Clorura de sodiu
Biologia moleculară a nutriției
Ce se întâmplă atunci când combinați clorul (un gaz otrăvitor) cu sodiul (un metal toxic)? Obțineți sare de masă (clorură de sodiu), un cristal care se dizolvă în doi nutrienți esențiali. Cum se transformă două substanțe toxice în nutrienți? Se combină ca atomi și se separă ca ioni.
Când atomii de sodiu și de clor se reunesc pentru a forma clorură de sodiu (NaCl), aceștia transferă un electron. Atomul de sodiu (Na) transferă un electron către atomul de clor (Cl), astfel încât ambii să aibă cochilii exterioare complete. Cu învelișurile exterioare umplute, acestea nu mai sunt active din punct de vedere chimic și nu pot forma legături covalente pentru a deveni parte a unei molecule. Cu transferul electronului, însă, acestea devin încărcate electric și se combină în săruri prin formarea de legături ionice.
Ionul de sodiu are acum doar zece electroni, dar are încă unsprezece protoni. Acest lucru supără echilibrul sarcinilor dintre protoni și electroni, ceea ce face ca atomul de sodiu să aibă o sarcină netă pozitivă. Când se întâmplă acest lucru, atomul este numit a ion pozitiv. Ionul clorură are acum optsprezece electroni și șaptesprezece protoni, așa că devine un ion negativ.
Deoarece ionul de sodiu are o sarcină pozitivă, iar ionul de clor are o sarcină negativă, sunt atrași unul de celălalt și formează o legătură ionică. Ionii formează săruri, nu molecule, dar îndeplinesc multe funcții importante în nutriție.
Sodiul și clorul sunt ambele foarte reactive în stările lor pre-ionice. Vor transfera electroni și (în condiții de uscare) vor forma săruri atunci când se vor întâlni. Fiecare va reacționa cu alte elemente dacă nu se regăsește mai întâi, așa că rareori se găsesc în natură în stările lor reactive.
De obicei ajung pe farfurii împreună ca sare de masă (sau sunt ioni dizolvați). Cu toate acestea, în corpul nostru, ele nu sunt legate împreună ca sare, ci se dizolvă înapoi în ioni individuali în apă. Și, deși se completează reciproc în multe procese biologice, au și rolurile lor separate de jucat.
Am văzut deja ce se întâmplă atunci când sodiul și clorura se combină. Acum ne vom uita la fiecare dintre ele individual. Mai întâi le vom examina ca atomi reactivi și vom vedea de ce sunt toxici în această stare. Apoi le vom analiza în forma lor ionică și vom afla de ce au valoare nutritivă.
Când majoritatea oamenilor se gândesc la sodiu, se gândesc la sarea de masă. În timp ce sarea de masă conține o formă ionizată de sodiu (în combinație cu clorură), sodiul „metalic” neionizat are un set foarte diferit de proprietăți chimice decât ionii de sodiu din sarea de masă. Examinăm aici proprietățile chimice ale sodiului în starea sa reactivă (toxică) și privim sodiul în starea sa ionică (nutrițională) în secțiunea următoare.
Atomul de sodiu (Na) are unsprezece protoni și unsprezece electroni, conferindu-i o încărcare electrică neutră (echilibrată). Cu toate acestea, are un singur electron în învelișul său exterior, ceea ce îl face reactiv chimic. Pentru a fi stabil din punct de vedere chimic, trebuie să aibă un înveliș exterior complet. Este mai ușor să scapi de un electron exterior decât să achiziționezi încă șapte electroni, așa că pare să renunțe la electron.
Electronii externi ai fiecărui atom de sodiu nu sunt doriți de niciunul dintre atomii de sodiu, așa că se formează un nor de electroni nedoriti. Mișcarea aleatorie a electronilor din acest nor provoacă schimbări în proprietățile electrice ale atomilor individuali, care la rândul lor determină ca atomii să fie ușor atrași unul de celălalt. Aceste mici dezechilibre electrice inițiază legături metalice la temperatura camerei, determinând adunarea atomilor într-un metal moale pe care îl puteți tăia cu un cuțit.
Combinația dintre atomii de sodiu metalici între ei este relativ lipsită de evenimente. Pentru a înțelege de ce sodiul metalic este atât de reactiv, să vedem ce se întâmplă când intră în contact cu apa.
Apa (H2O) este o moleculă formată din doi atomi de hidrogen legați covalent de un atom de oxigen. Aceste legături se formează deoarece atomul de oxigen are nevoie de doi electroni pentru a-și umple învelișul exterior și fiecare atom de hidrogen are nevoie de un electron. Formarea moleculei de apă umple în mod convenabil cochiliile exterioare ale celor trei atomi, motiv pentru care moleculele de apă se formează din cele două gaze.
Sodiu metalic în apă
Legăturile moleculare formate de atomii de hidrogen și oxigen din apă sunt atât de slabe încât deseori se separă din cauza energiei termice aleatorii. Deci, atunci când sodiul vrea să scape de electronul său suplimentar, apa este o țintă ușoară. Una dintre legăturile de hidrogen/oxigen din apă este ușor de rupt, iar atomul de sodiu își donează electronul nedorit, umplând spațiul liber din învelișul exterior al oxigenului. Deoarece electronul donat s-a mutat de la o stare de energie ridicată în jurul sodiului la o stare de energie mai mică în jurul oxigenului, se eliberează energie suplimentară. Acest videoclip ScienceFix arată cât de explozivă poate fi reacția chimică.
Sarea de masă conține sodiu în forma sa ionică. De aceea nu explodează la contactul cu apa și de ce are valoare nutritivă. Completează ionul clorură deoarece au sarcini opuse care se echilibrează reciproc în multe procese biologice. Sodiul completează, de asemenea, potasiul, deoarece, deși sunt amândoi ioni pozitivi, aceștia sunt, de asemenea, chimic diferiți. Diferențele chimice dintre sodiu și potasiu sunt utile în controlul difuziei în membranele noastre celulare, în timp ce diferențele electrostatice dintre sodiu și clorură sunt importante pentru menținerea unui dezechilibru electric între aceleași membrane celulare. Pentru a vedea cum sodiul utilizează aceste diferențe pentru a permite transmiterea semnalului în celulele nervoase și musculare, consultați articolul despre difuzie.
Sodiul este un nutrient esențial în celulele animale, dar este posibil să obțineți prea mult dintr-un lucru bun. În timp ce nivelurile scăzute de sodiu pot provoca crampe musculare din cauza faptului că celulele nervoase și musculare nu pot controla transmiterea și recepția semnalului, prea mult sodiu poate provoca probleme precum hipertensiunea arterială.
Când consumăm sodiu, acesta este absorbit în fluxul sanguin și în spațiile extracelulare. Deși este normal ca spațiile extracelulare să aibă o concentrație mult mai mare de sodiu decât se găsește în interiorul celulei (dezechilibrul este utilizat pentru transmiterea semnalului), acesta poate fi dus prea departe. Dacă se acumulează prea mult sodiu în fluxul sanguin și în fluidele extracelulare, acesta va dilua concentrațiile de apă în afara celulelor. Apa se va difuza de la concentrații mari în interiorul celulei la concentrații mai mici în afara celulei, inclusiv fluxul sanguin. Acest lucru determină deshidratarea celulelor și tensiunea arterială mai mare.