Biologia per istituti tecnici/Le biomolecole e l'acqua

Una biomolecola è un composto chimico che è presente esclusivamente negli esseri viventi. Le biomolecole sono composte essenzialmente da carbonio (sono infatti composti organici, uniti tra loro mediante legami di tipo covalente) e idrogeno. Molte biomolecole sono macromolecole ovvero sono di grande dimensione.

Macromolecole: sono polimeri che risultano dall’assemblaggio di monomeri cioè molecole più piccole; tra le biomolecole sono polimeri:

• i polisaccaridi, carboidrati formati da monosaccaridi;
• le proteine, formate da amminoacidi;
• DNA e RNA, formati da nucleotidi;

I composti del carbonio

Altri composti organici sono i coloranti, i pesticidi e le fibre (naturali e sintetiche) e sono caratterizzati dal fatto che gli atomi di carbonio sono capaci di creare dei legami covalenti con altri atomi di carbonio e allo stesso tempo sono capaci di unirsi ad atomi diversi. Più atomi di carbonio formano una catena carboniosa che può essere di lunghezza variabile e lineare, ramificata o disposta ad anello. I composti più semplici sono gli idrocarburi, che sono formati solamente da idrogeno e carbonio.

I gruppi funzionali

I composti organici si suddividono in base ai gruppi funzionali che contengono. Per gruppo funzionale si intende un gruppo di atomi che ha particolari proprietà chimiche. Ci sono 7 diversi gruppi funzionali e molte molecole ne contengono uno, ma altre ne contengono due o più. I 7 gruppi funzionali sono:

• il carbonilico (aldeidico);
• il carbonilico (chetonico);
• il fosfato;
• il sulfidrile;
• l’ossidrile;
• il carbossilico;
• l’amminico;

Questi ultimi tre sono i più importanti e i più frequenti: il carbossilico appartiene alla classe degli acidi carbossilici, l’ossidrilico appartiene alla classe degli alcoli mentre il gruppo amminico appartiene alla classe delle ammine.

L'isomeria

L’isomeria è la ragione per cui esiste questa moltitudine di composti organici. Gli isomeri sono molecole composte dallo stesso tipo di atomi che però sono legati in modo diverso. Inoltre esistono diversi tipo di isomeri: come ad esempio gli isomeri di struttura. Gli isomeri di struttura comprendono gli atomi che hanno la stessa formula grezza ma che sono disposti in modo differente.

L’isomeria di struttura riguarda la disposizione degli atomi di carbonio nella catena carboniosa o la posizione dei doppi legami (ad esempio C---- O) o dei vari gruppi funzionali.

Come si formano le macromolecole?

Le macromolecole sono costituite da catene carboniose unite a uno o più gruppi funzionali. Le macromolecole sono associati ai polimeri; infatti i polimeri si formano dai monomeri attraverso un processo di reazioni di condensazione. Le reazioni di condensazione hanno come risultato la formazione di un legame covalente fra due monomeri mediante la perdita di una molecola di acqua (H20) per ogni legame covalente che si forma. Il processo inverso alle reazioni di condensazione viene chiamato idrolisi. Queste reazioni scindono i polimeri producendo monomeri e l’acqua reagisce con i legami covalenti che tengono uniti i polimeri. Le reazioni di condensazione e di idrolisi avvengono in tutti gli esseri viventi perciò costituiscono una tappa per l’origine della vita nel mondo acquatico.

Le molecole della vita

La vita dipende dalle proprietà dell’acqua.

L’acqua costituisce circa il 70% del corpo degli esseri umani; è stata indispensabile per la formazione della vita ed è necessaria tutt'oggi per la sua evoluzione. L’acqua possiede due caratteristiche principali che causano le principali reazioni chimiche negli esseri viventi.

Le molecole d’acqua sono molto polari

Innanzitutto dobbiamo definire la molecola d'acqua. La molecola d'acqua è formata da un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno legati tra di loro grazie a dei legami covalenti (cioè che gli atomi mettono in comune una coppia di elettroni). Gli elettroni sono maggiormente attratti dall'atomo di ossigeno e quindi trascorrono più tempo nella sua orbita. Perciò l'atomo di ossigeno ha una carica parzialmente negativa, mentre i due atomi di idrogeno hanno una carica parzialmente positiva.

Tra due molecole d'acqua si creano dei legami

Quando due molecole d'acqua sono vicine, l'atomo di idrogeno di una molecola viene attratto dall'atomo di ossigeno di un'altra molecola e quindi si forma un legame. Questo legame si chiama legame ad idrogeno e questo tipo di legami si manifestano nell'acqua solida e liquida. Ogni molecola d'acqua può formare fino a 4 legami ad idrogeno e sono proprio questi legami la ragione delle singolari proprietà dell' acqua.

Le proprietà dell'acqua

L'acqua ha una moltitudine di proprietà causate dal legame ad idrogeno, ma noi descriveremo le principali:

• il ghiaccio galleggia sull'acqua liquida;
• elevati calori latenti;
• coesione, adesione, tensione superficiale;
• elevato calore specifico;
• è un ottimo solvente;

Il ghiaccio galleggia sull'acqua

Nell'acqua allo stato solido le molecole occupano posizioni fisse, sono disposte ordinatamente. La disposizione è determinata dai legami ad idrogeno: per esempio nell'acqua allo stato liquido, i legami ad idrogeno si rompono e si riformano continuamente. L’acqua solida è meno densa dell’acqua allo stato liquido, perciò galleggia.

Le temperature di fusione e di ebollizione

Il passaggio dallo stato solido allo stato liquido è definito FUSIONE. Per far avvenire questo passaggio bisogna fornire alla sostanza una determinata quantità di calore, definito CALORE DI FUSIONE (chiamato anche calore latente). Per fondere 1g di acqua bisogna fornire 80 calorie, poiché è necessario fornire molta energia per spezzare i legami ad idrogeno: questa quantità è uno dei valori più alti che si conoscano. L’acqua ha anche un elevato calore di EVAPORAZIONE; ciò significa che l’acqua ha bisogno di un elevato calore per far avvenire il passaggio dallo stato liquido allo stato aeriforme.

La coesione, l’adesione, la tensione superficiale

Nell’acqua liquida, dove i legami ad idrogeno si rompono e si ricreano, le molecole sono libere di muoversi. Una molecola d’acqua ha una struttura molto dinamica poiché è in grado di formare fino a mille miliardi di legami ad idrogeno al minuto e proprio per questo avvengono i fenomeni della coesione, dell’adesione e della tensione superficiale.

La coesione è una forza che tiene unite delle molecole dello stesso tipo, mentre l’adesione è la forza che permette l’unione tra molecole diverse. Per tensione superficiale si intende la pellicola elastica sottile e invisibile che si viene a creare sulla superficie dell’acqua. Viene sfruttata dagli insetti che pattinano sull'acqua liquida e non annegano.

Un calore specifico elevato

L’acqua ha un elevato calore specifico: questo comporta che si riscaldi e si raffreddi molto più lentamente rispetto ad altri materiali (come i metalli). Il calore specifico di una sostanza è la quantità di calore necessaria per innalzare di 1°C la temperatura di 1g di acqua (da 14,5°C a 15,5°). Il calore specifico dell’acqua è pari a 1 cal/g °C. La caloria è l’unita di misura del calore, che però non viene adottata come unità nel sistema internazionale (SI), dove viene utilizzato il joule (J). Le molecole d’acqua, come detto precedentemente, sono unite da legami intermolecolari che vengono spezzati da una parte di energia che deriva dal calore specifico.

1 cal = 4,184 J

L’acqua è un ottimo solvente

Negli organismi viventi l’acqua è sempre mescolata ad altre sostanze. Proprio per questo l’acqua è in grado di scogliere sia le sostanza ioniche sia quelle costituite da molecole polari.

SOLVENTE: per solvente si intende il componente più importante e presente in maggiori quantità. SOLUTO: per soluto si intende il componente presente in minori quantità;

Quando il solvente è l’acqua, si dice che la miscela (cioè un composto non omogeneo) è una soluzione acquosa.

Le proprietà delle soluzioni acquose

Le soluzioni acquose presentano alcune proprietà caratteristiche:

Molte sostanze in acqua vengono scisse: sia i composti ionici, sia alcuni composti molecolari quando interagiscono con l’acqua vengono scissi e le molecole producono ioni che possono essere negativi o positivi. Questi ioni vengono circondati dalle molecole d’acqua che li allontanano gli uni dagli altri; Un esempio comune si ha quando pensiamo al cloruro di sodio (il comune sale da cucina) che si scioglie nell'acqua: gli ioni cloruro con la loro carica negativa attraggono gli atomi di idrogeno delle molecole d’acqua, poiché l’idrogeno ha una carica positiva;

Le molecole di acqua possono ionizzarsi parzialmente:

Anche le molecole dell’acqua hanno la capacità di formare ioni. Quando due molecole si urtano energicamente, può avvenire il trasferimento di un ione idrogeno (H+) da una molecola all'altra, poiché quest’ultimo è molto attratto dalle cariche negative degli elettroni. In questo modo si terrà il processo chiamato ionizzazione e da questo processo si formeranno due ioni: lo ione idronio H3O+ e lo ione ossidrile OH- Le soluzioni sono acide e basiche. Una soluzione in cui la concentrazione degli ioni idronio (H3O+) è maggiore rispetto alla concentrazione degli ioni ossidrili si dice che è una soluzione ACIDA; mentre una soluzione in cui sia la concentrazione di ioni ossidrili (OH-) maggiore è detta BASICA.

H3O+ + OH- → Soluzione acida

H3O+ + OH- → Soluzione basica

Cos'è il pH?

Per misurare l’acidità o la basicità di una soluzione è possibile utilizzare anche la scala del pH, dato che il prodotto tra le concentrazioni di ioni idronio e ioni ossidrili è costante. La scala del pH quindi è un metodo che indica se una soluzione è basica o acida. Una soluzione si dice neutra quando il pH è pari a 7. La scala va dall’indice 0 all’0indice 14: una soluzione che ha l’indice pH minore di 7, è una sostanza acida, mentre una sostanza che ha un indice maggiore di 7 si dice che è basica.

http://www.youtube.com/watch?v=iC8Yd7ptGWk