CONCEITOS CIENTÍFICOS EM DESTAQUE
?
=
o significado
das fórmulas
QUÍMICAS
Eduardo Fleury Mortimer
A seção “Conceitos dientíficos
em destaque” engloba artigos
que abordam de forma nova e/
ou crítica conceitos químicos
ou de interesse direto dos
químicos.
Neste número dedicado ao
centenário da descoberta do
elétron, vamos discutir o
significado de se atribuir
fórmulas às substâncias –
tomando como exemplo a água
—, procurando apontar as
possibilidades e limites dos
modelos de estrutura molecular.
fórmulas químicas, água, ligações
químicas
A
descoberta do elétron abriu
imensas possibilidades para
a química. E provocou, de
imediato, especulações sobre a
estrutura do átomo, problema que
levaria algumas décadas para ser
resolvido. Um modelo adequado para
a estrutura atômica resultou na possibilidade de se tratar a estrutura molecular como imagem de um objeto
real. As fórmulas, que antes representavam simplesmente a proporção com
que os elementos se combinavam
para formar a substância, passaram a
ser objeto de investigação por métodos espectroscópicos. A elucidação
de estruturas moleculares passou a
ser uma rotina na investigação química. O que significa, porém, dizer que
uma substância tem esta ou aquela
estrutura molecular?
Dizemos que a fórmula da água é
H2O. Às vezes, quando a representa-
mos dessa maneira — simplesmente
substância que não pudesse ser
por duas letras e um número —, temos
decomposta por métodos químicos.
a sensação de nos apropriarmos da
Quando John Dalton propôs a teoria
própria essência da água.
atômica em 1803, sugeriu a interpreA água, como solvente universal,
tação de que cada elemento fosse
viabiliza a vida no planeta. É a única
constituído por uma única espécie de
substância que, nas condições físicoátomos. Em uma reação química, os
químicas da Terra, apresenta-se nos
átomos de diferentes elementos potrês estados da matéria. O gelo tem a
deriam combinar-se para formar monotável propriedade de ser um sólido
léculas (chamadas por Dalton de ‘átomenos denso que seu correspondente
mos compostos’), que seriam a menor
líquido: a maioria dos sólidos afunda
unidade da substância composta.
em seus líquidos. O gelo flutua na
Para Dalton, um átomo de hidrogênio
19
água, e isso é fundamental para a vida
combinava-se com um átomo de
no planeta, pois nas regiões frias os
oxigênio para formar a molécula de
mares congelam apenas na superfície,
água — que teria a fórmula HO. Gaypreservando seu caldeirão de vida.
Lussac, seguindo os trabalhos de
A água é evidentemente muito
Cavandish e Priestley, verificou que na
mais que um simples solvente univerformação da água dois volumes de
sal. Quando matamos nossa sede ou
hidrogênio combinam-se com um vonos banhamos nas águas límpidas de
lume de oxigênio. Logo após a publium riacho, “ela representa a soma dos
cação desses resultados por Gayolhos de toda a humanidade, porque
Lussac, em 1808, Berzelius sugeriu a
no seu circular contínuo pelo ambiente
fórmula H2O para a água. A idéia de
já viveu a experiência de todas as lágrifórmula química surgiu, portanto,
mas, desceu por todas as gargantas,
como uma forma de expressar as
visitou geleiras, montanhas, rios e
quantidades das substâncias elemenoceanos e vem transitando pelos
tares que se combinam.
nossos corpos desde a
A partir da segunda
A idéia de fórmula
aurora do planeta”1.
metade do século XIX,
química sugiu como
Mesmo do ponto de
os químicos começauma forma de
vista científico, vale a
ram a usar as fórmulas
expressar as
pena discutir qual o
como uma representaquantidades das
significado de atribuirção espacial da molésubstâncias
mos uma fórmula simcula, que poderia explielementares que se
ples a uma substância
car várias propriedacombinam
tão maravilhosa como
des das substâncias.
a água. Quando LavoiAs fórmulas químicas
sier anunciou à Academia de Ciências
passavam a representar não só as
quantidades combinadas mas tamde Paris, em 1783, que a água era
bém a realidade molecular, permitindo
composta por hidrogênio e oxigênio,
antever como os átomos que consestava propondo uma maneira de
tituíam a molécula estavam disdefinir um elemento químico completribuídos no espaço e de que forma
tamente diferente da visão aristotélica:
se ligavam uns aos outros. É interesum elemento poderia ser definido
experimentalmente como qualquer
sante observar que, durante a segun-
QUÍMICA NOVA NA ESCOLA
Água = H2O? N° 3, MAIO 1996
da metade do século XIX, o esforço
outra forma de representar essa
nio de uma molécula atraem os átocriativo de químicos como Kekulé, Le
ligação seria uma nuvem eletrônica.
mos de hidrogênio da molécula viziBell, Van’t Hoff etc. permitiu que se
Compare as duas representações na
nha. Na Fig. 1b, os orbitais vazados
passasse a ‘enxergar’ a realidade moFig. 1. O fato de a primeira represencomportam dois pares de elétrons
lecular, a despeito de não haver netação ser mais usual está ligado a sua
não-ligantes do átomo de oxigênio,
nhuma evidência direta de que essa
simplicidade. No entanto, do ponto de
que podem formar as ligações com o
realidade realmente existisse. A imavista de uma maior aproximação da
hidrogênio, que está parcialmente poginação criativa desses cientistas
natureza da ligação química, a segunsitivo. Cada molécula de água pode,
permitia que deduzissem essas fórmuda representação é mais conveniente.
dessa forma, acomodar um número
las a partir do estudo das propriedades
Uma das propriedades fundamenmáximo de quatro ligações de hidrodas substâncias. Pode ser mais que
tais da água é o fato de ela ser um
gênio: duas através dos orbitais do oxiuma feliz coincidência, por exemplo, o
solvente muito melhor que a maioria
gênio e duas através dos átomos de
fato de Kekulé ter sido
dos líquidos comuns.
hidrogênio que vão acomodar duas
arquiteto: assim como
Essa propriedade está
outras moléculas de água. A Fig. 3
Durante a segunda
os arquitetos constroem
relacionada à polamostra como esse arranjo ocorre no
metade do século XIX,
seus edifícios na imagiridade da molécula de
gelo.
o esforço criativo de
nação e no papel antes
água, explicável pela
A existência desse tipo de ligação
químicos permitiu que
que estes tomem forma
existência de um ânexplica várias propriedades importanse passasse a
na realidade, os
gulo de 104,5º entre as
tes da água. O fato de a água ser
‘enxergar’ a realidade
químicos de então foligações O-H. Como
líquida à temperatura ambiente é um
molecular a despeito
ram capazes de prever
os átomos de oxigênio
deles. Moléculas maiores que a água
de não haver nenhuma
estruturas químicas que evidência direta de que
atraem os elétrons da
só
se
tornaram
ligação mais intensaessa realidade
a
observáveis muitos anos
mente, aparece uma
O
realmente existisse
mais tarde.
carga parcial positiva
20
A teoria quântica, aplicada à
nos átomos de hidrogênio e uma
H
H
química a partir da década de 30 de
carga parcial negativa no átomo de
nosso século, introduz um significado
oxigênio. Se a molécula de água fosse
mais preciso à idéia de valência que
linear — com um ângulo de 180º enfora usada para explicar o poder de
tre as ligações O-H, a polaridade de
b
combinação dos elementos. O átomo
uma ligação anularia a da outra, e a
é representado como sendo constituímolécula seria apolar. É o que acondo por duas regiões de cargas difetece, por exemplo, no gás carbônico,
rentes. O núcleo, situado numa região
CO2.
Sendo polares, as moléculas de
infinitamente pequena no centro do
água podem hidratar íons e outras moátomo, tem carga positiva, pois é
léculas polares. No processo de solconstituído por prótons (de carga povatação, representado na Fig. 2, íons
sitiva) e nêutrons (de carga neutra). Ao
positivos e negativos ficam envoltos
redor desse núcleo situam-se os
Figura 1: Representações para a molécula de
por moléculas de água, orientadas de
elétrons (de carga negativa), numa
água. a: representação mais usual; b: repremaneira diferente em cada caso. Enregião cerca de 100 000 vezes maior
sentação usando orbitais.
que o núcleo, denominada eletrosfera.
quanto para os íons positivos é a
região negativa da moléA ligação química passa a representar
cula de água (próxima do
um interação de natureza eletromagnética que ocorre entre os núcleos
átomo de oxigênio) que
(carregados positivamente) e as eleenvolve os íons, para os
trosferas (carregadas negativamente)
íons negativos é a região
de átomos vizinhos. O ‘tracinho’ com
positiva (próxima dos átomos de hidrogênio) que
que ligamos os átomos de hidrogênio
e oxigênio na fórmula da água repredesempenha esse papel.
senta na verdade uma região do espaA forte polaridade da
ço ocupada por elétrons que estão
molécula de água faz
sendo atraídos pelos dois núcleos
com que apareça um tipo
vizinhos (o do oxigênio e o do hidrode ligação especial entre
gênio). Ele não tem a realidade física
as moléculas de água
de um elo material, apenas representa
chamada ligação de hiuma interação ou força elétrica que
drogênio, formada quantem uma direção preferencial. Uma
do os átomos de oxigê- Figura 2: Modelo para a solvatação dos íons de um sólido iônico.
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Água = H2O?
N° 3, MAIO 1996
Quando a água passa para o
— como CO2 e NH3 (amônia) — são
gasosa seja formada por moléculas
estado sólido, cada molécula de água
gasosas. A forte atração existente enindividuais não pode deixar de consipassará a acomodar um número
tre as moléculas de água, através das
derar que essas moléculas são dinâligações de hidrogênio, explica essa
máximo de quatro ligações de hidromicas e podem trocar átomos entre si.
propriedade incomum. Por outro lado,
gênio. Como as moléculas no estado
A idéia da existência de moléculas
a notável propriedade de o gelo ser
sólido geralmente não se deslocam —
individuais no estado gasoso tem de
apenas vibram em tormenos denso que a
ser compatibilizada com a observação
no de suas posições
água líquida está relaexperimental de que, ao se misturar,
A fórmula química da
cionada ao fato de cano retículo cristalino —
na fase gasosa, 50% de água comum
água é um importante
da molécula de água
essas ligações de hi(H2O) e 50% de água pesada (D2O,
instrumento para
formar o número máxidrogênio são duráveis.
onde D representa deutério, um
explicar várias de suas
mo de quatro ligações
Para acomodar esse
isótopo mais pesado do hidrogênio),
propriedades, inclusive
obtêm-se, depois de certo tempo, uma
de hidrogênio com sugrande número de lias mais notáveis e
as vizinhas no estado
grande quantidade de moléculas de
gações,
o
arranjo
crisincomuns
sólido. No estado líquiágua com a fórmula HDO. As molécutalino do gelo é basdo, cada molécula polas de água interagem dinamicamente
tante ‘aberto’, pois as
de formar, em média, 3,4 ligações de
moléculas acomodam-se em arranjos
no estado gasoso.
hidrogênio com suas vizinhas. Esse
hexagonais, restando grandes espaTodas essas considerações nos
levam a concluir que a fórmula química
número fracionário se explica pelo fato
ços vazios no interior desses hexágoda água — H2O — é um importante
de que, em conseqüência do constannos (Fig. 3). Isso faz com que o arranjo
instrumento para expliocupe um volume
te deslocamento das moléculas no
A fórmula H2O nada
car várias de suas promaior, o que explica a
estado líquido, ligações de hidrogênio
mais é que uma
priedades, inclusive as
menor densidade do
são, constante e rapidamente, quebrarepresentação
da
mais notáveis e incogelo. Quando o gelo se
das e formadas. Embora em qualquer
substância. Como tal
muns. No entanto, a 21
funde, esses vazios
instante a maioria das moléculas na
devemos
usá-la,
fórmula nada mais é
desaparecem e as moágua líquida esteja formando ligações
apropriando-nos das
que uma representaléculas de água podem
de hidrogênio, a vida média de cada
informações que ela
ção da substância. Coficar mais próximas
uma dessas ligações é da ordem de
pode nos fornecer mas
mo tal devemos usá-la,
umas das outras, o que
10 -9 s. Isso explica porque a água
tomando o cuidado de
apropriando-nos das
líquida é fluida. Se as ligações de
faz com que o volume
não confundi-la com a
informações que ela
hidrogênio persistissem por um tempo
ocupado por elas dimirealidade da
pode nos fornecer mas
maior, a água tenderia a se tornar
nua, aumentando a
substância água, muito
tomando o cuidado de
viscosa, como acontece com a glicedensidade.
mais complexa e
não confundi-la com a
rina, que também forma ligações de
É problemático, por- profunda do que aquilo
realidade mesma da
hidrogênio entre suas moléculas.
tanto, pensar na exisque duas letras do
tência de moléculas
substância água, muialfabeto e um número
to mais complexa e
individuais na água
permitem antever
sólida e na água líquiprofunda do que aquilo
da. Essas moléculas
que duas letras do alfaestão constantemente se ligando a
beto e um número permitem antever.
outras, formando grupos de moléEduardo Fleury Mortimer é bacharel e licenculas. Portanto, a fórmula H2O parece
ciado em química pela UFMG, doutor em educação
ser realmente apropriada somente
pela USP e professor na Faculdade de Educação da
para a água no estado gasoso, a
UFMG.
baixas pressões e altas temperaturas.
A água gasosa, sendo constituída por
Nota
moléculas individuais, não é visível e
1.
Alfeu
Trancoso,
em “Reflexões no
não deve ser confundida com o vapor
Cipó”,
Estado
de
Minas,
18 de novembro
que vemos saindo de uma chaleira
de 1994.
fervente. O ‘vapor’ visível é água líquida que se condensou em pequenas
gotículas que permanecem em susPara Saber Mais
pensão no ar. As gotículas têm dimensões visíveis, o que não ocorre com
BELTRAN, Nelson Orlando. Por que
a água se dilata ao ser congelada?
as moléculas, que são invisíveis.
Figura 3: Arranjo cristalino das moléculas de
Revista de Ensino de Ciências nº 17,
Mesmo a idéia de que a água
água no gelo.
março de 1987, São Paulo, p. 58-59.
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Água = H2O? N° 3, MAIO 1996