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Água - Parte I

Moléculas d’água

Estrutura física e química

 pH (potencial de Hidrogênio) básicas relações e considerações

Helcias Bernardo de Pádua

Na Semana  Mundial  da  Água, (22/03/2010), modestamente,
esta homenagem e agradecimento ao eterno mestre das águas:
Professor Samuel Murgel Branco, (†, 2003).

- Água

Teriam todas as moléculas d’água essa simples
 estrutura física linear: H-O-H?

No fim do século XVIII a água ainda era considerada como um elemento simples e somente com os trabalhos de Lavoisier, Laplace e Meussnier, (a partir de 1777), conseguiu-se definir suas naturezas compostas, constituídas de oxigênio e hidrogênio, numa proporção de 16g de oxigênio para 2g de hidrogênio, (exatamente 2,016g de hidrogênio).

A simbologia química atual determina que a formula da molécula da água seja H₂O, dando-nos a idéia que seja de estrutura física de seqüência linear com seus três átomos unidos por covalência, tendo-se no centro o átomo de oxigênio ligado aos dois átomos de hidrogênio, numa formação retilínea, assim: H  -  O  -  H.

Porém, tal representação física, de configuração tão simples, não se faz capaz de explicar as várias propriedades (físicas), especiais características desse composto, como por exemplo: expandir o seu volume ou capacidade de ocupar maior espaço quando em estado cristalino, e outra de apresentar sua densidade máxima na temperatura de 4ºC, ainda no estado líquido.

Vejamos, a teoria cinética dos líquidos, admite certa proporcionalidade entre pressão, volume e temperatura, pressupondo-se uma estrutura constituída de moléculas esféricas, sempre se movimentando. Já a água, foge a essa proporcionalidade, devendo possuir, pelo menos quando em temperaturas próximas de 4ºC, uma estrutura diversa da prevista para os líquidos em geral.

A forma estrutural esférica dos líquidos, em geral, explicaria a capacidade dos corpos em se expandir quando do aumento da temperatura. Essa forma esférica seria formada por grupos de moléculas, com massas compactas em que cada elemento dessas moléculas se apresentaria rodeada de um número máximo de idênticos elementos.

Em 1900, admitiu-se que as estruturas das moléculas da água não são tão somente ou apenas da mesma forma, podendo estar na forma até de triedro (cristais de quartzo). No caso da água, ocorre que cada átomo de oxigênio estaria cercado por outros átomos iguais, em quantidades diversas (diferentes), formando formas diversas, como "pacotes", que sofreriam influência das variações na temperatura ambiente, o que aumentaria ou diminuiria os espaços existentes entre os átomos constituintes de cada desses pacotes.

Daí que, somente quando a água for aquecida a 150ºC e mantida em estado líquido (sob condições de pressão adequadas) é que teríamos formações físicas totalmente iguais, e não retilíneas, como se pensa, mas sim em ângulo de 105º, tendo o átomo de oxigênio no centro.Vejamos que o ângulo reto tem 90°, portanto o ângulo formado na  molécula d’água é  maior, tendo o elemento oxigênio no seu centro.

Esse tipo de estrutura física da molécula d água é denominado de Hidrol-H₂O, mas basta abaixarmos a temperatura para  iniciar-se  a formação do que se chama de "polímeros", com estruturas  totalmente diversas da anterior, inclusive com  muito mais volume e, portanto "menos densa", assim:

- em 150ºC ocorre predominância absoluta de "hidrol = H₂O", onde cada átomo de oxigênio de cada molécula dessa estrutura está rodeado por seus 12 átomos semelhantes de outras moléculas d' água, (que interessante, não é?), e ainda numa situação bastante compacta, portanto ocupando menor espaço  e volume.

- a água em estado líquido à pressão normal é constituída de hidrol-H₂O, de dihidrol-H₄O₂,   e de  trihidrol-H₆O₃, em solução;

- aos 15ºC o "hidrol-H₂O" passa a constituir apenas 5% do total das moléculas de água, com predominância de 90% de "dihidrol-H₄O₂" e com outra formação chamada de "trihidrol-H₆O₃";

- a estrutura trihidrol-H₆O₃ aumentaria em proporção, à medida que essa solução se aproxime do ponto de congelamento;
 
- aos 4ºC, a proporção de "trihidrol-H₆O₃" se eleva a 30% e...;

- quando mantida no estado líquido, como gelo fundente, tem-se 50% do trihidrol;

- as moléculas de gelo, ou com estrutura de trihidrol-H₆O₃, teriam uma configuração de maior volume que o ocupado por moléculas de hidrol-H₂O ou dihidrol-H₄O₂;

- com a estrutura física trihidrol-H₆O₃, a molécula de água apresenta maior espaço entre os átomos de oxigênio que cercam outro átomo de oxigênio, numa proporção de um átomo central de oxigênio para 4 átomos semelhantes, (e não mais os 12 átomos quando da estrutura hidrol), que rodeando ocupam um maior espaço entre eles, embora em menor número,  , portanto com menor densidade;

- então o gelo-OºC flutua; e também por ter menor densidade e maior espaço entre os átomos das moléculas d’água doce, não é...! ; - porém à 4ºC a água apresenta-se com maior densidade (*), que coisa...né...!

- a água salgada não forma gelo; - a água salgada apresenta maior densidade que a água salobra e esta por sua vez é mais densa que a água doce.

(*) obs.: ainda vamos explicar melhor tais situações, relacionando-os com o fenômeno  da água em sofrer aumento do seu volume  num certo grau de temperatura, (4ºC).

e.t.:

Dificuldades existem, entre os pesquisadores, para aceitar totalmente essas hipóteses.

Com o advento de processos científicos mais modernos, quando do estudo das estruturas moleculares, esclareceu-se melhor as propriedades das chamadas substâncias transparentes. Uma delas, p. ex., é a do "efeito Raman", fenômeno que explica, basicamente, que são as formas estruturais das moléculas existentes no meio transparente que determinam a freqüência resultante da incidência de um raio monocromático, portanto quando da reflexão, formando raias específicas, (teoria quântica).

- Potencial de Hidrogênio-pH

O primeiro equilíbrio químico de interesse que ocorre na água é a dissociação de sua própria molécula.

Partindo-se da mais simples estrutura física da molécula de água-H₂O-Hidrol, quimicamente contendo dois átomos de hidrogênio-(2H) e, um átomo de oxigênio-(1 O),   tem-se aí um íon positivo de hidrogênio e um outro íon negativo de hidroxila, ou seja, a H₂O (água) resultando em  H(hidrogênio = íon positivo)  +  OH (hidroxila = íon negativo).

Na massa líquida natural ocorre, continuamente essa reação, mas num processo de "vai  e volta", onde o íon hidrogênio-H(positivo), permanece sempre associado à própria molécula química de água na forma do "íon hidrônio-H₂O”,   (como íon positivo), resultando em um equilíbrio que pode ser melhor representado pela seguinte equação química: 2 H₂O (duas moléculas de água)  resulta em um íon positivo, o hidrônio-H₂O, + o íon negativo chamado de hidroxila-OH.

São esses processos de vai e vem (ioio), com tempo maior ou menor de duração, é que orientarão à qualidade ou característica do líquido em ser ácido, neutro ou básico (alcalino). Isso podendo ser representado de maneira matemática como uma função logarítmica, ou seja, calculando-se o potencial hidrogeniônico da amostra, assim:

o potencial de Hidrogênio;   pH  =  - log [H] (como íon positivo)

e.t. - log (logaritmo negativo) =  cologaritmo

Obs.: em uma amostra de água natural,  não se tem permanentemente o mesmo valor ou unidade de pH; sempre ocorrerão alterações,  por mínima que seja.

Conclusivamente, o pH representa a atividade do íon hidrogênio na água, de forma logaritmizada, resultante inicial da dissociação da própria molécula da água e posteriormente acrescida pelo hidrogênio proveniente de outras fontes, p. ex., efluentes industriais (ácidos sulfúrico, clorídrico, nítrico, etc.), dissociação de ácidos orgânicos como o ácido acético, que resulta da "fase ácida" da decomposição anaeróbia da matéria orgânica, bem como outras substâncias que venham a apresentar reação ácida com o solvente (água).

Mais popularmente, sabemos que o pH refere-se à qualidade da água ser ácida ou alcalina.

Um pH igual a 7.0 é considerado neutro, (convencionou-se, mas modernamente se sabe que esta total neutralidade esta numa faixa pouco acima de 8,0), enquanto que valores abaixo de 7.0 são ácidos e acima alcalinos.

Na água doce cada espécie de organismo sente-se melhor em um determinado pH, que é referente ao pH do local de origem desta espécie. No entanto, a maioria das espécies aceita valores de pH um pouco diferente do seu habitat natural.

Lembramos que a escala do pH é logarítmica, ou seja, um pH de 6.2 é dez vezes mais ácido do que um de 7.2, daí a importância dos décimos, então, p. ex., quando dizemos que tal espécie aceita pequenas variações, estas variações cuidadosamente podem ser de 0.2 unidades de pH.

Cada espécie de organismo está adaptada a uma faixa de pH, podendo inclusive morrer se o pH não atender as suas necessidades e a maioria das espécies é extremamente sensível a variações rápidas de pH. Uma variação maior que 0.3 por dia já é prejudicial à saúde desses organismos, desde peixes, plantas, bactérias, algas, etc.  

Também, o pH tende a baixar devido ao aumento dos ácidos nítrico-HNO₃ (nitratos) e outros ácidos orgânicos em um sistema dinâmico como nas criações de peixes, etc.

Existem diversos artifícios que podem ser usados como acidificantes e alcalinizantes, porém mesmo com o uso destes produtos é muito difícil ajustar o pH, por que depois de algum tempo o pH tende a voltar aos valores antigos. Isto porque na maioria das vezes é ignorada a dureza carbonatada da água (KH). Olha só, dureza carbonatada!

Um fato interessante de ser citado no "ciclo da água" é a possível formação ainda no ar,   do ácido sulfúrico quando do encontro do gás oxigênio com o dimetil sulfeto-DMS, este último emitido pelas algas presentes nos grandes sistemas aquáticos. Grande parte do vapor d água se condensa após adsorver-se ao ácido sulfúrico, partícula altamente hidroscópica, atuando como núcleo de condensação, ocasionando queda do pH, quando da precipitação pluviométrica.

Na maioria das regiões do Brasil, a água da chuva tem um pH ácido, em redor de 5, 0, (em regiões não muito alteradas), e por vezes chegando aos 3, 5, em região com influência de emissões ácidas, urbanas, poluídas, etc. São Paulo/SP, segundo TOMAZ (s/d), apresenta a água de chuva com pH 4, 5, (será?) e  Porto Alegre/RS em torno de 4,0.

Essas precipitações pluviométricas recebem gases da atmosfera, como o dióxido de carbono, o dióxido de enxofre, o óxido de nitrogênio e outros que atuam diminuindo o pH da água. São precipitações ácidas, na mídia chamadas de "chuva ácida".  A água de chuva em situação mais normal deve ter um pH em torno de 5,0 - 5,6.

Este autor tem encontrado valores de pH na água de chuva, antes de chegar ao chão, da região da Serra da Bodoquena, sempre acima de 5, 0, em torno de 5,5 - 6, 0, (determinações realizadas entre 2001 - 2004), indicando possivelmente menor presença de gases ácidos, (naturais ou não),   na atmosfera local. Espera-se que a lâmina d’água, (massa líquida dos seus ambientes expostos), ao sofrer evaporação e emissão para a atmosfera em forma de vapor, possa levar e receber quando da sua condensação, alguma influência do natural ácido sulfúrico, formado na atmosfera, originário da reação do DMS-dimetil sulfeto, (emitido por algas).

"Será que nas primeiras precipitações, a água da chuva na região da Bodoquena receba  ainda no ar, o calcário como poeira, em forma de finíssimas partículas, e aí então sofra certo aumento, no seu pH? Sugerem-se estudos mais aprimorados, a respeito".  A chuva  seria então considerada como tamponada ou  já alcalina?

No caso, essa água da "chuva bodoqueniana" ao correr e infiltrar-se nos solos calcários, característicos da região, perde suas características pouco ácidas, (pH original em torno de 5,5), sendo então neutralizada e ao fim de algum tempo adquirindo características de "água dura e alcalina", ainda no seu lençol freático. Tal água, ao penetrar no solo rico em minerais,   dissolve o cálcio e o magnésio, adquirindo uma maior dureza total-DH/GH, formando-se assim os bicarbonatos e os carbonatos, com uma maior dureza de carbonatos-KH, tamponando-a  e/ou  elevando  o seu  pH. Sugere-se ocorrer também  possíveis hidróxidos pela maior e contínua disposição dos carbonatos calcíticos e dolomíticos presentes.

continua em:   Água, parte II

Referências:

BRANCO, S. M., - Hidrobiologia aplicada à engenharia sanitária - ÀGUA; Série Convênio CETESB/ACETESB; SP/SP: CETESB/ACETESB, 3ªed., 1986

---------------------, O peixe em relação ao ambiente. IN: Poluição e piscicultura; SP-SP. Comissão Interestadual da Bacia Paraná-Uruguai. Fac. de Saúde Pública/USP; Inst. de Pesca; CPRN-S.A.; p.25-28; 1970

CETESB, - Características químicas de interesse ambiental; CETESB/SP-SP, www.setorpesqueiro.com.br/cetesb

PÁDUA, H. B. de - ÁGUAS - Curso: ÁGUAS - Apostila. Bonito/MS-Br; Curso I. COMTUR/Bonito março/04. 2004. www.portalbonito.com.br

SERA, - Manuais Sera;   Como manter e cuidar do meu lago de jardim &  A  manutenção natural  de um aquário e a filtragem da água. Série de 7 livros; SERA GmbH - Postfach 1488. D 52518 Heinsberg. Germany. http://www.sera.de. http://www.aquanet. de/sera ; e.mail; sera.weke@t-online.de ; info@sera.de 

The Krib: http://www.thekrib.com/ - Aquaria FAQ: http://faq.thekrib.com/

TOMAZ, P. - Aproveitamento de água de chuva. Aproveitamento de água de chuva para áreas urbanas e fins não potáveis. SP/SP.Navegas Editora, Série Tecnologia.; 180 pgs. s/d - pliniotomaz@uol.com.br
 
Quem procura uma grande árvore, boa sombra terá.
Obrigado pelos ensinamentos

* Prof. Samuel Murgel Branco

Professor Helcias Bernardo de Pádua,
Biólogo-C. F. Bio 00683-01/D; Conferencista em "Qualidade das águas"; Especialista em Biotecnologia-C. R. Bio 00683-01D; Analista Clínico - Hosp.Clínicas SP; Professor de Biologia e Ciências-L-94.718-DR 5 - MEC, desde 1975; Consultor, professor e colunista; Memorista-AGMIB/Assoc. Grupo de Mem. do Itaim Bibi/SP; Graduando em Jornalismo.