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farmácia, bioquímica,fisiologia

Água

06/07/2003

 

O gelo é menos denso do que o líquidoEstrutura do geloA água é, sem dúvida, o mais comum e mais importante de todos os compostos. Graças às propriedades da água, a vida foi capaz de surgir e se desenvolver em nosso planeta. Estas propriedades são extremamente peculiares: a água sólida (gelo) é menos densa do que o líquido - por esta razão, o gelo bóia sobre a água líquida. Embora extremamente trivial, é exatamente o oposto do observado na grande maioria das substâncias. E, graças a esta habilidade, os peixes e plantas de lagos e rios que congelam, no inverno, não morrem, pois a capa de gelo que se forma SOBRE o lago funciona como uma barreira de proteção contra o frio. Se o gelo fosse mais denso, os peixes teriam um piso congelado, embaixo, e acima uma atmosfera fria. Uma situação muito mais sinistra!
O simples fato da água ser líquida à temperatura ambiente já é completamente intrigante. Todos os compostos análogos à molécula H 2 O são gases. Se não conhecessemos a água, certamente iriamos deduzir que ela seria um gás, e iria se tornar líquido somente em temperaturas muito inferiores a 0 oC. Isto é extremamente importante para que ela possa ser usada por organismos vivos; além de promover a vida diretamente, ainda serve como meio de transporte, para recreação, e como um habitat para plantas e animais. Como é facilmente transformada em vapor (gás), pode ser transferida, pela atmosfera, dos oceanos até os continentes, onde pode precipitar sobre a forma de chuva.

 

A água é tão importante, que os gregos antigos consideravam-na como sendo um dos elementos fundamentais da matéria. Aristóteles achava que a água fosse um dos quatro elementos fundamentais. Por mais de 2000 anos ainda pensou-se que a água era um elemento; somente no século 18 é que experimentos evidenciaram que a água era um composto, formado por hidrogênio e oxigênio. Mesmo assim, reflita: a água está presente nas montanhas, na atmosfera, nas rochas, nos pássaros, nas formigas, nos oceanos... de certo modo, os gregos não estavam tão enganados!

Cerca de 97% de toda a água encontrada na superfície de nosso planeta está nos oceanos. Como a população dos continentes está aumentando, a demanda por água fresca cresce a cada ano. Processos de purificação e reciclagem da água tornam-se cada vez mais importantes. A água exibe uma capacidade de dissolver compostos, tanto iônicos como moleculares, como nenhum outro líquido exibe. A água dos oceanos não pode ser consumida, pois deve ser dessalinizada. Os processos mais comuns são o de destilação, troca iônica (onde os íons são substituídos por H + e OH - , que se combinam e formam H 2 O) e osmose reversa. Todos são processos caros, que tornam a purificação da água do mar economicamente inviável.

A molécula da água

Estrutura de LewisA água é um composto molecular. Em 1 litro de água existem mais de 300 x 10 23 moléculas. Cada molécula é formada por um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio, unidos por ligações covalentes. Esta ligação existe graças à atração existente entre os elétrons de um átomo e o núcleo do outro, e vice-versa. A estabilidade é atingida quando dois elétrons, inicialmente nos orbitais de seus respectivos átomos, passam a frequentar regiões próximas a ambos os núcleos, simultaneamente. Estas regiões chamam-se orbitais moleculares - que são os responsáveis pela ligação covalente.
A molécula não é linear!O ângulo entre as duas ligações O-H é de 104,5 o . Este ângulo é próximo ao calculado pelo modelo da hibridização de orbitais atômicos. Neste caso, o O estaria hibridizado em sp 3 , sendo que dois orbitais já estariam preenchidos com elétrons não ligantes. O ângulo esperado seria de 109 o , uma geometria tetraédrica; a repulsão entre estes pares eletrônicos, entretanto, pode provocar este pequeno desvio.

A água é um tetraedro deformado.

A distância O-H (o comprimento da ligação) é de 95,7 pm (1 pm = 1 x 10 -11 m). Os elétrons que formam os orbitais moleculares, na água, não são igualmente compartilhados entre os átomos: o O é mais eletronegativo - exerce uma maior atração sobre os elétrons. A consequência é uma distribuição eletrônica heterogênea na molécula, resultando uma densidade de carga negativa (-) sobre o átomo de oxigênio e densidades de carga positiva (+) sobre os átomos de hidrogênio. A molécula é um dipolo!Esta propriedade, somada ao ângulo de ligação, torna a molécula da água polar, isto é, capaz de sofrer uma orientanção em um determinado campo eletromagnético. Isto revela a importância do ângulo da ligação nas propriedades da água: se a molécula fosse linear (ângulo = 180 o ) ela não seria um líquido à temperatura ambiente; mesmo que fosse, não seríamos capaz de dissolver sal ou açúcar nela. Por outro lado, ela seria miscível com azeite, gasolina, gorduras... E, ainda, não seríamos capazes de aquecê-la no forno de micro-ondas.
Ligação Hidrogênio intermolecularAs cargas sobre os átomos de H e O são fortes o suficiente para fazê-los exercer atração em moléculas vizinhas. Este tipo de interação é chamado de força intermolecular ou força de van der Waals; no caso da água, o tipo de interação é um dipolo-dipolo entre os pares eletrônicos não ligantes do O e os átomos de H de outra molécula. Esta força é chamada de ligação hidrogênio.

 

 

O estado líquido da água tem uma estrutura complexa e dinâmica, que envolve associação entre as moléculas. A forte e extensa ligação hidrogênio entre as moléculas (vide quadro) produz um valor muito alto de certas propriedades físicas, tais como temperatura de ebulição, viscosidade, tensão superficial, calor específico, entre outros. Se comparado com análogos, a temperatura de ebulição da água deveria ser -200 o C! A água, também, é um dos líquidos com a maior tensão superficial conhecida - que faz com que as gotas sejam esféricas e que alguns insetos possam caminhar sobre ela. Por capilaridade, a água consegue subir até a mais alta folha e uma árvore, contrariando a atração gravitacional da Terra. A estrutura do vapor (gás) da água é mais simples: as moléculas estão relativamente distantes e independentes uma das outras.


O processo de solublização do NaCl em água
solubilização do NaCl em água


Uma das propriedades mais importantes da água líquida é a sua capacidade de dissolver substâncias polares ou iônicas para formar soluções aquosas. O oceano, o sangue ou uma xícara de chá são exemplos de soluções aquosas. Todas as reações que ocorrem em nosso organismo se dão em soluções aquosas. A interação entre as moléculas do solvente (água) e as do soluto é que são responsáveis pelo processo de solubilização: quando uma substância iônica é dissolvida em água, os cátions são atraídos pelo lado "negativo" da molécula de água e os ânions pelos lados "positivos". Este processo é chamado de hidratação. A hidratação dos íons é que promove a "quebra" do retículo cristalino da substância iônica, ou seja, a dissolução: as forças existentes entre os cátions e ânions no sólido (ligação iônica) são substituidas por forças entre a água e os íons.
O etanol faz ligação hidrogênio com a água!

Muitos compostos não iônicos também são solúveis em água. É o caso de, por exemplo, do etanol. A cerveja, o vinho e a cachaça são exemplos de misturas homogêneas entre água e etanol. Esta molécula contém uma ligação polar O-H tal como a água. Isto permite à molécula fazer ligações intermoleculares com a água.

A molécula de sacarose tem grupos -OH, tal como a água!
sacarose

O açúcar não é uma substância iônica - é molecular. Mas, mesmo assim, dissolve-se em água. Isto ocorre porque, tal como a água, a sacarose é uma molécula polar, isto é, com regiões "carregadas" negativa e positivamente. Neste caso, a interação com a água é do tipo dipolo-dipolo; como a sacarose contém grupos -OH, também ocorre ligação hidrogênio entre as moléculas de sacarose e de água. Isto promove a sua solubilização na fase aquosa. Você já pensou nisso enquanto adoça o seu café? :)

Hidratação de íons

O sólido iônico, ao se dissolver em água, se quebra em pequenas unidades: cátions (íons de carga positiva) e ânios (íons de carga negativa). A equação química é a forma com que o processo é representado; no exemplo, a dissolução do cloreto de sódio (sal de cozinha) em água.
Equação iônica da dissolução do NaCl
A seta indica o sentido espontâneo do processo. Note que o NaCl se separa em íons Na + e Cl - . Na equação, as notações (s) e (aq) representam o estado físico da espécie: (s) é o estado sólido e (aq) é abreviatura de aquoso, mostrando que os íons estão hidratados.
Quando os íons estão hidratados, eles possuem um certo número de moléculas de água imediatamente próximas. Este é o número de hidratação, que depende do tamanho e carga do cátion.
Esquema da hidratação do íon sódio
A figura mostra um esquema para a hidratação do íon Na + : são 4 moléculas de água na esfera de hidratação, indicando que o número de hidratação do íon Na + é 4. Isto gera o íon [Na(H 2 O) 4 ] + , que é circulado por uma outra esfera de moléculas de água parcialmente ordenadas. Todo este efeito é puramente eletrostático, vindo da carga do íon.

Existem muitas substâncias, entretanto, que não são solúveis em água. Um exemplo é a gordura: a natureza não-polar de suas moléculas as torna incompatíveis com as moléculas polares de água. Uma regra geral para a solubilidade é que "o semelhante dissolve o semelhante", isto é, moléculas polares são miscíveis com moléculas polares, e apolares com moléculas apolares.

 

A água é muito diferente a altas P e T
A polaridade da água muda completamente em altas temperaturas e pressão. O mesmo não ocorre com o etanol.

As propriedades da água, entretanto, são completamente diferentes em condições de alta temperatura e pressão. Acima de 300 o C, em altas pressões, a água líquida é capaz de dissolver muitos compostos apolares. Mais diferente ainda é a água quando a pressão for igual ou maior de 218 atm e a temperatura maior do que 374 o C (temperatura crítica): a água se torna um fluído supercrítico. Nestas condições, a água reune propriedades de seu gás (tal como a densidade) e de seu líquido (capacidade de dissolução). Além de dissolver substâncias polares e iônicas, a água supercrítica é capaz de dissolver praticamente todos os compostos apolares. Uma das aplicações é na destruição de lixos tóxicos: a água supercrítica é misturada com os resíduos orgânicos e gás oxigênio; iniciado a chama, a combustão ocorre "embaixo" d'água! Isto só é possível graças às propriedades tipo-gás da água supercrítica e de sua capacidade de dissolver os resíduos.

A molécula de água também é especial por participar de muitas reações orgânicas e inorgânicas. Várias delas resultam da habilidade que a água tem em se comportar tanto como um ácido (doador de prótons) como uma base (receptora de prótons). De fato, em 1 litro de água pura, não existem apenas moléculas de água: ocorrem também 1 x 10 -7 mol de íons H 3 O + (aq) e 1 x 10 -7 mol de íons OH - (aq) . Estes íons são o produto da reação abaixo, que é a equação para a auto-ionização da água:
H 2 O (l) + H 2 O (l) H 3 O + (aq) + OH - (aq)
O íon H 3 O + é chamado de íon hidrônio. É justamente na sua concentração que a escala de pH de uma solução é baseada: quanto maior a concentração de íons hidrônio, menor o valor de pH e, consequentemente, mais ácida é a solução. Quando um ácido, tal como o HCl ou o ácido acético, são adicionados à solução, tanto a água como o ácido contribuem para a formação e elevação da concentração de íons hidrônio. Uma base, por outro lado, neutraliza os íons H 3 O + , diminuindo a sua concentração e aumentanto o valor de pH.
A água é capágua + ácido acético: a água é uma base!az de promover a ionização de compostos moleculares. O ácido acético, por exemplo, é um composto molecular. Mas, em água, algumas moléculas se ionizam, gerando o íon acetato e H 3 O + . A equação química ao lado ilustra o processo da dissociação do ácido acético em água. Nesta reação, a molécula de água participa ligando-se covalentemente ao hidrogênio (o próton, H + ) da hidroxila do ácido acético. água + amônia: a água é um ácido!Em outras reações, a água pode fazer exatamente o oposto: ceder um próton! É o que acontece na reação com a amônia, ilustrada na figura ao lado. A molécula de amônia, agora, é quem recebe o próton, atuando como uma base. A água, neste caso, comporta-se como um ácido. Como vemos, a água pode se comportar tanto como um ácido ou como uma base: por isso, é chamada de anfótera. (Este termo, "anfótero", foi recentemente utilizado por FHC ao referir-se a certos políticos brasileiros...)

Anomalias da água em benefício da Vida
Propriedade
Comparação
Vantagem para seres vivos

Tensão Superficial

(7,2 x 10 9 N.m -1 )

a mais alta de todos os líquidos importante na fisiologia das células; controla certos fenômenos de superfície
Constante dielétrica
(80 a 20 o C)
a mais alta de todos os líquidos, exceto H 2 O 2 e HCN mantém íons separados em solução; permite a mobilidade iônica na fase aquosa

Calor de Vaporização
(2,25 kJ.g -1 )

o mais alto de todas as substâncias permite ser utilizada como um ótimo meio para transferência de calor, como o suor, por exemplo.
Calor específico
(4,18 J.g -1 .K -1 )
um dos mais elevados impede variações bruscas na temperatura ambiente; tende a manter a temperatura do organismo constante

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