Características Físicas e Químicas da Água

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE LICENCIATURA EM CIÊNCIAS INTERDISCIPLINA FENÔMENOS DA NATUREZA II Características Físicas e Químicas da Água Cleber Palma Silva / Edélti Albertoni

2 A MOLÉCULA DA ÁGUA A água é um elemento composto por dois átomos de hidrogênio (H 2 ) e por um átomo de Oxigênio (O), formando a molécula H 2 O. Formam uma ligação covalente polar. Formam o agregado que caracteriza a substância (H 2 0) n Pontes de Hidrogênio => unem uma molécula a outra

3 Importância das características da molécula da água As propriedades únicas da água são devidas a sua estrutura atômica e tipo de ligações químicas, assim como ao modo como as moléculas da água se associam nas fases sólida, líquida e gasosa. A bipolaridade resultante é a responsável pela tendência das moléculas se associarem umas com as outras, de dissolver outras substâncias e por possibilitar processos bioquímicos. Importância para a vida: nenhum processo metabólico ocorre sem a ação direta ou indireta da água. regulam o metabolismo dos ecossistemas aquáticos pois sua densidade varia com a temperatura o que tende a formar um ambiente estratificado que controla em grande parte as propriedades químicas e as características bióticas.

4 Temperatura e Estados da água A água é uma substância que existe na natureza em três estados: sólido, líquido e gasoso. A passagem entre um e outro estado envolve um rearranjo das moléculas e de seus agregados. É preciso muita energia para ferver a água, ou para derreter o gelo, por isto os ambientes aquáticos são considerados moderadores climáticos, e também são ecossistemas que apresenta menor variação de temperatura do que o terrestre. Fonte:

5 Calor Específico da Água É a quantidade de energia necessária para elevar em 1 C a temperatura de 1Kg de água que esteja a 14,5 C. A água é a substância com maior calor específico 1,0 cal/g C. Isto proporciona uma grande capacidade de armazenar calor com pequenas mudanças de Temperatura. Isto é de grande importância ambiental pois: Garante grande estabilidade térmica aos ecossistemas aquáticos. Os ambientes aquáticos apresentam uma pequena amplitude de variações de temperatura diária e sazonal. Grandes corpos de água funcionam como moderadores climáticos.

6 Calor de Vaporização da Água A quantidade de calor que deve ser fornecida para que a água evapore. A água é muito resistente ao aquecimento. Desta forma, aproximadamente 1/3 da energia solar que chega à superfície da Terra é dissipada para o aquecimento da água dos rios, lagos e oceanos. Como ocorre maior incidência de radiação solar nas regiões tropicais do globo as correntes oceânicas são importantes transportadores de calor para regiões de latitudes maiores.

7 Temperatura e Estados da água As cargas negativas estão mais próximas do átomo do oxigênio, e as partes carregadas mais positivamente mais perto dos átomos de hidrogênio. No estado líquido estas cargas elétricas atraem seus contrários de outras moléculas de água (pontes de hidrogênio) que são difíceis de serem quebradas. A quantidade destas ligações está diretamente ligada à temperatura da água, pois esta influencia o movimento molecular. Estas ligações fortes mantem a água líquida até 100 C em pressão normal, ao contrário de outras substâncias com peso molecular similar ou mais alto (Ex: éter, peso molecular de 74, ferve à 35 C).

8 Temperatura e Estados da água O número de pontes de hidrogênio é dependente da temperatura, da pressão e do tipo e da concentração das substâncias dissolvidas (solutos). Com o aumento da temperatura diminuem o número de pontes de hidrogênio, aumentando a agitação das moléculas e por fim tornando possível a passagem para o estado de vapor. Com a diminuição da temperatura diminuem a agitação molecular, e as ligações das pontes de hidrogênio ficam mais fortes, o que aumenta a densidade da água até um determinado ponto onde ocorre a anomalia da densidade da água.

9 Temperatura, Densidade e Anomalia da densidade da água Densidade Relação entre a massa e o volume que ela ocupa. Água líquida é cerca de 775 vezes mais densa que do que o ar à pressão padrão. As diferentes densidades da água governam em grande parte a dinâmica física e química dos ecossistemas aquáticos, assim como o metabolismo, através de sua influência sobre o transporte de nutrientes e dispersão de gases, correntes, etc. Variações na densidades da água Densidade sólida a 0 C 0,971 g/cm 3 Densidade líquida a 0 C 0,999 g/cm 3 Densidade líquida a 4 C 1,000 g/cm 3 Densidade líquida a 10 C 0,999 g/cm 3 Densidade líquida a 25 C 0,997 g/cm 3 Densidade líquida a 100 C 0,958 g/cm 3

10 Temperatura, Densidade e Anomalia da densidade da água Resumindo: A densidade da água líquida é menor a 100 C quando está prestes a passar para o estado de vapor. Com a diminuição da temperatura vai ocorrendo um aumento da densidade, até a temperatura de aproximadamente 4 C, onde a água apresenta sua densidade máxima Este ponto também é chamado de ponto da anomalia da densidade, pois com a diminuição da temperatura a densidade volta a diminuir, e apresenta sua menor densidade quando passa para o estado sólido (gelo) Esta característica explica porque o gelo flutua em água líquida abaixo de 4 C (3,94 C).

11 Temperatura, Densidade e Anomalia da densidade da água Ao contrário dos outros elementos, quando congelada, a água se dilata aumentando seu volume. O aumento de volume causa uma diminuição da densidade, fazendo com que o gelo seja menos denso que a água líquida e flutue. Por isto dizemos que a água apresenta uma ANOMALIA DA DENSIDADE. As moléculas de H 2 O têm um formato angular e, quando diminuímos sua agitação molecular (resfriamos), elas começam a se agrupar em um formato muito especial, devido à geometria e à atração entre as moléculas, formando cristais que ocupam mais espaço do que as mesmas moléculas ocupariam se estivessem soltas. Figura:

12 Temperatura, Densidade e Anomalia da densidade da água Em locais onde a temperatura do ar é muito baixa, alguns sistemas aquáticos podem congelar, e o gelo vai flutuar sobre a água líquida mais densa, com temperatura maior que 0 o C. A camada de gelo superficial exerce o papel de isolante térmico, impedindo que grandes massas de água se congelem. Isto permite que a fauna aquática possa migrar da superfície congelada para regiões com temperaturas mais elevadas.

13 Influência de materiais dissolvidos na densidade Mais a frente nesta apresentação falaremos sobre dissolução de substâncias em água. No momento é preciso apenas saber que o aumento de qualquer material dissolvido na água aumenta sua densidade. Quando estes materiais são sais principalmente NaCl esta é chamada de salinidade. Uma alta concentração de sais é característica de ambientes marinhos, enquanto a maioria dos ecossistemas aquáticos continentais são de água doce. Exceções são os estuários (ex. Lagoa dos Patos, ou outras lagos costeiras onde a salinidade pode ser até superior a marinha. Especificamente nos ambientes estuarinos com efeito da maré, apresentam a cunha salina. Isto ocorre pois a água do mar é mais densa, e penetra nos estuários por baixo da água doce, que tende a deixar o estuário próximo a superfície. A evaporação tende a aumentar a concentração de sais e consequentemente a salinidade, e inversamente a precipitação tende a diminuir a salinidade dos ecossistemas aquáticos.

14 Influência de materiais dissolvidos na densidade e salinidade A RESOLUÇÃO N o 357 DE 2005 do CONSELHO NACIONAL DO MEIO AMBIENTE-CONAMA (MMA). que dispõe, entre outros, sobre a classificação dos corpos de água e diretrizes ambientais para o seu enquadramento. Classifica as águas da seguinte forma: águas doces: águas com salinidade igual ou inferior a 0,5 (partes por mil) águas salobras: superior a 0,5 e inferior a 30 águas salinas: igual ou superior a 30 O total de sólidos dissolvidos (TSD) na água doce é menor do que 500 ppm (partes por milhão), nas águas salobras entre 500 e ppm, e nas salinas acima de ppm. O TDS também é utilizado para medir salinidade, pois esta nem sempre é definida apenas pela presença de sais em solução.

15 Influência da pressão na densidade A pressão tem um efeito indireto sobre a densidade da água. A cada 10 metros de profundidade aumenta 1 atmosfera de pressão. Este aumento na densidade, é importante para ambientes marinhos profundos. Isto faz com que os organismos que vivam em altas profundidades nos oceanos, ou que façam grandes mergulhos desenvolvam adaptações para suportar este aumento de pressão e densidade.

16 Materiais dissolvidos na água As forças elétricas que ligam as moléculas de água entre si podem servir também para ligar as moléculas de água a outras substâncias. Por isto muitas vezes é chamada erroneamente de solvente universal. A água é um bom solvente para substâncias que têm cargas elétricas positivas e negativas, principalmente íons de nutrientes minerais, e de compostos orgânicos e metálicos. É um solvente ruim para aquelas substâncias como hidrocarbonetos, derivados de petróleo, e gorduras minerais. A concentração máxima que um material pode estar dissolvido na água depende de vários fatores, entre os mais importantes estão a temperatura, e as próprias características do material. Por exemplo: O NaCl pode estar diluído até cerca de 400 g/l enquanto o carbonato de cálcio não é muito solúvel podendo alcançar cerca de 0,014 g/l.

17 Materiais dissolvidos na água Nutrientes São os elementos necessários para o desenvolvimento do metabolismo biológico, influenciando os processos de fotossíntese no ecossistema aquático. São originados pelas atividades de transporte do sistema terrestre do entorno, pela decomposição de matéria orgânica produzida no local, e pelas atividades de excreção dos organismos no meio aquático. Entre os principais estão: O nitrogênio na forma de nitrato (NO 3 ), e amônia (NH 3 ). O fósforo (P) na forma de fosfato (PO 4 ) O cálcio (Ca), ferro (Fe), manganês (Mg), potássio (K) e sílica (Si) são outros elementos utilizados pelos organismos. substâncias orgânicas, compostos de carbono, como carboidratos, proteínas, e lipídeos, liberados através das atividades metabólicas dos organismos.

18 Gases dissolvidos na água Nos ecossistemas aquáticos a presença e concentração de alguns gases são importantes e indicadores da qualidade ambiental. Por exemplo a baixa concentração de oxigênio dissolvido provoca a morte de peixes, e a produção excessiva de metano pode contribuir para a aceleração do efeito estufa e das mudanças climáticas. Existe uma troca entre a atmosfera e ambiente aquático, porém a difusão interna é geralmente muito lenta. A concentração máxima de gases é dependente principalmente da temperatura, assim durante o verão os ecossistemas aquáticos perdem mais facilmente o oxigênio para a atmosfera.

19 Gases dissolvidos na água A tabela abaixo apresenta os principais gases dissolvidos e sua origem principal. Elemento O 2 (oxigênio) N 2 (nitrogênio) CO 2 (gás carbônico) H 2 S (sulfeto de hidrogênio) CH 4 (metano) Origem Troca com atmosfera, e fotossíntese interna Fixação da atmosfera, e circulação interna por atividade microbiana aeróbica Troca com atmosfera, e pela respiração interna Decomposição com atividade microbiana anaeróbica Decomposição com atividade microbiana anaeróbica

20 Mede o grau de acidez ou alcalinidade da água e outras soluções Medida através da concentração de íons H + dissolvidos na água. ph = - log[h + ] Quanto menor a concentração de íons H + mais ácida a solução. Origem de íons é por dissolução de rochas, absorção de gases da atmosfera, oxidação da matéria orgânica, fotossíntese, despejos domésticos e industriais. A variação do ph influencia o equilíbrio de compostos químicos. A presença de íons de cálcio evitam a variação pronunciada do ph, por isto é chamado de solução tampão.

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22 Tensão superficial da água A força de atração das moléculas para dentro da fase líquida na interface ar/água As moléculas são atraídas somente pelas moléculas ao lado e abaixo delas, criando uma película chamada de tensão superficial

23 Isto dá o formato arredondado das gotas de água e permite que alguns organismos se desloquem sobre a superfície da água. A tensão superficial da água decresce com o aumento da temperatura e com a quantidade de substâncias orgânicas dissolvidas. Detergentes e sabões em pó e outros compostos que contém substâncias tensoativas diminuem a tensão superficial de ecossistemas aquáticos, prejudicando os organismos que vivem na superfície da água.

24 VISCOSIDADE DA ÁGUA Atração mútua das moléculas de água que produz uma fricção interna que cria resistência ao fluxo Capacidade da água em oferecer resistência ao movimento dos organismos e das partículas nela presente. Depende da temperatura e do teor de sais dissolvidos. A viscosidade da água é influenciada em pequena escala pela salinidade e muito afetada pela temperatura (quanto mais quente menor será a viscosidade). Tem Influência nos organismos de locomoção voluntária e naqueles de locomoção involuntária (taxas de afundamento). A distribuição dos organismos é influenciada muitas vezes pela estratificação de indução térmica das massas de água com densidades e viscosidades diferentes.

25 Bibliografia consultada Esteves, F.A. (Coord.) Fundamentos de Limnologia. 3ª Ed. Interciência. Rio de Janeiro. 790p. Ricklefs, R.E A Economia da Natureza. 6º Ed. Editora Guanabara Koogan, Rio de Janeiro, 546p. Rebouças, A.C.; Braga, B. & Tundisi, J.G. (Orgs.) Águas doces no Brasil: capital ecológico, uso e conservação. Escrituras. São Paulo. 717p. Tundisi, J.G. & T.M. Tundisi Limnologia. Oficina de Textos. São Paulo. 631p Von Sperling, M Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos. DESA/UFMG. Belo Horizonte. 452p.