unidade 2 – propriedades fÍsicas da Água

Disciplina: Relação Água-Solo-Planta-Atmosfera – Prof. Jorge Luiz Moretti de Souza (UFPR/SCA/DSEA) 1

UNIDADE 2 – PROPRIEDADES FÍSICAS DA ÁGUA

Objetivo:

Essa Unidade é uma revisão bibliográfica que realizei no ano de 1998, dentro das atividades de uma das disciplinas cursei no Doutorado\ESALQ\USP, e trata das principais propriedades físicas da água e de como essas propriedades interfere, de forma geral, na atmosfera, clima, vegetação, cultura ou agricultura.

1.1 INTRODUÇÃO

Essa revisão inicia-se com uma citação da Declaração Universal dos Direitos da Água: substância imprescindível a sobrevivência de todos os seres vivos do planeta Terra, preservada por poucos homens, poluída e mal utilizada por muitos. A presente Declaração foi proclamada tendo como objetivo atingir todos os indivíduos, todos os povos e todas as nações, para que todos os homens, tendo essa Declaração constantemente presente no espírito, se esforcem, por meio da educação e do ensino, em desenvolver o respeito aos direitos e obrigações anunciados e assumam, com medidas progressivas de ordem nacional e internacional, o seu reconhecimento e a sua aplicação efetiva.

Art. 1o – A água faz parte do patrimônio do planeta. Cada continente, cada povo, cada nação, cada

região, cada cidade, cada cidadão é plenamente responsável aos olhos de todos.

Art. 2o – A água é a seiva do nosso planeta. Ela é a condição essencial de vida de todo ser vegetal,

animal ou humano. Sem ela não poderíamos conceber como são a atmosfera, o clima, a

vegetação, a cultura ou a agricultura. O direito à água é um dos direitos fundamentais do ser

humano: o direito à vida, tal qual é estipulado no Art. 3o da Declaração Universal dos Direitos

do Homem.

Art. 3o – Os recursos naturais de transformação da água potável são lentos, frágeis e muito limitados.

Assim sendo, a água deve ser manipulados com racionalidade, precaução e parcimônia.

Art. 4o – O equilíbrio e o futuro do nosso planeta dependem da preservação da água e de seus ciclos.

Estes devem permanecer intactos e funcionando normalmente para garantir a continuidade da

vida sobre a Terra. Este equilíbrio depende, em particular, da preservação dos mares e

oceanos, por onde os ciclos começam.

Art. 5o – A água não é somente uma herança dos nossos predecessores; ela é sobretudo um empréstimo

aos nossos sucessores. Sua proteção constitui uma necessidade vital, assim como uma

obrigação moral do homem para com as gerações presentes e futuras.

Art. 6o – A água não é uma doação gratuita da natureza; ela tem um valor econômico: precisa-se saber

que ela é, algumas vezes, rara e dispendiosa e que pode muito bem escassear em qualquer

região do mundo.

Art. 7o – A água não deve ser desperdiçada, nem poluída, nem envenenada. De maneira geral, sua

utilização deve ser feita com consciência e discernimento para que não se chegue a uma

situação de esgotamento ou de deterioração da qualidade das reservas atualmente disponíveis.

Art. 8o – A utilização da água implica no respeito à lei. Sua proteção constitui uma obrigação jurídica

para todo homem ou grupo social que a utiliza. Essa questão não deve ser ignorada nem pelo

homem nem pelo Estado.

Art. 9o – A gestão da água impõe um equilíbrio entre os imperativos de sua proteção e as necessidades

de ordem econômica, sanitária e social.

Art. 10o – O planejamento da gestão da água deve levar em conta a solidariedade e o consenso em

razão de sua distribuição desigual a Terra.

História de I’Eau, Georges Ifrah, Paris, 1992.


1.2 CONSIDERAÇÕES GERAIS

A água é encontrada na Terra nos três estados físicos: líquido, sólido e gasoso. Conforme Sutcliffe (1980) a terra apresenta cerca de 70% de sua superfície coberta pela água no estado líquido e sólido. A forma gasosa é constituinte da atmosfera, estando presente em toda parte. O estado físico que a água se encontra é determinado principalmente pela temperatura, que varia de uma região para outra. Basicamente, o que determina a temperatura de uma região é a quantidade de energia que ela recebe do sol.

Sem água não seria possível a vida como a conhecemos. Os organismos vivos originaram-se em meio aquoso e se tornaram absolutamente dependentes dele no decurso de sua evolução (Reichardt, 1996). No entanto, Sutcliffe (1980) cita que a água é uma substância tão comum que suas propriedades nem sempre são precisamente valorizadas.

Branco (1993) cita que a água é elemento necessário para quase todas as atividades humanas, sendo ainda, componente fundamental da paisagem e do meio ambiente. Barth et al. (1987) acrescenta que a água é bem precioso, de valor inestimável, que deve ser obtido a qualquer custo, conservado e protegido, prestando-se para múltiplos usos: geração de energia elétrica, abastecimento doméstico, industrial, irrigação de culturas agrícolas, navegação, recreação, aquicultura, piscicultura, pesca e, mesmo, para assimilação e agastamento de esgotos.

1.3 A ESTRUTURA DA ÁGUA

Segundo Libardi (1995), entre os especialistas sobre estrutura da água, três pontos parecem possuir concordância:

− Que o vapor d’água consiste de moléculas simples discretas;

− Existência de uma estrutura de gelo comum, ou seja, estrutura em látices do gelo-I;

− A água líquida parece ter uma estrutura desmoronada do gelo-I e que as ligações de hidrogênio mantêm as moléculas de água juntas.

Quando dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio se combinam para formar água, os elétrons se distribuem de tal modo que a molécula resultante é estável e não reativa. O átomo de hidrogênio consiste de um próton positivamente carregado e um elétron negativamente carregado. O átomo de oxigênio tem oito prótons e oito elétrons, seis dos quais se encontram na camada externa da eletrosfera (Sutcliffe, 1980). No entanto é interessante observar que existem variações. Reichardt (1985) e Klar (1988) citam que existem na natureza três isótopos de hidrogênio (1H = hidrogênio, 2H = deutério e 3H = trítium) e três isótopos de oxigênio (16O, 17O, 18O). Estes diferentes átomos possibilitam 18 combinações diferentes na formação de uma molécula de água, contudo o 2H, 3H, 17O e 18O são de abundância muito baixa.

Embora a molécula, como um todo, seja eletricamente neutra, a distribuição assimétrica de elétrons faz com que um lado da molécula seja carregado positivamente em relação ao outro (Figura 1). Essas moléculas, chamadas dipolos, tendem a se orientar em um campo elétrico de tal maneira que o lado negativo se oriente em direção ao pólo positivo e vice-versa (Sutcliffe, 1980).


Figura 1 − Modelo esquemático da molécula de água

A partir da difração de raios-X e outros estudos, hoje se sabe que uma molécula de água individual tem uma forma de “V”, na qual o ângulo formado pelas linhas que unem os dois núcleos de hidrogênio ao do oxigênio é estimado entre 103o e 106o (mais exatamente 104o31’), a distância entre os núcleos de oxigênio e hidrogênio é estimada em 0,096 nm e a molécula toda tem um diâmetro de 0,33 nm, com o raio variando entre 0,12 nm e 0,14 nm, uma vez que a molécula não é uma esfera perfeita (Libardi, 1995).

Reichardt (1985) cita que os dipolos elétricos, criados pela distribuição assimétrica de cargas é responsável por uma série de propriedades físico-químicas da molécula de água. Devido a essa polaridade, as moléculas de água orientam-se formando estruturas. Essa polaridade é ainda a razão pela qual a água é um bom solvente, é adsorvida sobre superfícies sólidas ou hidrata íons e colóides.

A atração eletrostática entre a região positivamente carregada de uma molécula e a região negativamente carregada de outra adjacente causa a formação de uma ponte de hidrogênio. Essas forças atrativas são relativamente fracas (aproximadamente 20 kJ por mol de pontes de hidrogênio), entretanto fazem com que as moléculas de água se arranjem entre si formando uma estrutura mais ou menos ordenada, no estado líquido e sólido. Devido à presença de dois prótons (H+) e dois pares isolados de elétrons (θ) em uma molécula de água, cada uma pode formar mais de quatro pontes de hidrogênio com as moléculas vizinhas (Sutcliffe, 1980). Reichardt (1985) acrescenta para as condições citadas que a estrutura formada é hexagonal, relativamente aberta. Essa estrutura possui bem menos falhas quando a água se acha no estado sólido (gelo). Quando ocorre a fusão do gelo, essa estrutura é parcialmente destruída, de tal forma que outras moléculas possam entrar nos espaços intramoleculares vizinhas e a densidade da água, no estado líquido, pode ser maior do que a densidade do gelo.

Figura 2− Molécula de vapor d´água


Libardi (1995) utiliza a nomenclatura gelo – I para o gelo comum e explica que o termo “gelo – I” é adotado pelo fato de existir oito outras formas de gelo, gelo-II à gelo-IX, as quais têm interesse apenas acadêmico, porque não se formam naturalmente. O mesmo autor comenta que se olharmos para uma molécula particular numa estrutura de gelo comum, verificamos que ela tem quatro moléculas de água vizinha, resultando em quatro ligações de hidrogênio num arranjo tetraedral. É interessante observar que a molécula não é um tetraedro de quatro esferas encostados uma às outras, mas sim um grupo bem aberto de cinco esferas, uma das quais está no centro do tetraedro formado pelas outras quatro.

Figura 3 − Arranjamento tetraedral de quatro moléculas de água ao redor de uma quinta, no gelo.

Libardi (1955) cita ainda que estudos desenvolvidos por Frank (1970) têm mostrado que a distância entre oxigênios na estrutura do gelo-I é 0,276 nm e que a distância entre o núcleos de hidrogênio e oxigênio, numa mesma molécula, é 0,099 nm, um pouco maior do que na molécula de vapor d’água (0,096 nm), resultando um valor de 0,177 nm para a distância entre o núcleo de oxigênio de uma molécula e o núcleo de hidrogênio da molécula vizinha.

Na água líquida, as moléculas são arranjadas mais irregularmente que no gelo, e há menos pontes de hidrogênio, mas resta ainda alguma cristalinidade. O calor de fusão da água sugere que aproximadamente 85% dessas pontes de hidrogênio presentes no gelo permanecem intactas na água líquida a 0 oC e algumas estão presentes até no ponto de ebulição. Assim, a fórmula química da água no estado sólido e líquido, comumente expressa com H2O, seria mais adequadamente representada por (H2O)n onde n diminui com o aumento da temperatura (Sutcliffe, 1980). Reichardt (1985) cita que uma estrutura do mesmo tipo do gelo continua a existir para a água no estado líquido, contudo, essa estrutura não é rígida e permanente, mas sim flexível e transitória. Para o estado de vapor o autor acrescenta que a estrutura desaparece por completo.

1.3.1 Estrutura da água líquida

No que se refere à estrutura da água líquida, Klar (1988) comenta que ainda existem dúvidas a respeito de sua exata estrutura, mas que, no entanto, todos os modelos propostos têm em comum a idéia de que a água líquida é constituída de moléculas de água diferenciadas pela extensão de suas ligações com pontes de hidrogênio. Quanto mais extensamente ligadas, mas abertas as estruturas e mais leve e volumosa é a água líquida.

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 é demasiado 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 a água líquida tem uma estrutura desmoronada da estrutura do gelo-I (Libardi, 1995).

Para Sutcliffe (1980) existem dois pontos de vista divergentes sobre a estrutura da água líquida:

− Estudos da água com raios X à baixa temperatura (1,5 oC) indicaram que ela consiste em uma rede de moléculas com pontes de hidrogênio, encerando grandes espaços preenchidos com moléculas mais ou menos desorientadas;

− Alternativamente, as moléculas de água ligadas podem formar aglomerados temporários contidos em uma matriz de moléculas não ligadas.

Frands e Good (1966) sugeriram que ambos os tipos de estrutura existem – a primeira predominando a baixas temperaturas e os aglomerados a temperaturas acima de 35 oC, aproximadamente.

Abaixo estão descritos os dois tipo de estrutura da água, conforme citação realizada por Libardi (1995)

(a) Modelo de Bernal e Fowler (1933)

Este modelo considera que as ligações de hidrogênio na água líquida estão continuamente se quebrando e se rearranjando. Assim, os autores defendem a hipótese de que cada molécula de água tem somente um pouco mais que quatro moléculas de água vizinhas.

Quando a temperatura da água é aumentada a partir de 273 K, observa-se que entre 273 e 276,94 K sua densidade aumenta até um máximo de 1000 kg m−3, e a partir daí, diminui. Este aumento em densidade de 273 a 276,94 K é porque mais e mais ligações de hidrogênio são quebradas e, assim, ela se torna mais compacta. Mas, além de 276,94 K, a agitação térmica é maior do que o rompimento das ligações de hidrogênio e a densidade diminui. Assim, de acordo com Bernal e Fowler, o aumento da densidade da água quando se eleva a temperatura de 273 e 276,94 K é causado pelo colapso das ligações de hidrogênio, e que acima de 276,94 a agitação térmica predomina e a densidade se torna menor.

(b) Modelo de Frank e Wen (1957)

Os autores deste modelo acreditam que a estrutura da água líquida consiste, na realidade, de uma mistura de aglomerados de moléculas de água ligadas como no gelo-I, rodeados por um fluído de moléculas de água não-ligadas entre si (Figura 4, Cavanau, 1964). Dentro dos aglomerados, as moléculas de água estão mais ou menos rígidas, como na estrutura do gelo-I, enquanto que, por fora dos aglomerados, as moléculas de água são menos rígidas. Frank e Wen (1957) se referem a este modelo dinâmico como um modelo de aglomerados oscilantes. Essencialmente, eles explicam que esses aglomerados aparecem e desaparecem continuamente num intervalo de tempo de aproximadamente 10−10 segundos. Desta maneira, em nível microscópico, existem alguns pontos frios e outros quentes no volume global da água; o que é medido macroscopicamente usando um termômetro ou num termistor é, na realidade, uma temperatura média da água como um todo. No momento, estudo mais recente desenvolvido Stillinger (1980) parece rejeitar esse modelo dinâmico, considerando a água líquida como uma rede tridimensional de ligações de hidrogênio que mostram uma tendência para a geometria tetraedral, mas contendo muitas ligações tensas ou quebradas.


Figura 4− Representação esquemática dos aglomerados de moléculas de água ligadas e não ligadas na água líquida, de acordo com o modelo de Frank e Wen (Cavanau, 1964)

Outros comentários realizados por Sutcliffe (1980) referente à estrutura da água líquida:

− Até o presente tem-se em conta que a água consiste de moléculas compostas inteiramente de isótopos 1H e 16O. O fato é que a água natural também contém pequenas quantidades de isótopos de hidrogênio deutério (2H) e trítium (3H) e de isótopos de oxigênio (17O e 18O). Se o deutério substitui ambos os átomos de hidrogênio, o resultado é óxido de dutério ou água “pesada”, a qual tem peso molecular vinte. Dos isótopos presentes nas moléculas de água, somente o trítium é radioativo. Ele é formado na atmosfera pela ação de raios cósmicos e tem uma vida média de aproximadamente 12,5 anos. Incorpora-se à água, em grande parte, como resultado da respiração de animais e plantas.

− A água se dissocia levemente em íons hidrônio (h3O+) e hidroxila (OH–):

2 H2O = H3O+ + OH–

− O íon hidrônio é um hidratado (H+ + H2O); geralmente é representado simplesmente como H+ e denominado íon hidrogênio ou próton. A dissociação da água então vem a ser conhecida:

H2O = H+ + OH−

− No equilíbrio o produto da concentração de íons hidrogênio e hidroxila na água pura é constante e tem um valor de 10−14 íons-grama por dm3. Como o número total de íons hidrogênio em um dado volume de água pura é exatamente igual ao número de íons hidroxila, cada um tem uma concentração de 10−7 íons-grama por dm−3. Define-se pH com o logarítmo negativo de concentração de íons hidrogênio (pH = –log[h+]) e, portanto, a água pura tem um valor de pH igual a 7. O valor do pH de uma solução aquosa pode ser influenciado pela presença de substâncias dissolvidas. Soluções nas quais a concentração de íons hidrohênio é maior que 10−7 ínons-grama por dm−3 (pH < 7) são ácidas, enquanto que aquelas em que a concentração de H+ é menor que esta (pH > 7) são alcalinas. Soluções tamponadas são aquelas nas quais a dissociação de uma substância dissolvida, por exemplo, um ácido fraco ou álcali se ajusta com as alterações de pH de tal modo que a solução mantém um valor de pH razoavelmente constante.

H

O

H

HHHH

H

HHH

H

HHHHHH

HHH

OO O

O O

O

OOO

O

O

OO

H H

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HH

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H H H

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H

O

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O

OOO

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O O OO

O

O

O

HH H

H

H HH HH

H

H

aglomerado

aglomerado

H


1.4 PROPRIEDADES FÍSICAS DA ÁGUA

A água é uma substância tão comum que suas propriedades físicas nem sempre são precisamente valorizadas. Não há dúvidas de que a água é líquida a temperaturas normais e que seus pontos de fusão e de ebulição são comparados com os de outras substâncias de tamanho molecular similar. Dessa comparação, torna-se evidente que a água tem pontos de fusão e congelamento surpreendentemente elevados, conforme pode ser visto na Tabela 1. Isto é atribuído à associação de moléculas de água devido às pontes de hidrogênio. É importante observar que se não fosse por este fato, a água seria gasosa a temperaturas normais e a vida, como nós conhecemos na terra, não seria possível (Sutcliffe, 1980).

Tabela 1. Constantes físicas da água e outros hidretos de massa semelhante

Substância Fórmula química

Massa molecular

Ponto de fusão (oC)

Ponto de ebulição (oC)

Metano CH3 16 −184 −161 Amônia NH3 17 −78 −33 Água H2O 18 0 +100 Fluoreto de hidrogênio HF 20 −92 +19 Sulfeto de hidrogênio H2S 34 −86 −61

1.4.1 Calor latente e específico da água

Na passagem do estado sólido para o líquido e gasoso, as pontes de hidrogênio são rompidas, ao passo que, na passagem do estado gasoso para o líquido e sólido, elas são restabelecidas. Assim, na fusão de 1 g de gelo, 80 cal precisam ser fornecidas (calor latente de fusão) e na solidificação de 1 g de água, a mesma quantidade de energia é por ela liberada (Reichardt, 1985).

Klar (1988) cita que o calor latente pode ser de fusão, vaporização ou de sublimação. O calor latente de fusão refere-se à quantidade de energia necessária para alterar a substância do estado sólido para o líquido; embora a temperatura permaneça a mesma, há consumo de energia. O calor latente de vaporização consiste na quantidade de energia necessária para alterar a substância do estado líquido para o de vapor ou gás, numa determinada temperatura. A água pode também passar diretamente do estado sólido para o gasoso (ou vice-versa) e o fenômeno denomina-se sublimação. O calor latente de sublimação neste caso é igual à soma dos calores latentes de fusão e vaporização

Sutcliffe (1980) ressalta que o calor latente de fusão e de vaporização da água são também geralmente elevados. O significado disso para as plantas é que uma quantidade relativamente grande de calor deve ser extraída da água antes que ela se congele. De modo semelhante, a evaporação da água requer grande quantidade de energia. Para cada grama de água evaporada a 15 oC, a folha perde 2462 J de energia calorífica e assim a transpiração tem um poderoso efeito de resfriamento.

O ponto de fusão da água sob pressão atmosférica normal é 0 oC, ao passo que o ponto de ebulição é 100 oC. Nesse intervalo de temperatura a água se acha no estado líquido e seu calor específico é 1,0 cal g−1 oC−1. Esse valor é extremamente alto em comparação com o gelo (0,5); alumínio (0,2); ferro (0,1); mercúrio (0,03); ar (0,17). Por isso, a água se comporta como um ótimo sistema tampão para a energia disponível na atmosfera, isto é, muita energia é necessária para que sua temperatura se eleve pouco. Essa propriedade da água torna os sistemas biológicos (cuja percentagem em água é altíssima) resistentes a variação de temperatura (Reichardt, 1985).


No ponto de ebulição a água passa do estado líquido para o gasoso (ou vice-versa) e o calor envolvido na mudança de fase é de 540 cal g−1 (calor latente de vaporização). A água pode também passar ao estado gasoso a temperaturas menores que 100o C, mas tal vaporização, denominada evaporação, requer maior quantidade de calor. Assim, por exemplo, a 25 oC seu calor latente de vaporização é 580 cal g−1 (Reichardt, 1985).

Um exemplo prático da utilização do calor latente de fusão da água ocorre na proteção de plantas contra geadas, com a utilização da irrigação. O congelamento da água aplicada liberta calor (calor latente de fusão) mantendo a planta a 0 oC. Os vegetais não se congelam enquanto a temperatura não cair substancialmente além de 0 oC, principalmente devido aos potenciais osmóticos das células (Klar, 1988).

Dos quase 70 % da superfície de nosso planeta que é coberta pela água, a maior parte é encontrada no estado líquido, já que a temperatura média da Terra está compreendida na faixa de 0 oC a 100 oC. Porém, há regiões onde o frio é intenso durante o ano todo, mantendo assim congelada, a água que forma as grandes geleiras, as calotas polares e as neves eternas, que recobrem os cumes das cordilheiras. As grandes superfícies aquáticas são aquecidas pelos raios solares, e o calor, juntamente com a ação dos ventos, provoca a evaporação de uma grande quantidade de água. Como a água no estado gasoso é menos densa que o ar atmosférico, o vapor de água tende a subir, afastando-se nas alturas em gotículas minúsculas, formando as nuvens. Do mesmo modo, há regiões de calor intenso, onde a evaporação é grande, elevando a unidade do ar. São principalmente essas diferenças na distribuição da água pelo globo e nos estados em que se apresenta (em função temperatura) que determinam o clima das diversas regiões, bem como sua vegetação (Hara, 1990).

1.4.2 Densidade da água

A maioria dos líquidos se contrai com o esfriamento, alcançando a máxima densidade (peso específico) no ponto de congelação, mas a água é incomum por ter uma densidade máxima a 4 oC (Tabela 2). Por esta razão a água raramente se congela até a solidez no mar ou em lagos profundos, mesmo no ártico. Quando a temperatura da água de maior profundidade cai abaixo de 4 oC, a água sobe devido à diminuição de sua densidade e forma-se gelo na superfície. Isto isola a água que ficou mais abaixo e impede que ela se resfrie até o ponto de congelação (Sutcliffe, 1980).

1.4.3 Tensão superficial

Tensão superficial é um fenômeno típico de uma interface líquido-gás. O líquido se comporta como se estivesse coberto por uma membrana elástica, sob tensão, com tendência de se contrair (assumindo área mínima). Isso acontece porque as forças coesivas atuantes sobre cada molécula de água são diferentes se a molécula encontra-se no seio do líquido ou na superfície (Reichardt, 1985).

Libardi (1995) define tensão superficial de um líquido como o trabalho por unidade de área gasto para distender sua superfície.

Moléculas no interior do líquido são atraídas em todas as direções por forças iguais, enquanto moléculas de superfície são atraídas para dentro da fase líquida, mais densa, com forças maiores do que as forças com que são atraídas para a fase gasosa, menos densa. Essas forças não balanceadas fazem as moléculas da superfície tenderem para o interior do líquido, isto é, delas resulta a tendência da superfície se contrair.


Se tomarmos uma linha arbitrária de comprimento L na superfície do líquido, uma força F estará atuando de ambos os lados da linha, tentando contrair a superfície. O quociente F/L (que é uma constante, pois quanto maior L, maior F), é denominado tensão superficial (σ), cujas dimensões são forçadas por unidade de comprimento (d cm−1 no sistema CGS e N m−1 no sistema internacional). O mesmo fenômeno pode ser descrito em termos de energia. O aumento da superfície de um líquido exige dispêndio de energia que permanece armazenada na superfície ampliada e que pode realizar trabalho se a superfície se contrair novamente. Energia por unidade de área tem as mesmas dimensões da força por unidade de comprimento. Assim, a tensão superficial também pode ser expressa em erg cm−2 no sistema CGS e J m−2 no sistema internacional (Reichardt, 1985).

A tensão superficial é então a medida da resistência à formação da membrana elástica que se forma em uma interface líquido-gás. Ela depende da temperatura: geralmente decresce com seu aumento. O decréscimo da tensão superficial é ainda acompanhado por um aumento de pressão de vapor. Substâncias dissolvidas na água acarretam variações na tensão superficial em ambas as direções. Eletrólises, de maneira geral, aumentam a tensão superficial, isto porque a afinidade entre um íon e uma molécula de água é maior do que a afinidade entre moléculas de água e, como resultado, o soluto tende a penetrar no solvente. Caso contrário, isto é, quando a afinidade entre o soluto e solvente é menor do que a afinidade entre moléculas do solvente, o soluto tende a se concentrar na superfície do líquido, reduzindo sua tensão superficial. Tal é o caso de solventes orgânicos, particularmente detergentes (Reichardt, 1985).

Figura 5 − Tensão numa superfície líquida

Para superfícies planas de líquidos não existe diferença de pressão entre pontos imediatamente superiores e inferiores à interface líquido-gás. Para superfícies curvilíneas já existe uma diferença de pressão, responsável por uma série de fenômenos capilares.

Na superfície livre da água, as moléculas se orientam de tal modo que a maior parte das pontes de hidrogêneo fica voltada para dentro, em direção ao centro da massa líquida, conferindo à água uma elevada tensão superficial, a qual é maior do que a de qualquer outro líquido, com exceção do mercúrio. A tensão superficial é responsável pela formação de gotículas de água nas folhas depois das chuvas, ou de orvalho, e evita a entrada de água nos espaços intercelulares das folhas através dos estômatos abertos. A presença de sais inorgânicos na água não exerce muito efeito sobre a tensão superficial, mas substâncias como, por exemplo, ácidos graxos e certos lipídios, que se concentram muito na superfície da água, reduzem a tensão superficial. Essas moléculas “surfatantes” apresentam uma cabeça hidrofílica (“polar”) e uma cauda hidrófoba (“não polar”), e se orientam na

LFF


superfície da água com as cabeças polares imersas na solução e a cauda não polar para fora. Tais moléculas são freqüentemente adicionadas aos fungicidas e herbicidas nas pulverizações para ajudar a penetração das soluções através dos estômatos (Sutcliffe, 1980).

2.4.4. Capilaridade

Hidrostaticamente, quando se preenche vários vasos comunicantes com um determinado líquido, este sempre atinge a mesma altura em todos os ramos. Entretanto, para tubos de pequeno diâmetro (= tubos capilares) essa afirmação não é verdadeira, devido aos fenômenos relacionados com a tensão superficial do líquido em contato com uma parede sólida, os quais são muito mais acentuados nos tubos capilares, originando os chamados fenômenos capilares (Libardi, 1995).

A água sobe em um tubo de vidro, de 0,03 mm de diâmetro, por capilaridade, até uma altura de aproximadamente 120 cm. A subida capilar cessa, quando o peso da coluna de água se equilibra com as forças de tensão superficial e adesão. A água se move extensamente por capilaridade nos espaços estreitos, entre as partículas de solo, e nas paredes das células vegetais. Forças intermoleculares conferem à água elevada tensão quando ela está confinada em um tubo estreito e, assim, uma coluna de água pode ser elevada por uma força aplicada na parte superior. Acredita-se que isso seja importante na ascensão da seiva, pelo xilema, através dos caules (Sutcliffe, 1980).

Figura 6 − Ascensão da água num tubo capilar, com formação do menisco côncavo

O fenômeno da capilaridade é responsável por considerável parte das forças de retenção da água no solo e em outros materiais porosos, ocorre devido à atuação das forças de adesão e coesão (Klar, 1984).

Coesão é o fenômeno de afinidade entre moléculas ou substâncias idênticas entre elas mesmas, enquanto que a adesão ocorre por atração entre moléculas ou substâncias diferentes. No caso da água líquida, devido às pontes de hidrogênio, a afinidade entre as suas moléculas é elevada. A natureza polar da molécula de água permite interações eletrostáticas com outras moléculas polares e essas ocorrem em grande quantidade na natureza, inclusive nas plantas (Klar, 1984).

água

h


Tabela 2. Algumas propriedades físicas da água líquida

Temperatura Peso

específico Tensão

superficial Viscosidade

dinâmica Viscosidade cinemática

Calor latente de vaporização

Calor específico

Condutibilidade térmica

Volume específico

Calor latente de

fusão

Volume molar

Constante dielétrica

(oC) (g cm−3) (N m−1 103) (g cm−1 s−1 10−2) (cm2 s−1) (cal g−1) (cal g−1 oC−1) (cal cm−1 s−1 oC−1) (cm3 g−1) (cal g−1) (cm3 mol−1) (cg se)

−10 0,99794 — — — 603,0 1,02 — 1,0021 74,5 18,0531 —

−5 0,99918 76,4 — — — — — 1,0008 77,2 18,0307 —

0 0,99987 75,6 1,7921 0,0179 597,3 1,0074 1,34 1,0002 79,7 18,0182 88,00

4 1,00000 — — 0,0157 — — — — — — —

5 0,99999 74,8 1,5188 0,0152 594,5 1,0037 1,37 1,0000 — 18,0160 86,04

10 0,99973 74,2 1,3077 0,0131 591,7 1,0013 1,40 1,0003 — 18,0207 84,11

15 0,99913 73,4 1,1404 0,0114 588,9 0,9998 1,42 1,0009 — 18,0315 82,22

20 0,99823 72,7 1,0050 0,01007 586,0 0,9988 1,44 1,0018 — 18,0477 80,36

25 0,99708 71,9 0,8937 0,00897 583,2 0,9983 1,46 1,0030 — 18,0687 78,54

30 0,99568 71,1 0,8007 0,00804 580,4 0,9980 1,48 1,0044 — 18,0940 76,75

35 0,99406 70,3 0,7225 0,00733 577,6 0,9979 1,50 1,0060 — 18,1234 75,00

40 0,99225 69,5 0,6560 0,00661 574,7 0,9980 1,51 1,0078 — 18,1566 73,28

45 0,99024 68,7 0,5988 0,00609 571,9 0,9982 1,53 1,0099 — 18,1933 71,59

50 0,98807 67,9 0,5494 0,00556 569,0 0,9985 1,54 1,0211 — 18,2333 69,94


2.4.5 Viscosidade

Viscosidade é a propriedade que reflete a facilidade com que as moléculas ou partículas deslizam uma sobre as outras, sendo diretamente proporcional ao volume das partículas. Ela pode ser vista como a propriedade do fluído que mede sua resistência ao deslizamento ou fricção interna. A viscosidade varia com a temperatura e é também afetada pelo tipo e concentração de solutos (Reichardt, 1985).

Apesar de sua alta força de tensão, a água tem viscosidade relativamente baixa, podendo suas moléculas deslizarem com relativa facilidade, e, em conseqüência disto, a água flui facilmente através de finos capilares, especialmente a temperaturas elevadas. Elevando-se a temperatura da água, de 5 oC para 35 oC, sua viscosidade diminui em aproximadamente 50%.

É de grande importância para as plantas o fato de que a água líquida é quase incolor. A boa transmissão de luz visível torna possível às plantas aquáticas fotossintetizarem a profundidades consideráveis e possibilita a penetração de luz nos tecidos profundos de uma folha. A água absorve luz em alguns comprimentos, especialmente no vermelho longo do espectro, e isto explica a cor verde-azulada da luz transmitida através de uma camada de água. Há uma forte absorção no infravermelho, o que faz com que a água seja um bom isolante de calor, mas sua condutibilidade térmica é ainda alta comparada com a de outros líquidos.

Do exemplo acima parece que a água tem características ideais para seu papel nas plantas. Isso é evidente, pois as plantas evoluíram de modo a poderem aproveitar ao máximo as vantagens que a água oferece (Sutcliffe, 1980).

1.5 CICLO HIDROLÓGICO

Como pode ser visto nos itens anteriores, a água existe em praticamente toda parte do planeta: na atmosfera, na superfície dos continentes, nos mares e oceanos, no subsolo e acha-se em permanente circulação. A esse processo de permanente circulação é que se convencionou chamar de ciclo hidrológico (Barth et al., 1987).

Macedo Filho e Branco (1964) citam que o ciclo da água na Terra, ou ciclo hidrológico, comumente começa com a evaporação das águas dos rios, lagos, e principalmente, dos oceanos e mares, uma vez que cobrem cerca de três quartos da superfície terrestre. As principais fases desse ciclo foi escrita pelos autores da seguinte forma:

− A irradiação solar evapora a água na superfície da Terra, que sobe e atinge a atmosfera na forma de vapor, formando as nuvens. Sob determinadas condições atmosféricas, a umidade das nuvens se condensa e cai em maior proporção sobre a Terra na forma de chuva.

− Uma parte da precipitação escorre sobre a superfície em direção aos cursos d’água. Outra parte penetra no solo, sendo que uma parcela dessa água é retida na zona das raízes das plantas, retornando eventualmente à superfície pelos vegetais ou pela capilaridade do solo, e outra parte infiltra-se à maior profundidade até atingir os reservatórios de água subterrânea.

− A água infiltrada move-se através dos poros e fraturas das rochas, podendo reaparecer na superfície em locais de nível inferior ao que havia penetrado, juntando-se aos cursos superficiais, podendo retornar aos oceanos.


O ciclo hidrológico é assim, o sistema pelo qual a natureza faz a água circular do oceano para a atmosfera e retornar superficialmente e subterraneamente ao oceano.

1.5.1 Água existente na natureza

A água doce representa apenas 3% do total da água existente na natureza. Os restantes 97% encontram-se nos oceanos e mares congelados. A maior parte da água doce, aproximadamente 2,3% dos 3% existentes, está congelada nas calotas polares e geleiras, ou em lençóis subterrâneos muito profundos. A evaporação e a precipitação reciclam um volume considerável de água anualmente, mas apenas 0,5% do volume total cai sobre os continentes (Porto et al., 1991).

1.5.2 Evaporação, transpiração e evapotranspiração

A evaporação é um fenômeno físico de mudança da fase líquida para gasosa (vapor). Ela ocorre continuamente, durante o dia e a noite, ora com maior ou menor intensidade, cessando apenas quando o ar atmosférico torna-se saturado. No que se refere à água, a evaporação provoca perdas de volume nos mares, rios, lagos, reservatórios, canais, solos sendo o processo regido por leis puramente físicas (Ometto, 1981).

Na evaporação da água através de uma planta, fenômenos biológicos limitam as leis físicas e a esse processo reserva-se o termo transpiração (Reichardt, 1985). A Transpiração é a evaporação da água que foi utilizada nos diversos processos metabólicos necessários ao crescimento e desenvolvimento das plantas. Essa evaporação se dá através dos estômatos que são estruturas de dimensões microscópicas (< 50 µm) que ocorrem nas folhas e que permitem a comunicação entre a parte interna da planta e a atmosfera (Pereira, 1997).

Quando os processos de evaporação e transpiração ocorrem simultaneamente, como se dá em uma cultura vegetal, utiliza-se o termo evaportranspiração (Reichardt, 1985). A evapotranspiração é controlada pela disponibilidade de energia, pela demanda atmosférica, e pelo suprimento de água do solo às plantas. A disponibilidade de energia depende do local e da época do ano. O local é caracterizado pelas coordenadas geográficas (latitude e altitude) e pela topografia da região (Pereira, 1997).

A perda de água do solo por evaporação através de sua superfície ou por transpiração através das plantas é um parâmetro importante no ciclo hidrológico, especialmente nas áreas cultivadas. Para cada grama de nutrientes absorvida do solo pela planta, centenas de gramas de água precisam ser absorvidas do solo pela planta (Reichardt, 1985).

1.5.3 Vapor d’água

Ometto (1981) descreve que o vapor d’água é um dos constituintes variáveis do ar atmosféricos, chegando a ter até 4% em volume. Esse volume é determinado pela temperatura do ambiente, pois a capacidade de contenção do vapor d’água na atmosfera é função da temperatura do ar. O mesmo autor ainda faz as seguintes considerações:

− Como o vapor d’água é oriundo da superfície da Terra, a sua concentração máxima é próxima a ela e diminui a medida que se afasta da superfície.

− A maneira como se agrupam os átomos na molécula do vapor d’água, possibilita compor uma estrutura capaz de interagir fortemente com radiações eletromagnéticas emitidas por corpos que se encontram a temperatura do meio ambiente. Essa propriedade faz com que o vapor d’água seja um armazenador de energia e, sua condição de encontrar-se dissociado


no ar atmosférico possibilita sua movimentação juntamente com a deslocação do ar. Esse fato faz do vapor d’água um equalizador da energia do meio, amenizando as trocas de energia.

− O vapor d’água é um elemento de características primordiais no comportamento dos vegetais, regulando o seu crescimento e desenvolvimento. Sua quantidade na atmosfera é também um agente que regula o ciclo das pragas e doenças, e determina a intensidade do ataque.

1.5.4 Precipitação

A precipitação é o resultado final, já em retorno ao solo, do vapor d’água que se condensou e se transformou em gotas de dimensões suficientes para quebrar a tensão de suporte, e cair. Essa água em trânsito entre nuvem e solo, tem aparentemente, aspecto quantitativo regular para cada local do globo; mas sua distribuição durante o ciclo anual é declaradamente irregular (Ometto, 1981).

Macedo Filho e Branco (1964) acrescentam as seguintes considerações para a precipitação:

− Ao cair, as precipitações absorvem oxigênio, dióxido de carbono e outros gases do ar, além de poeiras, fumaças e emanações odoríferas. Bactérias e esporos de vegetais diminutos são também carreados do ar pela precipitação. No conjunto, a quantidade destas impurezas é pequena, sendo máxima no início da precipitação e mínima no final.

− A precipitação nos campos, geralmente são mais limpas que nas cidades. Nas regiões áridas ou em locais após uma estiagem a quantidade de poeira é maior que na época chuvosa.

− A água da chuva é branda, saturada de oxigênio, mas insípida ao paladar e um tanto corrosiva (Água tratamento e qualidade).

1.5.5 Água de superfície

Quando a chuva cai, uma porção busca os cursos d’água, lagos ou o oceano. A neve evapora-se em partes; mas, nos climas temperados, a maioria permanece, dissolvendo-se na primavera, quando contribui para as enchentes anuais. Nas regiões montanhosas, a neve dos picos funde-se lentamente com o calor, mantendo a vazão das correntes e afetando no verão a qualidade e a quantidade (Macedo Filho e Branco, 1964).

A água que flui nos cursos consiste no escoamento direto do líquido precipitado que escorreu sobre a superfície do solo, no extravasamento de lagos e pântanos, ou naquela que surge através do solo, vinda das terras altas para os vales. A proporção entre as correntes destas diferentes origens varia de estação para estação e conforme a estrutura geológica e utilização da área de drenagem (Macedo Filho e Branco, 1964).

1.5.6 Infiltração

Infiltração é o processo pelo qual a água entra no solo, que perdura enquanto houver fornecimento de água. Este processo é de grande importância prática, pois sua taxa ou velocidade muitas vezes determina o deflúvio superficial (“runoff”) ou enxurrada responsável pelo fenômeno da erosão durante precipitação pluvial. A infiltração determina o balanço de água na zona das raízes (Reichardt, 1985).


1.6 ÁGUA PARA OS SERES VIVOS

As considerações dispostas a seguir, referem-se a um extrato dos principais descrições contidas no livro “A água e os seres vivos” escrito por Hara (1990), que trata de alguns aspectos interessantes referente à necessidade da água à vida no planeta Terra.

Os seres vivos apresentam uma variedade muito grande de tamanhos, formas, hábitos e ambientes em que vivem. Apesar dessa diversidade, podemos perceber que existe algo comum a todos eles: qualquer que seja o organismo, todos apresentam uma grande quantidade de água na composição de seus corpos.

Os organismos que possuem menos água chegam a ter 50% do seu peso corporal constituído de água, enquanto que outros atingem a proporção de 95% de água na formação de seus corpos.

Além da constituição dos organismos, a água é importante porque faz parte da formação da seiva, do sangue e do líquido existente no interior das células do indivíduo.

As células são as menores unidades que formam os seres e são responsáveis pelo funcionamento dos organismos. Seu tamanho e sua forma variam dependendo da função que elas desempenham no seres vivos. Todo ser vivo é formado por essas minúsculas unidades estruturais, onde acontecem diversas reações químicas que fornecem energia para os processos e atividades vitais do organismo, como a respiração, a nutrição, a fotossíntese, a excreção. O conjunto harmônico dessas transformações químicas é denominado metabolismo.

Ao lado de seu papel fundamental na constituição dos seres, a água é importante porque proporciona um meio adequado para as reações químicas das células.

1.6.1 Água para as plantas

Tanto os vegetais rasteiros que revestem pedras e bases de troncos nas florestas úmidas, quanto às gigantescas sequóias, árvores encontradas em algumas regiões dos Estados Unidos e que chegam a atingir mais de 100 m de altura, dependem da água para desenvolver seu metabolismo.

O sistema de transporte de substâncias químicas garante às diferenças partes do vegetal o suprimento para realizar suas funções vitais. Esse sistema, na maioria dos vegetais, forma soluções nutritivas do vegetal.

A seiva bruta é formada pela água que é absorvida pelas raízes juntamente com os sais minerais nela dissolvidos, sendo depois transportada das raízes até as folhas.

Nas folhas a água participa da reação de síntese de matéria orgânica, a fotossíntese. A fotossíntese é a reação que forma glicose a partir do gás carbônico do ar e da água absorvida pelas raízes, sob a ação da energia luminosa e da clorofila, e libera oxigênio para a atmosfera. Assim:

luz 6 H2O + 6 CO2 ——————→ C6H12O6 + 6 O2

clorofila

Para cada molécula de glicose formada são necessárias seis moléculas de água e sei de gás carbônico.

A seiva elaborada é uma solução de água e glicose, que circula das folhas para o resto do vegetal. Depois de produzida, a glicose – matéria-prima para formação das outras


substâncias – é armazenada nas raízes ou nos caules sob a forma de amido, ou se deposita nas membranas das células sob a forma de celulose.

A fotossíntese é um dos fenômenos mais importantes da natureza porque garante a vida não só do próprio vegetal, como dos animais, produzindo a matéria orgânica necessária à nutrição e fornecendo o oxigênio para a respiração.

O movimento de água pelo organismo vegetal é constante, sendo que a água absorvida pelas raízes repõe a pequena parte que é utilizada nos processos bioquímicos e o restante, mais de 90%, é eliminado na transpiração.

A perda de água pela transpiração aumenta bastante nos dias muito quentes e com a ação dos ventos. Nas noites em que a umidade do ar é muito alta, a eliminação sob a forma de vapor é dificultada, ou seja, não há transpiração; então uma pequena fração de água é perdida através das bordas da folhas na forma líquida, num processo chamado gutação. As gotinhas que se formam quando há gutação não devem ser confundidas com o orvalho, que é proveniente da umidade do ar que se condensa na superfície da folha.

1.6.2 Papel da água na reprodução

Os vegetais, de modo geral, reproduzem-se de duas formas: sexuada e assexuada. A reprodução assexuada pode ocorrer por vários processos, como por meio de esporos, por exemplo. A maioria dos vegetais, no entanto, reproduzem de forma sexuada e, para isso, é necessária a união de duas células sexuais, os gametas, resultando numa outra célula que originará um novo indivíduo. Essa união de gametas é chamada fecundação e pode ser externa ou interna. Será externa quando ocorre na água e interna quando ocorre no interior do aparelho reprodutor feminino.

1.6.3 Adaptação dos vegetais

A água é um dos principais fatores que determinam as características dos vegetais e sua distribuição sobre o planeta. Porém, como vimos, a distribuição de água pela Terra não é uniforme, por isso a sobrevivência da planta depende de adaptações anatômicas (relativas à forma e à estrutura) e fisiológicas (relativas às funções) e da disponibilidade de água no ambiente.

Há regiões onde a água no estado líquido é escassa, como nos desertos e nas regiões polares, outras apresentam abundância de água em uma determinada época do ano, seguida de um longo período de estiagem, como ocorre no Cerrado Central do Brasil, ou áreas como o Pantanal Mato-grossense, periodicamente inundado pelos rios que o cortam.

Para sobreviver nessas condições tão particulares, as plantas necessitam de mecanismos adaptativos que permitam o desenvolvimento de suas atividades e sua reprodução. O ambiente, de certa forma, seleciona, pelas suas particularidades, quais as espécies que apresentam condições mais favoráveis a nele sobreviverem. Isso torna a paisagem de cada região muito característica.

Vejamos algumas das adaptações que as plantas desenvolvem ao longo do tempo:

O cacto, planta típica das regiões áridas, apresenta suas folhas modificadas em espinhos. Essa transformação permite a diminuição da superfície exposta, evitando com isso a perda excessiva de água pela transpiração. Além disso, os espinhos servem como elemento de proteção da planta.


O caule do cacto é grosso, capaz de armazenar grande quantidade de água no seu interior, revestido por uma grossa cutícula que o torna impermeável, e clorofilado, substituindo as folhas na função de fotossíntese. Este conjunto de modificações permite ao cacto grande economia de água, tornando-o adaptado às regiões desérticas.

Em lagunas, estuários e barras tropicais, constantemente invadidos pela água salgada das marés altas, forma-se um ambiente muito característico denominado mangue. Nesses locais, onde há grande concentração de sal na água, ou seja, onde a salinidade é relativamente alta, desenvolvem-se algumas espécies de árvores como as do gênero Avicennia, que apresentam em suas folhas, pequenas glândulas de sal, que servem para eliminar o excesso de sal absorvido juntamente com a água salobra.

Nas regiões temperadas, onde o inverno é bem rigoroso, muitas árvores perdem suas folhas nessa estação, pois a água, sob a forma de gelo e neve, é impossível de ser aproveitada. As folhas, sem receber água, não podem entrar em atividade e, com a ação de hormônios, caem, brotando outras novas com o degelo, anunciando o início da primavera.

O solo dos cerrados é pobre e arenoso, e por isso não retém a água das chuvas, que ocorrem num período limitado, ocasionando aproximadamente quatro meses de seca. Nessa área, desenvolve-se um tipo de vegetação bem característica: são árvores pequenas e espaçadas entre si, com troncos retorcidos, casca grossa e folhas endurecidas, adaptações que evitam a perda de água e ainda as protegem do fogo, constante no período de seca.

1.7 BIBLIOGRAFIA

BARTH, F. T.; POMPEU, C. D.; FILL, H. D.; TUCCI, C. E. M.; KELMAN, J.; BRAGA Jr., B. P. F. Modelos para gerenciamento de recursos hídricos. São Paulo: Nobel: ABRH, 1987. 526 p.

BRANCO, S. M. Água: origem, uso e preservação. São Paulo: Moderna, 1993. 71p.

HARA, M. A água e os seres vivos. 2o ed. São Paulo: SCIPIONE, 1990. 55p.

KLAR, A. E. A água no sistema solo-planta-atmosfera. São Paulo: Nobel, 1984. 408p.

LIBARDI, P. L. Dinâmica da água no solo. Piracicaba: O autor, 1995. 497p.

MACEDO FILHO, A.; BRANCO, Z. C. Água – tratamento e qualidade. Rio de Janeiro: USID, 1964. 465 p.

OMETTO, J. C. Bioclimatologia vegetal. São Paulo: Agronômica Ceres, 1981. 440p.

PEREIRA, A. R.; VILLA NOVA, N. A.; SEDIYAMA, G.C Evapo(transpi)ração. Piracicaba: FEALQUE, 1997. 183 P.

REICHARDT, K. Processos de transferência no sistema solo-planta-atmosfera. Campinas: Fundação Cargil, 1985. 466p.

SUTCLIFFE, J. F. As plantas e a água. Tradução: MACIEL, H. E. T. São Paulo: Ed. USP, 1998. 126 p.

unidade 2 – propriedades fÍsicas da Água

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