Chimica e Propedeutica Biochimica: Costituzione della Materia e Struttura Atomica

Flashcards di chimica generale e propedeutica biochimica riguardanti la materia, la struttura atomica, gli isotopi, la risonanza magnetica nucleare, i numeri quantici, le regole di configurazione elettronica e le proprietà periodiche.

Materia

Tutto ciò che possiede una massa e occupa uno spazio (volume). In chimica viene studiata nella sua composizione, struttura, proprietà e nelle trasformazioni a cui è soggetta.

Sostanze pure

Porzioni di materia che presentano una composizione chimica fissa e definita; si suddividono in elementi e composti.

Elementi

Sostanze pure costituite da atomi dello stesso tipo, non scomponibili in sostanze più semplici (ad esempio l'ossigeno $O_2$ e l'idrogeno $H_2$).

Composti

Sostanze pure formate dall'unione chimica di due o più elementi combinati in proporzioni fisse (ad esempio l'acqua $H_2O$ e il cloruro di sodio $NaCl$).

Miscele (o miscugli)

Insieme di due o più sostanze che non reagiscono chimicamente tra loro; possono essere omogenee oppure eterogenee.

Miscele omogenee (o soluzioni)

Miscele uniformi in ogni loro punto che costituiscono una sola fase (ad esempio acqua e sale sciolto).

Miscele eterogenee

Miscele composte da fasi fisicamente distinte e chiaramente riconoscibili (ad esempio acqua e olio).

Protone ($p^+$)

Particella subatomica dotata di carica positiva (+1), situata nel nucleo dell'atomo, avente una massa di circa $1,67 \times 10^{-24}\,\text{g}$ ($1\,\text{u.m.a.}$).

Neutrone ($n$)

Particella subatomica dotata di carica neutra (0), situata nel nucleo dell'atomo, con una massa simile a quella del protone.

Elettrone ($e^-$)

Particella subatomica a carica negativa (-1) che ruota intorno al nucleo nello spazio circostante, con massa trascurabile pari a $9,11 \times 10^{-28}\,\text{g}$.

Numero atomico ($Z$)

Parametro che indica il numero di protoni presenti all'interno del nucleo, determinando in modo univoco l'elemento chimico.

Numero di massa ($A$)

Parametro dato dalla somma complessiva di protoni e neutroni contenuti nel nucleo atomico.

Stato solido

Stato di aggregazione caratterizzato da forma e volume propri, in cui le particelle sono fisse e fortemente coese tra loro.

Stato liquido

Stato di aggregazione con volume proprio che assume la forma del recipiente che lo contiene, nel quale le particelle scorrono le une sulle altre.

Stato aeriforme (gas)

Stato di aggregazione privo sia di forma sia di volume propri, in cui le particelle si muovono liberamente e occupano tutto lo spazio disponibile.

Isotopi

Atomi appartenenti allo stesso elemento chimico che presentano il medesimo numero atomico ($Z$) ma diverso numero di massa ($A$).

Peso atomico (massa atomica relativa)

Media ponderata delle masse di tutti gli isotopi stabili di un elemento chimico, calcolata in base alla loro abbondanza relativa in natura.

Isotopi stabili

Isotopi che non subiscono variazioni nel tempo e non decadono (come il Carbonio-12 e il Carbonio-13).

Isotopi instabili (radioisotopi)

Isotopi che possiedono un nucleo energeticamente instabile che tende a decadere emettendo radiazioni per trasformarsi in un atomo più stabile (come il Carbonio-14).

Spin nucleare

Proprietà quantistica intrinseca di protoni e neutroni all'interno del nucleo atomico, immaginabile come una rotazione attorno al proprio asse; è diverso da zero quando il nucleo possiede un numero dispari di protoni e/o neutroni.

Momento di dipolo magnetico nucleare

Piccolissimo campo magnetico generato dal protone in movimento di spin a causa della sua carica positiva, che fa comportare il nucleo come una microscopica calamita.

Allineamento parallelo (RMN)

Stato a bassa energia in cui i nuclei atomici sottoposti a un campo magnetico esterno statico ($B_0$) si orientano nella stessa direzione del campo.

Allineamento antiparallelo (RMN)

Stato ad alta energia in cui i nuclei atomici sottoposti a un campo magnetico statico ($B_0$) si orientano nella direzione opposta rispetto al campo.

Frequenza di Larmor

Frequenza esatta di oscillazione propria dei nuclei atomici, corrispondente alla frequenza dell'onda radio (impulso RF) necessaria per farli entrare in risonanza.

Rilassamento (RMN)

Processo per cui, una volta spento l'impulso a radiofrequenza, i nuclei tornano spontaneamente allo stato iniziale di equilibrio allineandosi con $B_0$ e restituendo l'energia assorbita sotto forma di debole segnale elettromagnetico.

Orbitale atomico

Regione dello spazio intorno al nucleo in cui vi è un'alta probabilità (superiore al 90%) di trovare un elettrone.

Numero quantico principale ($n$)

Numero quantico con valori interpositivi ($n = 1, 2, 3, \dots$) che definisce il livello energetico principale e la dimensione dell'orbitale.

Numero quantico secondario o azimutale ($l$)

Numero quantico con valori da $0$ a $n-1$ che determina la forma dell'orbitale e la geometria del sottolivello ($l=0$ sferico s; $l=1$ a due lobi p; $l=2$ a quattro lobi d; $l=3$ forma complessa f).

Numero quantico magnetico ($m_l$)

Numero quantico con valori compresi tra $-l$ e $+l$ che specifica l'orientamento spaziale dell'orbitale (es. per $l=1$, $m_l = -1, 0, +1$, indicando i tre orbitali degeneri $p_x, p_y, p_z$).

Numero quantico di spin ($m_s$)

Numero quantico che assume valori $+1/2$ o $-1/2$, indicando il senso di rotazione intrinseca dell'elettrone sul proprio asse.

Principio di Aufbau (o della costruzione progressiva)

Regola secondo cui gli elettroni occupano sempre gli orbitali disponibili a minore energia prima di riempire quelli a energia superiore, seguendo la regola delle diagonali ($1s \rightarrow 2s \rightarrow 2p \rightarrow 3s \rightarrow 3p \rightarrow 4s\dots$).

Principio di esclusione di Pauli

Regola secondo cui in un atomo non possono esistere due elettroni aventi tutti e quattro i numeri quantici uguali; ciascun orbitale può quindi ospitare al massimo due elettroni con spin opposti ($\uparrow\downarrow$).

Regola di Hund (o della massima molteplicità)

Criterio secondo cui gli elettroni che si dispongono in orbitali degeneri tendono a occupare il maggior numero possibile di orbitali singolarmente con spin paralleli ($\uparrow\uparrow\uparrow$), riducendo la repulsione elettrostatica prima di appaiarsi.

Bioelementi (CHON)

I quattro elementi fondamentali (Carbonio, Idrogeno, Ossigeno e Azoto) che costituiscono oltre il 96% della massa degli organismi viventi.

Tavola periodica degli elementi

Sistema ideato da Dmitrij Mendeleev nel 1869 e ordinato per numero atomico crescente ($Z$) che raggruppa 118 elementi in 7 periodi (righe) e 18 gruppi (colonne).

Configurazione elettronica esterna (guscio di valenza)

Disposizione degli elettroni nel livello energetico più esterno dell'atomo; definisce il comportamento chimico dell'elemento ed è identica per elementi dello stesso gruppo.

Raggio atomico (e volume atomico)

Grandezza che esprime la dimensione dell'atomo; diminuisce lungo un periodo da sinistra a destra (per aumento della carica nucleare) e aumenta scendendo lungo un gruppo (per aggiunta di nuovi livelli energetici).

Potenziale (o energia) di ionizzazione

Energia minima richiesta per strappare un elettrone da un atomo isolato nello stato gassoso, trasformandolo in un catione; aumenta lungo il periodo e diminuisce scendendo lungo il gruppo.

Affinità elettronica

Variazione di energia associata all'acquisto di un elettrone da parte di un atomo neutro in fase gassosa per formare un anione; tende ad aumentare procedendo da sinistra verso destra lungo un periodo e salendo lungo un gruppo.

Elettronegatività

Tendenza di un atomo ad attrarre a sé gli elettroni di condivisione in un legame chimico (scala di Pauling); aumenta da sinistra a destra nei periodi e diminuisce dall'alto in basso nei gruppi (valore massimo al fluoro, pari a 4).

Regola dell'ottetto

Regola formulata da Gilbert Lewis secondo cui gli atomi tendono a guadagnare, perdere o condividere elettroni fino a raggiungere 8 elettroni nel guscio di valenza, acquisendo massima stabilità energetica e inerzia chimica.

Molecole

Aggregati di due o più atomi tenuti insieme da legami chimici covalenti, che rappresentano l'unità strutturale fondamentale di molti composti (es. $H_2O$, $CO_2$).

Cationi

Ioni con carica elettrica netta positiva derivanti dalla perdita di uno o più elettroni da parte di un atomo neutro (ad esempio $Na^+$).

Anioni

Ioni con carica elettrica netta negativa derivanti dall'acquisto di uno o più elettroni da parte di un atomo neutro (ad esempio $Cl^-$).

Ioni poliatomici

Gruppi di atomi legati covalentemente tra loro che possiedono una carica elettrica netta e si comportano come un'unica entità ionica durante le reazioni (es. il solfato $SO_4^{2-}$, il carbonato $CO_3^{2-}$, lo ione ammonio $NH_4^+$).