Soluções aquosas. Entender a importância das propriedades da água no seu papel como solvente.

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1 MÓDULO 1 - AULA 4 Objetivos Entender a importância das propriedades da água no seu papel como solvente. Pré-requisito Para esta aula, você vai precisar saber o que são pontes de hidrogênio, tema tratado na Aula 3. Introdução Na Aula 2, você viu uma série de propriedades peculiares à água que nos permite entender como esta substância é fundamental para o funcionamento dos organismos vivos. Você aprendeu também que uma das características da água que determina suas importantes propriedades é a sua capacidade de formar pontes de hidrogênio, como foi visto na Aula 3. Nesta aula, trataremos das soluções aquosas. Para que ela comece de forma instigadora, lançamos uma questão: será que as pontes de hidrogênio só se formam entre as moléculas de água, ou será que elas podem se formar entre outras moléculas? Para responder a esta pergunta, você precisa se lembrar do que é uma ponte de hidrogênio. Propomos que você tente respondê-la, baseando-se no que já sabe. Depois, durante esta aula, uma resposta será construída e você poderá compará-la com a que elaborou por conta própria. Comecemos, então, com uma brevíssima revisão. 1. Revisando as pontes de hidrogênio entre as moléculas de água As pontes de hidrogênio entre as moléculas de água são formadas devido à grande eletronegatividade do oxigênio. O núcleo deste átomo atrai fortemente os elétrons, adquirindo uma carga parcial negativa, enquanto os hidrogênios, por terem seus elétrons atraídos para mais próximo do oxigênio, passam a apresentar carga parcial positiva. Assim, o oxigênio de uma molécula de água é atraído por um hidrogênio de outra molécula de água, formando uma ponte de hidrogênio /14/2004, 2:56 PM

2 BIOQUÍMICA I Após esta pequena revisão, vamos então tentar chegar à resposta da pergunta proposta. Se achar necessário, volte à aula anterior para rever os pontos que ainda não estejam claros. 2. A formação das pontes de hidrogênio A ponte de hidrogênio depende da presença de um átomo eletronegativo e de um hidrogênio covalentemente ligado a outro átomo eletronegativo. Então, a ponte de hidrogênio pode se formar entre outras moléculas, se estas apresentarem tais características. O átomo eletronegativo que funciona como aceptor de hidrogênio é geralmente o oxigênio (como no caso da água) ou o nitrogênio, possuindo ambos um par de elétrons não pareados. Assim, se você respondeu à pergunta proposta dizendo que as pontes de hidrogênio podem se formar entre outras moléculas, você acertou! A Figura 4.1 mostra pontes de hidrogênio que geralmente são formadas nos sistemas biológicos. ACEPTOR Aquele que recebe. aceptor de hidrogênio Lembre-se: as três linhas paralelas (em verde) representam as pontes de hidrogênio. receptor de hidrogênio Figura 4.1: Pontes de hidrogênio comuns nos sistemas biológicos. Veja a Tabela 2.1 da Aula 2. Vale notar que átomos de hidrogênio ligados a átomos de carbono não formam pontes de hidrogênio, pois o carbono não é eletronegativo. Pensando nisso, olhe a Tabela 2.1, apresentada na Aula 2, e tente explicar a diferença entre o ponto de ebulição do butanol (117 o C) e do butano (-0,5 o C). 3. A água como solvente Acabamos de descobrir que pontes de hidrogênio podem ser formadas entre as moléculas de uma série de substâncias biológicas. O que acontece se misturarmos à água substâncias cujas moléculas formam pontes de hidrogênio entre si? A água compete com as pontes de hidrogênio formadas entre as moléculas da substância em questão, dissolvendo-a. Observe um exemplo na Figura 4.2: /14/2004, 2:56 PM

3 MÓDULO 1 - AULA 4 Figura 4.2: Uma ligação forte entre os grupos CO e NH só se forma se a água for excluída. Quando misturadas em água, cada uma destas moléculas forma pontes de hidrogênio com a água e a interação entre elas enfraquece. A água pode formar pontes de hidrogênio com muitas substâncias. A Figura 4.3 mostra as pontes de hidrogênio que podem ser formadas entre a água e uma série de grupos funcionais presentes em muitas biomoléculas. Assim, substâncias contendo esses grupos são solúveis em água. GRUPOS FUNCIONAIS Átomo ou grupo de átomos que caracterizam uma classe de compostos orgânicos e determinam as propriedades da mesma. Figura 4.3: Pontes de hidrogênio entre a água e as hidroxilas, cetonas, carboxilas e aminas. De fato, a água é capaz de dissolver um número maior de substâncias, e em maior quantidade, do que qualquer outro solvente. Por isso, é muitas vezes chamada de solvente universal. Isto se deve não só à capacidade de suas moléculas formarem pontes de hidrogênio, como também à sua própria polaridade. São características que tornam a água muito interativa quimicamente

4 BIOQUÍMICA I Podemos compreender melhor os termos hidrofílico e hidrofóbico e seus significados pensando na origem destas palavras. O prefixo hidro é usado para fazer referência à água. Deriva do termo grego hydro, que quer dizer água. No caso de hidrofílico, a palavra é também composta a partir de philos, amigo, em grego. Hidrofóbico compõe-se também a partir de phobos, medo, aversão, em grego. As moléculas de água podem competir não só com as pontes de hidrogênio de outras substâncias, mas também com interações eletrostáticas formadas entre substâncias polares ou iônicas. Assim, a água pode dissolver a maioria das biomoléculas, que são geralmente compostos carregados ou polares. Estes compostos são chamados de hidrofílicos. Por outro lado, substâncias apolares, como as gorduras (também chamadas de lipídeos), são insolúveis em água, e por isso chamadas de hidrofóbicas. Certamente você já verificou isso na sua casa. Enquanto o sal de cozinha dissolve-se facilmente em água, o mesmo não acontece com o azeite ou com o óleo. Observando um copo contendo água e óleo você poderia pensar que estas substâncias não se misturam porque o óleo é menos denso e forma uma camada acima da água. Realmente isso é verdade: o óleo é menos denso. Mas essa não é a única razão. Se você agitar um frasco fechado contendo água e óleo, este último forma gotículas dentro da água não se misturando. Isto se dá porque o óleo é uma substância hidrofóbica. Vamos então pensar no caso do sal. Por que será que um sal como o NaCl (cloreto de sódio, que é o sal de cozinha) se dissolve tão bem em água? Os sais são mantidos juntos por forças iônicas. Quando um íon é imerso em um solvente polar, ele atrai as cargas do solvente que sejam opostas à sua carga. Isto leva à Figura 4.4: Solvatação de íons por moléculas orientadas de água

5 MÓDULO 1 - AULA 4 formação de camadas concêntricas de moléculas orientadas do solvente ao redor do íon, que então se torna solvatado ou, se o solvente for a água, hidratado (Figura 4.4). Assim, a água diminui a força de uma ligação eletrostática, estabilizando os íons separados. Isto é o que acontece com o cloreto de sódio, que se dissolve pela hidratação e estabilização dos íons Na + e Cl -, que perdem a tendência de se associarem em uma estrutura cristalina. 4. O conceito de constante dielétrica Podemos medir a capacidade de um determinado solvente manter cargas opostas separadas. Esta medida depende da força e da distância entre as cargas, e é chamada de constante dielétrica. Registre: mais características da água. A constante dielétrica da água a 25 o C é 78,5, o que significa que a água diminui a força de uma ligação eletrostática em quase 80 vezes em relação a mesma ligação no vácuo. Este valor é um dos maiores dentre os líquidos puros. Por outro lado, as substâncias não polares apresentam constante dielétrica bastante baixa. Esta é mais uma característica da água que a torna capaz de solubilizar um grande número de substâncias, reforçando a idéia de a água ser considerada um solvente universal. 5. A solubilidade de gases na água Embora a água possa dissolver facilmente muitas substâncias importantes para as reações biológicas, o mesmo não ocorre para alguns gases fundamentais à vida, como o gás carbônico (CO 2 ), o oxigênio (O 2 ) e o nitrogênio (N 2 ). Você deve estar se perguntando por que isso acontece. O motivo é o fato de esses gases serem substâncias apolares, e portanto, muito pouco solúveis em água. Os elétrons do O 2 e do N 2 estão distribuídos igualmente entre os dois átomos. GASES APOLARES Pouco solúveis em água. GASES POLARES Muito solúveis em água. No caso do CO 2, cada ligação C=O é polar, mas os dois dipolos formados na molécula se cancelam. Na Tabela 4.1, podemos constatar essa baixa solubilidade, comparando-a, inclusive, com gases polares como a amônia (NH 3 ) e o gás sulfídrico (H 2 S): Tabela 4.1: Solubilidade dos gases em água. Gás Polaridade Solubilidade (g/l) Gás Nitrogênio Não polar 0,018 (40 o C) Oxigênio Não polar 0,035 (50 o C) Gás carbônico Não polar 0,97 (45 o C) Amônia Polar 900 (10 o C) Gás sulfídrico Polar 1860 (40 o C)! Devido à baixa solubilidade do oxigênio na água, a existência de peixes muito ativos só se tornou possível graças à grande superfície branquial destes animais. Fonte: DL, Nelson e MM, Cox,. Lehninger Principles of Biochemistry, New York: Worth Publishers, p

6 BIOQUÍMICA I Note que as temperaturas em que a solubilidade destes gases foi medida são diferentes. Isso porque esses dados foram retirados de experimentos diferentes. Mesmo assim, podemos conferir que gases polares se solubilizam muito melhor em água, mesmo em temperaturas mais baixas. 6. Compostos anfipáticos Anfipático é mais um termo originado de palavras gregas: amphi, que significa de ambos os lados ; pathos, que significa paixão, afinidade. Os detergentes são exemplos de substâncias anfipáticas. Justamente por apresentarem este caráter, podemos usá-los, por exemplo, para lavar uma louça bem engordurada! A gordura (substância apolar) não se mistura com a água, sendo difícil removê-la da louça. Quando usamos o detergente, ele interage com a gordura através da sua porção apolar e com a água através de sua porção polar, permitindo que a gordura se misture na água e seja removida. Alguns compostos contêm em sua molécula regiões polares (ou carregadas) e regiões apolares. São conhecidos como anfipáticos. Reflita e tente responder: como um composto anfipático reage em contato com a água? Dissolve-se como o sal de cozinha? Não se mistura como o óleo? O que você acha? Quando essas substâncias se misturam à água, elas formam uma estrutura conhecida como micela (Figura 4.5). Nesta estrutura, as partes polares de cada molécula interagem com a água, enquanto as partes não polares de cada molécula interagem entre si. As forças que mantêm as porções não polares associadas no interior da estrutura das micelas são denominadas interações hidrofóbicas. Estas interações não se formam por uma atração natural entre as partes não polares, mas sim a partir do momento em que entram em contato com o solvente polar (no caso, a água) e se estabilizam ao se excluírem desse contato. Figura 4.5: Formação de uma micela de ácidos graxos

7 MÓDULO 1 - AULA 4 Resumo Nesta aula você viu como algumas propriedades da água, tais como sua capacidade de formar pontes de hidrogênio e sua alta constante dielétrica, a tornam uma substância capaz de dissolver um grande número de moléculas, sendo considerada, por isso, um solvente universal. Exercícios Faça as questões de 1 a 4 e confira suas respostas. Caso você tenha acertado tudo, passe para as questões 5 e 6. Se errou alguma questão, reveja a aula antes de tentar resolver as outras questões. 1. Das afirmativas abaixo, marque a única que é falsa a respeito das pontes de hidrogênio: a) As pontes de hidrogênio podem se formar entre duas moléculas diferentes. b) A ponte de hidrogênio se forma entre um átomo eletronegativo e um hidrogênio covalentemente ligado a outro átomo eletronegativo. c) A formação de pontes de hidrogênio não é uma característica exclusiva da água. d) O átomo eletronegativo, que funciona como aceptor de hidrogênio, é geralmente o oxigênio, o nitrogênio ou o carbono. 2. Explique por que o etanol (CH 3 CH 2 OH) é mais solúvel em água do que o etano (CH 3 CH 3 ). 3. Explique por que o sal de cozinha (NaCl) e o álcool (etanol) são substâncias hidrofílicas, enquanto as gorduras são consideradas substâncias hidrofóbicas. 4. Imagine dois íons separados a uma mesma distância em acetona e em benzeno. Calcule quantas vezes a força de atração entre estes íons será maior nestes solventes do que na água, sabendo que as constantes dielétricas da acetona e do benzeno são, respectivamente, 20,7 e 2,

8 BIOQUÍMICA I 5. Das moléculas abaixo, escolha quais você considera solúveis em água? 6. Por que compostos anfipáticos tendem a formar micelas quando são adicionados em água? Auto-avaliação Se você entendeu como se formam as pontes de hidrogênio, você não deve ter tido dificuldade em responder à questão 1. Se conseguiu entender o porquê da diferença entre o ponto de ebulição do butanol e do butano, solicitado no início desta aula, você também pôde responder com facilidade a questão 2. Para responder à questão 3, foi necessário compreender os conceitos de hidrofílico e hidrofóbico, e para responder à questão 4, entender o significado da constante dielétrica. Se você não chegou às respostas corretas sozinho, reveja a aula ou vá ao pólo e peça ajuda ao tutor ou aos seus colegas. As questões 5 e 6 voltam aos pontos abordados nas questões 1, 2 e 3, e servem para você se certificar de que compreendeu esta matéria /14/2004, 2:58 PM