ÁGUA NO SOLO 1. INTRODUÇÃO

Transcrição

1 1 ÁGUA NO SOLO PROF. GILSON MOURA FILHO/SER/UFAL CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM AGRONOMIA DISCIPLINA: FÍSICA DO SOLO 1. INTRODUÇÃO "A água é o constituinte mais característico da terra. Ingrediente essencial da vida, a água é talvez o recurso mais precioso que a terra fornece à humanidade. Embora se observe pelos países mundo afora tanta negligência e tanta falta de visão com relação a este recurso, é de se esperar que os seres humanos tenham pela água grande respeito, que procurem manter seus reservatórios naturais e salvaguardar sua pureza. De fato, o futuro da espécie humana e de muitas outras espécies pode ficar comprometido a menos que haja uma melhora significativa na administração dos recursos hídricos terrestres." (J.W.Maurits la Rivière, Ph.D. em Microbiologia, Delft University of Technology, Holanda)

2 /3 da superfície da Terra. Quase toda a água do planeta está concentrada nos oceanos. Apenas uma pequena fração (menos de 3%) está em terra e a maior parte desta está sob a forma de gelo e neve ou abaixo da superfície (água subterrânea). Só uma fração muito pequena (cerca de 1%) de toda a água terrestre está diretamente disponível ao homem e aos outros organismos, sob a forma de lagos e rios, ou como umidade presente no solo, na atmosfera e como componente dos mais diversos organismos. Líquido, gasoso (atmosfera) e sólido Necessidade é maior nas regiões quentes e secas; áridas e semi-áridas. Excesso de água deficiência de O Excesso de ar deficiência de H O Sistema Solo-Planta-Atmosfera

3 3. ESTRUTURA MOLECULAR Apesar de seu baixo peso molecular, em temperatura ambiente, a água é um líquido e não um gás quando, por exemplo, é comparada ao H S (molécula irmã) cujo ponto de ebulição é -60,7 C. 1 cm 3 de água, na fase líquida, contém cerca de 3,4 x 10 (34 mil bilhões de bilhões) de moléculas, cujo diâmetro é aproximadamente 0,3 nm. A fórmula química da água é H O, o que significa que cada molécula é constituída de átomos de hidrogênio e 1 átomo de oxigênio. Isótopos (= elemento químico e n o. de massa) Isótopos 1 3 1H, 1H, 1H, O, 8 O, 8 O, 16 Os átomos instáveis tendem, portanto, a associar-se a outros para ganhar, perder ou compartilhar elétrons. Efetuam desse modo uma Ligação Química. Estáveis Última camada completa com 8 elétrons, são estáveis. Estáveis (gases nobres). Instáveis (demais; não podem existir livres e isolados). compartilhar. Valência O n o. de elétrons que um átomo pode perder, ganhar ou

4 4 Ao perder ou ganhar Íon Íons positivos ou cátions perdem elétrons (val. +) Íons negativos ou ânions ganham elétrons (val. -) Valência Eletrovalência Compartilhar elétrons Não formam Íons valência. Cada par de elétrons compartilhados representa uma Valência Covalência Ligação Química Iônica (íons) Covalente ou molecular (compartilha elétrons) Ligação covalente As ligações químicas nem sempre acontecem entre um átomo que precisa ceder e outro que precisa ganhar elétrons. Pode ocorrer também um encontro entre dois átomos que precisam ganhar elétrons. A ligação covalente ocorre entre um não-metal e não-metal ou entre hidrogênio e não-metal. H K (1) O K () L(6) Camada K elétrons - estável Camada L 8 elétrons - estável Tanto o H quanto o O precisam ganhar elétrons para tornarem-se átomos estáveis. O H precisa ganhar um, o oxigênio, dois. Não há ganho nem perda de elétrons. Cada um dos H vai compartilhar um par de elétrons; o oxigênio dois pares. O resultado agora é um composto molecular ou molécula.

5 5 Quadro 1. Massa atômica e algumas constantes de temperatura de fusão e ebulição Elemento Massa Atômica O C O C TF TE Comparti- Massa TF TE lhado c/ H molecular O C O C O H O S 3 H S Se 80 H Se Te 18 H Te Elemento/ Substância TF TE O C O C H O NaCl Álcool Éter 35 Hg Tungstênio Comparada ainda com outros líquidos comuns, a água possui calor específico, calor de evaporação e calor de fusão altos, além de viscosidade, tensão superficial e constante dielétrica elevadas. Os dois átomos de H estão ligados ao O formando um ângulo de aproximadamente Este arranjo assimétrico dos hidrogênios causa um desbalanceamento das cargas eletrostáticas na molécula da água. De um lado da molécula (lado do oxigênio) há excesso de carga negativa,

6 6 enquanto que do outro (lado do hidrogênio) há predominância de carga positiva. Esta distribuição assimétrica de cargas dá origem a uma polaridade, que por sua vez atribui às moléculas de água uma atração pelas moléculas vizinhas segundo uma certa orientação, e é ainda a razão porque a água é um bom solvente, adsorve prontamente sobre superfícies sólidas e hidrata íons e colóides. Cada próton de hidrogênio, ao mesmo tempo que se acha ligado ao oxigênio, na formação de moléculas individuais de água, é também atraído pelo oxigênio vizinho da molécula vizinha, com a qual ele forma uma secundária conhecida como ponte de hidrogênio.

7 7 As ligações intermoleculares resultantes da polaridade não são tão rígidas como as ligações primárias oxigênio-hidrogênio da molécula. Estas ligações secundárias formam uma cadeia de moléculas denominada polímero. É ainda, devido às pontes de hidrogênio, os altos valores de calor específico e viscosidade. A polaridade das moléculas de água prova atração entre elas, sendo que a uma determinada temperatura podem ser encontradas moléculas resultantes da polaridade não são tão rígidas como as ligações primárias oxigênio-hidrogênio da molécula. O aumento da temperatura de uma massa de água favorece a formação da associação manométrica aumentando a fluidez, diminuindo a viscosidade. Maior temperatura, aumenta o movimento térmico das partículas, afastando a molécula, e com isso, uma menor densidade.

8 8 A polaridade das moléculas de água provoca atração entre elas, sendo que a uma determinada temperatura podem ser encontradas moléculas individuais e também aquelas ligadas por ponte de hidrogênio formando os aglomerados. 3. TENSÃO SUPERFICIAL É um fenômeno que ocorre toda vez, que existe uma interface líquido-gás. Não é exclusivo. O líquido se comporta como se tivesse coberto por uma membrana elástica sob tensão que atua no sentido de forçar a superfície do líquido a contrair-se.

9 9 Se a linha AB for puxado para baixo com uma força F de uma distância d, o trabalho w realizado por esta força será Fd, isto é: w = F d ( 1 ) e o aumento de área superficial será Ld, uma vez que ambos os lados da película devem ser considerados; observe que a força F atua através do fio AB na linha de comprimento L da película (1L para cada lado da película). L A B d F Como este trabalho é proporcional ao aumento de superfície, seu valor, por unidade de área de superfície distendida, é uma constante para cada líquido, numa determinada temperatura. Por expressar a magnitude do estado de tensão da superfície do líquido, tal constante recebeu o nome de tensão superficial ou coeficiente de tensão superficial. w J Ld m ( )

10 10 Portanto, por definição, tensão superficial de um líquido é o trabalho por unidade de área gasto para distender sua superfície. A substituição da equação ( 1 ) na equação ( ) resulta o valor: F L N m ( 3 ) isto é, a força necessária para deslocar AB de uma mesma distância d é proporcional a comprimento L da linha da superfície na qual a força F é aplicada e a constante de proporcionalidade é. maneira: A tensão superficial no Sistema CGS é representado da seguinte w Ld erg Fd F dina ( 4 ) cm Ld L cm dina cm g. cm. s cm g. s ou N m kg. m. s m kg. s ( 5 ) O valor do coeficiente de tensão superficial depende não só do líquido, mas também do meio circundante. Para nossos objetivos interessa-nos a penas o caso em que o ar é o meio. Quando nos textos o meio circundante não é mencionado está implícito que seja o ar. Depende também, da temperatura, diminuindo a medida que esta aumenta.

11 11 Quadro 1 - Coeficiente de tensão superficial de alguns líquidos Líquido Tensão superficial a 0 0 C (dina/cm) Água 7,7 Éter 17,0 Álcool etílico,0 Mercúrio 413,0 Quadro - Coeficiente de tensão superficial para a água de contato. Temperatura C (N/m) (dina/cm) 0 0, ,40 4 0, , ,074 74, 0 0,0775 7,75 5 0, , , , , , , , , ,80 Quanto menor a tensão superficial o líquido molha mais a superfície A expansão térmica tende a reduzir a densidade do líquido e, portanto, diminuir as forças coesivas tanto no interior da fase liquida quanto em sua superfície.

12 1 4. CURVATURA DA SUPERFÍCIE DA ÁGUA E PRESSÃO HIDROSTÁTICA A fim de ilustrar as relações existentes entre a curvatura da superfície e pressão, devemos desenvolver o seguinte experimento hipotético: Forma de uma esfera (FORMA OBTIDA PORQUE É AQUELA QUE PROPORCIONA A MENOR ÁREA SUPERFICIAL PARA DADO VOLUME) com raio R. ÁreaEsfera 4 R ( 6 ) 4 R 3 VolumeEsfe ra 3 ( 7 )

13 13 Ocorre aumento de área e de volume da bolha com o aumento da pressão. Essa nova área é determinada por: 4 ( R dr) 4 R 8 RdR isto é, negligenciando os termos que contém (dr). O aumento da área superficial da bolha demandou a aplicação de trabalho contra a tensão superficial, sendo a quantidade de trabalho expressa por: 8 RdR ( 8 ) Simultaneamente, o volume da bolha fica aumentado em: 4 3 ( R dr) R 3 4 R dr isto é, negligenciando os termos que contém (dr) e (dr) 3. Tal aumento do volume da bolha contra a pressão P implica na realização de trabalho, cujo valor é: P4 R dr ( 9 ) As duas expressões (8 e 9) relativas ao trabalho devem ser igualadas: R d R = P R 1 R d R P R ( 10 ) A pressão é diretamente proporcional com a tensão superficial e inversamente proporcional com o raio da curvatura da bolha. P 1 = pressão no interior da bolha. P = pressão no líquido junto à interface. À medida que R, P1 P ou P 0, aproximando-se do caso de superfícies planas. Isto implica ainda em dizer que a adição sucessiva de ar à bolha resultará no decréscimo e não no acréscimo de sua pressão interna. Neste caso, P P1 P, sendo que R P1 Patm e P Patm R

14 14 Quando a zona limítrofe entre o líquido e o gás não é plana, mas sim curva (côncava ou convexa), ocorre uma diferenciação de pressão entre as duas fases. Se duas câmaras de ar, sob pressão diferentes, forem separadas por uma membrana de borracha esticada, esta será arqueada para o lado de menor pressão.. 5. ÂNGULO DE CONTATO DA ÁGUA COM SUPERFÍCIES SÓLIDAS Aplicando-se uma gota de líquido sobre uma superfície sólida, este irá deslocar o gás, que originalmente cobria a superfície sólida, espalhando-se sobre a superfície até atingir o ponto de equilíbrio. Tão logo o líquido cesse, a interface líquido-gás irá formar um ângulo característico na interseção com a superfície sólida. Este ângulo é determinado de ângulo de contato.

15 15 De acordo com o valor de, tem-se: a) = 0 0 espalhamento completo do líquido sobre a superfície sólida ("molhamento perfeito"); b) = rejeição total do líquido pelo sólido ("não molhamento"); c) 0 0 < < 90 0 líquido molha o sólido; e d) 90 0 < < líquido é repelido pelo sólido (as forças de coesão são mais importantes). O valor de depende das forças de adsorção entre as moléculas do líquido e do sólido. Se estas forças entre o sólido e o líquido são maiores do que as forças coesivas dentro do líquido e maiores que as forças entre o gás e o sólido, tende a ser agudo e diz-se que o líquido "molha" o sólido.

16 16 Gás GS Líquido LG SL A Sólido GS SL LG cos cos GS SL LG Cada uma dessas tensões superficiais tendem a reduzir sua própria superfície limítrofe. Pela redução das tensões LG e SL (com auxílio de detergente, por exemplo) pode-se aumentar cos, diminuindo o ângulo de contato líquido., e promovendo assim a molhadura da superfície sólida pelo 6. CAPILARIDADE Quando um tubo capilar é imerso num líquido, este formará um menisco em conseqüência do ângulo de contato do líquido com as paredes do tubo. A curvatura do menisco será tanto maior quanto menor for o raio (r) do tubo capilar. Isto é, quanto mais estreito for o tubo capilar (menor diâmetro). Essa curvatura causa o desenvolvimento de uma diferença de pressão através da interface líquido-gás que será tanto maior quanto menor for raio de curvatura (R) do menisco.

17 17 P P P1 P0 P1 P0 R ( 1 ) R r cos cat.adjacente hipotenusa r cos ( ) R r R ( 3 ) cos

18 18 em que: r = raio do tubo capilar; R = raio de curvatura do menisco. Para = 0 0 o R = r, neste caso, o menisco será uma semiesfera. Cos 0 0 = 1. Para entre 0 e 90 0, o r = Rcos. Aplicando a equação (1) com a (3) fica: P P1 P0 cos R r r ( 4 ) cos A diferença de pressão existente sob o menisco e a atmosfera é diretamente proporcional à tensão superficial do líquido ( ) e ao coseno do ângulo de contato ( ) e, inversamente proporcional ao raio do tubo capilar (r). P dgh ( 5 ) dgh cos r h cos dgr ( 6 ) cos h ( dl dar) gr em que: d ou dl = densidade do líquido; dar = densidade do ar ou do meio circundante; g = aceleração da gravidade; h = altura do tubo capilar ou altura de elevação da água. ( 7 ) Se fosse o mercúrio (Hg) apresentando força de coesão mais elevada; densidade elevada, por isso que não molha o vidro. Ocorre é uma depressão capilar.

19 19