Na natureza, existem alguns fenômenos que contrariam nosso senso comum.
Este artigo traz um desses fenômenos intrigantes da natureza que os químicos explicam recorrendo as estruturas diminutas, como moléculas e átomos.
Estamos falando das PONTES DE HIDROGÊNIO!
Imaginem que existem casos que 1+1 não é 2 não! O mundo das moléculas nos reserva surpresas impressionantes.
Solubilidade
A solubilidade de substâncias se dá em função de uma afinidade eletrônica existente entre as espécies em um sistema. Essa afinidade eletrônica pode ser expressa na famosa frase: "semelhante dissolve semelhante". A questão é: semelhante em que aspecto? Para responder essa pergunta, devemos fazer uma análise da estrutura molecular das substâncias envolvidas.
Um cubo de açúcar contém muitas moléculas e elas são mantidas unidas pelas pontes de hidrogênio. Quando um cubo de açúcar dissolve, cada molécula permanece intacta. A molécula estabelece pontes com as moléculas de água e desfaz as pontes com as outras moléculas de açúcar. Por outro lado, o sal em solução transforma-se em íons, como o cátion Na+ e o ânion Cl-. A solubilidade dessas substâncias só é possível devido a afinidade eletrônica existente entre o soluto (açúcar e o sal) e o solvente (a água).
Existem basicamente dois meios de substância no que diz respeito a polaridade: polares e apolares. O termo "polar" nos dá a idéia de opostos, onde um dado ponto é negativo e o outro é positivo. Isso é resultado da diferença de contribuição na ligação entre elementos químicos diferentes. O mais eletronegativo atrai para perto de si o par de elétrons que estabelece a ligação com o outro átomo. Um exemplo de substância polar é água, considerada um solvente universal.
Sempre que fizemos referência da solubilidade de uma substância em outra, devemos sempre fazer uma observação quando as propriedades de estados do sistema, como pressão e temperatura por exemplo. Em condições ambientes de temperatura e pressão, (temperatura de 25°C ou 298,15K e pressão de 1 atm ou 101,325 kPa no SI) a água tem o comportamento visto no parágrafo anterior mas, é sabido que em condições extremas, a água pode assumir um caráter de "fluído supercrítico", capaz de misturar-se completamente com a maioria dos solventes apolares dentre outras aplicações interessantes.
Linus Carl Pauling (1901-1994) foi um brilhante químico e também um pacifista. Suas contribuições para a Química foram inúmeras, dentre as quais podemos destacar os trabalhos teóricos sobre as ligações químicas, a elucidação da geometria molecular das proteínas e a elaboração do conceito de eletronegatividade o qual é ainda utilizado. Dois de seus livros (General Chemistry e The nature of Chemical bond) são considerados clássicos da literatura química. A fórmula utilizada por Pauling para calcular as eletronegatividades XA e XB de dois átomos A e B é baseada na energia envolvida na formação (energia de ligação) das moléculas AB, A2 e B2, por meio da reação:
A2 + B2 --> 2AB
em que /E representa a variação de energia envolvida na formação da molécula AB. para evitar valores negativos de eletronegatividade, Pauling atribuiu arbitrariamente um valor para a eletronegatividae de hidrogênio e calculou, em relação a esse valor, a eletronegatividade dos outros elementos.
Veja mais sobre Linus Pauling em:
http://www.nobel.se
Gradiente de polaridade da molécula de água
Quando falamos em polaridade, não podemos pensar em pólos pontuais, mas sim devemos imaginar um gradiente de distribuição de carga, pois estamos falando de interações eletrostáticas de nuvem eletrônica. O termo "nuvem eletrônica" é utilizado devido ao caráter probabilístico dos orbitais, os quais estão em harmonia com a mecânica quântica, teoria que explica o comportamento de entidades muito pequenas, como partículas subatômicas.
Como dissemos, a polaridade da ligação, ou seja, o deslocamento da nuvem eletrônica para um átomo de forma heterogenia em relação ao outro é explicada pela propriedade denominada eletronegatividade, a qual é diferente para cada elemento químico. Cada elemento tem uma determinado valor de eletronegatividade, a qual podemos relacionar com a "tendência que um átomo possui de atrair elétrons para perto de sim, quando se encontra "ligado" a outro átomo de elemento químico diferente, numa substância composta". Mas não é somente a diferença de eletronegatividade que irá dar subsídios para a classificação de uma molécula em polar ou apolar, mas sim a análise deste último aspecto em conjunto com a conformação dos átomos da molécula. Usa-se a soma dos vetores m para sabermos se uma dada molécula é polar ou apolar .
No caso da molécula de água, temos a presença de dois pares de elétrons não ligantes ou livres , responsáveis pela forma em "V" da água. Sendo assim, caso fossemos somar os vetores das ligações, constataríamos que a molécula é polar, ou seja, a resultante da soma dos vetores é diferente de zero.
Imaginando os pares de elétrons não ligantes como outros "H" ligados ao oxigênio, a repulsão chega a um valor 104°5 . Percebe-se que o ângulo é um pouco menor do que configuração tetraédrica do gás metano (109°28") por exemplo, devido ao fato da repulsão de elétrons livres ser maior que a repulsão de elétrons estabelecendo uma ligação com outro átomo.
Escala de eletronegatividade
Ângulo das ligações da molécula de água
Tendo esse caráter, a água é um excelente solvente polar para compostos orgânicos polares de baixo peso molecular, como o metanol, etanol, ácido fórmico, ácido acético, dentre outros. Possuindo um dipolo bastante acentuado, atrai por eletrostática o dipolo da outra molécula, de forma a potencializar a solubilização. Porém, essas moléculas orgânicas possuem uma parte polar, solúvel em água e uma parte apolar, insolúvel em água. A medida que aumenta-se o número de carbonos no grupo dos álcoois e ácidos carboxílicos por exemplo, a solubilidade, em meio aquoso vai diminuindo. É por isso que quando misturamos água com, por exemplo, butanol, constituído de 4 carbonos, a solubilidade em água diminui bastante, aparecendo claramente duas fases distintas indicando que as substâncias não são completamente miscíveis, mas sim parcialmente.
As ligações intermoleculares
Vimos que a água é um ótimo solvente polar e, para compostos orgânicos polares de baixo peso molecular, também é um bom solvente. As ligações estabelecidas entre a água e o composto orgânico gera um fenômeno muito interessante, o qual pode ser realizado sem muitos equipamentos específicos de um laboratório. Pode-se notar que tanto o etanol como o ácido propanóico possuem no mínimo uma ligação acentuadamente polar em suas moléculas, de forma a potencializar uma solubilidade em meio aquoso. No caso do álcool, a parte apolar não possui influência negativa na solubilidade em meio polar, já o ácido propanóico, com sua parte da molécula apolar, compromete a solubilidade total de composto em água.
Foi feito referência a uma ligação acentuadamente polar no parágrafo anterior devido ao fato que nem toda ligação polar é passível de ser uma ponte de hidrogênio.
Polaridades nas moléculas de ácido propanóico e do etanol
Veja que no caso do etanol (função álcool), há a possibilidade de formação de apenas uma ponte de hidrogênio, devido a existência de apenas uma situação de dipolo na molécula. Apesar do ácido propanóico não ser completamente solúvel em água, a análise da parte "polar" da molécula nos ajudará a compreender o que acontece com outro ácido, o ácido etanóico ou mais conhecido como ácido acético.
Um comportamento excepcional da água , comparando-se os pontos de ebulição de substâncias moleculares semelhantes. Podemos notar que, sendo essa massa molecular dos compostos da mesma família, teria um ponto de ebulição próximo de -100 C!. Caso isso fosse verdade, a Terra não teria lagos, rios ou oceanos, e a água existiria na Terra somente no estado gasoso, mesmo nos pólos do Norte e Sul! Ao contrário da água, o sulfeto de hidrogênio, bem como H2Se e o H2Te, são incapazes de formar ligações intermoleculares fortes. Ligações de hidrogênio, de forma apreciável, só são encontradas nas moléculas que contêm os elementos mais eletronegativos, como o flúor, o oxigênio e o nitrogênio. As propriedades das substancias com ligação H-X de polaridade elevada, semelhante à da água, como a amônia e o fluoreto de hidrogênio, são também influenciadas pelas ligações de hidrogênio, e muitas de suas propriedades, nos estados sólidos e líquidos, resultam das interações dipolo-dipolo entre suas moléculas.
Existem outras propriedades intrigantes da água que se fazem necessárias apenas para a fabricação do "Sabão", sim apenas.
