Química Biológica: Fundamentos de la Materia Viva
La Materia y sus Componentes
La materia se compone de elementos químicos en forma pura y de combinaciones denominadas compuestos.
Elementos y Compuestos
Los organismos están compuestos por materia, que es cualquier cosa que ocupa un espacio y tiene una masa.
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 se compone de dos o más elementos combinados en una relación fija.
Elementos Esenciales para la Vida
De los 92 elementos naturales, 25 son esenciales para la vida. El carbono, el oxígeno, el hidrógeno y el nitrógeno constituyen el 96% de la materia viva. El fósforo, el azufre, el calcio, el potasio y otros elementos constituyen el 4% restante.
Los oligoelementos son elementos requeridos por un organismo en cantidades muy bajas.
Propiedades Atómicas y Estructura
Las propiedades de un elemento dependen de la estructura de sus átomos.
Cada elemento se compone de un cierto tipo de átomo que es diferente de los átomos de cualquier otro elemento.
Partículas Subatómicas
Las partículas subatómicas son porciones de un átomo. Las más relevantes son:
- Neutrones
- Protones
- Electrones
Los neutrones y protones están empaquetados fuertemente y forman un núcleo atómico.
Las partículas subatómicas utilizan una unidad de medida llamada el dalton.
Número Atómico y Masa Atómica
Los átomos de los diversos elementos difieren en su número de partículas subatómicas. Todos los átomos de un elemento en particular tienen el mismo número de protones en su núcleo. Este número de protones, que es exclusivo de ese elemento, se llama número atómico.
- Número de masa
- Suma de protones más neutrones en el núcleo de un átomo.
El número de masa es una aproximación a la masa total de un átomo, denominada su masa atómica.
Isótopos
Todos los átomos de un elemento dado tienen el mismo número de protones, pero algunos átomos tienen más neutrones que otros átomos del mismo elemento y, por tanto, tienen mayor masa. Estas formas atómicas diferentes se denominan isótopos del elemento.
Un isótopo radiactivo es aquel en el cual el núcleo se descompone espontáneamente y emite partículas y energía.
Los Niveles de Energía de los Electrones
Los electrones de un átomo varían en la cantidad de energía que poseen. La energía se define como la capacidad para causar cambio. La energía potencial es la energía que la materia posee debido a su localización o estructura.
Los diferentes estados de energía potencial que los electrones tienen en un átomo se denominan niveles de energía. Un nivel de energía de un electrón se correlaciona con su distancia promedio desde el núcleo; estas distancias promedio se representan simbólicamente por las órbitas de electrones.
Configuración Electrónica y Propiedades Químicas
El comportamiento químico de un átomo está determinado por su configuración electrónica, esto es, la distribución de electrones en las órbitas del átomo.
El comportamiento de un átomo depende, sobre todo, del número de electrones en su órbita más externa. Llamamos a estos electrones externos electrones de valencia y a la órbita de los electrones más externa, la órbita de valencia.
Orbitales Electrónicos
El espacio tridimensional donde un electrón se encuentra orbitando el 90% del tiempo se denomina orbital.
Enlaces Químicos y Formación Molecular
La formación y la función de las moléculas dependen de los enlaces químicos entre los átomos.
Enlaces Covalentes
Un enlace covalente consiste en un par de electrones de valencia compartidos por dos átomos. Dos o más átomos que se mantienen unidos por enlaces covalentes constituyen una molécula.
La atracción de un tipo de átomo en particular por los electrones de un enlace covalente se denomina electronegatividad.
El enlace en el cual los electrones se comparten de forma equitativa es un enlace covalente no polar.
Si un átomo se une a un átomo más electronegativo, los electrones del enlace no se comparten equitativamente. Este tipo de enlace se denomina enlace covalente polar.
Enlaces Iónicos
- Anión
- Ión cargado negativamente.
Debido a sus cargas opuestas, los cationes y los aniones se atraen entre sí; esta atracción se denomina enlace iónico.
Los compuestos formados por enlaces iónicos se denominan compuestos iónicos o sales.
Enlaces Químicos Débiles
- Enlace de hidrógeno: Son débiles y se forman cuando un átomo de hidrógeno unido de forma covalente a un átomo electronegativo también es atraído hacia otro átomo electronegativo.
- Fuerzas de Van der Waals: Son débiles y tienen lugar cuando los átomos y las moléculas están muy cercanos entre sí.
Forma y Función Molecular
Una molécula tiene un tamaño y una forma característica. A menudo, la forma precisa de una molécula es muy importante para su función en la célula viva.
La forma molecular es crucial en biología porque determina el modo en que las moléculas biológicas se reconocen y responden mutuamente con especificidad.
Reacciones Químicas
Las reacciones químicas forman y rompen enlaces químicos.
La formación y la ruptura de enlaces químicos, que produce cambios en la composición de la materia, se denominan reacciones químicas.
Cuando se escribe una reacción química, se utiliza una flecha para indicar la conversión de los materiales iniciales, denominados reactivos, en los productos.
El punto en el cual las reacciones químicas se contrarrestan se denomina equilibrio químico.