FUNDAMENTOS DE QUÍMICA E BIOQUÍMICA BÁSICA
1
Fundamentos da Química e Bioquímica Básica
SOMESB Sociedade Mantenedora de Educação Superior da Bahia S/C Ltda.
Presidente ♦ Gervásio Meneses de Oliveira Vice-Presidente ♦ William Oliveira Superintendente Administrativo e Financeiro ♦ Samuel Soares Superintendente de Ensino, Pesquisa e Extensão ♦ Germano Tabacof Superintendente de Desenvolvimento e>> Planejamento Acadêmico ♦ Pedro Daltro Gusmão da Silva
FTC - EaD Faculdade de Tecnologia e Ciências - Ensino a Distância ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ Coord. de Softwares e Sistemas ♦ Coord. de Telecomunicações e Hardware ♦ Coord. de Produção de Material Didático ♦ Diretor Geral Diretor Acadêmico Diretor de Tecnologia Gerente Acadêmico Gerente de Ensino Gerente de Suporte Tecnológico
Waldeck Ornelas Roberto Frederico Merhy Reinaldo de Oliveira Borba Ronaldo Costa Jane Freire Jean Carlo Nerone Romulo Augusto Merhy Osmane Chaves João Jacomel
EQUIPE DE ELABORAÇÃO/PRODUÇÃO DE MATERIAL DIDÁTICO:
♦ PRODUÇÃO
ACADÊMICA♦
Gerente de Ensino ♦ Jane Freire Autores(a) ♦ Leila Aguilera, Eduardo Benes da Silva Supervisão ♦ Ana Paula Amorim ♦PRODUÇÃO
TÉCNICA
♦
Revisão Final ♦ Carlos Magno Coordenação ♦ João Jacomel Equipe ♦ Ana Carolina Alves, Cefas Gomes, Delmara Brito, Ederson Paixão, Fabio Gonçalves, Francisco França Júnior, Israel Dantas, Lucas do Vale e Marcus Bacelar Editoração ♦ Marcus Bacelar Imagens ♦ Corbis/Image100/Imagemsource ilustração ♦ Fabio Gonçalves copyright
©
FTC EaD
Todos os direitos reservados e protegidos pela Lei 9.610 de 19/02/98. É proibida a reprodução total ou parcial, por quaisquer meios, sem autorização prévia, por escrito, da FTC EaD - Faculdade de Tecnologia e Ciências - Ensino a Distância. www.ftc.br/ead
2
SUMÁRIO A COMPEENSÃO DA QUÍMICA E SUAS POSSIBILIDADES NO MUNDO ATUAL
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
06
ELEMENTOS QUÍMICOS, MOLÉCULAS, PROPRIEDADES E LIGAÇÕES QUÍMICAS Tabela Periódica
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
06
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
09 13
○
Propriedade nas Configurações Eletrônicas Propriedades dos Átomos e Moléculas ○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
Ligações Intra e Intermoleculares
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
18
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
21
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
25
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
FUNÇÕES DA QUÍMICA INORGÂNICA Teoria, Ácido, Bases e Sais Funções Inorgânicas Reações Químicas
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
29
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
29
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
QUÍMICA ORGÂNICA E BIOLÓGICA: A VIDA E SUAS POSSIBILIDADES QUÍMICAS ○
○
○
○
○
Reações Fundamentais Reações de Complexação e Precipitação Reações com Transferência de Elétrons ○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
27 32
36
COMPOSTOS ORGÂNICOS O Átomo de Carbono e a Química Orgânica Reações com Transferência de Elétrons ○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
Funções Oxigenadas
○
○
○
Funções Nitrogenadas Isomeria
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
36 ○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
37 39 41 44
3
A QUÍMICA EM RELAÇÃO AOS PROCESSOS DA VIDA Fundamentos da Química e Bioquímica Básica
4
Carboidratos e Lipídios
○
○
○
○
○
○
○
○
○
Aminoácidos e Proteínas
○
○
○
○
○
○
○
Ácidos Nucléicos
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
47
○
○
○
○
○
○
52
○
○
○
○
○
○
55
Apresentação da disciplina Caro(a) aluno(a), Ao iniciarmos o estudo de Química, temos como objetivo principal o amadurecimento das idéias relativas a essa ciência e sua importância na sociedade, tendo em vista o fato de que, a partir desse conhecimento, sua atitude como cidadão seja contemplada. Hoje, sobretudo na contemporaneidade, um entendimento do mundo por meio dos diversos saberes é condição fundamental para que tenhamos uma percepção do real e do futuro, a fim de compreendermos o entorno. Nesse sentido, átomos, moléculas e íons podem ser conceitos de extrema importância para que você exerça o papel de sujeito historico a partir desta ciência na evolução material e, porque não, da vida. Portanto, os conceitos desenvolvidos pela ciência Química e Bioquímia estão diretamente relacionados a uma concepção que permeia os signos e significados presentes na evolução tecnológica e científica, principalmente da sociedade mundial. Conceitos como: polímeros, hidrocarbonetos, energia, transgênicos, etc, são hoje tão cotidianamente exigidos que, para nós, a não compreensão desses termos nos tornam menos cidadãos e mais consumidores, no sentido de que, um menor entendimento de nossa parte, que fazemos a roda da história girar, nos torna reféns de opiniões e modelos que, ao invés de esclarecer, confunde os espíritos mais alheios. A Química, caro aluno(a), possui uma visão de mundo que está presente em nossa roupa, em nossa casa, ou seja, em tudo que, de uma forma ou de outra, é material e ideológico. Por isso, tenho esperanças de que a partir dos nossos encontros, as discussões construtivas possibilitarão um aprendizado técnico-reflexivo desse universo fantástico que está presente na ciência Química. Mas, além disso, temos que transpor as fórmulas e equações juntos, a fim de que sejamos mais cidadãos. O material didático, que é o início de uma jornada maior, foi estruturado para fundamentar seus conhecimentos, sendo aconselhado, portanto, a leitura e interpretação dos textos bem como a realização das atividades, a fim de que se desenvolva uma reflexão orientada e crítica da sua realidade. Enfim, o trabalho é ingrediente mágico para construirmos o que hoje se tem por sonho. Desejamos dedicação e reflexão. Estamos juntos nessa nossa caminhada.
Prof. Eduardo Benes da Silva
5
A COMPREENSÃO DA QUÍMICA E SUAS POSSIBILIDADES NO MUNDO ATUAL
Fundamentos da Química e Bioquímica Básica
ELEMENTOS QUÍMICOS, MOLÉCULAS, PROPRIEDADES E LIGAÇÕES QUÍMICAS
A Tabela Periódica A Ciência Química tem suas origens tão antigas, que o seu aparecimento está relacionado a algumas atividades desenvolvidas pelo homem. Atividades químicas sem um maior controle científico já eram desenvolvidas, consistindo em algumas poucas observações causais. Se voltarmos no tempo e observarmos que na idade da pedra as criaturas ali presentes já se maravilhavam com fenômenos tão fantásticos como: um pedaço de madeira transformado quando consumido pelo fogo, o cozimento da argila ao ser colocada próxima do fogo. Temos que a simples observação foram os primeiros passos no desenvolvimento das ciências, de uma forma geral; e, em especial, o dá Ciência Química. Já nos anos de 300 a.C a 1500 d.C. floresce a alquimia, na qual a colaboração dos árabes durante os intervalos de tempo compreendidos entre 600 d.C a 1100 d.C foi de extrema relevância para a mesma. Dentre os alquimistas da referida época, destaca-se o nome de “Geber”, que viveu por volta do ano 800 d.C e tinha exercido enorme esforço para produzir ouro; sendo por fim, convencido de que uma mistura adequadamente preparada de mercúrio e enxofre poderia resultar no bendito ouro. Imagine, caro aluno, se pudéssemos fabricar ouro em casa, que maravilha? Pena que não serviria para nada, pois, segundo as leis da economia, uma oferta tão grande de ouro abaixaria extremamente o seu preço. Mas não é preciso desanimar, tudo bem que fabricar ouro em casa é algo impossível na realidade de hoje, mas entender sua estrutura a partir dos seus átomos constituintes pode fornecer informações tão importantes que poderemos fazer não só ouro, mas prata, cobre, etc.Estamos falando, portanto, de elementos químicos. Elementos químicos são substâncias fundamentais, enquanto compostos são constituídos por um conjunto de
6
elementos, sendo, portanto, substâncias mais complexas. Observe uma diferença fundamental entre elemento químico e compostos. Em um composto, pode-se, ainda, separá-lo em seus elementos constituintes, enquanto que nos elementos químicos essa possibilidade não existe, daí se dizer que o elemento químico é a estrutura fundamental da matéria, ou seja, ele é o próprio átomo. Mas esse átomo que agora começaremos a chamar de elemento químico possui características individuais que o torna único, ou seja, um elemento químico é um átomo que na natureza, não existe outro igual a ele. Por exemplo, para que um átomo receba o nome químico de átomo de hidrogênio, ele deve possuir certas características que o identifique como átomo de hidrogênio. Essa característica fundamental que o caracteriza é o número atômico (Z) e está associado à quantidade de prótons presentes no núcleo de um átomo. Outra característica importante entre átomos de diferentes elementos químicos é a massa atômica, que é a massa média de um átomo de determinado elemento químico quando considerado seus isótopos. A comparação que se estabelece para determinação da massa atômica é a de 1/12 ávos do átomo isótopo do carbono 12. Entenda-se que um átomo é tantas vezes mais pesado quanto maior for o número de unidades de 1/12 ávos de carbono 12 necessárias para medi-lo. Só que surge uma primeira complicação: como é possível pesar um átomo? Daí o número “mágico” de Avogadro (6,02 X 10 23 ), que nos permite considerar as massas atômicas macroscopicamente. A unidade de medida da massa atômica é “u.m.a” (unidade de massa atômica); o termo massa é comumente considerado por peso, o que causa um certo incômodo aos físicos. Foi dito que para se ter a massa atômica de determinado elemento químico deve-se ter a média dos seus isótopos. Isso se deve ao fato de que mesmo os átomos que representam um mesmo elemento químico não apresentam a mesma massa; fenômeno esse conhecido por “isotopia” um exemplo de isotopia
Os átomos, porém, podem se combinar formando estruturas mais complexas, sofrendo aumento de sua massa, que não deve ser mais chamada de massa atômica, pois agora há uma estrutura única, formada por um grupo de átomos ligados entre si, formando uma partícula discreta e independente, com características próprias chamadas de “molécula”. Uma molécula pode ser representada pela fórmula molecular, diferentemente dos elementos, que são representados por símbolos químicos devido a sua singularidade. Por exemplo, enquanto o átomo do elemento químico oxigênio é representado simbolicamente pela letra “O”, uma molécula do oxigênio deve ser representado pela fórmula molecular, que é capaz de revelar os elementos e suas respectivas quantidades de átomos formadores da estrutura da molécula, no caso, O2. As formações de estruturas mais complexas por meio de ligações químicas não formam apenas moléculas, mas também compostos cujas fórmulas representativas são as fórmulas empíricas ou fórmulas mínimas, já que para esses compostos não há uma determinação exata das quantidades dos elementos químicos que compõem o composto. Desta forma, substâncias que não são moléculas podem ser representadas pela fórmula mínima, já que sua estrutura química não tem natureza molecular. Nos anos de 1800, uma grande quantidade de elementos já tinha sido descoberta, sendo que suas propriedades e as de seus respectivos compostos já tinham sido razoavelmente conhecidas e dentre elas muitas semelhanças nas propriedades químicas e físicas se tornaram aparentes. Isso fez com que químicos daquele tempo tentassem encontrar
7
correlações numéricas entre os elementos; atente-se para o fato de que naquela época já se conhecia os pesos atômicos. Hoje, a periodicidade é melhor caracterizada quando se considera o número atômico, ao invés dos pesos atômicos, como na época citada. Fundamentos O conceito de periodicidade química está associado aos nomes de dois da Química e químicos: Lothar Mayer e Dmitri Mendeleev. Com trabalhos independentes, um Bioquímica Básica em relação ao outro, eles descobriram a lei da periódica e publicaram tabelas periódicas dos elementos. A lei periódica estabelece que: “sendo os elementos ordenados de acordo com o crescimento do número atômico, pode ser observado uma repetição periódica de suas propriedades. Ou seja, se ao fazermos uma lista com todos os elementos químicos seguindo uma arrumação baseada no número atômico, perceberíamos que haveria uma repetição de suas propriedades. Outro aspecto importante é que cada elemento imediatamente posterior a um gás nobre é um metal.
TABELA PERIÓDICA
A tabela periódica moderna é formada por uma seqüência horizontal de elementos químicos chamados de período. Elas são numeradas de 1 a 7, usando números arábicos. 3 Nota-se que há uma variação na largura do primeiro período até o sexto e sétimo períodos. As colunas verticais na tabela periódica são chamadas grupos ou famílias. Alguns consistem de cinco ou seis elementos. Os quais são chamados de principais, representativos ou grupos “A”. Os menores grupos da tabela periódica são chamados grupos “B” ou elementos de transição. Algumas características especiais da tabela periódica podem ser relacionadas abaixo: 9 O hidrogênio é colocado isoladamente, pois suas propriedades são diferentes de todos os outros elementos químicos. 8
9 O grupo VIIIB contém um total de nove elementos. 9 O sexto período inclui 14 elementos de Z=58, cério; até Z=71, lutécio.Estes elementos que seguem o lantânio (Z=57) são chamados lantanóides. 9 O sétimo período inclui os 14 actinóides que seguem o actínio (Z=89). Ambos, lantanóides e actinóides, são considerados como parte do grupo IIIB, o subgrupo do escândio. Na tabela periódica, um novo período, ou ciclo, tem início quando há repetição das propriedades na nova seqüência de elementos.
Periodicidade nas Configurações Eletrônicas Das configurações eletrônicas comparadas com a tabela periódica percebe-se que cada novo período começa pela adição de um elétron a uma nova camada. Elementos como o hidrogênio e os do grupo IA têm configuração ns1, onde “n” é o número quântico principal da ultima camada de valência. Essa camada geralmente é a responsável pelas ligações químicas que se estabelecem na eletrosfera de um átomo. Os elementos do grupo principal têm camada de valência povoada com um a oito elétrons, sendo que estes elementos são chamados de elementos representativos. A configuração da camada de valência ns2 np6 é especialmente estável e pode ser vista pela baixa reatividade dos gases nobres. Esta configuração é freqüentemente chamada de octeto e a generalização de que é especialmente estável é conhecida como regra do octeto. Os elementos do grupo “B” da tabela periódica são mais comumente chamados de elementos de transição. O preenchimento do sub-nível “d” da camada (n-1) destes átomos corresponde às séries horizontais dos elementos de transição. Sendo que a subcamada “d” pode acomodar um total de 10 elétrons, o que resulta em 10 elementos de transição no 4º e 5º períodos. Na subcamada “f” por ter uma população máxima de 14 elétrons, resulta no aparecimento de 14 lantanóides e 14 actinóides. Alguns átomos têm configurações irregulares, sendo que estas irregularidades são resultantes de pequenas diferenças entre as energias nos orbitais em certos átomos, sendo que o efeito nas propriedades químicas é mínimo. Mesmo assim, a tabela periódica possibilita prever a configuração eletrônica da maioria dos átomos por meio de sua localização.
#
[ ] Agora é hora de
TRABALHAR
1.
Faça um comentário sobre a química, seu desenvolvimento e a produção de soluções na sociedade atual indicando porque suas soluções não atingem a todos os cidadãos de forma homogênea, tendo em vista a dificuldade de acesso pelas populações mais carentes.
9
2.
Descreva em linha gerais o papel da tabela periódica na organização dos elementos químicos e sua relação com a distribuição eletrônica dos elementos. Será que o número atômico realmente é o melhor parâmetro de organização da Fundamentos tabela? Qual sua opinião? da Química e Bioquímica Básica
3.
Explique a diferença existente entre os termos elementos representativos (grupo A) e elementos de transição (grupo B). há algo em comum entre esses termos e as propriedades periódicas e aperiódicas quando observamos variações?
Texto Complementar I NANOTECNOLOGIA A nanotecnologia é um conjunto de técnicas usadas para manipular a matéria na escala de átomos e moléculas. “Nano” é uma medida e não um objeto. Diferente da biotecnologia, onde se sabe que bios (vida) é manipulada, nanotecnologia refere-se somente a escala. Um “nanômetro” (nm) equivale a um bilionésimo do metro. Um fio de cabelo humano tem aproximadamente 80.000 nanômetros de espessura. São necessários 10 átomos de hidrogênio lado a lado para se ter um nanômetro. Uma molécula de DNA tem aproximadamente 2,5 nm de largura. Um glóbulo vermelho, em comparação, é imenso: aproximadamente 5.000 nm de diâmetro. Tudo em nanoescala é invisível a olho nu e até mesmo a todo resto, exceto os microscópios muito poderosos. A chave para entender o poder e o potencial únicos da nanotecnologia é que, em nanoescala (menor do que aproximadamente 100 nanômetros) as propriedades da matéria podem mudar drasticamente - essas mudanças surpreendentes são chamadas modelos quânticos. Só reduzindo o tamanho e sem mudar a substância, os materiais podem exibir novas propriedades tais como condutividade elétrica, elasticidade, maior resistência, cor diferente e maior reatividade - características que essas mesmas substâncias não exibem, em escala micro ou macro. Por exemplo: O carbono na forma de grafite (como o do lápis) é macio e maleável; em nanoescala pode ser mais resistente do que o aço e seis vezes mais leve. O óxido de zinco é normalmente branco e opaco; em nanoescala ele se torna transparente. O alumínio-material nas latinhas de refrigerante-em nanoescala pode entrar em combustão espontânea e poderia ser utilizado como combustível para foguetes.
10
Os cientistas estão se aproveitando das mudanças nas propriedades em nanoescala para criar novos materiais e modificar os existentes. Empresas estão atualmente fabricando nanopartículas (i.e, elementos químicos ou compostos com tamanho menor do que 100 nm) que são usadas em centenas de produtos comerciais. A matéria são os elementos químicos da tabela periódica - os blocos básicos de tudo quanto há de animado e inanimado. Fonte: Trecho da entrevista de Rodney Brooks, diretor do laboratório de inteligência artificial do MIT. www.etcgroup.org
Fórum de Idéias a) O que a onda da nanotecnologia significa para o hemisfério Sul (América Latina). Estabeleça uma explicação coerente associando-a com a pesquisa em nanotecnologia no nosso país?
b) Qual a importância do conceito de elemento químico para a nanotecnologia. Como você percebe a produção de novos materiais em sua comunidade. Essa produção de novos materiais irá melhorar ou piorar a realidade da sua comunidade?
c) A manipulação dos átomos de carbono poderá levar a elaboração de uma grafite mais resistente que o aço, porém mais leve. Estabeleça uma relação a partir do texto, entre o tamanho e as propriedades da matéria.
II O MECÚRIO O trabalhador que lida com mercúrio metálico é o mais exposto aos vapores invisíveis desprendidos pelo produto. Eles são aspirados sem que a pessoa perceba e entra no organismo através do sangue, instalando-se nos órgãos. Geralmente quem foi intoxicado dessa maneira pode apresentar sintomas como dor de estômago, diarréia, tremores, ansiedade, gosto de metal na boca, dentes moles com inflamação e sangramento nas gengivas, insônia,
11
falhas de memória, etc... . Mas também a contaminação por mercúrio pode acontecer por ingestão. No sistema nervoso, o produto tem efeitos desastrosos, podendo dar causas a lesões leves e até á vida vegetativa ou à morte, conforme a concentração. Fundamentos Neste nosso trabalho mostraremos como o mercúrio age no organismo, da Química e suas conseqüências na vida do contaminado e suas formas de tratamento. Bioquímica Básica
O mercúrio é um metal com características sui generis. Ele é o único metal que é líquido a temperatura ambiente tendo ponto de fusão de - 38,87 graus Celcius e ponto de ebulição de 356,58 graus Celcius. Este metal líquido prateado é muito denso, e ainda possui uma tensão superficial alta o bastante para fazer com que ele seja capaz de formar pequenas esferas perfeitas nas rochas e minerais onde é encontrado. Muitas características mineralógicas simplesmente não se aplicam ao mercúrio pelo fato dele ser líquido. Não se pode, por exemplo, definir um grau de dureza. O mercúrio não possui sequer estrutura cristalina nem plano de clivagem. Quando congelado e submetido a baixas pressões, o mercúrio forma cristais no sistema romboédrico e no sistema tetragonal se submetido a altas pressões. Uma vez absorvido, o mercúrio é passado ao sangue, onde é oxidado formando compostos solúveis, os quais se combinam com proteínas, sais e álcalis dos tecidos. Os compostos solúveis são absorvidos pelas mucosas, os vapores por via inalatória e os insolúveis pela pele e pelas glândulas sebáceas. O mercúrio forma ligações covalentes com o enxofre e quando entra na forma de radicais sulfidrilas, o mercúrio bivalente substitui o hidrogênio para formar mercaptides tipo X-Hg-SR e Hg(SR)2 onde R é proteína e X radical eletronegativo. Os mercurais orgânicos formam mercaptides do tipo RHg-SR. Os mercurais interferem no metabolismo e função celular pela sua capacidade de inativar as sulfidrilas das enzimas, deprimindo o mecanismo enzimáticocelular. A medida que o mercúrio passa ao sangue, liga-se as proteínas do plasma e nos eritrócitos distribuindo-se pelos tecidos concentrando-se nos rins, fígado e sangue, medula óssea, parede intestinal, parte superior do aparelhos respiratório mucosa bucal, glândulas salivares, cérebro, ossos e pulmões. É um tóxico celular geral provocando desintegração de tecidos com formação de proteínas mercurais solúveis e por bloqueio dos grupamentos –SH, inibe os sistemas enzimáticos fundamentais a oxidação celular. Em nível de via digestiva os mercurais exercem ação cáustica responsáveis pelos transtornos digestivos (forma aguda). No organismo todo, enfim, o mercúrio age como veneno protoplasmático. www.areaseg.com/toxicos/mercurio.html
12
Fórum de Idéias a) Agora que você conhece mais um pouco sobre o mercúrio. Desenvolva uma reflexão sobre qual seria os danos causados ao meio ambiente, caso o mercúrio fosse gasoso, nas condições ambientes. Como se daria a contaminação nas comunidades de clima mais quente em relação às comunidades de clima mais frio?
b) Considere uma situação na qual você fosse distribuir termômetros com mercúrio para uma comunidade, tendo em vista a sua utilização por pais sem conhecimento sobre possíveis danos que o mercúrio pode causar. Como você interviria nessa comunidade. Trocando a substância termométrica ou ampliando a informação sobre o risco da sua manipulação?
c) Justifique a posição do mercúrio na tabela periódica, leve em consideração a disitribuição eletrônica e o número de camadas na eletrosfera. Agora fale sobre a lógica que está envolvida na organização da tabela periódica. Invente uma maneira diferente de organiza - lá, e justifique os prós e os contra de sua organização.
Propriedades dos Átomos em Moléculas As propriedades dos átomos podem ser medidas e mostram variações que dependem do número atômico, enquanto outras propriedades independem do número atômico. Propriedades como raio atômico, energia de ionização e afinidade eletrônica estão associadas com a posição ocupada pelo átomo na tabela, ou seja, o seu número atômico. Essas características dos átomos são muito diferentes quando comparadas às moléculas; aqui o comportamento dos elétrons determina as propriedades atômicas, enquanto numa molécula ou composto iônico as contribuições de todos os elétrons dos átomos que compõem a estrutura influenciam suas propriedades, sendo que, neste caso, os eletrons de valência têm importância fundamental. 13
Os raios atômicos dos diversos átomos são valores aproximados derivados de medidas de distâncias interatômicas. Um comportamento interessante dos raios atômicos dos elementos da tabela periódica é o decréscimo do raio no mesmo período. Isso se deve a adição de elétrons na Fundamentos camada de valência na seqüência correspondente ao período, no sentido da da Química e esquerda para a direita (aumento da carga nuclear). Com o aumento da carga Bioquímica Básica nuclear, todos os elétrons são mais fortemente atraídos pelo núcleo do átomo, reduzindo o raio atômico correspondente para os elementos de transição nos períodos 4, 5 e 6 tem o decréscimo que se espera do comportamento do raio atômico num período interrompido pelo fato de que a adição de elétrons não ser feita na camada de valência mas sim no subnível (n-1)d. Outra característica periódica importante dos átomos é a eletronegatividade, que está definida quando um átomo no seu estado fundamental, quando da absorção de energia, o elétron pode ser transferido de um nível quantizado para outro. Ou seja, a energia mínima necessária para que esse fenômeno ocorra é conhecido como energia de ionização. Esse termo está associado ao átomo no estado gasoso. Essas energias são expressas em elétrons-volts por átomos, quilocalorias por mol ou quilojoules por mol. A variação da energia de ionização é outra comprovação da lei periódica. Por exemplo, nos primeiros seis períodos da tabela periódica a energia começa baixa no início de cada período e aumenta através dele. Isso se deve ao aumento da carga nuclear através do período, mas a diminuição do raio atômico no período também é um fator que contribui para que esse compor-tamento ocorra. Energia de ionização Ainda no estudo sobre as propriedades dos átomos, um átomo pode receber um elétron, onde nesse processo a partícula resultante é um íon negativo. Temos, então, que a afinidade eletrônica de um átomo é definida pela quantidade de energia liberada quando um átomo no seu estado fundamental gasoso (isolado) recebe um elétron. As afinidades eletrônicas são difíceis de serem medidas e valores precisos não são conhecidos para todos os elementos. Outro fator relevante para os valores de afinidade eletrônica e que nem todos os valores foram obtidos experimentalmente; sendo alguns calculado teoricamente. A periodicidade na afinidade eletrônica pode ser comprovada por valores que geralmente aumentam em função do aumento da carga nucelar. Propriedades físicas dos elementos químicos como: ponto de fusão, ponto de ebulição, condutividade térmica mostram variações periódicas com o aumento dos números atômicos. Outras propriedades existem, como a massa atômica por exemplo, cuja variação não depende do período ocupado pelo elemento, entenda-se aqui, variação da propriedade em função do número atômico, sendo por isso mesmo denominadas de aperiódicas. Propriedades essas que não estudaremos com profundidade nesse curso. Mesmo porque as mesmas não estabelecem relação com a periodicidade química. As moléculas e os compostos iônicos, por outro lado, apresentam propriedades que não dependem apenas de um único átomo, mas da interação com todos os outros que constitui a molécula: massa molecular, polaridade, geometria, etc. São propriedades intramoleculares que nos revela diversas características desses compostos mais complexos.
14
A massa molecular, como o próprio nome indica, é o resultado das contribuições em massa de cada átomo formador da molécula, essa massa molecular está também associada com o número de Avogadro quando quisermos estabelecer uma relação macroscópica por meio desses valores. A unidade que expressa uma quantidade simples de molécula é a “u.m.a” que corresponde a mesma unidade relacionada com os átomos. A geometria molecular é fator importante no entendimento da distribuição dos elétrons no espaço correspondente ao volume molecular, sendo também capaz de determinar as forças atrativas e repulsivas existentes, devido às interações elétrons-elétrons e elétrons-núcleos. A presença de pares de elétrons livres na estrutura molecular é um fator que influencia fortemente a disposição dos átomos terminais em relação ao átomo central do composto químico, diversas geometrias são possíveis onde o fator associado ao número de pares eletrônicos e o efeito estérico são considerados. A polaridade molecular é outro fator muito importante na análise do comportamento molecular, assim como suas ligações. De uma forma geral, as moléculas podem ser polares ou apolares, nessa conceituação diversos fatores devem ser considerados. Um aspecto importante da polaridade de uma molécula é a formação de dipolos.Sendo que esses dipolos podem ser diferenciados experimentalmente de moléculas não polares por seu comportamento num campo elétrico. Observa-se que quando moléculas polares são colocadas entre placas eletricamente carregadas, elas tendem a girar e se alinhar com o campo. A polaridade de ma molécula é expressa por seu momento dipolar. polaridade das moleculas
#
[ ] Agora é hora de
TRABALHAR
1.
Como você compreende a contribuição da eletronegatividade dos átomos e a geometria molecular para a polaridade de uma molécula? Com base nesta informação, analise se uma molécula que contém átomos de diferentes eletronegatividades é necessariamente polar. Justifique sua resposta.
15
2.
Fundamentos da Química e Bioquímica Básica
Observando as informações contidas no texto, elabore uma idéia sobre a seguinte questão: Caso o petróleo (hidrocarbonetos) fosse polar, o dano causado por derramamentos de petróleo no mar seria mais ou menos grave?
3.
As propriedades aperiódicas poderiam ser utilizadas para classificar os elementos da tabela periódica? Justifique sua resposta.
Para Refletir AMIANTO OU ABESTO O amianto ou asbesto é uma fibra mineral natural sedosa que, por suas propriedades físico-químicas (alta resistência mecânica e às altas temperaturas, incombustibilidade, boa qualidade isolante, durabilidade, flexibilidade, indestrutibilidade, resistente ao ataque de ácidos, álcalis e bactérias, facilidade de ser tecida etc.), abundância na natureza e, principalmente, baixo custo, tem sido largamente utilizado na indústria. É extraído fundamentalmente de rochas compostas de silicatos hidratados de magnésio, onde apenas de 5 a 10% se encontram em sua forma fibrosa de interesse comercial. Os nomes latino e grego, respectivamente, amianto e asbesto, têm relação com suas principais características físicoquímicas, incorruptível e incombustível. Está presente em abundância na natureza sob duas formas: serpentinas (amianto branco) e anfibólios (amiantos marrom, azul e outros), sendo que a primeira - serpentinascorrespondem a mais de 95% de todas as manifestações geológicas noplaneta. Já foi considerado a seda natural ou o mineral mágico, já que vem sendo utilizado desde os primórdios da civilização, inicialmente para reforçar utensílios cerâmicos, conferindo-os propriedades refratárias. Com o advento da Revolução Industrial no século XIX, o amianto foi à matéria-prima escolhida para isolar termicamente as máquinas e equipamentos e foi largamente empregado, atingindo seu apogeu nos esforços das primeiras e segundas guerras mundiais. Dali para frente, as epidemias de adoecimentos e vítimas levaram o mundo “moderno” ao 16
conhecimento e reconhecimento de um dos males industriais do século XX mais estudados em todo o mundo, passando a ser considerado daí em diante a “poeira assassina”. Os grandes produtores mundiais tentaram por muito tempo atribuir toda a malignidade desta matéria-prima ao tipo dos anfibólios, menos de 5% de todo o amianto minerado no mundo, e salvar este negócio lucrativo, atribuindo à crisotila (amianto branco) propriedades benéficas, tanto do ponto de vista da saúde, como sua necessidade para as populações de baixa renda no uso de coberturas e abastecimento de água potável. Hoje a polêmica do bom e mau amianto já está praticamente superada em todo o mundo, tendo em vista a vasta literatura médica mundial existente e fruto da produção acadêmica de todo um século. O Brasil está entre os cinco maiores produtores de amianto do mundo e é também um grande consumidor, havendo por isto um grande interesse científico a nível mundial sobre nossa situação, quando praticamente todos os países europeus já proibiram seu uso. A maior mina de amianto em exploração no Brasil situa-se no município de Minaçu, no Estado de Goiás e é atualmente administrada pela empresa brasileira Eternit S/A, mas que até recentemente era explorada por grupo franco-suíço(Brasilit e Eternit) em cujos países de origem o amianto está proibido desde o início da década de 90. ABREA-Associação Brasileira dos expostos ao amianto - http://www.abrea.com.br/02amianto.htm
Fórum de Idéias a) Elabore um comentário a respeito das informações contidas no texto, relacionandoos com o fato de que, ainda hoje, os tanques de armazenamento de água serem produzidos a partir desse material. Em termos químicos, deveríamos utilizá-los? Então porque usamos?
b) Pesquise e responda. Será o amianto uma substância polar? Então como fica a questão sobre a contaminação da água potável que nós bebemos. Nas comunidades do interior do país em geral, o uso de objetos a base de argila para armazenar água é bastante comum. A partir disso quem estaria quimicamente correto, o nosso costume citadino ou interiorano?
c) Por ser o amianto uma fibra mineral e natural, sendo a sua extração feita a partir de jazidas. Qual a relação entre o uso das jazidas, meio ambiente e substituição desse material por materiais poliméricos (tanques plásticos)?
17
Ligações Intra e Intermoleculares As forças que se estabelecem entre os átomos de uma molécula ou entre Fundamentos moléculas vizinhas são denominadas de ligações químicas. Na ligação iônica da Química e as forças de natureza eletrostáticas atraem as partículas com cargas elétricas Bioquímica Básica opostas; a essa atração denominamos também de ligação eletrovalente. A ligação iônica é geralmente encontrada em sólidos iônicos, sendo que em tais estruturas há enormes quantidades de íons positivos e negativos.No sólido NaCl, cada Na+ tem seis íons Cl- como vizinhos próximos. Da mesma forma, cada vizinhança de cada íon Clconsiste em seis íons Na+. Observe, caro aluno (a), que aqui não cabe o conceito de molécula, pois na estrutura do retículo formado as quantidades de átomos de cloro e de sódio tem determinação imprecisa.
Outra importante ligação química que se estabelece entre átomos é a ligação covalente, que ocorre quando dois átomos têm as mesmas tendências para ganhar e perder elétrons. Nessa situação, a transferência total de elétrons não acontece, o que se entende por um compartilhamento dos elétrons entre os átomos participantes da ligação. Em qualquer tipo de ligação covalente a distância entre os núcleos e os átomos ligados é chamada distância de ligação ou comprimento de ligação. Considere que em verdade essa distância se refere a uma média, pois os átomos ligados não permanecem estáticos um em relação ao outro; pelo contrário, eles estão freqüentemente vibrando para dentro e para fora, aproximando-se ou afastando-se um do outro.
Ligacao covalente
18
As ligações metálicas são forças que se estabelecem entre átomos com baixa eletronegatividade; característica essa presente nos elementos metálicos.Essa característica das ligações permite aos elétrons participantes um grau de liberdade em relação aos núcleos atômico bem superior, quando comparados com as outras ligações. Um fato interessante é que a regra do octeto não explica a ligação metálica, isso se deve ao fato de que as estruturas de Lewis serem insuficientes para explicar a distribuição dos elétrons nas respectivas camadas Essas ligações estão presentes nas interações intramoleculares de uma molécula, quando se considera, a interações intermoleculares com outras forças, porém estão presentes mesmo que tenham o mesmo princípio físico, mas diferindo na natureza e magnitude da interação. As interações de ordem intermolecular permitem a formação de diferentes fases da matéria. Por exemplo, nos sólidos moleculares as forças que existem são relativamente fracas e são chamadas de forças de Van der walls. Existem vários tipos de forças de Van der walls, sendo que as mais importantes são as dipolo-dipolo e as forças de London. Forças dipolo-dipolo estão presentes nas Ligação metálica interações entre moléculas polares. As forças de London, também chamadas forças de dispersão, geralmente são muito fracas, e são justificadas pelo fato de que até moléculas não-polares formam retículos cristalinos. As forças de London são fracas e de pequeno alcance, estando associadas, em parte, com a facilidade com que a nuvem eletrônica de uma molécula é distorcida. Enquanto as forças eletrostáticas comuns têm sua magnitude relacionada com o inverso do quadrado da distância entre as partículas, as forças de London variam na razão inversa da sétima potência da distância. Ou seja, um pequeno afastamento entre as partículas constituintes de um sistema afeta seriamente a magnitude das forças de London Forças dipolo-dipolo e forças de London.
#
[ ] Agora é hora de
TRABALHAR
a) Faça um comentário sobre forças intra e intermoleculares citando exemplos que diferenciem uma da outra.
19
b) É possível que entre moléculas apolares se estabeleçam interações do tipo dipolo-dipolo? Justifique sua opinião. Fundamentos da Química e Bioquímica Básica c) Estabeleça as diferenças entre ligações metálica, covalente, iônica, tipo Van der Walls e de London. Quais dentre elas são intra e intermoleculares? Com base na sua resposta como você entenderia a natureza da ligação que dá o aspecto físico numa barra de chocolate. E em relação à formação das moléculas de açúcar?
Para Refletir CHOCOLATE O chocolate passou a se difundir pelo mundo a partir do século XVI, quando o conquistador espanhol Hernán Cortés conheceu-o na corte de Montezuma II no México e o levou para a Europa. Naquela época os astecas tomavam-no como uma bebida amarga e fria, preparada a partir da fruta do cacaueiro, árvore nativa das regiões tropicais da América, chamando-se xocolatl ou chocoatl (água amarga), e levava até pimenta e outras especiarias. Ao se difundir pela Europa, transformou-se e aprimorou-se. Na Espanha, perdeu a adição de pimenta e recebeu açúcar, canela e baunilha. No início do século XVII, viajantes e comerciantes introduziram-no na Alemanha, França e Itália. Em 1659, David Chaillou começou a vender em Paris as primeiras tortas de chocolate. Uma década depois o chef Lassagne, que trabalhava para o duque de Plessis-Praslin, criou o primeiro bombom, coberto de caramelo.Relatos do hábito de tomar essa bebida estimularam os europeus. O aventureiro e sedutor veneziano Casanova (1725-1798) qualificou o chocolate de “elixir do amor”. O Marquês de Sade (17401814) introduziu-o em uma de suas novelas obscenas. Em 1828, o neerlandês Coenraad Van Houten desenvolveu uma máquina revolucionária que separava a pasta de cacau da manteiga. Em 1875, utilizando o leite em pó inventado por seu conterrâneo Henri Nestlé, o suíço Daniel Peter apresentou ao mundo o chocolate ao leite. Na primeira década do século XX, surgiram as grifes internacionais: Neuhaus e Godiva, Callebaut e Cacao Barry, na Bélgica; Fauchon, La Maison du Chocolat e Menier, na França; Kohler e Lindt, Nestlé e Suchard, na Suíça; Van Houten’s, nos Países Baixos; Cadbury e Rowntree, na Inglaterra; Milton Hershey, nos Estados Unidos. O Brasil é o único país produtor de cacau que industrializa o próprio chocolate. Em quantidades suficientes, a teobromina encontrada no chocolate é venenosa à animais como cães, gatos (especialmente filhotes), cavalos, papagaios e hamsters porque eles não conseguem metabolisar a substância química eficazmente. Se eles forem alimentados com chocolate, a teobromina irá ficar nas suas correntes sanguíneas por até 20 horas, e esses animais poderão ter convulsões, ataques cardíacos, hemorragia interna, e eventualmente a morte. O tratamento médico envolve indução de vômito dentro de duas horas de ingestão, ou contactar um veterinário.Um cão típico de 20 kg irá normalmente sentir-se ruim do estômago depois de ingerir menos que 240 g de chocolate ao leite, mas não irá necessariamente ter bradicardia ou taquicardia a não ser que ele coma pelo menos meio quilo de chocolate ao leite. Se ele não expelir o chocolate de seu sistema por causa do açúcar ou da gordura, então
20
ele terá 50% de chance de sobreviver depois de comer 5 quilos. Chocolate negro tem aproximadamente 50% a mais de teobromina e por causa disso é mais perigoso aos cães. Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Chocolate
Fórum de Idéias a) Estabeleça uma relação entre ligações químicas e fases da matéria. Tome como modelo uma barra de chocolate sólida, em seguida a considere líquida e por fim gasosa. Qual a interpretação fundamental da sua análise?
b) Observe a sentença: “A teobromina é uma substância encontrada no chocolate e é venenosa nos animais como; cães, gatos, cavalos, papagaios, etc, pois eles não conseguem metabolisar a substância química”. Faça um comentário sobre os tipos de ligação que estariam presentes na interação intramolecular dessa substância.
FUNÇÕES DA QUÍMICA INORGÂNICA Teoria, Ácido, Bases e Sais Em 1923, Bronsted e Lowry, sugerem uma definição ácido - base muito útil. Tem-se que a definição estabelecida por Bronsted e Lowry é uma definição protônica. Ou seja, ácido é toda espécie que tende a doar um próton e base toda espécie que tende a aceitar um próton. Observe que uma reação ácido - base é uma reação de transferência de prótons (fig. Sobre acido – base de Bronsted e Lowry). Segundo Bronsted - Lowry uma reação ácido – base está ligada à competição por um próton entre duas bases. Tem-se, no exemplo, o cloreto de hidrogênio (Hcl) numa solução aquosa uma situação característica que se pode ser compreendida segundo a teoria de Bronsted – Lowry. Nesse caso, uma molécula de Hcl (ácido) doa um próton a H2O (uma base) para formar a espécie H3O+ (ácido) e cl - (base). Temos, portanto: HCl + H2O Ácido A + Ácido B
H3O + + Cl – Ácido A + Ácido B
Esta equação apresenta um próton sendo transferido por um ácido para uma base conjugada e um ácido, respectivamente. A partir disso, conclui-se que as espécies Hcl e cl – são consideradas um par ácido – base conjugados, sendo H2O e H3O+ o outro par conjugado formado.
21
É possível concluir que com o conceito de Bronsted – Lowry, a água pode reagir que como um ácido quer como base, sendo que esses processos estão associados a autodissociação da água. Fundamentos da Química e Bioquímica Básica
H2O Ácido A
+
H2O +
Base B
H3O+ + OH – Ácido B + Base A
A força de uma espécie ácida ou básica, segundo Bronsted – Lowry, está diretamente relacionada com a tendência de doar um próton, quando se considerar um ácido, enquanto para uma base a sua força está associada à tendência de aceitar (aceptor) de prótons. Na equação abaixo podemos ter um exemplo desse conceito. HCl + H2O
H3O+ + Cl –
Nessa reação, podemos considerar que o HCl por ter uma tendência maior em doar prótons em relação ao H 3O+ é considerado a espécie mais ácida. Enquanto que para a água, seu caráter básico, é mais pronunciado que o do íon cloreto (Cl - ) Daí conclui-se que quanto mais forte for o ácido, mas fraca será a sua base conjugada. Isso pode ser compreendido pelo exemplo anterior onde o HCl tem grande tendência a perder um próton, fazendo com que a espécie Cl – tenha pouca tendência em ganhá-lo. Uma conceituação ainda mais complexa, sugerida por G. N. Lewis em 1923, torna a análise de espécies químicas para classificá-las como ácido ou como base ainda mais abrangente. Para Lewis, um ácido é toda espécie química com orbital vazio capaz de aceitar um par de elétrons, enquanto para uma base, a espécie química deve poder doar um par de elétrons para formar uma ligação covalente coordenada, esses conceitos podem ser resumidos da seguinte forma. Enquanto um ácido é receptor do par de elétrons, a base é um doador de par de elétrons. Para Lewis toda reação ácido – base consiste na formação de uma ligação covalente coordenada por exemplo: Fig.12 ácidos e bases de arrhenius O par eletrônico proveniente do oxigênio forma uma ligação covalente com o próton. enquanto o íon (OH)- é uma base, pois ele doou um par eletrônico na formação da ligação. Porém, uma reação do tipo que está apresentada logo abaixo não poderia ser classificada como uma reação ácido – base segundo o conceito de Bronsted – Lowry (ou arrenhius). É necessário compreender que dentre os três conceitos sobre teoria ácido – base a teoria de Lewis é a mais abrangente. Isso porque a generalidade da teoria de Lewis não está condicionada a soluções aquosas, como no caso da teoria de Arrenhius e ácidos de base arrhenius Bronsted – Lowry. Arrenhius propôs uma terceira classe de eletrólitos, conhecida como “sal”. Para Arrenhius um sal é toda espécie química as quais os íons subsistem após a neutralização de uma espécie ácida por uma outra espécie básica. Por esse conceito, o Nacl, por ter íons Na+aq + Cl-aq em solução, após as soluções de HCl e NaOH reagirem, em geral a característica de um sal é correspondente a sólido iônico no qual íons (H3O) + e (OH)- não estão presente. Logo, na 22
reação de neutralização, há formação de moléculas de H2O e os íons provenientes da neutralização permanecem em solução sendo que, caso a solubilidade do sal seja baixo, uma combinação entre os íons podem se combinar, precipitando o sal na solução. Hcl
(H+)ag + (Cl –)ag H2O
NaOH
(Na+)ag + (OH) - ag
Quando da evaporação da água temos: Na+ + Cl -
Nacl(s)
Observe a tabela abaixo, na qual há uma relação entre a teoria ácido-base e o tipo de espécies químicas formadas. CONCEITO
ÁCIDO
BASE
ARRHENIUS
Todo composto que, dissolvido em água, origina (H3O)+ag como único cátion.
Todo composto que, dissolvido em água, origina (OH)-ag como único ânion.
BRONSTED LOWRY
Toda espécie química que tende a doar prótons.
Toda espécie química que tende a aceitar prótons.
Toda espécie química com orbital vazio que é capaz de aceitar um par de elétrons.
Toda espécie química doadora de um par de elétrons para formar uma ligação covalente coordenada.
G. N. LEWIS
#
[ ] Agora é hora de
TRABALHAR
a) Cite as diferenças conceituais entre as teorias de Arrhenius, Brosnsted-Lowry e G. N. Lewis. Faça um comentário sobre a possibilidade de denominarmos “ácido” a toda e qualquer substância que tem sabor azedo. Esta é uma postura científica? Em termos de sobrevivência das populações, o fato de que uma quantidade de substâncias ácidas apresentarem sabor azedo desqualifica o saber popular? Dê a sua opinião.
23
b) É possível considerar que um ácido de Arrenhius é também um ácido de G. N. Lewis? Justifique sua resposta. Fundamentos da Química e Bioquímica Básica
c) A teoria de Arrenhius nos revela que para ser ácido, a substância deverá produzir um cátion de hidrogênio em solução aquosa. Sobre o termo “aquoso”, comente a limitação conceitual contida na teoria de Arrenhius.
Para Refletir PRODUÇÃO DE SABÃO Material Cuba Lamparina de álcool Tripé e grelha Colher de cozinha Óculos de proteção Luvas de látex
Compostos Hidróxido de sódio (soda caústica) Cloreto de sódio (sal comum) Gordura Perfume Água destilada
Procedimento 1- Atenções, durante a execução desta experiência devem-se proteger as mãos com luvas e os olhos com óculos. 2- Preparo de uma solução de hidróxido de sódio (a preparação desta solução deve ser cuidadosa porque o hidróxido é muito alcalino. O hidróxido de sódio é normalmente fornecido no estado sólido, devendo este ser transferido para um globé já com água com a ajuda de uma colher de plástico. O hidróxido de sódio é adicionado na cuba após a adição da água, porque esta base ataca o vidro ficando com os grãos colados às paredes da cuba, sendo sua remoção bastante difícil). 3- Adicione um pouco de gordura à solução de hidróxido de sódio. (a gordura adicionada pode ser um pedaço pequeno de manteiga, também pode ser utilizado um pouco de óleo ou azeite). 4- Aqueça a solução e deixe ferver durante certo período de tempo. (com o calor fornecido pela chama da lamparina a fervura não será muito intensa, mas deve se ter cuidado, pois a solução que estamos a aquecer é muito alcalina. Se durante a fervura houver salpicos para fora da cuba, estes deverão ser imediatamente limpos com um pano úmido) 5- Transfira a solução tratada para outra cuba, acrescentando em seguida uma colher de cloreto de sódio (sal comum) e um pouco de perfume. Deixar arrefecer a solução. (Muito cuidado no manuseio da cuba quente, pois como é sabido, o vidro quente ou frio tem sempre o mesmo aspecto). 6- Na solução encontra-se, flutuando, um determinado sólido que pode ser designado de sabão perfumado. ( o sabão é um bom meio de limpeza porque é formado por uma parte apolar que corresponde à molécula de gordura, e outra parte polar que é fornecida pelo sal e hidróxido de sódio. Devido a estas características o sabão tanto atrai para si moléculas polares como apolares) 24
Fórum de Idéias a) Comente sobre a seguinte afirmação: “A mídia em geral anuncia cada vez mais uma quantidade enorme de produtos para a higiene pessoal. A partir do que foi dito sobre os sabões, quanto há de mito e de verdade sobre as fantásticas propriedades de limpeza desses novos produtos? Será que uma boa higiene pessoal depende de uma enorme quantidade desses novos produtos?”.
b) A reação de formação dos sabões se dá por meio de uma substância ácida e outra básica. A partir disso você concorda que a reação ocorrida forma um sal? Justifique sua resposta. Então podemos dizer que todos os sabões são sais?
Funções Inorgânicas Podemos conceituar funções inorgânicas como o conjunto de substâncias inorgânicas que possuem propriedades químicas semelhantes. As funções inorgânicas que para nosso estudo apresentam um interesse imediato, são: ácidos, bases, sais e óxidos. Para esse primeiro contato com as funções inorgânicas iremos empregar a teoria da dissociação de arrhenius, para conceituar todas as funções aqui estudadas. ÁCIDOS Os ácidos podem ser conceituados, segundo arrhenius, como compostos que em solução aquosa se ionizam, produzindo íons H3O+ (hidrônio ou hidroxônio). Logo, as características do comportamento ácido de uma substancia se deve à presença desse íon, tornando-o, portanto, o radical funcional dos ácidos . HCl H3PO4
H3O+ +
Cl-
3 H3O+ + (PO4)3-
Os ácidos podem ser classificados pelos números de hidrogênios ionizáveis, pela presença de oxigênio na molécula e de acordo com o grau de ionização. Em relação aos números de hidrogênios ionizáveis, temos: Monoácidos - quando ionizados, produzem apenas um H3O+ (HCl, HNO3, etc). Diácidos - quando ionizados, produzem dois H3O+ (H2SO4, H2CO3, etc). Triácidos - quando ionizados, produzem três H3O+ (H3PO4, H3BO3, etc). Tetrácidos - quando ionizados produzem quatro H3O+(H4P2O7, H4SiO4, etc). Quando se observa a presença ou não de oxigênio, temos: Hidrácidos - quando não contêm oxigênio (HCl, HBr, etc). Oxiácidos - quando contêm oxigênio (HNO3, H2SO4, etc). Considerando o grau de ionização podemos classificar da seguinte maneira: Ácidos fortes - quando possui grau de ionização (a) superior a 50% Ácidos moderados – quando o grau de ionização está compreendido entre 5 a 50% Ácidos fracos - quando o grau de ionização é inferior a 5% 25
Esse cálculo é baseado na seguinte fórmula: a= Número de moléculas ionizadas Número total de moléculas
A nomenclatura dos ácidos é feita em função da presença ou não de oxigênio. E dentro dos oxiácidos, o numero de oxidação do elemento central, Fundamentos da Química e isto é a carga teórica que o átomo teria caso houvesse quebra da ligação. A presença de moléculas de água na estrutura da molécula, grau de Bioquímica Básica hidratação, é um parâmetro útil para nomear ácidos oxigenados que apresentam mesmo numero de oxidação, mas diferentes graus de hidratação (nesse caso, quantidade de moléculas de água na estrutura do ácido). BASES OU HIDRÓXIDOS As bases ou hidróxidos são substâncias que se apresentam por dissociação iônica e liberam o íon hidroxila ou oxidrila (OH)-. Logo o (OH)- é o radical funcional das bases, ou seja, as características básicas de um composto químico. Fazendo uma analogia com os ácidos, a nomenclatura das bases é função do número de hidroxilas: Monobases, Dibases, Tribases, Tetrabases. Enquanto o grau de dissociação é a classificação correspondente ao dos ácidos, respeitando seus respectivos grupos funcionais. Algumas bases características: NaOH, Zn(OH)2, Al(OH)3, etc. A nomenclatura das bases é feita em função do número de oxidação(Nox), levando em consideração o elemento químico ligado à hidroxila. Ex: KOH hidróxido de sódio, LiOH hidróxido de Lítio O número de hidroxilas é um fator que também contribui para a classificação das bases. Observe os exemplos. Li(OH)- devido a presença de uma hidroxila, essa base é uma monobase. Mg(OH)2- devido a presença de duas hidroxilas, é uma dibase. Percebe-se que a nomenclatura está relacionada com o prefixo que indica o número de hidróxilas, a saber: tri, tetra, penta, etc.. . SAIS Os sais, porém, são compostos que possuem pelo menos um cátion diferente do H3O+ e um ânion diferente do (OH)-. A reação química característica da formação dos sais é a reação de neutralização ou de salificação, onde há formação do sal. Ex: HCI + NaOH
NaCl
+ HOH
Atente-se para o fato de que os íons Na+ e (OH)- estão em solução aquosa, desde que toda a água da solução não tenha sido removida A nomenclatura dos sais normais é derivada dos nomes dos ácidos e da base que lhe dão origem. Terminações como eto, ito e ato. Ex: Ca(NO3)2 Nitrato de cálcio; KNO3 Nitrito de potássio. Os sais podem ser classificados também por meio da reação química que lhe deu origem, ou seja, a neutralização pode ser parcial ou total e isso interfere na estrutura do sal formado. É o caso de quando um di, tri ou tetrácidos reage com uma base em que todos os hidrogênios ionizáveis são neutralizados. Ex: NaH2PO4 fosfato diácido de sódio; NaHCO3 bicarbonato de sódio Nos hidroxi - sais uma di, tri ou tetrabase reage com um ácido e nem todas as hidroxilas soa neutralizadas, havendo, portanto, uma neutralização parcial da base.
26
Ex: Al(OH)2Cl cloreto dibásico de alumínio; Ca(OH)NO3 nitrato monobásico de cálcio Os sais duplos ou mistos são formados se, por exemplo, um di, tri ou tetracido reagir com bases diferentes. Esses sais, dependendo dos ácidos ou bases que reagem podem ser duplos quanto ao cátion ou quanto ao ânion. Ex: MgBrCl cloreto brometo de magnésio ÓXIDOS Os óxidos são compostos binários onde o oxigênio é o elemento mais eletronegativo. Apenas os compostos oxigenados do flúor não são considerados óxidos, já que o flúor é mais eletronegativo. Os óxidos podem ser classificados em: básicos, ácidos ou anídridos, anfóteros, neutros, duplos, peróxidos, superóxidos. Os óxidos básicos reagem com água produzindo uma base. Ex: CaO + H2O
Ca(OH)2
Os óxidos ácidos reagem com água produzindo um ácido. Ex: SO3 + H2O
H2SO4
Óxidos anfóteros são óxidos que podem se comportar ora como básico, ora como ácido. Ex: ZnO + 2HCl
ZnCl2 + H2O ou ZnO + 2NaOH
Na2ZnO2 + H2O
Os óxidos neutros não reagem com água, nem com ácidos ou com bases. Daí sua denominação. Ex: CO, NO, NO2 Os óxidos duplos se comportam como se fossem formados por dois outros óxidos. Ex: Fe3O4, Pb3O4, etc.. . Os peróxidos e superóxidos, quando reagem, formam água oxigenada (H2O2), no caso dos peróxidos, e água oxigenada e oxigênio, no caso dos superóxidos. É importante lembrar que esse comportamento se dá em solução aquosa. Ex: Li2O2 peróxido de lítio Na2O2 peróxido de sódio KO2 superóxido de potássio RbO2 superóxido de rubídio
#
[ ] Agora é hora de
TRABALHAR
a) Faça um comentário sobre as diferenças existentes entre ácidos, bases e óxidos. Indique como se dá a formação dos ácidos e bases a partir dos óxidos.
27
b) Em relação aos óxidos anfóteros e neutros, quais as suas características principais. Indique suas diferenças. Fundamentos da Química e Bioquímica Básica c) A água oxigenada é um produto que pode ser proveniente da reação de hidrólise de que tipo de óxido? E qual significado do termo “anidrido”?
Para Refletir SAIS E COTIDIANO Ao nosso redor existe uma infinidade de sais que fazem parte da constituição dos mais variados materiais. O carbonato de cálcio (CaCo3), por exemplo, é encontrado na casca do ovo, no mármore, no calcário, nas pérolas e nos recifes de coral. O cloreto de sódio (NaCl), além de ser usado para salgar a comida, tem larga aplicação na conservação de alimentos (carne-seca, bacalhau salgado, etc.), na composição do soro fisiológico (uma mistura de água com 0,9% de NaCl) e como matéria – prima para a produção de cloro (Cl2), de soda cáustica (NaOH) e do hipoclorito de sódio (NaClo). O fluoreto de sódio (NaF) serve como fonte de fluoreto (F-) para a formação do esmalte dental, que aumenta a resistência à formação de cáries. É usado em algumas pastas de dente e também nos enxaguatórios bucais. O salitre (KNO3) e o salitre do Chile (NaNO3) são empregados como conservantes dos embutidos de carne (presunto, salame. Mortadela, rosbife, etc.). Tomam parte, também, da composição de fertilizantes e da chamada pólvora negra, uma mistura de salitre, carvão e enxofre pulverizados. O carbonato de sódio (Na2Co3), também denominado soda ou barrilha, é empregado nas estações municipais de tratamento de água, em piscinas (para evitar que a água fique muito ácida) e nas fábricas de vidro e de sabão em pó como matéria-prima. Gesso e giz são dois materiais que contêm sulfato de cálcio (CaSO4). Para nos mantermos saudáveis, precisamos, diariamente, ingerir pequena quantidade de sais adequados. Eles estão presentes em muitos alimentos. Esses sais fornecem íons necessários ao bom funcionamento de nosso organismo. Fonte: Tito e Canto. Química na Abordagem do Cotidiano, pág. 85
28
Fórum de Idéias a) Em tempos atrás, com a falta de equipamentos de refrigeração, a conservação de alimentos era feita com qual tipo de função química? É admissível que as pessoas hipertensas consumam compostos dessa função química? Justifique sua resposta.
b) É possível admitir que devemos tirar de nossa dieta alimentar toda e qualquer quantidade de sal. O que você acha dessa opinião? E de que maneira esse sal se encontra em nosso organismo, numa forma iônica ou reticulada?
c) Os eletrodomésticos das residências situadas próximas ao litoral sofrem o fenômeno de oxidação de forma bastante intensa. Qual componente ambiental presente na região litorânea, do ponto de vista químico, podemos associar a esse fenômeno?
Reações Químicas Reações Fundamentais Numa reação química, as moléculas ou aglomerados iônicos iniciais irão reagir fornecendo outras espécies diferentes. Esse conceito básico pressupõe que haja condições termodinâmicas favoráveis para que o processo ocorra. Em todas as reações químicas podemos considerar duas classes de compostos participantes: os reagentes e os produtos. Nesse sentido, uma equação química é a representação simplificada de uma reação química. 2H2
+
O2
2 H2O
Temos, no exemplo acima, que H2, O2 e H2O representam as substâncias que participam nessa reação, onde as moléculas de H2 e O2 são os reagentes, enquanto a molécula de H2O é
29
o produto formado na reação. Atente-se que essas fórmulas químicas dão um sentido qualitativo, enquanto os coeficientes dão um sentido quantitativo. As reações químicas podem ser classificadas segundo diversos critérios; dentre esses critérios, o que está relacionado aos fenômenos de adição, Fundamentos decomposição, deslocamento são aqueles que nesse momento iremos tratar. da Química e Incluindo, posteriormente, duas reações de extrema importância para os Bioquímica Básica fenômenos biológicos, que são as reações de precipitação e complexação. As reações de síntese ou de adição ocorrem quando duas ou mais espécies químicas reagem, produzindo apenas uma espécie. Observe o modelo abaixo. S + O2
SO2 (I)
CaO + H2O
Ca(OH)2 (II)
Aqui temos que a reação envolvendo átomos de enxofre e uma molécula de oxigênio resultou no aparecimento do óxido de enxofre. As reações de síntese podem ser denominadas de síntese total (I) ou síntese parcial (II). A síntese é total quando pare apenas de substâncias simples, enquanto a parcial há, dentre os reagentes, uma substância composta. As reações de análise ou de decomposição ocorre quando uma substância propicia o aparecimento de dois ou mais produtos (substâncias) de estrutura mais simples. 2KClO3
2KCl
2 HgO
2Hg +
+
3O2 O2
Algumas reações de decomposição recebem nomes especiais, em função da fonte de energia por meio da qual a reação se processa. Temos então: pirólise, fotólise e eletrólise, que têm como fonte de ignição respectivamente: calor, luz, eletricidade. As reações de deslocamento ou de simples troca ocorrem quando uma substância simples reage com uma substância composta, onde, por meio desta última, ocorre um deslocamento nas posições dos átomos, promovendo o aparecimento de uma nova substância simples. Fe + CuSO4
FeSO4 + Cu
As reações de dupla troca ou de dupla substituição ocorrem quando dois compostos químicos permutam entre si dois elementos ou radicais, originando novas espécies. NaCl
+
AgNO3
AgCl
+
NaNO3
Um aspecto importante a considerar é que certas reações de síntese, análise e todas de deslocamento são reações de oxi-redução. Enquanto certas reações de síntese, análise e todas as de dupla troca são sem-oxidação.
30
Reações de Complexação e Preciptação Os íons de cargas opostas na solução aquosa estão envolvidos por moléculas de água, que proporcionam o aparecimento do fenômeno de hidratação sobre os mesmos. Há casos nos quais os íons podem combinar com outro. Duas reações importantes podem ser consideradas: precipitação e complexação. Na primeira, o produto formado é pouco solúvel em água, sendo que na segunda o produto é um íon complexo solúvel. Um princípio fundamental para o entendimento desses tipos de reações é de que sempre que íons de um eletrólito insolúvel são introduzidos separadamente em uma solução, de tal maneira que a concentração final do eletrólito exceda sua solubilidade, então parte desse eletrólito precipitará da solução. Observe que o termo insolubilidade, é impreciso, pois toda espécie tem um grau de solubilidade , o que pode-se entender o termo insolúvel como pouco solúvel. A solubilidade do cloreto de prata (Agcl) é baixa em água, o que permite a precipitação do cloreto de sódio (Nacl), pois íons Ag+ se misturam com íons Cl-, temos nesse Ag+ + ClAgcl(s). Por outro lado, ao se adicionar NH3 ao Agcl2, o sal formado se dissolve, produzindo uma solução incolor. AgCl(s) + 2NH3
Ag(NH3)2+ + Cl-
Temos agora a espécie Ag(NH3)2+ denominada de íons complexo, chamado de Diamin – Prata. Onde o íon Ag+ sofre fenômeno de complexação, ao ser complexado por duas moléculas de NH3, sendo essas moléculas chamadas de agentes complexantes. O conceito de íons complexo é impreciso, por ser muito ampla, sobretudo quando se considera as espécies que se dissociam muito pouco em seus componentes, por exemplo: Nitrato (NO3-), Sulfato (SO42-), Fosfato (PO43-). Nos dias atuais, íon complexo significa a formação de um agregado quando um íon metálico (ou átomo, ás vezes) estabelece ligações com vários outros íons ou por moléculas que se associam ao seu entorno. A hidratação de um íon pode ser considerada uma complexação do tipo aquo-complexo. Exemplo: Cr3+ + 6H2O
Cr (H2O)63+
A formação de um complexo pode ser explicada como uma ilustração do comportamento ácido – base de Lewis. Exemplo: Cu2+ + 4NH3 ligantes amônia.
Cu (NH3)4 2+ ; onde o íon cobre é complexado por quatro
Atente-se para o fato de que, como a ligação nos complexos pode ser descrita em termos de informação de ligação covalente coordenada, o número de pares de elétrons aceitos pelos íons central é denominado número de coordenação.
31
Reações com Transferência de Elétrons Uma reação importante associada a diversos fenômenos químicos é a Fundamentos reação por transferência de elétrons, conhecida também como reação de óxido da Química e Bioquímica Básica – redução ou redox. Nessa reação, um ou mais elétrons parecem ser transferidos de um átomo para outro. Na realidade, a idéia de contabilizar elétrons é um tanto arbitrária para o cálculo do número de oxidação. A oxidação se refere a uma reação em que uma espécie química perde elétrons. Por exemplo: Na0
Na+
+
e-
O fato de o átomo de sódio ter perdido um elétron para se tornar Na+ indica que ele sofreu oxidação. Fenômeno semelhante ocorre com os átomos de cloro, citados no exemplo acima. Podemos concluir com isso que o processo de oxidação está associado a uma perda de elétrons. Por outro lado, o termo redução indica um ganho de elétrons. Esse aspecto caracteriza a redução como um fenômeno oposto ao da oxidação. Ex: Fe 3+ + e-
Fe 2+
Em relação ao número de oxidação, quando o fenômeno investigado está caracterizado como uma oxidação (Nox) aumenta, enquanto no fenômeno de redução o nox de pelo menos uma de suas substâncias consideradas diminui. Sn2+
Sn4+ + 2e-
2H2O-2
O2o + 4H+ + 4e-
4OH- + Mn2+ (+2)
MnO2 + 2H2O + 2e(+4)
Enquanto para a redução temos: Fé 3+ + 1e (+3)
Fe 2+ ( +2)
2H + + 2e (+1)
H2 (0)
Um fato característico e importante dos fenômenos de oxidação e redução é que, os fenômenos ocorrem simultaneamente. Ou seja, elétrons doados devem ser recebidos. Na reação de oxirredução (redox), a espécie química que oxida , ou seja, que retira elétrons de outra espécie, é denominada agente oxidante ou simplesmente oxidante; já a espécie química doadora, é chamada agente redutor ou redutor. No exemplo abaixo temos: Fe (0)
32
+
2H+ (+1)
Fe2+ + H2 (+2) (0)
Fe 0 - 2e
Fe+2 (oxidação)
2H+ + 1e
H2 0 (redução)
Observe que enquanto no ferro o Nox varia de 0 à +2 , no hidrogênio ele varia de +1 a 0. Definindo, portanto, a reação de oxi-redução. É importante atentar para o fato de que uma equação balanceada para uma reação do tipo redox deve exibir a oxidação e a redução. O balanceamento de equações redox sem a presença do solvente é um método bastante prático para a estequiometria da mesma. Algumas etapas se fazem necessárias para utilizarmos o método de balanceamento por oxidação. 1Atribuir número de oxidação a todos os átomos 2Observe quais os átomos que parecem perder e quais os que parecem ganhar elétrons e determine quantos elétrons são perdidos e ganhos. 3Se há mais de um átomo perdendo ou ganhando elétrons em uma unidade de fórmula , determine o total de elétrons perdidos ou recebidos por unidade e fórmula. 4- Iguale o ganho de elétrons pelo agente oxidante ao da perda pelo agente redutor, colocando o coeficiente apropriado antes da fórmula de cada um , no lado de cada um , no lado esquerdo da equação. 5- Complete o balanceamento da equação por tentativa. Inicialmente balanceie os átomos que ganham ou perderam elétrons; em segundo lugar, todos os átomos, com exceção de O e H; em terceiro, os átomos O e, por último, os átomos de H. Observe o exemplo. MnO2
+ KClO3 + KOH
KMnO4 + KCl
MnO2 + KClO3 + KOH (+4) (-2) (+1)(+5)(-2) (+1)(-2)(+1)
+ H2O
K2MnO4 + KCl + H2O (+1)(+6)(-2) (+1)(-1) (+1)(-2)
Para o manganês, temos : Mn(manganês) De +4e para +6e (Ä = +2e) Cl (cloro) De +5e para
-1e (Ä = -6e)
Logo, para cada fórmula MnO2, há um átomo de manganês. Cada fórmula, portanto, pede 2 elétrons como também , em cada fórmula de KClO3, há um átomo de cloro. A quantidade de elétrons ganho por fórmula é 6. 3MnO2 + KClO3 + KOH
3K2MnO4 + KCl + H2O
Balanceando os átomos de K, temos: 3MnO2 + KClO3 + 6KOH
3K2MnO4 + KCl + H2O
Em seguida, os átomos de oxigênio (O): 3MnO2 + KClO3 + 6KOH
3K2MnO4 + KCl + 3H2O
Enfim, os átomos de H, que no exemplo citado já estão balanceados.
33
#
[ ]
Fundamentos da Química e Bioquímica Básica
Agora é hora de
TRABALHAR
1.
Cite os tipos fundamentais de reações químicas, quando se considera na análise os reagentes e produtos formados.
2.
Descreva sobre reações de complexação e precipitação e, em quais condições elas ocorrem.
3.
Estabeleça a relação entre o número de oxidação e as reações de oxi-redução.
.
Para Refletir As utilidades do bicarbonato de sódio (NaHCO3) estão relacionadas com as reações de dupla troca. Quando o bicarbonato de sódio reage com um ácido, ocorre a liberação de gás carbônico (efervescência):
HX + NaHCO3
NaX + H2O + CO2 H2CO3 decomposto
34
Você mesmo pode observar a efervescência adicionado bicarbonato de sódio sólido (adquirido em farmácia) a uma porção de vinagre ou suco de limão. A reação com ácidos explica por que NaHCO3 pode ser usado em fermentos, extintores de incêndio e como antiácido estomacal. • Antiácido estomacal: ao ser ingerido, o NaHCO3 reage com o HCl presente no estomago, combatendo a acidez estomacal e a azia. • Fermento para massas: além do NaHCO3, contém também um outro composto de características ácidas. Na reação entre ambos, que ocorre quando dissolvemos o fermento em água ou leite, ocorre liberação de CO2, que faz a massa expandir e ficar fofa. • Extintor de incêndio de espuma química: quando o extintor é virado de cabeça para baixo, o H2SO4 contido num recipiente em seu interior entra em contato com o NaHCO3, produzindo CO2. O CO2 não é combustível e sai misturado com a solução, formando uma espuma, que é usada para apagar o fogo. A espuma contém íons dissolvidos, portanto, conduz a corrente elétrica. Assim, esse tipo de extintor não pode ser usado em equipamento ligado à rede elétrica.
Fórum de Idéias a) A utilização de bicarbonato de sódio como antiácido promove qual ação no organismo? Você concorda que sua ação tem uma natureza básica sobre o ácido clorídrico (HCl)? Justifique sua resposta.
b) Num ambiente que esteja pegando fogo, a utilização de um extintor a base de ácido sulfúrico quando entra em contato com o bicarbonato de cálcio produz qual tipo de composto? Esclareça o processo de formação desse composto.
c) Qual a relação que existe entre o bicarbonato e a fermentação de massas para produção de alimento.
35
Fundamentos da Química e Bioquímica Básica
QUÍMICA ORGÂNICA E BIOLÓGICA: A VIDA E SUAS POSSIBILIDADES QUÍMICAS COMPOSTOS ORGÂNICOS
O Átomo de Carbono e a Química Orgânica Os químicos antigos tinham a noção de que os compostos orgânicos eram aqueles que estavam associados aos organismos vivos, tendo, portanto, sua existência associada aos processos que ocorriam em organismos vivos. Mas Friedrich Wohler, em 1828, sintetizou uréia a partir do cianato de âmonio, o que promoveu uma instabilidade na teoria “vitalista”, teoria na qual os compostos orgânicos teria sua existência associada aos organismos vivos.
Um conceito muito empregado, mas não completamente satisfatório, é de que os compostos orgânicos são formados principalmente por átomos de carbono, hidrogênio, oxigênio, dentre outros átomos. Dentre esses, os átomos de carbono são os principais elementos na formação das estruturas que dão origem aos diversos compostos orgânicos. Outra característica do átomo de carbono é fundamental para a existência de um ramo de estudo da química, ou seja, a química orgânica, é a capacidade do átomo de carbono formar ligações fortes com outros átomos de carbono. Os compostos de carbono são o centro da vida nesse planeta. Compostos como os ácidos desoxirribonucléicos (DNAs), que são as moléculas que contém nossa informação genética, as proteínas que catalisam as reações em nosso organismo, constituindo os compostos essências como líquidos, músculos e tecidos têm como ponto fundamental no seu entendimento as possibilidades químicas e, portanto, fundamentais do átomo de carbono. August Kekulé, Archibald Scott Couper e Alexander M. Butlerov, no período compreendido entre 1858 e 1861, desenvolveram a base de uma das teorias fundamentais na química, chamada de teoria estrutural. Duas considerações importantes fundamentam essa teoria:
36
a) A habilidade dos elementos nos compostos orgânicos formarem um número de ligações fixas, habilidade essa conhecida por valência. Para o carbono, diz-se que ele é tetravalente, isto é, tem a capacidade de formar quatro ligações; enquanto no oxigênio, por exemplo, essa habilidade se limita a duas ligações.
c
o
H
CI
b) A utilização de uma ou mais de suas valências para formar ligações com outros átomos de carbono.
c
c
c
Essa teoria possibilitou aos químicos solucionar o problema da isomeria,ou seja, compostos diferentes que tinham a mesma fórmula molecular. Esses compostos então eram chamados de isômeros. Dois exemplos que evidenciam essa problemática são o álcool etílico e o éter dimetílico, cujas fórmulas moleculares estão representadas abaixo. Ex:
H3COH
e
H3C-O-CH3
Os trabalhos independentes de J. H. Van¢t Hoff e J. A Lê Bel, em 1874, expandiram as fórmulas estruturais originadas por Kekulé e outros. Isso gerou a interpetação de que as quatro ligações do átomo de carbono no metano estavam orientadas de tal maneira que elas estavam dirigidas em direção aos ângulos de um tetraedro regular. Esse entendimento do arranjo espacial com a conectividade dos átomos é fundamental para a compreensão da química orgânica.
Os Hidrocarbonetos Compostos cujas moléculas contêm apenas carbono e hidrogênio são denominadas de hidrocarbonetos. Essas moléculas podem pertencer a subgrupos nesse conjunto maior chamado de hidrocarbonetos. Alguns grupos possíveis de classificar essas moléculas são: a) Alcanos - os membros desse subgrupo só possui ligações simples entre os átomos de carbono. Nesse sentido não há ligações múltiplas carbono-carbono. Ex: CH4 b) Alcenos - nesse subgrupo as moléculas possuem uma ligação dupla carbono-carbono. Observe que é apenas uma ligação dupla. Ex: H2C=CH2 c) Alcinos - aqui as moléculas apresentam uma ligação tripla carbono-carbono. Ex: HC CH 37
Em geral, os compostos como os alcanos, onde a ligação carbonocarbono é do tipo ligação simples, são denominados de compostos saturados, devido ao fato de, os átomos de carbono possuir o número máximo de átomos Fundamentos de hidrogênios a eles associados. Já os compostos, onde se tem a presença da Química e de ligações duplas ou triplas os compostos insaturados, isto se deve à presença Bioquímica Básica em menor número de átomos de hidrogênio em relação ao máximo possível. Ex:
Os hidrocarbonetos aromáticos têm como estrutura fundamental, formadora de todos os outros compostos aromáticos, o benzeno (C6H6), que pode ser representado como um anel de seis membros (átomos de carbono) com ligações duplas e simples alternadas; essa estrutura foi denominada de estrutura de Kekulé, pois ele desenvolveu essa representação. Mesmo assim existem evidências que essa representação é inadequada. Por exemplo, o fato de o benzeno, que se supõe ter ligações duplas e simples alternadas, esperava-se que haveria ligações mais curtas e mais longas. No entanto, as ligações no benzeno são de mesmo tamanho (1,39 Ao), que é um valor médio entre uma ligação simples e dupla. Para resolver esse problema de interpretação, temos a contribuição da teoria da ressonância e a teoria do orbital molecular, que não iremos aprofundar nesse curso. A teoria estrutural permiti-nos classificar uma enorme quantidade de compostos orgânicos, partindo de um número pequeno de família, onde a presença de certos arranjos de átomos, chamados grupos funcionais, permitem sua classificação. No Alcino, por exemplo, seu grupo funcional é a ligação tripla carbono-carbono. Observe que as ligações C-C e C-H são, em geral, menos reativas que as presentes nos grupos funcionais. Alguns grupos, como por exemplo grupos alquilas e fenilas, são identificados por razões de nomenclatura de compostos. Esses grupos são obtidos pela remoção de um átomo de hidrogênio.
[
#
]
Agora é hora de
TRABALHAR
a) Descreva as propriedades do átomo de carbono que o torna tão importante no estudo da química orgânica.
38
b) Qual a importância do estudo J. H. Van¢t Hoff e J. A Lê Bel na interpretação das fórmulas estruturais originadas por Kekulé e outros? Comente.
c) Faça um breve comentário sobre a teoria estrutural.
Funções Oxigenadas A presença de átomos de oxigênio na estrutura de determinados compostos caracteriza o que podemos denominar de funções oxigenadas. Por exemplo, os álcoois podem ser reconhecidos de duas maneiras: (1) como derivados hidroxi dos alcanos e (2) como derivados alquilados da água. O grupo funcional característico para esta família é a hidroxila(OH) associada a um átomo de carbono com hibridação sp3. Ex: CH3-OH ( metanol) Os álcoois podem ser classificados em (1) primário, (2) secundário e (3) terciário, sendo que esta classificação está baseada no grau de susbstituição do carbono ao qual o grupo hidroxila está diretamente ligado. Se há presença de apenas um outro átomo de carbono ao que está ligado à hidroxila então se diz que esse álcool é primário, e assim sucessivamente. OH
OH
OH
Ex: R-CH2 (primário), R-C-R’ (secundário), R-C-R (terciário) H
R
Os éteres possuem fórmula geral R-O-R ou R-O-R’, sendo que R pode ser qualquer grupo alquila (ou fenila) diferente de R. Podem ser também compreendidos como derivados da água, onde ambos os átomos de hidrogênio foram substituídos por grupos alquila. Ex: CH3-O-CH3 Os aldeídos e cetonas possuem o grupo carbonila (C=O), onde o oxigênio se liga ao carbono por meio de uma ligação dupla. Enquanto nos aldeídos a carbonila está ligado a pelo menos um átomo de hidrogênio. Nas cetonas ele está ligado a dois átomos de carbono. Ex: RCOH (aldeído), R-CO-R (cetonas)
39
Ácidos carboxílicos têm fórmula geral R –COOH. Onde o grupo –COOH é o grupo carboxila (carbonila +hidroxila). As amidas, por outro lado, possuem fórmulas RCONH2, Fundamentos RCONHR‘ou RCONR‘R”. Por fim, temos os ésteres cuja fórmula geral é tido da Química e por RCO2R ou RCOOR‘, onde “R”são grupos hidrocarbônicos. Bioquímica Básica
#
[
]
Agora é hora de
TRABALHAR
a) Defina de que forma as funções oxigenadas são caracterizadas e quais os grupamentos mais característicos dos seus compostos.
b) Determine as diferenças que existem entre os ácidos carboxílicos, aldeídos e cetonas.
c) Faça um comentário sobre a presença de compostos oxigenados no meio ambiente.
Para Refletir Antibiótico Anticâncer A doxorrubicina (também conhecida como andriamicina) é uma droga anticâncer muito potente, que contém grupos funcionais do fenol. Ela é eficaz contra varias formas do câncer, incluindo tumores dos ovários, mama, bexiga e pulmão, assim como doença de Hodgkin e
40
outras leucemias agudas. A doxorrubicina é um membro da família dos antibióticos antraciclina. Um outro membro da família é a daunomicina. Ambos os antibióticos são produzidos nas deformações de bactéria Streptomyces, pela via chamada biossíntese do policetídio. Experimentos com marcações isotópicas têm mostrado que a daunomicina é sintetizada na Strptomyces galilaeus, a partir de um precursor tetracíclico chamado aclavinona. Fonte:Solomos,G. e Fryhle C. Química Orgânica, v. 2, p.263.
Fórum de Idéias a) Pesquise e responda. A doxorrubicina, por ser um fenol, pode ser classificada como uma função oxigenada?
b) Sobre antibióticos, podemos afirmar que o seu uso indiscriminado tem implicações químicas sobre o organismo. Qual é sua opinião?
Funções Nitrogenadas Considerando que álcoois e éteres são derivados orgânicos da água; as aminas, por sua vez, podem ser consideradas como originárias da amônia. Ex: R-NH-R’ As aminas tem sua classificação baseada no numero de grupos orgânicos que estão ligados ao átomo de nitrogênio, observe a diferença que existe entre a classificação quando nos referimos a álcoois e haletos. Aqui, não é o tipo de carbono (primário, secundário, terciário) ao qual o grupamento está ligado que define a classificação. Já as nitrilas com fórmula R-CºN tem seu carbono hibridizado gerando orbitais sp. Os nomes desses compostos, as nitrilas cíclicas, soam nomeadas ao adicionarmos sufixo “nitrila”, enquanto a carbonitrila são nomeadas por meio do sufixo carbonitrila ao nome do grupo de anel ao qual o grupo –CN está associado. Ex: R-C N
41
Fundamentos da Química e Bioquímica Básica
1.
[
#
]
Agora é hora de
TRABALHAR
Monte a estrutura eletrônica da amônia, substância que pode estar associada ao aparecimento das aminas.
2.
Descreva as características gerais dos compostos nitrogenados e, em especial, as das aminas e amidas.
3.
Qual a diferença fundamental em termos de classificação das aminas em relação a compostos oxigenados como os álcoois.
Para Refletir Nitrito: Herói ou vilão Há tempos ouvimos falar de aditivos intencionais para alimentos, os quais são definidos pelo Decreto Lei nº 986/69 (Brasil, 1969), como “toda substância ou mistura de substância, dotadas ou não de valor nutritivo, adicionada ao alimento com a finalidade de impedir a alteração, manter, conferir ou intensificar seu aroma, cor e sabor, modificar ou manter seu
42
estado físico geral ou exercer qualquer ação exigida para uma boa tecnologia de fabricação do alimento”. A legislação permite a utilização de uma série desses aditivos, entre eles os conservantes denominados Nitrito e Nitrato (fonte natural de nitrito). Esses dois conservantes vêm sendo utilizados na preparação de produtos de origem animal, mas estudos mostram que a utilização demanda uma crítica mais rigorosa , pois a interação do Nitrito com as Aminas e Amidas presentes no alimento, transformam-no em compostos N-nitrosos, mais conhecidos com Nitrosaminas, as quais tem efeitos hepatotóxicos e carcinogênico (PARDI et al, 2001). Daí a pergunta: “Nitrito: Herói ou vilão?”. Nitrito, o Herói: O Nitrito apresenta função importante na indústria cárnea, pois tem a capacidade de fixação da cor, aroma e sabor nos alimentos curados e restringe o crescimento de microoganismo, com evidente efeito sobre o Clostridium botulinum e Staphylococcus aureus, produtoras de toxinas altamente danosas ao organismo humano. Conforme o relato de BINKO (1980), o Comitê de Especialistas em Nitrito e Nitrosaminas concluiu que: “como agente antibotulismo, o nitrito tem sido o ingrediente disponível mais aceitável, sendo responsável pela excelente segurança observada nos produtos de carne comercialmente fabricados”. Ainda, o Comitê afirma que sem Nitrito, o perigo de intoxicação botulínica tornaria impossível a preparação de produtos cárneos curados. Nitrito, o Vilão: Como foi dito anteriormente, as nitrosaminas são compostos formados pela reação de niritito com aminas e amidas. A ingestão de doses elevadas desses compostos tem ação carcinogênica, algumas delas consideradas teratogênicas, causando tumor em fetos. Após a ingestão do alimento, o nitrito pode passar para a corrente sangüínea e converter hemoglobina a metamioglobina, prejudicando assim o transporte de oxigênio, também podendo interferir no metabolismo da vitamina A e nas funções da glândula tireóide. Portanto, a ingestão de nitrito em altas concentrações no alimento ou em baixas concentrações e alta freqüência na exposição humana pode tornar-se um fator de intoxicação. Então, cabe a nós, profissionais da área de alimentos, cuidar para que o nitrito seja sempre “herói”, sendo sempre utilizado dentro das quantidades permitidas, descritas na Portaria nº 1004/98, da Secretária de Vigilância Sanitária. Fonte: Resumo do artigo escrito por Thais Nadruz D’ Almeida na Revista Higiene Alimentar, v.18 (116/117). Fev 2004.
Fórum de Idéias a) Faça um comentário sobre o nitrito e a saúde humana.
43
b) Relacione a presença das aminas e amidas no organismo.
Fundamentos da Química e Bioquímica Básica
c) Dê sua opinião sobre a utilização de aditivos em alimentos.
Isomeria O fenômeno de isomeria é correntemente encontrado em compostos orgânicos.Uma dessas formas de isomeria, que é extramamente importante, é a isomeria constitucional, em que os isômeros diferem porque seus átomos estão conectados de uma forma diferente, o que se diz ter uma conectividade diferente. Alguns exemplos de isômeros constitucionais são apresentados abaixo.
Os estereoisômeros, que não são isômeros constitucionais, têm seus átomos constituintes conectados na mesma seqüência. No caso específico dos estereoisômeros, o rearranjo de seus átomos no espaço são diferentes. Observe que outras formas de isomeria são possíveis, mas a estereoisomeria tem uma relevância importante em compostos orgânicos associados à biologia. Os estereoisômeros podem ser subdivididos em duas categorias gerais: diastereômeros e enantiômeros. Enquanto os enantiômeros são esteroisômeros cujas moléculas são imagens especulares uma da outra , sendo que essas imagens não são superpostas, diastereoisômeros são estereoisômeros cujas moléculas não são imagens especulares umas das outras. No exemplo apresentado acima das moléculas de cis-1,2 dicloroeteno e trans-1,2 dicloroeteno não são imagens especulares uma da outra. Atente-se para o fato de que se colocarmos um modelo cis-1,2 dicloroetano diante do espelho, a imagem que se vê não é o trans-1,2-dicloroetano, mas cis-1,2-dicloroetano e trans-1,2-dicloroetano são estereoisômeros e, por não haver relação como um objeto e sua imagem especular, são diastereômeros. Observe outro exemplo explicativo do fenômeno de isomeria: entre os compostos cis1,2-Dimetilciclopentano e o trans –1,2-Dimetilciclopentano, que são isômeros, pois possuem mesma fórmula molecular (C7H14), mas são compostos diferentes. Não são isômeros
44
constitucionais porque seus átomos estão ligados na mesma seqüência. São estereoisômeros, por diferirem apenas no arranjo de seus átomos no espaço. Não são enantiômeros porque suas moléculas não são imagens especulares uma da outra. Sendo, portanto, diastereômeros. É bastante esclarecedor que a isômeria cis-trans não são o único tipo de diastereoisômeros que encontramos.O quadro abaixo é bastante esclarecedor sobre essas isomerias. O conceito de quiralidade é bastante revelador sobre a existência de enantiômeros. Uma molécula é quiral quando não é idêntica a sua imagem especular.Logo, a molécula quiral e sua imagem especular são enantiômeros. Um exemplo comum que pode esclarecer a idéia de quiralidade é o seguinte: objetos como uma “meia”, que se superpõem e a suas imagens são aquirais, enquanto as “luvas” são quirais.
Quiralidade molecular
[
#
]
Agora é hora de
TRABALHAR
1.
Defina com suas palavras o que é isomeria e dê um exemplo explicativo.
45
2.
Fale sobre o fenômeno da quiralidade e suas implicações na química orgânica.
Fundamentos da Química e Bioquímica Básica
3.
Pesquise e responda. Explique a quais fenômenos moleculares estão associados as denominações “R” e “S” utilizadas no sistema R. S.Cahn, C. K. Ingold.
A IMPORTÂNCIA DA QUALIDADE PARA A BIOLOGIA
As moléculas quirais podem apresentar lateralidades diferentes, podendo influenciar o organismo dos seres humanos.Uma forma enantiomérica de um composto do limoneno, que é o principal responsável pelo odor das laranjas, e outro enantiômero pelo odor dos limões. Um outro enantiômero de um composto chamado carvona é a essência do cominho, enquanto o outro é a essência da hortelã. Antes de 1963, o medicamento talidomida foi utilizado para reduzir os efeitos da náusea matinal em mulheres gestantes. Sendo que pesquisas paralelas que estudavam esse medicamento o relacionou como a causa de sérios problemas congênitos em muitas crianças quando da utilização desse medicamento.
Fonte: Química Orgânica.vol1. Gharam S. e Craig Fryhle
46
Fórum de Idéias a) Na sua opinião, qual a importância do estudo da isomeria molecular para a aplicação desse conhecimento no estudo de novos medicamentos?
b) Comente a influência da quiralidade de uma molécula e suas possíveis formas enantioméricas.
c) A presença de uma substância como a talidomida teve por parte do governo brasileiro uma forte campanha educativa a fim de esclarecer os riscos provenientes do seu uso pela população. Comente sobre a relação entre o conhecimento sobre isomeria molecular e cidadania, como se evidenciou nesse caso.
A QUÍMICA EM RELAÇÃO AOS PROCESSOS DA VIDA Carboidratos e Lipídios Caro aluno, estamos, a partir de agora, adentrando no vasto mundo da bioquímica. Portanto, tudo que até agora estudamos se torna relevante para termos total entendimento do assunto. Por isso, não tema as dúvidas e vença as dificuldades. Iremos nesse tema abordar moléculas tão especiais que termos como dieta, diabetes, glicose e gordura saturada estarão completamente envolvidos nos assuntos abordados. Os carboidratos são conhecidos por esse nome devido às observações feitas, as quais atribuía a compostos a fórmula química Cx(H2O), dando a idéia de que eles pareciam ser hidratos de carbono. Os carboidratos de estrutura mais simples são comumente conhecidos como açúcares ou sacarídeos. Uma definição mais completa, porém os define como aldeídos
47
e cetonas polihidroxilados, observe-se que essa definição não é de todo satisfatória. Os carboidratos mais simples, entenda-se aqueles que não podem ser hidrolisados em carboidratos mais simples, são denominados de monossacarídeos. Os que por hidrólise fornecem duas moléculas de Fundamentos monossacarídeos são chamados de dissacarídeos, enquanto os que fornecem da Química e três, quatro ou mais são sucessivamente chamados de trissacarídeos e Bioquímica Básica polissacarídeos. Essa quantificação do número de moléculas, que podem ser fornecida na hidrólise dos carboidratos, leva-nos a considerar de forma geral que as moléculas que fornecem entre 2 a 10 moléculas de monossacarídeos são denominadas de oligossacarídeos. Em observação a esse aspecto, as que por hidrólise produzem um grande número de monossacarídeos são denominadas de polissacarídeos.
Em grande parte, o nome da maioria dos acúcares termina em “ose”. Daí nomes tão característicos como: glicose, maltose e sacarose, que são acúcares tão conhecidos por nós devido ao seu uso costumeiro. Nos vegetais, a presença de carboidratos é abundante, servindo como fonte de energia química para os organismos vivos. Os monossacarídeos têm sua classificação estabelecida de acordo com a quantidade de átomos de carbono na estrutura de sua molécula e se é possuidor de um grupo aldeído ou cetona. Assim, quando contêm três átomos de carbono é denominado triose; os com quatro átomos, tetrose; os com cinco, pentose e assim sucessivamente. Já os monossacarídeos, que possuem em sua estrutura o grupo funcional aldeído, é denominado de aldose e os com grupo cetona são ditos cetoses.Observe os exemplos que seguem: Sobre sua nomenclatura devemos homenagem a um grande químico chamado Emil Fischer, que ao conseguir a configuração estereoquímica do aldohexose D-(+)-glicose, um monossacarídeo abundante, utilizou a estrutura da D-(+) glicose com a fórmula em cruz. Essa maneira de formulação é denominada de projeção de Fischer e tem enorme utilidade na aplicação aos carboidratos. Uma consideração fundamental dessa formulação é de que: a) As linhas horizontais se projetam na direção do observador b) As linhas verticais se projetam para trás do plano desta página No uso dessa projeção, não devemos deslocá-las do plano para avaliarmos sua capacidade de sobreposição.
48
CETOSES (CETOHEXOSE)
ALDOSES (ALDOHEXOSE)
HC I HC I HC I HC I HC I H 2C
=O
H2 C = OH I C - OH I H C - OH I H C - OH I H C - OH I H2C - OH
- OH - OH - OH - OH - OH
As denominações D-(+)- ou D-(-) e L-(+) ou L-(-),ou seja, D-L são denominações estereoquímicas presentes nos estudos relacionados à química dos carboidratos.Porém, essas denominações contêm a desvantagem de especificar a configuração apenas de um estereocentro, o de número de ordem mais elevado. Os lipídios, por sua vez, são compostos que dissolvem em solventes polares. O termo lipídio por ter origem grega, é comumente compreendido por gorduras. Sua classificação está associada pela maneira por meio da qual ele se originou, entenda-se aqui, o processo utilizado na sua produção.
O CH
2
O
C
R
O CH
2
O
C
R
O CH
2
O
C
R Uma gordura ou um óleo (triacilglicerol)
Uma característica bastante interessante é a de que apenas uma pequena parcela de lipídios totais obtidos com um solvente apolar é formada por ácidos carboxílicos. Sendo que o maior número de glicerídeos cuja origem é biológica está na forma de triacilgliceróis (ésteres de glicerol). Os óleos das plantas e as gorduras animais são exemplos comuns de triacilgliceróis. Sendo que os triacilgliceróis, que são líquidos, em temperatura ambiente são de forma geral
49
denominados de óleos, enquanto os sólidos são denominados de gorduras. Os triacilgliceróis podem ser classificados como: triacilgliceróis simples, nos quais todos os grupos alcilas são os mesmos; ou os triacilgliceróis mistos onde os grupos alcila são diferentes Fundamentos Uma reação importante relativa às gorduras ou óleos, é a reação de hidrólise, da Química e na qual é produzido moléculas de ácidos graxos. Bioquímica Básica É importante notar que a função primordial dos triacilgliceróis nos animais é a de reserva de energia, pois, quando convertidos em dióxido de carbono e água por reações bioquímicas, eles possibilitam o fornecimento de mais que o dobro de energia quando comparados com os carboidratos e as proteínas.
[
#
]
Agora é hora de
TRABALHAR
1.
Estabeleça, com suas palavras, uma definição para glicídios e lipídios.
2.
Faça uma descrição das características fundamentais dos carboidratos mais simples, também conhecidos pelo nome de sacarídeos.
3.
50
Exponha as diferenças entre os conceitos de óleos e gorduras.
Para Refletir Os segredos da planta pata-de-vaca. A planta conhecida como pata-de-vaca (Bauhinia forficata) tem sido usada, de fato, para controle de diabetes e como diurético na forma de chá. Porém, ainda estão sendo feitos estudos para verificar sua eficiência, modo de uso e dosagem correta. É bom lembrar que ela só é indicada para casos de diabetes do tipo II, em pacientes não dependentes de insulina. Importante: o uso de plantas medicinais deve ser feito com acompanhamento médico, pois a utilização da planta errada, a forma ou doses inadequadas pode causar danos ao organismo. E, no caso do diabético, com controle freqüente de glicemia. A pata de vaca é uma árvore com 5 a 9 metros de altura, de ramos longos, meio pendentes e espinhos curvos ao lado das folhas, cujas pontas têm a forma da pegada de uma pata de vaca – daí seu nome popular. Ela também é conhecida como unha-de-vaca, mororó e unha-de-boi-de-espinho. Atenção: não se deve confundir esta espécie com outra largamente utilizada na arborização de ruas. Fonte: Lucia Rossi, pesquisadora do Instituto de Botânica de São Paulo.
Fórum de Idéias a) Qual o carboidrato presente no organismo cujo combate ao seu excesso é feito através da utilização de uma planta conhecida pelo nome de pata-de-vaca?
b) A utilização de plantas medicinais é de uso comum na vida cotidiana das populações de baixa renda. Sendo assim, o uso indiscriminado de plantas medicinais se torna um caso de saúde pública. Dentro dessa perspectiva, o uso de plantas medicinais sem fiscalização é um fator preocupante. Faça um comentário, levando em consideração os preços dos medicamentos.
51
c) Pesquise e responda: Qual a estrutura química da molécula de glicose e qual a sua relação com o diabetes? Fundamentos da Química e Bioquímica Básica
Aminoácidos e Proteínas Os aminoácidos podem ser sintetizados por todos os orgânismos vivos. Porém, há uma incapacidade em sintetizar todos os aminoácidos de que necessitam para suas proteínas.Sendo, portanto, necessário estabelecer uma dieta que os forneça. No homem adulto, são em número de oito esses amonoácidos. Os aminoácidos contêm um grupamento básico(-NH2) e um grupo ácido(-COOH), sendo que quando no estado sólido existem como íons dipolares. Quando em soluções aquosas, há um equilíbrio entre o íon dipolar e as formas aniônicas e catiônicas. Uma observação importante a considerar é a de que esses íons dipolares recebem também o nome de Zwitterioins. Quando em solução, a forma que predomina no aminoácido é dependente do ph da solução. Temos, portanto, que em soluções ácidas fortes os aminoácidos estarão presentes principalmente como cátions, enquanto em soluções fortemente básicas eles estarão presentes como ânions. Fator importante é a característica doa aminoácidos de que num certo ph eles estarão como ânios, esse ph é denominado de ponto isoelétrico. Aqui, a concentração do íon dipolar será máxima, enquanto as concentrações dos ânions e cátions serão iguais. Enzimas podem promover a polimerização dos aminoácidos com eliminação de água. A ligação –CO-NH-, característica de uma amida, que se forma entre os aminoácidos é denominada de ligação peptídica. Ta processo gera os aminoácidos conhecidos por resíduos de aminoácidos. Esses resíduos são denominados de dipeptídios, tripeptídios, oligopeptídios e polipeptídios.
Exemplo da formação de dipeptídio
52
Proteinas
Uma definição mais abrangente de proteínas é a de que são poliamidas nas quais as unidades monoméricas estão associadas a 20 aminoácidos diferentes. A seqüência exata dos a-aminoácidos ao longo da cadeia é denominada de estrutura primária, sendo de importância fundamental. Quando esta cadeia primária se encontra corretamente distribuída a mesma se dobra sobre si, determinando com isso a forma necessária para executar funções específicas. A esse fenômeno de dobramento está associada a estrutura secundária e terciária da cadeia próteica.Uma outra estrutura, a quartenária, surge quando a proteína contém um agregado de várias cadeias de poliamida. É importante perceber que quase todas as enzimas são proteínas. Inclusive, as enzimas são capazes de promover um aumento na velocidade das reações químicas, caracterizando as reações catalisadas.Portanto, as enzimas agem como catalisadores biológicos. O mecanismo envolvido é uma combinação química com o substrato formando um complexo enzima-substrato, que induz uma alteração na conformação da enzima, o que a permite se ligar ao substrato; isso é denominado de ajustamento induzido. Essa interação enzimasubstrato é fraca, devido a tensões em algumas ligações, o que resulta na intervenção de outra molécula, causando dissociação do complexo.
proteínas e suas estruturas
A expressão sitio ativo se refere a região da enzima onde o substrato se liga. As forças envolvidas nessa interaçao são do tipo:forças de van der walls, forças eletrostáticas, ligações de hidrogênio e interações hidrofóbicas. Os aminoácidos presentes nos sítios ativos estão organizados a interagir com especificidade em relação ao substrato.
Enzima agindo com substrato
53
Fundamentos da Química e Bioquímica Básica
1.
[
#
]
Agora é hora de
TRABALHAR
Fale sobre aminoácidos e proteínas, estabelecendo uma relação entre eles.
2.
O que são ligações peptídicas e qual a sua importância na estrutura das proteínas?
3.
Expresse o seu entendimento sobre os termos: sítio ativo, interações hidrofóbicas e enzimas.
Para Refletir A doença genética denominada anemia falciforme resulta do erro de um único aminoácido na cadeia b de hemoglobina. Na hemoglobina normal, a posição 6 tem um resíduo de ácido glutâmico, enquanto na hemoglobina com célula falciforme a posição 6 é ocupada pela valina. As células vermelhas do sangue (eritrócitos) que contêm hemoglobina com este erro de resíduo de aminoácido tendem a adquirir forma crescente (de foice) quando a pressão parcial do oxigênio é baixa, como no sangue venoso. Torna-se mais difícil para o coração bombear estas células distorcidas através de vasos capilares pequenos. Quando se aglomeram, as células podem causar o entupimento dos vasos; em outros casos podem até se dividir. Crianças
54
que herdam esta característica genética de ambos os pais são afetadas pela forma mais severa da doença e normalmente não atingem os dois anos de idade. As que herdam esta doença de apenas um dos pais geralmente são afetadas por uma forma muito mais branda. A anemia falciforme surgiu entre as populações da África Central e Ocidental onde, ironicamente, poderia ter um efeito benéfico. Pessoas acometidas pela forma branda da doença são muito menos suscetíveis à malária do que aquelas com hemoglobina normal. A malária, doença causada por um organismo infeccioso, prevalece principalmente nas regiões Central e Ocidental da África. Mutações como as que levam à anemia falciforme são muito comuns. Aproximadamente 150 tipos de diferentes de hemoglobina modificada foram detectados no homem; felizmente, a maioria é inofensiva. Fonte: Solomos,G. e Fryhle C. Química Orgânica, v. 2, p.414.
Fórum de Idéias a) Qual a relação que pode ser estabelecida entre a anemia falciforme e a malária?
b) Na molécula de hemoglobina existe um metal associado que funcionaliza o poder de absorção do oxigênio. Comente a respeito dessa afirmação.
c) Estabeleça uma relação entre a forma de foice da hemoglobina e as posições ocupadas entre o ácido glutâmico e a valina.
Ácidos Nucléicos O termo ácidos nucléicos está diretamente associado com a estrutura genética presente em cada tecido de cada indivíduo, o DNA. O emprego de técnicas químicas simples, que envolvem corantes fluorescentes, isótopos radioativos, etc, tornou fácil a identificação e cópia de estruturas a partir de uma amostra de DNA. Os ácidos nucléicos, conhecidos como ácido desoxirribonucléico (DNA) e ácido ribonucléico (RNA), são as moléculas responsáveis pela informação genética, entre outra funções primordiais que executam numa célula.
55
A degradação branda dos ácidos nucléicos produz unidades monoméricas denominadas de nucleotídeos. A hidrólise completa desses compostos nos fornece uma base heterocíclica que pode ser uma purina ou pirimidina, um monossacarídeo com cinco carbonos, ribose ou desoxiribose, o que tecnicamente Fundamentos seria melhor indicada por D-ribose e a 2-desoxi-D-ribose e um íon fosfato. da Química e Bioquímica Básica O centro de um composto nucleotídico é um monossacarídeo que contém um anel de cinco membros, conhecido também por furanosídeo. A remoção de um grupo fosfato de um nucleotídeo irá transformá-lo em nucleosídeo, sendo que todos os nucleosídeos obtidos do DNA contêm a 2-desoxi-D-ribose como açúcar, acompanhado por uma das quatro bases: adenina, guanina, citosina ou timina. Estrutura geral de um nucleotídeo Já quando nos referimos ao RNA, o açúcar é a D-ribose acompanhado pelas bases: adenina, guanina, citosina e uracila. Observe que uma diferença primordial entre as duas estruturas é a possibilidade da presença da base timina no DNA, enquanto no RNA há a base uracila. A nomenclatura dos nucleotídeos é estabelecida por diversos modos. Um exemplo a considerar é o do ácido adenílico que pode ser chamado de 5 fosfato de adenosina,localizando a posição do grupo fosfato ou por monofosfato de adenosina. Uma importante observação a ser feita sobre nucleosídeos e nucleotídeos é a de que eles são encontrados em outras estruturas que não o DNA E RNA. Os nucleotídeos possui uma relação com os aminoácidos. A arrumação dos nucleotídeos formando uma estrutura encadeada, ou seja, uma seqüência das bases ao longo da cadeia, se constitui-se o que se chama de cadeia primária. Estrutura do DNA Uma segunda estrutura, proposta por Watson e Crick, estabeleceu o que se denominou de estrutura secundária, propondo um modelo em dupla hélice, onde duas cadeias de ácido nucléico são mantidas juntas por ligações de hidrogênio entre pares de bases de fitas opostas. Os pares de bases ficam na parte interna da hélice e o esqueleto açúcar-fosfato se Guanina, adenina, citosina e timina localiza na parte externa.
56
DNA
A presença de um emparelhamento específico das bases que constitui as duas cadeias de DNA indicam que as mesmas são complementares. Ou seja, há uma relação de que quando uma base como a timina aparecer numa cadeia, a guanina aparecerá na outra. O fenômeno de replicação do DNA, que ocorre pouco antes da divisão celular, pode ser compreendido utilizando um modelo no qual cada cadeia age como uma forma a partir da qual há formação de uma outra cadeia complementar a essa utilizada como modelo. Não se esqueça que a relação entre as bases é de complementaridade. Quando do término do processo de desenrolamento e da duplicação, forma-se duas moléculas de DNA idênticas e originais, onde inicialmente se encontrava apenas uma. Esse processo é bem realizado quando da não presença do fenômeno de “mutaçao”, que é causador de irregularidades na estrutura do DNA.
Em relação ao RNA uma função importante que ele desempenha na estrutura celular é a de síntese de proteína, que pode ser simplificada no esquema abaixo. DNA
RNA
PROTEÍNA
Atente, caro aluno, essas duas estruturas, DNA e RNA, que são os fundamentos da atividade celular quanto aos seus processos vitais. Sendo que o DNA é freqüentemente encontrado no núcleo celular, enquanto o RNA ao qual está ligado também ao processo de transcrição é geralmente encontrado no citoplasma.
[
#
]
Agora é hora de
TRABALHAR
1.
Em termos químicos, por que uma proteína (ex. DNA) se desnatura em presença de temperaturas elevadas?
57
2.
Estabeleça uma relação entre a estrutura dos ácidos nucléicos e as moléculas de DNA e RNA. Utilize seu próprio entendimento do tema.
Fundamentos da Química e Bioquímica Básica
3.
Qual o motivo da relação complementar entre as bases purina e pirimidina? Dê sua opinião.
Para Refletir ORIGEM DO CODIGO Imagine um oceano primitivo, cheio de nucleotídeos e seus fostatos, e bastante superfície mineral para atuar como catalisador. De repente, surge um polinucleotídeo. Como já vimos, este poderia servir, tal como na duplicação do DNA, como um padrão para “fabricar” o segundo. Alguns erros, entretanto, poderiam ocorrer na duplicação. Isto corresponde a uma molécula capaz de se reproduzir e sofrer mutações. Alternativamente, pode-se supor que o surgimento de tais moléculas ocorreu diversas vezes, em vários pontos do oceano primitivo. Esta população de polinucleotídeos que se duplicam não pode, ainda, ser considerada viva por nenhuma das definições de vida vistas acima: ela não influencia seu ambiente significativamente. A formação de vários polímeros de aminoácidos, as proteínas, também pode ter ocorrido, espontaneamente, no mar primitivo. Hoje, sabe-se que as proteínas não têm poder reprodutivo, e os polinucleotídeos não têm atividade catalítica. É a parceria entre estas duas moléculas que faz a vida contemporânea possível. Sendo assim, a vida teve origem no exato instante em que ocorreu alguma associação funcional entre as proteínas e os polinucleotídeos, ou seja, com a origem do primeiro código genético. Os mecanismos auxiliares à reprodução do código, as enzimas, os mensageiros, ribossomos, etc., são o produto de uma longa história evolutiva, e são produzidos de acordo com instruções contidas no código genético. No momento da origem, o código para tais mecanismos estava, obviamente, ausente. Várias linhas de evolução de códigos genéticos distintos podem ter-se iniciado em vários pontos do planeta, porém, na competição, somente um modelo de código sobreviveu: todos os organismos vivos da Terra são descendentes do mesmo código.
58
Fórum de Idéias a) Estabeleça uma relação entre a molécula de DNA e os organismos vivos.
b) Qual a relação que existe entre aminoácidos e proteínas?
c) Relacione nucleotídeos e código genético.
Atividade Orientada Caro(a) aluno(a), Esta atividade obrigatória deverá ser desenvolvida, por você, ao longo do desenvolvimento da disciplina sob assistência e orientação do tutor. A atividade obrigatória tem como objetivo o aprimoramento dos conhecimentos adquiridos nos conteúdos trabalhados a fim de verificar o seu desenvolvimento quanto à sua capacidade de, partindo do conhecimento da química, exercer um papel de cidadão. Dentro desse contexto, essa atividade se torna um instrumento de avaliação da construção desse conhecimento. A atividade proposta consta de 03 etapas. Leia atentamente o que se segue, a fim de compreender como você deverá proceder na realização da mesma.
59
Etapa
1
Fundamentos A partir do conhecimento adquirido a importância das funções químicas e da Química e das substâncias , construa um plano de aula (de acordo com o modelo Bioquímica Básica apresentado na disciplina Didática) versando sobre o seguinte tema: Os compostos químicos na composição dos alimentos industrializados e a consolidação da cidadania. Para isso, faz-se necessária a presença de argumentos relevantes da nossa disciplina, contextualizando-os por meio dos Parâmetros Curriculares Nacionais do Ensino Fundamental e Médio (PCNs). Observe que os PCNs é um dos possíveis caminhos para sua elaboração, sendo importante pela atualidade do tema, mas que ele não seja um redutor do seu pensamento e que não exerça em você uma sedução para um discurso único. Por isso, toda e qualquer idéia que tenha uma fundamentação teórica, será bem vinda. Afinal a multiplicidade de idéias é fator relevante na evolução das abordagens de todo e qualquer tema. Daí a necessidade desse trabalho ser individual.
Etapa
2
Construir um mural explicativo que contenha uma experiência prática da sua comunidade que envolva o uso de plantas, dentre outras coisas (substâncias) que estejam relacionadas com os hábitos da sua comunidade. Faz-se necessário que esse experimento esteja relacionado com algum conteúdo da nossa disciplina. A turma deverá ser dividida em 5 equipes, onde cada uma deverá reconstruir o processo que a comunidade utiliza para gerar os resultados esperados ( produtos, objetos, etc.). Pontos como clareza, organização estética e capacidade de relacionar o processo encontrado na comunidade com o conhecimento químico serão amplamente considerados para fins de avaliação.
Etapa
3
Nessa etapa, você, ao trabalhar em conjunto com um outro colega, irá elaborar um trabalho escrito (mínimo de 02 laudas), segundo as normas da ABNT, que se constitua na análise dos temas abordados pela química, tendo em vista a ausência dos códigos presentes nessa ciência por parte dos cidadãos da sua comunidade. Esse trabalho deve ser enriquecido com entrevistas de pessoas das diversas classes sociais. Observe que as normas da ABNT não podem ser um redutor do seu pensamento. Elas, aqui cabem como norteadoras na construção da formalidade documental, mas, não serão prioritárias na avaliação do trabalho. Com isso não se quer dizer que o desrespeito às normas não serão considerados.
O melhor trabalho será aquele que for mais representativo da sua comunidade. Força, coragem e cidadania.
60
Glossário
ÁCIDOS- substâncias que, segundo arrhenius, são capazes de produzir íons hidrônio(H3O+) quando em solução aquosa. ÁTOMO- partícula fundamental a partir da qual os elementos químicos e moléculas se constituem. AVOGADRO- químico e físico italiano. Na sua famosa Lei, Avogadro explicou a lei dos volumes das combinações de gases de Gay-Lussac, estabeleceu a fórmula da água como H2O, ao invés de HO, distinguiu entre átomos e moléculas (tendo ele mesmo cunhado o termo molécula), distinguiu massas moleculares de massas atômicas e permitiu o cálculo de massas atômicas sem precisar recorrer às regras impostas por John Dalton. Avogadro tornou comum o uso da matemática em química, e pode ser considerado um dos fundadores da Física e da Química. ACTNÓIDES- conjunto dos elementos químicos que seguem o actínio, e que estão localizados posteriormente ao actínio, formando com isso a série dos actinídios. BASES- substâncias que, segundo arrhenius, são capazes de produzir íons hidroxila (OH ) quando em solução aquosa. -
BIOQUÍMICA- ciência que estuda a relação entre os compostos químicos na sua dinâmica com os processos biológicos presentes nos organismos vivos. CAMADA DE VALÊNCIA- diz-se da camada na qual a ligação quimica se estabelece. Comumente está associada com a última camada eletrônica. CONFIGURAÇÃO ELETRÔNICA- distribuição dos elétrons presentes num átomo a partir de suas energias. CARGA NUCLEAR- carga presente no núcleo atômico, em se considerando as espécies sub-atômicas presentes no núcleo do átomo. CADEIA POLIPEPTÍDICA- cadeia química formada pela ligação entre peptídios. DERIVADOS ALQUILADOS- produtos de reação, nos quais há presença de grupamento alquila. ELÉTRONS- partícula ou onda fundamental que está presente na estrutura atômica dos elementos químicos. ENERGIA- a capacidade de realizar trabalho. Aqui o termo trabalho se dá no sentido empregado pela física, ou seja, a força associada a um deslocamento.
61
ESPECULAR- relativo a imagens de objetos e sua sobreposição ENZIMAS- proteínas capazes de promover reações bioquímicas por meio Fundamentos da Química e da interação com o substrato. Bioquímica Básica GÁS NOBRE- elementos do grupo 8A. Se diz que esses elementos por serem pouco reativos quando comparados aos outros, daí terem tido essa denominação. HIDROCARBONETOS- composto químico formado apenas pela presença de dois elementos: o carbono e o hidrogênio. HIDROGÊNIOS IONIZÁVEIS- hidrogênios presentes nos compostos químicos e capazes de sofrerem ionização. INORGÂNICA- se diz das espécies químicas que não estão compreendidas no estudo empreendido pela química orgânica. ÍONS- espécies químicas geradas a partir da perda ou ganho de elétrons por um átomo. INTERMOLECULAR- ligação que se estabelece entre moléculas. ISÓTOPOS- espécies químicas que possuem mesmo número atômico, mas diferente número de massa. ISOTOPIA- fenômeno relativo ao aparecimento de isótopos. ÍON COMPLEXO- um tipo de íon no qual um cátion metálico central está combinado com ânions ou moléculas dispostas ao seu redor. ISOMERIA- propriedade relativa aos compostos orgânicos de mesma fórmula molecular, mas que diferem em outras propriedades. LIGAÇÕES QUÍMICAS- forças de interação entre átomos ou moléculas. LANTANÓIDE- conjunto dos elementos químicos que seguem o actínio, e que estão localizados posteriormente ao lantânio, formando com isso a série dos lantanídios. LIGANTES- espécies químicas capazes de se ligarem que estão presentes no processo de formação dos íons complexos. MOL- quantidade de matéria. MOLÉCULA- unidade constituída por ligações químicas estabelecidas entre átomos e que tem identidade. METAIS- elementos químicos que estão plenamente associados com a sua forte tendência em ceder elétrons.
62
NÚMERO ATÔMICO- diz-se do número de prótons presentes no núcleo atômico. ORBITAIS- região atômica onde é maior a probabilidade da presença do elétron. ORGÂNICA- diz-se do que é relativo aos compostos do átomo de carbono. POLÍMEROS- compostos químicos formados pelo encadeamento de unidades químicas simples (meros). PESO ATÔMICO- a massa relativa de um átomo. POLIMERIZAÇÃO- fenômeno de associação entre moléculas formadoras de uma estrutura maior e mais complexa, a que se denomina polímero. QUÍMICA- ciência que estuda as relações de energia e os processos de formação das espécies (compostos) a partir dos átomos. QUIRAIS- diz-se da conformação espacial das moléculas orgânicas quando se considera os grupos químicos ligados a um carbono central. REAÇÃO QUÍMICA- processo de transferência de átomos onde há uma rearrumação dos átomos levando ao aparecimento de novas espécies. RETÍCULO CRISTALINO- estrutura tridimensional característica dos compostos iônicos. SAIS- compostos da química formado da reação de neutralização entre um ácido e uma base. SOLUÇÃO AQUOSA- solução formada onde o solvente é a água. TRANSGÊNICOS- relativo à tranferência de gens entre diferentes espécies biológicas. TERMODINÂMICA- ciência que estuda a relação dinâmica da energia no sistema estudado, quando esta se apresenta sob forma de calor.
63
Referências
Fundamentos da Química e Bioquímica Básica
Bibliográficas
VIDAL, B., História da Química, Biblioteca Básica de Ciência, Edições 70, Lisboa 1986. WEINER, Jonathan, Os Próximos 100 Anos, colecção Ciência Aberta, Gradiva, Lisboa, 1990 CHAGAS, Aécio Pereira. Como se faz Química: Uma Reflexão sobre a Química e a Atividade do Químico. Ed. UNICAMP, Campinas, 1991. LUNGARZO, C. O que é Ciência. Brasiliense, São Paulo, 1989. RUIZ, J. A. Metodologia Científica. Atlas, São Paulo, 1978. SEVERINO, A. J. Metodologia do Trabalho Científico. 15a ed., Cortez & Autores Associados, São Paulo, 1989. J. E. BRADY & G. F. HUMISTON R.J 2A. ED. QUIMICA GERAL, VOLS. 1 E 2 LTC 1986 ALMEIDA, Paulo Gontijo Veloso de. Química Geral - Práticas Fundamentais (caderno didático). 4.ed. Viçosa: UFV, 1999 ACCAN, Etalii. Química Analítica Quantitativa Elementar. 2.ed., São Paulo: Edgard. Blücher, 2000. BARBOSA, Luiz Cláudio de Almeida. Química Orgânica (Uma Introdução às Ciências Agrárias e Biológicas. 2.ed.Viçosa: UFV, 1998. RUSSEL, John Balir. Química Geral. vol 2, 2.ed. São Paulo: Makron Books VOGEL, Arthur I. Química Analítica Qualitativa. 5.ed. São Paulo: Mestre: Jou, 1981.
1994
SILVA, Edson Braga da e SILVA, Ronaldo Henriques da. Curso de Química. Volumes 1, 2 e 3, Ed.Harbra. SAAD, F. D. Reis, D. G. e Yamamura P. “Explorando o Mundo das Ciências Através de Experimentos Simples”. São Paulo: Universidade de São Paulo, Instituro de Física.
64
BRAATHEM, P. C. “Curso de Química Experimental com Material de Baixo Custo e Fácil Aquisição”. Viçosa: UFV, Departamento de Química. CARES, G. E. “Química e Méio Ambiente”. Viçosa: UFV, Departamento de Química CASTRO, E.N.F.; MÓL, G.S.; SANTOS, W.L.P. Química na sociedade: projeto de ensino de química num contexto social (PEQS). 2.ed. Brasília: Universidade de Brasília, 2000. FELTRE, R. Química. 4.ed. São Paulo: Moderna, 1998. 3 vol. GEPEQ: Grupo de Pesquisa em Educação Química. Interações e transformações: Química – Ensino Médio. São Paulo: Universidade de São Paulo. v.1, 6.ed., 2000; v.2, 2.ed.,1998; v.3,1998. MALDANER, O.A. Química I: construção de conceitos fundamentais. Ijuí-RS: UNIJUÍ, 1992. MALDANER, O.A.; ZAMBIAZI, R. Química II: consolidação de conceitos fundamentais. Ijuí-RS: UNIJUÍ, 1997. MORTIMER, E.F. Introdução ao estudo da Química: vol.1. 5.ed. Belo Horizonte: UFMG, 2001. MORTIMER, E.F.; MACHADO, A.H. Introdução ao estudo da Química: vol.2. 2.ed. Belo Horizonte: UFMG, 2001. NOVAIS, V.L.D. Química. São Paulo: Atual, 2000. 3 vol. ROMANELLI, L.I.; JUSTI, R. da S. Aprendendo Química. Ijuí-RS: UNIJUÍ, 1999. LEHNINGER. Curso breve de Bioquimica. omega, c 1976. x, 447 p. (3943).
65
Anotações Fundamentos da Química e Bioquímica Básica
66
Anotações
67
Fundamentos da Química e Bioquímica Básica
FTC - EaD Faculdade de Tecnologia e Ciências - Educação a Distância Democratizando a Educação.
www.ftc.br/ead
68
www.ftc.br/ead
