Átomos separados por uma grande distância não podem se ligar; em vez disso, eles devem aproximar-se o suficiente para os elétrons em suas camadas de valência interagirem. Mas os átomos realmente tocam um no outro? A maioria dos físicos diria que não, porque os elétrons carregados negativamente em suas carapaças de valência se repelem. Nenhuma força dentro do corpo humano – ou em qualquer lugar do mundo natural – é forte o suficiente para superar essa repulsa elétrica. Assim, quando você ler sobre átomos se ligando ou colidindo, tenha em mente que os átomos não estão se fundindo em um sentido físico.
Em vez disso, os átomos se ligam formando uma ligação química. Um vínculo é uma atração elétrica fraca ou forte que mantém átomos na mesma vizinhança. O novo agrupamento é tipicamente mais estável – menos propenso a reagir novamente – do que seus átomos componentes eram quando estavam separados. Um agrupamento mais ou menos estável de dois ou mais átomos mantidos juntos por ligações químicas é chamado de molécula. Os átomos ligados podem ser do mesmo elemento, como no caso do H2, que é chamado de hidrogênio molecular ou gás hidrogênio. Quando uma molécula é composta de dois ou mais átomos de diferentes elementos, ela é chamada de composto químico. Uma unidade de água, ou H2O, é um composto, assim como uma única molécula do gás metano, ou CH4.
Três tipos de ligações químicas são importantes na fisiologia humana, porque eles mantêm juntos substâncias que são usadas pelo corpo para aspectos críticos da homeostase, sinalização e produção de energia, para citar apenas alguns processos importantes. Estas são ligações iônicas, ligações covalentes e ligações de hidrogênio.
Íons e ligações iônicas
Lembre-se de que um átomo geralmente tem o mesmo número de prótons carregados positivamente e elétrons carregados negativamente. Enquanto esta situação permanecer, o átomo é eletricamente neutro. Quando um átomo participa de uma reação química que resulta na doação ou aceitação de um ou mais elétrons, o átomo se torna carregado positivamente ou negativamente. Isto acontece frequentemente para a maioria dos átomos, a fim de ter uma concha de valência completa, como descrito anteriormente. Isso pode acontecer por meio do ganho de elétrons para encher uma concha que está mais do que a metade cheia, ou doando elétrons para esvaziar uma concha que está menos da metade cheia, deixando assim a próxima camada menor de elétrons como a nova e completa valência. Concha. Um átomo que tenha uma carga elétrica – positiva ou negativa – é um íon.
O potássio (K), por exemplo, é um elemento importante em todas as células do corpo. Seu número atômico é 19 e tem apenas um elétron em sua camada de valência. Essa característica faz com que o potássio tenha grande probabilidade de participar de reações químicas nas quais ele doa um elétron (é mais fácil para o potássio doar um elétron do que ganhar sete elétrons). A perda fará com que a carga positiva de prótons de potássio seja mais influente do que a carga negativa de elétrons de potássio. Em outras palavras, o íon de potássio resultante será ligeiramente positivo. Um íon de potássio é escrito K +, indicando que perdeu um único elétron. Um íon de carga positiva é conhecido como um cátion .
Agora considere o flúor (F), um componente dos ossos e dentes. Seu número atômico é nove e tem sete elétrons em sua camada de valência. Assim, é altamente provável que se una a outros átomos de tal forma que o flúor aceite um elétron (é mais fácil para o flúor ganhar um elétron do que doar sete elétrons). Quando isso acontece, seus elétrons superarão seus prótons em um e terão uma carga negativa global. A forma ionizada do flúor é chamada flúor e é escrita como F–. Um íon carregado negativamente é conhecido como ânion.
Átomos que têm mais de um elétron para doar ou aceitar terminarão com cargas positivas ou negativas mais fortes. Um cátion que doou dois elétrons tem uma carga líquida de +2. Usando magnésio (Mg) como exemplo, isso pode ser escrito como Mg ++ ou Mg2 +. Um ânion que aceitou dois elétrons tem uma carga líquida de –2. A forma iônica do selênio (Se), por exemplo, é tipicamente escrita Se2–.
As cargas opostas de cátions e ânions exercem uma atração mútua moderadamente forte que mantém os átomos próximos, formando uma ligação iônica. Uma ligação iônica é uma associação próxima e contínua entre íons de carga oposta. O sal de mesa que você salpica em sua comida deve sua existência à ligação iônica. O sódio geralmente doa um elétron ao cloro, tornando-se o cátion Na +. Quando o cloro aceita o elétron, ele se torna o ânion cloreto, Cl-. Com suas cargas opostas, esses dois íons se atraem fortemente.
A água é um componente essencial da vida porque é capaz de romper as ligações iônicas dos sais para liberar os íons. De fato, em fluidos biológicos, a maioria dos átomos individuais existe como íons. Esses íons dissolvidos produzem cargas elétricas dentro do corpo. O comportamento desses íons produz os traçados do coração e da função cerebral observados como ondas em um eletrocardiograma (ECG ou ECG) ou um eletroencefalograma (EEG). A atividade elétrica que deriva das interações dos íons carregados é por que eles também são chamados de eletrólitos.
Obrigações Covalentes
Ao contrário das ligações iônicas formadas pela atração entre a carga positiva de um cátion e a carga negativa de um ânion, as moléculas formadas por uma ligação covalente compartilham elétrons em uma relação mutuamente estabilizadora. Como vizinhos próximos, cujos filhos saem primeiro em uma casa e depois na outra, os átomos não perdem nem ganham elétrons permanentemente. Em vez disso, os elétrons se movem para frente e para trás entre os elementos. Por causa do compartilhamento próximo de pares de elétrons (um elétron de cada um dos dois átomos), as ligações covalentes são mais fortes que as ligações iônicas.
Ligações Covalentes Não Polares
Os elétrons na camada de valência mais externa são compartilhados para preencher as camadas de valência de ambos os átomos, estabilizando, em última análise, ambos os átomos envolvidos. Em uma única ligação covalente, um único elétron é compartilhado entre dois átomos, enquanto que em uma ligação dupla covalente, dois pares de elétrons são compartilhados entre dois átomos. Existem até ligações covalentes triplas, onde três átomos são compartilhados.
Você pode ver que as ligações covalentes mostradas em [link] estão balanceadas. O compartilhamento dos elétrons negativos é relativamente igual, assim como a atração elétrica dos prótons positivos no núcleo dos átomos envolvidos. É por isso que moléculas ligadas por ligação covalente que são eletricamente balanceadas dessa maneira são descritas como não polares; isto é, nenhuma região da molécula é mais positiva ou mais negativa que qualquer outra.
Ligações Covalentes Polares
Grupos de legisladores com visões completamente opostas sobre uma questão em particular são frequentemente descritos como “polarizados” pelos redatores de notícias. Em química, uma molécula polar é uma molécula que contém regiões que possuem cargas elétricas opostas. As moléculas polares ocorrem quando os átomos compartilham elétrons de forma desigual, em ligações covalentes polares.
O exemplo mais familiar de uma molécula polar é a água ([link]). A molécula tem três partes: um átomo de oxigênio, cujo núcleo contém oito prótons e dois átomos de hidrogênio, cujos núcleos contêm, cada um, apenas um próton. Como cada próton exerce uma carga positiva idêntica, um núcleo que contém oito prótons exerce uma carga oito vezes maior que um núcleo que contém um próton. Isso significa que os elétrons carregados negativamente presentes na molécula de água são mais fortemente atraídos para o núcleo de oxigênio do que para os núcleos de hidrogênio. O único elétron negativo de cada átomo de hidrogênio, portanto, migra em direção ao átomo de oxigênio, fazendo com que o oxigênio final de sua ligação seja um pouco mais negativo do que a extremidade de hidrogênio de sua ligação.
O que é verdade para as ligações é verdadeiro para a molécula de água como um todo; isto é, a região de oxigénio tem uma carga ligeiramente negativa e as regiões dos átomos de hidrogénio têm uma carga ligeiramente positiva. Essas cobranças são freqüentemente chamadas de “cobranças parciais” porque a força da carga é menor do que um elétron completo, como ocorreria em uma ligação iônica. Como mostrado em [link], regiões de polaridade fraca são indicadas com a letra grega delta (∂) e um sinal de mais (+) ou menos (-).
Mesmo que uma única molécula de água seja inimaginavelmente pequena, ela tem massa, e as cargas elétricas opostas na molécula puxam essa massa de tal forma que ela cria uma forma um pouco semelhante a uma tenda triangular (veja [link] b ). Este dipolo, com as cargas positivas em uma extremidade formadas pelos átomos de hidrogênio no “fundo” da tenda e a carga negativa na extremidade oposta (o átomo de oxigênio no “topo” da tenda) torna as regiões carregadas altamente prováveis interagir com regiões carregadas de outras moléculas polares. Para a fisiologia humana, a ligação resultante, formada pela água, é uma das mais importantes – a ligação de hidrogênio.
Ligações de hidrogênio
Uma ligação de hidrogênio é formada quando um átomo de hidrogênio fracamente positivo já ligado a um átomo eletronegativo (por exemplo, o oxigênio na molécula de água) é atraído para outro átomo eletronegativo de outra molécula. Em outras palavras, as ligações de hidrogênio sempre incluem hidrogênio que já faz parte de uma molécula polar.
O exemplo mais comum de ligação de hidrogênio no mundo natural ocorre entre moléculas de água. Acontece diante de seus olhos sempre que duas gotas de chuva se fundem em uma conta maior, ou um riacho cai em um rio. A ligação de hidrogênio ocorre porque o átomo de oxigênio fracamente negativo em uma molécula de água é atraído para os átomos de hidrogênio fracamente positivos de duas outras moléculas de água.
Observe que as ligações ocorrem entre a carga fracamente positiva nos átomos de hidrogênio e a carga fracamente negativa nos átomos de oxigênio. As ligações de hidrogênio são relativamente fracas e, portanto, são indicadas com uma linha pontilhada (em vez de sólida).
Moléculas de água também atraem fortemente outros tipos de moléculas carregadas, bem como íons. Isso explica por que “sal de mesa”, por exemplo, na verdade é uma molécula chamada “sal” em química; consiste em números iguais de sódio (Na +) de carga positiva e cloreto (Cl–) carregado negativamente, se dissolve tão facilmente em água, neste caso, formando ligações de íons de dipolo entre a água e os íons eletricamente carregados (eletrólitos) . Moléculas de água também repelem moléculas com ligações covalentes não polares, como gorduras, lipídios e óleos. Você pode demonstrar isso com um simples experimento de cozinha: despeje uma colher de chá de óleo vegetal, um composto formado por ligações covalentes não polares, em um copo de água. Em vez de se dissolver instantaneamente na água, o óleo forma uma conta distinta porque as moléculas de água polares repelem o óleo não polar.
