Ligação de Hidrogênio

Usualmente, de forma prática, identificamos uma Ligação de Hidrogênio (H) quando observamos que, uma ligação química entre dois átomos apresenta o átomo de H em interação com átomos de F, O, N. (Flúor, Oxigênio e Nitrogênio). Porém, isso não nos basta para compreendermos o fenômeno. Compreender tal fenômeno de natureza intermolecular nos permite entender a matéria em seu estado de maior condensação (sólidos e líquidos), e isto, nos revela conhecimento de como podemos produzir materiais considerando a atração de um conjunto de átomos com outro devido as forças que regem essa interação.

Para tanto, precisamos rever alguns conceitos fundamentais:

Forças intermoleculares: Forças existentes entre as interações moleculares (molécula-molécula). A atuação de forças intermoleculares resulta na existência das diferentes fases da matéria. Quando forças atrativas são exercidas para juntar as moléculas em um conjunto molecular (arranjo), denominamos que há formação de fases condensadas (sólidos; líquidos), a medida de distanciamento entre as moléculas são evidências das repulsões.

Eletronegatividade:  é o poder de atração que um átomo em uma molécula exerce para atrair elétrons para si, em uma ligação química. Basicamente, o átomo mais eletronegativo tem o poder de atração maior em manter para si um par de elétrons na formação de uma ligação química.

Afinidade eletrônica:É a medida de atração que um átomo possui em atrair um elétron para si.

Comprimento de ligação: é a distância entre os núcleos de dois centros atômicos que formam uma ligação química. Quanto menor a distância entre os átomos, maior a energia de ligação entre eles.

Energia de dissociação: é a energia necessária para romper uma ligação química entre dois átomos.

Polarizabilidade:átomos e íons polarizantes apresentam alto poder de polarização quanto maior for a capacidade da distorção da nuvem eletrônica de átomos/íons em uma formação molecular.

A partir da revisão desses conceitos, conseguimos compreender a natureza intermolecular da ligação de Hidrogênio.

Por definição: Ligação de hidrogênio trata-se de um caso específico de interação molecular de forças de London do tipo dipolo-permanente dipolo-permanente, cujo os compostos que apresentam, F, N, O, ligados com H, apresentam ponto de ebulição anormalmente elevados. Logo, trata-se da interação intermolecular do átomo de H com átomos mais eletronegativos (F, O, N), o átomo de H é atraído pelo par de elétrons de outro átomo de F, O ou N. É o tipo mais forte de força intermolecular.

Exemplos: interação entre moléculas de água (H₂O); interações entre moléculas de amônia (NH₃); interação entre moléculas de fluoreto de hidrogênio (HF).

A figura abaixo, exemplifica a interação entre moléculas de H₂O (dipolo permanente-dipolo permanente). Nota-se que o átomo de H é atraído pelo par de elétrons do átomo de O, formando uma rede de ligação, que pode ser identificado pelo momento dipolar, à qual atribui determinadas características e propriedades da água em seu estado de maior condensação, isto é, no estado líquido e, ou sólido.

*Momento dipolar: produto entre a magnitude das cargas parciais pelo comprimento de ligação dos centros atômicos (μ).

Ligações de Hidrogênio entre moléculas de H₂O

As forças intermoleculares de ligação de Hidrogênio conferem a água propriedades como viscosidade e tensão superficial. São interações tão fortes que permanecem no vapor, como ocorre com HF, por exemplo.  O HF contém moléculas em zig-zag no estado líquido e no vapor encontra-se frações de cadeias em anéis de (HF)₆.

São interações que nos permite explicar, por exemplo, o alto ponto de ebulição da água entre os hidretos da mesma família do oxigênio (família 16/VI), pois, requer do meio externo maior energia, isto é, a energia necessária para romper com as forças intermoleculares atingindo o estado de agregação mais simples (gasoso), como observamos no gráfico a seguir.

Em comparação às ligações iônicas ou covalentes, as forças intermoleculares se originam das interações eletrostáticas devido à formação de nuvens eletrônicas na aproximação entre os centros de dois núcleos atômicos em uma ligação química no conjunto molecular. Por estas características, forças intermoleculares são mais fracas que as ligações iônicas e covalentes.

Retomando como exemplo as moléculas de água, a interação entre elas é particularmente verificada pelo o momento dipolo-permanente entre as moléculas. Assim, a magnitude de ligações de hidrogênio depende da distância interatômica, ou seja, da distância entre os centros de dois núcleos atômicos.

O átomo de O é mais eletronegativo que o de H, desse modo, o O exerce maior poder de atração sobre o elétron dos H, atraindo os elétrons dos H mais fortemente para si. Com os elétrons mais próximos de si, a carga elétrica predominante no O é negativa (2δ^–). Na região de maior probabilidade de encontrar os átomos de H, pela atração exercida pelos pares de elétrons do O, a carga elétrica predominante nos H é positiva (δ⁺). A esse efeito chamamos de momento dipolo, no caso da molécula de água, dipolo permanente devido a ligação de H conferindo a molécula de água um caráter polar.

As ligações de hidrogênio em rede molecular exercem força substancial, contudo, como já apontamos, a ligação química é mais forte, pois se trata de uma interação átomo-átomo e a ligação de hidrogênio entre molécula-molécula. As ligações de hidrogênio são menos estáveis que as ligações químicas, nota-se a distância entre elas no esquema acima, ligações de hidrogênio apresentam maior distância, na ordem de 0,177 nm (nanômetros). A energia de dissociação de uma ligação de hidrogênio entre moléculas de água é cerca de 23 kJ . mol^-1 enquanto em uma ligação covalente (O—H) é maior, cerca de 470 kJ . mol^-1.

Devido essas propriedades de natureza intermolecular, ligações de hidrogênio são essenciais na manutenção biológica, pois exercem interação entre moléculas de proteínas. A água no estado sólido forma retículos cristalinos, tais interações influenciam na densidade da água, no estado sólido a densidade da água é menor que no estado líquido, por isso o gelo flutua na água. Essas interações contribuem em diferentes conformações da estrutura cristalina do floco de neve. Ligações de hidrogênio são responsáveis em manter as árvores eretas, uma vez que moléculas de celulose são abundantes em árvores e apresentam muitos grupos —OH que formam extensões de ligação de hidrogênio, atribuindo, em grande parte, na resistência da madeira. Outro exemplo, ligações de hidrogênio mantém junta a dupla hélice das moléculas de DNA e nos fornece conhecimento importantíssimo para compreendermos o processo de reprodução.

Portanto, ligações de hidrogênio é um fenômeno intermolecular responsável em boa parte pela manutenção dos seres vivos, permitindo a possibilidade de produzir diferentes materiais e responsável, também, pelas diferentes fases da matéria que encontramos a água na natureza.

Bons estudos!

David Pancieri Peripato