O NAEQ trás
neste artigo um desses fenômenos intrigantes da natureza que os químicos
explicam recorrendo as estruturas diminutas, como moléculas e átomos.
Vamos descobrir as razões disso juntos?
Com vocês, as pontes de hidrogênio!
O experimento que iremos propor é como
aquelas "histórias de pescador": difícil de acreditar :). Pois
imaginem que existem casos que
1+1 não é 2 não!
Estamos no mundo das moléculas e esse nos reserva surpresas
impressionantes. Entretanto, para começarmos o assunto, se faz necessária a
revisão de alguns conceitos importantes, os quais são apresentados na
seqüência, com o objetivo de assegurar uma discussão frutífera sobre este
fantástico fenômeno que este artigo trata.
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.
Animação 01 - Pontes de hidrogênio e a solubilidade.
Um cubo de açúcar contém muitas moléculas e elas são mantidas unidas pelas
pontes de hidrogênio (imagem a esquerda). Quando um cubo de açúcar dissolve,
cada molécula permanece intacta. A molécula estabelece pontes com as moléculas
de água (animação piscando em vermelho) e desfaz as pontes com as outras
moléculas de açúcar. Por outro lado, o sal em solução transforma-se em íons
(imagem a direita), 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
(veja mais sobre o assunto nas indicações de leitura no final do artigo).
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.
Figura 01 - 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 (ver
figura 01), 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
(veja figura 04), 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 (veja figura 02)
No caso da molécula de água, temos a presença de dois pares de elétrons não
ligantes ou livres (ver figura 03), 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.
Figura 03 - par de elétrons livres
do oxigênio
Imaginando os pares de elétrons não ligantes como outros "H"
ligados ao oxigênio, a repulsão
chega a um valor 104°5' (veja figura 05). Perceba 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.
Figura 02 - Soma dos vetores
m
na molécula de água.
Figura 04 - Escala de eletronegatividade
Figura 05 - 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
Figura 06 - Regra do FON
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.
Podemos notar na figura 07 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. Mesmo assim,
perceba que o
número de pólos no ácido é maior do
que no etanol e esse fato será muito
importante para
o experimento que será realizado a seguir.
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. Conforme a figura 06, podemos ver que
há um aumento da eletronegatividade em direção ao Flúor, o elemento mais eletronegativo da
tabela periódica. O Flúor, Oxigênio e o Nitrogênio são os elementos que,
juntamente como H, estabelecem a ligação acentuadamente polar, a qual também
é conhecida como "regra do FON", ligação esta responsável por diversos
fenômenos interessantes da água.
Figura 07 - 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. Já
no ácido propanóico, podemos notar um par de dipolos na molécula, fenômeno
esse que irá proporcionar a explicação de alguns resultados que serão
obtidos no
experimento proposto em seguida. 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 está representado na figura 07,
comparando-se os pontos de ebulição de substâncias moleculares semelhantes.
Podemos notar que, caso a água mantivesse a linearidade do gráfico, sendo
essa linearidade ditada pela 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.
Figura 08 - Ponto de ebulição dos elementos da
família 16 da tabela periódica ligados ao hidrogênio.
ligação
força
magnitude
(KJ/mol)
química
covalente
iônica
100-1000
100-1000
intermolecular
íon-dipolo
dipolo-dipolo
Dispersão ligação-H
1-70
0.1-10
0.1-2 10-40
Fonte: QMCWeb - UFSC
Perceba que os termos "ponte de hidrogênio" e "ligação de
hidrogênio" são utilizados de forma indistinta. Isso deve-se ao fato de
considerarmos a ponte de hidrogênio praticamente uma ligação química entre
átomos, devido
a sua grande energia (veja tabela ao lado). Em um extremo, temos ligações
covalentes ou iônicas que, quando se formam, representam grandes variações
de energia. Já a ponte de hidrogênio está no meio da escala, sendo que o
outro extremo é representado pelas interações intermoleculares de menor
energia, como as "Dispersão de London", por exemplo. Neste trabalho,
o termo "ligação" é usado para descrever qualquer interação de dois
átomos, que resulta na formação de uma estrutura interatômica mensurável e
nitidamente definida.
Há uma clara
variação do volume da mistura
entre a água e um dos compostos orgânicos
citados durante esse trabalho (etanol e ácido acético por exemplo).
Essa variação no volume
depende do composto orgânico utilizado,
ou seja,
podemos relacionar a variação do volume da mistura
com a substância usada no experimento, tanto no sentido de variar ou não o
volume como
também na magnitude dessa variação.
Engraçado não? Como
uma interação molecular como esta pode ocasionar um fenômeno tão intrigante?
Devo dizer que eu não acreditei na primeira vez que ouvi falar e, como já
diria São Tomé: "só acredito vendo", vamos ao laboratório. :)
Experimento
Interações intermoleculares de
compostos orgânicos com a água.
Material
- 600 mL de água destilada
- 100 mL de etanol absoluto
- 100 mL de propanol absoluto
- 100 mL de butanol absoluto
- 100 mL de ácido etanóico concentrado
- 100 mL de ácido propanóico concentrado
- 100 mL de ácido butanóico concentrado
- 07 provetas de 100 mL
- 06 provetas de 200 mL
ATENÇÃO
Química não é brincadeira, é
coisa séria!
Não cheire nem experimente o
gosto de substâncias desconhecidas
Cuidado com as substâncias
tóxicas e/ou inflamáveis
Cuidado com respingos na pele
e nos olhos
Roteiro Experimental
Encher uma proveta de 100 mL com água e outra
proveta de 100 mL com etanol. Verter o conteúdo das duas provetas em uma
terceira proveta com capacidade de 200 mL. Os passos realizados com o etanol
devem ser repetidos com os demais solventes orgânicos. Não esqueça de informar a
temperatura no laboratório/sala de aula bem como a pressão atmosférica no
momento em que foram realizados os experimentos. Preencha os volumes totais
obtidos na tabela abaixo e responda as questões propostas ao final da prática:
Solvente
Volume
da mistura
aumentou,
diminuiu ou permaneceu constante?
Se houve variação,
qual
foi a magnitude? (em mL)
Etanol
Propanol
Butanol
Ácido
etanóico
Ácido
propanóico
Ácido
butanóico
Temperatura no laboratório/sala de aula de
aula:____
Pressão atmosférica no laboratório/sala de aula*:
____
*Pode-se utilizar a pressão atmosférica da cidade
onde se fez o experimento.
Questionário
01) Com base nos resultados obtidos, que relação podemos traçar entre a família
dos álcoois e a família dos ácidos carboxílicos quanto à variação de volume
observada? Analise os aspectos moleculares dos dois grupos funcionais.
02) Quais são as relações existentes entre a polaridade da molécula, a
miscibilidade ou não em um solvente e o volume da mistura? Demonstre essas
relações de forma esquemática.
03) Provavelmente, você observou que foram utilizada uma seqüência homóloga de
substâncias para cada função orgânica. Qual poderia ser o motivo fundamental
para a não utilização do álcool metílico (metanol pela IUPAC) e do ácido
metanóico nestes experimentos? Faça uma breve revisão bibliográfica e aponte as
principais causas, na sua opinião, para a não utilização de tais substâncias.
04) Os resultados obtidos experimentalmente estão de acordo com o que a teoria
prevê no aspecto das interações intermoleculares dos compostos utilizados?
Justifique.
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Experimento
QMCWeb - Água: o líquido vital
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