Ciencias Biológicas 1 Lic. José Pinela Castro.

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1 Ciencias Biológicas 1 Lic. José Pinela Castro

2 Atomos, Moléculas y Vida
Biology: Life on Earth (Audesirk) Atomos, Moléculas y Vida Chapter 2

3 CONTENIDO DEL CAPÍTULO 2
Biology: Life on Earth (Audesirk) CONTENIDO DEL CAPÍTULO 2 2.1 ¿ Qué son los átomos? 2.2 ¿ Cómo interactúan los átomos para formar moléculas? 2.3 ¿ Por qué el agua es tan importante para la vida? Debes conocer bien estos cuatro términos antes de iniciar el estudio de esta unidad. Trata de familiarizarte con ellos para utilizarlos correctamente. Elemento: Materia que no puede ser descompuesta en sustancias más simples. Se pueden combinar con otros elementos para formar compuestos. Hay 92 tipos diferentes de elementos naturales. El más simple es el hidrógeno (número atómico 1), y el más complejo es el uranio (número atómico 92). Otros elementos más complejos han sido obtenidos artificialmente. Atomo: La partícula más pequeña de un elemento. No pueden ser divididos en partículas más pequeñas sin destruir las propiedades del elemento. Hay 92 tipos diferentes de átomos naturales – uno por cada tipo de elemento. Compuesto: Materia formada por dos o más elementos que han reaccionado químicamente entre sí. Aunque existen compuestos que son muy resistentes a la descomposición, todos, por último pueden ser descompuestos en sus elementos constituyente. La partícula más pequeña de un compuesto es una molécula. Las mezclas y aleaciones no son compuestos, porque estan formadas por dos o más clases de moléculas o átomos que no reaccionan entre sí. Molécula: Partícula que consiste de dos o más átomos unidos por enlaces químicos. Si las moléculas de una sustancia contiene átomos del mismo tipo, ésta es un elemento (O2, H2, etc.). Si al menos uno de los átomos constituyente es diferente del resto, la sustancia es un compuesto (CO2, H2O), etc. Chapter 2

4 CONTENIDO DE LA SECCIÓN 2.1
Biology: Life on Earth (Audesirk) CONTENIDO DE LA SECCIÓN 2.1 Los átomos son las unidades estructurales fundamentales de la materia y se componen de tres tipos de partículas. En el núcleo central hay protones, que tienen carga positiva, y neutrones, que no tienen carga. Los electrones giran alrededor del núcleo atómico y son partículas con carga negativa. Materia: Término común para “sustancia”. Atomo: La menor partícula de materia. Se conocen 92 tipos diferentes de átomos naturales. Se encuentran en 92 tipos diferentes de elementos. Un elemento es una sustancia que no puede descomponerse por procesos químicos. Ejemplos Fierro, Oxígeno, Carbono, etc. NOTAS: Los átomos están constituídos básicamente por tres tipos de partículas subatómicas. Estas son: protones, electrones y neutrones. Solamente los electrones están involucrados en las propiedades químicas de un elemento, pero el número de protones determina el número de electrones que estos poseen. Chapter 2

5 Tres Partículas Subatómicas
Biology: Life on Earth (Audesirk) Tres Partículas Subatómicas Protón: Pesado Positivo Hay diversas otras partículas, pero éstas son las más importantes y de mayor impacto en la bioliogía, y proporcionan propiedades biológicamente detectables. Protón: Partícula pesada, con carga positiva. Fuertemente empaquetados en el núcleo del átomo. El número de protones en el núcleo determina el número de electrones del átomo, y al mismo tiempo el tipo de elemento que constituirá. Neutrón: Partícula pesada, neutra (sin carga). Tambien fuertemente empaquetada en el núcleo atómico. Junto con los protones determinan la masa y el peso atómico. El número de neutrones en el núcleo puede variar, sin afectar a las propiedades del elemento. Estas variaciones en el átomo constituyen los isotopos. Algunos isotopos son inestables y se descomponen, liberando energía fenómeno conocido como radiactividad. Electrón: Partícula muy liviana que presenta carga negativa. Peso ínfimo comparado con los protones y los neutrones. Se encuentran girando alrededor del núcleo en órbitas específicas. El número de electrones en un átomo puede variar, afectando a las propiedadexs químicas del átomo. Estos átomos se conocen como iones. Aquellos átomos con menos electrones que protones, por déficit en el número de electrones, presentan carga positiva (iones positivos ). Aquellos átomos con más electrones que protones, tienen un exceso de carga negativa, por lo tanto están cargados negativamente (iones negativos). Los electrones que se ubican en la capa más externa de un átomo son aquellos que participan en la formación de enlaces químicos con otros átomos. Neutrón: Pesado Neutro Electrón: Liviano Negativo Chapter 2

6 Los átomos difieren en el número de protones
Biology: Life on Earth (Audesirk) Los átomos difieren en el número de protones Los elementos pueden variar en electrones y neutrones, pero no en protones El elemento carbono está formado por átomos con 6 protones Número Atómico = 6 Todos los átomos con 6 protones = carbono Todos los átomos de carbono tienen 6 protones Variación en el nº de electrones: iones Variación en el nº de neutrones: isótopos El elemento carbono está constituído por átomos con 6 protones. Todos los átomos de carbono contienen exactamente 6 protones. Todos los átomos con 6 protones son átomos de carbono. Actualmente los científicos han transformado otros elementos en oro agregando o removiendo protones. Siempre que se altere el número de protones de un átomo, se cambia el tipo de elemento en otro. Sin embargo, átomos con el mismo número de protones y electrones, pero con un número distinto de neutrones, siguen siendo el mismo elemento. La variación en el número de electrones genera los iones. La variación en el número de neutrones genera los isotopos. Revisen el uso moderno de los isotopos. Chapter 2

7 Los átomos más grandes pueden dar cabida a muchos electrones.
CAPAS DE ELECTRONES Chapter 2 Los átomos más grandes pueden dar cabida a muchos electrones. Los electrones se mueven dentro del núcleo de un átomo en capas de electrones. La primera capa o nivel de energía contiene 2 electrones. La segunda capa contiene hasta ocho electrones.

8 Biology: Life on Earth (Audesirk)
Modelos Atómicos Biology: Life on Earth (Audesirk) Capa Electrónica Si tomásemos un diamante (una forma de carbono) y lo cortáramos en fragmentos, cada trozo seguiría siendo carbono. Si pudiéramos seguir cortando los trozos para tener partes cada vez más pequeñas, llegaría el momento en que tendríamos un montón de átomos de carbono. Los átomos son las unidades estructurales básicas de la materia. Los átomos en sí, empero, se componen de un núcleo atómico central (a menudo llamado simplemente núcleo; no confundir con el núcleo de una célula) que contiene dos tipos de particulas subatómicas con igual peso: protones, que tienen carga positiva y neutrones, que no tienen carga. Además, unas partículas subatómicas llamadas electrones que están girando alrededor del núcleo. Los electrones son partículas más ligeras que tienen carga negativa. Un átomo separado tiene el mismo número de electrones y protones y, por tanto, es eléctricamente neutro. Núcleos Hidrógeno (H) Helio (He) Chapter 2

9 Diferentes Tipos de Atomos
Biology: Life on Earth (Audesirk) Diferentes Tipos de Atomos capa electrónica más interna Max 2e- 2e- 2n 2p+ 6e- 6n 6p+ +4p+ Helio Carbono +4n± +4e- Es el número de protones que hay en el núcleo el que determina el tipo de átomo. Agregando o quitando neutrones se cambia a los diferentes isotopos del átomo. Agregando o quitando electrones, se cambia a diferentes iones del átomo. Pero, cambiando el número de protones de un átomo ,se provoca un cambio fundamental en la materia obteniéndose otro tipo de átomo. +2p+ +2n± +2e- 8e- 8n 8p+ 15e- 16n 15p+ 20e- 20n 20p+ +7p+ +8n± +7e- +5p+ +4n± Max 8e- Oxígeno Fósforo Calcio +5e- Chapter 2

10 CAPTAR Y LIBERAR ENERGÍA
Chapter 2 La vida depende de la capacidad de los electrones para captar y liberar energía. Las capas de electrones corresponden a niveles de energía. Cuando un átomo se excita usando energía provoca que los electrones salten de una capa de electrones de menor energía a otra de mayor energía. Poco después, el electrón regresa espontáneamente a su capa de electrones original, liberando la energía.

11 LA ENERGÍA SE CAPTA Y SE LIBERA
Chapter 2 El electrón regresa a la capa de menor nivel de energía y libera la energía en forma de luz La energía impulsa al electrón hacia un nivel de energía superior Un electrón absorbe energía energía Luz FIGURA 2-3 La energía se capta y se libera

12 CONTENIDO DE LA SECCIÓN 2.2
Biology: Life on Earth (Audesirk) CONTENIDO DE LA SECCIÓN 2.2 .¿Cómo interactúan los átomos para formar moléculas? .Enlace iónico .Enlace Covalente .Puentes de hidrógeno El enlace químico es un tipo reversible de unión que mantiene unidos a los átomos en las moléculas. Los átomos a menudo se enlazan entre sí. El resultado es una partícula de mayor tamaño y más compleja: la molécula. La molécula es una partícula compuesta por dos o más átomos unidos por enlaces químicos. Si todos los átomos en una molécula son del mismo tipo, son los elementos. El oxígeno gaseoso existe principalmente en su forma “molecular” O2. El hidrógeno como H2. Estas son moléculas, pero el material es aún un elemento, porque no se puede separar en unidades más simples. Si algunos de los átomos en una molécula son de diferente tipo, la materia resultante es un compuesto. Un compuesto se forma cuando los átomos de dos o más elementos reaccionan químicamente para formar moléculas. El agua es un ejemplo de compuesto químico, formado a partir de los elementos hidrógeno y oxígeno. El agua puede ser descompuesta en hidrógeno y oxígeno, es por consiguiente un compuesto químico. El hidrógeno y el oxígeno no pueden ser descompuestos en materiales más simples. Note que una mezcla de dos elementos no es un compuesto, porque los átomos no se han enlazado químicamente. Por ejemplo, el hidrógeno y el oxígeno se pueden juntar en la oscuridad formando una mezcla de gases. Las características del oxígeno y del hidrógeno no han cambiado porque están en una mezla. Pero si se hace llegar luz a esta mezcla, la energía luminosa provoca una reacción química y los átomos de hidrógeno se combinan en proporciones precisas con los átomos de oxígeno formando moléculas de agua. Las característica del oxígeno y del hidrógeno desaparecen y surgen nuevas características, las del agua. Chapter 2

13 Biology: Life on Earth (Audesirk)
Enlaces Químicos Enlace Covalente — electrones compartidos Compartición no equitativa — polar Compartición equitativa — no polar Enlace Iónico — transferencia total de electrones Ambos átomos están ionizados Pueden disociarse en agua Esta diapositiva presenta los tipos de enlaces desde una compartición completa de electrones hasta una transferencia completa de electrones. Enlace covalente : — los electrones son compartidos por ambos átomos. Si la compartición de los electrones es equitativa, se dice que la molécula es no polar. La compartición equitativa de electrones ocurre cuando ambos átomos tienen la misma afinidad por los electrones. Las sustancias no polares tienen igual distribución de carga en la superficie de los átomos que forman sus moléculas. Si la compartición de electrones es desigual, se dice que la molécula es polar. La compartición desigual ocurre cuando uno de los átomos quiere “mantener” los electrones compartidos más que el otro átomo. El átomo más ávido es por consiguiente más negativo que el átomo más generoso, porque el átomo más ávido tiene exceso negativo la mayor parte del tiempo. Enlace iónico: — transferencia electrónica completa. En vez de que cada átomo done un electrón para enlazarse e intercambiarlos de acá para allá (enlace covalente), uno de los átomos toma un electrón del otro átomo y nunca ofrece devolverlo o compartirlo, es de su propiedad. Ambos átomos resultan ionizados. El que toma el electrón resulta cargado negativamente, porque tiene más electrones que protones. El otro átomo resulta positivo, dado que ha perdido un electrón. Los iones se pueden separar en el agua. Dado que el agua es una molécula polar, se interpone entre dos iones que estaban atraídos por sus respectivas cargas opuestas, y los separa. Así, los iones primitivos pueden flotar alrededor de moléculas de agua, separándose definitivamente. Este fenómeno se conoce como disociación. Chapter 2

14 Los enlaces involucran a electrones
Biology: Life on Earth (Audesirk) Los enlaces involucran a electrones Se requiere un par de electrones por enlace. Los electrones periféricos forman enlaces. Se comportan según “ley del octeto” Si se acercan a 8 en la capa más externa Atraen más electrones Si son menos de 4 en la capa externa Atraen a menos electrones Un par de electrones por enlace. Solamente los electrones más periféricos son quimicamente activos. Funcionan utilizando la “regla del octeto”. Si el átomo tiene cerca de ocho electrones en su última capa: El átomo tratará de ganar suficientes electrones para completar su última capa con ocho electrones. Estos materiales se conocen como oxidantes. Si son menos que cuatro en la última capa El átomo tratará de desprenderse de todos los electrones de la capa más externa, y la capa más interna (la cual está completa) pasará a ser su nueva capa periférica. Estos materiales se conocen como reductores. Reductores y oxidantes reaccionan quimicamente entre sí. Los reductores fuertes (uno o dos electrones en su capa más externa) y los oxidantes fuerte (cercanos a 8 electrones en su capa más externa), reaccionan vigorosamente entre sí. Atomos con exactamente ocho electrones en su última capa, no son reactivos y reciben el nombre de inertes o nobles. Chapter 2

15 Biology: Life on Earth (Audesirk)
Enlaces covalentes (b) En el gas oxígeno, dos átomos de oxígeno comparten cuatro electrones, para formar un doble enlace. (O=O u O2). Se comparten electrones entre átomos para formar enlaces covalentes. (a) En el gas hidrógeno, se comparte un electrón de cada átomo de hidrógeno para formar un enlace covalente sencillo. La molécula de gas resultante se representa como H–H o H2. (b) En el gas oxígeno, dos átomos de oxígeno comparten cuatro electrones para formar un doble enlace (O=O ó O2). (a) En el gas hidrógeno, se comparte un electrón de cada átomo de hidrógeno, para formar un enlace covalente sencillo. La molécula de hidrógeno resultante se representa como H–H ó H2. Chapter 2

16 Formación de la molécula de oxígeno
Biology: Life on Earth (Audesirk) Formación de la molécula de oxígeno Átomo de Oxígeno Átomo de Oxígeno Molécula de Oxígeno (O2) Chapter 2

17 Biology: Life on Earth (Audesirk)
Enlace Iónico en NaCl (a) El Sodio tiene sólo un electrón en su última capa; el cloro tiene 7. El sodio sólo tiene un electrón en su capa más externa; el cloro tiene siete. (b) El sodio puede estabilizarse perdiendo un electrón y el cloro puede hacerlo ganando un electrón. El átomo de sodio se convierte en un ión con carga positiva y el cloro en un ión con carga negativa. (b) El Sodio pierde un electrón; el cloro gana un electrón. El Sodio se convierte en ión positivo; el cloro en ión negativo. Chapter 2

18 Biology: Life on Earth (Audesirk)
Enlace Iónico en NaCl Carga positiva + – Sodio #e=2+8+1=#p – – + – Electrón totalmente transferido A la izquierda. Se muestra un átomo de sodio normal con un electrón en su última capa, y un átomo de cloro normal con siete electrones en su última capa. El sodio es un reductor fuerte y el cloro es un oxidante fuerte. A la derecha, el átomo de sodio ha entregado completamente su electrón periférico al átomo de cloro. . El sodio tiene 8 electrones en su segunda capa (ahora su última capa) y el cloro presenta 8 electrones en su tercera capa. Ambos están “felices”. Sin embargo, están atrapados entre sí, porque ahora ambos han cambiado de su carga neutra a cargas opuestas. Las cargas opuestas “los obligan” a estar juntos. Se dice que se han enlazado iónicamente. Ión sodio #e=#p-1 + – Cloro #e=2+8+7=#p – Carga negativa Cloruro ion #e=#p+1 Chapter 2

19 Biology: Life on Earth (Audesirk)
Enlace Iónico en NaCl Dado que las partículas con carga positiva se atraen mutuamente, los iones Na y Cl resultantes se acomodan íntimamente en un cristal de sal, NaCl (prefectamen- te cúbicos). Cl- Na+ Cl- Esta diapositiva muestra como los átomos de cloro y sodio se han empaquetado juntos formando los cristales cúbicos de cloruro de sodio, que es nuestra sal de mesa. Na+ Chapter 2

20 Biology: Life on Earth (Audesirk)
El agua es Covalente Un par de electrones forman enlace covalente Pasan un tiempo con uno, luego con el otro átomo. Al oxígeno le faltan dos electrones para llenar su capa más externa, así que puede establecer un enlace con cada uno de dos átomos de hidrógeno para formar agua (H–O–H ó H2O). El oxígeno ejerce una mayor atracción que el hidrógeno sobre los electrones, así que el extremo de la molécula donde está el oxígeno tiene una pequeña carga negativa, mientras que el extremo donde está el hidrógeno tiene una pequeña carga positiva. Este es un ejemplo de enlace covalente polar. La molécula de agua, con sus extremos levemente cargados, es una molécula polar. Menos tiempo con H, más tiempo con el O Causa la polaridad de la molécula de H2O Chapter 2

21 Biology: Life on Earth (Audesirk)
Molécula de agua H2O Hidrógenos H O Este es un modelo de molécula de agua. El electrón de cada hidrógeno permanece más tiempo orbitando al núcleo del oxígeno, más que por el del hidrógeno. Por consiguiente. la molécula de agua está polarizada por esta distribución desigual de cargas. Esto determina que la sustancia tenga propiedades “polares”, interactuando con otros tipos de materiales con los cuales se mezclará facilmente. Oxígeno Chapter 2

22 Enlace Polar v/s No polar
Biology: Life on Earth (Audesirk) Enlace Polar v/s No polar Distribución de carga en la molécula Polar — superficie cargada Prefiere otras moléculas con carga Solubles en agua No polar — sin carga residual Prefiere moléculas sin carga Solubles en aceites Las moléculas polares tienen cargas parciales distribuidas en su superficie. La carga es menor que en los enlaces iónicos, dado que sólo corresponde a una compartión no equitativa y no a una transferencia completa de electrones. Estas moléculas prefieren la compañía de otras moléculas cargadas (polares). Las porciones cargadas de estas moléculas buscan la compañía de otras moléculas con cargas opuestas Las moléculas no polares (sin carga) quedan excluídas de este esquema. Cuando mezclamos aceite (no polar) con agua, las moléculas de agua se atraen unas con otras, pero no con las moléculas de aceite, así el aceite se separa. No se juntan. Solubilidad en agua. La molécula de agua es pequeña y polar. Se puede asociar rápidamente con otras moléculas cargadas. Las moléculas no polares no presentan carga. No hay “puntos críticos” cargados en la molécula. No prefieren la compañía de moléculas cargadas. Este es un proceso pasivo. Las moléculas no polares no buscan juntarse con moléculas polares y prefieren unirse entre ellas. Solubles en aceite. Materias no polares se mezclan fácilmente con otras materias no polares. Los aceites generalmente tienen largas cadenas hidrocarbonadas (—CH2—CH2—CH2—CH2—CH2—) sin puntos polares. Chapter 2

23 Patrones de enlaces de átomos comunes
Biology: Life on Earth (Audesirk) Patrones de enlaces de átomos comunes Hidrógeno Carbono Modelos de enlaces de los átomos más comunes que se encuentran en moléculas biológicas. Cada línea blanca representa un sitio potencial de enlace para ese átomo. Nitrógeno Oxígeno Fósforo Azufre Chapter 2

24 Enlace Puente de Hidrógeno
Biology: Life on Earth (Audesirk) Enlace Puente de Hidrógeno Los puentes de hidrógeno son atracciones electricas entre moléculas que tienen enlaces polares. Las cargas parciales en diferentes partes de las moléculas de agua producen débiles fuerzas de atracción llamadas puentes de hidrógeno (líneas punteadas) entre los átomos de hidrógeno de una molécula de agua y los átomos de oxígeno de otras moléculas. + El enlace de hidrógeno se forma entre el O de una molécula y el H de otra. – O H + H – H O + + Puentes de Hidrógeno H + Chapter 2

25 CONTENIDO DE LA SECCIÓN 2.3
Chapter 2 ¿ Por que el agua es tan importante para la vida? -interviene en muchas reacciones químicas que ocurren en las células vivas. -es considerado el disolvente universal -las soluciones en agua pueden ser ácidas neutras y básicas.

26 Disolución de NaCl por Agua
Biology: Life on Earth (Audesirk) Disolución de NaCl por Agua NaCl se une por enlace iónico La polaridad de las moléculas de agua les permite disolver sustancias polares y cargadas. Cuando un cristal de sal se introduce en agua, ésta rodea a los iones sodio y cloruro con los polos de carga opuesta respectivos de sus moléculas. Los iones, aislados asi de la atracción que ejercen otras moléculas de sal, se dispersan y el cristal se disuelve gradualmente. El agua es polar y cargada O se pega al Na+ H se pega al Cl- Chapter 2

27 Biology: Life on Earth (Audesirk)
Disociación – + + ión Hidroxilo ión Hidrógeno Agua Disociación del agua: el agua puede disociarse en un ión hidroxilo (OH-) y un ión hidrógeno (H+). Muchas moléculas biológicas se disuelven en agua porque tienen partes polares, como los grupos OH- (hidroxilo), que pueden formar puentes de hidrógeno con moléculas de agua. Aquí vemos cómo pueden formarse puentes de hidrógeno entre los grupos hidroxilos de una molécula de glucosa ( un azúcar simple) y las moléculas de agua circundantes. El agua disuelve muchas moléculas biológicas H2O Puente de Hidrógeno H2O El ión hidroxilo es negativo y básico Glucosa El ión hidrógeno es positivo y ácido H2O H2O Hacen del agua un buen solvente H2O Chapter 2

28 Cohesión entre Moléculas de Agua
Biology: Life on Earth (Audesirk) Cohesión entre Moléculas de Agua Con sus pies palmeados que tienen escamas especializadas, el lagarto basilisco de Sudamérica aprovecha la tensión superficial, causada por la cohesión, para sostener su peso mientras se desplaza por la superficie de un estanque. En las secoyas gigantes, la cohesión mantiene juntas las moléculas en hilos continuos que van desde las raíces hasta las hojas más altas que llegan a estar a 100 metros del suelo. Chapter 2

29 Biology: Life on Earth (Audesirk)
La Escala de pH Jugo de limón agrio Leche de magnesia Agua de mar Limpiador de hornos La escala de pH expresa la concentración de iones hidrógeno en una solución empleando una escala de ( muy ácida) a 14 (muy básica). Cada unidad de cambio en el pH dentro de la escala representa un cambio de diez veces en la concentración de iones hidrógeno. El jugo de limón, por ejemplo, es unas diez veces más ácido que el jugo de naranjas y las lluvias ácidas más graves e intensas en el noroeste de Estados Unidos son casi 1000 veces más ácidas que la lluvia normal. Con la excepción del interior de nuestro estómago, casi todos los fluidos del cuerpo humano están ajustados con precisión a un pH de El color que se muestra en la escala corresponde a un colorante que se usa comunmente como indicador de pH, el azul de bromotimol, que muchos dueños de acuarios utilizan para vigilar el pH del agua en la que nadan sus peces. Ácido clorhídrico Orina Bicarbonato de Sodio Sangre Amoníaco jugo gástrico Cerveza Café Agua 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Neutral pH+ = pOH– Acidez creciente pH+ > pOH– Basicidad creciente pH+ < pOH– Chapter 2

30 Fin