A Água – características físicas e químicas – Resumo

A água é polar

Os átomos de hidrogênio e oxigênio nas moléculas de água formam ligações covalentes polares. Os elétrons compartilhados passam mais tempo associados ao átomo de oxigênio do que aos átomos de hidrogênio. Não há carga global para uma molécula de água, mas há uma ligeira carga positiva em cada átomo de hidrogênio e uma ligeira carga negativa no átomo de oxigênio. Por causa dessas cargas, os átomos de hidrogênio ligeiramente positivos se repelem e formam.

Cada molécula de água atrai outras moléculas de água por causa das cargas positivas e negativas nas diferentes partes da molécula. A água também atrai outras moléculas polares (como os açúcares), formando ligações de hidrogênio. Quando uma substância forma facilmente ligações de hidrogênio com água, ela pode se dissolver na água e é chamada de hidrofílica.(“Amante da água”). As ligações de hidrogênio não são prontamente formadas com substâncias não polares, como óleos e gorduras ( Figura ). Estes compostos não polares são hidrofóbicos (“temendo a água”) e não se dissolvem na água.

A água estabiliza a temperatura

As ligações de hidrogênio na água permitem que ela absorva e libere energia térmica mais lentamente do que muitas outras substâncias. Temperatura é uma medida do movimento (energia cinética) das moléculas. À medida que o movimento aumenta, a energia é mais alta e, portanto, a temperatura é mais alta. A água absorve uma grande quantidade de energia antes que a temperatura suba. O aumento de energia interrompe as ligações de hidrogênio entre as moléculas de água.

Como essas ligações podem ser criadas e interrompidas rapidamente, a água absorve um aumento nas alterações de energia e temperatura apenas minimamente. Isso significa que a água modera as mudanças de temperatura dentro dos organismos e em seus ambientes. À medida que a energia continua, o equilíbrio entre a formação e a destruição de ligações de hidrogênio oscila em direção ao lado da destruição. Mais ligações são quebradas do que são formadas.

Este processo resulta na liberação de moléculas de água individuais na superfície do líquido (como um corpo de água, as folhas de uma planta ou a pele de um organismo) em um processo chamado evaporação . A evaporação do suor, que é 90% de água, permite o resfriamento de um organismo, porque a quebra de ligações de hidrogênio requer uma entrada de energia e retira o calor do corpo.

Por outro lado, à medida que o movimento molecular diminui e as temperaturas caem, há menos energia presente para romper as ligações de hidrogênio entre as moléculas de água. Essas ligações permanecem intactas e começam a formar uma estrutura rígida semelhante a uma rede (por exemplo, gelo) ( Figura a ). Quando congelado, o gelo é menos denso do que a água líquida (as moléculas estão mais afastadas). Isso significa que o gelo flutua na superfície de um corpo de água ( Figura b ). Em lagos, lagoas e oceanos, o gelo se formará na superfície da água, criando uma barreira isolante para proteger a vida animal e vegetal do congelamento na água. Se isso não acontecesse, as plantas e os animais que vivem na água congelariam em um bloco de gelo e não poderiam se mover livremente, tornando a vida em temperaturas baixas difícil ou impossível.

Como a água é polar, com pequenas cargas positivas e negativas, compostos iônicos e moléculas polares podem se dissolver facilmente nela. A água é, portanto, o que é chamado de solvente – uma substância capaz de dissolver outra substância. As partículas carregadas formarão ligações de hidrogênio com uma camada circundante de moléculas de água. Isto é referido como uma esfera de hidratação e serve para manter as partículas separadas ou dispersas na água.

No caso do sal de mesa (NaCl) misturado em água ( figura), os íons sódio e cloreto se separam, ou se dissociam, na água, e esferas de hidratação são formadas ao redor dos íons. Um íon de sódio carregado positivamente é envolvido pelas cargas parcialmente negativas de átomos de oxigênio nas moléculas de água. Um íon cloreto negativamente carregado é envolvido pelas cargas parcialmente positivas dos átomos de hidrogênio nas moléculas de água. Essas esferas de hidratação também são chamadas de camadas de hidratação. A polaridade da molécula de água faz dela um solvente eficaz e é importante em seus muitos papéis nos sistemas vivos.

A água é coesa

Você já encheu um copo de água até o topo e então lentamente adicionou mais algumas gotas? Antes de transbordar, a água forma um domo acima da borda do copo. Essa água pode ficar acima do vidro por causa da propriedade da coesão . Na coesão, as moléculas de água são atraídas umas pelas outras (por causa da ligação de hidrogênio), mantendo as moléculas juntas na interface líquido-ar (gás), embora não haja mais espaço no vidro. Coesão dá origem à tensão superficial, a capacidade de uma substância resistir à ruptura quando colocada sob tensão ou estresse.

Quando você deixa cair um pequeno pedaço de papel sobre uma gota de água, o papel flutua no topo da gota de água, embora o objeto seja mais denso (mais pesado) do que a água. Isso ocorre devido à tensão superficial criada pelas moléculas de água. A coesão e a tensão superficial mantêm as moléculas de água intactas e o item flutuando no topo. É possível até mesmo “flutuar” uma agulha de aço em cima de um copo de água, se você a colocar com cuidado, sem romper a tensão superficial ( Figura ).

Essas forças coesivas também estão relacionadas à propriedade de adesão da água ou à atração entre moléculas de água e outras moléculas. Isso é observado quando a água “sobe” um canudo colocado em um copo de água. Você notará que a água parece estar mais alta nos lados da palha do que no meio. Isso ocorre porque as moléculas de água são atraídas para a palha e, portanto, aderem a ela.

Forças coesivas e adesivas são importantes para sustentar a vida. Por exemplo, por causa dessas forças, a água pode fluir das raízes até os topos das plantas para alimentar a planta.

O pH de uma solução é uma medida da sua acidez ou alcalinidade. Você provavelmente usou papel de tornassol , papel que foi tratado com um corante solúvel em água natural para que possa ser usado como um indicador de pH, para testar quanto ácido ou base (alcalinidade) existe em uma solução. Você pode até ter usado alguns para garantir que a água em uma piscina ao ar livre seja tratada adequadamente.

Em ambos os casos, este teste de pH mede a quantidade de íons de hidrogênio que existe em uma dada solução. Altas concentrações de íons de hidrogênio produzem um pH baixo, enquanto baixos níveis de íons de hidrogênio resultam em um pH alto. A concentração total de íons hidrogênio é inversamente relacionada ao seu pH e pode ser medida na escala de pH ( Figura). Portanto, quanto mais íons de hidrogênio presentes, menor o pH; inversamente, quanto menos íons de hidrogênio, maior o pH.

A escala de pH varia de 0 a 14. Uma mudança de uma unidade na escala de pH representa uma mudança na concentração de íons de hidrogênio por um fator de 10, uma mudança em duas unidades representa uma mudança na concentração de íons de hidrogênio por um fator de 100.

Assim, pequenas mudanças no pH representam grandes mudanças nas concentrações de íons de hidrogênio. A água pura é neutra. Não é nem ácido nem básico, e tem um pH de 7,0. Qualquer coisa abaixo de 7.0 (variando de 0.0 a 6.9) é ácida, e qualquer coisa acima de 7.0 (de 7.1 a 14.0) é alcalina. O sangue nas veias é ligeiramente alcalino (pH = 7,4). O ambiente no seu estômago é altamente ácido (pH = 1 a 2). O suco de laranja é levemente ácido (pH = aproximadamente 3,5), enquanto o bicarbonato de sódio é básico (pH = 9,0).

Ácidos são substâncias que fornecem íons de hidrogênio (H ⁺ ) e pH mais baixo, enquanto as bases fornecem íons de hidróxido (OH ^– ) e elevam o pH. Quanto mais forte o ácido, mais facilmente doa H ⁺ . Por exemplo, o ácido clorídrico e o suco de limão são muito ácidos e prontamente abandonam o H ⁺ quando adicionados à água. Por outro lado, bases são aquelas substâncias que prontamente doam OH ^–.

Os íons OH ^– combinam com H ⁺ para produzir água, o que eleva o pH de uma substância. O hidróxido de sódio e muitos produtos de limpeza domésticos são muito alcalinos e abandonam o OH ^– rapidamente quando colocados na água, aumentando assim o pH.

A maioria das células do nosso corpo opera dentro de uma janela muito estreita da escala de pH, normalmente variando apenas de 7,2 a 7,6. Se o pH do corpo estiver fora dessa faixa, o sistema respiratório estará com defeito, assim como outros órgãos do corpo. As células não funcionam mais adequadamente e as proteínas se quebram. Desvio fora do intervalo de pH pode induzir coma ou até mesmo causar a morte.

Então, como é que podemos ingerir ou inalar substâncias ácidas ou básicas e não morrer? Buffers são a chave. Os amortecedores absorvem prontamente o excesso de H ⁺ ou OH ^– , mantendo o pH do corpo cuidadosamente mantido na faixa estreita acima mencionada. O dióxido de carbono é parte de um sistema de buffer proeminente no corpo humano; mantém o pH dentro do intervalo adequado. Este sistema tampão envolve o ácido carbônico (H ₂ CO ₃ ) e o ânion bicarbonato (HCO ₃ ^– ).

Se muito H ⁺ entrar no corpo, o bicarbonato se combinará com o H ⁺ para criar ácido carbônico e limitar a diminuição do pH. Da mesma forma, se muito OH ^–é introduzido no sistema, o ácido carbônico se dissociará rapidamente em bicarbonato e íons H ⁺ . Os íons H ⁺ podem combinar com os íons OH ^– , limitando o aumento do pH. Enquanto o ácido carbônico é um produto importante nesta reação, sua presença é passageira porque o ácido carbônico é liberado do corpo como gás carbônico a cada vez que respiramos. Sem esse sistema de buffer, o pH em nossos corpos flutuaria muito e não conseguiríamos sobreviver.