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2.1: Los bloques de construcción de moléculas - Biología

2.1: Los bloques de construcción de moléculas - Biología


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En su nivel más fundamental, la vida está compuesta de materia. Toda la materia está compuesta de elementos, sustancias que no se pueden descomponer ni transformar químicamente en otras sustancias. Cada elemento está formado por átomos, cada uno con un número constante de protones y propiedades únicas. Se han definido un total de 118 elementos; sin embargo, solo 92 ocurren naturalmente y menos de 30 se encuentran en células vivas. Los 26 elementos restantes son inestables y, por lo tanto, no existen por mucho tiempo o son teóricos y aún no se han detectado.

Cada elemento está designado por su símbolo químico (como H, N, O, C y Na) y posee propiedades únicas. Estas propiedades únicas permiten que los elementos se combinen y se unan entre sí de formas específicas.

Átomos

Un átomo es el componente más pequeño de un elemento que conserva todas las propiedades químicas de ese elemento. Por ejemplo, un átomo de hidrógeno tiene todas las propiedades del elemento hidrógeno, tal como existe como gas a temperatura ambiente, y se une con el oxígeno para crear una molécula de agua. Los átomos de hidrógeno no se pueden descomponer en nada más pequeño mientras conservan las propiedades del hidrógeno. Si un átomo de hidrógeno se descompusiera en partículas subatómicas, ya no tendría las propiedades del hidrógeno.

En el nivel más básico, todos los organismos están hechos de una combinación de elementos. Contienen átomos que se combinan para formar moléculas. En los organismos multicelulares, como los animales, las moléculas pueden interactuar para formar células que se combinan para formar tejidos, que forman los órganos. Estas combinaciones continúan hasta que se forman organismos multicelulares completos.

Todos los átomos contienen protones, electrones y neutrones (figura 2.1.1). La única excepción es el hidrógeno (H), que está formado por un protón y un electrón. Un protón es una partícula cargada positivamente que reside en el núcleo (el núcleo del átomo) de un átomo y tiene una masa de 1 y una carga de +1. Un electrón es una partícula cargada negativamente que viaja en el espacio alrededor del núcleo. En otras palabras, reside fuera del núcleo. Tiene una masa insignificante y una carga de –1.


Figura 2.1.1: Los átomos están formados por protones y neutrones ubicados dentro del núcleo y electrones que rodean el núcleo.

Los neutrones, como los protones, residen en el núcleo de un átomo. Tienen una masa de 1 y sin cargo. Las cargas positivas (protones) y negativas (electrones) se equilibran entre sí en un átomo neutro, que tiene una carga neta cero.

Debido a que los protones y neutrones tienen cada uno una masa de 1, la masa de un átomo es igual al número de protones y neutrones de ese átomo. El número de electrones no influye en la masa total, porque su masa es muy pequeña.

Como se indicó anteriormente, cada elemento tiene sus propias propiedades únicas. Cada uno contiene un número diferente de protones y neutrones, lo que le da su propio número atómico y número de masa. El número atómico de un elemento es igual al número de protones que contiene ese elemento. El número de masa, o masa atómica, es el número de protones más el número de neutrones de ese elemento. Por lo tanto, es posible determinar el número de neutrones restando el número atómico del número másico.

Estos números proporcionan información sobre los elementos y cómo reaccionarán cuando se combinen. Los diferentes elementos tienen diferentes puntos de fusión y ebullición, y se encuentran en diferentes estados (líquido, sólido o gas) a temperatura ambiente. También se combinan de diferentes formas. Algunos forman tipos específicos de enlaces, mientras que otros no. La forma en que se combinan se basa en la cantidad de electrones presentes. Debido a estas características, los elementos se organizan en la tabla periódica de elementos, una tabla de los elementos que incluye el número atómico y la masa atómica relativa de cada elemento. La tabla periódica también proporciona información clave sobre las propiedades de los elementos (Figura 2.1.2): A menudo se indica mediante códigos de colores. La disposición de la tabla también muestra cómo se organizan los electrones en cada elemento y proporciona detalles importantes sobre cómo reaccionarán los átomos entre sí para formar moléculas.

Los isótopos son formas diferentes del mismo elemento que tienen el mismo número de protones, pero un número diferente de neutrones. Algunos elementos, como el carbono, el potasio y el uranio, tienen isótopos naturales. El carbono 12, el isótopo más común de carbono, contiene seis protones y seis neutrones. Por lo tanto, tiene un número de masa de 12 (seis protones y seis neutrones) y un número atómico de 6 (lo que lo convierte en carbono). El carbono 14 contiene seis protones y ocho neutrones. Por lo tanto, tiene un número de masa de 14 (seis protones y ocho neutrones) y un número atómico de 6, lo que significa que sigue siendo el elemento carbono. Estas dos formas alternativas de carbono son isótopos. Algunos isótopos son inestables y perderán protones, otras partículas subatómicas o energía para formar elementos más estables. Estos se denominan isótopos radiactivos o radioisótopos.

CONEXIÓN DE ARTE

¿Cuántos neutrones tienen (K) potasio-39 y potasio-40, respectivamente?

EVOLUCIÓN EN ACCIÓN


Datación por carbonoCarbono-14 (14C) es un radioisótopo natural creado en la atmósfera por los rayos cósmicos. Este es un proceso continuo, así que más 14C siempre se está creando. A medida que se desarrolla un organismo vivo, el nivel relativo de 14C en su cuerpo es igual a la concentración de 14C en la atmósfera. Cuando un organismo muere, ya no ingiere 14C, por lo que la proporción disminuirá. 14C decae a 14N mediante un proceso llamado desintegración beta; emite energía en este lento proceso.

Después de aproximadamente 5.730 años, solo la mitad de la concentración inicial de 14C se habrá convertido en 14N. El tiempo que tarda la mitad de la concentración original de un isótopo en desintegrarse a su forma más estable se denomina vida media. Porque la vida media de 14C es larga, se utiliza para envejecer objetos que antes vivían, como los fósiles. Usando la relación de la 14Concentración de C encontrada en un objeto a la cantidad de 14C detectado en la atmósfera, se puede determinar la cantidad del isótopo que aún no se ha descompuesto. Con base en esta cantidad, la edad del fósil se puede calcular en unos 50.000 años (Figura 2.1.3). Los isótopos con vidas medias más largas, como el potasio-40, se utilizan para calcular las edades de los fósiles más antiguos. Mediante el uso de la datación por carbono, los científicos pueden reconstruir la ecología y biogeografía de los organismos que vivieron en los últimos 50.000 años.

CONCEPTO EN ACCIÓN

Para obtener más información sobre los átomos y los isótopos, y cómo puede distinguir un isótopo de otro, visite este sitio y ejecute la simulación.

Enlaces químicos

La forma en que los elementos interactúan entre sí depende de cómo están dispuestos sus electrones y cuántas aberturas para los electrones existen en la región más externa donde los electrones están presentes en un átomo. Los electrones existen a niveles de energía que forman capas alrededor del núcleo. La capa más cercana puede contener hasta dos electrones. La capa más cercana al núcleo siempre se llena primero, antes de que se pueda llenar cualquier otra capa. El hidrógeno tiene un electrón; por lo tanto, solo tiene un lugar ocupado dentro del caparazón más bajo. El helio tiene dos electrones; por lo tanto, puede llenar completamente la capa más baja con sus dos electrones. Si observa la tabla periódica, verá que el hidrógeno y el helio son los únicos dos elementos de la primera fila. Esto se debe a que solo tienen electrones en su primera capa. El hidrógeno y el helio son los únicos dos elementos que tienen la capa más baja y ninguna otra capa.

Los niveles de energía segundo y tercero pueden contener hasta ocho electrones. Los ocho electrones están dispuestos en cuatro pares y una posición en cada par se llena con un electrón antes de que se complete cualquier par.

Si vuelve a mirar la tabla periódica (figura 2.1.2), notará que hay siete filas. Estas filas corresponden al número de conchas que tienen los elementos dentro de esa fila. Los elementos dentro de una fila en particular tienen un número creciente de electrones a medida que las columnas avanzan de izquierda a derecha. Aunque cada elemento tiene el mismo número de capas, no todas las capas están completamente llenas de electrones. Si observa la segunda fila de la tabla periódica, encontrará litio (Li), berilio (Be), boro (B), carbono (C), nitrógeno (N), oxígeno (O), flúor (F), y neón (Ne). Todos estos tienen electrones que ocupan solo la primera y segunda capa. El litio tiene solo un electrón en su capa más externa, el berilio tiene dos electrones, el boro tiene tres, y así sucesivamente, hasta que toda la capa se llena con ocho electrones, como es el caso del neón.

No todos los elementos tienen suficientes electrones para llenar sus capas más externas, pero un átomo es más estable cuando todas las posiciones de los electrones en la capa más externa están llenas. Debido a estas vacantes en las capas más externas, vemos la formación de enlaces químicos o interacciones entre dos o más elementos iguales o diferentes que dan como resultado la formación de moléculas. Para lograr una mayor estabilidad, los átomos tenderán a llenar completamente sus capas externas y se unirán con otros elementos para lograr este objetivo compartiendo electrones, aceptando electrones de otro átomo o donando electrones a otro átomo. Debido a que las capas más externas de los elementos con números atómicos bajos (hasta calcio, con número atómico 20) pueden contener ocho electrones, esto se conoce como la regla del octeto. Un elemento puede donar, aceptar o compartir electrones con otros elementos para llenar su capa exterior y satisfacer la regla del octeto.

Cuando un átomo no contiene el mismo número de protones y electrones, se le llama ion. Debido a que el número de electrones no es igual al número de protones, cada ion tiene una carga neta. Los iones positivos se forman al perder electrones y se denominan cationes. Los iones negativos se forman al ganar electrones y se denominan aniones.

Por ejemplo, el sodio solo tiene un electrón en su capa más externa. El sodio necesita menos energía para donar ese electrón que para aceptar siete electrones más para llenar la capa exterior. Si el sodio pierde un electrón, ahora tiene 11 protones y solo 10 electrones, dejándolo con una carga total de +1. Ahora se llama ion sodio.

El átomo de cloro tiene siete electrones en su capa exterior. Nuevamente, es más eficiente energéticamente que el cloro gane un electrón que pierda siete. Por lo tanto, tiende a ganar un electrón para crear un ion con 17 protones y 18 electrones, lo que le da una carga neta negativa (-1). Ahora se llama ion cloruro. Este movimiento de electrones de un elemento a otro se denomina transferencia de electrones. Como ilustra la figura 2.1.4, un átomo de sodio (Na) solo tiene un electrón en su capa más externa, mientras que un átomo de cloro (Cl) tiene siete electrones en su capa más externa. Un átomo de sodio donará su único electrón para vaciar su capa, y un átomo de cloro aceptará ese electrón para llenar su capa, convirtiéndose en cloruro. Ambos iones ahora satisfacen la regla del octeto y tienen capas más externas completas. Debido a que el número de electrones ya no es igual al número de protones, ahora cada uno es un ión y tiene una carga de +1 (sodio) o –1 (cloruro).

Enlaces iónicos

Hay cuatro tipos de enlaces o interacciones: iónicos, covalentes, enlaces de hidrógeno e interacciones de van der Waals. Los enlaces iónicos y covalentes son interacciones fuertes que requieren una mayor entrada de energía para romperse. Cuando un elemento dona un electrón de su capa exterior, como en el ejemplo del átomo de sodio anterior, se forma un ion positivo. El elemento que acepta el electrón ahora está cargado negativamente. Debido a que las cargas positivas y negativas se atraen, estos iones permanecen juntos y forman un enlace iónico o un enlace entre iones. Los elementos se unen con el electrón de un elemento permaneciendo predominantemente con el otro elemento. Cuando Na+ y Cl los iones se combinan para producir NaCl, un electrón de un átomo de sodio permanece con los otros siete del átomo de cloro, y los iones de sodio y cloruro se atraen entre sí en una red de iones con una carga neta cero.

Enlaces covalentes

Otro tipo de enlace químico fuerte entre dos o más átomos es un enlace covalente. Estos enlaces se forman cuando un electrón se comparte entre dos elementos y son la forma más fuerte y común de enlace químico en los organismos vivos. Se forman enlaces covalentes entre los elementos que componen las moléculas biológicas de nuestras células. A diferencia de los enlaces iónicos, los enlaces covalentes no se disocian en el agua.

Los átomos de hidrógeno y oxígeno que se combinan para formar moléculas de agua están unidos por enlaces covalentes. El electrón del átomo de hidrógeno divide su tiempo entre la capa externa del átomo de hidrógeno y la capa externa incompleta del átomo de oxígeno. Para llenar completamente la capa exterior de un átomo de oxígeno, se necesitan dos electrones de dos átomos de hidrógeno, de ahí el subíndice "2" en H2O. Los electrones se comparten entre los átomos, dividiendo su tiempo entre ellos para "llenar" la capa exterior de cada uno. Este intercambio es un estado de menor energía para todos los átomos involucrados que si existieran sin sus capas externas llenas.

Hay dos tipos de enlaces covalentes: polares y apolares. Los enlaces covalentes no polares se forman entre dos átomos del mismo elemento o entre diferentes elementos que comparten los electrones por igual. Por ejemplo, un átomo de oxígeno puede unirse con otro átomo de oxígeno para llenar sus capas externas. Esta asociación es no polar porque los electrones se distribuirán por igual entre cada átomo de oxígeno. Se forman dos enlaces covalentes entre los dos átomos de oxígeno porque el oxígeno requiere dos electrones compartidos para llenar su capa más externa. Los átomos de nitrógeno formarán tres enlaces covalentes (también llamados covalentes triples) entre dos átomos de nitrógeno porque cada átomo de nitrógeno necesita tres electrones para llenar su capa más externa. Otro ejemplo de enlace covalente no polar se encuentra en el metano (CH4) molécula. El átomo de carbono tiene cuatro electrones en su capa más externa y necesita cuatro más para llenarlo. Obtiene estos cuatro de cuatro átomos de hidrógeno, cada uno de los cuales proporciona uno. Todos estos elementos comparten los electrones por igual, creando cuatro enlaces covalentes no polares (figura 2.1.5).

En un enlace covalente polar, los electrones compartidos por los átomos pasan más tiempo más cerca de un núcleo que del otro núcleo. Debido a la distribución desigual de electrones entre los diferentes núcleos, se desarrolla una carga ligeramente positiva (δ +) o ligeramente negativa (δ–). Los enlaces covalentes entre los átomos de hidrógeno y oxígeno en el agua son enlaces covalentes polares. Los electrones compartidos pasan más tiempo cerca del núcleo de oxígeno, dándole una pequeña carga negativa, que cerca de los núcleos de hidrógeno, dando a estas moléculas una pequeña carga positiva.

Enlaces de hidrógeno

Los enlaces iónicos y covalentes son enlaces fuertes que requieren una energía considerable para romperse. Sin embargo, no todos los enlaces entre elementos son enlaces iónicos o covalentes. También se pueden formar vínculos más débiles. Se trata de atracciones que se producen entre cargas positivas y negativas que no requieren mucha energía para romperse. Dos enlaces débiles que ocurren con frecuencia son los enlaces de hidrógeno y las interacciones de van der Waals. Estos enlaces dan lugar a las propiedades únicas del agua y las estructuras únicas del ADN y las proteínas.

Cuando se forman enlaces covalentes polares que contienen un átomo de hidrógeno, el átomo de hidrógeno en ese enlace tiene una carga ligeramente positiva. Esto se debe a que el electrón compartido se tira con más fuerza hacia el otro elemento y se aleja del núcleo de hidrógeno. Debido a que el átomo de hidrógeno es ligeramente positivo (δ +), será atraído por cargas parciales negativas vecinas (δ–). Cuando esto sucede, se produce una interacción débil entre la carga δ + del átomo de hidrógeno de una molécula y la carga δ– de la otra molécula. Esta interacción se llama enlace de hidrógeno. Este tipo de vínculo es común; por ejemplo, la naturaleza líquida del agua es causada por los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua (Figura). Los enlaces de hidrógeno dan al agua las propiedades únicas que sustentan la vida. Si no fuera por los enlaces de hidrógeno, el agua sería un gas en lugar de un líquido a temperatura ambiente.

Pueden formarse enlaces de hidrógeno entre diferentes moléculas y no siempre tienen que incluir una molécula de agua. Los átomos de hidrógeno en enlaces polares dentro de cualquier molécula pueden formar enlaces con otras moléculas adyacentes. Por ejemplo, los enlaces de hidrógeno mantienen unidas dos cadenas largas de ADN para dar a la molécula de ADN su estructura característica de doble cadena. Los enlaces de hidrógeno también son responsables de algunas de las estructuras tridimensionales de las proteínas.

Interacciones de van der Waals

Al igual que los enlaces de hidrógeno, las interacciones de van der Waals son atracciones o interacciones débiles entre moléculas. Ocurren entre átomos polares, unidos covalentemente, en diferentes moléculas. Algunas de estas atracciones débiles son causadas por cargas parciales temporales que se forman cuando los electrones se mueven alrededor de un núcleo. Estas interacciones débiles entre moléculas son importantes en los sistemas biológicos.

CARRERAS EN ACCIÓN: Técnico en Radiografía

¿Usted o alguien que conoce se ha sometido alguna vez a una exploración por resonancia magnética (IRM), una mamografía o una radiografía? Estas pruebas producen imágenes de sus tejidos blandos y órganos (como con una resonancia magnética o mamografía) o sus huesos (como sucede en una radiografía) mediante el uso de ondas de radio o isótopos especiales (marcados radiactivamente o marcados con fluorescencia) que se ingieren o inyectan en el cuerpo. Estas pruebas proporcionan datos para el diagnóstico de enfermedades mediante la creación de imágenes de sus órganos o sistema esquelético.

Las imágenes de resonancia magnética funcionan sometiendo los núcleos de hidrógeno, que abundan en el agua en los tejidos blandos, a campos magnéticos fluctuantes, lo que hace que emitan su propio campo magnético. Luego, esta señal es leída por sensores en la máquina e interpretada por una computadora para formar una imagen detallada.

Algunos tecnólogos y técnicos de radiografía se especializan en tomografía computarizada, resonancia magnética y mamografía. Producen películas o imágenes del cuerpo que ayudan a los profesionales médicos a examinar y diagnosticar. Los radiólogos trabajan directamente con los pacientes, les explican la maquinaria, los preparan para los exámenes y se aseguran de que su cuerpo o partes del cuerpo estén colocadas correctamente para producir las imágenes necesarias. Luego, los médicos o radiólogos analizan los resultados de la prueba.

Los técnicos de radiografía pueden trabajar en hospitales, consultorios médicos o centros especializados en imágenes. La capacitación para convertirse en técnico de radiografía se lleva a cabo en hospitales, colegios y universidades que ofrecen certificados, títulos de asociado o licenciaturas en radiografía.

Resumen

La materia es todo lo que ocupa espacio y tiene masa. Está formado por átomos de diferentes elementos. Todos los 92 elementos que ocurren naturalmente tienen cualidades únicas que les permiten combinarse de varias formas para crear compuestos o moléculas. Los átomos, que consisten en protones, neutrones y electrones, son las unidades más pequeñas de un elemento que retienen todas las propiedades de ese elemento.Los electrones se pueden donar o compartir entre átomos para crear enlaces, incluidos enlaces iónicos, covalentes y de hidrógeno, así como interacciones de van der Waals.

Conexiones de arte

Figura 2.1.2: ¿Cuántos neutrones tienen (K) potasio-39 y potasio-40, respectivamente?

El potasio-39 tiene veinte neutrones. El potasio-40 tiene veintiún neutrones.

Glosario

anión
un ion negativo formado al ganar electrones
número atómico
la cantidad de protones en un átomo
catión
un ion positivo formado por la pérdida de electrones
enlace químico
una interacción entre dos o más elementos iguales o diferentes que da como resultado la formación de moléculas
enlace covalente
un tipo de vínculo fuerte entre dos o más elementos iguales o diferentes; se forma cuando los electrones se comparten entre elementos
electrón
una partícula cargada negativamente que reside fuera del núcleo en el orbital del electrón; carece de masa funcional y tiene una carga de -1
transferencia de electrones
el movimiento de electrones de un elemento a otro
elemento
una de las 118 sustancias únicas que no se pueden descomponer en sustancias más pequeñas y conservan la característica de esa sustancia; cada elemento tiene un número específico de protones y propiedades únicas
enlace de hidrógeno
un enlace débil entre átomos de hidrógeno parcialmente cargados positivamente y elementos o moléculas parcialmente cargados negativamente
ion
un átomo o compuesto que no contiene el mismo número de protones y electrones y, por lo tanto, tiene una carga neta
enlace iónico
un enlace químico que se forma entre iones de cargas opuestas
isótopo
una o más formas de un elemento que tienen diferentes números de neutrones
número de masa
el número de protones más neutrones en un átomo
importar
cualquier cosa que tenga masa y ocupe espacio
neutrón
una partícula sin carga que reside en el núcleo de un átomo; tiene una masa de 1
enlace covalente no polar
un tipo de enlace covalente que se forma entre átomos cuando los electrones se comparten por igual entre los átomos, lo que da como resultado que no haya regiones con cargas parciales como en los enlaces covalentes polares
núcleo
(química) el centro denso de un átomo formado por protones y (excepto en el caso de un átomo de hidrógeno) neutrones
Regla del octeto
establece que la capa más externa de un elemento con un número atómico bajo puede contener ocho electrones
Tabla periodica de los elementos
un organigrama de elementos, que indica el número atómico y el número de masa de cada elemento; también proporciona información clave sobre las propiedades de los elementos
enlace covalente polar
un tipo de enlace covalente en el que los electrones se atraen hacia un átomo y se alejan de otro, lo que da como resultado regiones de la molécula con carga ligeramente positiva y ligeramente negativa
protón
una partícula cargada positivamente que reside en el núcleo de un átomo; tiene una masa de 1 y una carga de +1
isótopo radiactivo
un isótopo que emite partículas o energía de forma espontánea para formar un elemento más estable
interacción de van der Waals
una atracción o interacción débil entre moléculas causada por átomos cargados ligeramente positivamente o cargados ligeramente negativamente

Conexión para cursos AP ®

Los sistemas vivos obedecen las leyes de la química y la física. La materia es todo lo que ocupa espacio y masa. Los 92 elementos naturales tienen propiedades únicas, y varias combinaciones de ellos crean moléculas, que se combinan para formar orgánulos, células, tejidos, sistemas de órganos y organismos. Los átomos, que consisten en protones, neutrones y electrones, son las unidades más pequeñas de materia que retienen todas sus características y son más estables cuando sus capas de electrones más externos o de valencia contienen el número máximo de electrones. Los electrones se pueden transferir, compartir o causar disparidades de carga entre los átomos para crear enlaces, incluidos enlaces iónicos, covalentes y de hidrógeno, así como interacciones de van del Waals. Los isótopos son diferentes formas de un elemento que tienen diferentes números de neutrones, mientras que retienen el mismo número de protones, muchos isótopos, como el carbono-14, son radiactivos.

La información presentada y los ejemplos resaltados en esta sección apoyan los conceptos y los objetivos de aprendizaje descritos en la Gran Idea 2 del Marco del Currículo de Biología AP ®. Los objetivos de aprendizaje enumerados en el marco curricular proporcionan una base transparente para el curso de biología AP ®, una experiencia de laboratorio basada en la investigación, actividades de instrucción y preguntas del examen AP ®. Un objetivo de aprendizaje combina el contenido requerido con una o más de las siete prácticas científicas.

Gran idea 2 Los sistemas biológicos utilizan energía libre y bloques de construcción moleculares para crecer, reproducirse y mantener la homeostasis dinámica.
Comprensión duradera 2.A El crecimiento, la reproducción y el mantenimiento de los sistemas vivos requieren energía y materia libres.
Conocimiento esencial 2.A.1 Todos los sistemas vivos requieren un aporte constante de energía libre.
Práctica de la ciencia 4.1 El estudiante puede justificar la selección del tipo de datos necesarios para responder una pregunta científica en particular.
Práctica de la ciencia 6.2 El alumno puede construir explicaciones de fenómenos basados ​​en evidencia producida a través de prácticas científicas.
Práctica de la ciencia 6.4 El estudiante puede hacer afirmaciones y predicciones sobre fenómenos naturales basados ​​en teorías y modelos científicos.
Objetivo de aprendizaje 2.8 El estudiante es capaz de justificar la selección de datos con respecto a los tipos de moléculas que un animal, una planta o una bacteria tomarán como bloques de construcción necesarios y excretarán como productos de desecho.

El auxiliar de evaluación de prácticas científicas contiene preguntas de prueba adicionales para esta sección que lo ayudarán a prepararse para el examen AP. Estas preguntas abordan los siguientes estándares:

En su nivel más fundamental, la vida está compuesta de materia. La materia es cualquier sustancia que ocupa espacio y tiene masa. Los elementos son formas únicas de materia con propiedades químicas y físicas específicas que no se pueden descomponer en sustancias más pequeñas mediante reacciones químicas ordinarias. Hay 118 elementos, pero solo 92 ocurren naturalmente. El resto de elementos se sintetizan en laboratorios y son inestables.

Cada elemento está designado por su símbolo químico, que es una sola letra mayúscula o, cuando la primera letra ya está tomado por otro elemento, una combinación de dos letras. Algunos elementos siguen el término inglés para el elemento, como C para carbono y Ca para calcio. Los símbolos químicos de otros elementos se derivan de sus nombres latinos, por ejemplo, el símbolo del sodio es Na, refiriéndose a Natrio, la palabra latina para sodio.

Los cuatro elementos comunes a todos los organismos vivos son el oxígeno (O), el carbono (C), el hidrógeno (H) y el nitrógeno (N). En el mundo no vivo, los elementos se encuentran en diferentes proporciones, y algunos elementos comunes a los organismos vivos son relativamente raros en la tierra en su conjunto, como se muestra en la Tabla 2.1. Por ejemplo, la atmósfera es rica en nitrógeno y oxígeno pero contiene poco carbono e hidrógeno, mientras que la corteza terrestre, aunque contiene oxígeno y una pequeña cantidad de hidrógeno, tiene poco nitrógeno y carbono. A pesar de sus diferencias en abundancia, todos los elementos y las reacciones químicas entre ellos obedecen las mismas leyes químicas y físicas independientemente de si son parte del mundo vivo o no vivo.


Átomos

Un átomo es el componente más pequeño de un elemento que conserva todas las propiedades químicas de ese elemento. Por ejemplo, un átomo de hidrógeno tiene todas las propiedades del elemento hidrógeno, tal como existe como gas a temperatura ambiente, y se une con el oxígeno para crear una molécula de agua. Los átomos de hidrógeno no se pueden descomponer en nada más pequeño mientras conservan las propiedades del hidrógeno. Si un átomo de hidrógeno se descompusiera, ya no tendría las propiedades del elemento hidrógeno.

En el nivel más básico, todos los organismos están hechos de una combinación de elementos. Contienen átomos que se combinan para formar moléculas. En los organismos multicelulares, como los animales, las moléculas pueden interactuar para formar células que se combinan para formar tejidos, que forman los órganos. Estas combinaciones continúan hasta que se forman organismos multicelulares completos.

Figura 1. Los átomos están formados por protones y neutrones ubicados dentro del núcleo y electrones que rodean el núcleo.

Todos los átomos contienen protones, neutrones y electrones (Figura 1). A protón es una partícula cargada positivamente que reside en el núcleo (el núcleo del átomo) de un átomo y tiene una masa de 1 y una carga de +1. Los neutrones, como los protones, residen en el núcleo de un átomo. Tienen una masa de 1 y sin cargo. Un electrón es una partícula cargada negativamente que viaja en el espacio alrededor del núcleo. En otras palabras, reside fuera del núcleo. Tiene una masa insignificante y una carga de –1. Las cargas positivas (protones) y negativas (electrones) se equilibran entre sí en un átomo neutro, que tiene una carga neta cero.

Como se indicó anteriormente, cada elemento tiene sus propias propiedades únicas. Cada uno contiene un número diferente de protones y neutrones, lo que le da su propio número atómico y número de masa. los número atómico de un elemento es igual al número de protones que contiene ese elemento. los número de masa es el número de protones más el número de neutrones de ese elemento. Por tanto, es posible determinar el número de neutrones restando el número atómico del número másico.

Estos números proporcionan información sobre los elementos y cómo reaccionarán durante la unión. Los diferentes elementos tienen diferentes puntos de fusión y ebullición, y se encuentran en diferentes estados (líquido, sólido o gas) a temperatura ambiente. También se unen de diferentes formas. Algunos forman tipos específicos de enlaces, mientras que otros no. La forma en que se unen se basa en la cantidad de electrones presentes. Debido a estas características, los elementos se organizan en el Tabla periodica de los elementos, un gráfico de los elementos que incluye el número atómico y la masa atómica relativa de cada elemento. Periodos (1-7) se organizan aumentando el número atómico (de izquierda a derecha). Grupos (I-VIII) están ordenados por el número de electrones (columnas) de la capa exterior (valencia). La tabla periódica también proporciona información clave sobre las propiedades de los elementos (Figura 2), que a menudo se indican mediante códigos de colores.

Isótopos son formas diferentes del mismo elemento que tienen el mismo número de protones, pero un número diferente de neutrones. O, otra forma de definirlo sería el mismo número atómico pero diferente número de masa. Algunos elementos, como el carbono, el potasio y el uranio, tienen isótopos naturales. El carbono 12, el isótopo más común de carbono, contiene seis protones y seis neutrones. Por lo tanto, tiene un número de masa de 12 (seis protones y seis neutrones) y un número atómico de 6 (lo que lo convierte en carbono). El carbono 14 contiene seis protones y ocho neutrones. Por lo tanto, tiene un número de masa de 14 (seis protones y ocho neutrones) y un número atómico de 6, lo que significa que sigue siendo el elemento carbono. Estas dos formas alternativas de carbono son isótopos. Algunos isótopos son inestables y perderán protones, otras partículas subatómicas o energía para formar elementos más estables. Estos se llaman isótopos radioactivos o radioisótopos.

Conexión de arte

Figura 2. Organizada en columnas y filas según las características de los elementos, la tabla periódica proporciona información clave sobre los elementos y cómo podrían interactuar entre sí para formar moléculas. La mayoría de las tablas periódicas proporcionan una clave o leyenda de la información que contienen.

¿Cuántos neutrones tienen (K) potasio-39 y potasio-40, respectivamente?

Evolución en acción

Datación por carbono

Figura 3. La edad de los restos que contienen carbono y tienen menos de 50.000 años, como este mamut pigmeo, se puede determinar mediante datación por carbono. (crédito: Bill Faulkner / NPS)

El carbono-14 (14 C) es un radioisótopo natural creado en la atmósfera por los rayos cósmicos. Este es un proceso continuo, por lo que siempre se crea más 14 C. A medida que se desarrolla un organismo vivo, el nivel relativo de 14 C en su cuerpo es igual a la concentración de 14 C en la atmósfera. Cuando un organismo muere, ya no ingiere 14 C, por lo que la proporción disminuirá. El 14 C se desintegra en 14 N mediante un proceso llamado desintegración beta; emite energía en este lento proceso.

Después de aproximadamente 5.730 años, solo la mitad de la concentración inicial de 14 C se habrá convertido en 14 N. El tiempo que tarda la mitad de la concentración original de un isótopo en descomponerse a su forma más estable se denomina vida media. . Debido a que la vida media del 14 C es larga, se utiliza para envejecer objetos que anteriormente vivían, como los fósiles. Utilizando la relación entre la concentración de 14 C que se encuentra en un objeto y la cantidad de 14 C detectada en la atmósfera, se puede determinar la cantidad del isótopo que aún no se ha desintegrado. Con base en esta cantidad, la edad del fósil se puede calcular en unos 50.000 años (Figura 3). Los isótopos con vidas medias más largas, como el potasio-40, se utilizan para calcular las edades de los fósiles más antiguos. Mediante el uso de la datación por carbono, los científicos pueden reconstruir la ecología y biogeografía de los organismos que vivieron en los últimos 50.000 años.

Concepto en acción


29. ¿Por qué el agua puede ser un buen aislante dentro del cuerpo de los animales endotérmicos (de sangre caliente)? propiedades adhesivas tensión superficial calor de vaporización capacidad calorífica específica 30. Las propiedades únicas.

31. En un momento en que la teoría de la evolución era controvertida (el año siguiente al juicio de Scopes Monkey), Macallum (Physiological Reviews, 2, 1926) hizo una observación que todavía es impugnada por som.

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Este texto se basa en Openstax Biology for AP Courses, Autores colaboradores principales Julianne Zedalis, The Bishop's School en La Jolla, CA, John Eggebrecht, Autores colaboradores de la Universidad de Cornell Yael Avissar, Rhode Island College, Jung Choi, Instituto de Tecnología de Georgia, Jean DeSaix , Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill, Vladimir Jurukovski, Colegio Comunitario del Condado de Suffolk, Connie Rye, Colegio Comunitario del Este de Mississippi, Robert Wise, Universidad de Wisconsin, Oshkosh

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Una sola molécula en los componentes básicos de la vida.

Eche un vistazo a su sala de estar. Todo lo que te rodea está formado por moléculas, tal como eres tú. Cuando se juntan, las moléculas actúan como los componentes básicos de la vida. Cada bloque de construcción tiene un efecto muy pequeño y normalmente nos relacionamos con las cosas terminadas. Sin embargo, hay disciplinas científicas que se han especializado en observar las moléculas individuales para comprender cómo funcionan y, especialmente, qué sucede cuando algo sale mal con los componentes básicos.

Pacman molecular

La investigación de moléculas individuales se trata de comprender los componentes y usar esto como una puerta de entrada para aprender más sobre las correlaciones. En términos figurados, es como observar gatos por la noche. Todos parecen ser grises, pero tenemos que reconocer su color individualmente para distinguirlos entre sí. Investigadores de todo el mundo que trabajan con biología molecular, nanociencia, química y física están desarrollando un trabajo multidisciplinar en esta área. En gran medida, utilizan un método de medición llamado transferencia de energía de resonancia de fluorescencia de una sola molécula (smFRET), que mide distancias entre moléculas de hasta 2-10 nanómetros.

Las moléculas no son estáticas, pero pueden moverse, abrirse y cerrarse, algo así como el juego Pacman de la década de 1980. Su estructura y patrones de movimiento tienen un impacto en la forma en que interactúan con otras moléculas, por lo que los investigadores están interesados ​​en poder describirlas.

Las moléculas individuales aportan nuevos conocimientos

"Si podemos visualizar y caracterizar una sola molécula y ver cómo interactúa con las otras moléculas, podemos entender qué está sucediendo en el evento individual. Una vez que comprendamos los mecanismos detrás de esto, podemos comenzar a trabajar para controlar cómo las moléculas trabajar, para que esto tenga lugar en los momentos más ventajosos ", dice la profesora asociada Victoria Birkedal, que lleva a cabo una investigación sobre la comprensión de moléculas individuales en el Centro Interdisciplinario de Nanociencia (iNANO) de la Universidad de Aarhus.

Fácil acceso a mejores datos

El grupo de investigación del profesor asociado Birkedal ha desarrollado un nuevo software que facilita mucho la obtención de datos rápidos y precisos tras un análisis smFRET. El grupo acaba de publicar un artículo sobre el software en la revista Métodos de la naturaleza.

El software proporciona un acceso más fácil a los datos que, de otro modo, llevarían mucho tiempo y serían laboriosos de obtener. Solo unos pocos especialistas han podido procesar previamente los datos. Sin embargo, el programa ahora lo hace accesible a un amplio círculo de investigadores.

Del punto a la estructura

"Solíamos hacer análisis de datos durante la noche sin saber realmente si proporcionarían las respuestas que queríamos. El programa es tan rápido que ahora obtenemos los resultados en unos pocos minutos", dice el profesor asociado Birkedal. El programa proporciona un enfoque visual innovador de los datos y permite a los investigadores realizar análisis de datos más rápidos y precisos. Ver las moléculas individuales y analizar su comportamiento proporciona un apoyo gráfico que se puede utilizar en todas las investigaciones sobre moléculas individuales, pero el grupo de Aarhus lo utiliza para observar los procesos biológicos del cuerpo.

"Una molécula es muy, muy pequeña, pero ya no es solo un punto. Podemos ver su estructura y cómo se comporta, y tratar de entender por qué hace lo que hace", dice el profesor asociado Birkedal.

El siguiente paso es controlar la estructura de la molécula para que se comporte de una manera particular, algo que se puede utilizar en la medicina dirigida.

Software democrático

El grupo ha decidido poner su software a disposición de todo el mundo de forma gratuita. "Nos gustaría democratizar el acceso a los datos", dice el profesor asociado Birkedal, que se complace de que el software ofrezca oportunidades más fáciles para trabajar juntos a distancia. El programa ha tenido una buena acogida dondequiera que se haya presentado.


Bloques de construcción de lípidos

Como cualquier otra biomolécula, los lípidos están formados por monómeros de bloques de construcción. En bioquímica, un monómero se refiere a una sola molécula que cuando se combina químicamente con otros monómeros (pueden ser del mismo tipo u otras moléculas) puede formar moléculas más grandes y diferentes. Básicamente, los monómeros se componen de elementos simples.

  • A diferencia de las tres biomoléculas, los lípidos no se componen de & # 8220ciertopolímeros debido a su tamaño relativamente más pequeño y a sus monómeros no repetidos.
  • Como se mencionó anteriormente, una molécula de lípido está compuesta por una subunidad de glicerol y (tres) ácidos grasos. Se describen a continuación.

1. Glicerol

Considerado como un alcohol de tres carbonos de origen natural (contiene una molécula de carbono que está unida a tres grupos OH), el glicerol es una molécula que sirve como la columna vertebral estructural de un lípido. Aparte de eso, el glicerol también se usa para almacenar energía.

  • Debido a su grupo OH, el glicerol puede considerarse como un & # 8220poliol & # 8220, un tipo de alcohol que contiene más de un grupo OH. Debido a esta propiedad, el glicerol se puede disolver fácilmente en agua.
  • Además, la presencia de estos grupos OH contribuye a la propiedad higroscópica del glicerol. En otras palabras, puede absorber y retener fácilmente moléculas de agua.
  • En términos simples, el glicerol también se conoce como glicerina o glicerina. En las industrias, el glicerol se utiliza como edulcorante y humectante.

2. Ácidos grasos

Fórmula química de ácidos grasos (Fuente de la imagen: Wikimedia)

Los ácidos grasos son cadenas de hidrocarburos que tienen varias longitudes y niveles de insaturación que terminan con grupos funcionales de ácido carboxílico. El nombre bioquímico de un ácido graso se origina en el nombre de su hidrocarburo original, con el & # 8220 finalmi& # 8221 se cambia a & # 8220oic& # 8221 y agregando & # 8220ácido& # 8221 al final.

  • En los sistemas biológicos, la mayoría de los ácidos grasos tienen un número par de átomos de carbono, normalmente entre 14 y 24, siendo los más comunes entre 16 y 18 átomos de carbono. En animales, la cadena de hidrocarburos siempre no está ramificada.
  • Las propiedades bioquímicas de los ácidos grasos y sus derivados lipídicos dependen principalmente de la longitud de sus cadenas y los niveles de saturación. En comparación con sus homólogos saturados (de la misma longitud), los ácidos grasos insaturados tienden a tener puntos de fusión más bajos.
  • Además de esto, la longitud de la cadena también afecta el punto de fusión porque las longitudes de cadena más cortas afectan de alguna manera el nivel de saturación y contribuyen a su fluidez.
  • En comparación con el glicerol, los ácidos grasos, siendo & # 8220grasas& # 8221 suministran una cantidad relativamente mayor de energía por gramo y tienen más funciones biológicas que el glicerol.

Entonces, ¿cómo se combinan y enlazan estas moléculas para formar un lípido? El grupo OH que se encuentra en la molécula de glicerol y el grupo carboxilo de los ácidos grasos están unidos covalentemente mediante un enlace éster. síntesis de deshidratación es necesario para crear esto.


2.1 Elementos y átomos: los componentes básicos de la materia

La sustancia del universo, desde un grano de arena hasta una estrella, se llama importar. Los científicos definen la materia como cualquier cosa que ocupe espacio y tenga masa. La masa de un objeto y su peso son conceptos relacionados, pero no lo mismo. La masa de un objeto es la cantidad de materia contenida en el objeto, y es la misma si ese objeto está en la Tierra o en el entorno de gravedad cero del espacio exterior. El peso de un objeto, por otro lado, es su masa afectada por la fuerza de la gravedad. El peso de un objeto es mayor donde la fuerza de la gravedad es más fuerte que donde la gravedad es menos fuerte. Por ejemplo, un objeto de cierta masa pesa menos en la luna que en la Tierra porque la gravedad de la luna es menor que la de la Tierra. En otras palabras, el peso es variable y está influenciado por la gravedad. Un trozo de queso que pesa una libra en la Tierra pesa solo unas pocas onzas en la Luna.

Elementos y compuestos

Toda la materia del mundo natural está compuesta por una o más de las 92 sustancias fundamentales llamadas elementos. Un elemento es una sustancia pura que se distingue de todas las demás materias por el hecho de que no puede ser creada o degradada por medios químicos ordinarios. Si bien su cuerpo puede ensamblar muchos de los compuestos químicos necesarios para la vida a partir de sus elementos constituyentes, no puede producir elementos. Deben provenir del medio ambiente. Un ejemplo familiar de un elemento que debe ingerir es el calcio (Ca ++). El calcio es esencial para el cuerpo humano, se absorbe y se utiliza para una serie de procesos, incluido el fortalecimiento de los huesos. Cuando consume productos lácteos, su sistema digestivo descompone los alimentos en componentes lo suficientemente pequeños como para cruzarlos al torrente sanguíneo. Entre estos se encuentra el calcio, que, debido a que es un elemento, no se puede descomponer más. El calcio elemental en el queso, por lo tanto, es el mismo que el calcio que forma sus huesos. Algunos otros elementos con los que puede estar familiarizado son el oxígeno, el sodio y el hierro. Los elementos del cuerpo humano se muestran en la Figura 2.1.1, comenzando con los más abundantes: oxígeno (O), carbono (C), hidrógeno (H) y nitrógeno (N). El nombre de cada elemento puede ser reemplazado por un símbolo de una o dos letras con el que se familiarizará con algunos de estos durante este curso. Todos los elementos de su cuerpo se derivan de los alimentos que consume y del aire que respira.

Figura 2.1.1 & # 8211 Elementos del cuerpo humano: Los principales elementos que componen el cuerpo humano se muestran de los más abundantes a los menos abundantes.

En la naturaleza, los elementos rara vez ocurren solos. En cambio, se combinan para formar compuestos. A compuesto es una sustancia compuesta por dos o más elementos unidos por enlaces químicos. Por ejemplo, el compuesto glucosa es un combustible corporal importante. Siempre está compuesto por los mismos tres elementos: carbono, hidrógeno y oxígeno. Además, los elementos que componen cualquier compuesto siempre se encuentran en las mismas cantidades relativas. En la glucosa, siempre hay seis unidades de carbono y seis de oxígeno por cada doce unidades de hidrógeno. Pero, ¿qué son exactamente estas "unidades" de elementos?

Átomos y partículas subatómicas

Un átomo es la cantidad más pequeña de un elemento que conserva las propiedades únicas de ese elemento. En otras palabras, un átomo de hidrógeno es una unidad de hidrógeno: la cantidad más pequeña de hidrógeno que puede existir. Como puede adivinar, los átomos son casi insondablemente pequeños. El período al final de esta oración tiene un ancho de millones de átomos.

Estructura atómica y energía

Los átomos están formados por partículas subatómicas aún más pequeñas, que incluyen tres tipos importantes: protón, neutrón, y electrón. El número de protones cargados positivamente y neutrones no cargados ("neutros") le da masa al átomo, y el número de cada uno en el núcleo del átomo determina el elemento. El número de electrones con carga negativa que "giran" alrededor del núcleo a una velocidad cercana a la de la luz es igual al número de protones. Un electrón tiene aproximadamente 1/2000 de la masa de un protón o neutrón.

La figura 2.1.2 muestra dos modelos que pueden ayudarlo a imaginar la estructura de un átomo, en este caso, helio (He). En el modelo planetario, los dos electrones del helio se muestran rodeando el núcleo en una órbita fija representada como un anillo. Aunque este modelo es útil para visualizar la estructura atómica, en realidad, los electrones no viajan en órbitas fijas, sino que zumban alrededor del núcleo de forma errática en una llamada nube de electrones.

Figura 2.1.2 y # 8211 Dos modelos de estructura atómica: (a) En el modelo planetario, los electrones del helio se muestran en órbitas fijas, representadas como anillos, a una distancia precisa del núcleo, algo así como planetas que orbitan alrededor del sol. (b) En el modelo de nube de electrones, los electrones del carbono se muestran en la variedad de ubicaciones que tendrían a diferentes distancias del núcleo a lo largo del tiempo.

Los protones y electrones de un átomo transportan cargas eléctricas. Los protones, con su carga positiva, se denominan p +. Los electrones, que tienen carga negativa, se denominan e -. Los neutrones de un átomo no tienen carga: son eléctricamente neutros. Así como un imán se pega a un refrigerador de acero porque sus cargas opuestas se atraen, los protones cargados positivamente atraen a los electrones cargados negativamente. Esta atracción mutua le da al átomo cierta estabilidad estructural. La atracción por el núcleo cargado positivamente ayuda a evitar que los electrones se desvíen mucho. El número de protones y electrones dentro de un átomo neutro es igual, por lo tanto, la carga total del átomo está equilibrada.

Número atómico y número de masa

Un átomo de carbono es exclusivo del carbono, pero un protón de carbono no lo es. Un protón es igual que otro, ya sea que se encuentre en un átomo de carbono, sodio (Na) o hierro (Fe). Lo mismo ocurre con los neutrones y los electrones. Entonces, ¿qué le da a un elemento sus propiedades distintivas? ¿Qué hace que el carbono sea tan diferente del sodio o del hierro? La respuesta es la cantidad única de protones que contiene cada uno. El carbono, por definición, es un elemento cuyos átomos contienen seis protones. Ningún otro elemento tiene exactamente seis protones en sus átomos. Es más, todos Los átomos de carbono, ya sea que se encuentren en el hígado o en un trozo de carbón, contienen seis protones. Por lo tanto, la número atómico, que es el número de protones en el núcleo del átomo, identifica el elemento. Dado que un átomo generalmente tiene el mismo número de electrones que de protones, el número atómico también identifica el número habitual de electrones.

En su forma más común, muchos elementos también contienen la misma cantidad de neutrones que de protones. La forma más común de carbono, por ejemplo, tiene seis neutrones y seis protones, para un total de 12 partículas subatómicas en su núcleo. El número de masa de un elemento es la suma del número de protones y neutrones en su núcleo. Entonces, la forma más común del número de masa del carbono es 12. Los electrones tienen tan poca masa que no contribuyen de manera apreciable a la masa de un átomo. El carbono es un elemento relativamente ligero, el uranio (U), por el contrario, tiene un número de masa de 238 y se lo conoce como un metal pesado. Su número atómico es 92 (tiene 92 protones) pero contiene 146 neutrones y tiene la mayor masa de todos los elementos naturales.

los tabla periódica de los elementos, que se muestra en la Figura 2.1.3, es un gráfico que identifica los 92 elementos que se encuentran en la naturaleza, así como varios elementos inestables más grandes descubiertos experimentalmente. Los elementos están ordenados por su número atómico, con hidrógeno y helio en la parte superior de la tabla y los elementos más masivos debajo. La tabla periódica es un dispositivo útil porque para cada elemento, identifica el símbolo químico, el número atómico y el número de masa, mientras organiza los elementos de acuerdo con su propensión a reaccionar con otros elementos. El número de protones y electrones en un elemento es igual. El número de protones y neutrones puede ser igual para algunos elementos, pero no para todos.

Figura 2.1.3 & # 8211 La tabla periódica de los elementos (crédito: R.A. Dragoset, A. Musgrove, C.W. Clark, W.C. Martin)

Sitio web externo

Visite este sitio web para ver la tabla periódica. En la tabla periódica de los elementos, los elementos de una sola columna tienen el mismo número de electrones que pueden participar en una reacción química. Estos electrones se conocen como "electrones de valencia". Por ejemplo, todos los elementos de la primera columna tienen un solo electrón de valencia, un electrón que se puede "donar" en una reacción química con otro átomo. ¿Cuál es el significado de un número de masa que se muestra entre paréntesis?

Aunque cada elemento tiene un número único de protones, puede existir como isótopos diferentes. Un isótopo es una de las diferentes formas de un elemento, que se distingue entre sí por diferentes números de neutrones. El isótopo estándar de carbono es 12C, comúnmente llamado carbono doce. 12C tiene seis protones y seis neutrones, para un número másico de doce. Todos los isótopos de carbono tienen el mismo número de protones, por lo tanto, el 13C tiene siete neutrones y el 14C tiene ocho neutrones. Los diferentes isótopos de un elemento también se pueden indicar con el número de masa con guión (por ejemplo, C-12 en lugar de 12C). El hidrógeno tiene tres isótopos comunes, que se muestran en la Figura 2.1.4.

Figura 2.1.4 -Isótopos de hidrógeno: El protio, designado 1H, tiene un protón y no tiene neutrones. Es, con mucho, el isótopo de hidrógeno más abundante en la naturaleza. El deuterio, designado 2H, tiene un protón y un neutrón. El tritio, designado 3H, tiene dos neutrones.

Un isótopo que contiene más de la cantidad habitual de neutrones se denomina isótopo pesado. Un ejemplo es 14C. Los isótopos pesados ​​tienden a ser inestables y los isótopos inestables son radiactivos. A isótopo radiactivo es un isótopo cuyo núcleo se desintegra fácilmente, desprendiendo partículas subatómicas y energía electromagnética. Los diferentes isótopos radiactivos (también llamados radioisótopos) difieren en su vida media, el tiempo que tarda la mitad de una muestra de cualquier tamaño de un isótopo en desintegrarse. Por ejemplo, la vida media del tritio, un radioisótopo del hidrógeno, es de aproximadamente 12 años, lo que indica que la mitad de los núcleos de tritio de una muestra tarda 12 años en descomponerse. La exposición excesiva a isótopos radiactivos puede dañar las células humanas e incluso causar cáncer y defectos de nacimiento, pero cuando la exposición está controlada, algunos isótopos radiactivos pueden ser útiles en medicina. Para obtener más información, consulte Career Connections.

Conexiones profesionales y radiólogo intervencionista n. ° 8211

El uso controlado de radioisótopos tiene un diagnóstico médico avanzado y un tratamiento de enfermedades. Los radiólogos intervencionistas son médicos que tratan enfermedades mediante el uso de técnicas mínimamente invasivas que involucran radiación. Muchas afecciones que antes solo podían tratarse con una operación prolongada y traumática ahora pueden tratarse de forma no quirúrgica, lo que reduce el costo, el dolor, la duración de la estadía en el hospital y el tiempo de recuperación de los pacientes. Por ejemplo, en el pasado, las únicas opciones para un paciente con uno o más tumores en el hígado eran la cirugía y la quimioterapia (la administración de medicamentos para tratar el cáncer).

Algunos tumores hepáticos, sin embargo, son de difícil acceso quirúrgico y otros podrían requerir que el cirujano elimine demasiado del hígado. La quimioterapia es altamente tóxica para el hígado y ciertos tumores no responden bien a ella. En algunos de estos casos, un radiólogo intervencionista puede tratar los tumores interrumpiendo su suministro de sangre, que necesitan para seguir creciendo. En este procedimiento, llamado radioembolización, el radiólogo accede al hígado con una aguja fina que se inserta a través de uno de los vasos sanguíneos del paciente. Luego, el radiólogo inserta diminutas "semillas" radiactivas en los vasos sanguíneos que irrigan los tumores. En los días y semanas posteriores al procedimiento, la radiación emitida por las semillas destruye los vasos y mata directamente las células tumorales cercanas al tratamiento.

Los radioisótopos emiten partículas subatómicas que pueden detectarse y rastrearse mediante tecnologías de imágenes. Uno de los usos más avanzados de los radioisótopos en medicina es el escáner de tomografía por emisión de positrones (PET), que detecta la actividad en el cuerpo de una inyección muy pequeña de glucosa radiactiva, el azúcar simple que las células utilizan para obtener energía. La cámara PET muestra al equipo médico cuál de los tejidos del paciente está absorbiendo más glucosa. Por lo tanto, los tejidos más activos metabólicamente aparecen como "puntos calientes" brillantes en las imágenes (Figura 2.1.5). La PET puede revelar algunas masas cancerosas porque las células cancerosas consumen glucosa a un ritmo elevado para impulsar su rápida reproducción.

Figura 2.1.5 & # 8211 Pet Scan: La PET resalta las áreas del cuerpo donde hay un uso relativamente alto de glucosa, que es característico del tejido canceroso. Esta exploración por TEP muestra los sitios de diseminación de un tumor primario grande a otros sitios.

El comportamiento de los electrones

En el cuerpo humano, los átomos no existen como entidades independientes. Más bien, reaccionan constantemente con otros átomos para formar y descomponer sustancias más complejas. Para comprender completamente la anatomía y la fisiología, debe comprender cómo los átomos participan en tales reacciones. La clave es comprender el comportamiento de los electrones.

Aunque los electrones no siguen órbitas rígidas a una distancia determinada del núcleo del átomo, tienden a permanecer dentro de ciertas regiones del espacio llamadas capas de electrones. Un capa electrónica es una capa de electrones que rodean el núcleo a un nivel de energía distinto.

Los átomos de los elementos que se encuentran en el cuerpo humano tienen de una a cinco capas de electrones, y todas las capas de electrones contienen ocho electrones excepto la primera capa, que solo puede contener dos. Esta configuración de capas de electrones es la misma para todos los átomos. El número exacto de capas depende del número de electrones en el átomo. El hidrógeno y el helio tienen solo uno y dos electrones, respectivamente. Si observa la tabla periódica de los elementos, notará que el hidrógeno y el helio se colocan solos a ambos lados de la fila superior; son los únicos elementos que tienen solo una capa de electrones (Figura 2.1.6). Se necesita una segunda capa para contener los electrones en todos los elementos más grandes que el hidrógeno y el helio.

El litio (Li), cuyo número atómico es 3, tiene tres electrones. Dos de ellos llenan la primera capa de electrones y el tercero se derrama en una segunda capa. La segunda capa de electrones puede albergar hasta ocho electrones. El carbono, con sus seis electrones, llena por completo su primera capa y llena hasta la mitad la segunda. Con diez electrones, el neón (Ne) llena por completo sus dos capas de electrones. Una vez más, una mirada a la tabla periódica revela que todos los elementos de la segunda fila, desde el litio hasta el neón, tienen solo dos capas de electrones. Los átomos con más de diez electrones requieren más de dos capas. Estos elementos ocupan la tercera fila y las siguientes de la tabla periódica.

Figura 2.1.6 Capa de electrones: Los electrones orbitan el núcleo atómico a distintos niveles de energía llamados capas de electrones. (a) Con un electrón, el hidrógeno solo llena la mitad de su capa de electrones. El helio también tiene una sola capa, pero sus dos electrones la llenan por completo. (b) Los electrones del carbono llenan completamente su primera capa de electrones, pero solo la mitad llena la segunda. (c) El neón, un elemento que no se encuentra en el cuerpo, tiene 10 electrones, que llenan sus dos capas de electrones.

El factor que gobierna con más fuerza la tendencia de un átomo a participar en reacciones químicas es el número de electrones en su capa de valencia. A caparazón de valencia es la capa de electrones más externa de un átomo. Si la capa de valencia está llena, el átomo es estable, lo que significa que es poco probable que sus electrones se alejen del núcleo por la carga eléctrica de otros átomos. Si la capa de valencia no está llena, el átomo es reactivo, lo que significa que tenderá a reaccionar con otros átomos de manera que la capa de valencia esté llena. Considere el hidrógeno, con un electrón que solo llena la mitad de su capa de valencia. Es probable que este único electrón se relacione con los átomos de otros elementos, de modo que se pueda estabilizar la capa de valencia única del hidrógeno.

Todos los átomos (excepto el hidrógeno y el helio con sus capas de un solo electrón) son más estables cuando hay exactamente ocho electrones en su capa de valencia. Este principio se conoce como la regla del octeto, y establece que un átomo cederá, ganará o compartirá electrones con otro átomo de modo que termine con ocho electrones en su propia capa de valencia. Por ejemplo, es probable que el oxígeno, con seis electrones en su capa de valencia, reaccione con otros átomos de una manera que resulte en la adición de dos electrones a la capa de valencia del oxígeno, lo que lleva el número a ocho. Cuando dos átomos de hidrógeno comparten cada uno su único electrón con oxígeno, se forman enlaces covalentes, lo que da como resultado una molécula de agua, H2O.

En la naturaleza, los átomos de un elemento tienden a unirse con los átomos de otros elementos de formas características. Por ejemplo, el carbono comúnmente llena su capa de valencia al unirse con cuatro átomos de hidrógeno. Al hacerlo, los dos elementos forman la más simple de las moléculas orgánicas, el metano, que también es uno de los compuestos que contienen carbono más abundantes y estables en la Tierra. Como se indicó anteriormente, otro ejemplo es el agua que el oxígeno necesita dos electrones para llenar su capa de valencia.Comúnmente interactúa con dos átomos de hidrógeno, formando H2O. Por cierto, el nombre "hidrógeno" refleja su contribución al agua (hidro- = "agua" -gen = "fabricante"). Por lo tanto, el hidrógeno es el "productor de agua".

Revisión del capítulo

El cuerpo humano está compuesto por elementos, los más abundantes son el oxígeno (O), el carbono (C), el hidrógeno (H) y el nitrógeno (N). Obtienes estos elementos de los alimentos que comes y del aire que respiras. La unidad más pequeña de un elemento que conserva todas las propiedades de ese elemento es un átomo. Los átomos mismos contienen muchas partículas subatómicas, las tres más importantes de las cuales son protones, neutrones y electrones. Estas partículas no varían en calidad de un elemento a otro, sino que lo que le da a un elemento su identificación distintiva es la cantidad de sus protones, llamado número atómico. Los protones y neutrones contribuyen con casi toda la masa de un átomo; el número de protones y neutrones es el número de masa de un elemento. Las versiones más pesadas y ligeras del mismo elemento pueden ocurrir en la naturaleza porque estas versiones tienen diferentes números de neutrones. Las diferentes versiones de un elemento se denominan isótopos.

La tendencia de un átomo a ser estable o reaccionar fácilmente con otros átomos se debe en gran parte al comportamiento de los electrones dentro de la capa de electrones más externa del átomo, llamada capa de valencia. Es poco probable que el helio, así como los átomos más grandes con ocho electrones en su capa de valencia, participen en reacciones químicas porque son estables. Todos los demás átomos tienden a aceptar, donar o compartir electrones en un proceso que lleva los electrones en su capa de valencia a ocho (o en el caso del hidrógeno, a dos).

Preguntas sobre enlaces interactivos

Visite este sitio web para ver la tabla periódica. En la tabla periódica de los elementos, los elementos de una sola columna tienen el mismo número de electrones que pueden participar en una reacción química. Estos electrones se conocen como "electrones de valencia". Por ejemplo, todos los elementos de la primera columna tienen un solo electrón de valencia, un electrón que se puede "donar" en una reacción química con otro átomo. ¿Cuál es el significado de un número de masa que se muestra entre paréntesis?

El número de masa es el número total de protones y neutrones en el núcleo de un átomo.


2.1: Los bloques de construcción de moléculas - Biología

En su nivel más fundamental, la vida está compuesta de materia. La materia ocupa espacio y tiene masa. Toda la materia está compuesta de elementos, sustancias que no se pueden descomponer ni transformar químicamente en otras sustancias. Cada elemento está formado por átomos, cada uno con un número constante de protones y propiedades únicas. Sin embargo, se han definido un total de 118 elementos, solo 92 ocurren naturalmente y menos de 30 se encuentran en células vivas. Los 26 elementos restantes son inestables y, por lo tanto, no existen por mucho tiempo o son teóricos y aún no se han detectado.

Cada elemento está designado por su símbolo químico (como H, N, O, C y Na) y posee propiedades únicas. Estas propiedades únicas permiten que los elementos se combinen y se unan entre sí de formas específicas.

Átomos

Un átomo es el componente más pequeño de un elemento que conserva todas las propiedades químicas de ese elemento. Por ejemplo, un átomo de hidrógeno tiene todas las propiedades del elemento hidrógeno, tal como existe como gas a temperatura ambiente, y se une con el oxígeno para crear una molécula de agua. Los átomos de hidrógeno no se pueden descomponer en nada más pequeño mientras conservan las propiedades del hidrógeno. Si un átomo de hidrógeno se descompusiera en partículas subatómicas (es decir, protones, neutrones y electrones), ya no tendría las propiedades del hidrógeno.

En el nivel más básico, todos los organismos están hechos de una combinación de elementos. Contienen átomos que se combinan para formar moléculas. En los organismos multicelulares, como los animales, las moléculas pueden interactuar para formar células que se combinan para formar tejidos, que forman los órganos. Estas combinaciones continúan hasta que se forman organismos multicelulares completos.

Todos los átomos contienen protones, electrones y neutrones ([enlace]). La única excepción es el hidrógeno (H), que está formado por un protón y un electrón. Un protón es una partícula cargada positivamente que reside en el núcleo (el núcleo del átomo) de un átomo y tiene una masa de 1 y una carga de +1. Un electrón es una partícula cargada negativamente que viaja en el espacio alrededor del núcleo. En otras palabras, reside fuera del núcleo. Tiene una masa insignificante (es decir, se considera cero en comparación con los protones y neutrones) y tiene una carga de & # 82111.

Los átomos están formados por protones y neutrones ubicados dentro del núcleo y electrones que rodean el núcleo.

Los neutrones, como los protones, residen en el núcleo de un átomo. Tienen una masa de 1 y sin cargo. Las cargas positivas (protones) y negativas (electrones) se equilibran entre sí en un átomo neutro, que tiene una carga neta cero.

Debido a que los protones y neutrones tienen cada uno una masa de 1, la masa de un átomo es igual al número combinado de protones y neutrones de ese átomo. El número de electrones no influye en la masa total, porque su masa es muy pequeña.

Como se indicó anteriormente, cada elemento tiene sus propias propiedades únicas. Cada uno contiene un número diferente de protones y neutrones, lo que le da su propio número atómico y número de masa. El número atómico de un elemento es igual al número de protones que contiene ese elemento. El número de masa, o masa atómica, es el número de protones más el número de neutrones de ese elemento. Por lo tanto, es posible determinar el número de neutrones restando el número atómico del número másico. Por ejemplo, el elemento fósforo (P) tiene un número atómico de 15 y un número másico de 31. Por lo tanto, un átomo de fósforo tiene 15 protones, 15 electrones y 16 neutrones (31-15 = 16).

Estos números proporcionan información sobre los elementos y cómo reaccionarán cuando se combinen. Los diferentes elementos tienen diferentes puntos de fusión y ebullición, y se encuentran en diferentes estados (líquido, sólido o gas) a temperatura ambiente. También se combinan de diferentes formas. Algunos forman tipos específicos de enlaces, mientras que otros no. La forma en que se combinan se basa en la cantidad de electrones presentes. Debido a estas características, los elementos se organizan en la tabla periódica de elementos, una tabla de los elementos que incluye el número atómico y la masa atómica relativa de cada elemento. La tabla periódica también proporciona información clave sobre las propiedades de los elementos ([enlace]) & # 8212 a menudo indicados por códigos de colores. La disposición de la tabla también muestra cómo se organizan los electrones en cada elemento y proporciona detalles importantes sobre cómo reaccionarán los átomos entre sí para formar moléculas.

Los isótopos son formas diferentes del mismo elemento que tienen el mismo número de protones, pero un número diferente de neutrones. Algunos elementos, como el carbono, el potasio y el uranio, tienen isótopos naturales. El carbono 12, el isótopo más común de carbono, contiene seis protones y seis neutrones. Por lo tanto, tiene un número de masa de 12 (seis protones y seis neutrones) y un número atómico de 6 (lo que lo convierte en carbono). El carbono 14 contiene seis protones y ocho neutrones. Por lo tanto, tiene un número de masa de 14 (seis protones y ocho neutrones) y un número atómico de 6, lo que significa que sigue siendo el elemento carbono. Estas dos formas alternativas de carbono son isótopos. Algunos isótopos son inestables y perderán protones, otras partículas subatómicas o energía para formar elementos más estables. Estos se denominan isótopos radiactivos o radioisótopos.

Organizada en columnas y filas según las características de los elementos, la tabla periódica proporciona información clave sobre los elementos y cómo podrían interactuar entre sí para formar moléculas. La mayoría de las tablas periódicas proporcionan una clave o leyenda de la información que contienen.

Datación por carbono El carbono 14 (14 C) es un radioisótopo natural creado en la atmósfera por los rayos cósmicos. Este es un proceso continuo, por lo que siempre se crea más 14 C. A medida que se desarrolla un organismo vivo, el nivel relativo de 14 C en su cuerpo es igual a la concentración de 14 C en la atmósfera. Cuando un organismo muere, ya no ingiere 14 C, por lo que la proporción disminuirá. El 14 C se desintegra en 14 N mediante un proceso llamado desintegración beta; emite energía en este lento proceso.

Después de aproximadamente 5.730 años, solo la mitad de la concentración inicial de 14 C se habrá convertido en 14 N. El tiempo que tarda la mitad de la concentración original de un isótopo en descomponerse a su forma más estable se denomina vida media. . Debido a que la vida media del 14 C es larga, se utiliza para envejecer objetos que anteriormente vivían, como los fósiles. Utilizando la relación entre la concentración de 14 C que se encuentra en un objeto y la cantidad de 14 C detectada en la atmósfera, se puede determinar la cantidad del isótopo que aún no se ha desintegrado. Sobre la base de esta cantidad, la edad del fósil se puede calcular en unos 50.000 años ([enlace]). Los isótopos con vidas medias más largas, como el potasio-40, se utilizan para calcular las edades de los fósiles más antiguos. Mediante el uso de la datación por carbono, los científicos pueden reconstruir la ecología y biogeografía de los organismos que vivieron en los últimos 50.000 años.

La edad de los restos que contienen carbono y tienen menos de 50.000 años, como este mamut pigmeo, se puede determinar mediante la datación por carbono. (crédito: Bill Faulkner / NPS)

Para obtener más información sobre los átomos y los isótopos, y cómo puede distinguir un isótopo de otro, visite este sitio y ejecute la simulación.

Enlaces químicos

La forma en que los elementos interactúan entre sí depende de cómo están dispuestos sus electrones y cuántas aberturas para los electrones existen en la región más externa donde los electrones están presentes en un átomo. Los electrones existen a niveles de energía que forman capas alrededor del núcleo. La capa más cercana puede contener hasta dos electrones. La capa más cercana al núcleo siempre se llena primero, antes de que se pueda llenar cualquier otra capa. El hidrógeno tiene un electrón, por lo tanto, solo tiene un lugar ocupado dentro de la capa más baja. El helio tiene dos electrones, por lo tanto, puede llenar completamente la capa más baja con sus dos electrones. Si observa la tabla periódica, verá que el hidrógeno y el helio son los únicos dos elementos de la primera fila. Esto se debe a que solo tienen electrones en su primera capa. El hidrógeno y el helio son los únicos dos elementos que tienen la capa más baja y ninguna otra capa.

Los niveles de energía segundo y tercero pueden contener hasta ocho electrones. Los ocho electrones están dispuestos en cuatro pares y una posición en cada par se llena con un electrón antes de que se complete cualquier par.

Si vuelve a mirar la tabla periódica ([enlace]), notará que hay siete filas. Estas filas corresponden al número de conchas que tienen los elementos dentro de esa fila. Los elementos dentro de una fila en particular tienen un número creciente de electrones a medida que las columnas avanzan de izquierda a derecha. Aunque cada elemento tiene el mismo número de capas, no todas las capas están completamente llenas de electrones. Si observa la segunda fila de la tabla periódica, encontrará litio (Li), berilio (Be), boro (B), carbono (C), nitrógeno (N), oxígeno (O), flúor (F), y neón (Ne). Todos estos tienen electrones que ocupan solo la primera y segunda capa. El litio tiene solo un electrón en su capa más externa, el berilio tiene dos electrones, el boro tiene tres, y así sucesivamente, hasta que toda la capa se llena con ocho electrones, como es el caso del neón.

No todos los elementos tienen suficientes electrones para llenar sus capas más externas, pero un átomo es más estable cuando todas las posiciones de los electrones en la capa más externa están llenas. Debido a estas vacantes en las capas más externas, vemos la formación de enlaces químicos o interacciones entre dos o más elementos iguales o diferentes que dan como resultado la formación de moléculas. Para lograr una mayor estabilidad, los átomos tenderán a llenar completamente sus capas externas y se unirán con otros elementos para lograr este objetivo compartiendo electrones, aceptando electrones de otro átomo o donando electrones a otro átomo. Debido a que las capas más externas de los elementos con números atómicos bajos (hasta calcio, con número atómico 20) pueden contener ocho electrones, esto se conoce como la regla del octeto. Un elemento puede donar, aceptar o compartir electrones con otros elementos para llenar su capa exterior y satisfacer la regla del octeto.

Cuando un átomo no contiene el mismo número de protones y electrones, se le llama ion. Debido a que el número de electrones no es igual al número de protones, cada ion tiene una carga neta. Los iones positivos se forman al perder electrones y se denominan cationes. Los iones negativos se forman al ganar electrones y se denominan aniones.

Por ejemplo, el sodio solo tiene un electrón en su capa más externa. El sodio necesita menos energía para donar ese electrón que para aceptar siete electrones más para llenar la capa exterior. Si el sodio pierde un electrón, ahora tiene 11 protones y solo 10 electrones, dejándolo con una carga total de +1. Ahora se llama ion sodio.

El átomo de cloro tiene siete electrones en su capa exterior. Nuevamente, es más eficiente energéticamente que el cloro gane un electrón que pierda siete. Por lo tanto, tiende a ganar un electrón para crear un ión con 17 protones y 18 electrones, lo que le da una carga neta negativa (& # 82111). Ahora se llama ion cloruro. Este movimiento de electrones de un elemento a otro se denomina transferencia de electrones. Como ilustra [link], un átomo de sodio (Na) solo tiene un electrón en su capa más externa, mientras que un átomo de cloro (Cl) tiene siete electrones en su capa más externa. Un átomo de sodio donará su único electrón para vaciar su capa, y un átomo de cloro aceptará ese electrón para llenar su capa, convirtiéndose en cloruro. Ambos iones ahora satisfacen la regla del octeto y tienen capas más externas completas. Debido a que el número de electrones ya no es igual al número de protones, ahora cada uno es un ion y tiene una carga +1 (sodio) o & # 82111 (cloruro).

Los elementos tienden a llenar sus capas más externas con electrones. Para hacer esto, pueden donar o aceptar electrones de otros elementos.

Enlaces iónicos

Estudiaremos tres tipos de enlaces o interacciones: enlaces iónicos, covalentes e hidrógeno. Cuando un elemento dona un electrón de su capa exterior, como en el ejemplo del átomo de sodio anterior, se forma un ion positivo. El elemento que acepta el electrón ahora está cargado negativamente. Debido a que las cargas positivas y negativas se atraen, estos iones permanecen juntos y forman un enlace iónico o un enlace entre iones. Los elementos se unen con el electrón de un elemento permaneciendo predominantemente con el otro elemento. Cuando los iones Na + y Cl & # 8211 se combinan para producir NaCl, un electrón de un átomo de sodio permanece con los otros siete del átomo de cloro, y los iones de sodio y cloruro se atraen entre sí en una red de iones con una carga neta cero.

Enlaces covalentes

Otro tipo de enlace químico entre dos o más átomos es un enlace covalente. Estos enlaces se forman cuando un electrón se comparte entre dos elementos y son la forma más fuerte y común de enlace químico en los organismos vivos. Se forman enlaces covalentes entre los elementos que componen las moléculas biológicas de nuestras células. A diferencia de los enlaces iónicos, los enlaces covalentes no se disocian (es decir, se separan) en el agua.

Los átomos de hidrógeno y oxígeno que se combinan para formar moléculas de agua están unidos por enlaces covalentes. El electrón del átomo de hidrógeno divide su tiempo entre la capa externa del átomo de hidrógeno y la capa externa incompleta del átomo de oxígeno. Para llenar completamente la capa exterior de un átomo de oxígeno, se necesitan dos electrones de dos átomos de hidrógeno, de ahí el subíndice & # 82202 & # 8221 en H2O. Los electrones se comparten entre los átomos, dividiendo su tiempo entre ellos para & # 8220llenar & # 8221 la capa exterior de cada uno. Este intercambio es un estado de menor energía para todos los átomos involucrados que si existieran sin sus capas externas llenas.

Hay dos tipos de enlaces covalentes: polares y apolares. Los enlaces covalentes no polares se forman entre dos átomos del mismo elemento o entre diferentes elementos que comparten los electrones por igual. Por ejemplo, un átomo de oxígeno puede unirse con otro átomo de oxígeno para llenar sus capas externas. Esta asociación es no polar porque los electrones se distribuirán por igual entre cada átomo de oxígeno. Se forman dos enlaces covalentes entre los dos átomos de oxígeno porque el oxígeno requiere dos electrones compartidos para llenar su capa más externa. Los átomos de nitrógeno formarán tres enlaces covalentes (también llamados covalentes triples) entre dos átomos de nitrógeno porque cada átomo de nitrógeno necesita tres electrones para llenar su capa más externa. Otro ejemplo de enlace covalente no polar se encuentra en el metano (CH4) molécula. El átomo de carbono tiene cuatro electrones en su capa más externa y necesita cuatro más para llenarlo. Obtiene estos cuatro de cuatro átomos de hidrógeno, cada uno de los cuales proporciona uno. Todos estos elementos comparten los electrones por igual, creando cuatro enlaces covalentes no polares ([enlace]).

En un enlace covalente polar, los electrones compartidos por los átomos pasan más tiempo más cerca de un núcleo que del otro. Debido a la distribución desigual de electrones entre los diferentes núcleos, se desarrolla una carga ligeramente positiva (& # 948 +) o ligeramente negativa (& # 948 & # 8211). Los enlaces covalentes entre los átomos de hidrógeno y oxígeno en el agua son enlaces covalentes polares. Los electrones compartidos pasan más tiempo cerca del núcleo de oxígeno, dándole una pequeña carga negativa, que cerca de los núcleos de hidrógeno, dando a estas moléculas una pequeña carga positiva.

La molécula de agua (izquierda) representa un enlace polar con una carga ligeramente positiva en los átomos de hidrógeno y una carga ligeramente negativa en el oxígeno. Los ejemplos de enlaces no polares incluyen metano (centro) y oxígeno (derecha).

Enlaces de hidrógeno

Los enlaces iónicos y covalentes son enlaces fuertes que requieren una energía considerable para romperse. Sin embargo, no todos los enlaces entre elementos son enlaces iónicos o covalentes. También se pueden formar vínculos más débiles. Se trata de atracciones que se producen entre cargas positivas y negativas que no requieren mucha energía para romperse. Un ejemplo de enlaces relativamente débiles que ocurren con frecuencia son los enlaces de hidrógeno. Este vínculo da lugar a las propiedades únicas del agua y las estructuras únicas del ADN y las proteínas.

Cuando se forman enlaces covalentes polares que contienen un átomo de hidrógeno, el átomo de hidrógeno en ese enlace tiene una carga ligeramente positiva. Esto se debe a que el electrón compartido se tira con más fuerza hacia el otro elemento y se aleja del núcleo de hidrógeno. Debido a que el átomo de hidrógeno es ligeramente positivo (& # 948 +), será atraído por cargas parciales negativas vecinas (& # 948 & # 8211). Cuando esto sucede, se produce una interacción débil entre la carga & # 948 + del átomo de hidrógeno de una molécula y la carga & # 948 & # 8211 de la otra molécula. Esta interacción se llama enlace de hidrógeno. Este tipo de enlace es común, por ejemplo, la naturaleza líquida del agua es causada por los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua ([enlace]). Los enlaces de hidrógeno dan al agua las propiedades únicas que sustentan la vida.Si no fuera por los enlaces de hidrógeno, el agua sería un gas en lugar de un líquido a temperatura ambiente.

Los enlaces de hidrógeno se forman entre ligeramente positivos (δ+) y ligeramente negativo (δ& # 8211) cargas de moléculas covalentes polares, como el agua.

Pueden formarse enlaces de hidrógeno entre diferentes moléculas y no siempre tienen que incluir una molécula de agua. Los átomos de hidrógeno en enlaces polares dentro de cualquier molécula pueden formar enlaces con otras moléculas adyacentes. Por ejemplo, los enlaces de hidrógeno mantienen unidas dos cadenas largas de ADN para dar a la molécula de ADN su estructura característica de doble hélice. Los enlaces de hidrógeno también son responsables de algunas de las estructuras tridimensionales de las proteínas.

Resumen de la sección

La materia es todo lo que ocupa espacio y tiene masa. Está formado por átomos de diferentes elementos. Todos los 92 elementos que ocurren naturalmente tienen cualidades únicas que les permiten combinarse de varias formas para crear compuestos o moléculas. Los átomos, que consisten en protones, neutrones y electrones, son las unidades más pequeñas de un elemento que retienen todas las propiedades de ese elemento. Los electrones se pueden donar o compartir entre átomos para crear enlaces, incluidos enlaces iónicos, covalentes y de hidrógeno.

Conexiones de arte

[enlace] ¿Cuántos neutrones tienen (K) potasio-39 y potasio-40, respectivamente?

[enlace] El potasio-39 tiene veinte neutrones. El potasio-40 tiene veintiún neutrones.


Biología 171

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrá hacer lo siguiente:

  • Definir materia y elementos
  • Describir la interrelación entre protones, neutrones y electrones.
  • Compare las formas en que los electrones se pueden donar o compartir entre átomos
  • Explicar las formas en que los elementos naturales se combinan para crear moléculas, células, tejidos, sistemas de órganos y organismos.

En su nivel más fundamental, la vida está compuesta de materia. La materia es cualquier sustancia que ocupa espacio y tiene masa. Los elementos son formas únicas de materia con propiedades químicas y físicas específicas que no pueden descomponerse en sustancias más pequeñas mediante reacciones químicas ordinarias. Hay 118 elementos, pero solo 98 ocurren naturalmente. Los elementos restantes son inestables y requieren que los científicos los sinteticen en los laboratorios.

Cada elemento se designa por su símbolo químico, que es una sola letra mayúscula o, cuando la primera letra ya está "tomada" por otro elemento, una combinación de dos letras. Algunos elementos siguen el término inglés para el elemento, como C para carbono y Ca para calcio. Los símbolos químicos de otros elementos se derivan de sus nombres latinos. Por ejemplo, el símbolo del sodio es Na, refiriéndose a Natrio, la palabra latina para sodio.

Los cuatro elementos comunes a todos los organismos vivos son el oxígeno (O), el carbono (C), el hidrógeno (H) y el nitrógeno (N). En el mundo no viviente, los elementos se encuentran en diferentes proporciones, y algunos elementos comunes a los organismos vivos son relativamente raros en la tierra como un todo, como muestra la (Figura). Por ejemplo, la atmósfera es rica en nitrógeno y oxígeno pero contiene poco carbono e hidrógeno, mientras que la corteza terrestre, aunque contiene oxígeno y una pequeña cantidad de hidrógeno, tiene poco nitrógeno y carbono. A pesar de sus diferencias en abundancia, todos los elementos y las reacciones químicas entre ellos obedecen las mismas leyes químicas y físicas sin importar si son parte del mundo viviente o no viviente.

Porcentaje aproximado de elementos en organismos vivos (humanos) en comparación con el mundo no vivo
Elemento Vida (humanos) Atmósfera La corteza terrestre
Oxígeno (O) 65% 21% 46%
Carbono (C) 18% rastro rastro
Hidrógeno (H) 10% rastro 0.1%
Nitrógeno (N) 3% 78% rastro

La estructura del átomo

Para comprender cómo se unen los elementos, primero debemos analizar el componente o bloque de construcción más pequeño del elemento, el átomo. Un átomo es la unidad más pequeña de materia que retiene todas las propiedades químicas del elemento. Por ejemplo, un átomo de oro tiene todas las propiedades del oro, ya que es un metal sólido a temperatura ambiente. Una moneda de oro es simplemente una gran cantidad de átomos de oro moldeados en forma de moneda y contiene pequeñas cantidades de otros elementos conocidos como impurezas. No podemos descomponer los átomos de oro en algo más pequeño sin dejar de conservar las propiedades del oro.

Un átomo se compone de dos regiones: el núcleo, que está en el centro del átomo y contiene protones y neutrones. La región más externa del átomo mantiene sus electrones en órbita alrededor del núcleo, como lo ilustra la (Figura). Los átomos contienen protones, electrones y neutrones, entre otras partículas subatómicas. La única excepción es el hidrógeno (H), que está formado por un protón y un electrón sin neutrones.

Los protones y neutrones tienen aproximadamente la misma masa, alrededor de 1,67 × 10 -24 gramos. Los científicos definen arbitrariamente esta cantidad de masa como una unidad de masa atómica (uma) o un Dalton, como muestra la (Figura). Aunque son similares en masa, los protones y neutrones difieren en su carga eléctrica. Un protón tiene carga positiva, mientras que un neutrón está descargado. Por lo tanto, la cantidad de neutrones en un átomo contribuye significativamente a su masa, pero no a su carga. Los electrones tienen una masa mucho más pequeña que los protones, y pesan solo 9,11 × 10 -28 gramos, o aproximadamente 1/1800 de una unidad de masa atómica. Por tanto, no contribuyen mucho a la masa atómica global de un elemento. Por lo tanto, al considerar la masa atómica, se acostumbra ignorar la masa de cualquier electrón y calcular la masa del átomo basándose únicamente en el número de protones y neutrones. Aunque no contribuyen significativamente a la masa, los electrones contribuyen en gran medida a la carga del átomo, ya que cada electrón tiene una carga negativa igual a la carga positiva del protón. En átomos neutros sin carga, el número de electrones que orbitan alrededor del núcleo es igual al número de protones dentro del núcleo. En estos átomos, las cargas positivas y negativas se anulan entre sí, lo que lleva a un átomo sin carga neta.

Teniendo en cuenta los tamaños de los protones, neutrones y electrones, la mayor parte del volumen del átomo —más del 99 por ciento— es espacio vacío. Con todo este espacio vacío, uno podría preguntarse por qué los llamados objetos sólidos no se atraviesan simplemente entre sí. La razón por la que no lo hacen es que los electrones que rodean a todos los átomos están cargados negativamente y las cargas negativas se repelen entre sí.

Protones, neutrones y electrones
Cargar Misa (amu) Localización
Protón +1 1 núcleo
Neutrón 0 1 núcleo
Electrón –1 0 orbitales

Número atómico y masa

Los átomos de cada elemento contienen un número característico de protones y electrones. El número de protones determina el número atómico de un elemento, que los científicos utilizan para distinguir un elemento de otro. El número de neutrones es variable, lo que da como resultado isótopos, que son formas diferentes del mismo átomo que varían solo en el número de neutrones que poseen. Juntos, el número de protones y neutrones determina el número másico de un elemento, como lo ilustra la (Figura). Tenga en cuenta que ignoramos la pequeña contribución de masa de los electrones al calcular el número de masa. Podemos usar esta aproximación de masa para calcular fácilmente cuántos neutrones tiene un elemento simplemente restando el número de protones del número de masa. Dado que los isótopos de un elemento tendrán números de masa ligeramente diferentes, los científicos también determinan la masa atómica, que es la media calculada del número de masa de sus isótopos naturales. A menudo, el número resultante contiene una fracción. Por ejemplo, la masa atómica del cloro (Cl) es 35,45 porque el cloro está compuesto por varios isótopos, algunos (la mayoría) con masa atómica 35 (17 protones y 18 neutrones) y otros con masa atómica 37 (17 protones y 20 neutrones) .

¿Cuántos neutrones tienen el carbono 12 y el carbono 13, respectivamente?

Isótopos

Los isótopos son formas diferentes de un elemento que tienen el mismo número de protones pero un número diferente de neutrones. Algunos elementos, como el carbono, el potasio y el uranio, tienen isótopos naturales. El carbono-12 contiene seis protones, seis neutrones y seis electrones, por lo tanto, tiene un número de masa de 12 (seis protones y seis neutrones). El carbono 14 contiene seis protones, ocho neutrones y seis electrones, su masa atómica es 14 (seis protones y ocho neutrones). Estas dos formas alternativas de carbono son isótopos. Algunos isótopos pueden emitir neutrones, protones y electrones, y alcanzar una configuración atómica más estable (nivel más bajo de energía potencial), estos son isótopos radiactivos o radioisótopos. La desintegración radiactiva (el carbono 14 se desintegra para convertirse finalmente en nitrógeno 14) describe la pérdida de energía que se produce cuando el núcleo de un átomo inestable libera radiación.

Datación por carbono
El carbono normalmente está presente en la atmósfera en forma de compuestos gaseosos como dióxido de carbono y metano. El carbono-14 (14 C) es un radioisótopo natural que se crea en la atmósfera a partir del 14 N (nitrógeno) atmosférico mediante la adición de un neutrón y la pérdida de un protón debido a los rayos cósmicos. Este es un proceso continuo, por lo que siempre se crea más 14 C. Como un organismo vivo incorpora inicialmente 14 C como dióxido de carbono fijado en el proceso de fotosíntesis, la cantidad relativa de 14 C en su cuerpo es igual a la concentración de 14 C en la atmósfera. Cuando un organismo muere, ya no ingiere 14 C, por lo que la proporción entre 14 C y 12 C disminuirá a medida que el 14 C se desintegra gradualmente a 14 N mediante un proceso llamado desintegración beta: emisión de electrones o positrones. Esta descomposición emite energía en un proceso lento.

Después de aproximadamente 5.730 años, la mitad de la concentración inicial de 14 C volverá a convertirse en 14 N. Llamamos vida media al tiempo que tarda la mitad de la concentración original de un isótopo en decaer a su forma más estable. Debido a que la vida media del 14 C es larga, los científicos lo usan para fechar objetos que antes vivían, como huesos viejos o madera. Al comparar la relación entre la concentración de 14 C en un objeto y la cantidad de 14 C en la atmósfera, los científicos pueden determinar la cantidad del isótopo que aún no se ha desintegrado. Sobre la base de esta cantidad, la (Figura) muestra que podemos calcular la edad del material, como el mamut pigmeo, con precisión si no tiene más de 50.000 años. Otros elementos tienen isótopos con diferentes vidas medias. Por ejemplo, 40 K (potasio-40) tiene una vida media de 1250 millones de años y 235 U (uranio 235) tiene una vida media de unos 700 millones de años. Mediante el uso de la datación radiométrica, los científicos pueden estudiar la edad de los fósiles u otros restos de organismos extintos para comprender cómo han evolucionado los organismos a partir de especies anteriores.

Obtenga más información sobre los isótopos y la masa atómica (interactividad de Flash), y cómo distinguir un isótopo de otro, ejecute la simulación.

La tabla periodica

La tabla periódica organiza y muestra diferentes elementos. Diseñada por el químico ruso Dmitri Mendeleev (1834-1907) en 1869, la tabla agrupa elementos que, aunque únicos, comparten ciertas propiedades químicas con otros elementos. Las propiedades de los elementos son responsables de su estado físico a temperatura ambiente: pueden ser gases, sólidos o líquidos. Los elementos también tienen una reactividad química específica, la capacidad de combinarse y unirse químicamente entre sí.

En la tabla periódica de la (Figura), los elementos están organizados y mostrados de acuerdo con su número atómico y están dispuestos en una serie de filas y columnas basadas en propiedades químicas y físicas compartidas. Además de proporcionar el número atómico de cada elemento, la tabla periódica también muestra la masa atómica del elemento. Mirando al carbono, por ejemplo, aparecen su símbolo (C) y su nombre, así como su número atómico de seis (en la esquina superior izquierda) y su masa atómica de 12,11.

La tabla periódica agrupa elementos según propiedades químicas. Los científicos basan las diferencias en la reactividad química entre los elementos en el número y la distribución espacial de los electrones de un átomo. Los átomos que reaccionan químicamente y se unen entre sí forman moléculas. Las moléculas son simplemente dos o más átomos unidos químicamente. Lógicamente, cuando dos átomos se unen químicamente para formar una molécula, sus electrones, que forman la región más externa de cada átomo, se unen primero cuando los átomos forman un enlace químico.

Las capas de electrones y el modelo de Bohr

Tenga en cuenta que existe una conexión entre la cantidad de protones en un elemento, el número atómico que distingue a un elemento de otro y la cantidad de electrones que tiene. En todos los átomos eléctricamente neutros, el número de electrones es el mismo que el número de protones. Así, cada elemento, al menos cuando es eléctricamente neutro, tiene un número característico de electrones igual a su número atómico.

En 1913, el científico danés Niels Bohr (1885-1962) desarrolló un modelo temprano del átomo. El modelo de Bohr muestra el átomo como un núcleo central que contiene protones y neutrones, con los electrones en orbitales circulares a distancias específicas del núcleo, como ilustra la (Figura). Estas órbitas forman capas de electrones o niveles de energía, que son una forma de visualizar la cantidad de electrones en las capas más externas. Estos niveles de energía se designan con un número y el símbolo "n". Por ejemplo, 1n representa el primer nivel de energía ubicado más cerca del núcleo.

Los electrones llenan los orbitales en un orden consistente: primero llenan los orbitales más cercanos al núcleo, luego continúan llenando los orbitales de energía creciente más alejados del núcleo. Si hay varios orbitales de igual energía, se llenan con un electrón en cada nivel de energía antes de agregar un segundo electrón. Los electrones del nivel de energía más externo determinan la estabilidad energética del átomo y su tendencia a formar enlaces químicos con otros átomos para formar moléculas.

En condiciones estándar, los átomos llenan primero las capas internas, lo que a menudo resulta en un número variable de electrones en la capa más externa. La capa más interna tiene un máximo de dos electrones, pero las dos capas de electrones siguientes pueden tener cada una un máximo de ocho electrones. Esto se conoce como la regla del octeto, que establece, con la excepción de la capa más interna, que los átomos son más estables energéticamente cuando tienen ocho electrones en su capa de valencia, la capa de electrones más externa. (Figura) muestra ejemplos de algunos átomos neutros y sus configuraciones electrónicas. Observe que en la (Figura), el helio tiene una capa externa de electrones completa, con dos electrones llenando su primera y única capa. De manera similar, el neón tiene una capa exterior completa de 2n que contiene ocho electrones. En contraste, el cloro y el sodio tienen siete y uno en sus capas externas, respectivamente, pero teóricamente serían más estables energéticamente si siguieran la regla del octeto y tuvieran ocho.

Un átomo puede ceder, recibir o compartir electrones con otro átomo para lograr una capa de valencia completa, la configuración electrónica más estable. Mirando esta figura, ¿cuántos electrones necesitan perder los elementos del grupo 1 para lograr una configuración electrónica estable? ¿Cuántos electrones necesitan ganar los elementos de los grupos 14 y 17 para lograr una configuración estable?

Comprender que la organización de la tabla periódica se basa en el número total de protones (y electrones) nos ayuda a saber cómo se distribuyen los electrones entre las capas. La tabla periódica está organizada en columnas y filas según la cantidad de electrones y su ubicación. Examine más de cerca algunos de los elementos en la columna del extremo derecho de la tabla en (Figura). Los átomos del grupo de 18 helio (He), neón (Ne) y argón (Ar) han llenado las capas externas de electrones, por lo que no es necesario que compartan electrones con otros átomos para lograr la estabilidad. Son muy estables como átomos individuales. Debido a que no son reactivos, los científicos los acuñan inertes (o gases nobles). Compare esto con los elementos del grupo 1 en la columna de la izquierda. Estos elementos, incluidos el hidrógeno (H), el litio (Li) y el sodio (Na), tienen todos un electrón en sus capas más externas. Eso significa que pueden lograr una configuración estable y una capa exterior llena al donar o compartir un electrón con otro átomo o una molécula como el agua. El hidrógeno donará o compartirá su electrón para lograr esta configuración, mientras que el litio y el sodio donarán su electrón para estabilizarse. Como resultado de perder un electrón cargado negativamente, se convierten en iones cargados positivamente. Los elementos del grupo 17, incluidos el flúor y el cloro, tienen siete electrones en sus capas más externas, por lo que tienden a llenar esta capa con un electrón de otros átomos o moléculas, lo que los convierte en iones con carga negativa. Los elementos del grupo 14, de los cuales el carbono es el más importante para los sistemas vivos, tienen cuatro electrones en su capa exterior, lo que les permite formar varios enlaces covalentes (que se analizan a continuación) con otros átomos. Por lo tanto, las columnas de la tabla periódica representan el estado potencial compartido de las capas de electrones externos de estos elementos que es responsable de sus características químicas similares.

Orbitales de electrones

Aunque es útil para explicar la reactividad y los enlaces químicos de ciertos elementos, el modelo de Bohr no refleja con precisión cómo se distribuyen espacialmente los electrones alrededor del núcleo. No rodean el núcleo como la Tierra orbita al Sol, pero los encontramos en orbitales de electrones. Estas formas relativamente complejas resultan del hecho de que los electrones se comportan no solo como partículas, sino también como ondas. Las ecuaciones matemáticas de la mecánica cuántica, que los científicos llaman funciones de onda, pueden predecir con un cierto nivel de probabilidad dónde podría estar un electrón en un momento dado. Los científicos llaman orbital al área donde es más probable que se encuentre un electrón.

Recuerde que el modelo de Bohr representa la configuración de la capa de electrones de un átomo. Dentro de cada capa de electrones hay subcapas, y cada subcapa tiene un número específico de orbitales que contienen electrones. Si bien es imposible calcular exactamente la ubicación de un electrón, los científicos saben que lo más probable es que esté ubicado dentro de su trayectoria orbital. Las cartas, pag, D, y F designar las subcapas. los s la subcapa es de forma esférica y tiene un orbital. El caparazón principal 1n tiene solo un s orbital, que puede contener dos electrones. El caparazón principal 2n tiene uno s y uno pag subshell, y puede contener un total de ocho electrones. los pag La subcapa tiene tres orbitales en forma de mancuerna, como lo ilustra la (Figura). Subcapas D y F tienen formas más complejas y contienen cinco y siete orbitales, respectivamente. No los mostramos en la ilustración. La cáscara principal 3n tiene s, pag, y D subcapas y puede contener 18 electrones. El caparazón principal 4n tiene s, pag, D y F orbitales y puede contener 32 electrones. Al alejarse del núcleo, aumenta la cantidad de electrones y orbitales en los niveles de energía. Al progresar de un átomo al siguiente en la tabla periódica, podemos determinar la estructura del electrón colocando un electrón extra en el siguiente orbital disponible.

El orbital más cercano al núcleo, el orbital 1s, puede contener hasta dos electrones. Este orbital es equivalente a la capa de electrones más interna del modelo de Bohr. Los científicos lo llaman el 1s orbital porque es esférico alrededor del núcleo. El 1s orbital es el orbital más cercano al núcleo, y siempre se llena primero, antes que cualquier otro orbital. El hidrógeno tiene un electrón, por lo tanto, ocupa solo un lugar dentro del 1s orbital. Designamos esto como 1s 1, donde el superíndice 1 se refiere al único electrón dentro del 1s orbital. El helio tiene dos electrones, por lo tanto, puede llenar completamente el 1s orbital con sus dos electrones. Designamos esto como 1s 2, refiriéndose a los dos electrones de helio en el 1s orbital. En la tabla periódica (Figura), el hidrógeno y el helio son los únicos dos elementos en la primera fila (período). Esto se debe a que solo tienen electrones en su primera capa, la 1s orbital. El hidrógeno y el helio son los únicos dos elementos que tienen el 1s y ningún otro orbital de electrones en el estado eléctricamente neutro.

La segunda capa de electrones puede contener ocho electrones. Este caparazón contiene otro esférico s orbital y tres en forma de "mancuerna" pag orbitales, cada uno de los cuales puede contener dos electrones, como muestra la (Figura). Después del 1s orbital se llena, la segunda capa de electrones se llena, primero llenando sus 2s orbital y luego sus tres pag orbitales. Al llenar el pag orbitales, cada uno toma un solo electrón. Una vez cada pag orbital tiene un electrón, puede agregar un segundo. El litio (Li) contiene tres electrones que ocupan la primera y la segunda capa. Dos electrones llenan el 1s orbital, y el tercer electrón luego llena el 2s orbital. Su configuración electrónica es 1s 2 2s 1. Neon (Ne), alternativamente, tiene un total de diez electrones: dos están en su más interno 1s orbital y ocho llenan su segunda capa (dos cada uno en el 2s y tres pag orbitales). Por lo tanto, es un gas inerte y energéticamente estable como un solo átomo que rara vez formará un enlace químico con otros átomos. Los elementos más grandes tienen orbitales adicionales, que comprenden la tercera capa de electrones. Si bien los conceptos de capas de electrones y orbitales están estrechamente relacionados, los orbitales proporcionan una descripción más precisa de la configuración electrónica de un átomo porque el modelo orbital especifica las diferentes formas y orientaciones especiales de todos los lugares que pueden ocupar los electrones.

Mire los orbitales atómicos y la configuración electrónica # 8211 del escandio (Z = 21) (video) para ver la disposición espacial de los orbitales py s.

Reacciones químicas y moléculas

Todos los elementos son más estables cuando su capa más externa está llena de electrones de acuerdo con la regla del octeto. Esto se debe a que es energéticamente favorable que los átomos estén en esa configuración y los hace estables. Sin embargo, dado que no todos los elementos tienen suficientes electrones para llenar sus capas más externas, los átomos forman enlaces químicos con otros átomos obteniendo así los electrones que necesitan para alcanzar una configuración electrónica estable. Cuando dos o más átomos se unen químicamente entre sí, la estructura química resultante es una molécula. La conocida molécula de agua, H2O, consta de dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Estos se unen para formar agua, como lo ilustra la (Figura). Los átomos pueden formar moléculas donando, aceptando o compartiendo electrones para llenar sus capas externas.

Las reacciones químicas ocurren cuando dos o más átomos se unen para formar moléculas o cuando los átomos enlazados se rompen. Los científicos llaman reactivos a las sustancias que se usan al comienzo de una reacción química (generalmente en el lado izquierdo de una ecuación química), y llamamos productos a las sustancias al final de la reacción (generalmente en el lado derecho de una ecuación química). Por lo general, dibujamos una flecha entre los reactivos y los productos para indicar la dirección de la reacción química. Esta dirección no siempre es una "calle de un solo sentido". Para crear la molécula de agua de arriba, la ecuación química sería:

Un ejemplo de una reacción química simple es la descomposición de moléculas de peróxido de hidrógeno, cada una de las cuales consta de dos átomos de hidrógeno unidos a dos átomos de oxígeno (H2O2). El peróxido de hidrógeno reactivo se descompone en agua, que contiene un átomo de oxígeno unido a dos átomos de hidrógeno (H2O) y oxígeno, que consta de dos átomos de oxígeno enlazados (O2). En la siguiente ecuación, la reacción incluye dos moléculas de peróxido de hidrógeno y dos moléculas de agua. Este es un ejemplo de una ecuación química balanceada, en la que el número de átomos de cada elemento es el mismo en cada lado de la ecuación. De acuerdo con la ley de conservación de la materia, el número de átomos antes y después de una reacción química debería ser igual, de modo que, en circunstancias normales, no se cree ni se destruya ningún átomo.

Aunque todos los reactivos y productos de esta reacción son moléculas (cada átomo permanece unido al menos a otro átomo), en esta reacción solo el peróxido de hidrógeno y el agua son representantes de compuestos: contienen átomos de más de un tipo de elemento. El oxígeno molecular, alternativamente, como muestra la (Figura), consta de dos átomos de oxígeno doblemente unidos y no se clasifica como un compuesto sino como una molécula hononuclear.

Algunas reacciones químicas, como la anterior, pueden avanzar en una dirección hasta que agotan todos los reactivos. Las ecuaciones que describen estas reacciones contienen una flecha unidireccional y son irreversibles. Las reacciones reversibles son aquellas que pueden ir en cualquier dirección. En reacciones reversibles, los reactivos se convierten en productos, pero cuando la concentración del producto supera un cierto umbral (característico de la reacción en particular), algunos de estos productos se vuelven a convertir en reactivos. En este punto, las designaciones de productos y reactivos se invierten. Este vaivén continúa hasta que se produce un cierto equilibrio relativo entre los reactivos y los productos, un estado llamado equilibrio. Una ecuación química con una flecha de dos puntas apuntando tanto a los reactivos como a los productos, a menudo denota estas situaciones de reacción reversible.

Por ejemplo, en la sangre humana, el exceso de iones de hidrógeno (H +) se une a los iones de bicarbonato (HCO3 & # 8211) formando un estado de equilibrio con ácido carbónico (H2CO3). Si agregamos ácido carbónico a este sistema, una parte se convertiría en iones de bicarbonato e hidrógeno.

Sin embargo, las reacciones biológicas rara vez obtienen el equilibrio porque las concentraciones de los reactivos o productos o ambos cambian constantemente, a menudo con un producto de reacción y un reactivo por otro. Volviendo al ejemplo del exceso de iones de hidrógeno en la sangre, la formación de ácido carbónico será la dirección principal de la reacción. Sin embargo, el ácido carbónico también puede salir del cuerpo como gas de dióxido de carbono (a través de la exhalación) en lugar de volver a convertirse en ión bicarbonato, conduciendo así la reacción hacia la derecha por la ley de acción de masas. Estas reacciones son importantes para mantener la homeostasis en nuestra sangre.

Iones y enlaces iónicos

Algunos átomos son más estables cuando ganan o pierden un electrón (o posiblemente dos) y forman iones. Esto llena su capa de electrones más externa y los hace energéticamente más estables. Debido a que el número de electrones no es igual al número de protones, cada ion tiene una carga neta. Los cationes son iones positivos que se forman al perder electrones. Los iones negativos se forman al ganar electrones, que llamamos aniones. Designamos aniones por su nombre elemental y cambiamos la terminación a "-ide", por lo que el anión de cloro es cloruro y el anión de azufre es sulfuro.

Los científicos se refieren a este movimiento de electrones de un elemento a otro como transferencia de electrones. Como ilustra la (Figura), el sodio (Na) solo tiene un electrón en su capa externa de electrones. El sodio necesita menos energía para donar ese electrón que para aceptar siete electrones más para llenar la capa exterior. Si el sodio pierde un electrón, ahora tiene 11 protones, 11 neutrones y solo 10 electrones, dejándolo con una carga total de +1. Ahora nos referimos a él como ion sodio. El cloro (Cl) en su estado de energía más bajo (llamado estado fundamental) tiene siete electrones en su capa exterior. Nuevamente, es más eficiente energéticamente que el cloro gane un electrón que pierda siete. Por lo tanto, tiende a ganar un electrón para crear un ión con 17 protones, 17 neutrones y 18 electrones, lo que le da una carga neta negativa (–1). Ahora nos referimos a él como ion cloruro. En este ejemplo, el sodio donará su único electrón para vaciar su capa y el cloro aceptará ese electrón para llenar su capa. Ambos iones ahora satisfacen la regla del octeto y tienen capas más externas completas. Debido a que el número de electrones ya no es igual al número de protones, ahora cada uno es un ión y tiene una carga +1 (catión sodio) o -1 (anión cloruro). Tenga en cuenta que estas transacciones normalmente solo pueden tener lugar simultáneamente: para que un átomo de sodio pierda un electrón, debe estar en presencia de un receptor adecuado como un átomo de cloro.

Se forman enlaces iónicos entre iones con cargas opuestas. Por ejemplo, los iones de sodio con carga positiva y los iones de cloruro con carga negativa se unen para formar cristales de cloruro de sodio, o sal de mesa, creando una molécula cristalina con carga neta cero.

Los fisiólogos se refieren a ciertas sales como electrolitos (incluidos sodio, potasio y calcio), iones necesarios para la conducción de los impulsos nerviosos, las contracciones musculares y el equilibrio hídrico. Muchas bebidas deportivas y suplementos dietéticos proporcionan estos iones para reemplazar los que el cuerpo pierde a través del sudor durante el ejercicio.

Enlaces covalentes y otros enlaces e interacciones

Otra forma de satisfacer la regla del octeto al compartir electrones entre átomos para formar enlaces covalentes. Estos enlaces son más fuertes y mucho más comunes que los enlaces iónicos en las moléculas de los organismos vivos. Normalmente encontramos enlaces covalentes en moléculas orgánicas basadas en carbono, como nuestro ADN y proteínas. También encontramos enlaces covalentes en moléculas inorgánicas como H2O, CO2y O2. Los enlaces pueden compartir uno, dos o tres pares de electrones, formando enlaces simples, dobles y triples, respectivamente. Cuantos más enlaces covalentes entre dos átomos, más fuerte es su conexión. Por tanto, los triples enlaces son los más fuertes.

La fuerza de los diferentes niveles de enlace covalente es una de las principales razones por las que los organismos vivos tienen dificultades para adquirir nitrógeno para usarlo en la construcción de sus moléculas, a pesar de que el nitrógeno molecular, N2, es el gas más abundante en la atmósfera. El nitrógeno molecular consta de dos átomos de nitrógeno con enlaces triples entre sí y, como ocurre con todas las moléculas, compartir estos tres pares de electrones entre los dos átomos de nitrógeno permite llenar sus capas externas de electrones, lo que hace que la molécula sea más estable que los átomos de nitrógeno individuales. Este fuerte triple enlace dificulta que los sistemas vivos rompan este nitrógeno para usarlo como constituyentes de proteínas y ADN.

La formación de moléculas de agua proporciona un ejemplo de enlace covalente. Los enlaces covalentes unen los átomos de hidrógeno y oxígeno que se combinan para formar moléculas de agua, como muestra la (Figura). El electrón del hidrógeno divide su tiempo entre los átomos de hidrógeno & # 8217 capa externa incompleta y los átomos de oxígeno & # 8217 capa externa incompleta. Para llenar completamente la capa exterior de oxígeno, que tiene seis electrones pero que sería más estable con ocho, se necesitan dos electrones (uno de cada átomo de hidrógeno): de ahí la conocida fórmula H2O. Los dos elementos comparten los electrones para llenar la capa exterior de cada uno, haciendo que ambos elementos sean más estables.

Vea Enlace iónico y covalente (video) para ver una animación de enlace iónico y covalente.

Enlaces covalentes polares

Hay dos tipos de enlaces covalentes: polares y apolares. En un enlace covalente polar, la (Figura) muestra que los átomos comparten de manera desigual los electrones y son atraídos más hacia un núcleo que hacia el otro. Debido a la distribución desigual de electrones entre los átomos de diferentes elementos, una (δ+) o ligeramente negativo (δ-) se desarrolla la carga. Esta carga parcial es una propiedad importante del agua y explica muchas de sus características.

El agua es una molécula polar, con los átomos de hidrógeno adquiriendo una carga positiva parcial y el oxígeno una carga negativa parcial. Esto ocurre porque el núcleo del átomo de oxígeno y # 8217s es más atractivo para los átomos de hidrógeno y los electrones # 8217 que el núcleo de hidrógeno para los electrones del oxígeno. Por lo tanto, el oxígeno tiene una mayor electronegatividad que el hidrógeno y los electrones compartidos pasan más tiempo cerca del núcleo de oxígeno que los átomos de hidrógeno y el núcleo, lo que da a los átomos de oxígeno e hidrógeno cargas ligeramente negativas y positivas, respectivamente. Otra forma de decir esto es que la probabilidad de encontrar un electrón compartido cerca de un núcleo de oxígeno es más probable que encontrarlo cerca de un núcleo de hidrógeno. De cualquier manera, la electronegatividad relativa del átomo contribuye al desarrollo de cargas parciales siempre que un elemento sea significativamente más electronegativo que el otro, y las cargas que generan estos enlaces polares pueden usarse para formar enlaces de hidrógeno basados ​​en la atracción de cargas parciales opuestas. (Los enlaces de hidrógeno, que discutimos en detalle a continuación, son enlaces débiles entre átomos de hidrógeno con carga levemente positiva y átomos con carga levemente negativa en otras moléculas). Dado que las macromoléculas a menudo tienen átomos dentro de ellas que difieren en electronegatividad, los enlaces polares a menudo están presentes en moléculas orgánicas. .

Enlaces covalentes no polares

Los enlaces covalentes no polares se forman entre dos átomos del mismo elemento o entre diferentes elementos que comparten electrones por igual. Por ejemplo, oxígeno molecular (O2) es apolar porque los electrones se distribuyen por igual entre los dos átomos de oxígeno.

(Figura) también muestra otro ejemplo de enlace covalente no polar: el metano (CH4). El carbono tiene cuatro electrones en su capa más externa y necesita cuatro más para llenarlo. Obtiene estos cuatro de cuatro átomos de hidrógeno, cada átomo proporciona uno, formando una capa exterior estable de ocho electrones. El carbono y el hidrógeno no tienen la misma electronegatividad pero son similares, por lo que se forman enlaces no polares. Cada uno de los átomos de hidrógeno necesita un electrón para su capa más externa, que se llena cuando contiene dos electrones. Estos elementos comparten los electrones por igual entre los átomos de carbono y de hidrógeno, creando una molécula covalente apolar.

Enlaces de hidrógeno e interacciones de Van Der Waals

Los enlaces iónicos y covalentes entre elementos requieren energía para romperse. Los enlaces iónicos no son tan fuertes como los covalentes, lo que determina su comportamiento en los sistemas biológicos. Sin embargo, no todos los enlaces son iónicos o covalentes. También se pueden formar enlaces más débiles entre moléculas. Dos enlaces débiles que ocurren con frecuencia son los enlaces de hidrógeno y las interacciones de van der Waals. Sin estos dos tipos de vínculos, la vida tal como la conocemos no existiría. Los enlaces de hidrógeno proporcionan muchas de las propiedades críticas del agua para el sustento de la vida y también estabilizan las estructuras de las proteínas y el ADN, el componente básico de las células.

Cuando se forman enlaces covalentes polares que contienen hidrógeno, el hidrógeno en ese enlace tiene una carga ligeramente positiva porque el electrón del hidrógeno es atraído con más fuerza hacia el otro elemento y lejos del hidrógeno. Debido a que el hidrógeno es ligeramente positivo, será atraído por cargas negativas vecinas. Cuando esto sucede, se produce una interacción débil entre el hidrógeno & # 8217s δ + de una molécula y otra molécula & # 8217s δ- cargar en los átomos más electronegativos, generalmente oxígeno o nitrógeno, o dentro de la misma molécula. Los científicos llaman a esta interacción un enlace de hidrógeno. Este tipo de enlace es común y ocurre regularmente entre moléculas de agua. Los enlaces de hidrógeno individuales son débiles y se rompen fácilmente, sin embargo, ocurren en cantidades muy grandes en agua y en polímeros orgánicos, creando una fuerza importante en combinación. Los enlaces de hidrógeno también son responsables de unir la doble hélice del ADN.

Al igual que los enlaces de hidrógeno, las interacciones de van der Waals son atracciones o interacciones débiles entre moléculas. Las atracciones de Van der Waals pueden ocurrir entre dos o más moléculas y dependen de ligeras fluctuaciones de las densidades de electrones, que no siempre son simétricas alrededor de un átomo. Para que ocurran estas atracciones, las moléculas deben estar muy cerca unas de otras. Estos enlaces, junto con los enlaces iónicos, covalentes y de hidrógeno, contribuyen a la estructura tridimensional de las proteínas en nuestras células que es necesaria para su correcto funcionamiento.

Químico farmacéutico
Los químicos farmacéuticos son responsables de desarrollar nuevos fármacos y de intentar determinar el modo de acción de los fármacos nuevos y antiguos. Están involucrados en cada paso del proceso de desarrollo de fármacos. Podemos encontrar fármacos en el medio natural o podemos sintetizarlos en el laboratorio. En muchos casos, los químicos cambian químicamente fármacos potenciales de la naturaleza químicamente en el laboratorio para hacerlos más seguros y efectivos, y algunas veces versiones sintéticas de fármacos sustituyen a la versión que encontramos en la naturaleza.

Después del descubrimiento o síntesis inicial de un fármaco, el químico desarrolla el fármaco, quizás modificándolo químicamente, probándolo para ver si es tóxico y luego diseñando métodos para una producción eficiente a gran escala. Luego, comienza el proceso de aprobación del medicamento para uso humano. En los Estados Unidos, la Administración de Drogas y Alimentos (FDA) maneja la aprobación de medicamentos. Se trata de una serie de experimentos a gran escala que utilizan sujetos humanos para garantizar que el fármaco no sea dañino y trate eficazmente la afección para la que está destinado. Este proceso a menudo toma varios años y requiere la participación de médicos y científicos, además de químicos, para completar las pruebas y obtener la aprobación.

Un ejemplo de un medicamento que se descubrió originalmente en un organismo vivo es el paclitaxel (Taxol), un medicamento contra el cáncer que se usa para tratar el cáncer de mama. Esta droga fue descubierta en la corteza del tejo del Pacífico. Otro ejemplo es la aspirina, originalmente aislada de la corteza del sauce. Encontrar medicamentos a menudo significa analizar cientos de muestras de plantas, hongos y otras formas de vida para ver si contienen algún compuesto biológicamente activo. A veces, la medicina tradicional puede dar pistas a la medicina moderna sobre dónde encontrar un compuesto activo. Por ejemplo, la humanidad ha utilizado la corteza de sauce para fabricar medicamentos durante miles de años, que se remonta al antiguo Egipto. Sin embargo, no fue hasta finales de 1800 que los científicos y las compañías farmacéuticas purificaron y comercializaron la molécula de aspirina, el ácido acetilsalicílico, para uso humano.

Ocasionalmente, los medicamentos desarrollados para un uso tienen efectos imprevistos que permiten su uso de otras formas no relacionadas. Por ejemplo, los científicos desarrollaron originalmente el medicamento minoxidil (Rogaine) para tratar la presión arterial alta. Cuando se probaron en humanos, los investigadores notaron que a las personas que tomaban el medicamento les crecía cabello nuevo. Finalmente, la compañía farmacéutica comercializó el medicamento entre hombres y mujeres con calvicie para restaurar el cabello perdido.

La carrera de un químico farmacéutico puede implicar el trabajo de detective, la experimentación y el desarrollo de fármacos, todo con el objetivo de hacer que los seres humanos sean más saludables.

Resumen de la sección

La materia es todo lo que ocupa espacio y tiene masa. Está compuesto por elementos.Los 98 elementos que ocurren naturalmente tienen cualidades únicas que les permiten combinarse de diversas formas para crear moléculas, que a su vez se combinan para formar células, tejidos, sistemas de órganos y organismos. Los átomos, que consisten en protones, neutrones y electrones, son las unidades más pequeñas de un elemento que retienen todas las propiedades de ese elemento. Los electrones pueden transferir, compartir o causar disparidades de carga entre los átomos para crear enlaces, incluidos enlaces iónicos, covalentes e hidrógeno, así como interacciones de van der Waals.

Conexiones de arte

(Figura) ¿Cuántos neutrones tienen el carbono 12 y el carbono 13, respectivamente?

(Figura) El carbono-12 tiene seis neutrones. El carbono 13 tiene siete neutrones.

(Figura) Un átomo puede ceder, recibir o compartir electrones con otro átomo para lograr una capa de valencia completa, la configuración electrónica más estable. Mirando esta figura, ¿cuántos electrones necesitan perder los elementos del grupo 1 para lograr una configuración electrónica estable? ¿Cuántos electrones necesitan ganar los elementos de los grupos 14 y 17 para lograr una configuración estable?

(Figura) Los elementos del grupo 1 necesitan perder un electrón para lograr una configuración electrónica estable. Los elementos de los grupos 14 y 17 necesitan ganar cuatro y un electrones, respectivamente, para lograr una configuración estable.

Respuesta libre

¿Qué hace que los enlaces iónicos sean diferentes de los enlaces covalentes?

Se crean enlaces iónicos entre iones. Los electrones no se comparten entre los átomos, sino que se asocian más con un ion que con el otro. Los enlaces iónicos son enlaces fuertes, pero son más débiles que los enlaces covalentes, lo que significa que se necesita menos energía para romper un enlace iónico en comparación con uno covalente.

¿Por qué son necesarios los enlaces de hidrógeno y las interacciones de van der Waals para las células?

Los enlaces de hidrógeno y las interacciones de van der Waals forman asociaciones débiles entre diferentes moléculas o dentro de diferentes regiones de la misma molécula. Proporcionan la estructura y la forma necesarias para las proteínas y el ADN dentro de las células para que funcionen correctamente.

Glosario


2.1: Los bloques de construcción de moléculas - Biología

En esta unidad investigaremos los componentes básicos de las moléculas y células de la vida. Exploraremos los temas de macromoléculas, células y membranas mientras enfatizamos la relación entre estructura y función. Trabajaremos para abordar los siguientes conocimientos esenciales del plan de estudios de Biología AP:

  • Los organismos deben intercambiar materia con el medio ambiente para crecer, reproducirse y mantener la organización (2.A.3)
  • Los subcomponentes de moléculas biológicas y su secuencia determinan las propiedades de esa molécula (4.A.1)
  • La variación en las unidades moleculares proporciona a las células una gama más amplia de funciones (4.C.1)
  • Las células eucariotas mantienen membranas internas que dividen la célula en regiones especializadas (2.B.3)
  • La estructura y función de los componentes subcelulares y sus interacciones proporcionan procesos celulares esenciales (4.A.2)
  • Las membranas celulares son selectivamente permeables debido a su estructura (2.B.1)
  • El crecimiento y la homeostasis dinámica se mantienen mediante el movimiento constante de moléculas a través de las membranas (2.B.2)
  • Las vías de transducción de señales vinculan la recepción de la señal con la respuesta celular (3.D.3)
  • Los cambios en las vías de transducción de señales pueden alterar la respuesta celular (3.D.4)

Capítulo 2 y # 8211 El contexto químico de la vida

Lecturas y videos de amplificadores:

Actividades de aprendizaje:

Capítulo 3 & # 8211 Carbono y la diversidad molecular de la vida

Lecturas y videos de amplificadores:

Actividades de aprendizaje:

  • Conceptos básicos de bioquímica POGIL
  • Patrón de coincidencia de la parte I
  • Moléculas biológicas POGIL
  • Estructura de la proteína POGIL
  • Capítulo 3 Guía de estudio

Capítulo 4 & # 8211 Un recorrido por la celda

Lecturas y videos de amplificadores:

    • Capítulo 4 & # 8211 Un recorrido por la celda
    • Simulando una célula viva & # 8211 Scientific American enero de 2014 & amp Response
    • BioFlix & # 8211 Tour de una célula animal
    • BioFlix & # 8211 Tour de una célula vegetal

    Capítulo 5 y # 8211 Membranas y transporte de amplificador

    Lectura & amp; Videos:

    Actividades de aprendizaje:

      • Estructura de membrana POGIL
      • Función de membrana POGIL
      • Problemas de práctica de potencial hídrico
      • Laboratorio de investigación de difusión y ósmosis amperimétrica

      los Examen de unidad constará de aproximadamente 30 +/- preguntas de opción múltiple, 3 preguntas de cuadrícula, 1 FRQ de respuesta larga y 3 FRQ de respuesta corta.


      Ver el vídeo: DIFERENCIAS ENTRE CARBOHIDRATOS, LÍPIDOS, PROTEÍNAS Y ÁCIDOS NUCLEICOS. INTRO A BIOLOGÍA MOLECULAR (Febrero 2023).