Água: Projetada para a vida (3 de 7)

Deus "projetando o congelamento da água" (Imagem gerada por IA em Google Whisk)

Leia também: Parte 1 - Parte 2 - Parte 4 - Parte 5 - Parte 6 - Parte 7

por Hugh Ross
28 de maio de 2013

Na parte 3 desta série sobre água, os autores convidados John Millam, Ken Klos e Iain D. Sommerville explicam como o gelo se mantém flutuando e o que essa característica notável da água significa para a vida na Terra.

“ponta do iceberg Fig. apenas a parte de algo que pode ser facilmente observada, mas não o resto, que está oculto. (Referindo-se ao fato de que a maior parte de um iceberg está abaixo da superfície da água.)…” The Free Dictionary by Farlex

Os capitães dos navios sabem que devem ter cuidado com os icebergs, cuja porção visível muitas vezes esconde a massa invisível sob a superfície do oceano. Os icebergs podem dificultar as viagens marítimas (pense no RMS Titanic), mas se o gelo não flutuasse, representaria uma ameaça ainda maior à vida avançada. Por exemplo, em climas frios, o gelo se forma sobre a superfície de lagos, rios e oceanos árticos, em vez de no fundo. Essa camada de gelo atua como um "cobertor" isolante que ajuda a impedir que o restante da água congele. Se o gelo afundasse, ele se acumularia até que toda a água congelasse e matasse a vida aquática que habitava esses corpos d'água. [1] Felizmente, a água sólida (gelo) é menos densa que a água líquida, possibilitando que o gelo flutue. Pode-se dizer que essa capacidade surpreendente é apenas a ponta do proverbial iceberg das notáveis propriedades da água.

Nesta série, exploramos a água, uma das maiores maravilhas da criação. Como vimos na parte 1, a água é essencial para a vida. Especificamente, exploramos como a estrutura molecular da água explica sua incrível capacidade de dissolver mais substâncias do que qualquer outro solvente. Na parte 2, descrevemos as ligações de hidrogênio entre diferentes moléculas de água e mostramos como isso faz com que a água permaneça líquida (em vez de se tornar gasosa) à temperatura ambiente. Hoje, ampliamos nossa discussão sobre ligações de hidrogênio para explicar a capacidade da água de se expandir quando congela.


Uma Rápida Revisão das Ligações de Hidrogênio

A ligação de hidrogênio é um tipo especial de força intermolecular que pode ocorrer entre moléculas adjacentes. Para criar uma ligação de hidrogênio, você precisa de um átomo "doador" (geralmente N, O ou F), um átomo de hidrogênio ligado ao doador e um "receptor" (novamente N, O ou F) com um par solitário de elétrons. O hidrogênio do doador recebe uma carga parcial positiva, que é então atraída para o par solitário com carga negativa no receptor. Finalmente, esses átomos devem estar dispostos de forma quase linear (veja a Figura 1). A natureza linear da ligação de hidrogênio é central para nossa discussão aqui, na parte 3.

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

Líquido versus Água Sólida

Para começar, precisamos entender a relação entre temperatura e densidade. Quando aquecemos uma substância, as moléculas ganham mais energia para se movimentar, criando assim uma dilatação térmica (na qual o aquecimento de objetos os faz expandir, enquanto o resfriamento os faz contrair). [2] O resultado esperado é que o sólido seja mais denso que o líquido, que, por sua vez, será mais denso que o gás. Entretanto, a água é praticamente única, pois o gelo sólido é menos denso que a água líquida. Conhecemos apenas alguns outros exemplos desse comportamento (por exemplo, a sílica fundida, um componente do vidro, e alguns metais que formam uma coordenação tetraédrica). No entanto, nenhuma dessas outras substâncias atende a nenhum dos requisitos necessários para servir como meio para a vida.

O comportamento excepcional da água resulta de sua tendência natural a formar uma rede de ligações de hidrogênio. Como sólido, a água se comporta como um cristal unido apenas por ligações de hidrogênio. O gelo forma uma estrutura reticular hexagonal (veja a Figura 2) que lhe permite maximizar a interação altamente direcional das ligações de hidrogênio. Observe, na Figura 2, os grandes veios abertos na estrutura cristalina. Essa estrutura em forma de gaiola ocupa 9% a mais de espaço do que o estado líquido, mais desordenado, no qual algumas das ligações de hidrogênio se rompem. Como resultado, a densidade da água diminui drasticamente à medida que ela passa do estado líquido para o sólido (veja a Figura 3; a linha vertical entre "Água" e "Gelo" mostra o quão drástica é a mudança).

Figura 2: Rede hexagonal em gelo sólido — (a) vista superior e (b) vista lateral. Para maior clareza, os átomos de hidrogênio da água não são mostrados, mas estariam localizados ao longo das "ligações". (Imagem de John Millam em Reasons to Believe)

Devido à menor densidade do gelo, a água se expande ao congelar. Eu (John) presenciei uma demonstração desse princípio na faculdade. Meu colega de quarto colocou uma lata de Pepsi no congelador da nossa geladeira para resfriar a bebida rapidamente — e depois se esqueceu. Quando a água dentro da lata começou a congelar, ela se expandiu, fazendo com que a lata estourasse na emenda e cobrisse todo o interior da geladeira com refrigerante. A perspectiva do tempo tornou esse incidente engraçado, mas não foi tão engraçado quando aconteceu.

Figura 3: Densidade da água pura e do gelo para temperaturas de –20 °C a 100 °C (–4 °F a 212 °F). O detalhe mostra o comportamento incomum da água entre 0 °C e 10 °C (32 °F a 50 °F). (Imagem de John Millam em Reasons to Believe)

Densidade Máxima da Água a 4 °C

Notavelmente, a água pura atinge sua densidade máxima a 4 °C (39 °F) acima do  seu ponto de congelamento (0 °C ou 32 °F)! [3] A água esfria, contrai-se lentamente (torna-se mais densa), assim como outros líquidos — mas, ao atingir 4 °C, a tendência se inverte. Nesse ponto, a água começa a se expandir (torna-se menos densa) quando resfriada ainda mais (veja o gráfico inserido na Figura 3). Esse comportamento é quase único entre todas as substâncias químicas conhecidas pela humanidade. Quando a água atinge seu ponto de congelamento (0 °C), ela se transforma em gelo e rapidamente se torna ainda menos densa.

Como consequência das ligações de hidrogênio, esse comportamento singular ocorre quando a água líquida quase congelada forma pequenos aglomerados semelhantes a gelo, com densidade menor que a da água circundante. [4] À medida que a água continua esfriando, mais aglomerados de baixa densidade se formam, contrabalançando a contração normal e fazendo com que a densidade geral diminua até atingir o ponto de congelamento. Embora esse comportamento estranho possa parecer insignificante, ele, na verdade, desempenha um papel fundamental na manutenção de lagos de água doce.

Renovação do Lago

Durante os meses de verão, a água mais quente (menos densa) fica na superfície e a mais fria (mais densa) permanece próxima ao fundo do lago. Essa camada inferior, porém, não cai abaixo de 4 °C porque a água é mais densa nessa temperatura. No inverno, a situação se inverte. A água mais fria (0–4 °C) fica na superfície, possivelmente coberta por uma camada de gelo. A água mais quente (4 °C) se deposita no fundo do lago, criando um refúgio para a vida aquática durante os meses frios.

Essa inversão de temperatura entre o verão e o inverno desempenha um papel fundamental na renovação ou agitação das águas bianual. [5] Para entender o que é isso e por que é importante, vamos considerar primeiro o que acontece na ausência de renovação. Um lago típico se estratifica naturalmente em três camadas distintas (veja a Figura 4) de acordo com a temperatura e, correspondentemente, a densidade — o epilímnio (águas superiores), a termoclina ou metalímnio (águas médias) e o hipolímnio (águas profundas). A estratificação impede a mistura vertical entre as camadas. Como resultado, as águas do fundo se tornarão cada vez mais anóxicas (deficientes em oxigênio) porque os ventos não conseguem circular as águas superiores oxigenadas até o fundo do lago. Ao mesmo tempo, a matéria vegetal e animal em decomposição produz sulfeto de hidrogênio (H2S) e vários outros gases sulfurosos, que permanecem presos perto do leito do lago. Se essa situação persistisse por muito tempo, as águas mais profundas se tornariam inabitáveis para peixes e outras formas de vida aquática. [6] A renovação evita esse problema graças ao comportamento único da água.

Figura 4: Corte transversal de um lago mostrando três camadas primárias. (Imagem de Keith C. Heidorn, PhD, The Weather Doctor em Reasons to Believe)

Durante o ciclo sazonal típico de um lago (ver Figura 5), a água mais quente fica na camada superior durante os meses de verão, mas conforme as estações e o clima mudam, a camada superior esfria (torna-se mais densa) e afunda. A água não esfria uniformemente; em vez disso, ela se acumula gradualmente a 4°C (densidade máxima da água). Quando o lago atinge uma temperatura quase uniforme em meados do outono, a estratificação se rompe. Quando isso acontece, os ventos de superfície podem fazer com que as correntes circulem por toda a profundidade do lago. Um cheiro de "ovo podre" geralmente acompanha a renovação do lago devido aos gases sulfurosos dragados do fundo. À medida que a estação avança para o inverno, a camada superior da água esfria abaixo de 4°C, enquanto a camada inferior permanece a 4°C. Esse processo se inverte quando o clima começa a esquentar novamente. Em meados da primavera, a água atinge novamente temperaturas quase uniformes e ocorre a renovação da primavera (ver Figura 5).

Figura 5: Ciclo anual do lago mostrando as diferentes camadas de água e a agitação das águas pelo vento. (Imagem de Keith C. Heidorn, PhD, The Weather Doctor em Reasons to Believe)

Conclusão

A água apresenta um comportamento extraordinário ao congelar. Mas esse comportamento excepcional vai além da mera estranheza — é vital para a vida de pelo menos três maneiras distintas.

• Auxilia na decomposição das rochas. Quando a água penetra nas rachaduras das rochas e congela, sua expansão pode causar a fratura da rocha (como a explosão de uma lata de Pepsi). Esse processo ajudou a quebrar as rochas na Terra primitiva, preparando o terreno para o solo, e continua a fazê-lo hoje. (Infelizmente, também significa mais buracos nas estradas em climas frios.)
• Protege oceanos, rios e lagos do congelamento. A camada de gelo que se forma na superfície de um corpo d'água atua como uma manta isolante (já que o gelo é um mau condutor de calor) que ajuda a proteger a água restante do congelamento. Isso é crucial para a manutenção da vida aquática (mesmo que isso signifique que os navios tenham que lidar com um iceberg ocasional).
• Causa a renovação das águas dos lagos. A renovação desempenha um papel importante na oxigenação e limpeza das águas mais profundas dos lagos, mantendo-as habitáveis para a vida aquática.

Na parte 4 desta série, exploraremos mais sobre as propriedades excepcionais da água e as implicações que essa excepcionalidade tem para a vida. Já demonstramos que a água é verdadeiramente "projetada para a vida", mas ainda há muitas outras características de design para explorar!

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. Lawrence Joseph Henderson, The Fitness of the Environment (New York: MacMillan, 1913), 106–109; John D. Barrow e Frank J. Tipler, The Anthropic Cosmological Principle (New York: Oxford University Press, 1986), 533–34.
2. Raramente notamos a expansão térmica porque é um efeito relativamente pequeno. Os engenheiros, contudo, precisam levá-la em consideração. Por exemplo, eles precisam adicionar juntas e vãos entre os segmentos da ponte para permitir que as estruturas se expandam e se contraiam livremente devido às flutuações normais de temperatura, sem encurvar ou quebrar.
3. Isso não ocorre com a água do mar devido à alta concentração de sais e minerais dissolvidos. A água do mar atinge a densidade máxima no ponto de congelamento, e não acima dele; no entanto, quando congelada, a água do mar ainda flutua.
4. J. C. Bailer Jr. et al., Chemistry, 2 ed., (Orlando, FL: Academic Press, 1984), 423–24.
5. Esta regra se aplica à maioria dos lagos, mas há algumas exceções. Lagos que sofrem renovação são classificados como holomíticos. Dependendo da natureza do lago, essa renovação pode ocorrer uma vez (monomítico), duas vezes (dimítico) ou até mesmo várias vezes (polimítico) por ano. Alguns lagos (cerca de um em mil) não sofrem renovação e, portanto, são classificados como meromíticos.
6. O Mar Negro é o maior exemplo de corpo d'água meromítico. A água do Mar Negro abaixo de 50 metros (150 pés) é anóxica (com deficiência de oxigênio) e quase totalmente desprovida de vida. O Mar Cáspio — anóxico abaixo de 100 metros (300 pés) — é outro exemplo.

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Traduzido de Water: Designed for Life, Part 3 (of 7) (RTB)

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propriedades físico-químicas da água - Argumento do Relojoeiro