Structura materiei

STRUCTURA MATERIEI

Materia in univers se gaseste sub doua forme de existenta:

substanta - care are o structura discontinua, discreta, formata din microparticule din a caror asociere rezulta corpurile, si se prezinta sub diferite stari de agregare: gazoasa, lichida, solida si plasma;

camp - cu o structura continua prin intermediul careia particulele de substanta interac­tioneaza intre ele. Dupa natura lui campul poate fi: gravitational, electric, magnetic, nuclear, biologic etc.

Materia vie este forma superioara de organizare a materiei, fiind constituita din substanta cu structura specifica, si camp biologic. Se caracterizeaza printr-o mare heterogenitate si complexitate, precum si prin capacitatea de a-si mentine structura, de a se reinnoi si adapta in functie de conditiile mediului inconjurator.

1. Structura moleculara

Prin asocierea atomilor se formeaza grupari stabile numite molecule, care pastreaza proprietatile si compozitia procentuala a substantei. Dimensiunea moleculelor este de ordinul 10^-10 m in cazul moleculelor mici, care sunt constituite dintr-un numar restrans de atomi, si 10^-7 - 10^-6 m in cazul macromoleculelor care pot cuprinde peste 10⁴ atomi. Organismele vii contin molecule mari (de exemplu, macromolecula de ADN are 10⁸ - 10⁹ atomi).

Structura si stabilitatea moleculelor sunt determinate de interactiunile fizice ce se manifesta intre particulele constituiente ale atomilor, precum si intre atomii moleculei. Efectul imediat al interactiunilor dintre atomi sau grupuri de atomi este formarea legaturilor chimice si dispunerea spatiala a acestora.

In general, fortele interatomice (intramoleculare) sunt de natura electrica, deoarece atomii sunt formati din nuclee pozitive si electroni negativi, ceea ce determina aparitia interactiunilor repulsive, respectiv atractive. Expresia acestor forte electrostatice este data de legea lui Coulomb:

(1)

unde q₁, q₂ sunt sarcinile electrice, r distanta dintre particule, iar e este permitivitatea mediului.

1.1. Stabilitatea moleculelor

Se considera un ansamblu de doi atomi aflati la distanta r unul de altul, cand fortele dintre acestia pot fi predominant de atractie sau de repulsie, sau in ansamblul lor sa se compenseze reciproc. In figura 1. este reprezentata variatia cu distanta a energiei potentiale datorata fortelor intramoleculare.

Energia potentiala datorata fortelor de atractie este negativa, iar cea datorata fortelor de respingere este pozitiva. Energia potentiala totala este rezultanta celor doua energii (linia punctata).

Cand distanta dintre cei doi atomi este mare, practic fortele interatomice sunt nule, iar energia ansamblului este data de suma energiei fiecarui atom. Cu scaderea distantei incep sa se manifeste fortele de atractie si de respingere, si cum variatia acestora este diferita, la o anumita distanta, r₀, cele doua devin egale in modul. Aceasta configuratie corespunde energiei potentiale minime a ansamblului de atomi, respectiv starii stabile in care cei doi atomi formeaza o molecula.

Fig.1. Energia potentiala datorata fortelor intramoleculare.

Cand distanta dintre cei doi atomi este mare, practic fortele interatomice sunt nule, iar energia ansamblului este data de suma energiei fiecarui atom. Cu scaderea distantei incep sa se manifeste fortele de atractie si de respingere, si cum variatia acestora este diferita, la o anumita distanta, r₀, cele doua devin egale in modul. Aceasta configuratie corespunde energiei potentiale minime a ansamblului de atomi, respectiv starii stabile in care cei doi atomi formeaza o molecula.

Daca molecula primeste o energie mai mare decat energia potentiala minima W_min, egala cu energia gropii de potential, ea se desface in atomii constituenti care se deplaseaza separat cu viteze determinate de surplusul de energie. Energia minima necesara desfacerii moleculei se numeste energie de legatura W_leg, deci:

W_leg = - W_min (2)

In concluzie, stabilitatea moleculei se datoreaza fortelor interatomice (intra­moleculare) si corespunde energiei potentiale minime.

1. Dipoli electrici

O proprietate importanta a moleculelor este distributia spatiala a sarcinilor electrice, care explica unele interactiuni moleculare si comportarea moleculelor in campurile de forte externe.

Moleculele, care din punct de vedere electric sunt neutre, pot avea o structura spatiala simetrica sau una asimetrica, in care centrul de greutate al sarcinilor pozitive (nucleele) nu coincide cu centrul de greutate al sarcinilor negative (electronii), ele fiind despartite spatial (Fig.). O astfel de molecula se comporta la interactiunea cu un camp exterior ca un dipol electric permanent, fiind caracterizat de un moment dipolar permanent (m

m = q d  (3)

unde q este sarcina iar d distanta dintre centrele de greutate ale sarcinilor electrice. Exemple de molecule ce se comporta ca un dipol permanent sunt apa, amoniacul gazos, cetonele, esterii, aminele primare, urea etc.

Fig. Dipoli electrici: (a) permanent, (b) indus, (c) instantaneu.

Unele molecule cu o structura simetrica pot deveni dipoli in prezenta unui camp electric exterior, care separa centrele sarcinilor, inducand un moment dipolar:

m a E    (4)

unde a reprezinta polarizabilitatea moleculei - capacitatea de formare a norului electronic, iar E este intensitatea campului electric extern. Acest tip de molecula este un dipol indus.

Exita unele molecule unde repartitia asimetrica a sarcinilor electrice rezulta datorita miscarii norului electronic, obtinandu-se un dipol instantaneu, a carui orientare variaza in timp, avand un moment dipolar doar intr-un interval de timp foarte scurt.

Majoritatea moleculelor de natura biologica sunt molecule de tip dipol.

Legaturi intramoleculare si intermoleculare

Studiile privind structura materiei au condus la concluzia ca, in conditii normale, sub forma de atomi liberi stabili exista numai gazele rare si metalele in stare de vapori. Atomii celorlalte elemente se combina intre ei, dar mai ales cu atomii altor elemente. Prin asocierea atomilor se degaja energie, obtinandu-se molecule sau grupari moleculare de energie mai mica,dar mai stabile decat daca ar ramane in stare libera.

Modul cum se formeaza o molecula din atomi individuali se reflecta in legatura chimica intramoleculara. Exista trei tipuri de legaturi: ionica, covalenta, metalica.

Moleculele, la randul lor, pot sa interactioneze intre ele, formand legaturi intermoleculare si rezultand macromolecule. Aceste legaturi sunt: legatura van der Waals si legatura (puntea) de hidrogen.

Din punct de vedere energetic, legaturile intramoleculare sunt mai puternice, astfel legatura ionica si cea covalenta au energia de legatura de ordinul 10 - 10² kcal/mol. In schimb, legaturile intermoleculare sunt mai slabe, dar au rol esential in mentinerea structurii materiei vii si a dinamicii ei.

Deci, la baza oricarei legaturi stau interactiunile fizice, exprimate prin diferite tipuri de forte, lucru valabil si pentru legaturile ce formeaza moleculele biologice.

1. Legatura van der Waals

Majoritatea substantelor organice si unele combinatii anorganice ale nemetalelor formeaza asociatii moleculare datorita existentei unor interactiuni fizice slabe intre molecule sau grupari moleculare, care determina deformarea orbitalilor atomici sau moleculari. Fortele van der Waals apar datorita acestor deformari si se manifesta fie intre molecule, fie intre parti ale unor molecule mari. In general, sunt forte de natura electrica mai slabe, intensitatea energetica este mai mica decat in cazul legaturilor ionice si covalente, fiind de ordinul 1-2 kcal/mol.Forte van der Waals sunt proportionale cu 1/ r⁴.

Legatura de hidrogen

Legatura de hidrogen sau puntea de hidrogen este de natura electrostatica, fiind o forma speciala a interactiunii dipol-dipol, dar mai puternica decat legatura van der Waals, avand o energie de legatura cuprinsa intre 4-7 kcal/mol.

Acest tip de legatura se formeaza intre atomul H legat covalent de un atom puternic electronegativ ca O sau N si un al doilea atom tot cu electronegativitate ridicata. Este specifica apei, careia nu ii confera o structura rigida, ci mai degraba o structura in echilibru dinamic in care aceste punti de hidrogen se rup si se formeaza permanent. Astfel se pot explica agregatele moleculare si proprietatile speciale ale apei.

Puntile de hidrogen au un rol important in stabilirea structurilor spatiale ale biopolimerilor si in formarea dublei elice intre doua lanturi complementare de ADN.

3. Interactiunea hidrofoba

Dupa interactiunea cu molecula de apa, unele substante imersate se incadreaza in doua tipuri sau grupari moleculare:

hidrofile - care interactioneaza cu apa. La dizolvarea lor se degaja o cantitate mare de energie (DG < 0). Din categoria acestor substante fac parte electrolitii si diferite grupari polare ale unor molecule, chiar daca gruparea este legata de un rest molecular cu caracter apolar.

hidrofobe - care nu interactioneaza cu apa. Energia eliberata la dizolvare nu este suficienta pentru desfacerea structurii supramoleculare a apei. Astfel de substante sunt: hidrocarburile saturate, catenele hidrocarburice din acizii grasi etc.

Caracterul hidrofob al unor substante este evaluat prin variatia energiei libere Gibbs, in cazul dizolvarii lor intr-un solvent apolar, respectiv polar, care este pozitiva (DG > Daca moleculele au o parte hidrofoba si una hidrofila, cand sunt introduse in apa, isi orienteaza partile hidrofile spre apa iar cele hidrofobe se grupeaza.

In concluzie, interactiunea hidrofoba reprezinta tendinta moleculelor sau a agregatelor moleculare apolare de a se grupa atunci cand sunt imersate in apa. Acest fapt se constata des in cazul macromoleculelor biologice. Astfel, interactiunea hidrofoba contribuie la formarea structurii spatiale a proteinelor, la stabilirea dublei elice a ADN-ului si chiar la structura supramoleculara a materiei vii.

Referitor la structura organismelor vii se pot face urmatoarele observatii:

materia organica din biosisteme este alcatuita, in principal, dintr-o varietate foarte mare de biopolimeri, care au la baza structurala un numar destul de restrans de monomeri.

componentii macromoleculari au proprietati si functii specifice, determinate de compozitia lor chimica, dar si de structura lor spatiala.

interactiunile moleculare din organismele vii au un grad ridicat de specificitate, determinat de configuratia spatiala.

componentii macromoleculari alcatuiesc complexe supramoleculare din care se asambleaza organitele celulare, celulele, organele, tesuturile etc pana la intregul organism.

toate procesele si interactiunile ce au loc la diferite nivele de organizare ale sistemelor vii se supun legilor fizicii si chimiei.