Bioquímica

A Água – características físicas e químicas – Resumo

A Água – características físicas e químicas – Resumo
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Você já se perguntou por que os cientistas gastam tempo procurando água em outros planetas? É porque a água é essencial para a vida; até mesmo traços minúsculos dele em outro planeta podem indicar que a vida poderia existir ou existir naquele planeta. A água é uma das moléculas mais abundantes nas células vivas e a mais crítica para a vida como a conhecemos. Aproximadamente 60 a 70% do seu corpo é composto de água. Sem ela, a vida simplesmente não existiria.

A água é polar

Os átomos de hidrogênio e oxigênio nas moléculas de água formam ligações covalentes polares. Os elétrons compartilhados passam mais tempo associados ao átomo de oxigênio do que aos átomos de hidrogênio. Não há carga global para uma molécula de água, mas há uma ligeira carga positiva em cada átomo de hidrogênio e uma ligeira carga negativa no átomo de oxigênio. Por causa dessas cargas, os átomos de hidrogênio ligeiramente positivos se repelem e formam.

Cada molécula de água atrai outras moléculas de água por causa das cargas positivas e negativas nas diferentes partes da molécula. A água também atrai outras moléculas polares (como os açúcares), formando ligações de hidrogênio. Quando uma substância forma facilmente ligações de hidrogênio com água, ela pode se dissolver na água e é chamada de hidrofílica.(“Amante da água”). As ligações de hidrogênio não são prontamente formadas com substâncias não polares, como óleos e gorduras ( Figura ). Estes compostos não polares são hidrofóbicos (“temendo a água”) e não se dissolvem na água.

Imagem de óleo na água.
Como mostra esta imagem macroscópica de óleo e água, o óleo é um composto não polar e, portanto, não se dissolve na água. O óleo e a água não se misturam. (crédito: Gautam Dogra)

A água estabiliza a temperatura

As ligações de hidrogênio na água permitem que ela absorva e libere energia térmica mais lentamente do que muitas outras substâncias. Temperatura é uma medida do movimento (energia cinética) das moléculas. À medida que o movimento aumenta, a energia é mais alta e, portanto, a temperatura é mais alta. A água absorve uma grande quantidade de energia antes que a temperatura suba. O aumento de energia interrompe as ligações de hidrogênio entre as moléculas de água.

Como essas ligações podem ser criadas e interrompidas rapidamente, a água absorve um aumento nas alterações de energia e temperatura apenas minimamente. Isso significa que a água modera as mudanças de temperatura dentro dos organismos e em seus ambientes. À medida que a energia continua, o equilíbrio entre a formação e a destruição de ligações de hidrogênio oscila em direção ao lado da destruição. Mais ligações são quebradas do que são formadas.

Este processo resulta na liberação de moléculas de água individuais na superfície do líquido (como um corpo de água, as folhas de uma planta ou a pele de um organismo) em um processo chamado evaporação . A evaporação do suor, que é 90% de água, permite o resfriamento de um organismo, porque a quebra de ligações de hidrogênio requer uma entrada de energia e retira o calor do corpo.

Por outro lado, à medida que o movimento molecular diminui e as temperaturas caem, há menos energia presente para romper as ligações de hidrogênio entre as moléculas de água. Essas ligações permanecem intactas e começam a formar uma estrutura rígida semelhante a uma rede (por exemplo, gelo) ( Figura a ). Quando congelado, o gelo é menos denso do que a água líquida (as moléculas estão mais afastadas). Isso significa que o gelo flutua na superfície de um corpo de água ( Figura b ). Em lagos, lagoas e oceanos, o gelo se formará na superfície da água, criando uma barreira isolante para proteger a vida animal e vegetal do congelamento na água. Se isso não acontecesse, as plantas e os animais que vivem na água congelariam em um bloco de gelo e não poderiam se mover livremente, tornando a vida em temperaturas baixas difícil ou impossível.

A parte A mostra a estrutura molecular do gelo em forma de treliça. Parte B é uma foto de gelo na água.
(a) A estrutura de treliça do gelo a torna menos densa do que as moléculas livremente fluidas da água líquida. A baixa densidade do gelo permite que (b) flutue na água. (crédito a: modificação do trabalho de Jane Whitney; crédito b: modificação do trabalho de Carlos Ponte).

Como a água é polar, com pequenas cargas positivas e negativas, compostos iônicos e moléculas polares podem se dissolver facilmente nela. A água é, portanto, o que é chamado de solvente – uma substância capaz de dissolver outra substância. As partículas carregadas formarão ligações de hidrogênio com uma camada circundante de moléculas de água. Isto é referido como uma esfera de hidratação e serve para manter as partículas separadas ou dispersas na água.

No caso do sal de mesa (NaCl) misturado em água ( figura), os íons sódio e cloreto se separam, ou se dissociam, na água, e esferas de hidratação são formadas ao redor dos íons. Um íon de sódio carregado positivamente é envolvido pelas cargas parcialmente negativas de átomos de oxigênio nas moléculas de água. Um íon cloreto negativamente carregado é envolvido pelas cargas parcialmente positivas dos átomos de hidrogênio nas moléculas de água. Essas esferas de hidratação também são chamadas de camadas de hidratação. A polaridade da molécula de água faz dela um solvente eficaz e é importante em seus muitos papéis nos sistemas vivos.

Ilustração de esferas de hidratação ao redor de íons sódio e cloro.
Quando o sal de mesa (NaCl) é misturado em água, formam-se esferas de hidratação em torno dos iões.

A água é coesa

Você já encheu um copo de água até o topo e então lentamente adicionou mais algumas gotas? Antes de transbordar, a água forma um domo acima da borda do copo. Essa água pode ficar acima do vidro por causa da propriedade da coesão . Na coesão, as moléculas de água são atraídas umas pelas outras (por causa da ligação de hidrogênio), mantendo as moléculas juntas na interface líquido-ar (gás), embora não haja mais espaço no vidro. Coesão dá origem à tensão superficial, a capacidade de uma substância resistir à ruptura quando colocada sob tensão ou estresse.

Quando você deixa cair um pequeno pedaço de papel sobre uma gota de água, o papel flutua no topo da gota de água, embora o objeto seja mais denso (mais pesado) do que a água. Isso ocorre devido à tensão superficial criada pelas moléculas de água. A coesão e a tensão superficial mantêm as moléculas de água intactas e o item flutuando no topo. É possível até mesmo “flutuar” uma agulha de aço em cima de um copo de água, se você a colocar com cuidado, sem romper a tensão superficial ( Figura ).

Imagem de uma agulha flutuando em cima da água por causa da coesão e da tensão superficial.
O peso de uma agulha no topo da água puxa a tensão superficial para baixo; ao mesmo tempo, a tensão superficial da água é puxada para cima, suspendendo a agulha na superfície da água e impedindo que ela afunde. Observe o recuo na água ao redor da agulha. (crédito: Cory Zanker)

Essas forças coesivas também estão relacionadas à propriedade de adesão da água ou à atração entre moléculas de água e outras moléculas. Isso é observado quando a água “sobe” um canudo colocado em um copo de água. Você notará que a água parece estar mais alta nos lados da palha do que no meio. Isso ocorre porque as moléculas de água são atraídas para a palha e, portanto, aderem a ela.

Forças coesivas e adesivas são importantes para sustentar a vida. Por exemplo, por causa dessas forças, a água pode fluir das raízes até os topos das plantas para alimentar a planta.

Buffers, pH, Ácidos e Bases

O pH de uma solução é uma medida da sua acidez ou alcalinidade. Você provavelmente usou papel de tornassol , papel que foi tratado com um corante solúvel em água natural para que possa ser usado como um indicador de pH, para testar quanto ácido ou base (alcalinidade) existe em uma solução. Você pode até ter usado alguns para garantir que a água em uma piscina ao ar livre seja tratada adequadamente.

Em ambos os casos, este teste de pH mede a quantidade de íons de hidrogênio que existe em uma dada solução. Altas concentrações de íons de hidrogênio produzem um pH baixo, enquanto baixos níveis de íons de hidrogênio resultam em um pH alto. A concentração total de íons hidrogênio é inversamente relacionada ao seu pH e pode ser medida na escala de pH ( Figura). Portanto, quanto mais íons de hidrogênio presentes, menor o pH; inversamente, quanto menos íons de hidrogênio, maior o pH.

A escala de pH varia de 0 a 14. Uma mudança de uma unidade na escala de pH representa uma mudança na concentração de íons de hidrogênio por um fator de 10, uma mudança em duas unidades representa uma mudança na concentração de íons de hidrogênio por um fator de 100.

Assim, pequenas mudanças no pH representam grandes mudanças nas concentrações de íons de hidrogênio. A água pura é neutra. Não é nem ácido nem básico, e tem um pH de 7,0. Qualquer coisa abaixo de 7.0 (variando de 0.0 a 6.9) é ácida, e qualquer coisa acima de 7.0 (de 7.1 a 14.0) é alcalina. O sangue nas veias é ligeiramente alcalino (pH = 7,4). O ambiente no seu estômago é altamente ácido (pH = 1 a 2). O suco de laranja é levemente ácido (pH = aproximadamente 3,5), enquanto o bicarbonato de sódio é básico (pH = 9,0).

A escala de pH com substâncias representativas e seus pHs.
A escala de pH mede a quantidade de íons de hidrogênio (H + ) em uma substância. (crédito: modificação do trabalho por Edward Stevens)

Ácidos são substâncias que fornecem íons de hidrogênio (H + ) e pH mais baixo, enquanto as bases fornecem íons de hidróxido (OH  ) e elevam o pH. Quanto mais forte o ácido, mais facilmente doa H + . Por exemplo, o ácido clorídrico e o suco de limão são muito ácidos e prontamente abandonam o H + quando adicionados à água. Por outro lado, bases são aquelas substâncias que prontamente doam OH .

Os íons OH  combinam com H + para produzir água, o que eleva o pH de uma substância. O hidróxido de sódio e muitos produtos de limpeza domésticos são muito alcalinos e abandonam o OH  rapidamente quando colocados na água, aumentando assim o pH.

A maioria das células do nosso corpo opera dentro de uma janela muito estreita da escala de pH, normalmente variando apenas de 7,2 a 7,6. Se o pH do corpo estiver fora dessa faixa, o sistema respiratório estará com defeito, assim como outros órgãos do corpo. As células não funcionam mais adequadamente e as proteínas se quebram. Desvio fora do intervalo de pH pode induzir coma ou até mesmo causar a morte.

Então, como é que podemos ingerir ou inalar substâncias ácidas ou básicas e não morrer? Buffers são a chave. Os amortecedores absorvem prontamente o excesso de H + ou OH  , mantendo o pH do corpo cuidadosamente mantido na faixa estreita acima mencionada. O dióxido de carbono é parte de um sistema de buffer proeminente no corpo humano; mantém o pH dentro do intervalo adequado. Este sistema tampão envolve o ácido carbônico (H 2 CO 3 ) e o ânion bicarbonato (HCO  ).

Se muito H + entrar no corpo, o bicarbonato se combinará com o H + para criar ácido carbônico e limitar a diminuição do pH. Da mesma forma, se muito OH é introduzido no sistema, o ácido carbônico se dissociará rapidamente em bicarbonato e íons H + . Os íons H + podem combinar com os íons OH  , limitando o aumento do pH. Enquanto o ácido carbônico é um produto importante nesta reação, sua presença é passageira porque o ácido carbônico é liberado do corpo como gás carbônico a cada vez que respiramos. Sem esse sistema de buffer, o pH em nossos corpos flutuaria muito e não conseguiríamos sobreviver.

Resumo da seção

A água tem muitas propriedades que são críticas para manter a vida. É polar, permitindo a formação de ligações de hidrogênio, que permitem que íons e outras moléculas polares se dissolvam na água. Portanto, a água é um excelente solvente. As ligações de hidrogênio entre as moléculas de água dão à água a capacidade de manter o calor melhor do que muitas outras substâncias.

À medida que a temperatura aumenta, as ligações de hidrogênio entre a água continuamente se quebram e se reformam, permitindo que a temperatura geral permaneça estável, embora o aumento de energia seja adicionado ao sistema. As forças coesivas da água permitem a propriedade da tensão superficial. Todas essas propriedades únicas da água são importantes na química dos organismos vivos.

O pH de uma solução é uma medida da concentração de íons de hidrogênio na solução. Uma solução com um elevado número de iões de hidrogénio é ácida e tem um baixo valor de pH. Uma solução com um alto número de íons de hidróxido é básica e tem um alto valor de pH. A escala de pH varia de 0 a 14, com um pH de 7 sendo neutro. Buffers são soluções que modificam as alterações de pH quando um ácido ou base é adicionado ao sistema de buffer. Os tampões são importantes nos sistemas biológicos devido à sua capacidade de manter condições de pH constantes.

Notas de rodapé

Glossário

ácido
uma substância que doa íons de hidrogênio e, portanto, reduz o pH
adesão
a atração entre moléculas de água e moléculas de uma substância diferente
base
uma substância que absorve íons de hidrogênio e, portanto, aumenta o pH
amortecedor
uma solução que resiste a uma mudança no pH, absorvendo ou liberando íons de hidrogênio ou hidróxido
coesão
as forças intermoleculares entre as moléculas de água causadas pela natureza polar da água; cria tensão superficial
evaporação
a liberação de moléculas de água da água líquida para formar vapor de água
hidrofílico
descreve uma substância que se dissolve na água; amante da água
hidrofóbico
descreve uma substância que não se dissolve na água; temente a água
papel de tornassol
papel de filtro que foi tratado com um corante natural solúvel em água, para que possa ser utilizado como indicador de pH
Escala de ph
uma escala de 0 a 14 que mede a concentração aproximada de íons hidrogênio de uma substância
solvente
uma substância capaz de dissolver outra substância
tensão superficial
a força coesiva na superfície de um corpo de líquido que impede as moléculas de se separarem
temperatura
uma medida de movimento molecular

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