3.3: Química de la Vida

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Para entender la vida se necesita un conocimiento básico de la química. Esto incluye átomos (y sus componentes como protones, neutrones y electrones), peso atómico, isótopos, elementos, la tabla periódica, enlaces químicos (iónicos, covalentes e hidrógeno), valencia, moléculas y peso molecular:

Átomos: La unidad de materia más pequeña indivisible por medios químicos. Un átomo se compone de dos partes principales: un núcleo que vibra en el centro, y una nube virtual de electrones girando en zonas a diferentes distancias del núcleo (que no debe confundirse con los núcleos celulares). Cuando los átomos interactúan, es menos como el golpe de bolas y más una cuestión de atracción y repulsión; a niveles atómicos, la masa es mucho menos una consideración importante que las cargas, que son eléctricas: positivas, negativas o neutras (equilibradas).
Protones: Partículas elementales estables que tienen la menor carga positiva conocida, que se encuentran en los núcleos de todos los elementos. La masa protónica es menor que la de un neutrón. Un protón es el núcleo del átomo de hidrógeno ligero, es decir, el ion hidrógeno.
Neutrones: Como protones pero carga neutra y también localizados en el núcleo.
Radioactivo: la descomposición ocurre en núcleos atómicos inestables, es decir, aquellos que no tienen suficiente energía de unión para mantener unido el núcleo debido a un exceso de protones o neutrones.
Electrones: determinar cómo interactuarán los átomos. Ubicado en el exterior del núcleo conocido como la capa exterior y tiene una carga negativa que determina qué tipo de cambio tiene.
Peso atómico: es el promedio de las masas de isótopos naturales.
Isótopos: cada una de dos o más formas del mismo elemento que contienen igual número de protones pero diferentes números de neutrones.
Tabla periódica de elementos: La tabla periódica que utilizamos hoy se basa en la ideada y publicada por Dmitri Mendeleev en 1869. La tabla periódica de los elementos químicos muestra la organización de la materia.
Enlaces químicos: son fuerzas atractivas entre los átomos.
Valence: Un número típico de enlaces químicos en este elemento. Por ejemplo, el nitrógeno (N) tiene valencia 3 y por lo tanto generalmente hace tres enlaces.
Moléculas: Las moléculas se forman cuando dos o más átomos forman enlaces químicos entre sí.
Peso molecular: calculado como una suma de pesos atómicos.
Enlaces covalentes: Cuando dos átomos se unen en una molécula, hay dos variantes posibles. El enlace no polar es cuando los electrones se comparten por igual entre los átomos. El enlace polar es cuando uno de los átomos atrae electrones más que otro, y por lo tanto se vuelve parcialmente negativo mientras que el segundo, en parte positivo.
Enlaces iónicos: La unión iónica es la transferencia completa de algunos electrones entre los átomos y es un tipo de enlace químico que genera dos iones con carga opuesta.

Es fundamental saber que los protones tienen una carga de\(+1\), los neutrones no tienen carga, y los electrones tienen una carga de\(-1\). El peso atómico es igual al peso de protones y neutrones. Los isótopos tienen el mismo número de protones pero diferente número de neutrones; algunos isótopos son inestables (radiactivos).

Una de las moléculas más destacadas es el agua. Teóricamente, el agua debería hervir a una temperatura mucho más baja, pero hierve a 100\(^\circ\) C solo por los enlaces de hidrógeno que sellan las moléculas de agua. Estos enlaces surgen porque una molécula de agua es polar: los hidrógenos están ligeramente cargados positivamente y el oxígeno está ligeramente cargado negativamente.

Otro concepto importante relacionado con el agua es la acidez. Si en una solución de agua, la molécula saca protón (H\(^+\)), es un ácido. Un ejemplo de esto sería el ácido clorhídrico (HCl) que se disocia en H\(^+\) y Cl\(^-\). Si la molécula saca OH\(^-\) (ion hidróxido), esta es una base. Un ejemplo de esto sería el hidróxido de sodio (NaOH) que se disocia en Na\(^+\) e ion hidróxido.

Para planificar adecuadamente las reacciones químicas, necesitamos conocer la masa molar y la concentración molar. La masa molar es un gramo equivalente de masa molecular. Esto significa que (por ejemplo) la masa molecular de la sal (NaCl) es\(23 + 35\), que equivale a 58. En consecuencia, un mol de sal es de 58 gramos. Un mol de cualquier materia (de estructura molecular) siempre contiene\(6.02214078 \times 10^{23}\) moléculas (número de Avogadro).

La densidad de una sustancia disuelta es la concentración. Si en 1 litro de agua destilada se diluyen 58 gramos de sal, tenemos 1M (un molar) de concentración de sal. La concentración no cambiará si tomamos alguna cantidad de este líquido (cuchara, gota, o medio litro).

Dependiendo de la concentración de protones en una sustancia, una solución puede ser muy ácida. La acidez de una solución se puede determinar a través del pH. Por ejemplo, si la concentración de protones es de 0.1 M (\(1 \times 10^{-1}\), que 0.1 gramos de protones en 1 litro de agua), esta es una solución extremadamente ácida. El pH de la misma es solo 1 (el logaritmo negativo, o grado negativo de diez de concentración de protones). Otro ejemplo es el agua destilada. La concentración de protones allí es igual a\(1 \times 10^{-7}\) M, y por lo tanto el pH del agua destilada es de 7. El agua destilada es mucho menos ácida porque las moléculas de agua se disocian raramente.

Cuando dos o más átomos de carbono están conectados, forman un esqueleto de carbono. Todas las moléculas orgánicas están hechas de algún esqueleto orgánico. Aparte de C, los elementos que participan en moléculas orgánicas (elementos biogénicos) son H, O, N, P y S. Estos seis elementos forman cuatro tipos de biomoléculas: (1) lípidos, moléculas orgánicas hidrófobas que no se disuelven fácilmente en agua; (2) carbohidratos o azúcares, como la glucosa (las pasas contienen mucha glucosa) y fructosa (miel); por definición, los carbohidratos tienen múltiples grupos\(-\) OH, también hay carbohidratos poliméricos (polisacáridos) como celulosa y almidón; (3) aminoácidos (componentes de proteínas) que siempre contienen N, C, O y H; y (4) nucleótidos combinados del ciclo del carbono con nitrógeno (heterocíclo), azúcar y ácido fosfórico; los nucleótidos poliméricos son ácidos nucleicos como el ADN y el ARN.

En la siguiente página está lo más importante para todos los que necesitan aprender química (y sí, es necesario): tabla periódica. Fue inventado por Dmitry Mendeleev en 1869 y actualizado desde entonces, principalmente mediante la adición de elementos recién descubiertos y/o sintetizados. Tenga en cuenta que los números romanos se agregaron a la tabla estándar para mostrar los números de los grupos principales.