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Universidad Nacional del Litoral
Secretaría Académica
Dirección de Articulación, Ingreso y Permanencia
Año 2015
Fisicoquímica biológica
ISBN: 978-987-692-009-4
Unidad 3. Estructura química
Viviana Cova
Un presunto descubrimiento científico no tiene ningún mérito,
a menos que pueda ser explicado a una camarera.
Ernest Rutherford (1871-1937)
Introducción
La química es una ciencia experimental con gran impacto en la vida. Permite
comprender la composición del cuerpo humano y su funcionamiento.
El cuerpo humano está compuesto por materia que sufre transformaciones constantemente. En sus células se encuentran moléculas, átomos, iones, y partículas
subatómicas. Los elementos que lo componen se encuentran en la tabla periódica,
algunos son metales, por ejemplo el hierro, calcio, sodio, magnesio, zinc; y otros son
no metales, como por ejemplo el carbono, oxígeno, nitrógeno, fósforo, azufre,
cloro. Dentro de los iones que componen el organismo humano el catión Ca2+
es necesario principalmente para la formación de hueso y para la trasmisión de
señales del sistema nervioso.
Por medio de la química se han descubierto sustancias farmacéuticas con el fin
de tratar las enfermedades y prolongar el estado de salud de los seres vivos. Se ha
aumentado la producción de alimentos mediante el uso de fertilizantes y plaguicidas.
Conocer la estructura íntima de la materia, poder comprender las transformaciones
que sufre y la cantidad, le permite al hombre hacer un mejor uso de los recursos de la
naturaleza y elaborar productos nuevos, parecidos a los naturales, pero con propiedades más ventajosas.
La química, por su propia naturaleza, es la ciencia básica para el entendimiento
fundamental de otras ciencias y tecnologías. El lenguaje de la química es un lenguaje
científico y universal de gran uso en otras disciplinas que se estudian en la carrera de
medicina.
La química estudia la composición, estructura y propiedades de la materia que constituye el universo y las transformaciones que ella experimenta.
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Fisicoquímica biológica / Unidad 3. Estructura química
3.1. Materia
La materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio
Propiedades
La materia tiene tres propiedades fundamentales:
1. Inercia: la materia tiende a no modificar su estado de reposo o movimiento por sí sola.
2. Impenetrabilidad: los objetos no pueden ocupar el mismo lugar en el mismo
espacio simultáneamente.
3. Extensión: cada objeto ocupa un lugar en el espacio.
Cuerpo es una porción limitada de materia.
Los cuerpos pueden tener otras propiedades que no son comunes a todos como, por
ejemplo, el sabor amargo.
3.2. Sustancia
Sustancia son las diferentes clases de materia con la que están formados los cuerpos.
Tienen una composición constante y propiedades distintivas.
Ejemplo: La articulación de la rodilla está compuesta por la acción conjunta de los huesos
(fémur, tibia, rótula) y dos discos fibrocartilaginosos (meniscos). Si comparamos los huesos
con los discos fibrocartilaginosos, vemos que difieren en sus propiedades. Ambos están
formados por materia, pero es evidente que son diferentes entre sí. En este caso son
distintas clases de materia las que componen a los huesos y a los discos fibrocartilaginosos.
Tipos de sustancias
Existen dos tipos de sustancias: simples y compuestas.
• Sustancias simples: aquellas en las cuales las moléculas que la componen
están formadas por un solo tipo de átomos. Ejemplo: O2 (molécula de oxígeno
que se inhala en la respiración).
• Sustancias compuestas: aquellas que tienen moléculas formadas por diferentes tipos de
átomos. Ejemplo: CO2 (molécula de dióxido de carbono que se exhala en la respiración).
Propiedades
Las propiedades permiten identificar las distintas sustancias por ello, es fundamental
conocerlas.
Por ejemplo cuando se dice que una sustancia que a temperatura ambiente es un
líquido incoloro, inodoro e insípido, que a una atmósfera de presión exterior hierve a
100ºC y solidifica a 0ºC, se sabe que se está haciendo referencia al agua.
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Existen algunas propiedades que son comunes a varias sustancias y otras, propias
de una determinada sustancia. Por ejemplo: todos los metales se presentan en estado
sólido a temperatura ambiente, a excepción del mercurio. Este último es un metal
líquido y se lo utiliza en los termómetros, ya que cuando la temperatura aumenta, el
mercurio se dilata y asciende por el capilar.
Las propiedades de las sustancias se clasifican de diversas maneras. Uno de los
criterios de clasificación las divide en propiedades extensivas e intensivas.
Las propiedades extensivas dependen de la cantidad de materia considerada. Por
ejemplo: la longitud y la masa. Si en un recipiente hay 35 g de solución fisiológica y en
otro 80 g y se colocan los dos contenidos en un tercer envase se obtienen 115 g de
solución fisiológica. La masa varió en función de la cantidad.
Las propiedades intensivas no dependen de la cantidad de materia considerada;
por ello son muy buenos indicadores para poder reconocer una sustancia.
Algunas propiedades intensivas son poco confiables para identificar sustancias,
porque no son exclusivas de cada sustancia: por ejemplo: el color, el sabor, el brillo,
el olor, el aspecto (límpido, opalescente, turbio) o de textura (suave, áspera, resbaladiza). Puede haber dos sustancias que tengan color similar, como por ejemplo: las
lágrimas y el suero.
Pero otras propiedades intensivas resultan muy buenos indicadores para reconocer sustancias porque son propias de cada una y, además, porque si se las mide
bajo iguales condiciones de presión se obtienen siempre los mismos valores. Por ello
se las denominan constantes físicas.
Las constantes físicas son:
• La densidad
• Los puntos de ebullición y de fusión
• La viscosidad
• La tensión superficial
Las constantes físicas se establecen por medio de mediciones experimentales: si
se determinan en las mismas condiciones, se observa que siempre se obtiene los
mismos valores.
Permiten identificar y caracterizar sustancias, por ejemplo: la sangre es más densa
y viscosa que el agua.
También se puede determinar la pureza de la muestra; ya que si se trata de una
mezcla, los valores se modifican. Por ejemplo: si se mide la temperatura del agua
cuando está hirviendo, a presión normal, se obtiene el valor de 100ºC y este valor
permanecerá constante mientras dure la ebullición. Pero si se mide el punto de ebullición de una mezcla de agua con sal, la temperatura no será de 100ºC, será más
elevada por la presencia de sal.
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Densidad: se la define como “la relación que existe entre la masa de la sustancia y el
volumen que esta ocupa”. La masa es una magnitud independiente de las demás; la
unidad de masa en el SiMeLA (Sistema Métrico Legal Argentino) es el kilogramo (1kg
= 1000 g). El volumen es una propiedad extensiva, pues depende de la cantidad de
sustancia. La unidad de volumen en el SiMeLA es el m3.
1 dm3 = 1 L por lo tanto 1 cm3 = 1 mL
La densidad es una magnitud derivada, porque se define a partir de otras magnitudes fundamentales: la masa y el volumen. La densidad varía con la presión
atmos-férica y la temperatura ambiente Por ejemplo la densidad del agua es 1000
kg/m3, que es igual a 1g/mL en condiciones normales de presión y temperatura.
Las unidades de densidad más utilizadas son:
• Para líquidos: g/mL
• Para sólidos: g/cm3
• Para gases: g/dm3
• SiMeLA: kg/m3
Para medir la densidad de los líquidos se puede emplear el densímetro, las tiras reactiva o refractómetro. Por ejemplo: para medir la densidad de la orina generalmente se
utilizan, en los laboratorios clínicos, las tiras reactivas. Los iones presentes en la orina
hacen virar el color de la tira. Y de esta manera, el color obtenido se compara con una
escala que da los valores de densidad. Los pacientes diabéticos suelen tener alta
densidad en la orina.
Los puntos de ebullición y de fusión: Se denomina punto de ebullición a la temperatura en la que se produce el pasaje del estado líquido al gaseoso. Mientras ocurre el
pasaje, la temperatura permanece constante. Si bien el punto de ebullición es propio
de cada sustancia, varía con la presión atmosférica. Si la presión disminuye, también
disminuye el punto de ebullición. Por el contrario, si la presión externa aumenta, el
punto de ebullición también.
Se denomina punto de fusión a la temperatura en la que una sustancia pasa del
estado sólido al líquido. También se llama punto de congelación. En el proceso de
pasaje de un estado a otro la temperatura permanece constante.
La viscosidad: Es la medida de la resistencia a fluir de un líquido; por ello, cuanto más
viscoso es un líquido, más lento fluye. La viscosidad disminuye al aumentar la temperatura. Ejemplo: El hematocrito mide el porcentaje de glóbulos rojos que se encuentra en
el volumen total sangre. Esta medición depende del número y tamaño de los glóbulos
rojos. A medida que aumenta el hematocrito aumenta la viscosidad de la sangre.
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La tensión superficial: Está relacionada con la cantidad de energía que se requiere
para extender o aumentar la superficie de un líquido.
3.4. Mezclas. Definición. Tipos
Mezcla es una combinación de dos o más sustancias
Es posible distinguir tres tipos de mezclas: las heterogéneas, las homogéneas y
las inhomogéneas
En las mezclas heterogéneas se pueden observar diferentes fases. Son aquellas
mezclas que no tienen la misma composición, propiedades y apariencias en todos
sus puntos. Por ejemplo, agua y aceite, arena y agua.
En las mezclas homogéneas no es posible distinguir fases. Su composición,
propiedades y apariencias es la misma en todos sus puntos. Se las conoce como
disoluciones o soluciones. Por ejemplo, el agua potable.
Y las mezclas inhomogéneas son aquellas en las cuales sus propiedades varían
gradualmente. Por ejemplo el océano o la atmósfera.
3.5. Molécula, átomos, elementos, iones e isótopos. Conceptos
Moléculas: son agrupaciones de al menos dos átomos enlazados covalentemente
que forman un sistema estable y eléctricamente neutro. Ejemplo: ZnO (óxido de Cinc)
es usado en la industria farmacéutica como pomada o polvo antiséptico.
Átomos: partícula mínima de materia, compuesto por una zona nuclear y otra zona
llamada extranuclear. Ejemplo: Mg (átomo de magnesio) necesario para la contracción y la relajación muscular.
Elementos: son los diferentes tipos de átomo. Ejemplo: los gases nobles o inertes
son: He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn. Muchos de ellos son utilizados por los médicos oftalmólogos para la cirugía laser ocular.
Iones: es una partícula cargada eléctricamente. Se lo define también como un átomo
o grupo de átomos que ha ganado o perdido electrones y su número de protones se
mantienen constantes. Se los divide en: aniones y cationes.
Aniones o iones cargados negativamente: Son átomos que han ganado electrones
(que son atraídos por el ánodo). Ejemplo: Los iones bromuros (Br-) en altas concentraciones son perjudiciales para el sistema nervioso y glándula tiroides.
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Cationes o iones cargados positivamente: Son átomos que han perdido electrones
(los que son atraídos por el cátodo). Ejemplo: K+ (catión potasio) se encuentra en el
líquido intracelular del organismo humano.
Isótopos: Son los diferentes átomos de un mismo elemento y tienen el mismo
número de protones y electrones pero difieren en el número de neutrones. Ejemplo:
123I (isótopo de yodo) es una fuente intensa de rayos gama muy eficaz para obtener
imágenes de las glándulas tiroideas y 127I lo utiliza la glándula tiroides para sintetizar
hormonas tiroideas. Ambos átomos neutros de Iodo tienen la misma cantidad de
protones y electrones (e- = p+ = 53), pero difieren en el número de neutrones (123I
tiene 70 neutrones y 127I tiene 74 neutrones).
3.6. Estructura atómica
En un átomo se pueden distinguir dos regiones: un núcleo central y una región externa
al núcleo.
A su vez, se pueden distinguir tres tipos de partículas subatómicas: el protón, el
neutrón y el electrón. Los dos primeros se ubican en un núcleo atómico, mientras que
el electrón se mueve en la región externa del átomo, que está prácticamente vacía.
Protones, neutrones y electrones se diferencian por su masa y por su carga eléctrica.
El electrón tiene una masa casi 2000 veces menor que la de los protones y la de
los neutrones.
La masa de los neutrones es igual que la de los protones.
En cuanto a las cargas, el electrón tiene carga negativa, el protón tiene carga positiva y un neutrón no tiene carga
En los átomos eléctricamente neutros, la cantidad de protones en el núcleo es
igual a la cantidad de electrones en la región externa.
3.7. Núcleo
El núcleo está formado por protones y neutrones. A excepción del átomo de hidrógeno, que tiene solo un protón.
Los distintos elementos que se encuentran en la naturaleza se diferencian entre sí,
entre otras cosas, por la cantidad de protones que contienen sus núcleos.
El número atómico Z se define como el número de protones que se encuentra en el
núcleo del átomo. Ejemplo: para el sodio Z es igual a 11.
El número másico A se define como el número de protones más el número de
neutrones. Ejemplo: el átomo de carbono 12 tiene 6 protones y 6 neutrones. Pero en
el isótopo de carbono 14 (C-14) se encuentran 6 protones y 8 neutrones.
La región externa al núcleo
En la zona externa al núcleo se encuentran los electrones.
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El orbital es la zona donde es más probable encontrar los electrones. Hay distintos
tipos de orbitales y cada uno de ellos tiene una forma geométrica característica.
En un átomo aislado, todo electrón se mueve en un orbital manteniendo una
energía constante, llamada nivel de energía.
Números cuánticos
Para caracterizar a los electrones de un átomo se utiliza un conjunto de números
denominados números cuánticos, que brindan la siguiente información:
El número cuántico principal, indicando con la letra n, se denomina el nivel de
energía en el cual se encuentra un electrón.
Al menor nivel de energía le corresponde n = 1; al siguiente, n = 2, etc.
Si a un electrón se le asigna el número cuántico principal n = 4, por ejemplo, es
porque está ubicado en el cuarto nivel de energía.
El número cuántico azimutal, indicado con la letra l, describe la forma geométrica
del orbital en el cual se ubica al electrón.
El número cuántico magnético, indicado con la letra m, describe la orientación del
orbital en el espacio.
El número cuántico de espín, indicando como s, es el giro del electrón, indica una
propiedad de carácter magnético del electrón.
Solo puede tener dos valores, +½ y – ½.
Ubicación de los electrones
En la configuración electrónica de un elemento indica la ubicación de los electrones
en la zona extra nuclear.
Por ejemplo: la abreviatura 2p4 indica que cuatro electrones están ocupando un
orbital tipo p del segundo nivel de energía.
Electrones externos e internos
Las propiedades químicas de un determinado tipo de átomos dependen, básicamente del número de electrones ubicados en el último nivel o nivel más externo. A
estos últimos se los denomina electrones de valencia, mientras que a los restantes se
los denomina electrones internos, los electrones de valencia tienen un papel fundamental en la formación de enlaces químicos.
La Tabla Periódica moderna
La tabla periódica moderna está constituida por:
• filas o períodos ( 7 )
• columnas o grupos (18 + 14 de los elementos de transición interna)
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A medida que se avanza un casillero Z (número atómico) aumenta una unidad, es
decir aumenta el número de protones al ir pasando de un elemento al siguiente en la
tabla periódica.
Los elementos se ubican en filas, según su configuración electrónica.
Las columnas permiten clasificar los elementos según el grupo en que se
encuentra:
• Grupo de Elementos Representativo: el número de grupo coincide con los e- del
último nivel:
- En el 1er. Grupo (o columna) se encuentran los metales alcalinos
- En el 2do. Grupo (o columna) se encuentran los metales alcalinos térreos
• Grupo de metales de Transición
• Grupo de metales de Transición Interna: son el sexto período (o Lantánidos) y
séptimo período (o Actínidos)
• Grupo de metaloides o semimetales: son elementos con propiedades intermedias entre los metales y los no metales.
• Grupo de no metales
• Los Gases Nobles o Gases Inertes: son los elementos del último grupo o columna
de la tabla periódica de los elementos. Se los llama inertes porque al tener completo
su nivel de energía no reaccionan, encontrándoselos libre en la naturaleza.
Los elementos ubicados en una misma columna o grupo, tienen el mismo número de
electrones en su último nivel. Ellos son llamados e- de valencia y son los que intervienen en su unión con otros átomos.
Tamaño de los átomos: está dado por el radio atómico
Radio atómico: es la mitad de la distancia que separa a los núcleos atómicos cuando
dos átomos se encuentran unidos en la tabla periódica de los elementos el radio
atómico aumenta de arriba hacia abajo y de derecha a izquierda.
De arriba hacia abajo porque a mayor nivel de energía mas es la separación de los econ el núcleo. De derecha a izquierda: porque a medida que aumenta Z va creciendo
el número de p+ del núcleo, por lo tanto más e- hay en la zona externa al núcleo (ya que
los elementos en la tabla periódica están distribuidos como si fueran átomos neutros).
Al haber mayor atracción, en un mismo nivel, vamos a tener menor radio.
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