Aula_03 A Estrutura Molecular da Água

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A estrutura molecular da água
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Figura 3.1: Transporte de água nos vegetais.
A estrutura molecular da água
Objetivos
Conhecer a estrutura das moléculas de água e entender como as moléculas de água
interagem e com isto ampliar a compreensão de todas as propriedades da água que
foram vistas na última aula.
Pré-requisito
O conteúdo desta aula ficará muito mais fácil se você tiver em mente todas as
propriedades da água abordadas na aula anterior.
1. A coesão entre as moléculas de água
Na aula passada, você viu que a água apresenta uma série de propriedades peculi-
ares, como seu alto calor específico e seus altos pontos de fusão, de ebulição e de conge-
lamento. Mas o que haveria por trás de todos esses fenômenos? Como poderíamos expli-
car todas estas extraordinárias propriedades da água?
Na verdade, todas estas incríveis propriedades
físicas, além das propriedades da água como solvente,
das quais falaremos na próxima aula, são resultado
de sua coesão interna, cujas bases químicas explora-
remos a seguir. Tal coesão faz com que as moléculas de
água estejam permanentemente ligadas entre si.
O transporte de água nos vegetais é um exemplo de como
esta propriedade favorece os processos biológicos.
A coesão entre as moléculas permite que uma
estreita coluna de água se sustente no interior dos
vasos dos vegetais, de maneira contínua, desde
a raiz até suas folhas, que podem estar a mais
de cem metros de altura. Como as moléculas de água
estão todas ligadas, a evaporação nas folhas acaba
por exercer uma tração que faz com que a coluna
inteira suba, em resposta à saída das moléculas
localizadas mais acima (Figura 3.1).
SOLVENTE
Líquido capaz de dissolver
outras substâncias.
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2. A estrutura da água
A estrutura da molécula de água é determinada pela distribuição, no espaço,
dos quatro pares de elétrons da última camada do átomo de oxigênio. Estes elétrons
se repelem, e cada orbital tende a ficar o mais afastado possível do outro, o que resulta
em uma forma tetraédrica. Os átomos de hidrogênio se encontram em dois dos vér-
tices deste tetraedro, e os elétrons não pareados nos outros dois.
Vamos observar a estrutura da molécula da água apresentada na Figura 3.2.
Figura 3.2: Estrutura da molécula da água. O caráter dipolar da molécula de água é mostrado pelo modelo
de “bolas-e-bastões” (a) e pelo modelo compacto (b). Há um arranjo tetraédrico dos pares eletrônicos ao
redor do átomo de oxigênio. (c) Duas moléculas de água ligadas por uma ponte de hidrogênio, represen-
tada pelas três linhas paralelas.
A geometria das moléculas:
Para compreendermos por que certas geometrias são observadas comumente em mo-
léculas, devemos lembrar que somente dois elétrons podem ocupar o mesmo orbital
— e mesmo assim, se tiverem spins com sinais opostos. Por causa disso, os elétrons
dos diferentes orbitais ocupados se repelem, e o arranjo mais favorável no espaço
tridimensional será aquele no qual os orbitais estiverem o mais afastados possível.
Para dois orbitais é a linha reta, para três, o trigonal plano, para quatro, o tetraedro
regular, e para cinco, a bipirâmide trigonal.
Geometrias para minimização das repulsões.
A partir de agora
sempre apresentaremos
as pontes de H como
três linhas paralelas.
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Na molécula de água, a distância entre os átomos de hidrogênio e o oxigênio é
de 0,958 Å, formando um ângulo H-O-H de 104,5o, bem próximo do valor do ângulo
de um tetraedro perfeito (109,5o).
•Å é uma unidade métrica. Veja as relações:
• 1 mm = 0,001 m
• 1 µm = 0,001 mm = 0,000001 m
• 1 nm = 0,001 µm = 0,000001 mm = 0,000000001 m
• 1 Å = 10 nm = 0,0000000001 m
O núcleo do átomo de oxigênio atrai seus elétrons mais fortemente do que o
núcleo do átomo de hidrogênio, de forma que o oxigênio é mais eletronegativo que o
hidrogênio. Por causa da grande diferença de eletronegatividade, os elétrons compar-
tilhados entre o hidrogênio e o oxigênio se localizam mais freqüentemente próximos
ao átomo de oxigênio. Esta diferença na distribuição dos elétrons confere à ligação
O-H um caráter iônico, resultando em dois dipolos elétricos na molécula de água,
um em cada ligação H-O.
O oxigênio apresenta carga parcial negativa (2δδδδδ−) e cada hidrogênio uma carga
parcial positiva (δ+), sendo a água uma molécula altamente polar. Desta forma, há uma
atração eletrostática entre um átomo de oxigênio de uma molécula de água e um átomo de
hidrogênio de outra. Esta interação é chamada de ponte de hidrogênio (Figura 3.2.c).
A energia de uma ponte de hidrogênio é pequena (20 kJ/mol) quando comparada
à energia de uma ligação covalente (por exemplo, 460 kJ/mol para a ligação O-H ou
348 kJ/mol para a ligação C-C). Entretanto, o arranjo quase tetraédrico dos orbitais
ao redor do átomo de oxigênio permite que cada molécula de água possa formar até
quatro pontes de hidrogênio com moléculas vizinhas, de forma que a soma das ener-
gias confere uma enorme coesão à água.
Agora podemos entender melhor todas as propriedades da água discutidas
na aula anterior. Na verdade, todas elas são decorrentes da água poder
formar tantas pontes de hidrogênio.
Bem, acabamos de comentar que cada molécula de água pode formar até quatro
pontes de hidrogênio com moléculas vizinhas. Mas será que é sempre isso que acontece?
Na verdade, nem sempre.
O símbolo δ é a letra
grega delta, e aqui o
utilizamos para indicar
que a carga é parcial.
LIGAÇÃO COVALENTE
Se forma entre pares de
átomos que tendem a
completar suas camadas
eletrônicas por partilha
de elétrons.
○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
Lembre-se que o
núcleo de um átomo
de hidrogênio nada
mais é do que um
próton.
!
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À temperatura ambiente, a energia cinética de cada molécula de água é da mesma
ordem de grandeza daquela necessária para quebrar uma ponte de hidrogênio. Embora
em um determinado momento todas as moléculas de água estejam ligadas entre si por
pontes de hidrogênio, o tempo de vida destas ligações é menor do que 10-9 segundos, de
forma que estas ligações estão constantemente se formando e se desfazendo. Nessas
condições, cada molécula de água forma, em média, 3,4 pontes de hidrogênio.
3. A água no estado sólido
Quando a água congela, cada molécula de água passa a formar pontes de hidro-
gênio com outras quatro. Isto resulta em uma estrutura bastante organizada e aberta,
como mostrado na Figura 3.3.
Por isso, temos a expansão da água quando ela congela.
Enquanto a densidade da água líquida é
de 1 g/ml, a densidade do gelo é de 0,92 g/ml.
Chegamos à explicação molecular de por
que o gelo flutua.
O calor de fusão do gelo, energia necessária para
transformar determinada quantidade de gelo em água,
corresponde a aproximadamente 15% da energia ne-
cessária para transformar esta mesma quantidade de
gelo diretamente em gás, ou seja, sua sublimação.
Como no vapor não existem pontes de
hidrogênio, podemos concluir que a água lí-
quida apresenta apenas 15% menos pontes
de hidrogênio que a água no estadosólido.
Realmente, a diferença entre o número de pontes de hidrogênio na água líquida (3,4) e no
gelo (4,0) é pequena. Entretanto, como existe um enorme número de pontes de hidrogê-
nio, já que todas as moléculas de água estão ligadas entre si, a quebra dessas pontes acaba
por requerer uma grande quantidade de energia, explicando o alto ponto de fusão da água.
Mais energia ainda deve ser absorvida para quebrar o restante de pontes de
hidrogênio, resultando na passagem da água para o estado gasoso. Isto pode ser cons-
tatado também pelo fato de o ponto de ebulição da água ser 264oC maior do que o
ponto de ebulição do metano (CH
4
), uma substância com aproximadamente a mesma
massa molecular da água, mas incapaz de formar pontes de hidrogênio.
Agora ficou mais fácil de compreender por que a água serve como um exce-
lente moderador de temperatura, não é?
Na ausência de
associações intermo-
leculares, substâncias de
mesma massa molecular
deveriam ter o mesmo
ponto de ebulição.
SUBLIMAÇÃO
Passagem de uma
substância diretamente do
estado sólido para
o estado gasoso.
Figura 3.3: Pontes de
hidrogênio no gelo.
Lembre-se de que
10-9 = 0,000000001
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Resumo
Nesta aula você viu que todas propriedades da água apresentadas na
Aula 2 resultam da sua polaridade, o que leva à interação de suas molé-
culas entre si, através da formação de pontes de hidrogênio. Como
conseqüência, a água apresenta uma grande coesão interna.
Exercícios
Vamos fazer como na aula passada. Resolva somente as questões de
1 a 3, e consulte as respostas. Se tiver respondido corretamente, resolva
também as outras questões. Caso suas respostas não estejam corretas,
reveja a aula e em seguida tente resolver as questões seguintes.
1. Por que dizemos que a água é um dipolo?
2. O que promove a coesão entre as moléculas de água?
3. Marque qual das afirmações abaixo, a respeito das pontes de hidrogênio, é falsa:
a) Pontes de hidrogênio são ligações muito mais fracas do que ligações covalentes.
b) As pontes de hidrogênio são responsáveis pelo ponto de ebulição extremamente
alto da água.
c) Na água líquida, cada ponte de hidrogênio “existe” por muitos segundos e, às
vezes, até por minutos.
d) Na água líquida, cada molécula forma pontes de hidrogênio com aproximada-
mente 3 ou 4 outras moléculas de água.
4. De que maneira a coesão entre as moléculas de água contribui para o transporte de
líquidos nas plantas?
5. Interessado na sobrevivência de seres vivos em condições extremas, um pesquisador
realizou alguns estudos em um lago em uma região de inverno rigoroso no
hemisfério Norte. Ele verificou que o gelo só era encontrado em uma camada de
10 centímetros, na superfície do lago, permanecendo o resto da água em estado
líquido. Explique por que é possível esta distribuição heterogênea da água em dois
estados físicos diferentes.
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Auto-avaliação
Se você respondeu adequadamente às perguntas é porque entendeu o que são
pontes de hidrogênio, como elas se formam e sua importância. Ao compreender
os conteúdos trabalhados nesta aula, você ampliou seus conhecimentos inicia-
dos na Aula 2 e terá mais facilidade em compreender vários pontos que serão
abordados nas próximas aulas.
INFORMAÇÕES SOBRE A PRÓXIMA AULA
Na próxima aula, você verá como estas características da água estão envolvidas nas
suas propriedades como solvente e saberá mais sobre as soluções aquosas.
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