Qual e o número de átomos de hidrogênio existentes na molécula de metano 12?

Q: Qual e o número de átomos de hidrogênio existentes na molécula de metano?

A fórmula molecular do metano é CH4, um carbono ligado a quatro átomos de hidrogênio.

Propriedades f�sicas da �gua
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Qual e o número de átomos de hidrogênio existentes na molécula de metano?
Qual e o número de átomos de hidrogênio?
Como identificar átomos de hidrogênio?

Liga��es covalentes na mol�cula de �gua
A mol�cula de �gua � formada por duas liga��es covalentes O - H, sendo H - O - H sua f�rmula estrutural. O �tomo de oxig�nio possui seis el�trons na camada de val�ncia, portanto s�o necess�rios mais dois el�trons para que ele atinja estabilidade eletr�nica. O �tomo de hidrog�nio possui apenas um el�tron, sendo necess�rio para sua estabilidade mais um el�tron (camada K = dois el�trons). Portanto, na mol�cula de �gua h� o compartilhamento de um par de el�trons entre cada �tomo de hidrog�nio com o �tomo de oxig�nio.
O �tomo de oxig�nio possui quatro orbitais (fun��es que descrevem a distribui��o dos el�trons na regi�o que circunda um n�cleo at�mico). Dois deles est�o "envolvidos" com as liga��es O - H, e dois est�o "livres". Existe uma repuls�o entre os orbitais livres, que causa uma aproxima��o entre as liga��es O - H, como mostra a Fig. 2 abaixo.
A mol�cula de �gua, apesar de ter apenas dois hidrog�nios, tem uma conforma��o muito semelhante � da mol�cula de metano (CH4)(Fig.1), tetra�drica, uma vez que o �tomo de carbono possui, assim como o do oxig�nio, quatro orbitais, e a massa molar dessas duas subst�ncias � muito semelhante (metano: 16 g/mol; �gua: 18 g/mol). Mas no metano h� quatro liga��es C - H iguais, fazendo com que n�o haja modifica��o de �ngulos. J� na mol�cula da �gua, como foi dito acima, os orbitais livres do oxig�nio se repelem, e o �ngulo entre as liga��es O - H � diminu�do de 109,5� (tetraedro perfeito, como na mol�cula de metano, Fig. 1) a 104,5�.
Figura 11. Estrutura do Metano
O �tomo de oxig�nio � mais eletronegativo que o de hidrog�nio, ou seja, o n�cleo do oxig�nio atrai os el�trons envolvidos na liga��o O - H mais fortemente que o n�cleo do hidrog�nio. Essa propriedade � decisiva na polaridade da mol�cula de �gua, uma vez que torna o oxig�nio mais negativo (com os el�trons mais pr�ximos) e o hidrog�nio mais positivo (com os el�trons mais afastados). Ou seja, a mol�cula de �gua � polar, sendo o oxig�nio seu p�lo negativo (2δ-, j� que s�o dois el�trons a mais) e os hidrog�nios seus p�los positivos (δ+, um el�tron a menos para cada �tomo).
Figura 21. Estrutura da �gua

Como �gua � um composto polar, o p�lo positivo de uma mol�cula atrai o p�lo negativo de outra, o que resulta em uma atra��o eletrost�tica. Essa atra��o � chamada liga��o de hidrog�nio (ou ponte de hidrog�nio), e ocorre entre �tomos de hidrog�nio com oxig�nio, nitrog�nio ou fluor. As liga��es de hidrog�nio, apesar de serem as mais fortes entre as for�as consideradas fracas, s�o bem menos est�veis que as liga��es covalentes, prova disso � que a energia de dissocia��o de uma liga��o de hidrog�nio entre mol�culas de �gua � cerca de 23 kJ/mol, enquanto que a da liga��o O - H (covalente) da �gua � de 470 kJ/mol.
Figura 32. Liga��o de hidrog�nio entre duas mol�culas de �gua
Outra caracter�stica das liga��es de hidrog�nio � a rapidez com que elas se formam e s�o quebradas. A todo instante mol�culas de �gua est�o interagindo entre si, formando liga��es de hidrog�nio que duram de um a vinte picossegundos (1 ps = 10-12 s). Quando uma liga��o se quebra, imediatamente outra se forma.
Uma mol�cula de �gua pode fazer liga��es de hidrog�nio com at� outras quatro mol�culas, mas isso s� ocorre quando a �gua est� solidificada.
Figura 4. Liga��es de hidrog�nio no gelo
No estado l�quido, cada mol�cula faz, em m�dia, tr�s liga��es de hidrog�nio, devido ao aumento da entropia (grau de desordem do sistema).
Figura 5. Liga��es de hidrog�nio na �gua
As liga��es de hidrog�nio, portanto, influenciam nos estados f�sicos da �gua. Como foi dito anteriormente, a mol�cula de �gua � semelhante � de metano, que � um g�s em temperatura ambiente. Mas o metano � apolar e, por isso, n�o faz liga��es de hidrog�nio. A �gua tamb�m seria gasosa em temperatura ambiente, mas as liga��es de hidrog�nio causam uma maior organiza��o entre suas mol�culas, conferindo-a estado l�quido na temperatura ambiente e alto ponto de ebuli��o.

Intera��es entre �gua e solutos i�nicos
Uma das propriedades da �gua � que sua mol�cula atrai �ons mais fortemente do que um �on atrai outro, devido � sua alta constante diel�trica.
Ou seja, compostos i�nicos ficam dissociados em solu��o porque um �on n�o atrai outro com tanta for�a como a �gua atrai ambos.
Al�m de dissociar os �ons, as mol�culas de �gua ainda formam uma camada de hidrata��o (ou camada de solvata��o). A part�cula i�nica fica de tal maneira cercada por �gua que a camada de hidrata��o passa a fazer parte do �on: a camada de solvata��o aumenta o tamanho do �on. A camada de hidrata��o tamb�m ocorre em solutos polares e com carga, seguindo o mesmo princ�pio.
Exemplos: compostos que, em solu��o, ficam dissociados e suas part�culas com camada de hidrata��o: NaCl, KCl, AgNO3 e muitos outros sais.
Figura 62. Solubiliza��o de um cristal i�nico pela �gua
Intera��es entre �gua e solutos polares com ou sem carga
As liga��es de hidrog�nio n�o ocorrem somente entre mol�culas de �gua. Como foi dito anteriormente, elas podem ocorrer entre hidrog�nio e �tomos de oxig�nio, nitrog�nio ou fluor.
Para um soluto ser polar, � necess�rio que haja uma diferen�a de eletronegatividade entre os �tomos que o comp�em. Essa diferen�a ocorre normalmente entre os elementos citados acima. Quando em solu��o, um composto polar forma liga��es de hidrog�nio com a �gua, j� que seus p�los interagem com os p�los da �gua.

Figura 73. Liga��es de hidrog�nio por grupos funcionais
No caso de um soluto com carga, a intera��o da mol�cula de �gua � bem semelhante � citada acima: a parte carregada da mol�cula do soluto atrai eletricamente um dos p�los da mol�cula de �gua; assim, o soluto fica “cercado” pela �gua.
Portanto, um soluto polar ou carregado forma uma mistura homog�nea com a �gua, j� que todas as suas mol�culas (ou quase todas, dependendo do coeficiente de solubilidade) interagem com a �gua e ficam separadas umas das outras, “cercadas” pela �gua.
Intera��es entre �gua e solutos apolares
Quando um composto apolar - como o �leo, por exemplo - � misturado � �gua, forma-se uma solu��o heterog�nea. Isso ocorre porque tais compostos n�o possuem carga nem p�los, ou seja, n�o t�m regi�es que possam interagir com a mol�cula de �gua.
No contato inicial de uma subst�ncia apolar com a �gua, h� rompimento n�o compensado de muitas liga��es de hidrog�nio, pois a �gua n�o forma liga��es de hidrog�nio com mol�culas apolares. (Esse rompimento ocorre tamb�m quando um soluto polar entra em contato com a �gua; neste caso, entretanto, as liga��es de hidrog�nio s�o compensadas pela intera��o da mol�cula de �gua com as mol�culas do soluto.) A fim de fazer o maior n�mero de liga��es de hidrog�nio poss�vel, as mol�culas de �gua orientam-se envolta da subst�ncia apolar e a envolvem, de modo que uma rede de liga��es de hidrog�nio � formada ao redor de um soluto apolar.
Figura 83. Orienta��o das mol�culas de �gua ao redor de um soluto apolar
Essa rede de liga��es de hidrog�nio representa um decr�scimo na entropia do sistema, ou seja, � energeticamente desfavor�vel. Por esse motivo, quando v�rias mol�culas apolares entram em contato com a �gua, elas se agrupam, a fim de aumentar a entropia do sistema. Ou seja, ao inv�s de fazerem uma rede de liga��es de hidrog�nio ao redor de cada mol�cula apolar – o que diminui a entropia e �, conseq�entemente, energeticamente desfavor�vel –, as mol�culas de �gua “for�am” as apolares a se agruparem. Dessa forma, a superf�cie de contato entre soluto e �gua � menor e, portanto, a rede de liga��es de hidrog�nio formada tamb�m. Isso faz com que a diminui��o da entropia seja menor quando as mol�culas apolares est�o agrupadas.

Figura 91. Agrega��o de solutos apolares em �gua
H� alguns compostos, como os fosfolip�deos, que possuem tanto uma regi�o polar (“cabe�a”) como uma apolar (“cauda”). Essas subst�ncias, em solu��o, tendem a expor sua por��o hidrof�lica (polar) e “esconder” sua por��o hidrof�bica (apolar), formando micelas ou bicamadas, como mostra a figura. Dessa forma, n�o h� contato entre a �gua e as por��es apolares desses compostos.
Figura 102. Agrega��o de mol�culas anfip�ticas em �gua
Membranas celulares e grandes compostos moleculares, como prote�nas, por exemplo, adotam sua forma em fun��o dessa rela��o entre a �gua e os compostos apolares: as membranas organizam-se em bicamada para “esconder” a cauda dos seus fosfolip�deos; as prote�nas organizam-se para “esconder” seus amino�cidos apolares.
Tens�o superficial
No interior de uma quantidade de �gua, as mol�culas sofrem atra��o umas pelas outras (formam liga��es de hidrog�nio), de modo que a for�a resultante sobre cada mol�cula � nula. Entretanto, na superf�cie da �gua, as mol�culas est�o em contato tanto com outras mol�culas de �gua como com mol�culas de gases presentes no ar. A atra��o do ar pelas mol�culas de �gua � muito menor do que a que ocorre entre as mol�culas �gua-�gua, de modo que a for�a resultante nas mol�culas de superf�cie n�o � nula. A conseq��ncia disso � a forma��o de um filme, uma fin�ssima membrana que limita a �gua e dificulta que gases a penetrem. Al�m disso, esse filme constitui uma barreira mec�nica, que dificulta a penetra��o de pequenas part�culas na �gua. Um exemplo claro dessa barreira mec�nica � mostrado na Fig. 11. A essa propriedade da �gua damos o nome de tens�o superficial.

Figura 114. Dire��o das for�as atuantes sobre as mol�culas de �gua no interior e na superf�cie de uma solu��o

Figura 124. A tens�o superficial permite que insetos caminhem sobre a �gua.
Quando inspiramos certa quantidade de ar, necessitamos que o O2 penetre nossos alv�olos para que seja transportado para todas as nossas c�lulas. Mas o citoplasma das c�lulas alveolares � composto, entre outras coisas, por �gua e apresenta, logo, tens�o superficial. Ent�o, como o O2 penetra o citoplasma das c�lulas alveolares? No nosso pulm�o, as c�lulas que formam os alv�olos s�o os pneum�citos prim�rios e secund�rios. Os pneum�citos II produzem uma subst�ncia capaz de diminuir a tens�o superficial da �gua, o surfactante (dipalmitoil-lecitina). O surfactante � uma mol�cula de detergente, e como tal apresenta uma por��o polar (cabe�a) e uma apolar (cauda). [Em �gua, essas subst�ncias tendem a formar micelas (como foi dito anteriormente); entretanto, h� uma concentra��o micelar cr�tica – limite de concentra��o de fosfolip�deos em que h� forma��o de micelas – e a partir desse ponto n�o h� mais forma��o de micelas. O pneum�cito II secreta surfactante em concentra��o acima da micelar cr�tica, de modo que algumas mol�culas n�o conseguem formar micelas, nem interagem com a �gua.] Essas mol�culas rompem a membrana de �gua da superf�cie para poderem interagir com o ar, que � apolar. Desse modo, a tens�o superficial � rompida e a entrada de O2 nas c�lulas alveolares � facilitada.