Estrutura Molecular da Água

@MoisesProf_ baseado em Reichardt K eTimm LC (2020)

A fórmula química da água é H₂O, ou seja, consiste em dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio. Na natureza, existem três isótopos de hidrogênio (¹H = hidrogênio, ²H = deutério e ³H = trítio) e três isótopos de oxigênio (¹⁶O, ¹⁷O e ¹⁸O). Esses átomos diferentes em termos de peso permitem 18 combinações diferentes na formação de uma molécula de água; no entanto, ²H, ³H, ¹⁷O e ¹⁸O não são abundantes na natureza. Esses 18 isótopos diferentes se comportam da mesma maneira do ponto de vista químico e biológico, tendo as mesmas propriedades, mas diferindo apenas em seu peso. O hidrogênio (¹H) e o deutério (²H, também representado por D) são isótopos estáveis, o primeiro com abundância de 99,98% e o segundo com 0,0026 a 0,018%. O trítio (³H) é um radioisótopo que ocorre naturalmente porque é constantemente produzido na atmosfera por reações nucleares com radiação cósmica, com apenas uma abundância de traços. Emite radiação beta, mas em concentrações tão baixas, não prejudica a vida. Os isótopos de oxigênio 16, 17 e 18 estão presentes na natureza, com abundância de 99.762, traços e 0,238%, respectivamente.

O diâmetro médio da molécula de água é de aproximadamente 3 Å (1 Å = 3 x 10^-10 m), e os dois átomos de hidrogênio estão ligados ao átomo de oxigênio, formando um ângulo de cerca de 105°, responsável pelo desequilíbrio espacial de cargas elétricas na molécula.

Essa distribuição de carga assimétrica cria um dipolo elétrico responsável por várias propriedades físico-químicas da molécula de água.

Cada hidrogênio de uma molécula é atraído pelo oxigênio da molécula vizinha, com a qual forma uma ligação secundária, chamada ligação de hidrogênio. A ligação de hidrogênio tem uma energia de ligação muito mais fraca que a ligação intramolecular de oxigênio para os dois átomos de hidrogênio. Como resultado, a água é composta de uma cadeia de moléculas ligadas por ligações de hidrogênio (polímero). Essa estrutura apresenta menos falhas quando a água está no estado sólido (gelo). Sob essas condições, cada molécula é ligada a quatro moléculas vizinhas, formando uma estrutura hexagonal relativamente aberta. Com o derretimento do gelo, essa estrutura é parcialmente destruída, para que outras moléculas possam entrar nos espaços intramoleculares. Por esse motivo, cada molécula pode ter mais de quatro moléculas vizinhas, e a densidade da água no estado líquido torna-se um pouco maior que a do gelo e flutua na água líquida. Esta é uma exceção interessante, pois em materiais puros durante a fusão, a fase sólida é mais densa que o líquido e afunda no líquido. Se o gelo não flutuasse na água (como icebergs com 1/9 do volume da água e 8/9 no líquido), ele afundaria e se acumularia no fundo dos oceanos e por muito tempo o gelo seria acumulando-se até a superfície, sem a possibilidade de haver água líquida para a formação da vida.

Para a água no estado líquido, uma estrutura do mesmo tipo que a do gelo continua a existir, mas essa estrutura não é rígida e permanente, mas flexível e transitória. No estado gasoso, essa estrutura desaparece completamente e as moléculas têm liberdade máxima.

Devido a essa polaridade, as moléculas de água se orientam formando estruturas. A polaridade também é a razão pela qual a água é um bom solvente e é adsorvida em superfícies sólidas ou hidrata íons e coloides.

REFERÊNCIAS

Reichardt K, Timm LC. (2020). Soil, plant and atmosphere: concepts, processes and applications. Springer, Basel.