Chemical Foundationsfor Cells
Chapter 2
Elements
Fundamental forms of matter
Can’t be broken apart by normalmeans
92 occur naturally on Earth
How is matter organized
Most Common Elements inLiving Organisms
Oxygen
Hydrogen
Carbon
Nitrogen
What Are Atoms?
Smallest particles that retain propertiesof an element
Made up of subatomic particles:
Protons (+)
Electrons (-)
Neutrons (no charge)
Atoms
Fig. 2.3, p. 22
HYDROGEN
HELIUM
electron
proton
neutron
Hydrogen and Helium Atoms
Atomic Number
Number of protons
All atoms of an element have the sameatomic number
Atomic number of hydrogen = 1
Atomic number of carbon = 6
Mass Number
 
Number of protons
+
Number of neutrons
Isotopes vary in mass number
Atomic Number
Isotopes
Atoms of an element with differentnumbers of neutrons (different massnumbers)
Carbon 12 has 6 protons, 6 neutrons
Carbon 14 has 6 protons, 8 neutrons
Radioisotopes
Have an unstable nucleus thatemits energy and particles
Radioactive decay transformsradioisotope into a different element
Decay occurs at a fixed rate
isotopes
Radioisotopes as Tracers
Tracer is substance with aradioisotope attached to it
Emissions from the tracer can bedetected with special devices
Following movement of tracers isuseful in many areas of biology
 Thyroid Scan
Measures health of thyroid by detectingradioactive iodine taken up by thyroidgland
normal thyroid
enlarged
cancerous
Other Uses of Radioisotopes
Drive artificial pacemakers
Radiation therapy
Emissions from some radioisotopes candestroy cells. Some radioisotopes are usedto kill small cancers.
What Determines WhetherAtoms Will Interact?
The number and arrangement of theirelectrons
Electrons
Carry a negative charge
Repel one another
Are attracted to protons inthe nucleus
Move in orbitals - volumesof space that surround thenucleus
Z
X
When all p orbitals are full
y
Electron Vacancies
Unfilled shells makeatoms likely to react
Hydrogen, carbon,oxygen, andnitrogen all havevacancies in theirouter shells
CARBON
6p+ , 6e-
NITROGEN
7p+ , 7e-
HYDROGEN
1p+ , 1e-
Chemical Bonds, Molecules,& Compounds
Bond is union between electronstructures of atoms
Atoms bond to form molecules
Molecules may contain atoms of onlyone element - O2
Molecules of compounds contain morethan one element - H2O
Chemical Bookkeeping
Use symbols for elements when writingformulas
Formula for glucose is C6H12O6
 6 carbons
 12 hydrogens
 6 oxygens
Chemical Bookkeeping
Chemical equation shows reaction
Reactants ---> Products
Equation for photosynthesis:
 6CO2 + 6H2O ---> + C6H12O12  + 6H2O
Important Bonds in BiologicalMolecules
Ionic Bonds
Covalent Bonds
Hydrogen Bonds
Chemical Bonds
Ion Formation
Atom has equal number ofelectrons and protons - no netcharge
Atom loses electron(s), becomespositively charged ion
Atom gains electron(s), becomesnegatively charged ion
 Ionic Bonding
One atom loses electrons,becomes positively charged ion
Another atom gains theseelectrons, becomes negativelycharged ion
Charge difference attracts thetwo ions to each other
Formation of NaCl
Sodium atom (Na)
Outer shell has one electron
Chlorine atom (Cl)
Outer shell has seven electrons
Na transfers electron to Cl forming Na+and Cl-
Ions remain together as NaCl
7mm
SODIUM
ATOM
11 p+
11 e-
SODIUM
ION
11 p+
10 e-
electron transfer
CHLORINE
ATOM
17 p+
17 e-
CHLORINE
ION
17 p+
18 e-
Fig. 2.10a, p. 26
Formation of NaCl
Covalent Bonding
Atoms share a pair or pairs ofelectrons to fill outermost shell
Single covalent bond
Double covalent bond
Triple covalent bond
Nonpolar Covalent Bonds
Atoms share electrons equally
Nuclei of atoms have samenumber of protons
Example: Hydrogen gas    (H-H)
Polar Covalent Bonds
Number of protons in nuclei ofparticipating atoms is NOT equal
Electrons spend more time nearnucleus with most protons
Water - Electrons more attractedto O nucleus than to H nuclei
Hydrogen Bonding
Molecule held together by polarcovalent bonds has no NET charge
However, atoms of the molecule carrydifferent charges
Atom in one polar covalent moleculecan be attracted to oppositely chargedatom in another such molecule
one
large
molecule
another
large
molecule
a large
molecule
twisted
back
on
itself
Fig. 2.12, p. 27
Examples of Hydrogen Bonds
Properties of Water
Polarity
Temperature-Stabilizing
Cohesive
Solvent
Water Is a PolarCovalent Molecule
Molecule has no netcharge
Oxygen end has aslight negative charge
Hydrogen end has aslight positive charge
O
H
H
O
H
H
O
H
H
+
_
+
+
+
_
+
+
Liquid Water
Hydrophilic & HydrophobicSubstances
Hydrophilic substances
Polar
Hydrogen bond with water
Example: sugar
Hydrophobic substances
Nonpolar
Repelled by water
Example: oil
 Temperature-StabilizingEffects
Liquid water can absorb much heatbefore its temperature rises
Why?
Much of the added energy disruptshydrogen bonding rather thanincreasing the movement of molecules
Evaporation of Water
Large energy input can cause individualmolecules of water to break free into air
As molecules break free, they carryaway some energy (lower temperature)
Evaporative water loss is used bymammals to lower body temperature
Why Ice Floats
In ice, hydrogen bonds lock moleculesin a lattice
Water molecules in lattice are spacedfarther apart then those in liquid water
Ice is less dense than water
Water Cohesion
Hydrogen bonding holdsmolecules in liquid watertogether
Creates surface tension
Allows water to move ascontinuous columnupward through stems ofplants
Water Is a Good Solvent
Ions and polar molecules dissolve easilyin water
When solute dissolves, water moleculescluster around its ions or molecules andkeep them separated
Fig. 2.16, p. 29
Na+
Cl
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Spheres of Hydration
Hydrogen Ions: H+
Unbound protons
Have important biological effects
Form when water ionizes
The pH Scale
Measures H+ concentration of fluid
Change of 1 on scale means 10Xchange in H+ concentration
Highest H                        Lowest H+
0---------------------7-------------------14
Acidic            Neutral              Basic
Acids and Bases
Examples of pH
Pure water is neutral with pH of 7.0
Acidic
Stomach acid: pH 1.0 - 3.0
Lemon juice: pH 2.3
Basic
Seawater: pH 7.8 - 8.3
Baking soda: pH 9.0
Acids & Bases
Acids
Donate H+ when dissolved in water
Acidic solutions have pH < 7
Bases
Accept H+ when dissolved in water
Acidic solutions have pH > 7
Weak and Strong Acids
Weak acids
Reluctant H+ donors
Can also accept H after giving it up
Carbonic acid (H2CO3) is example
Strong acids
Completely give up H+ when dissolved
Hydrochloric acid (HCl) is example
Buffer Systems
Minimize shifts in pH
Partnership between weak acid andbase it forms when dissolved
Two work as pair to counter shifts in pH
Carbonic Acid-BicarbonateBuffer System
When blood pH rises, carbonic aciddissociates to form bicarbonate and H+
H2C03 -----> HC03- + H+
When blood pH drops, bicarbonate bindsH+ to form carbonic acid
HC03-  + H+ -----> H2C03
Salts
Compounds that release ions other thanH+ and OH- when dissolved in water
Example: NaCl releases Na+ and Cl
Many salts dissolve into ions that playimportant biological roles