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AULA INTERDISCIPLINAR DE CIÊNCIAS NATURAIS

A ÁGUA E SUAS CARACTERÍSTICAS

1. Introdução

A água no planeta: a paisagem da Terra com seus rios, mares, oceanos, montanhas se deve à

presença da vida, representada pelos seres vivos. Um dos principais fatores que permitiu o aparecimento e

a manutenção da vida é a existência da água, que se encontra largamente espalhada na natureza.

Basta olhar ao redor para perceber como a água está sempre fluindo de um lugar para outro. Recobre

cerca de75% da superfície terrestre, na forma de água líquida e de gelo; o vapor d'água entra na

composição do ar. o volume de água no planeta corresponde a 1,4 . 1021

litros.

Entretanto, a quantidade de água potável é muito pequena, em torno de 0,3%, nas águas de rios,

lagos e subsolo até 750 metros de profundidade.

2. Estrutura molecular da água

Uma molécula de água (H2O) é formada por um

átomo de oxigênio (O) unido covalentemente a dois átomos

de hidrogênio (H), os quais formam entre si um ângulo de

104,5° (cento e quatro graus e meio). Como a força de

atração dos oito prótons do núcleo do oxigênio é maior que

a do único próton dos núcleos do hidrogênio (o oxigênio é

mais eletronegativo), a molécula de água é polarizada, isto

é, apesar de ter carga elétrica total igual a zero, possui carga

elétrica parcial negativa (δ ) na região do oxigênio e carga

elétrica parcial positiva (δ+

) na região de cada hidrogênio.

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3. Pontes de hidrogênio

Muitas das propriedades da água decorrem do fato de

o átomo de oxigênio de uma molécula atrair um dos átomos

de hidrogênio de uma molécula vizinha, estabelecendo-se

entre elas uma ligação química denominada ponte de

hidrogênio. Uma ponte de hidrogênio forma-se quando um

átomo com carga elétrica parcial negativa de uma molécula

atrai um hidrogênio com carga elétrica parcial positiva de

uma molécula vizinha. São as pontes de hidrogênio que

mantêm a coesão, entre as moléculas de água em estado

líquido ou sólido (gelo).

Na água em estado líquido, a atração entre moléculas

vizinhas cria uma espécie de rede fluida, em contínuo

rearranjo, com pontes de hidrogênio se formando e se

rompendo a todo o momento.

ATENÇÃO

Para que a molécula de água possa se comportar como uma molécula de gás (vapor), ela deve

quebrar essas pontes de hidrogênio que a unem a moléculas vizinhas e isso custa muita energia. Apesar de

ser bem mais fraca que as ligações iônicas (transferência completa de elétrons) e covalentes

(compartilhamento de par de elétrons), essa ligação é mais forte que a maioria das outras ligações entre

moléculas.

As pontes de hidrogênio ocorrem em maior quantidade no estado sólido do que no líquido, conferindo

à água comportamentos interessantes: o gelo tem densidade menor que a água líquida e flutua nela; isto se

deve ao fato que as moléculas de água, no estado sólido se organizam formando hexágonos, numa estrutura

mais aberta que no estado líquido, ocupando, portanto, volume maior. Assim, a relação d = m/v é menor do 1

(densidade da água líquida).

Aquecendo a água acima do seu ponto de fusão, a referida rede cristalina começa a ser destruída

sendo os espaços anteriormente vazios preenchidos por algumas moléculas. Por isso se verifica a contração

do volume. O valor do volume mínimo atingido ocorre quando água alcança a temperatura de 39,2°F.

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Como a densidade do gelo é em torno 0,92 g/cm3, isso faz que o gelo flutue com cerca de 92% do

seu volume submerso. Esse tipo de dilatação anormal da áqua explica por que um lago congela apenas na

superficie.

Durante o resfriamento da água da superfície até 4°C a densidade aumenta, e essa água desce, produzindo

a subida da água mais quente do fundo (convecção). Isso ocorre até que toda a água do lago atinja 4°C, pois a

partir daí, quando a temperatura da água da superfície diminui, seu volume aumenta, diminuindo a densidade.

Em conseqüência, essa água mais fria não desce mais e acaba se solidificando. Esse gelo formado na superfície

isola o restante da água, fazendo com que a temperatura no fundo do lago conserve-se acima de 0°C.

A dilatação anormal da água faz com que apenas a superfície de um lago se solidifique. O gelo

formado isola o restante da água (o gelo é péssimo condutor de calor), fazendo com que a temperatura no

fundo do lago seja superior a 0oC

e, desse modo, preservando a vida animal e vegetal lá existen

LEITURA

AÇÃO DAS MICROONDAS SOBRE AS MOLÉCULAS DE ÁGUA

A molécula de água, H2O, como já vimos, é formada

por um átomo de oxigênio e dois de hidrogênio. Ela é

bipolar, o que significa que o baricentro das cargas

negativas e o das cargas positivas não são confundidos, isto

se deve fato de o átomo de oxigênio ter mais elétrons

negativos que o de hidrogênio.

Quando sujeita a uma radiação, a molécula de água

absorve a energia das ondas eletromagnéticas se estas têm

uma freqüência na faixa das microondas (2450 MHz). Esta

absorção traduz-se numa vibração da molécula de água.

As moléculas de água de um alimento em estado normal estão em desordem: não respeitam

nenhuma ordem de orientação específica. Mas quando sujeitas a um campo elétrico contínuo os pólos

negativos das moléculas de água têm tendência a orientar-se em direção a este último.

Quando sujeitas às microondas, as moléculas de água do

alimento orientam-se em direção do campo elétrico que compõe estas

ondas. Este campo, ao ser alternado, faz com que os pólos orientem-se

sucessivamente num sentido e seguidamente no outro, o que resulta em

várias mudanças de orientação (cerca de 2.450.000.000 vezes num

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segundo) ao mesmo ritmo que a onda que oscila 2.450.000.000 vezes

por segundo.

As frições entre as moléculas de água criadas por este grande número de rotações libertam calor.

Após esta liberação de calor, este se transmite às diferentes camadas do alimento por condução e

aquecendo assim a uma parte do alimento. A quantidade de água não repartida da mesma maneira no

alimento faz com que certas partes do alimento fiquem mais ou menos quentes que outros. Mas quando há

liberação de calor das moléculas de água, têm tendência a passar do estado líquido ao estado gasoso, o

volume de vapor assim produzido não pode necessariamente ser contido no alimento e é por isso que

certos alimentos explodem.

A molécula de água não é a única a vibrar na presença de microondas, há também os açúcares e as

gorduras. Mas o que faz com que a molécula de água seja a única a desempenhar um papel na liberação de

calor é a sua dimensão: é a única que é bipolar e que pode girar graças à sua pequena dimensão.

PENETRAÇÃO DAS ONDAS NO INTERIOR DO ALIMENTO

A penetração das ondas, nos alimentos difere em função deste, da sua concentração e composição.

Quando um alimento é sujeito a uma radiação de microondas, ele tem tendência a rejeitar uma parte da

onda e a armazenar a outra. A parte absorvida é chamada de energia calorífica e é graças a ela que o

alimento aquece. A parte rejeitada é chamada de onda refletida.

Para evitar que certas partes do alimento sejam queimadas ou outras fiquem frias é necessário que a

distribuição das ondas seja a mesma em todas as zonas do alimento. Para este efeito as paredes da cavidade

fazem refletir as ondas e o prato em rotação permite a distribuição homogênea das ondas ao alimento.

4. A água e os seres vivos

A maior parte da massa dos seres vivos é simplesmente água. Essa substância é responsável por

mais de 70% da massa de nosso corpo; as porcentagens de água nos tecidos de nosso organismo variam de

20%, nos ossos, até 85%, no cérebro.

ORIGEM

A água origina-se em maior parte do meio externo (água exógena) e em menor parte dos processos

metabólicos vitais (água endógena).

1a) Água Exógena - É incorporada pela absorção radicular (raiz) nos vegetais terrestres e pela

ingestão, na maioria dos animais.

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2a) Água Endógena - É formada na síntese de proteínas e no processo de respiração celular. Na

síntese de proteínas cada ligação entre dois aminoácidos, para formar uma cadeia, produz uma molécula de

água. Na respiração, a água é produzida pela combinação dos hidrogênios retirados do alimento com o

oxigênio absorvido do exterior.

É interessante notar que os lipídios produzem mais água (e mais energia) que os glicídios e as

proteínas, porque têm, relativamente, mais hidrogênios em suas moléculas.

A quantidade de água varia:

1. De espécie para espécie nos invertebrados marinhos há muito mais água que nos invertebrados terrestres.

2. De indivíduo para indivíduo (idade) indivíduos jovens têm mais água que os adultos.

3. De tecido para tecido (atividade) tecidos mais ativos têm mais água que tecidos menos ativos.

5. Propriedades da Água

A) A água como solvente

A água é um excelente solvente, ou seja, é capaz de dissolver grande variedade de substâncias

químicas, como sais, gases, açúcares, aminoácidos, proteínas e ácidos nucléicos; por isso costuma ser

chamada de "solvente universal". Do ponto de vista químico, dissolver consiste em separar, por meio de

um solvente, os agregados ou cristais que formam determinada substância. Por exemplo, quando

colocamos açúcar ou sal em um copo com água, as moléculas dessa substância penetram entre as partículas

dos cristais de açúcar ou de sal, separando-as e envolvendo-as, isto é, dissolvendo sua união. A dissolução,

nesse caso, leva à formação de uma mistura homogênea, a solução, composta pelo solvente e pelas

substâncias dissolvidas, genericamente chamadas de solutos.

O líquido que preenche as células vivas, denominado

citosol, consiste em uma solução aquosa de diversas

substâncias; o sangue e outros líquidos corporais dos seres

multicelulares também são soluções aquosas. As principais

substâncias dissolvidas nessas soluções biológicas são

glicídios, sais, aminoácidos e proteínas, entre outras.

IMPORTANTE

Em um cristal de cloreto de sódio, são as forças

elétricas entre os íons Na+ e C que mantêm a estrutura de

sua rede cristalina. Quando esse sal é colocado em água, a

força elétrica entre os íons torna-se muita fraca (80 vezes

menor) e, por isso, a rede cristalina se desfaz. Então, a

solução de NaC em água é constituída por íons de Na+ e C,

distribuídos praticamente livres no seio do líquido. Toda

substância, cujas ligações são do mesmo tipo que no cloreto

de sódio, se dissolvem facilmente na água, em virtude da

grande redução causada por esse meio na força elétrica entre

os íons.

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LEITURA

SUBSTÂNCIAS HIDROFÍLICAS E HIDROFÓBICAS

Na dissolução do cloreto de sódio, a dupla polaridade das moléculas de água explica sua

versatilidade como solvente. Por serem dipolares, as moléculas de água podem associar-se tanto a

moléculas de carga elétrica positiva quanto a moléculas de carga elétrica negativa. Sais, açúcares,

proteínas e muitas outras substâncias orgânicas apresentam afinidade pela água, dissolvendo-se nela.

Substâncias que têm afinidade pela água são genericamente chamadas de hidrofílicas (do grego hydro,

água, e philos, amigo).

Gorduras e outras substâncias cujas moléculas não têm cargas elétricas, isto é, são apolares (não-

polarizadas), não se dissolvem em água e por isso são chamadas de hidrofóbicas (do grego hydro, água, e

phobos, medo, aversão). A razão dessa insolubilidade é que as moléculas de água não conseguem interagir

com moléculas não- Denomina-se reação química ao processo de transformação de uma ou mais

moléculas, genericamente chamadas de reagentes, em moléculas de uma outra ou mais substâncias,

chamadas de produtos. Nos seres vivos ocorre ininterruptamente um número incalculável de reações

químicas, mediante as quais as células obtêm energia e produzem as substâncias necessárias a sua vida.

Em muitas dessas reações, a água participa como reagente; em outras, ela é gerada como produto.

Reações químicas em que ocorre união entre moléculas, com formação de água como produto, são

chamadas de síntese por desidratação. As reações de quebra de moléculas orgânicas em que a água

participa como reagente são denominadas reações de hidrólise (do grego, hydro, água e lise, quebra), que

significa "quebra pela água". Por exemplo, a reação de união entre aminoácidos para a formação das

proteínas é uma síntese por desidratação. Já a digestão do açúcar sacarose, que se transforma em glicose e

em frutose, é um exemplo de reação de hidrólise.

B) Coesão e adesão da água

As pontes de hidrogênio mantêm as moléculas de água unidas umas às outras, fenômeno conhecido

por coesão. Esse fenômeno é bem evidente na superfície de uma massa de água, onde há uma película

relativamente resistente formada por moléculas de água firmemente aderidas umas às outras, na zona de

contato com o ar. Essa propriedade de a superfície de um líquido se comportar como se houvesse um filme

elástico distendido sobre ela é chamada tensão superficial. Em um lago, por exemplo, podemos observar

que a tensão superficial da água, que é maior do que a da maioria do outros líquidos, consegue suportar o

peso de insetos, de folhas etc. A tensão superficial está presente também na superfície das gotas de água,

sendo responsável pela forma peculiar que elas possuem.

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C) Capilaridade

A coesão e a adesão são responsáveis pela

capilaridade, como é chamada a tendência que a água

apresenta de subir pelas paredes de tubos finos ou de se

deslocar por espaços estreitos existentes em materiais

porosos, como tecidos de algodão ou esponjas. Quando a

extremidade de um tubo fino de paredes hidrófilas é

mergulhada na água, as moléculas dessa substância

literalmente "sobem pelas paredes" internas do tubo. Nessa

elevação, as moléculas de água aderidas à parede arrastam

as moléculas mais internas da coluna líquida, às quais estão

ligadas por coesão. Em um tubo de diâmetro maior, a

quantidade de moléculas da coluna líquida em contato com a

parede é proporcionalmente menor que a das moléculas mais

internas e, conseqüentemente, a força de adesão não eleva

muito o nível da coluna de água. Nas plantas, a capilaridade

atua no deslocamento da seiva bruta, desde as raízes, onde

ela é absorvida do solo, até o topo das árvores.

D) A água como moderador de temperatura

A maioria dos seres vivos só pode existir em uma estreita faixa de temperatura, fora da qual os

organismos morrem ou seu metabolismo cessa. Nesse contexto, a água é essencial à manutenção da vida,

pois ajuda a evitar variações bruscas na temperatura dos organismos. A água pode desempenhar esse papel

porque apresenta valores elevados de calor específico, de calor latente de vaporização e de calor latente de

fusão.

Calor específico da água

O calor específico é definido como a quantidade de calor que um grama de uma substância precisa

absorver para aumentar sua temperatura em 1°C (um grau Celsius), sem que haja mudança de estado físico.

Diferentemente de outras substâncias, a água pode absorver ou ceder grandes quantidades de calor com

pequena alteração de temperatura, ou seja, ela possui calor específico extraordinariamente alto. Por

exemplo, se colocarmos a mesma quantidade de água e de ferro no forno, veremos que o ferro se aquece

muito mais depressa que a água. Por outro lado, o ferro também se resfria mais depressa que a água. Para

uma mesma quantidade de calor absorvida, o ferro se aquece dez vezes mais que a água e, portanto, possui

calor específico dez vezes menor que ela.

Calor latente de vaporização da água

O calor latente de vaporização é definido como a quantidade de calor absorvida durante a

vaporização de uma substância em seu ponto de ebulição. A água tem elevado calor de vaporização (539,6

cal/g) quando comparado ao de outros líquidos. O alto calor latente de vaporização da água é conseqüência

da forte coesão entre suas moléculas. Para que a água passe do estado líquido para o gasoso é preciso

romper as pontes de hidrogênio que mantêm as moléculas unidas, o que demanda muita energia.

A evaporação da água é um mecanismo importante para os seres vivos; graças a ele, os organismos

terrestres evitam o superaquecimento. As folhas das plantas, por exemplo, não se aquecem demais durante

um dia de sol intenso porque a maior parte do calor que chega até elas é usado para evaporar a água dos

tecidos no processo de transpiração foliar. A evaporação do suor de nossa pele, por sua vez, ajuda a

resfriar a superfície do corpo em um dia quente ou quando fazemos atividades físicas que geram calor em

excesso.

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Calor latente de fusão da água

Calor latente de fusão é a quantidade de calor necessária para transformar um grama de uma

substância em estado sólido para o estado líquido, na temperatura de fusão. A água tem elevado calor

latente de fusão (79,7 cal/g). Para se solidificar, isto é, tornar-se gelo, ela precisa liberar muito calor, o que

requer exposição a temperaturas inferiores a 0°C por tempo prolongado. O alto calor de fusão da água

protege os organismos vivos dos efeitos danosos do congelamento; se a água de suas células congelasse

facilmente, os seres vivos morreriam devido aos cristais formados dentro delas, que causariam danos às

membranas celulares.

Hoje é comum congelar células vivas e conservá-las em nitrogênio (N2) líquido a uma temperatura

de cerca de 196°, como se faz com embriões humanos antes de serem implantados no útero materno, nos

processos de reprodução assistida. Nesses casos, as células são tratadas previamente com substâncias

químicas que impedem a formação de cristais de gelo e congeladas seguindo um método especial.

EXERCÍCIOS

01. A água é a substância mais abundante na constituição dos mamíferos. É encontrada nos compartimentos

extracelulares (líquido intersticial), intracelulares (no citoplasma) e transcelulares (dentro de órgãos como

a bexiga e o estômago). Sobre a água, é correto afirmar que:

(01) a quantidade em que é encontrada nos organismos é invariável de espécie para espécie.

(02) a distribuição de cargas elétricas na molécula de água lhe dá característica de uma substância apolar.

(04) a organização bimolecular dos fosfolipídios nas biomembranas resulta da atração entre os grupos

fosfatos e as moléculas de água provocadas pela polaridade.

(08) o alto calor específico da água impede mudanças bruscas de temperatura dentro das células.

(16) o grande poder de dissolução da água é muito importante para os organismos, pois as reações

químicas ocorrem no meio aquoso.

(32) participa da constituição dos fluidos orgânicos que transportam substâncias dissolvidas por todo

corpo.

(64) a água é classificada como um óxido básico.

02. A água pode nos fascinar. Não apenas por sua incrível abundância ou variedade de formas, ou mesmo por

seu papel fundamental em moldar nosso planeta e a evolução da vida. Para mim, o fascinante é que

propriedades tão ricas possam surgir de uma estrutura tão simples. Além do mais, não é apenas a riqueza

da simplicidade da água que é tão inspiradora, pois a sutileza de suas propriedades também me traz grande

satisfação. Que suas propriedades incomuns sejam essenciais para o surgimento e manutenção da vida é

uma dimensão a mais, a ser acrescentada ao prazer de se contemplar a água.

Em relação às considerações do texto e aos aspectos físicos, químicos e biológicos do ciclo da água, pode-se

afirmar que:

(01) o mecanismo de transporte ativo é uma exigência para o intercâmbio de água entre a célula e o meio,

durante a transpiração.

(02) nas condições físicas do planeta, a abundância da água, nas fases líquida e sólida está relacionada às

interações moleculares tipo ligação de hidrogênio.

(04) a perda de água sob a forma gasosa, comum aos seres vivos, integra os processos que sustentam o

ciclo da água.

(08) no ciclo da água, evaporação e condensação são transformações físicas, exotérmica e endotérmica,

respectivamente.

(16) as plantas degradam a molécula de água, retendo hidrogênio e eliminando oxigênio, o que torna seu

papel fundamental na manutenção da vida.

(32) a água participa da manutenção da vida, porque é substância apolar e capaz de dissolver gorduras.

(64) animais terrestres podem comprometer o ciclo da água ao concentrá-la em elevadas proporções em

suas células.