Noțiuni fundamentale de chimie

Atomii sunt unitățile fundamentale din care sunt alcătuite elementele chimice, iar moleculele reprezintă unitățile de bază ale compușilor chimici. Un compus chimic este o substanță chimică pură formată din două sau mai multe elemente cu un raport de atomi și mase bine stabilit.

În natură există 92 de elemente chimice, fiecare element neputând fi dezintegrat prin mijloace chimice. Patru elemente (H, C, O, N) formează peste 90% din greutatea corpului nostru.

Atomul este cea mai mică parte dintr-un element care poate intra în combinații cu atomii altor elemente. Structura atomului include: nucleul (format din protoni încărcați pozitiv și neutroni fără sarcină electrică) și electronii (încărcați negativ) care orbitează în jurul nucleului pe anumite straturi.

⚡ Știai că? Masa unui proton sau neutron este de 1835 de ori mai mare decât masa unui electron, ceea ce explică de ce aproape toată masa atomului este concentrată în nucleu!

Numere atomice și mase atomice

Numărul atomic (Z) reprezintă numărul de protoni dintr-un atom și determină identitatea elementului chimic. Numărul de masă (A) este suma protonilor și neutronilor din nucleul atomic.

Fiecare element chimic are un simbol specific format din una sau două litere. Pentru elementele esențiale organismului uman, este util să cunoaștem:

• Hidrogenul (H) - Z=1, A=1
• Carbonul (C) - Z=6, A=12
• Azotul (N) - Z=7, A=14
• Oxigenul (O) - Z=8, A=16

Elementele precum sodiul (Na), potasiul (K) și calciul (Ca) sunt de asemenea vitale pentru funcționarea organismului uman. Simbolurile lor provin adesea din denumirile latine (natrium, kalium), ceea ce explică diferența față de denumirile în română.

🔍 Reține că numărul atomic determină identitatea elementului, în timp ce numărul de masă poate varia pentru același element (formând izotopi).

Structura electronică a atomilor

Electronii sunt distribuiți în straturi electronice notate cu K, L, M, N, O, P, Q sau cu numerele 1-7. Fiecare strat conține substraturi de tipul s, p, d și f, care la rândul lor conțin orbitali.

Configurația electronică a unui atom urmează principiul de umplere progresivă a straturilor și substraturilor în ordinea energetică. Primul strat (K) poate conține maximum 2 electroni, al doilea (L) - 8 electroni, iar straturile următoare au capacități tot mai mari.

Exemple de configurații electronice:

• Hidrogenul $H, Z=1$: 1s¹
• Heliul $He, Z=2$: 1s² (configurație stabilă de dublet)
• Litiul $Li, Z=3$: 1s²2s¹
• Neonul $Ne, Z=10$: 1s²2s²2p⁶ (configurație stabilă de octet)
• Calciul $Ca, Z=20$: 1s²/2s²2p⁶/3s²3p⁶/4s²

💡 Configurația electronică determină comportamentul chimic al elementelor! Atomii cu 2 electroni (dublet) sau 8 electroni (octet) pe ultimul strat sunt deosebit de stabili.

Stabilitatea atomică și reacții redox

Atomii sunt cei mai stabili când au pe stratul extern un număr complet de electroni: 2 electroni (dublet) pentru H și He sau 8 electroni (octet) pentru celelalte elemente. Pentru a atinge stabilitatea, atomii tind să cedeze sau să primească electroni.

Elementele inerte (He, Ne, Kr) au atomi stabili care nu intră în reacție cu alți atomi datorită configurației electronice complete pe ultimul strat.

Reacțiile de oxido-reducere (redox) implică simultan:

• Oxidare - procesul de cedare/pierdere de electroni
• Reducere - procesul de primire/acceptare de electroni

Când atomii pierd sau primesc electroni, se încarcă electric, devenind ioni:

• Ioni pozitivi (cationi) - au cedat electroni (ex: Na⁺, Ca²⁺, K⁺)
• Ioni negativi (anioni) - au primit electroni (ex: Cl⁻, O²⁻)

🩸 Ionii de Na⁺, K⁺ și Ca²⁺ sunt esențiali pentru fiziologia umană, reglând potențialul membranar, contracția musculară și multe alte procese!

Izotopi și molecule

Izotopii sunt specii de atomi care au același număr atomic (Z), dar număr de masă (A) diferit. Practic, au același număr de protoni, dar un număr diferit de neutroni (ex: ¹²C și ¹⁴C).

Moleculele reprezintă combinații chimice de doi sau mai mulți atomi. Acestea pot fi formate din:

• Atomi identici (H₂, O₂) - molecule elementare
• Atomi diferiți (H₂O, CO₂) - compuși chimici

Masa moleculară se calculează adunând masele atomice ale tuturor atomilor din moleculă $ex: masa H₂O = 2×1 + 16 = 18 daltoni$.

Atomii se leagă între ei în molecule prin legături chimice:

• Legătura ionică - implică un transfer de electroni, formând ioni cu sarcini opuse care se atrag (ex: NaCl)
• Legătura covalentă - implică punerea în comun de electroni
• Legătura de hidrogen - atracții între părți ușor pozitive și ușor negative ale moleculelor

💧 Apa are proprietăți unice datorită legăturilor de hidrogen care se formează între moleculele sale, ceea ce explică punctul ridicat de fierbere, coeziunea și capacitatea de a dizolva multe substanțe!

Tipuri de legături și reacții chimice

Legătura covalentă poate fi:

• Simplă - împărțirea unei perechi de electroni
• Dublă - împărțirea a două perechi de electroni
• Triplă - împărțirea a trei perechi de electroni

Legăturile de hidrogen sunt cruciale în biologie:

• Țin împreună moleculele de apă
• Mențin structura de dublu helix a ADN-ului
• Determină forma tridimensională a proteinelor

O reacție chimică este procesul prin care substanțele chimice interacționează pentru a forma noi legături. Acestea pot fi reprezentate sub formele:

• A → B + C
• AB + CD → AC + BD
• A + H₂O → B (hidroliză)

Apa este solventul universal în organismul uman, reprezentând peste 75% din compoziția acestuia. Toate reacțiile chimice fiziologice au loc în mediu apos, ceea ce face apa esențială pentru viață.

🧪 Hidroliza este un tip specific de reacție în care apa este introdusă în proces, fiind esențială pentru digestie și multe alte procese metabolice!

Compuși organici fundamentali

Glucoza (C₆H₁₂O₆) este un compus organic esențial, având următoarea structură:

    H
    C=O
    |
H-C-OH
    |
HO-C-H
    |
H-C-OH
    |
H-C-OH
    |
H-C-OH
    |
    H

Această moleculă are un rol crucial în metabolismul energetic, fiind principala sursă de energie pentru celule. Structura sa conține grupări hidroxil $-OH$ și o grupare carbonil $C=O$, care îi conferă proprietățile specifice.

Glucoza aparține clasei glucidelor (zaharide), compuși organici formați din carbon, hidrogen și oxigen. Este un monozaharid, care poate fi metabolizat direct de către celule prin glicoliză.

🔋 Creierul uman consumă aproximativ 120 g de glucoză zilnic, fiind organul care depinde exclusiv de acest compus pentru funcționarea optimă!

Chimia organică și compușii biochimici

În anii 1800 s-a descoperit că unii compuși din structura organismelor vii pot fi sintetizați în laborator. Un moment crucial a fost în 1828, când Friedrich Wöhler a sintetizat primul compus organic (ureea), demonstrând că fiziologia organismului este corelată cu chimia.

Compușii chimici se împart în:

• Anorganici
• Organici:
  • Glucide
  • Lipide
  • Proteine
  • Acizi nucleici

Formarea substanțelor organice depinde de modul în care se leagă atomii între ei pentru a forma molecule. Toată materia din univers este formată din unul sau mai multe elemente chimice fundamentale.

Proprietățile unei molecule sunt determinate de dispoziția atomilor în structura sa, nu doar de compoziția elementală. Carbonul are o capacitate remarcabilă de a forma compuși complecși datorită structurii sale electronice, ceea ce explică diversitatea enormă a compușilor organici.

🧬 Există milioane de compuși organici cunoscuți, dar majoritatea celor esențiali pentru viață conțin doar 6 elemente principale: C, H, O, N, P și S!

Elementele esențiale și legăturile chimice

Elementele esențiale pentru organismul uman includ:

• Macroelemente: H, C, O, N, P, S, Na, K, Ca, Mg, Cl
• Microelemente $oligo-elemente$: Fe, Zn, Cu, Mn, Co, I

Pentru formarea unei legături chimice, atomii trebuie să se apropie astfel încât straturile lor electronice să se suprapună, permițând schimbul sau împărțirea de electroni.

Carbonul este remarcabil prin capacitatea sa de a participa la multiple legături covalente. Având doar 4 electroni în stratul extern, el poate forma 4 legături covalente cu alți atomi sau grupări. Această proprietate explică de ce chimia organică se ocupă aproape exclusiv de chimia carbonului.

Diversitatea compușilor organici derivă din:

• Capacitatea carbonului de a forma lanțuri și inele
• Formarea de legături simple, duble și triple
• Combinarea cu diferite elemente și grupări funcționale

În molecule precum apa (H₂O), întâlnim atât legături covalente (între H și O în cadrul moleculei), cât și legături de hidrogen (între molecule diferite de apă).

🔗 Fără capacitatea unică a carbonului de a forma 4 legături covalente stabile, viața așa cum o cunoaștem nu ar fi posibilă!

Apa, reacții chimice și proteine

Apa este un component esențial în numeroase reacții chimice, fie ca reactant adăugat, fie ca produs rezultat. Hidroliza este un tip specific de reacție în care apa este introdusă pentru a rupe anumite legături chimice.

Reacțiile chimice din organism implică adesea schimbul de părți între moleculele reactante sau reacții redox (schimb de electroni).

Proteinele au roluri multiple și esențiale:

• Formează componente celulare (ex: proteine musculare)
• Constituie mulți hormoni (insulina, hormonii de creștere)
• Funcționează ca enzime care catalizează majoritatea reacțiilor chimice din celule

Enzimele sunt catalizatori biologici care:

• Accelerează reacțiile chimice
• Nu sunt consumate în reacție
• Rămân disponibile pentru reacții viitoare

Proteinele extracelulare formează materialul de suport și întărire pentru oase, cartilaj, tendoane și ligamente. Aminoacizii din proteine pot servi și ca sursă de energie pentru celulă - în caz de nevoie, ficatul îndepărtează gruparea amino $-NH₂$ din aminoacizi, iar celulele folosesc compușii rezultați pentru energie.

🏗️ Aproximativ 50% din masa uscată a organismului este formată din proteine, demonstrând importanța crucială a acestora pentru structura și funcționarea corpului!