Água: Projetada para a vida (1 de 7)

[atualizado em 24/set/2025]

Deus "projetando a água" (Imagem gerada por IA em Google Whisk)

Leia também: Parte 2 - Parte 3 - Parte 4 - Parte 5 - Parte 6 - Parte 7

por John Millam, Ken Klos e Iain D. Sommerville
20 de maio de 2013

Ao longo de maio e junho, apresentaremos uma série de artigos dos escritores convidados John Millam, Ken Klos e Iain D. Sommerville sobre as incríveis propriedades da água. Na parte 1, os autores discutem a natureza da capacidade de solvatação da água e sua importância para a sustentação da vida na Terra.

A água é uma molécula triatômica simples, mas seu comportamento é muito complexo. Nenhum químico, biólogo ou físico ousaria afirmar que a água foi exaustivamente estudada ou que seu funcionamento em escala molecular, quer seja em sistemas vivos, quer seja em sistemas não vivos, é completamente compreendido. [1]

A água é a substância da vida. Ela compõe cerca de 60% do corpo humano. Sem esse líquido precioso, todos nós morreríamos. No entanto, ela é tão onipresente na Terra que muitas vezes a subestimamos, ignorando sua importância.

Tudo ao nosso redor, desde a menor célula até o clima do planeta, é influenciado pela água. Por exemplo:

• A água serve como solvente líquido no qual ocorrem as reações bioquímicas da vida. [2]
• A água é necessária para o transporte de nutrientes e resíduos dentro de plantas e animais.
• A água desempenha um papel fundamental na regulação da temperatura global.
• A água é essencial para o ciclo da água (evaporação, condensação, precipitação, escoamento etc.).
• A água causa erosão das rochas (necessária para o desenvolvimento do solo e a liberação de elementos vitais).
• A água é útil para o transporte humano, comércio e recreação (por exemplo, passeios de barco).
• A água é essencial para resfriar os corpos dos humanos e de outros mamíferos por meio da transpiração e da respiração ofegante.
• A água fornece um ambiente hospedeiro para a vida aquática.
• A água lubrifica as placas tectônicas da Terra. [3]

Nesta série, pretendemos explorar a questão: Por que a água é tão necessária para nossa existência?

Água Como Solvente Universal

A água é considerada uma das moléculas mais simples (composta por apenas três átomos: uma molécula de oxigênio e duas de hidrogênio), mas seu comportamento é rico e complexo. Por exemplo, ela desempenha um papel maior e mais diverso em processos vivos e não vivos do que outras moléculas mais complexas.

Às vezes chamada de "solvente universal", a água também pode dissolver mais substâncias e em maior quantidade do que qualquer outro solvente. Neste primeiro artigo (de uma série de 7), exploraremos a conexão entre a versátil capacidade de solvatação da água e sua estrutura molecular finamente projetada.

Os químicos há muito tempo têm conhecimento da quantidade e diversidade impressionantes de compostos que a água pode dissolver. Em 1913, o bioquímico de Harvard Laurence Henderson publicou o primeiro estudo quantitativo sobre a relevância biológica das propriedades excepcionais da água. [5] Henderson apresentou uma análise dos principais componentes do soro sanguíneo e da urina. [6] Mesmo esse estudo limitado o levou a concluir que,

Não há dúvida de que se o veículo do sangue fosse diferente da água, as substâncias dissolvidas seriam muito restringidas em variedade e quantidade, nem que tal restrição deveria ser necessariamente acompanhada por uma restrição correspondente dos processos vitais. [7]

Desde então, os químicos modernos expandiram nosso conhecimento sobre a capacidade solvente da água, o que serviu para reforçar a conclusão de Henderson.

Henderson destaca outra razão pela qual a capacidade solvente da água é indispensável para a vida: o transporte e a distribuição global de sais e minerais. [8] Para começar, a água desempenha um papel importante na decomposição de rochas. [9] Essa erosão libera sais e elementos vitais para o meio ambiente. (A erosão também é o primeiro passo na criação do solo.) A água então atua para mobilizar essas substâncias, dissolvendo-as e carregando-as encosta abaixo para córregos, lagos, rios e oceanos, os quais podem depositá-las como sedimentos em vários lugares. Henderson relata que, em um determinado ano, os rios do mundo transportam coletivamente aproximadamente 27.093 quilômetros cúbicos de material — o que corresponde a cinco bilhões de toneladas de matéria mineral dissolvida, bem como quantidades estupendas de sedimentos. [10] Todos esses minerais são finalmente entregues a lagos, rios e oceanos, onde ficam disponíveis para a vida aquática e terrestre. Esse ciclo tem sido contínuo ao longo da história da Terra.

O impacto biológico dessa atividade não deve ser ignorado. Toda a vida depende principalmente de quatro elementos (carbono, nitrogênio, oxigênio e hidrogênio), mas também requer pequenas quantidades de uma variedade de outros elementos. O ferro, por exemplo, é essencial em certas proteínas-chave, como a hemoglobina (que transporta oxigênio no sangue). Alguns desses micronutrientes, como o molibdênio e o arsênio, são chamados de "venenos vitais" porque precisamos deles em quantidades mínimas, já que em grandes quantidades podem ser bastante tóxicos. [11]

O papel da água na dissolução e no transporte de elementos garante que essas necessidades extras estejam disponíveis em quantidade suficiente para plantas e animais. Por exemplo, Henderson lista 32 elementos disponíveis na água salgada comum. [12] Outros solventes não conseguem disponibilizar uma gama tão ampla de elementos.

A Estrutura da Água

Como podemos explicar o extraordinário potencial da água como solvente? Químicos responderam a essa pergunta examinando a água em nível molecular. A capacidade de solvatação da água pode ser entendida em termos de quatro propriedades principais, descritas a seguir.

Ângulo de Ligação

A forma curva da molécula de água, com um ângulo de 104,5° entre seus três átomos (ver Figura 1a), é uma de suas características mais notáveis. À primeira vista, pode-se esperar que a água seja linear, de modo que os dois hidrogênios possam estar o mais distantes possível. Entretanto, os quatro elétrons do átomo de oxigênio — dispostos em dois pares solitários e não envolvidos na ligação — também repelem os hidrogênios, forçando-os a se aproximarem e formarem um arranjo tetraédrico aproximado (ver Figura 1b). Um arranjo tetraédrico ideal tem ângulos de 109,5° (como visto com metano, CH₄), mas o ângulo da água é apenas um pouco menor (devido à presença dos pares de elétrons). A teoria da repulsão de pares de elétrons da camada de valência (VSEPR) fornece uma explicação mais detalhada da forma curva da água.

Figura 1: Estrutura da água mostrando (a) o ângulo entre os três átomos e (b) os dois pares de elétrons solitários. (Imagem de John Millam em Reasons to Believe)

Polaridade

Outro aspecto importante da estrutura da água é a polaridade das ligações covalentes entre o oxigênio central e seus dois hidrogênios. Nas ligações moleculares, há um cabo de guerra entre os átomos pela posse dos elétrons de ligação, com o elemento mais eletronegativo exercendo a maior atração. A maior eletronegatividade do oxigênio [13] significa que os elétrons passam mais tempo neste átomo do que nos átomos de hidrogênio. Como resultado, o oxigênio tem carga parcial negativa e os hidrogênios têm cargas parcialmente positivas (ver Figura 2). Essa separação de cargas é conhecida como polaridade da ligação.

 

Figura 2: Distribuição de carga ou momento dipolar em uma molécula de água (onde δ+ denota cargas parcialmente positivas e δ-, cargas parcialmente negativas). (Imagem de John Millam em Reasons to Believe)

Momento Dipolar

Se a água fosse linear, a polaridade das duas ligações da molécula se cancelaria, deixando a molécula apolar. E se esse fosse o caso, nossa história terminaria aqui — porque a água seria um solvente ruim e não seria muito útil. Em vez disso, seu formato curvo confere à água uma carga parcialmente positiva em um lado (hidrogênio) da molécula e uma carga parcialmente negativa no outro lado (oxigênio) (veja a Figura 2). Essa separação natural de carga é conhecida como  momento dipolar permanente. A água possui o segundo maior momento dipolar entre todas as moléculas pequenas (superado apenas pelo fluoreto de hidrogênio). [14]

O grande momento dipolar da água desempenha um papel central em sua capacidade de atuar como um solvente eficaz. Para compostos iônicos (por exemplo, sais), o lado negativo (oxigênio) da água interage fortemente com os íons positivos, e o lado positivo (hidrogênio) com os íons negativos, atraindo-os para a solução (ver Figura 3a). De forma semelhante, a água pode interagir fortemente com as cargas parciais de outras moléculas polares para dissolvê-las (ver Figura 3b).

Figura 3 (Imagem de John Millam em Reasons to Believe)

Em contraste, a água não consegue dissolver facilmente moléculas apolares porque não consegue interagir fortemente com elas. Óleos (hidrocarbonetos) são o exemplo clássico. Esse fenômeno de aglutinação do óleo em vez de dissolução na água é chamado de efeito hidrofóbico e deu origem à expressão "óleo e água não se misturam".

A incapacidade da água de dissolver esses compostos oleosos pode parecer um defeito, mas vemos essa característica como parte do design da água para a vida, pois é necessária para o desenvolvimento das paredes celulares. [15] Lipídios (moléculas de gordura contendo longas cadeias laterais de hidrocarbonetos) se automontam naturalmente nas paredes celulares devido ao efeito hidrofóbico. As paredes celulares são cruciais para o funcionamento adequado de todos os seres vivos. Elas separam a célula de quase tudo o que a rodeia, mas permitem seletivamente a entrada de certos nutrientes e minerais na parede celular ou liberam resíduos por meio de canais cuidadosamente controlados.

Constante Dielétrica

Outra consequência do grande momento dipolar da água e de sua forma molecular é sua constante dielétrica excepcionalmente alta. (Com apenas duas exceções, a constante dielétrica da água é maior do que a de todos os outros líquidos. [16]) A constante dielétrica se refere à capacidade de um solvente de envolver espécies iônicas (carregadas).

Para ilustrar isso, considere o caso do sal de cozinha comum (NaCl) e seus íons componentes com carga oposta (Na⁺ e Cl^–). Em solventes com constante dielétrica baixa, a atração eletrostática entre os íons dificultaria sua separação e impediria a dissolução do sal. Na água, Contudo, tanto o Na⁺ quanto o Cl^– são completamente envolvidos por uma camada de moléculas de água, enfraquecendo a atração eletrostática entre os íons. A tendência da água de envolver outras substâncias a torna energeticamente favorável à separação de sais e outras espécies iônicas em íons distintos, resultando assim em sua dissolução (ver Figura 3a).

Para ajudar a entender esse significado, considere os aminoácidos (os blocos de construção das proteínas). Eles são moléculas polares e, portanto, devem se dissolver em água, mas seu grande tamanho reduz muito sua solubilidade. Esse obstáculo pode limitar sua presença em sistemas biológicos; porém, sua capacidade de autoionização aumenta muito sua solubilidade. Na autoionização, um lado da molécula perde um íon de hidrogênio (H⁺ ) e o outro lado ganha um (veja a Figura 4). O resultado líquido são dois centros de carga (um positivo e um negativo) aos quais a água pode se agarrar facilmente e, em seguida, puxar os aminoácidos para a solução. Essa autoionização é energeticamente favorável apenas em solventes com uma constante dielétrica alta, como a água. Sem essa constante dielétrica alta, as proteínas e outras biomoléculas grandes seriam apenas marginalmente solúveis, tornando a vida em qualquer forma impossível.

 

Figura 4: Autoionização do aminoácido alanina. 
A forma natural (não ionizada) está à esquerda e a ionizada à direita. A linha tracejada ilustra a transferência do hidrogênio ligado ao oxigênio para o nitrogênio. (Imagem de John Millam em Reasons to Believe)

Importância Crítica da Forma Curva da Água

É bem sabido que as moléculas de água são curvadas. No entanto, é bom reconhecer que esse ângulo é vital para a estrutura da água. Se a água perdesse sua curvatura (ou seja, se endireitasse de modo que os três átomos formassem uma linha), a polaridade de suas duas ligações se equilibraria (cancelaria) mutuamente. Isso tornaria a água apolar, mesmo que suas ligações fossem polarizadas. Consequentemente, a água não teria momento dipolar, uma constante dielétrica pequena, e seria um solvente ruim. As outras propriedades da água também seriam afetadas, mas exploraremos cada uma delas nas partes subsequentes desta série.

Conclusão

Hoje, exploramos quatro aspectos da estrutura molecular da água. Individualmente, essas características podem parecer banais, mas, coletivamente, produzem uma molécula extraordinária. A partir delas, podemos entender por que a água é o solvente por excelência e absolutamente indispensável para a vida. Em artigos subsequentes, exploraremos mais sobre as incríveis características estruturais da água e discutiremos por que elas são tão cruciais para a vida aqui na Terra.

Dr. John Millam
O Dr. John Millam recebeu seu doutorado em química teórica pela Rice University, em 1997, e atualmente atua como programador na Semichem em Kansas City.

Ken Klos
O Sr. Ken Klos recebeu seu mestrado em estudos ambientais pela Universidade da Flórida em 1971 e trabalhou como engenheiro ambiental/civil para o estado da Flórida.

Dr. Iain D. Sommerville
O Dr. Iain D. Sommerville recebeu seu doutorado pela Universidade de Strathclyde, Glasgow, Escócia, em 1966, e atualmente atua como professor emérito de ciência e engenharia de materiais na Universidade de Toronto.

Notas de Fim

1. J. C. Bailer Jr. et al., Chemistry, 2 ed., (Orlando, FL: Academic Press, 1984), 422.
2. A água desempenha um papel tão vital na manutenção da química da vida que os cientistas, em geral, sustentam que a vida é provavelmente impossível sem ela. Contudo, alguns questionam essa noção, sugerindo que a vida pode surgir em um planeta ou mesmo em uma lua usando um líquido diferente da água. A possibilidade de vida radicalmente diferente da que conhecemos está além do escopo desta série, mas esperamos explorá-la em artigos futuros.
3. Peter D. Ward e Donald Brownlee, Rare Earth (New York: Copernicus, 2000), 200–201. Para uma discussão mais aprofundada sobre a tectônica de placas e sua importância na sustentação da vida neste planeta, veja p. 191–20.
4. O termo "solvente universal" é um equívoco, pois nenhum solvente consegue dissolver tudo. Originalmente, o termo se referia ao "alkahest", uma substância mítica procurada pelos alquimistas medievais que podia dissolver qualquer coisa — até mesmo ouro. Porém, a água continua sendo o solvente mais eficaz conhecido.
5. Lawrence Joseph Henderson, The Fitness of the Environment (New York: MacMillan, 1913).
6. Ibid., 116–17. Especificamente, Henderson lista os 10 principais componentes do soro sanguíneo bovino por concentração. Para a urina, ele lista 37 variedades de espécies orgânicas e 10 sais inorgânicos. Ele também reconheceu que ambos continham significativamente mais substâncias em concentrações mais baixas.
7. Ibid., 116.
8. Ibid., 111–15.
9. Água auxilia na erosão de pelo menos quatro maneiras distintas. Primeiro, a ação mecânica da água corrente — na forma de escoamento de chuva, córregos, rios e ondas do oceano — tritura lentamente as rochas em pedaços menores. Segundo, a água pode absorver dióxido de carbono (CO₂) do ar para formar ácido carbônico (H₂CO₃), um ácido fraco que ajuda a decompor certas rochas. Terceiro, quando a água congela, ela se expande. Essa expansão pode rachar as rochas mais duras. Quarto, à medida que as geleiras (gelo sólido) se movem, elas esmagam rochas e esculpem vales.
10. Ibid., 113–14.
11. Hugh Ross, The Creator and the Cosmos, 3 ed. (Colorado Springs: NavPress, 2001), 185–86. Venenos vitais incluem cromo, molibdênio, selênio, vanádio, arsênio, boro, cloro, cobalto, cobre, flúor, iodo, manganês, níquel, fósforo, potássio, enxofre, estanho e zinco.
12. Henderson, The Fitness of the Environment, 114.
13. O flúor é o elemento mais eletronegativo, seguido pelo oxigênio.
14. John D. Barrow e Frank J. Tipler, The Anthropic Cosmological Principle (New York: Oxford University Press, 1986), 338.
15. Michael J. Denton, Nature’s Destiny (New York: The Free Press, 1998), 32.
16. Barrow e Tipler, The Anthropic Cosmological Principle, 538. De todos os líquidos, apenas o cianeto de hidrogênio (HCN) e o formaldeído (H₂CO) têm uma constante dielétrica maior que a da água. Entretanto, ambos são tóxicos para a maioria das formas de vida.

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Traduzido de Water: Designed for Life, Part 1 (of 7) (RTB)

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