A ligação do hidrogênio é um tópico importante na química e sustenta o comportamento de muitas das substâncias com as quais interagimos no dia-a-dia, especialmente a água. Compreender a ligação de hidrogênio e por que ela existe é um passo importante para entender a ligação intermolecular e a química de maneira mais geral. A ligação de hidrogênio é causada, em última análise, pela diferença na carga elétrica líquida em algumas partes de moléculas específicas. Essas seções carregadas atraem outras moléculas com as mesmas propriedades.
TL; DR (muito longo; Não li)
A ligação de hidrogênio é causada pela tendência de alguns átomos nas moléculas de atrair elétrons mais do que o átomo que os acompanha. Isso dá à molécula um momento de dipolo permanente - torna-a polar - então ela age como um ímã e atrai a extremidade oposta de outras moléculas polares.
Eletronegatividade e momentos de dipolo permanentes
A propriedade da eletronegatividade, em última análise, causa ligações de hidrogênio. Quando os átomos estão covalentemente ligados uns aos outros, eles compartilham elétrons. Em um exemplo perfeito de ligação covalente, os elétrons são compartilhados igualmente, de modo que os elétrons compartilhados estão a meio caminho entre um átomo e outro. No entanto, esse é apenas o caso quando os átomos são igualmente eficazes para atrair elétrons. A capacidade dos átomos de atrair os elétrons de ligação é conhecida como eletronegatividade, portanto, se os elétrons forem compartilhados entre os átomos com a mesma eletronegatividade, então os elétrons estão aproximadamente a meio caminho entre eles, em média (porque os elétrons se movem continuamente).
Se um átomo for mais eletronegativo do que o outro, os elétrons compartilhados serão mais intimamente atraídos por esse átomo. No entanto, os elétrons são carregados, então se eles são mais propensos a se reunir em torno de um átomo do que do outro, isso afeta o equilíbrio de carga da molécula. Em vez de ser eletricamente neutro, o átomo mais eletronegativo ganha uma leve carga líquida negativa. Por outro lado, o átomo menos eletronegativo termina com uma leve carga positiva. Essa diferença de carga produz uma molécula com o que é chamado de momento de dipolo permanente, e muitas vezes são chamadas de moléculas polares.
Como funcionam as ligações de hidrogênio
As moléculas polares têm duas seções carregadas em sua estrutura. Da mesma forma que a extremidade positiva de um ímã atrai a extremidade negativa de outro ímã, as extremidades opostas de duas moléculas polares podem se atrair. Esse fenômeno é chamado de ligação de hidrogênio porque o hidrogênio é menos eletronegativo do que as moléculas com as quais costuma se ligar, como oxigênio, nitrogênio ou flúor. Quando a extremidade do hidrogênio da molécula com uma carga líquida positiva chega perto do oxigênio, nitrogênio, flúor ou outra extremidade eletronegativa, o resultado é uma molécula-molécula ligação (uma ligação intermolecular), que é diferente da maioria das outras formas de ligação que você encontra na química, e é responsável por algumas das propriedades únicas de diferentes substâncias.
As ligações de hidrogênio são cerca de 10 vezes menos fortes do que as ligações covalentes que mantêm as moléculas individuais juntas. As ligações covalentes são difíceis de quebrar porque isso requer muita energia, mas as ligações de hidrogênio são fracas o suficiente para serem quebradas com relativa facilidade. Em um líquido, há muitas moléculas se acotovelando, e esse processo leva à quebra e à formação de ligações de hidrogênio quando a energia é suficiente. Da mesma forma, aquecer a substância quebra algumas ligações de hidrogênio pelo mesmo motivo.
Ligação de hidrogênio na água
Água (H2O) é um bom exemplo de ligação de hidrogênio em ação. A molécula de oxigênio é mais eletronegativa do que o hidrogênio, e ambos os átomos de hidrogênio estão no mesmo lado da molécula em uma formação em “v”. Isso dá ao lado da molécula de água com os átomos de hidrogênio uma carga líquida positiva e ao lado do oxigênio uma carga líquida negativa. Os átomos de hidrogênio de uma molécula de água, portanto, ligam-se ao lado do oxigênio de outras moléculas de água.
Existem dois átomos de hidrogênio disponíveis para ligações de hidrogênio na água, e cada átomo de oxigênio pode “aceitar” ligações de hidrogênio de duas outras fontes. Isso mantém a ligação intermolecular forte e explica por que a água tem um ponto de ebulição mais alto do que a amônia (onde o nitrogênio só pode aceitar uma ligação de hidrogênio). As ligações de hidrogênio também explicam por que o gelo ocupa mais volume do que a mesma massa de água: as ligações de hidrogênio se fixam e dão à água uma estrutura mais regular do que quando é um líquido.