Ligações de Hidrogênio e Corrente

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No caso da condução nos metais, não há condução de cargas elétricas de um polo para o outro, como por exemplo do interruptor da tomada para a lâmpada de nossa casa. Aqui, a corrente não pode ser pensada como um fluido que vai de um lugar para outro através do fio elétrico, ou seja, fio elétrico não pode ser considerado como um "cano de água". Na verdade neste caso, devemos pensar a corrente elétrica como uma onda, isto é, como uma "ola" que os torcedores fazem nos estádios de futebol. Nenhum torcedor sai correndo em volta do estádio para fazer a ola. Ele apenas se levanta e grita quanto chega a sua vez. Uma onda, é assim, é uma perturbação que se propaga. É isso o que acontece com a "corrente" elétrica nos metais. Ela não é uma corrente no sentido de um fluxo contínuo de matéria. A corrente elétrica nos metais é uma per- turbação que se propaga como se fio fosse estádio de futebol e os elétrons "livres" fossem os torcedores. Esses elétrons, chamados de elétrons de condução (nuvem ele- trônica) são os mais externos e estão fracamente ligados ao núcleo. Assim, eles podem oscilar em torno de uma posição de equilíbrio original transmitindo a perturbação para átomo vizinho e assim por diante. 12. o QUE É LIGAÇÃO DE HIDROGÊNIO? 12. o hidrogênio de uma molécula de água além de fazer uma ligação covalente com oxigênio de sua respectiva molécula, associa-se através de uma ligação mais fraca com o par de eletrons não ligantes do oxigênio de uma molécula vizinha. Esta intera- ção relativamente forte é denominada de ligação de hidrogênio. Estas ligações podem ocorrer também em moléculas que tenham um hidrogênio ou mais, ligados com um dos átomos: (oxigênio), F (flúor) e N (nitrogênio). Essa atração entre átomo de H de uma mo- Ligação de hidrogênio lécula e átomo de de outra, produz a associação das moléculas de água tanto no estado sólido como H no estado líquido. Na figura abaixo, temos uma re- H O: H-O: presentação dessa interação, ocorrida na água. H átomo de hidrogênio, pode ser considerado como igualmente ligado a ambos. Como resultado desta ligação de hidrogênio forma-se uma "molécula gi- gante" em que cada é rodeado por quatro átomos LIGAÇÃO DE HIDROGÊNIO de H (a fórmula mínima continua a ser por- FONTE: que dos quatro H ao redor de um dado O, somente WWW.SIMBIOTICA.ORG a metade de cada H pertence ao O. A existência de quatro átomos de H ao redor de cada átomo de o é obtida pelos estudos de raios X com gelo. Também demostram que os átomos de oxigênio ao redor de um dado estão localizados nos vértices de um tetraedro regular. UAB Ciências Naturais e Matemática ESTUDANDO SOBRE A TERRA 59 70/116Por causa deste arranjo tetraédrico, a estrutura do gelo (água sólida) se estende em três dimensões. H H Os círculos maiores e vermelhos representam os átomos de oxigênio, cada um dos quais rodeado tetraedricamente por quatro átomos de hidrogênio, representados pelos círculos brancos. Um fato interessante desta estrutura é que ela contem canais hexago- nais (como um favo de mel) e, por causa dessa disposição espacial, H gelo tem uma densidade relativamente pequena. Conforme os dados abaixo, podemos verificar que a água líquida H H é mais densa que gelo : H H Estado Densidade H Temperatura "MOLÉCULA GIGANTE" DE ÁGUA Físico (g/mL) FONTE: WWW.SIMBIOTICA.ORG Sólido 0,917 3,98 líquido 1,000 10 líquido 0,999 7 20 líquido 0,998 30 líquido 0,996 Quando gelo se funde, esta estrutura fica parcialmente destruída, e as moléculas se agru- pam mais compactamente, que leva a formação de um líquido mais denso que sólido. ESTRUTURA DO GELO. FONTE: WWW.SIMBIOTICA.ORG ATIVIDADE Uma outra característica relevante da água, a qual se deve a variação da den- sidade, é sua dilatação anômala. Ao contrário do que muita gente pensa, a água se comporta como qualquer substância para intervalos de temperatura que vão de 4°C a 100°C. Ou seja, se aquecida, dilata; se resfriada, contrai. Entretanto no intervalo de 4°C a 0°C ocorre oposto, ou seja, se eleva a temperatura ela se contrai e ao resfriar-se se dilata. Baseando-se no arranjo molecular da água justifique tal fenômeno. 60 Ciências Naturais e Matemática UAB 71/116UM FENÔMENO QUE GARANTE A VIDA AQUÁTICA NOS LAGOS CONGELADOS Por conta desse comportamento, a água permite a vida dos organismos aquáticos nos lagos congelados. Quando a temperatura ambiente abaixa a ponto da água solidi- ficar-se, inicia-se congelamento na superfície do lago. Como gelo é menos denso que a água, mesmo fica sobre a superfície da grande massa natural de água, isolando do ar frio, o líquido que lhe fica abaixo, não permitindo seu congelamento. Os peixes e plantas aquáticas dependem deste efeito para sobreviver nestes rigorosos invernos. Sem este efeito isolante da superfície do lago, toda a água se solidificaria e os peixes e plantas não sobreviveriam. A ALTA CAPACIDADE CALORÍFICA DA ÁGUA A capacidade calorífica elevada da água também é explicada pelas ligações de hidrogênio. Para que ocorra a elevação da temperatura da água é necessário aumentar a energia cinética das moléculas, o que implica em romper as ligações de hidrogênio. calor de fusão e calor de vaporização são altos pela mesma razão; é necessário maior energia para romper as ligações de hidrogênio. Vejamos através da tabela abaixo, as propriedades térmicas da água e de algumas substâncias: Substância Fórmula Ponto de Fu- Ponto de Capacidade Calor de Va- são Ebulição Calorífica do porização (C) (C) Líquido (J/g) (J/g. C) Água 0 100 4,18 2.257 Etanol C,H,OH -117 78 2,24 854 Benzeno 6 80 1,63 395 Mercúrio Hg -39 357 0,14 295 Justifique baseando-se nas ligações químicas e nas forças intermoleculares: a) Etanol apresentar o menor ponto de fusão entre as substâncias. b) Mercúrio apresentar o maior ponto de ebulição entre as substâncias. c) maior calor de vaporização da água apesar do etanol também formar ligações de hidrogênio. calor de vaporização da água tem um papel fundamental no clima da Terra. Por ter um calor específico alto, a água demora para aquecer e também para resfriar. As águas superficiais ao evaporar-se absorve cerca de 30% da energia solar que atinge a superfície da Terra. Esta energia é liberada quando o vapor de água se condensa. Dessa forma, a água circula nos solos e as fontes das águas são restabelecidas. alto calor específico da água é responsável pela manutenção da temperatura do corpo humano estável, por volta dos 36° C. UAB Ciências Naturais e Matemática ESTUDANDO SOBRE A TERRA 61 72/11A ÁGUA : SOLVENTE UNIVERSAL? A água é o solvente mais comum tanto na natureza como num laboratório quími- Não é porém um solvente universal pois muitas substâncias são essencialmente insolúveis em água. A importância da água para os seres vivos, reside no fato da maioria das subs- tâncias por eles absorvidas e todas as reações do seu metabolismo serem feitas por via aquosa (meio fisiológico). Isso acontece porque a água, é relativamente inerte nesses meios e por possuir a propriedade de dissolver um número muito grande de substân- cias minerais (inorgânicas) e orgânicas, ácidas ou básicas, sólidas, líquidas ou gasosas, facilitando assim a sua penetração, através das membranas celulares tanto de vegetais quanto de animais e o seu transporte por todo organismo. É difícil imaginar a vida sem água. A maior parte da composição das células é constituída de água; as substâncias químicas absorvidas do meio, especialmente os sais minerais, devem estar na forma de soluções aquosas para atravessar as membranas ce- lulares; a excreção de produtos tóxicos exige água; transporte interno dos alimentos e metabólicos, pela seiva ou pelo sangue, ocorre em meio aquoso; a regulação interna da temperatura, em alguns animais é feita pela transpiração, ou seja, eliminação de água. Como podemos, perceber a água está presente nos meios físicos e biológicos no seu estado puro ou participando como solvente de muitas soluções indispensáveis à manutenção e continuidade da vida em todos os seus aspectos. Tendo todo este grau de importância, não quer dizer, voltando a frisar, que a água dissolva todas as substâncias. É até difícil prever a solubilidade das substâncias na água, pois são inúmeros os fatores que influenciam (estrutura molecular polari- dade das moléculas ..) No caso da água, a situação é extremamente complexa, pois as interações e ligações moleculares são bem fortes. A água como solvente polar não dissolve substâncias apolares ou pouco polares, tais como o metano, hidrocarbonetos, compostos de carbono com longa cadeia apolar. Nestes casos a água interage tão fra- camente com soluto apolar que não há liberação de energia suficiente para romper as interações e ligações das moléculas de água. a) Classifique cada líquido do tubo de ensaio ao lado como apolar ou polar H2O b) Justifique a disposição dos líquidos 62 Ciências Naturais e Matemática UAB 73/116Outros solutos moleculares, tais como a amônia NH3, etanol já são muito solúveis em água, por poderem formar ligações de hidrogênio com a água. Determinadas substâncias iônicas, tais como alguns sais conseguem solubilizar na água. Por exemplo, no caso do cloreto de sódio as atrações também chamados de íons solvatados H2O são suficientemente grandes para vencer a energia reticular e NaCl (sal de cozinha) é bastante solúvel. Cristal de NaCl solvatados Cl Molécula de água o FENÓMENO DA SOLVATAÇÃO IÓNICA FONTE: Uma solução de água bem conhecida é a água dura. Esta solução tem certos íons metálicos, como e Estes íons reagem com os sabões que são sais de sódio de ácidos orgânicos- dando precipitado pesado de sais de cálcio e de magnésio. Este precipitado se firma nos tecidos lavados e aos tanques (anel de sujeira). A remoção des- ses íons é chamada de abrandamento. POR QUE A ÁGUA FORMA UMA MEMBRANA EM SUA SUPERFÍCIE A PONTO DE UM INSETO CAMINHAR SOBRE ELA? Os líquidos apresentam um fenômeno muito interessante em sua superfície: a tensão superficial. É um efeito que ocorre na camada superficial do mesmo, que leva a sua superfície a se comportar como uma membrana elástica. As moléculas situadas no interior de um líquido são atraídas em todas as direções pelas moléculas vizinhas e, por isso, a resultante das forças que atuam sobre cada molécula é praticamente nula. As moléculas da superfície do líquido, entretanto, sofrem apenas atração lateral e in- ferior. Esta força para o lado e para baixo cria a tensão na superfície, que faz a mesma comportar-se como uma película elástica. Graças a tensão superficial da água, insetos podem caminhar sobre a mesma e até mesmo podemos fazer uma agulha boiar sobre a mesma. UAB Ciências Naturais e Matemática ESTUDANDO SOBRE A TERRA 63 74/116Vamos realizar algumas atividades? » ATIVIDADE 1 UMA AGULHA PODE FLUTUAR ? Material: 1 agulha de costura; 1 copo cheio de água; 1 pedaço de arame n. 12 (15 cm) Modo de fazer: 1. Dobre arame de modo a dar-lhe aspecto de um garfo bem curvo para sustentar a agulha de costura. 2. Com auxílio do arame dobrado, procure colocar a agulha na superfície de água. Retire arame cuidadosamente, afastando-o para baixo sem tocar na agulha. Esta atividade pode ser realizada para crianças a partir do Ano. É inútil tentar discutir mais detalhadamente o fenômeno da tensão superficial. Os alunos provavelmente se contentarão com a afirmação de que a superfície da água se com- porta como uma membrana esticada. » ATIVIDADE 2 GIZ EM PÓ PODE PERMANECER NA SUPERFÍCIE DA ÁGUA? Material: 1 copo de vidro; 1 lápis; 1 gilete ou tesoura; 1 pedaço de giz Modo de fazer: 1. Coloque água num copo até pouco mais da metade e espere que a superfície fique sem movimento. 2. Raspe um pedaço de giz com uma ponta de uma tesoura ou com uma gilete, deixando que o pó caia sobre a superfície da água. 3. Observe abaixo da superfície líquida e verá que embora algumas partículas caiam no fundo do copo, a maioria permanece em cima. 4. Em seguida, sem tocar no copo, perfure a superfície da água com a ponta bem fina de um lápis e observe o que acontece com o pó de giz. 5. Finalmente agite o líquido todo e observe o que aconteceu. APROFUNDANDO... Inicialmente, a grande maioria das partículas de giz permanece na superfície em virtude de esta se comparar como uma película (tensão superficial). Quando se perfura a membrana, muitas partículas afundam porque a membrana se rompe neste lugar. Ao agitar-se todo o líquido, rompendo a membrana em muitos pontos, a maioria das partículas vai ao fundo. ATIVIDADE 3 CoMo TORNAR A "MEMBRANA" SUPERFICIAL MAIS FRACA? Com o auxílio de um detergente, iremos tornar a membrana superficial mais fraca. 64 Ciências Naturais e Matemática UAB 75/116Material: 1 bacia pequena; 1 conta-gotas; 1 tesoura ou gilete; 1 pedaço de giz; 1 pires de chá; detergente ou sabão. Modo de fazer: 1. Antes de iniciar experimento, corte um pedaço de sabão, ponha-o no pires com água e procure dissolvê-lo. 2. Coloque água no copo até ultrapassar metade da altura. 3. Raspe giz (seco) com uma tesoura, ou uma gilete, espalhando pó sobre a superfície da água. 4. Com conta-gotas a curta distância, pingue água com sabão, fazendo-a des- cer pelas paredes internas do copo, ou bacia. Em seguida pingue outra gota no centro do copo. Observe o que acontece. APROFUNDANDO... Antes de pingar a água de sabão, ou a solução de detergente, o pó de giz mantém- se na superfície da água. No lugar onde é gotejada a água com sabão, o pó de giz afasta- se para os lados. que acontece é que a água com sabão diminui a tensão no local por ela atingido. Por que, considerando as interações intermoleculares, que a solução de água com sabão diminui a tensão superficial da água? ATIVIDADE 4 PALITO MÁGICO Através do fenômeno de tensão superficial e do fenômeno de enfraquecimento da membrana superficial da água, verificados nestas atividades, iremos tornar um pa- lito "mágico". Material: 1 palito dental; detergente; 1 copo com água; 1 tachinha Modo de fazer: Parte 1 - Uma tachinha pode boiar na água? Encha com água um copo até a sua borda. Através de um clipes faça uma alça para que você cuidadosamente coloque a tachinha com a cabeça encostada na água. Por que a tachinha boiou na água? Parte II Um palito mágico Umedeça uma extremidade do palito com detergente incolor. "Fure" várias vezes a película da água com a extremidade que está sem detergente. A tachinha afundou? A seguir "fure" a película da água com a extremidade do palito que está molhada com detergente. A tachinha afundou? Por quê? UAB Ciências Naturais e Matemática ESTUDANDO SOBRE A TERRA 65 76/116A CAPILARIDADE E A CAPACIDADE DA ÁGUA DE SE LOCOMOVER A capilaridade é um fenômeno físico que permite que a água consiga subir até a mais alta folha de uma árvore, contrariando a atração gravitacional da Terra. Como que ocorre? Para entendermos melhor vamos realizar a atividade: Por que a água sobe? ATIVIDADE POR QUE A ÁGUA SOBE? Material: vários tubos de plásticos de diâmetros diferentes; um copo com água com algum corante. Modo de fazer: 1-Introduza uma das pontas de cada tubinho na água colorida; 2-Verifique se a água sobe até a mesma altura, em todos os tubinhos; Interpretando... As moléculas da parede do tubo atraem as da água. Por isso elas começam a subir pelas paredes. Entretanto, como todas as moléculas de água estão atraídas entre si, as demais também são arrastadas para cima, formando-se uma coluna de água que come- ça a subir. Com tempo, a coluna aumenta e por isso vai ficando cada vez mais pesada. Até que o seu peso é tão grande que a força de atração do vidro não consegue puxar mais água, parando a coluna de subir. Você deve ter observado que no tubo mais fino a água subiu mais. Por quê? No tubo mais estreito, a coluna de água que se forma também é mais estreita. Por isso, só quando ela fica muito alta é que seu peso se torna tão grande que as moléculas de vidro não conseguem puxar mais água. De acordo com o estudo acima, quais devem ser as dimensões dos diâmetros dos tubos capilares existentes numa árvore, para que a água consiga chegar até topo da mesma? Existem outros fenômenos físicos, além da capilaridade, que justifiquem este fato? Ao longo desse nosso singelo estudo sobre a água, enfocando sua origem no Uni- verso, no Planeta Terra, sua própria vida, sua dinâmica sobre a vida do Planeta, suas propriedades perfeitas e inigualáveis, permitindo a compreensão deste elemento tão vital e perfeito da Criação vale a pena refletirmos um pouco sobre a nossa responsabi- lidade diante do uso e consumo da água, como cita Frei Pilato Pereira: 66 Ciências Naturais e Matemática UAB 77/116