Água

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Água
Representação da água em seus três estados físicos na natureza. O oceano líquido, o gelo sobre as montanhas e o vapor invisível no céu.
Composição fotográfica dos três estados físicos da água na natureza: líquida no oceano e nas gotículas das nuvens, sólida no gelo e gasosa no vapor de água na atmosfera (invisível).
Fotografia de Europa, uma lua de Júpiter, que possui gelo em sua superfície.
Europa, um satélite de Júpiter, possui grande quantidade de água em sua formação. A água é comum por todo o Sistema Solar.

Água (fórmula: H2O) é uma substância química cujas moléculas são formadas por dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio. É abundante no Universo, inclusive na Terra, onde cobre grande parte de sua superfície e é o maior constituinte dos fluidos dos seres vivos. As temperaturas do planeta permitem a ocorrência da água em seus três estados físicos principais. A água líquida, que em pequenas quantidades parece incolor, mas manifesta sua coloração azulada em grandes volumes, constitui os oceanos, rios e lagos que cobrem quase três quartos da superfície do planeta. Nas regiões polares, concentram-se as massas de gelo e vapor constitui parte da atmosfera terrestre. Mais especificamente, a água líquida tem duas fases líquida com grandes diferenças de estrutura e densidade.[1]

A água possui uma série de características peculiares, como sua dilatação anômala, o alto calor específico e a capacidade de dissolver um grande número de substâncias. De fato estas peculiaridades foram favoráveis para o surgimento da vida nos oceanos primitivos da Terra, bem como propiciaram sua evolução. Atualmente, todos os seres vivos existentes precisam da água para sua sobrevivência.

Embora os oceanos cubram a maior parte da superfície terrestre, sua água é inadequada para o consumo humano por conta de sua salinidade. Somente uma pequena fração disponível sobre a superfície dos continentes que contém poucos sais dissolvidos, a água doce, está disponível para consumo direto. Contudo, sua distribuição não é uniforme, o que faz com que diversas regiões sofram de escassez hídrica. As atividades humanas, principalmente a agricultura, possuem grandes necessidades de retirada de água de seu leito natural, o que tem afetado negativamente sua distribuição sobre os continentes, bem como da água subterrânea.

A poluição hídrica compromete a qualidade da água, prejudicando a biodiversidade, bem como o abastecimento de água e a produção de alimentos. Além disso, uma parcela considerável da população mundial ainda não tem acesso à água potável, o que traz diversos problemas de saúde. A água é indispensável no modo de vida da humanidade, de forma que está fortemente ligada à cultura de todos os povos da Terra. Diante dos problemas advindos do mau uso dos recursos hídricos, surge uma nova consciência de que é necessário utilizar a água racionalmente.

Propriedades físicas e químicas

Ilustração de cinco moléculas de água interagindo entre si através das pontes de hidrogênio
Representação de moléculas de água e as ligações de hidrogênio entre elas (distâncias e tamanhos fora de escala). Note que os átomos de hidrogênio são atraídos por átomos de oxigênio de outra molécula.

A água é uma substância química cujas moléculas são formadas por dois átomos de hidrogênio covalentemente ligados a um átomo de oxigênio, sendo sua fórmula química dada por H2O. A geometria de equilíbrio para uma molécula isolada possui dimensões de 0,0958 nanômetros nas ligações O-H, e um ângulo H-O-H de 104°27'.[2] Estas moléculas interagem entre si sobretudo através da formação de pontes ou ligações de hidrogênio (que ocorrem quando átomos de hidrogênio são atraídos por átomos de oxigênio, mais eletronegativamente carregados), o que faz com que as moléculas, no estado líquido, fiquem 15% mais próximas entre si do que se agissem somente sob forças de Van der Waals, embora estas ligações também restrinjam o número de moléculas vizinhas para tipicamente quatro. A eletrólise da água permite a quebra das ligações atômicas, separando o hidrogênio e o oxigênio com a passagem de uma corrente elétrica.[3]

Detalhe de gotículas esféricas e transparentes de água sobre uma planta
Gotículas de água sobre uma Equisetum fluviatile, que possuem formato esférico devido à tensão superficial.

A água manifesta-se em seu estado líquido sob temperaturas entre 0 °C e 100 °C e pressão de uma atmosfera. As características físicas da água apresentam diversas anomalias quando comparadas com as propriedades típicas de outros líquidos. Alguns exemplos são o ponto de fusão, a densidade, a capacidade de calor e no total, existem mais de 70 propriedades da água que diferem da maioria dos líquidos. Uma propriedade notável é que a água pode existir como dois líquidos diferentes a baixas temperaturas onde a cristalização do gelo é lenta.[1] Outra propriedade, uma das mais notáveis é a sua dilatação anômala, sendo que a sua densidade máxima ocorre a aproximadamente 4 °C, expandindo-se tanto com o aumento quanto com a diminuição da temperatura. Este fato deve-se à quantidade de ligações de hidrogênio que formam-se conforme a temperatura diminui, sendo que o máximo número de ligações em cada molécula (seis) ocorre a 4 °C, quando as moléculas estão mais próximas ocorrendo, portanto, a maior densidade. Os pontos de fusão e ebulição da água são muito maiores do que seria predito baseado em modelos que levam em conta seu massa molecular, como em comparação com substâncias como sulfeto de hidrogênio (H2S) e seleneto de hidrogênio (H2Se).[4][5]

Na fase líquida, a água é uma substância inodora, insípida e transparente. Em pequenas quantidades, é incolor, assim como o gelo. Em grandes quantidades, no entanto, tanto na água líquida como sólida torna-se evidente sua coloração intrínseca azulada. Vapor de água é um gás transparente.[6]

Dentre outras anomalias da água, destacam-se seu alto calor latente de vaporização, sua elevada capacidade térmica, além da considerável mudança de propriedades entre água líquida a baixas e altas temperaturas. Conforme água resfriada é aquecida, a velocidade do som através de si cresce, seu volume diminui, seu índice de refração aumenta, a solubilidade de gases se torna maior e a condutividade térmica passa a crescer. Contudo, se água quente é aquecida, ocorre exatamente o oposto. A água possui, ainda, uma alta tensão superficial, menor somente que a tensão superficial do mercúrio dentre os líquidos comuns. Muitas destas propriedades são também atribuídas às ligações de hidrogênio entre as moléculas.[4][7]

Pequenos cristais de gelo de formato folheado
Formação de cristais de gelo durante a ocorrência de um sincelo.
Refração da luz na água

Pelo fato de a molécula de água não ser linear e a eletronegatividade do oxigênio ser maior do que a do hidrogênio, ocorre o aparecimento de regiões positivas e negativas na própria molécula sendo, portanto, uma molécula polar (dipolo). Por este motivo, a água é um ótimo solvente para substâncias iônicas, como sais, ácidos e bases. As ligações de hidrogênio contribuem para solubilidade de outros compostos que possuem hidrogênio ou oxigênio em sua composição. Pelo mesmo motivo, proteínas e partículas minúsculas podem ser mantidas em suspensão na água, formando um coloide. A água é, ainda, um bom solvente para alguns gases e substâncias orgânicas. Entretanto, graxas e óleos não se dissolvem em água.[8][9]

Em uma reação química, as moléculas de água podem doar um próton (H+), formando uma hidroxila, OH-, ou receber um próton, formando o hidroxônio, H3O+. De fato as moléculas de água doam e recebem prótons entre si, o que é chamado de autoionização da água. Embora ocorra em pequena extensão, este fenômeno é determinante, pois permite que a água aja como ácido ou base em uma dada reação. Pela presença desses íons, a água possui uma pequena condutividade elétrica.[10]

A água em sua fase sólida forma o gelo. Em geral a estrutura cristalina é formada por uma rede de moléculas orientadas conforme as pontes de hidrogênio. Entretanto, este arranjo pode se dar de diversas formas, sendo conhecidas pelo menos 17 formas cristalinas diferentes para o gelo, cada uma formada sob diferentes condições de temperatura e pressão. Nas condições comumente encontradas na Terra, forma-se o gelo Ih, no qual as moléculas se arranjam em estruturas hexagonais. Em 2016, uma equipe de pesquisa previu uma nova forma molecular de gelo com uma baixa densidade recorde. Se o gelo puder ser sintetizado, se tornaria a 18a forma cristalina conhecida de água.[11][12] A densidade do gelo é menor do que a da água líquida, e portanto, flutua na mesma.[13]

Gêiser emitindo vapor de água, com um arco-íris se formando ao fundo
Gêiseres, como este no Parque Nacional de Yellowstone, ejetam vapor de água periodicamente.

O ponto triplo da água, ou seja, as condições na qual a água pode coexistir tanto em estado físico, sólido ou gasoso, são à temperatura de 0,01 °C e pressão de 612 Pa. A ebulição da água sob as condições ambiente de pressão (1 atm) ocorre a 100 °C, dando origem ao vapor de água. A 373,9 °C e pressão de 22,064 MPa, ocorre o ponto crítico, além do qual não há a distinção entre as fases líquida e gasosa caracterizando, portanto, um fluido supercrítico. As propriedades da água sob tais condições são fortemente alteradas, ocorrendo mudanças tal como o aumento de sua reatividade química e de sua autodissociação.[14]

A água pode apresentar em sua composição isótopos dos elementos hidrogênio e oxigênio. A água pesada é formada por dois átomos de deutério, estáveis e não radioativos, e um de oxigênio, sendo que existe aproximadamente um átomo de deutério em cada 6.700 átomos de hidrogênio na água do mar. Recebe esta denominação pelo fato de que os átomos de deutério possuem maior massa resultando, assim, na maior densidade da água o que ocasiona, também, algumas pequenas diferenças a nível molecular. Uma proporção diminuta é ainda formada pela ligação entre hidrogênio e trítio, radioativo que decai com uma meia vida de aproximadamente doze anos. Essas variedades de água pesada são utilizados principalmente em usinas de fissão nuclear e na fabricação de bombas de hidrogênio, respectivamente.[15][16]

Dada sua importância, a água é utilizada como padrão para a definição de diversas grandezas físicas. Uma das definições de massa atribui a um quilograma a massa correspondente a um cubo com dez centímetros de lado (volume equivalente a um litro) de água pura a 4 °C. Devido aos diferentes isótopos presentes na água, definiu-se, ainda, o teor médio de isótopos, de acordo com o teor comumente encontrado nos oceanos. A escala Celsius é uma escala de temperatura definida na qual 0 °C representa o ponto de fusão do gelo e 100 °C a temperatura de ebulição da água à pressão atmosférica do nível do mar, razão pela qual esta escala também recebe o nome de centígrada. A caloria, por sua vez, é definida como a quantidade de energia necessária para aumentar a temperatura de um grama de água pura de 14,5 °C para 15,5 °C a pressão atmosférica padrão.[17]

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