Propriedades físicas da água

 Ligações covalentes na molécula de água

A molécula de água é formada por duas ligações covalentes O - H, sendo H - O - H sua fórmula estrutural. O átomo de oxigênio possui seis elétrons na camada de valência, portanto são necessários mais dois elétrons para que ele atinja estabilidade eletrônica. O átomo de hidrogênio possui apenas um elétron, sendo necessário para sua estabilidade mais um elétron (camada K = dois elétrons). Portanto, na molécula de água há o compartilhamento de um par de elétrons entre cada átomo de hidrogênio com o átomo de oxigênio.

O átomo de oxigênio possui quatro orbitais (funções que descrevem a distribuição dos elétrons na região que circunda um núcleo atômico). Dois deles estão "envolvidos" com as ligações O - H, e dois estão "livres". Existe uma repulsão entre os orbitais livres, que causa uma aproximação entre as ligações O - H, como mostra a Fig. 2 abaixo.

A molécula de água, apesar de ter apenas dois hidrogênios, tem uma conformação muito semelhante à da molécula de metano (CH₄)(Fig.1), tetraédrica, uma vez que o átomo de carbono possui, assim como o do oxigênio, quatro orbitais, e a massa molar dessas duas substâncias é muito semelhante (metano: 16 g/mol; água: 18 g/mol). Mas no metano há quatro ligações C - H iguais, fazendo com que não haja modificação de ângulos. Já na molécula da água, como foi dito acima, os orbitais livres do oxigênio se repelem, e o ângulo entre as ligações O - H é diminuído de 109,5° (tetraedro perfeito, como na molécula de metano, Fig. 1) a 104,5°. 

Figura 1¹. Estrutura do Metano

O átomo de oxigênio é mais eletronegativo que o de hidrogênio, ou seja, o núcleo do oxigênio atrai os elétrons envolvidos na ligação O - H mais fortemente que o núcleo do hidrogênio. Essa propriedade é decisiva na polaridade da molécula de água, uma vez que torna o oxigênio mais negativo (com os elétrons mais próximos) e o hidrogênio mais positivo (com os elétrons mais afastados). Ou seja, a molécula de água é polar, sendo o oxigênio seu pólo negativo (2δ^-, já que são dois elétrons a mais) e os hidrogênios seus pólos positivos (δ⁺, um elétron a menos para cada átomo).

Figura 2¹. Estrutura da água

Como água é um composto polar, o pólo positivo de uma molécula atrai o pólo negativo de outra, o que resulta em uma atração eletrostática. Essa atração é chamada ligação de hidrogênio (ou ponte de hidrogênio), e ocorre entre átomos de hidrogênio com oxigênio, nitrogênio ou fluor. As ligações de hidrogênio, apesar de serem as mais fortes entre as forças consideradas fracas, são bem menos estáveis que as ligações covalentes, prova disso é que a energia de dissociação de uma ligação de hidrogênio entre moléculas de água é cerca de 23 kJ/mol, enquanto que a da ligação O - H (covalente) da água é de 470 kJ/mol.

Figura 3². Ligação de hidrogênio entre duas moléculas de água

Outra característica das ligações de hidrogênio é a rapidez com que elas se formam e são quebradas. A todo instante moléculas de água estão interagindo entre si, formando ligações de hidrogênio que duram de um a vinte picossegundos (1 ps = 10-12 s). Quando uma ligação se quebra, imediatamente outra se forma.

Uma molécula de água pode fazer ligações de hidrogênio com até outras quatro moléculas, mas isso só ocorre quando a água está solidificada.

Figura 4. Ligações de hidrogênio no gelo

No estado líquido, cada molécula faz, em média, três ligações de hidrogênio, devido ao aumento da entropia (grau de desordem do sistema).

Figura 5. Ligações de hidrogênio na água

As ligações de hidrogênio, portanto, influenciam nos estados físicos da água. Como foi dito anteriormente, a molécula de água é semelhante à de metano, que é um gás em temperatura ambiente. Mas o metano é apolar e, por isso, não faz ligações de hidrogênio. A água também seria gasosa em temperatura ambiente, mas as ligações de hidrogênio causam uma maior organização entre suas moléculas, conferindo-a estado líquido na temperatura ambiente e alto ponto de ebulição.

 Interações entre água e solutos iônicos

Uma das propriedades da água é que sua molécula atrai íons mais fortemente do que um íon atrai outro, devido à sua alta constante dielétrica.

Ou seja, compostos iônicos ficam dissociados em solução porque um íon não atrai outro com tanta força como a água atrai ambos.

Além de dissociar os íons, as moléculas de água ainda formam uma camada de hidratação (ou camada de solvatação). A partícula iônica fica de tal maneira cercada por água que a camada de hidratação passa a fazer parte do íon: a camada de solvatação aumenta o tamanho do íon. A camada de hidratação também ocorre em solutos polares e com carga, seguindo o mesmo princípio.

Exemplos: compostos que, em solução, ficam dissociados e suas partículas com camada de hidratação: NaCl, KCl, AgNO3 e muitos outros sais.

Figura 6². Solubilização de um cristal iônico pela água

 Interações entre água e solutos polares com ou sem carga

As ligações de hidrogênio não ocorrem somente entre moléculas de água. Como foi dito anteriormente, elas podem ocorrer entre hidrogênio e átomos de oxigênio, nitrogênio ou fluor.

Para um soluto ser polar, é necessário que haja uma diferença de eletronegatividade entre os átomos que o compõem. Essa diferença ocorre normalmente entre os elementos citados acima. Quando em solução, um composto polar forma ligações de hidrogênio com a água, já que seus pólos interagem com os pólos da água.

Figura 7³. Ligações de hidrogênio por grupos funcionais

No caso de um soluto com carga, a interação da molécula de água é bem semelhante à citada acima: a parte carregada da molécula do soluto atrai eletricamente um dos pólos da molécula de água; assim, o soluto fica “cercado” pela água.

Portanto, um soluto polar ou carregado forma uma mistura homogênea com a água, já que todas as suas moléculas (ou quase todas, dependendo do coeficiente de solubilidade) interagem com a água e ficam separadas umas das outras, “cercadas” pela água.

 Interações entre água e solutos apolares

Quando um composto apolar - como o óleo, por exemplo - é misturado à água, forma-se uma solução heterogênea. Isso ocorre porque tais compostos não possuem carga nem pólos, ou seja, não têm regiões que possam interagir com a molécula de água.

No contato inicial de uma substância apolar com a água, há rompimento não compensado de muitas ligações de hidrogênio, pois a água não forma ligações de hidrogênio com moléculas apolares. (Esse rompimento ocorre também quando um soluto polar entra em contato com a água; neste caso, entretanto, as ligações de hidrogênio são compensadas pela interação da molécula de água com as moléculas do soluto.) A fim de fazer o maior número de ligações de hidrogênio possível, as moléculas de água orientam-se envolta da substância apolar e a envolvem, de modo que uma rede de ligações de hidrogênio é formada ao redor de um soluto apolar.

Figura 8³. Orientação das moléculas de água ao redor de um soluto apolar

Essa rede de ligações de hidrogênio representa um decréscimo na entropia do sistema, ou seja, é energeticamente desfavorável. Por esse motivo, quando várias moléculas apolares entram em contato com a água, elas se agrupam, a fim de aumentar a entropia do sistema. Ou seja, ao invés de fazerem uma rede de ligações de hidrogênio ao redor de cada molécula apolar – o que diminui a entropia e é, conseqüentemente, energeticamente desfavorável –, as moléculas de água “forçam” as apolares a se agruparem. Dessa forma, a superfície de contato entre soluto e água é menor e, portanto, a rede de ligações de hidrogênio formada também. Isso faz com que a diminuição da entropia seja menor quando as moléculas apolares estão agrupadas.

Figura 9¹. Agregação de solutos apolares em água

Há alguns compostos, como os fosfolipídeos, que possuem tanto uma região polar (“cabeça”) como uma apolar (“cauda”). Essas substâncias, em solução, tendem a expor sua porção hidrofílica (polar) e “esconder” sua porção hidrofóbica (apolar), formando micelas ou bicamadas, como mostra a figura. Dessa forma, não há contato entre a água e as porções apolares desses compostos.

Figura 10². Agregação de moléculas anfipáticas em água

Membranas celulares e grandes compostos moleculares, como proteínas, por exemplo, adotam sua forma em função dessa relação entre a água e os compostos apolares: as membranas organizam-se em bicamada para “esconder” a cauda dos seus fosfolipídeos; as proteínas organizam-se para “esconder” seus aminoácidos apolares.

 Tensão superficial

No interior de uma quantidade de água, as moléculas sofrem atração umas pelas outras (formam ligações de hidrogênio), de modo que a força resultante sobre cada molécula é nula. Entretanto, na superfície da água, as moléculas estão em contato tanto com outras moléculas de água como com moléculas de gases presentes no ar. A atração do ar pelas moléculas de água é muito menor do que a que ocorre entre as moléculas água-água, de modo que a força resultante nas moléculas de superfície não é nula. A conseqüência disso é a formação de um filme, uma finíssima membrana que limita a água e dificulta que gases a penetrem. Além disso, esse filme constitui uma barreira mecânica, que dificulta a penetração de pequenas partículas na água. Um exemplo claro dessa barreira mecânica é mostrado na Fig. 11. A essa propriedade da água damos o nome de tensão superficial.

Figura 11⁴. Direção das forças atuantes sobre as moléculas de água no interior e na superfície de uma solução

Figura 12⁴. A tensão superficial permite que insetos caminhem sobre a água.

Quando inspiramos certa quantidade de ar, necessitamos que o O₂ penetre nossos alvéolos para que seja transportado para todas as nossas células. Mas o citoplasma das células alveolares é composto, entre outras coisas, por água e apresenta, logo, tensão superficial. Então, como o O₂ penetra o citoplasma das células alveolares? No nosso pulmão, as células que formam os alvéolos são os pneumócitos primários e secundários. Os pneumócitos II produzem uma substância capaz de diminuir a tensão superficial da água, o surfactante (dipalmitoil-lecitina). O surfactante é uma molécula de detergente, e como tal apresenta uma porção polar (cabeça) e uma apolar (cauda). [Em água, essas substâncias tendem a formar micelas (como foi dito anteriormente); entretanto, há uma concentração micelar crítica – limite de concentração de fosfolipídeos em que há formação de micelas – e a partir desse ponto não há mais formação de micelas. O pneumócito II secreta surfactante em concentração acima da micelar crítica, de modo que algumas moléculas não conseguem formar micelas, nem interagem com a água.] Essas moléculas rompem a membrana de água da superfície para poderem interagir com o ar, que é apolar. Desse modo, a tensão superficial é rompida e a entrada de O₂ nas células alveolares é facilitada.