Ligação de hidrogênio na água

Você é uma bolsa d´água que fala, aprende e cria coisas. Certo, não é bem assim, mas é quase assim, uma vez que o corpo humano é 60 a 70% água. E não apenas os humanos - a maioria dos animais também e até mesmo as minúsculas bactérias são feitas principalmente de água${}^1$‍. A água é a chave para a existência da vida como nós a conhecemos. Isso pode parecer dramático, mas é a verdade — e são os dramas verdadeiros que tornam a vida interessante! A maioria das reações químicas e metabólicas de um organismo celular ocorrem num meio viscoso dentro das células, chamado citoplasma.

A água não é só muito comum nos organismos, mas possui também algumas propriedades químicas incomuns que a tornam muito boa para o suporte da vida. Essas propriedades são importantes para a biologia em muitos diferentes níveis, desde células, organismos a ecossistemas. Você pode aprender mais sobre as propriedades da água na manutenção da vida nos seguintes artigos:

A água possui essas propriedades devido à polaridade de suas moléculas e especificamente, sua habilidade em formar ligações de hidrogênio entre si e com outras moléculas. Abaixo veremos como a ligação de hidrogênio funciona.

A chave para entender o comportamento químico da água é a sua estrutura molecular. A molécula de água consiste de dois átomos de hidrogênio ligados a um átomo de oxigênio, e a estrutura geral é encurvada. Isso ocorre porque o átomo de oxigênio, além de formar ligações com os átomos de hidrogênio, também possui dois pares de elétrons não compartilhados. Todos os pares de elétrons — compartilhados e não compartilhados — se repelem.

O arranjo mais estável é aquele que os coloca mais separados um do outro: um tetraedro, com as ligações $\text{O}-\text{H}$‍ formando duas das quatro "pernas". Os pares isolados são ligeiramente mais repulsivos do que os elétrons de ligação, então o ângulo entre as ligações de $\text{O}-\text{H}$‍ é em torno de 104,5 °, ligeiramente inferior a de um tetraedro perfeito, que é 109° .${}^2$‍

Devido ao oxigênio ser mais eletronegativo - ávido por elétrons- que o hidrogênio, o átomo de $\text{O}$‍ pega elétrons e os mantém longe dos átomos de $\text{H}$‍. Isto dá ao polo da molécula de água com oxigênio uma carga parcialmente negativa, enquanto o polo com hidrogênio fica com uma carga parcialmente positiva. A água é classificada como uma molécula polar devido às suas ligações covalentes polares e sua forma curva${}^{2,3}$‍.

Graças à sua polaridade, as moléculas de água se atraem facilmente. A extremidade positiva — um átomo de hidrogênio — se associa com a extremidade negativa - um átomo de oxigênio.

Essas atrações são um exemplo de ligações de hidrogênio, interações fracas que se formam entre um hidrogênio com uma carga positiva parcial e um átomo mais eletronegativo, tal como oxigênio. Os átomos de hidrogênio envolvidos na ligação de hidrogênio devem ser anexados a átomos eletronegativos, como $\text{O}$‍, $\text{N}$‍ ou $\text{F}$‍.

As moléculas de água também são atraídas por outras moléculas polares e íons. Uma substância polar ou carregada que interage com e se dissolve em água é chamada hidrofílica:hidro significa "água", e fílica significa "amigável". Em contraste, as moléculas apolares como óleos e gorduras não interagem bem com água. Elas se repelem ao invés de se dissolver na água e são chamadas de hidrofóbicas: fobia significa "aversão". Você já deve ter percebido isso nos temperos com óleo e vinagre de salada. O vinagre é praticamente água com um pouco de ácido.