2.3: Ligações químicas

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Explicar a relação entre moléculas e compostos
• Faça a distinção entre íons, cátions e ânions
• Identifique a principal diferença entre ligações iônicas e covalentes
• Faça a distinção entre ligações covalentes não polares e polares
• Explique como as moléculas de água se ligam por meio de ligações

Átomos separados por uma grande distância não podem se conectar; em vez disso, eles devem se aproximar o suficiente para que os elétrons em suas camadas de valência interajam. Mas os átomos alguma vez realmente se tocam? A maioria dos físicos diria que não, porque os elétrons carregados negativamente em suas camadas de valência se repelem. Nenhuma força dentro do corpo humano — ou em qualquer lugar do mundo natural — é forte o suficiente para superar essa repulsão elétrica. Então, quando você lê sobre átomos se ligando ou colidindo, tenha em mente que os átomos não estão se fundindo no sentido físico.

Em vez disso, os átomos se ligam formando uma ligação química. Uma ligação é uma atração elétrica fraca ou forte que mantém átomos na mesma vizinhança. O novo agrupamento é normalmente mais estável - menos propenso a reagir novamente - do que os átomos componentes eram quando estavam separados. Um agrupamento mais ou menos estável de dois ou mais átomos mantidos juntos por ligações químicas é chamado de molécula. Os átomos ligados podem ser do mesmo elemento, como no caso do H ₂, que é chamado de hidrogênio molecular ou gás hidrogênio. Quando uma molécula é composta por dois ou mais átomos de elementos diferentes, ela é chamada de composto químico. Assim, uma unidade de água, ou H ₂ O, é um composto, assim como uma única molécula do gás metano, ou CH ₄.

Três tipos de ligações químicas são importantes na fisiologia humana, pois unem substâncias que são usadas pelo corpo para aspectos críticos da homeostase, sinalização e produção de energia, para citar apenas alguns processos importantes. São ligações iônicas, ligações covalentes e ligações de hidrogênio.

Íons e ligações iônicas

Lembre-se de que um átomo normalmente tem o mesmo número de prótons carregados positivamente e elétrons carregados negativamente. Enquanto essa situação persistir, o átomo é eletricamente neutro. Mas quando um átomo participa de uma reação química que resulta na doação ou aceitação de um ou mais elétrons, o átomo então se torna carregado positiva ou negativamente. Isso acontece com frequência para a maioria dos átomos, a fim de ter uma camada de valência completa, conforme descrito anteriormente. Isso pode acontecer ganhando elétrons para preencher uma camada que está mais da metade cheia ou distribuindo elétrons para esvaziar uma camada que está menos da metade cheia, deixando assim a próxima camada de elétrons menor como a nova camada completa de valência. Um átomo que tem uma carga elétrica — seja ela positiva ou negativa — é um íon.

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O potássio (K), por exemplo, é um elemento importante em todas as células do corpo. Seu número atômico é 19. Ele tem apenas um elétron em sua camada de valência. Essa característica torna o potássio altamente propenso a participar de reações químicas nas quais ele doa um elétron. (É mais fácil para o potássio doar um elétron do que ganhar sete elétrons.) A perda fará com que a carga positiva dos prótons do potássio seja mais influente do que a carga negativa dos elétrons do potássio. Em outras palavras, o íon potássio resultante será ligeiramente positivo. Um íon potássio é escrito K ⁺, indicando que ele perdeu um único elétron. Um íon com carga positiva é conhecido como cátion.

Agora, considere o flúor (F), um componente dos ossos e dentes. Seu número atômico é nove e tem sete elétrons em sua camada de valência. Portanto, é altamente provável que se ligue a outros átomos de forma que o flúor aceite um elétron (é mais fácil para o flúor ganhar um elétron do que doar sete elétrons). Quando isso acontecer, seus elétrons superarão seus prótons em um número e terão uma carga negativa geral. A forma ionizada do flúor é chamada de flúor, e é escrita como F ^-. Um íon carregado negativamente é conhecido como ânion.

Átomos que têm mais de um elétron para doar ou aceitar acabarão com cargas positivas ou negativas mais fortes. Um cátion que doou dois elétrons tem uma carga líquida de +2. Usando magnésio (Mg) como exemplo, isso pode ser escrito Mg ⁺⁺ ou Mg ²⁺. Um ânion que aceitou dois elétrons tem uma carga líquida de —2. A forma iônica do selênio (Se), por exemplo, é normalmente escrita como Se ^2—.

As cargas opostas de cátions e ânions exercem uma atração mútua moderadamente forte que mantém os átomos próximos formando uma ligação iônica. Uma ligação iônica é uma associação contínua e estreita entre íons de carga oposta. O sal de mesa que você polvilha em sua comida deve sua existência à ligação iônica. Conforme mostrado na Figura 2.8, o sódio geralmente doa um elétron ao cloro, tornando-se o cátion Na ⁺. Quando o cloro aceita o elétron, ele se torna o ânion cloreto, Cl ^-. Com suas cargas opostas, esses dois íons se atraem fortemente.

Figura 2.8 Ligação iônica (a) O sódio doa prontamente o elétron solitário em sua camada de valência ao cloro, que precisa de apenas um elétron para ter uma camada de valência completa. (b) As cargas elétricas opostas do cátion sódio e do ânion cloreto resultam na formação de uma ligação de atração chamada ligação iônica. (c) A atração de muitos íons sódio e cloreto resulta na formação de grandes agrupamentos chamados cristais.

A água é um componente essencial da vida porque é capaz de romper as ligações iônicas dos sais para liberar os íons. De fato, em fluidos biológicos, a maioria dos átomos individuais existe como íons. Esses íons dissolvidos produzem cargas elétricas dentro do corpo. O comportamento desses íons produz os traçados da função cardíaca e cerebral observados como ondas em um eletrocardiograma (EKG ou ECG) ou em um eletroencefalograma (EEG). A atividade elétrica que deriva das interações dos íons carregados é a razão pela qual eles também são chamados de eletrólitos.

Ligações covalentes

Ao contrário das ligações iônicas formadas pela atração entre a carga positiva de um cátion e a carga negativa de um ânion, moléculas formadas por uma ligação covalente compartilham elétrons em uma relação mutuamente estabilizadora. Como os vizinhos cujos filhos ficam primeiro em uma casa e depois na outra, os átomos não perdem nem ganham elétrons permanentemente. Em vez disso, os elétrons se movem para frente e para trás entre os elementos. Devido ao compartilhamento próximo de pares de elétrons (um elétron de cada um dos dois átomos), as ligações covalentes são mais fortes do que as ligações iônicas.

Ligações covalentes não polares

A Figura 2.9 mostra vários tipos comuns de ligações covalentes. Observe que os dois átomos ligados covalentemente normalmente compartilham apenas um ou dois pares de elétrons, embora compartilhamentos maiores sejam possíveis. O conceito importante a partir disso é que, em ligações covalentes, os elétrons nos orbitais atômicos sobrepostos dos dois átomos são compartilhados para preencher as camadas de valência de ambos os átomos, estabilizando os dois átomos envolvidos. Em uma única ligação covalente, um único par de elétrons é compartilhado entre dois átomos, enquanto em uma ligação covalente dupla, dois pares de elétrons são compartilhados entre dois átomos. Existem até ligações triplas covalentes, nas quais três pares de elétrons são compartilhados entre dois átomos.

Figura 2.9 Ligação covalente

Você pode ver que as ligações covalentes mostradas na Figura 2.9 estão balanceadas. O compartilhamento dos elétrons negativos é relativamente igual, assim como a atração elétrica dos prótons positivos no núcleo dos átomos envolvidos. É por isso que moléculas ligadas covalentemente que são eletricamente balanceadas dessa maneira são descritas como não polares; ou seja, nenhuma região da molécula é mais positiva ou mais negativa do que qualquer outra.

Ligações covalentes polares

Grupos de legisladores com opiniões completamente opostas sobre uma questão específica são frequentemente descritos como “polarizados” pelos redatores de notícias. Em química, uma molécula polar é uma molécula que contém regiões com cargas elétricas opostas. As moléculas polares ocorrem quando os átomos compartilham elétrons de forma desigual, em ligações polares covalentes.

O exemplo mais conhecido de uma molécula polar é a água (Figura 2.10). A molécula tem três partes: um átomo de oxigênio, cujo núcleo contém oito prótons, e dois átomos de hidrogênio, cujos núcleos contêm apenas um próton. Como todo próton exerce uma carga positiva idêntica, um núcleo que contém oito prótons exerce uma carga oito vezes maior do que um núcleo que contém um próton. Isso significa que os elétrons carregados negativamente presentes na molécula de água são mais fortemente atraídos pelo núcleo de oxigênio do que pelos núcleos de hidrogênio. Portanto, o elétron negativo único de cada átomo de hidrogênio migra em direção ao átomo de oxigênio, tornando a extremidade de oxigênio de sua ligação um pouco mais negativa do que a extremidade de hidrogênio de sua ligação.

Figura 2.10 Ligações covalentes polares em uma molécula de água

O que é verdade para as ligações é verdadeiro para a molécula de água como um todo; ou seja, a região do oxigênio tem uma carga levemente negativa e as regiões dos átomos de hidrogênio têm uma carga levemente positiva. Essas cargas são frequentemente chamadas de “cargas parciais” porque a força da carga é menor que um elétron completo, como ocorreria em uma ligação iônica. Conforme mostrado na Figura 2.10, regiões de polaridade fraca são indicadas com a letra grega delta (δ) e um sinal de mais (+) ou menos (-).

Embora uma única molécula de água seja inimaginavelmente pequena, ela tem massa, e as cargas elétricas opostas na molécula puxam essa massa de tal forma que ela cria uma forma semelhante a uma tenda triangular (veja a Figura 2.10 b). Esse dipolo, com as cargas positivas em uma extremidade formadas pelos átomos de hidrogênio na “parte inferior” da tenda e a carga negativa na extremidade oposta (o átomo de oxigênio no “topo” da tenda), torna as regiões carregadas altamente propensas a interagir com regiões carregadas de outras moléculas polares. Para a fisiologia humana, a ligação resultante é uma das mais importantes formadas pela água — a ligação de hidrogênio.

ligações de hidrogênio

Uma ligação de hidrogênio é formada quando um átomo de hidrogênio fracamente positivo já ligado a um átomo eletronegativo (por exemplo, o oxigênio na molécula de água) é atraído para outro átomo eletronegativo de outra molécula. Em outras palavras, as ligações de hidrogênio sempre incluem hidrogênio que já faz parte de uma molécula polar.

O exemplo mais comum de ligação de hidrogênio no mundo natural ocorre entre moléculas de água. Isso acontece diante de seus olhos sempre que duas gotas de chuva se fundem em uma conta maior ou um riacho se derrama em um rio. A ligação de hidrogênio ocorre porque o átomo de oxigênio fracamente negativo em uma molécula de água é atraído pelos átomos de hidrogênio fracamente positivos de duas outras moléculas de água (Figura 2.11).

Figura 2.11 Ligações de hidrogênio entre moléculas de água Observe que as ligações ocorrem entre a carga fracamente positiva nos átomos de hidrogênio e a carga fracamente negativa nos átomos de oxigênio. As ligações de hidrogênio são relativamente fracas e, portanto, são indicadas com uma linha pontilhada (em vez de sólida).

As moléculas de água também atraem fortemente outros tipos de moléculas carregadas, bem como íons. Isso explica por que o “sal de mesa”, por exemplo, na verdade é uma molécula chamada “sal” em química, que consiste em números iguais de sódio carregado positivamente (Na ⁺) e cloreto com carga negativa (Cl ^—), se dissolve tão facilmente na água, neste caso formando ligações de íons dipolo entre o água e os íons carregados eletricamente (eletrólitos). As moléculas de água também repelem moléculas com ligações covalentes não polares, como gorduras, lipídios e óleos. Você pode demonstrar isso com um simples experimento de cozinha: coloque uma colher de chá de óleo vegetal, um composto formado por ligações covalentes não polares, em um copo de água. Em vez de se dissolver instantaneamente na água, o óleo forma uma camada distinta porque as moléculas de água polar repelem o óleo não polar.