AULA INTERDISCIPLINAR DE CIÊNCIAS NATURAIS                                   A ÁGUA E SUAS CARACTERÍSTICAS1.   Introdução ...
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Apostila - Aula Interdisciplinar - Planeta Água

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Apostila - Aula Interdisciplinar - Planeta Água

  1. 1. AULA INTERDISCIPLINAR DE CIÊNCIAS NATURAIS A ÁGUA E SUAS CARACTERÍSTICAS1. Introdução A água no planeta: a paisagem da Terra com seus rios, mares, oceanos, montanhas se deve à presença da vida, representada pelos seres vivos. Um dos principais fatores que permitiu o aparecimento e a manutenção da vida é a existência da água, que se encontra largamente espalhada na natureza. Basta olhar ao redor para perceber como a água está sempre fluindo de um lugar para outro. Recobre cerca de75% da superfície terrestre, na forma de água líquida e de gelo; o vapor dágua entra na composição do ar. o volume de água no planeta corresponde a 1,4 . 1021 litros. Entretanto, a quantidade de água potável é muito pequena, em torno de 0,3%, nas águas de rios, lagos e subsolo até 750 metros de profundidade.2. Estrutura molecular da água Uma molécula de água (H2O) é formada por um átomo de oxigênio (O) unido covalentemente a dois átomos de hidrogênio (H), os quais formam entre si um ângulo de 104,5° (cento e quatro graus e meio). Como a força de atração dos oito prótons do núcleo do oxigênio é maior que a do único próton dos núcleos do hidrogênio (o oxigênio é mais eletronegativo), a molécula de água é polarizada, isto é, apesar de ter carga elétrica total igual a zero, possui carga elétrica parcial negativa (δ ) na região do oxigênio e carga elétrica parcial positiva (δ+ ) na região de cada hidrogênio. Planeta Água.doc
  2. 2. 23. Pontes de hidrogênio Muitas das propriedades da água decorrem do fato de o átomo de oxigênio de uma molécula atrair um dos átomos de hidrogênio de uma molécula vizinha, estabelecendo-se entre elas uma ligação química denominada ponte de hidrogênio. Uma ponte de hidrogênio forma-se quando um átomo com carga elétrica parcial negativa de uma molécula atrai um hidrogênio com carga elétrica parcial positiva de uma molécula vizinha. São as pontes de hidrogênio que mantêm a coesão, entre as moléculas de água em estado líquido ou sólido (gelo). Na água em estado líquido, a atração entre moléculas vizinhas cria uma espécie de rede fluida, em contínuo rearranjo, com pontes de hidrogênio se formando e se rompendo a todo o momento. ATENÇÃO Para que a molécula de água possa se comportar como uma molécula de gás (vapor), ela deve quebrar essas pontes de hidrogênio que a unem a moléculas vizinhas e isso custa muita energia. Apesar de ser bem mais fraca que as ligações iônicas (transferência completa de elétrons) e covalentes (compartilhamento de par de elétrons), essa ligação é mais forte que a maioria das outras ligações entre moléculas. As pontes de hidrogênio ocorrem em maior quantidade no estado sólido do que no líquido, conferindo à água comportamentos interessantes: o gelo tem densidade menor que a água líquida e flutua nela; isto se deve ao fato que as moléculas de água, no estado sólido se organizam formando hexágonos, numa estrutura mais aberta que no estado líquido, ocupando, portanto, volume maior. Assim, a relação d = m/v é menor do 1 (densidade da água líquida). Aquecendo a água acima do seu ponto de fusão, a referida rede cristalina começa a ser destruída sendo os espaços anteriormente vazios preenchidos por algumas moléculas. Por isso se verifica a contração do volume. O valor do volume mínimo atingido ocorre quando água alcança a temperatura de 39,2°F. Planeta Água.doc
  3. 3. 3 Como a densidade do gelo é em torno 0,92 g/cm3, isso faz que o gelo flutue com cerca de 92% doseu volume submerso. Esse tipo de dilatação anormal da áqua explica por que um lago congela apenas nasuperficie. Durante o resfriamento da água da superfície até 4°C a densidade aumenta, e essa água desce, produzindoa subida da água mais quente do fundo (convecção). Isso ocorre até que toda a água do lago atinja 4°C, pois apartir daí, quando a temperatura da água da superfície diminui, seu volume aumenta, diminuindo a densidade.Em conseqüência, essa água mais fria não desce mais e acaba se solidificando. Esse gelo formado na superfícieisola o restante da água, fazendo com que a temperatura no fundo do lago conserve-se acima de 0°C. A dilatação anormal da água faz com que apenas a superfície de um lago se solidifique. O geloformado isola o restante da água (o gelo é péssimo condutor de calor), fazendo com que a temperatura nofundo do lago seja superior a 0oC e, desse modo, preservando a vida animal e vegetal lá existen LEITURA AÇÃO DAS MICROONDAS SOBRE AS MOLÉCULAS DE ÁGUA A molécula de água, H2O, como já vimos, é formadapor um átomo de oxigênio e dois de hidrogênio. Ela ébipolar, o que significa que o baricentro das cargasnegativas e o das cargas positivas não são confundidos, istose deve fato de o átomo de oxigênio ter mais elétronsnegativos que o de hidrogênio. Quando sujeita a uma radiação, a molécula de águaabsorve a energia das ondas eletromagnéticas se estas têmuma freqüência na faixa das microondas (2450 MHz). Estaabsorção traduz-se numa vibração da molécula de água. As moléculas de água de um alimento em estado normal estão em desordem: não respeitamnenhuma ordem de orientação específica. Mas quando sujeitas a um campo elétrico contínuo os pólosnegativos das moléculas de água têm tendência a orientar-se em direção a este último. Quando sujeitas às microondas, as moléculas de água do alimento orientam-se em direção do campo elétrico que compõe estas ondas. Este campo, ao ser alternado, faz com que os pólos orientem-se sucessivamente num sentido e seguidamente no outro, o que resulta em várias mudanças de orientação (cerca de 2.450.000.000 vezes num Planeta Água.doc
  4. 4. 4 segundo) ao mesmo ritmo que a onda que oscila 2.450.000.000 vezes por segundo. As frições entre as moléculas de água criadas por este grande número de rotações libertam calor. Após esta liberação de calor, este se transmite às diferentes camadas do alimento por condução e aquecendo assim a uma parte do alimento. A quantidade de água não repartida da mesma maneira no alimento faz com que certas partes do alimento fiquem mais ou menos quentes que outros. Mas quando há liberação de calor das moléculas de água, têm tendência a passar do estado líquido ao estado gasoso, o volume de vapor assim produzido não pode necessariamente ser contido no alimento e é por isso que certos alimentos explodem. A molécula de água não é a única a vibrar na presença de microondas, há também os açúcares e as gorduras. Mas o que faz com que a molécula de água seja a única a desempenhar um papel na liberação de calor é a sua dimensão: é a única que é bipolar e que pode girar graças à sua pequena dimensão. PENETRAÇÃO DAS ONDAS NO INTERIOR DO ALIMENTO A penetração das ondas, nos alimentos difere em função deste, da sua concentração e composição. Quando um alimento é sujeito a uma radiação de microondas, ele tem tendência a rejeitar uma parte da onda e a armazenar a outra. A parte absorvida é chamada de energia calorífica e é graças a ela que o alimento aquece. A parte rejeitada é chamada de onda refletida. Para evitar que certas partes do alimento sejam queimadas ou outras fiquem frias é necessário que a distribuição das ondas seja a mesma em todas as zonas do alimento. Para este efeito as paredes da cavidade fazem refletir as ondas e o prato em rotação permite a distribuição homogênea das ondas ao alimento.4. A água e os seres vivos A maior parte da massa dos seres vivos é simplesmente água. Essa substância é responsável por mais de 70% da massa de nosso corpo; as porcentagens de água nos tecidos de nosso organismo variam de 20%, nos ossos, até 85%, no cérebro. ORIGEM A água origina-se em maior parte do meio externo (água exógena) e em menor parte dos processos metabólicos vitais (água endógena). 1a) Água Exógena - É incorporada pela absorção radicular (raiz) nos vegetais terrestres e pela ingestão, na maioria dos animais. Planeta Água.doc
  5. 5. 5 a 2 ) Água Endógena - É formada na síntese de proteínas e no processo de respiração celular. Na síntese de proteínas cada ligação entre dois aminoácidos, para formar uma cadeia, produz uma molécula de água. Na respiração, a água é produzida pela combinação dos hidrogênios retirados do alimento com o oxigênio absorvido do exterior. É interessante notar que os lipídios produzem mais água (e mais energia) que os glicídios e as proteínas, porque têm, relativamente, mais hidrogênios em suas moléculas. A quantidade de água varia: 1. De espécie para espécie  nos invertebrados marinhos há muito mais água que nos invertebrados terrestres. 2. De indivíduo para indivíduo (idade)  indivíduos jovens têm mais água que os adultos. 3. De tecido para tecido (atividade)  tecidos mais ativos têm mais água que tecidos menos ativos.5. Propriedades da Água A) A água como solvente A água é um excelente solvente, ou seja, é capaz de dissolver grande variedade de substâncias químicas, como sais, gases, açúcares, aminoácidos, proteínas e ácidos nucléicos; por isso costuma ser chamada de "solvente universal". Do ponto de vista químico, dissolver consiste em separar, por meio de um solvente, os agregados ou cristais que formam determinada substância. Por exemplo, quando colocamos açúcar ou sal em um copo com água, as moléculas dessa substância penetram entre as partículas dos cristais de açúcar ou de sal, separando-as e envolvendo-as, isto é, dissolvendo sua união. A dissolução, nesse caso, leva à formação de uma mistura homogênea, a solução, composta pelo solvente e pelas substâncias dissolvidas, genericamente chamadas de solutos. O líquido que preenche as células vivas, denominado citosol, consiste em uma solução aquosa de diversas substâncias; o sangue e outros líquidos corporais dos seres multicelulares também são soluções aquosas. As principais substâncias dissolvidas nessas soluções biológicas são glicídios, sais, aminoácidos e proteínas, entre outras. IMPORTANTE Em um cristal de cloreto de sódio, são as forças elétricas entre os íons Na+ e C que mantêm a estrutura de sua rede cristalina. Quando esse sal é colocado em água, a força elétrica entre os íons torna-se muita fraca (80 vezes menor) e, por isso, a rede cristalina se desfaz. Então, a solução de NaC em água é constituída por íons de Na+ e C, distribuídos praticamente livres no seio do líquido. Toda substância, cujas ligações são do mesmo tipo que no cloreto de sódio, se dissolvem facilmente na água, em virtude da grande redução causada por esse meio na força elétrica entre os íons. Planeta Água.doc
  6. 6. 6 LEITURA SUBSTÂNCIAS HIDROFÍLICAS E HIDROFÓBICAS Na dissolução do cloreto de sódio, a dupla polaridade das moléculas de água explica suaversatilidade como solvente. Por serem dipolares, as moléculas de água podem associar-se tanto amoléculas de carga elétrica positiva quanto a moléculas de carga elétrica negativa. Sais, açúcares,proteínas e muitas outras substâncias orgânicas apresentam afinidade pela água, dissolvendo-se nela.Substâncias que têm afinidade pela água são genericamente chamadas de hidrofílicas (do grego hydro,água, e philos, amigo). Gorduras e outras substâncias cujas moléculas não têm cargas elétricas, isto é, são apolares (não-polarizadas), não se dissolvem em água e por isso são chamadas de hidrofóbicas (do grego hydro, água, ephobos, medo, aversão). A razão dessa insolubilidade é que as moléculas de água não conseguem interagircom moléculas não- Denomina-se reação química ao processo de transformação de uma ou maismoléculas, genericamente chamadas de reagentes, em moléculas de uma outra ou mais substâncias,chamadas de produtos. Nos seres vivos ocorre ininterruptamente um número incalculável de reaçõesquímicas, mediante as quais as células obtêm energia e produzem as substâncias necessárias a sua vida.Em muitas dessas reações, a água participa como reagente; em outras, ela é gerada como produto. Reações químicas em que ocorre união entre moléculas, com formação de água como produto, sãochamadas de síntese por desidratação. As reações de quebra de moléculas orgânicas em que a águaparticipa como reagente são denominadas reações de hidrólise (do grego, hydro, água e lise, quebra), quesignifica "quebra pela água". Por exemplo, a reação de união entre aminoácidos para a formação dasproteínas é uma síntese por desidratação. Já a digestão do açúcar sacarose, que se transforma em glicose eem frutose, é um exemplo de reação de hidrólise.B) Coesão e adesão da água As pontes de hidrogênio mantêm as moléculas de água unidas umas às outras, fenômeno conhecidopor coesão. Esse fenômeno é bem evidente na superfície de uma massa de água, onde há uma películarelativamente resistente formada por moléculas de água firmemente aderidas umas às outras, na zona decontato com o ar. Essa propriedade de a superfície de um líquido se comportar como se houvesse um filmeelástico distendido sobre ela é chamada tensão superficial. Em um lago, por exemplo, podemos observarque a tensão superficial da água, que é maior do que a da maioria do outros líquidos, consegue suportar opeso de insetos, de folhas etc. A tensão superficial está presente também na superfície das gotas de água,sendo responsável pela forma peculiar que elas possuem. Planeta Água.doc
  7. 7. 7C) Capilaridade A coesão e a adesão são responsáveis pela capilaridade, como é chamada a tendência que a água apresenta de subir pelas paredes de tubos finos ou de se deslocar por espaços estreitos existentes em materiais porosos, como tecidos de algodão ou esponjas. Quando a extremidade de um tubo fino de paredes hidrófilas é mergulhada na água, as moléculas dessa substância literalmente "sobem pelas paredes" internas do tubo. Nessa elevação, as moléculas de água aderidas à parede arrastam as moléculas mais internas da coluna líquida, às quais estão ligadas por coesão. Em um tubo de diâmetro maior, a quantidade de moléculas da coluna líquida em contato com a parede é proporcionalmente menor que a das moléculas mais internas e, conseqüentemente, a força de adesão não eleva muito o nível da coluna de água. Nas plantas, a capilaridade atua no deslocamento da seiva bruta, desde as raízes, onde ela é absorvida do solo, até o topo das árvores. D) A água como moderador de temperatura A maioria dos seres vivos só pode existir em uma estreita faixa de temperatura, fora da qual os organismos morrem ou seu metabolismo cessa. Nesse contexto, a água é essencial à manutenção da vida, pois ajuda a evitar variações bruscas na temperatura dos organismos. A água pode desempenhar esse papel porque apresenta valores elevados de calor específico, de calor latente de vaporização e de calor latente de fusão.  Calor específico da água O calor específico é definido como a quantidade de calor que um grama de uma substância precisa absorver para aumentar sua temperatura em 1°C (um grau Celsius), sem que haja mudança de estado físico. Diferentemente de outras substâncias, a água pode absorver ou ceder grandes quantidades de calor com pequena alteração de temperatura, ou seja, ela possui calor específico extraordinariamente alto. Por exemplo, se colocarmos a mesma quantidade de água e de ferro no forno, veremos que o ferro se aquece muito mais depressa que a água. Por outro lado, o ferro também se resfria mais depressa que a água. Para uma mesma quantidade de calor absorvida, o ferro se aquece dez vezes mais que a água e, portanto, possui calor específico dez vezes menor que ela.  Calor latente de vaporização da água O calor latente de vaporização é definido como a quantidade de calor absorvida durante a vaporização de uma substância em seu ponto de ebulição. A água tem elevado calor de vaporização (539,6 cal/g) quando comparado ao de outros líquidos. O alto calor latente de vaporização da água é conseqüência da forte coesão entre suas moléculas. Para que a água passe do estado líquido para o gasoso é preciso romper as pontes de hidrogênio que mantêm as moléculas unidas, o que demanda muita energia. A evaporação da água é um mecanismo importante para os seres vivos; graças a ele, os organismos terrestres evitam o superaquecimento. As folhas das plantas, por exemplo, não se aquecem demais durante um dia de sol intenso porque a maior parte do calor que chega até elas é usado para evaporar a água dos tecidos no processo de transpiração foliar. A evaporação do suor de nossa pele, por sua vez, ajuda a resfriar a superfície do corpo em um dia quente ou quando fazemos atividades físicas que geram calor em excesso. Planeta Água.doc
  8. 8. 8  Calor latente de fusão da água Calor latente de fusão é a quantidade de calor necessária para transformar um grama de uma substância em estado sólido para o estado líquido, na temperatura de fusão. A água tem elevado calor latente de fusão (79,7 cal/g). Para se solidificar, isto é, tornar-se gelo, ela precisa liberar muito calor, o que requer exposição a temperaturas inferiores a 0°C por tempo prolongado. O alto calor de fusão da água protege os organismos vivos dos efeitos danosos do congelamento; se a água de suas células congelasse facilmente, os seres vivos morreriam devido aos cristais formados dentro delas, que causariam danos às membranas celulares. Hoje é comum congelar células vivas e conservá-las em nitrogênio (N2) líquido a uma temperatura de cerca de 196°, como se faz com embriões humanos antes de serem implantados no útero materno, nos processos de reprodução assistida. Nesses casos, as células são tratadas previamente com substâncias químicas que impedem a formação de cristais de gelo e congeladas seguindo um método especial. EXERCÍCIOS01. A água é a substância mais abundante na constituição dos mamíferos. É encontrada nos compartimentos extracelulares (líquido intersticial), intracelulares (no citoplasma) e transcelulares (dentro de órgãos como a bexiga e o estômago). Sobre a água, é correto afirmar que: (01) a quantidade em que é encontrada nos organismos é invariável de espécie para espécie. (02) a distribuição de cargas elétricas na molécula de água lhe dá característica de uma substância apolar. (04) a organização bimolecular dos fosfolipídios nas biomembranas resulta da atração entre os grupos fosfatos e as moléculas de água provocadas pela polaridade. (08) o alto calor específico da água impede mudanças bruscas de temperatura dentro das células. (16) o grande poder de dissolução da água é muito importante para os organismos, pois as reações químicas ocorrem no meio aquoso. (32) participa da constituição dos fluidos orgânicos que transportam substâncias dissolvidas por todo corpo. (64) a água é classificada como um óxido básico.02. A água pode nos fascinar. Não apenas por sua incrível abundância ou variedade de formas, ou mesmo por seu papel fundamental em moldar nosso planeta e a evolução da vida. Para mim, o fascinante é que propriedades tão ricas possam surgir de uma estrutura tão simples. Além do mais, não é apenas a riqueza da simplicidade da água que é tão inspiradora, pois a sutileza de suas propriedades também me traz grande satisfação. Que suas propriedades incomuns sejam essenciais para o surgimento e manutenção da vida é uma dimensão a mais, a ser acrescentada ao prazer de se contemplar a água. Em relação às considerações do texto e aos aspectos físicos, químicos e biológicos do ciclo da água, pode-se afirmar que: (01) o mecanismo de transporte ativo é uma exigência para o intercâmbio de água entre a célula e o meio, durante a transpiração. (02) nas condições físicas do planeta, a abundância da água, nas fases líquida e sólida está relacionada às interações moleculares tipo ligação de hidrogênio. (04) a perda de água sob a forma gasosa, comum aos seres vivos, integra os processos que sustentam o ciclo da água. (08) no ciclo da água, evaporação e condensação são transformações físicas, exotérmica e endotérmica, respectivamente. (16) as plantas degradam a molécula de água, retendo hidrogênio e eliminando oxigênio, o que torna seu papel fundamental na manutenção da vida. (32) a água participa da manutenção da vida, porque é substância apolar e capaz de dissolver gorduras. (64) animais terrestres podem comprometer o ciclo da água ao concentrá-la em elevadas proporções em suas células. Planeta Água.doc

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