydrogen

Tercera capa

Primera capa

Segunda capa

Sodium

Beryllium

Aluminum

Boron

Silicon

Carbon

Phosphorus

Nitrogen

Sulfur

Oxygen

Chlorine

Fluorine

Argon

Neon

Helium

Tabla peridica de los elementos

La informacin sobre la distribucin de los electrones se encuentra en la tabla peridica de los elementos. Aqu mostramos los diagramas de las capas electrnicas de los primeros 18 elementos de la tabla peridica.

Los electrones

Un tomo puede tener una, dos o tres capas (o anillos) de electrones. El nmero de electrones en la capa ms externa determina

las propiedades qumicas del tomo.

La primera capa tiene espacio para dos electrones, mientras que la segunda y tercera capa tiene capacidad para ocho electrones.

Los electrones

Los tomos quieren llenar sus capas electrnicas externas.

Para lograr esto, el tomo puede compartir, donar o recibir electrones.

Esto se traduce en atracciones entre tomos llamados enlaces qumicos.

Los enlaces inicos

Un in es un tomo o molcula con carga elctrica debido a la prdida o ganancia de electrones. Cuando un electrn se pierde, se produce una carga

positiva, y cuando uno se gana, se produce una carga negativa.

Dos iones con cargas opuestas se atraen entre s. Cuando la atraccin mantiene los iones juntos, se llama

enlace inico.

Na tomo de sodio

Transferencia de electrn

Cl tomo de cloro

Veamos la formacin de un

enlace inico en la produccin de cloruro de sodio.

Sodio tiene 11 electrones. Tiene uno solo en la ltima capa.

Cloro tiene 17 electrones. Tiene siete en la ltima capa.

Ambos tendran capas superiores estables si sodio dona el electrn al cloro y establecen un enlace.

Na tomo de sodio

Transferencia de electrn

Cl tomo de cloro

Na+ In de sodio

Cl In de cloro

Cloruro de sodio (NaCl)

+

Sodio le facilita el electrn que cloro necesita. De esta forma producen un compuesto estable mediante un enlace inico. Sodio queda con una carga positiva y cloro con una carga negativa. Cargas opuestas se atraen y los iones se mantienen unidos.

Se produce un enlace covalente cuando los tomos comparten electrones de la capa exterior.

Una molcula se forma cuando los tomos se mantienen unidos por enlaces covalentes.

Veamos representaciones grficas de cuatro molculas que comparten electrones de la capa superior, o sea, formadas por enlaces covalentes.

Covalente

Molculas polares

Los tomos en una molcula de enlace covalente continuamente compiten por los electrones compartidos.

La atraccin por los electrones compartidos se llama electronegatividad.

Los tomos ms electronegativos halan con mayor fuerza.

Cuando los electrones se comparten de forma desigual se forman molculas polares.

() ()

O

H H

(+) (+)

H2O

Tenemos una molcula de agua. En el agua el tomo de oxgeno tiene una ligera carga negativa y los tomos de hidrgeno tienen una carga ligeramente positiva.

Molculas con esta distribucin desigual de las cargas se llaman molculas polares. El agua es una molcula polarizada.

Molculas polares

Enlaces de hidrgeno

Los enlaces de hidrgeno hacen que las molculas se mantengan unidas, una propiedad llamada cohesin.

La cohesin del agua es mucho ms fuerte que la de otros lquidos.

La cohesin del agua es til en las plantas debido a que dependen de la cohesin para transportar el agua y los nutrientes del suelo a la parte superior de las plantas

Clulas que

conducen agua

Adhesin

Cohesin

150 m

Direccin del

movimiento

del agua

Cohesin

La cohesin tiene que ver con la tensin superficial - una medida de lo difcil que es romper la superficie de un lquido.

Los enlaces de hidrgeno son los responsables de la tensin superficial.

-- La tensin superficial permite que un zancudo de agua camine sobre el agua.

Cambios de temperatura

Debido a los enlaces de hidrgeno, el agua tiene una mayor capacidad para resistir los cambios de temperatura que otros lquidos.

El calor es la energa asociada con el movimiento de los tomos y las molculas en la materia.

La temperatura mide la intensidad del calor.

Se requiere calor para para romper los enlaces de hidrgeno; por el contrario, cuando se forman enlaces de hidrgeno, se libera calor.

Enfriamiento por evaporacin

El enfriamiento por evaporacin es un proceso en el cual las molculas de agua con la mayor energa salen.

La transpiracin es un ejemplo de un beneficio de este proceso.

Cuando las molculas de agua caliente se van por la evaporacin, las molculas de agua que quedan enfran la superficie del cuerpo.

El Hielo

El agua puede existir en estado gaseoso, lquido y slido. El agua es menos densa en forma de slido, una

propiedad que se debe a los enlaces de hidrgeno. Cuando el agua se congela, cada molcula forma un enlace

de hidrgeno estable con sus cuatro vecinos. Se forma un cristal tridimensional. Hay espacio entre las molculas de agua. El hielo es menos denso que el agua, razn por la cual

flota. El diagrama a la derecha ilustra esta diferencia en los

enlaces de hidrgeno entre las molculas de agua en el hielo y el agua en su estado lquido.

Agua lquida

Los enlaces de hidrgeno

se rompen y se restablecen

constantemente

Hielo

Los enlaces de hidrgeno

son estables

Enlace de hidrgeno

El hielo flotante proporciona una barrera para el agua de abajo. El agua se mantiene mucho ms caliente que el aire sobre el hielo y puede servir como el hbitat ideal para la vida marina.

El agua

Una solucin es un lquido compuesto por una mezcla homognea de dos o ms sustancias El agente de disolucin es el solvente. La sustancia que se disuelve es el soluto.

El agua es un solvente verstil que es fundamental para los procesos de la vida. Su versatilidad se debe a su polaridad. La sal de mesa es un ejemplo de un soluto que se

disuelva en agua. Los iones de sodio, cloruro y agua se sienten atrados

entre s debido a sus cargas. La figura muestra un cristal de sal que se disuelve en agua.

In en solucin

Cristal de sal

El agua es un solvente verstil

Condiciones cidas y bsicas

Adems del agua, otros productos qumicos pueden contribuir iones de hidrgeno (H+) o protones a una solucin.

Se llaman cidos.

Un ejemplo es el cido clorhdrico (HCl).

Este es el cido en el estmago que ayuda en la digestin.

Condiciones cidas y bsicas

Algunas sustancias qumicas aceptan iones de hidrgeno y los remueven de la solucin.

Estas sustancias se llaman bases.

Por ejemplo, hidrxido de sodio (NaOH) proporciona un grupo hidroxilo (OH) que se combina con el protn (H+) para producir H2O (agua).

Esto reduce la concentracin de protones (H+) o acidez.

Acidic solution

pH scale

Battery acid

0

1

2

3

4

5

Lemon juice, gastric juice

Grapefruit juice, soft drink, vinegar, beer

Tomato juice

Rain water

Human urine

Saliva

Pure water

6

7

Human blood, tears

Seawater

8

9

10

11

12

13

Milk of magnesia

Household ammonia

Household bleach

Oven cleaner

Neutral solution

Basic solution

NEUTRAL [H+]=OH]

Inc

rea

sin

gly

AC

IDIC

(H

igh

er

co

nc

en

tra

tio

n o

f H

+)

14

Inc

rea

sin

gly

BA

SIC

(L

ow

er

co

nc

en

tra

tio

n o

f H

+)

Una escala de pH (potencial de hidrgeno) representa la concentracin relativa de cido o de base. Se utiliza para describir si una solucin es cida o bsica.

El rango de pH vara desde cero (ms cido) a 14 (ms bsico).

Una solucin que no es ni cida ni bsica es neutral y se dice que tiene un pH de 7.

Solucin cida Solucin neutral Solucin bsica

Observa la diferencia en las soluciones y compara la cantidad de grupos de protones y de grupos hidroxilos.

Soluciones

La lluvia cida

La lluvia cida y la acidificacin de los ocanos amenazan el medio ambiente. Cuando quemamos combustibles fsiles (gasolina y petrleo para calefaccin), se liberan a la atmsfera compuestos contaminantes y dixido de carbono.

Los xidos de azufre y de nitrgeno reaccionan con el agua en el aire y forman cidos. Estos caen a la Tierra como lluvia cida, que es la lluvia, nieve o niebla con un pH inferior a 5.6.

Adems, el dixido de carbono en la atmsfera contribuye al efecto "invernadero" y altera la qumica ocenica.

Las reacciones qumicas

Las reacciones qumicas forman y rompen enlaces, cambiando la composicin de la materia

La estructura de los tomos y las molculas determina la forma en que se comportan.

Los tomos se combinan para formar molculas.

El hidrgeno y el oxgeno pueden reaccionar para formar agua.

2H2 + O2 2H2O

2 H2 O2 2 H2O

La formacin de agua a partir de hidrgeno y el oxgeno es un ejemplo de una reaccin qumica. Los reactivos (hidrgeno y oxgeno) se convierten en agua, el producto.

Los organismos no producen agua, pero s llevan a cabo un gran nmero de reacciones qumicas que reorganizan la materia.

La fotosntesis es un ejemplo en las plantas de la secuencia de reacciones qumicas que producen glucosa.

Las reacciones qumicas

Los organismos no producen agua, pero s llevan a cabo un gran nmero de reacciones qumicas que reorganizan la materia. La fotosntesis es un ejemplo en las plantas de la secuencia de reacciones qumicas que producen glucosa y liberan oxgeno.

Referencias

Derechos Reservados 2012 National University College www.nuc.edu/enlinea