Água: Projetada para a vida (2 de 7)

Deus "projetando a água" (Imagem gerada por IA - Salvador Daqui em NightCafé Studio)

Leia também: Parte 1 - Parte 3 - Parte 4 - Parte 5 - Parte 6 - Parte 7

 

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

Os escritores convidados John Millam, Ken Klos e Iain D. Sommerville continuam sua exploração da água com uma análise de como as forças intermoleculares influenciam os pontos de ebulição e fusão da água.

“Oceano, s. Um corpo de água que ocupa cerca de dois terços de um mundo feito para o homem — que não tem guelras.” Ambrose Bierce, The Devil’s Dictionary

É fácil subestimar os oceanos da Terra. Essas grandes massas de água são uma visão familiar — cobrindo mais de 70% da superfície do planeta. A mera presença de água líquida (oceanos, lagos e rios) desempenha um papel crucial na manutenção da vida. Dada a raridade de vestígios de água líquida em nossa galáxia, sua abundância na Terra reflete um incrível ajuste fino do nosso planeta e do sistema solar (um tópico que abordaremos mais adiante nesta série). Hoje, examinaremos a questão mais imediata de por que é possível que a água seja líquida (em vez de gasosa) à temperatura ambiente.

Forças Intermoleculares

Na parte 1 desta série, examinamos a estrutura molecular da água. Cada molécula de água consiste em dois hidrogênios ligados covalentemente (por meio de dois pares de elétrons compartilhados) a um átomo de oxigênio central. Essas ligações covalentes são extremamente fortes e mantêm a molécula unida. Aqui, na parte 2, deixaremos de considerar as forças intramoleculares (ligações entre átomos na mesma molécula) para considerar as forças intermoleculares (atrações entre moléculas diferentes).

Considere o incontável número de moléculas individuais de água em um copo d'água. Essas moléculas estão unidas por uma rede de forças intermoleculares atrativas para formar um líquido. A natureza e a intensidade dessas forças determinam as propriedades macroscópicas da água, como seu ponto de ebulição.

Por exemplo, se as forças intermoleculares da água fossem consideravelmente mais fracas, então a água seria um gás (exceto em temperaturas extremamente baixas) porque o movimento térmico que empurra as moléculas para longe seria maior do que as forças intermoleculares que as mantêm unidas. Somente quando as forças intermoleculares são fortes o suficiente, elas podem superar o movimento térmico (abaixo de uma certa temperatura) e permitir que a substância se condense em um líquido. Este ponto de inflexão entre se comportar como um gás e um líquido é o ponto de ebulição. Quanto mais fortes as forças intermoleculares, maior será o ponto de ebulição. Se elas forem fortes o suficiente (como no caso da água), então o ponto de ebulição será alto o suficiente para que a substância exista como um líquido em temperaturas normais (ou seja, o que experimentamos na superfície do nosso planeta).

É claro que, se as forças intermoleculares forem muito fortes (a uma dada temperatura), as moléculas se ligarão para formar um sólido em vez de um líquido. Isso corresponde ao ponto de fusão. Para que grande parte da Terra seja coberta por água líquida, as forças intermoleculares devem ser fortes (muito mais fortes do que seria esperado para uma molécula pequena) — mas não muito fortes.

Ligação de Hidrogênio

Existem vários tipos de forças intermoleculares — mas apenas a ligação de hidrogênio é crucial para nossa discussão atual. Apesar do nome, uma "ligação de hidrogênio" não é uma ligação química verdadeira (já que não há compartilhamento de elétrons). Em vez disso, é um tipo especial de atração eletrostática. Uma ligação de hidrogênio é análoga a dois ímãs unidos porque seus polos opostos se atraem. As ligações de hidrogênio funcionam como uma ponte ou conexão forte entre moléculas vizinhas, de modo que elas se unem (por exemplo, fazendo com que a água se comporte como um líquido em vez de um gás à temperatura ambiente). E como as ligações de hidrogênio não são tão fortes quanto as ligações químicas verdadeiras, elas podem facilmente se romper e se refazer (semelhante à separação e reconexão de ímãs).

Duas características notáveis das ligações de hidrogênio merecem ser mencionadas aqui. Primeiro, elas são fortes em comparação com outras forças intermoleculares para moléculas pequenas. Portanto, desempenham um papel importante na determinação das propriedades da água. [1] Segundo, ao contrário das outras forças intermoleculares, as ligações de hidrogênio se formam apenas quando certas condições são atendidas. Consequentemente, substâncias que contêm ligações de hidrogênio apresentam comportamento e propriedades significativamente diferentes quando comparadas a moléculas semelhantes que não possuem essas ligações.

A formação de ligações de hidrogênio requer que um átomo atue como um "doador" de hidrogênio e um átomo adjacente como um "receptor". [2] O átomo doador deve ser um átomo altamente eletronegativo ligado a um átomo de hidrogênio. [3] De todos os elementos, apenas nitrogênio (N), oxigênio (O) e flúor (F) são suficientemente eletronegativos para permitir ligações de hidrogênio significativas. O átomo aceptor também deve ser altamente eletronegativo (novamente principalmente N, O ou F) e possuir um "par solitário" de elétrons (dois elétrons que não estão envolvidos na ligação covalente). O doador faz com que seu átomo de hidrogênio tenha uma carga parcialmente positiva, que é então atraída para o par solitário com carga negativa no aceptor. Por fim, o doador, seu hidrogênio, o aceptor e seu par solitário devem estar dispostos ao longo de uma linha quase reta (ver Figura 1). [4]

Figura 1: Diagrama da ligação de hidrogênio entre moléculas de água (Imagem de John Millam em Reasons to Believe)

Importância da Ligação de Hidrogênio

Para entender a importância das ligações de hidrogênio, é útil comparar o ponto de ebulição da água com o de compostos intimamente relacionados. A água é um hidreto de oxigênio — um elemento ligado a um número apropriado de átomos de hidrogênio (dois hidrogênios no caso do oxigênio). Portanto, vamos compará-la com hidretos de elementos localizados próximos ao oxigênio na tabela periódica. A Figura 2 mostra os pontos de ebulição desses hidretos, com linhas conectando elementos da mesma "família" (pertencentes à mesma coluna da tabela periódica). [5]

Se ignorarmos por um momento três pontos de ebulição anômalos — os da água (H₂O), da amônia (NH₃) e do fluoreto de hidrogênio (HF) —, observamos uma clara tendência de aumento dos pontos de ebulição para a direita. Isso é resultado de outra força intermolecular (chamada dispersão de London), que aumenta de intensidade à medida que o número de elétrons aumenta. A partir disso, podemos extrapolar quais seriam os pontos de ebulição aproximados dos três pontos anômalos — H₂O, NH₃ e HF — se não houvesse ligação de hidrogênio (veja as linhas tracejadas vermelhas na Figura 2).

Se a água não possuísse ligações de hidrogênio, esperaríamos que ela atingisse o ponto de ebulição em torno de –100 °C (–148 °F) — em vez de 100 °C (212 °F). Essa é uma diferença enorme! O gráfico equivalente para os pontos de fusão (não mostrado) segue uma tendência semelhante. Claramente, sem ligações de hidrogênio, a água seria um gás em temperaturas normais e, portanto, não poderia servir como meio para processos celulares. Nem haveria rios, lagos ou oceanos — sem mencionar as pessoas!

 

Figura 2: Pontos de ebulição de certos hidretos. 
As linhas tracejadas vermelhas aproximam os pontos de ebulição de H₂O, NH₃ e HF na ausência de ligações de hidrogênio. (Imagem de John Millam em Reasons to Believe)

Comparação de Água, Amônia e Fluoreto de Hidrogênio

Os pontos de ebulição da água, da amônia e do fluoreto de hidrogênio são claramente excepcionais quando comparados aos de outros hidretos similares. Mas o alto ponto de ebulição da água se destaca muito acima desses dois concorrentes mais próximos em termos de excepcionalidade. Essa diferença merece uma análise mais detalhada.

O flúor é mais eletronegativo que o oxigênio; portanto, as ligações de hidrogênio do HF são as mais fortes dos três — mas a água tem o ponto de ebulição mais alto. Isso ocorre porque a água pode formar até quatro ligações de hidrogênio por molécula (veja a Figura 3), enquanto as outras se limitam a apenas duas. Assim, as moléculas de água podem formar uma rede de ligações de hidrogênio que se estende em todas as direções. Qualquer força aplicada a uma molécula de água será transmitida a todas as outras moléculas por meio dessas ligações de hidrogênio. Em contraste, a amônia e o fluoreto de hidrogênio podem formar apenas pequenos aglomerados de ligações de hidrogênio.

 

Figura 3: Quatro moléculas de água orientadas, conforme exigido por suas ligações de hidrogênio, em torno de uma quinta molécula central.
Cada uma das quatro moléculas circundantes pode se ligar por meio de ligações de hidrogênio a três outras moléculas de água, resultando em uma rede contínua de ligações de hidrogênio por toda a massa de água. (Imagem de John Millam em Reasons to Believe)

A água é capaz de formar quatro ligações de hidrogênio porque possui dois hidrogênios (doadores) e dois pares de elétrons isolados no oxigênio (aceptores). O HF possui três pares isolados (doadores), mas apenas um átomo de hidrogênio (aceptor), portanto, como um líquido puro, cada molécula de HF normalmente participaria de apenas duas ligações de hidrogênio. [6] O NH₃ tem o problema oposto, tendo três doadores, mas apenas um par isolado. Assim como o HF, o NH₃ puro pode  participar de apenas duas ligações de hidrogênio por molécula. [7]

Conclusão

Do ponto de vista químico, a água é absolutamente surpreendente. Dada a sua composição simples, esperaríamos que fosse um gás à temperatura ambiente, mas é um líquido. De fato, é o único líquido inorgânico natural encontrado em abundância. [8] Além disso, devemos a nossa vida a esse fato, pois sem água líquida a vida seria impossível. Em nossa opinião, não há dúvida de que o Criador projetou a molécula de água para cumprir seu papel único e crucial na sustentação da vida.

Nas partes restantes deste estudo, apontaremos ainda mais evidências da água para o papel do Criador em nossa existência.

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. As ligações de hidrogênio na água têm cerca de 5 kcal/mol de energia, enquanto a força de van der Waals (outra força intermolecular) na água tem apenas débeis 0,3 kcal/mol. Para efeito de comparação, as ligações covalentes da água têm cerca de 100 kcal/mol cada. John D. Barrow e Frank J. Tipler, The Anthropic Cosmological Principle (Nova York: Oxford University Press, 1984), 526.
2. Normalmente, o doador e o aceptor estão localizados em moléculas diferentes, mas ligações de hidrogênio também podem ocorrer entre átomos diferentes na mesma molécula. Um exemplo importante disso é a ligação de hidrogênio entre diferentes aminoácidos em uma proteína. Nesse caso, esses aminoácidos ligados por ligações de hidrogênio são responsáveis pela estrutura secundária da molécula.
3. Uma ressalva adicional: o átomo doador também deve ser pequeno. Apenas os elementos da primeira linha da tabela periódica (notadamente N, O e F) satisfazem esse critério. Portanto, embora o cloro (Cl) seja tão eletronegativo quanto o N, seu raio maior o impede de ter ligações de hidrogênio significativas.
4. Frank H. Stillinger, “Water Revisited”, Science 209 (25 de julho de 1980): 451–52.
5. Uma "família" ou coluna da tabela periódica representa elementos com propriedades químicas muito semelhantes. Por exemplo, a família do carbono contém carbono (C), silício (Si), germânio (Ge) e estanho (estanho ou Sn). Todos os membros dessa família se ligam naturalmente a quatro átomos de hidrogênio. Em contraste, a família do nitrogênio se liga a três hidrogênios, a família do oxigênio a dois e a família do flúor a apenas um.
6. Isso se refere ao comportamento médio do HF como líquido puro. Moléculas individuais de HF podem formar até quatro ligações de hidrogênio. No entanto, o número total de ligações de hidrogênio possíveis é limitado pelo fato de o HF ter apenas um átomo de hidrogênio por molécula para atuar como doador.Assim como no HF, isso descreve o comportamento médio do NH₃ líquido puro,  caso em que a ligação de hidrogênio é limitada pelo fato de que cada molécula possui apenas um par solitário.
7. J. C. Bailer Jr. et al., Chemistry, 2 ed., (Orlando, FL: Academic Press, 1984), 425.

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Traduzido de Water: Designed for Life, Part 2 (of 7) (RTB)

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propriedades físico-químicas da água - Argumento do Relojoeiro