Ligação de hidrogênio

A ligação de hidrogênio é um tipo de interação intermolecular em que um átomo eletronegativo se associa com um átomo de hidrogênio que está ligado a um outro átomo eletronegativo. É uma interação que se assemelha às interações dipolo-dipolo, porém são bem mais intensas. Os átomos eletronegativos capazes de participar da ligação de hidrogênio são flúor (F), oxigênio (O) e nitrogênio (N).

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Resumo sobre ligação de hidrogênio

• A ligação de hidrogênio é uma interação intermolecular em que um átomo eletronegativo interage com um átomo de hidrogênio ligado covalentemente a outro átomo eletronegativo.
• A ligação de hidrogênio é a interação intermolecular mais forte que existe, com força que pode se assemelhar das ligações covalentes.
• Os átomos eletronegativos envolvidos na ligação de hidrogênio são o flúor (F), oxigênio (O) e o nitrogênio (N).
• A ligação de hidrogênio tem sua força explicada na elevada carga parcial positiva que o átomo de hidrogênio adquire, além do seu pequeno tamanho, o que permite uma grande aproximação das moléculas.
• A ligação de hidrogênio é responsável, por exemplo, pelas propriedades físicas específicas da água.

O que é ligação de hidrogênio?

A ligação de hidrogênio é uma modalidade de interação intermolecular em que um átomo eletronegativo interage com um átomo de hidrogênio ligado a um outro átomo eletronegativo. Tal interação intermolecular, cujo mecanismo se assemelha das interações dipolo-dipolo, é intensificada pelo pequeno tamanho do átomo de hidrogênio, permitindo uma proximidade dos dipolos ou cargas que estejam interagindo.

Em geral, os átomos eletronegativos que participam da ligação de hidrogênio são do primeiro período da tabela periódica, ou seja, nitrogênio (N), oxigênio (O) e flúor (F).

Como funcionam as ligações de hidrogênio?

Para ocorrer uma ligação de hidrogênio, o átomo de hidrogênio deve estar ligado a um átomo muito eletronegativo (por meio de uma ligação covalente) e, concomitantemente, ele irá se associar, por meio de uma interação eletrostática, a um outro átomo muito eletronegativo.

Quando o hidrogênio se liga a um átomo muito eletronegativo, a sua carga parcial fica muito positiva. Ao se aproximar de outro átomo muito eletronegativo, surge uma interação eletrostática (a chamada ligação de hidrogênio), a qual é potencializada pelo tamanho pequeno do átomo de hidrogênio: como ele é o menor átomo da tabela periódica, é possível haver uma aproximação muito grande das moléculas.

Em geral, os átomos eletronegativos que são capazes de participar de uma ligação de hidrogênio são aqueles que englobam também um tamanho muito pequeno, por isso consideram-se apenas o flúor (F), o oxigênio (O) e o nitrogênio (N), os quais são os três elementos mais eletronegativos do segundo período.

Na nomenclatura comum, o átomo que o hidrogênio está ligado por uma ligação covalente e o átomo ao qual ele se associa, formando a ligação de hidrogênio, são chamados de doador (D) e aceptor (A), respectivamente. Para entender melhor o conceito de átomo doador e aceptor, vejamos o caso da ligação de hidrogênio que ocorre nas moléculas de água:

O átomo de oxigênio ao qual o hidrogênio está ligado por uma ligação covalente (representada na imagem com uma linha sólida) é o átomo doador. Já o átomo de oxigênio, da outra molécula, ao qual o átomo de hidrogênio faz a interação, é o átomo aceptor.

As ligações de hidrogênio podem ainda ser do tipo intermolecular, ou seja, entre moléculas distintas, ou do tipo intramolecular, ou seja, ocorrendo dentro da mesma molécula.

Características das ligações de hidrogênio

Nem sempre o ângulo do sistema de ligação e interação (D–H---A) será linear (ou seja, 180°). Além disso, um mesmo átomo, por conta de pares de elétrons livres, pode realizar mais de uma ligação de hidrogênio, como no próprio caso da água.

Como foi dito anteriormente, o pequeno tamanho do átomo de hidrogênio permite uma maior aproximação das moléculas. Em geral, a distância entre o átomo doador e o átomo aceptor é de 250 a 350 pm (picômetros, ou 10⁻¹² m), enquanto a ligação D–H fica na faixa dos 100 pm. Quão mais perto de 180° for o ângulo do sistema D–H---A e menor for o tamanho da ligação de hidrogênio, mais forte essa interação será.

As ligações de hidrogênio são consideradas, por alguns autores, como interações dipolo-dipolo específicas, mais fortes e intensas. Um exemplo da força da ligação de hidrogênio é quando estudos mostram que, mesmo no vapor de algumas substâncias, como no caso do fluoreto de hidrogênio (HF) e do ácido acético (C₂H₄O₂), ela ainda pode ser observada.

Dentro do parâmetro de força de ligação de hidrogênio, é possível estabelecer alguns níveis:

• Fortes: energia de interação variando de 20 a 40 kcal∙mol⁻¹, sendo formadas quando os átomos doadores e aceptores estão carregados. Tal energia pode superar a energia de algumas ligações covalentes, por exemplo. Nelas, o ângulo do sistema D–H---A é próximo de 180°.
• Moderadas: energia de interação variando de 5 a 10 kcal∙mol⁻¹, sendo as mais comuns e formadas quando os átomos doares e aceptores estão neutros.
• Fracas: energia de interação variando de 1 a 5 kcal∙mol⁻¹, sendo formadas quando a diferença de eletronegatividade entre o átomo doador e o hidrogênio é pequena. Nessa modalidade, o ângulo do sistema D–H---A é menor que 120°, com uma ligação de hidrogênio superior a 220 pm.

Quem faz ligações de hidrogênio?

A ligação de hidrogênio apresenta uma estrutura básica do tipo D–H---A, onde D é o átomo doador e A é o átomo aceptor. A partir dela, é possível elencar os dois critérios necessários para estabelecer uma ligação de hidrogênio:

1. o átomo doador, ao qual o hidrogênio está ligado covalentemente, deve ser muito eletronegativo. Assim sendo, são considerados apenas flúor (F), oxigênio (O) e nitrogênio (N);
2. o átomo aceptor deve possuir, ao menos, um par de elétrons não ligantes, além de ser pequeno e eletronegativo. Assim sendo, são considerados, novamente, apenas flúor (F), oxigênio (O) e nitrogênio (N).

Tais átomos eletronegativos conseguem atrair muito intensamente o elétron do átomo de hidrogênio, sem ionizá-lo, deixando o próton do núcleo do hidrogênio muito desprotegido, resultando em uma grande carga parcial positiva em uma área muito pequena. O átomo muito eletronegativo possui uma carga parcial negativa elevada e, havendo o par de elétron isolado (não ligante), estes ficam altamente atraídos ao próton desprotegido do hidrogênio, criando a ligação de hidrogênio.

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Exemplos de ligações de hidrogênio

Moléculas como H₂O, NH₃ e HF são capazes de realizar, entre si, ligações de hidrogênio. O que é muito interessante é que, como essa interação é muito forte, as temperaturas de ebulição desses compostos são muito maiores que o “esperado”. A tabela a seguir mostra o comparativo das temperaturas de ebulição desses compostos com os demais hidretos dos elementos do seu grupo.

Como apenas esses três compostos realizam ligação de hidrogênio, apenas os três possuem elevadas temperaturas de ebulição.

No caso do CH₄, que não é capaz de realizar ligação de hidrogênio, a variação das temperaturas de ebulição está apenas ligada ao volume molecular, uma vez que ele e os demais elementos do seu grupo, formam compostos com hidrogênio que realizam a mesma interação (dipolo induzido-dipolo induzido).

A ligação de hidrogênio na água está intimamente ligada a diversas propriedades físicas incomuns dela. Tal interação também afeta o seu congelamento, que possui uma temperatura muito mais elevada quando comparada a moléculas semelhantes.

Durante o congelamento da água, aliás, a estrutura tetraédrica que surge entre as duas ligações covalentes O–H e as duas ligações de hidrogênio com outras moléculas de água faz com que surja uma estrutura espacial muito aberta, mais volumosa, fazendo-nos entender o porquê da densidade da fase sólida da água ser menor que da sua fase líquida (não à toa, o gelo flutua em água líquida).

As ligações de hidrogênio também estão presentes nas moléculas de DNA, RNA e proteínas. Suas estruturas tridimensionais são consequência da formação de ligações de hidrogênio, sendo cruciais para suas estruturas.

Exercícios resolvidos sobre ligação de hidrogênio

Questão 1. (UEA – Específico Biológicas/2025) Para a extração da teobromina presente nas sementes do cupuaçu, fruto da planta Theobroma grandiflorum, emprega-se etanol como solvente. As fórmulas estruturais da teobromina e do etanol são mostradas nas figuras.

A principal força intermolecular entre as moléculas de teobromina e etanol é a:

1. interação dipolo induzido – dipolo induzido.
2. ligação de hidrogênio.
3. interação dipolo – dipolo induzido.
4. interação dipolo – dipolo.

Resposta: letra B.

A teobromina possui um grupo NH, enquanto o etanol possui a hidroxila (OH). Tais grupos podem interagir via ligações de hidrogênio, sendo esta a principal força intermolecular exercida entre estas, uma vez que é a mais forte possível.

Questão 2. (UEA-SIS 1ª série 2025-27/2024) O etanol (C₂H₅OH) dissolvido em água (H₂O) com concentração 70%, na forma de solução aquosa ou de gel, é empregado como antisséptico de mãos e superfícies. A eficácia da ação antisséptica do etanol é mais alta nessa concentração do que no etanol puro, pois, se puro, ele se volatiliza muito rápido.

O nome da principal força de interação entre as moléculas do etanol e da água é

1. ligação de hidrogênio.
2. ligação peptídica.
3. ligação covalente.
4. força de London.
5. dipolo-dipolo.

Resposta: letra E.

A hidroxila do álcool é capaz de interagir com os hidrogênios da água via ligação de hidrogênio, assim como o oxigênio da água também é capaz de interagir com o hidrogênio da hidroxila alcoólica via ligação de hidrogênio. Essa é a principal força intermolecular, uma vez que é a mais forte possível que ocorre entre esses compostos.

Fontes

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