PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA AGRÍCOLA

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ

CENTRO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA AGRÍCOLA

JUAREZ CASSIANO DE LIMA JUNIOR

PROPRIEDADES FÍSICAS DA ÁGUA

FORTALEZA – CE

2019

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PROPRIEDADES FÍSICAS DA ÁGUA

INTRODUÇÃO

A água é um mineral que cobre 70% da superfície de nosso planeta, sendo encontrada naturalmente nos três estados (liquido, gasoso e solida). O estado em que se encontra depende da temperatura local, que por sua vez depende diretamente da quantidade de energia solar recebida pela região do globo terrestre. A forma e quantidade em que a água se encontra em cada fase, em quantidades diferentes é um fator que dita o clima de cada região, refletindo em todos outros aspectos locais (fauna, flora, utilização do solo, desenvolvimento humano)

Sobre sua estrutura, Libardi (2005) cita que entre os estudiosos da água, existem três pontos bem fundamentados: (i) o vapor de água é formado por moléculas discretas de água (H2O); (ii) existe uma estrutura de gelo comum, encontrada na natureza; (iii) a água liquida aparece na natureza, de uma forma desmoronada do gelo, em que as ligações de hidrogênio mantém as moléculas de água unidas.

A ligação entre os hidrogênios e o oxigênio que formam a molécula de água é estável e não reativa (8 prótons e 8 elétrons). Embora a molécula seja eletricamente neutra, sua forma não simétrica faz com que seja carregada positivamente de um lado e negativamente de outro.

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Figura 1. Representação esquemática da molécula da água, adaptado de Sutcliffe (1968).

Algumas teorias comentadas por Libardi  (2005):

Na estrutura da água, cada fração é formada por uma estrutura de formato tetraédrico (com cinco moléculas, um central ligada a quatro outras). No derretimento do gelo, caso todas as ligações do gelo fossem rompidas no processo de fusão, a molécula de água seria rodeada por mais que quatro outras moléculas (se o raio permanecesse com 0,14 nm), a densidade seria de 1840 kg m-3. Assim, compreende-se que não é verdade e em função disso, não são todas as moléculas quebradas.

A literatura relata que somente 14 – 16% das ligações de hidrogênio são quebradas quando o gelo se funde a 273 K. Outros pesquisadores afirmam que, na realidade, as ligações de hidrogênio são simplesmente distorcidas porque o calor de fusão não tem capacidade suficiente de quebra-las totalmente pequeno em comparação à energia de ligação de hidrogênio. Estudos sobre a estrutura da água a altas temperaturas (298 – 373 K) indicam que a quantidade de ligações de hidrogênio quebradas a 298 K varia de 20 a 50%, e a 373 K entre 50 e 75%. É por isso que se considera que a água líquida tem uma estrutura desmoronada da estrutura do gelo-I (Libardi, 1995). A densidade da água liquida a 273 K é de 1000 kg m-3, seu raio permanecendo em 0,14 nm nas três fases.

A água liquida, assim como o gelo, possui  outras quatro moléculas ao seu redor, com pequenas alterações nas distâncias que separam os núcleos de oxigênio, assim a distância varia somente entre essas ligações, não explicando por completo qual modificações ocorrem em sua estrutura na troca de fases.

Ainda de acordo com Libardi (2005), abaixo encontram-se dois modelos de estrutura da água:

Modelo de Bernal e Fower (1933)

Consideremos que as ligações de hidrogênio no liquido estão se quebrando e rearranjando, continuamente. Quando a temperatura é aumentada a partir de 273 K, observa-se que até 276,94 K sua densidade é chega ao máximo de 1000 kg m-3, as ligações de hidrogênio são quebradas, tornando-se mais compactas. Sobretudo, além de 276,94 K, a agitação térmica é maior que o rompimento das ligações, e a densidade diminui.

Modelo de Frank e Wen (1957)

Os autores afirmam que a estrutura da água consiste num aglomerado de moléculas ligadas, rodeadas de um fluido de moléculas não ligadas. Sendo esse arranjo mais rígido dentro do aglomerado e menos rígidas fora do aglomerado. Stillinger 1980 descarta esse modelo, afirmando que na verdade, o que existe é uma rede tridimensional, com ligações tetraédrais, com ligações quebradas e/ou tensionadas.

PROPRIEDADES FÍSICAS DA ÁGUA

A água é uma substância tão comum, que esses detalhes são comumente desprezados. Por exemplo: comparando com outros líquidos de tamanho similar a água possui pontos, de fusão e ebulição, altos. Essa propriedade torna possível água liquida em meio natural, e em consequência, a vida no planeta.

Tabela 1. Exemplo de constantes físicas a 1 atm

		Massa Molar	Fusão (°C)	Ebulição (°C)
Metano	CH3	16	-184	-161
Água	H2O	18	0	100
Sulfato de Hidrogênio	H2S	34	-86	-61

Calor latente da água

Na passagem de solido para liquido e/ou gasoso, as pontes de H+ são quebradas, no processo inverso são reestabelecidas (80 calorias por 1 g de água). Klar (1988) explica que a energia atribuída na fusão, sublimação e vaporização pode ser chamada calor latente.

Como a temperatura requerida para esses processos é elevada, significa que para as plantas, a cada grama de água vaporizada a 15°C, a folha dissipa 2462 J de energia calorifica (SUTCLIFFE, 1980). O calor específico da água é extremamente alto (1,0 cal g-1 °C-1), quando comparado com outros fluidos: gelo 0,5; alumínio 0,2; ferro 0,1; mercúrio 0,03. Assim, a água torna-se um excelente sistema de tamponamento, em que, muita energia é necessária para alterar um grau de temperatura (REICHARDT, 1985).