2. Geometria Molecular

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1 Colégio Luciano Feijão Água: propriedades e tratamento Prof. Thiago Magalhães 1. Introdução Substância composta responsável por 60-85% da massa total dos tecidos, a água trata-se de um solvente adequado para compostos minerais e bioquímicos, isso devido a sua polaridade, permitindo a realização de ligação intermolecular com estas. Além de sua atuação como solvente, a água participa ativamente de reações importantes como as de hidrólise e adição, por exemplo. Vamos agora estudar as características e propriedades da água. 2. Geometria Molecular H ibridização do Oxigênio: sp 3 Ligação H O : ligação Covalente Normal Polar a alta eletronegatividade do oxigênio permite a formação de uma carga formal positiva para os átomos de hidrogênio. Molécula Polar - μ =1.87 D (debye) x unidades electrostáticas. 3. Ligação de Hidrogênio e o processo de hidratação e solvatação Conceito geral de ligação de hidrogênio ( Figura 01 ) os átomos dos elementos flúor ( F ), oxigênio ( O ) e nitrogênio ( N ) por serem pequenos e altamente eletronegativos, quando ligados ao átomo de hidrogênio promovem uma grande polarização dessa ligação, levando a uma carga formal intensamente positiva no hidrogênio. Tal polarização permite uma interação do hidrogênio de uma molécula com a região parcialmente negativa da outra molécula ( F, O ou N ). Hidratação - Devido a natureza polar da água, o cloreto de sódio (NaCl ), por exemplo, pode ser separado em seus íons, isto é, Na + e Cl -, o que significa que o lado da molécula da água que contém os átomos de hidrogênio (+) atrairão os íons Cl - ( Figura 02 ), e os íons Na + serão atraídos pelo lado do átomo de oxigênio (-) da água ( Figura 03 ). Esta é a maneira como as substâncias sólidas iônicas se dissolvem na água, e este processo é chamado de hidratação. Quando o solvente é outro que não a água, o processo é denominado de solvatação. Figura 01 Figura 02 Figura 03

2 4. Pontos de Fusão e Ebulição O gráfico ao lado representa a curva de aquecimento da água a pressão de 1 atmosfera. O gráfico ao lado representa a curva de resfriamento da água a pressão de 1 atmosfera. Obs 1 : durante o processo de fusão as forças atrativas intermoleculares do estado sólido diminuem até se equiparar às forças repulsivas, a temperatura se manterá constante e apenas haverá formação do estado líquido gradativamente, ou seja, a energia fornecida nesse estágio será integralmente destinada a diminuir a energia potencial e não mais a aumentar a energia cinética. Obs 2 : a ebulição é a transformação física endotérmica em que uma amostra no estado líquido recebe calor suficiente para que suas partículas sejam capazes de vencer a atração umas das outras de forma definitiva e também vencer a força que as partículas do ambiente impõe sobre o líquido, e chegar ao estado gasoso. Para que a ebulição ocorra é necessário que a pressão de vapor seja maior que a pressão atmosférica o que garante o desprendimento uniforme de todo o líquido para a forma gasosa. Durante a ebulição ocorre apenas o aumento da energia potencial. 5. Densidade Experimentos com raios-x revelam que os átomos de oxigênio (de moléculas adjacentes) ao redor de um dado oxigênio estão localizados nos vértices de um tetraedro regular. Em função dessa geometria, a estrutura do gelo se estende em três dimensões. Essa estrutura contém canais hexagonais (como um favo de mel), e, por causa deles, o gelo tem densidade relativamente pequena. Quando o gelo se funde, a estrutura passa a ter uma menor organização, mas não é completamente destruída. A uma temperatura próxima do ponto de fusão, os átomos de oxigênio

3 ainda são tetraedricamente rodeados por quatro átomos de hidrogênio, como no gelo. Sabe-se que o arranjo em seu conjunto é menos organizado e está sujeito a uma transformação contínua. Verificase, nesta situação, que alguns dos canais hexagonais foram desfeitos, originando uma estrutura mais densa, e portanto mais desorganizada. A tabela abaixo mostra que a densidade máxima da água ocorre a 3,98ºC. Figura 04 Representação da estrutura cristalina do gelo. 6. Tensão Superficial A tensão superficial é um fenômeno coesivo e, como faz a superfície se contrair, uma das formas de medir sua intensidade é estender a superfície, ou seja, aumentar sua área. Segundo Castellan, 1986, tensão superficial é o trabalho necessário para aumentar a área da superfície, ou também a força necessária para cortar a superfície, usualmente expressa em milinewtons por metro (mn/m), no Sistema Internacional de Unidades (SI). A tensão superficial varia com a temperatura e a composição e depende da interação entre as moléculas. Por exemplo, o valor da tensão superficial da água pura a 50 C é de 67,90 mn/m, e a 20 C é de 72,75 mn/m. Esse valor é considerado alto para os líquidos em geral ( etanol a 20 C é de 22,55 mn/m,) e, no caso da água, ocorre devido às pontes de hidrogênio entre as moléculas. Figura 05 a formação do aspecto em gota ocorre devido a atração sofrida pelas moléculas superficiais em direção ao centro da molécula. A forma de uma gota depende da relação entre duas

4 forças gravidade e tensão superficial. Se pusermos uma gota grande numa lâmina, a gravidade predomina e a gota espalha-se pela lâmina. Se a gota for pequena, a acção da gravidade é praticamente nula e, como irá predominar a tensão superficial, a gota tende a ocupar a mínima superfície possível, tomando uma forma esférica. Obs: Agente Surfactante ou Agente Tensoativo ou Detergente são moléculas anfipáticas, isto é, em uma mesma molécula temos a região lipofílica e a região hidrofílica. a repele. Quando uma pequena quantidade de surfactante é misturada com água, suas moléculas se orientam na interface formando uma uma fina camada com a espessura de apenas uma molécula. Devido a essa orientação, os surfactantes diminuem a atração entre as moléculas de água da superfície, diminuindo a tensão superficial da água (ou a tensão interfacial ar-água). Figura 06 - Característica química de um Figura 07 Mecanismo de ação de um Surfactante, com a região polar Surfactante, formando a micela. ( extremidade hidrofílica ) e a região apolar ( extremidade oleofílica ) 7. Capilaridade O fenômeno da capilaridade está relacionado com a tensão superficial: quando se introduz um tubo capilar em água, esta sobe espontaneamente pela parede do tubo, formando um filme fino e aderente. Quando se coloca um tubo de fino calibre em contato com água, o líquido tende a subir pelas paredes desse tubo, graças às forças de adesão e coesão. A adesão está relacionada com a afinidade entre o líquido e a superfície do tubo, pois há a formação de pontes de hidrogênio entre os dois. Por meio desta coesão das moléculas de água, também proporcionada pelas pontes de hidrogênio, elas mantêm-se unidas, e umas acabam arrastando as outras pela coluna, elevando o nível de água. Esse fenômeno é muito utilizado pelas plantas no transporte de seiva bruta pelo xilema, da raiz até as folhas. 8. Calor Específico Calor específico - quantidade de energia necessária para aumentar em 1ºC, uma massa de 1,0g de substância. Calor específico da água 1,0 cal/g. C Valor mais alto de todas as substâncias conhecidas, com exceção da amônia líquida. Este valor elevado é devido ao arranjo molecular da água, que permite que os átomos de hidrogênio e oxigênio vibrem livremente. Assim, podem absorver grandes quantidades de energia sem que haja grandes aumentos de temperatura. Essa propriedade é importante para manter a temperatura do organismo constante e para regulação térmica do globo terrestre, visto que os oceanos podem acumular grandes quantidades de energia solar e voltar a liberar essa energia sem que a sua temperatura sofra variações consideradas.

5 09. Diagrama de Fases da Água Figura 08 - O diagrama de fases da água permite avaliar o estado físico de uma amostra de água em função da pressão e da temperatura a que está submetida. 10. Leitura Complementar Água destilada - consiste numa água quimicamente pura, isto é, purificada por destilação de modo a eliminar os sais nela dissolvidos e outros compostos. Água deionizada - Na produção da dita água deionizada procede-se passando a água por uma coluna com grãos de uma resina de troca iônica. No caso das resinas de troca catiônica, esta trocará seus íons (H + ) por contaminantes catiônicos, como os cátions (cálcio, magnésio e outros cátions metálicos e cátions diversos). As resinas aniônicas trocam seus íons (OH - ) por sua vez pelos contaminantes aniônicos ( clorato, clorito, cloreto, fluoreto e outros ânions). Água Pesada formada pelo Hidrogênio deutério ( 2 H ), é muito utilizada nos reatores nucleares para diminuir a velocidade do nêutron, formando o nêutron térmico. De olho no ENEM: Tratamento da Água 1. Definição: conjunto de procedimentos físicos e químicos que são aplicados na água para que esta torne-se potável, ou seja, fique em condições adequadas para o consumo. 2. Fases: 2.1 Oxidação: metais( ferro e manganês são os principais ), são oxidados por meio do cloro, tornando-os insolúveis, permitindo sua posterior retirada. 2.2 Coagulação: remoção das partículas de sujeira por meio da adição de sulfato de alumínio [ Al 2 (SO 4 ) 3 ] ou cloreto férrico ( FeCl 3 ) que irão aglomerar os resíduos formando flocos. Podendo, também,ser adicionado cal ( CaO ) para otimizar o processo de floculação e aumentar o ph. CaO + H 2 O Ca(OH) 2 Al 2 (SO 4 ) Ca(OH) 2 3 CaSO Al(OH) 3 O hidróxido [ Al(OH)3 ] de alumínio é um gel que adere às sujeiras e decanta. 2.3 Floculação: movimento da água para que os flocos se aglomerem.

6 2.4 Decantação: os flocos, por serem mais densos, vão para o fundo dos tanques. Após sedimentação completa os flocos são retirados. 2.5 Filtração: retirada das impurezas restantes. 2.6 Desinfecção: adição do cloro para eliminar germes que podem estar presentes e garantir que ela continue assim nas redes de distribuição e nos reservatórios. 2.7 Correção do ph: evitar a corrosão da canalização das casas ou a incrustação. Tal correção é feita por meio da cal hidratada ou carbonato de sódio. 2.8 Fluoretação: ocorre por meio da adição do ácido fluossilícico (H 2 SiF 6 ) ou fluossilicato de sódio (Na 2 SiF 6 ) que reduz a incidência de cárie dentária na população. Exercícios 01. Atualmente, é comum encontrar, nas prateleiras de supermercados, alimentos desidratados, isto é, isentos de água em sua composição. O processo utilizado na desidratação dos alimentos é a liofilização. A liofilização consiste em congelar o alimento a uma temperatura de 197 C e depois submeter o alimento congelado a pressões muito baixas. Na temperatura de 197 C, a água contida no alimento encontra-se no estado sólido e, com o abaixamento de pressão, passa diretamente para o estado de vapor, sendo então eliminada. Assinale a afirmação correta: a) No processo de liofilização, a água passa por uma transformação química, produzindo H 2 e O 2, que são gases. b) No processo de liofilização, a água passa por um processo físico conhecido como evaporação. c) No processo de liofilização, o alimento sofre decomposição, perdendo água. d) No processo de liofilização, a água sofre decomposição. e) No processo de liofilização, a água passa por uma transformação física denominada sublimação.

7 Comentário: E - na primeira etapa do processo de liofilização temos a solidificação ( passagem do líquido para o sólido ) e no segundo momento temos a sublimação ( passagem do sólido para o vapor ). 02. Balões de festa de aniversario deixados sob sol forte podem estourar porque o volume do gás contido em seu interior aumenta com o aumento da temperatura e acaba rompendo a superfície do balão depois que esta se estica até um tamanho máximo. Isso ocorre porque o aumento da temperatura eleva a energia das partículas que, com maior movimento, passam a ocupar um volume maior, no caso das moléculas dos gases contidos no balão. A variação da energia das partículas com a variação da temperatura também causa a compactação, que reduz o volume de substancias ao se solidificarem com o abaixamento da temperatura, quando a energia das partículas diminui. Com a água e diferente: ao passar do estado liquido para o estado sólido, com o abaixamento da temperatura ocorre aumento de volume, por isso não se deve colocar no congelador garrafa cheia com água e lacrada. Assinale a alternativa que explica corretamente o comportamento da água ao passar do estado liquido para estado sólido. a) No estado sólido, as moléculas de água formam pontes de hidrogênio com a superfície interna da garrafa, que se rompe devido ao efeito da pressão adicional exercida. b) Na água liquida, há sais minerais dissolvidos, que se cristalizam quando o gelo e formado e ocupam maior espaço. Assim, o volume do gelo e maior que o volume da água liquida. c) Na formação do gelo, as moléculas de água assumem posições definidas numa estrutura organizada, mantida por ligações de hidrogênio. As moléculas nesta estrutura ocupam maior espaço do que no estado liquido, onde se organizam de maneira diferente. d) No estado sólido, as moléculas de água formam estrutura cristalina tridimensional, com átomos unidos por ligação iônica em posições fixas, que ocupam maior espaço que a geometria planar das moléculas no estado liquido. e) A auto-ionização da água, responsável pelas espécies iônicas que são unidas por ligações iônicas no estado liquido, e desfavorecida com o abaixamento da temperatura. Comentário: C - no gelo temos a formação de uma estrutura cristalina hexagonal, permitindo ocupar um maior espaço e fazendo com que ocorra uma diminuição da densidade. 03. A água e os sais minerais absorvidos pelas raízes atingem todas as folhas da copa de uma árvore. Através da transpiração foliar, a água é perdida para a atmosfera e o déficit hídrico gerado no interior da folha é prontamente revertido pela absorção radicular. A teoria da coesão-tensão é a mais aceita atualmente para explicar a condução da seiva bruta no interior das plantas vasculares e pressupõe: a) que o fenômeno da capilaridade, resultante das propriedades de adesão e coesão da água é o responsável pela elevação da seiva bruta, através do caule, para a copa das grandes árvores. b) que os sais minerais acumulados no interior do xilema radicular desenvolvem uma grande pressão osmótica, impulsionando a seiva bruta até a copa das árvores.

8 c) que a transpiração pelas folhas provoca uma tensão no interior do xilema, succionando e elevando a coluna de seiva bruta, que é contínua e mantida unida pelas forças de coesão entre as moléculas de água. d) que a tensão, exercida pela pressão positiva da raiz, succiona a seiva bruta até às folhas e a coluna de água eleva-se pelas forças de adesão entre as suas moléculas e as paredes dos vasos do xilema. e) que a capilaridade é a grande força impulsionadora da seiva bruta, uma vez que os vasos do xilema apresentam um diâmetro diminuto, facilitando a adesão com as moléculas de água e a elevação da coluna a grandes distâncias do solo. Comentário: C - o processo de transpiração provoca déficit hídrico gerando uma diferença de pressão succionando e elevando a coluna de seiva bruta, que é contínua e mantida unida pelas forças de coesão entre as moléculas de água. 04. Após a ingestão de bebidas alcoólicas destiladas, uma das sensações do organismo humano é a necessidade de saciar a sede, uma das desagradáveis características da chamada ressaca. Em parte, isto se deve ao elevado grau de miscibilidade exotérmica do álcool etílico (C 2 H 5 OH) em sistemas aquosos, que induz a desidratação do organismo através da diurese. Assinale a alternativa correta. a) O processo de dissolução de C 2 H 5 OH em H 2 O envolve a formação de ligações químicas O O. b) O calor liberado no processo descrito é resultante de um fenômeno exclusivamente químico. c) A elevada miscibilidade do C 2 H 5 OH em H 2 O é atribuída à reação de desidratação do álcool. d) A miscibilidade do C 2 H 5 OH em H 2 O é favorecida pelas interações de hidrogênio. e) A dissolução do álcool etílico em água ocorre através da absorção de calor. Comentário: D a molécula do etanol possui a região O H ( oxidrila ) que é uma região polar. Esta por sua vez possui afinidade com a água ( molécula polar ) por meio das ligações de hidrogênio. 05. Na atual estrutura social, o abastecimento de água tratada desempenha um papel fundamental para a prevenção de doenças. Entretanto, a população mais carente é a que mais sofre com a falta de água tratada, em geral, pela falta de estações de tratamento capazes de fornecer o volume de água necessário para o abastecimento ou pela falta de distribuição dessa água.

9 No sistema de tratamento de água apresentado na figura, a remoção do odor e a desinfecção da água coletada ocorrem, respectivamente, nas etapas: a) 1 e 3 b) 1 e 5 c) 2 e 4 d) 2 e 5 e) 3 e 4 Comentário: D na etapa 2: a presença do carvão ativado permite que o mesmo possa remover compostos orgânicos presentes, já a remoção das partículas de sujeira ocorre por meio da adição de sulfato de alumínio [ Al 2 (SO 4 ) 3 ] ou cloreto férrico ( FeCl 3 ) que irão aglomerar os resíduos formando flocos. Podendo, também,ser adicionado cal ( CaO ) para otimizar o processo de floculação e aumentar o ph. Na etapa 5 temos a desinfecção (adição do cloro para eliminar germes que podem estar presentes e garantir que ela continue assim nas redes de distribuição e nos reservatórios).