Ligações de hidrogênio

As Ligações de Hidrogênio são um tema frequentemente questionado pela maioria dos estudantes de Química. Alguns não compreendem porque ela ocorre nem no que consiste. Outros ficam perplexos, ao confundi-la com uma ligação química comum ("mas como ela acontece, se o H pode fazer só uma ligação?"). Na realidade, há uma explicação bem simples e esclarecedora para este tipo de ligação, que intriga muitos estudantes.

## No que consiste?

A Ligação de Hidrogênio é um tipo de interação intermolecular (entre moléculas) particularmente intensa, que ocorre quando, em um determinado composto, temos um átomo de hidrogênio ligado a um átomo de um elemento pequeno e muito eletronegativo, tal como o nitrogênio (N), o oxigênio (O) e o flúor (F). Ela é responsável pelos pontos de fusão e ebulição anormalmente altos de compostos como a amônia (NH3), água (H2O) e ácido fluorídrico (HF) em comparação com compostos análogos dos outros elementos de seus respectivos grupos. Por causa dela a água é líquida à temperatura ambiente, e todas as suas propriedades, muitas das quais anômalas quando comparadas a outros líquidos, estão intimamente ligadas à ocorrência dessas interações. Esta interação é única do hidrogênio e ocorre devido a algumas propriedades particulares desse elemento.

## Mecanismo

O átomo de hidrogênio é o único átomo participante de compostos químicos que possui apenas uma única camada de elétrons (a camada K) que é ao mesmo tempo a primeira e última e possui um único elétron. A camada K se completa com 2 elétrons, de modo que, para atingir a estabilidade química, o H precisa ganhar ou compartilhar 1 elétron de outro átomo. Ao se ligar a um elemento muito eletronegativo, tal como o N, o O e o F, seu único elétron fica tão afastado na direção do átomo eletronegativo que o próton que compõe seu núcleo fica praticamente nu. Deste modo, a forte carga positiva do próton de seu núcleo fica muito exposta e acaba interagindo com a eletrosfera dos átomos vizinhos, de forma parecida com uma ligação iônica Isso acontece porque o hidrogênio, diferentemente dos outros átomos, não possui outras camadas de elétrons entre a camada de valência e o núcleo atômico para "amortecer" a carga positiva do núcleo. Isso gera um enorme efeito polarizante nesse hidrogênio.

Para reduzir a tensão gerada, o átomo de H envolvido em ligações com N, O ou F interage fortemente com a eletrosfera de átomos vizinhos (mas sem se ligar covalentemente a eles), de modo a "cobrir" parcialmente o próton quase exposto de seu núcleo. Esse efeito é ainda mais pronunciado se o átomo com o qual o hidrogênio interage for um átomo pequeno e muito eletronegativo, pois num átomo pequeno esses elétrons estão mais localizados, se encontram confinados em uma camada menos volumosa e por isso interagem mais facilmente. Se o átomo for muito grande, os elétrons de valência estão mais "espalhados" pela volumosa camada de valência desse átomo, dificultando a interação. É por isso que o átomo de cloro, embora seja tão eletronegativo quanto o nitrogênio, não forma ligações de hidrogênio.

Consequentemente, haverá uma interação eletrostática entre o átomo de H com forte carga parcial positiva com os elétrons não-ligantes do outro átomo participante. A ligação de hidrogênio pode ser considerada um caso particularmente intenso de interação dipolo-dipolo permanente. Devido ao pequeno tamanho, o átomo de H se aproxima bastante do outro átomo, o que, combinado com a forte atração entre o próton do H e os elétrons do outro átomo, faz com que esta seja a interação mais forte entre as moléculas.

## Relevância

Este tipo de interação molecular é de fundamental importância para a vida, uma vez que diversos compostos bioquímicos importantes, como as proteínas, a celulose (veja esta imagem) e ácidos nucléicos, possuem suas estruturas estabilizadas por pontes de H. Se a água, por exemplo, não apresentasse ligações de hidrogênio, seu ponto de ebulição seria de cerca de -100ºC, ou seja, 200 graus abaixo de seu ponto de ebulição verdadeiro de +100ºC.
Consequentemente, a vida a qual conhecemos não seria possível na Terra. Estas interações mantém as cadeias de DNA unidas, mantêm a água no estado líquido e a tornam um solvente tão poderoso e estão relacionadas também com o elevado calor específico da água, que faz dela um excelente regulador térmico, importante na manutenção da temperatura do nosso corpo e até mesmo a de todo o planeta. Se não fosse pela água dos oceanos e do ar, a Terra seria um mundo estéril no qual durante o dia seria extremamente quente e durante a noite apresentaria temperaturas congelantes. Que diferença faz as ligações de hidrogênio!