Aula 9 Sigam a Água - 2

FOLLOW THE LIFE

• Solvent • Biogenic elements• Source of Free Energy

searches for life within our solar system commonly retreat from a search for life to a search for “life as we know it,” meaning life based on liquid water, a suite of so-called “biogenic” elements (most famously carbon), and a usable source of free energy.

(Chyba & Hand, 2005, p. 34)

FOLLOW THE LIFE

• Follow the water• Follow the carbon• Follow the nitrogen• Follow the energy• Follow the entropy• Follow the information

Três Estados da Água

• Na Terra, a água pode estar presente nos seus três estados: gelo (sólido), água líquida (líquido) e vapor d’água (gasoso)

• Pressão e Temperatura controlam qual é o estado dominante em um particular ambiente planetário

Pressão Atmosférica

No nível do mar: 1 atmosfera = 101 325 Pa = 101.325 kPa = 1.01325 bar

A pressão é devida ao impacto das moléculasna superfície

Liquid

Vapor

Evaporation

Condensation

At some point Condensation = Evaporation – liquid and vapor phases are in Equilibrium – saturation curveT – triple point of a substance is the temperature and pressure at which three phases (gas, liquid, and solid) of that substance may coexist in thermodynamic equilibriumC – critical point – liquid phase cease to exist

Phase Diagrams

1. Conjunto de condições (1) – fase sólida2. Conjunto de condições (2) – fase líquida3. Conjunto de condições (3) – fase gasosa

Pode-se fazer um líquido ferver ou aumentando sua temperatura ou diminuindo sao pressão

H2O

CO2

Não pode haver H2O líquido abaixo de 0.006 atm (Marte)Não pode haver CO2 líquido abaixo de 5 atm – gelo seco

Uma grande vantagem da H2O – gelo flutua!

• Para a maior parte das substâncias, a fase sólida é mais densa do que a líquida

• O gelo é mais denso que a água líquida, e assim o gelo flutua

• Lagos e oceanos não

congelam completamente

– A vida pode sobreviver

às glaciações

Three major advantages of Water • A wider and higher range of temperatures over which it

remains liquid (major advantage)

• Water ice floats, whereas the other substances sink when frozen (also important)

• The charge separation of water molecules – water can dissolve some substances (salts) but cannot dissolve membranes

• CALOR ESPECÍFICO DA H2O:

1 caloria (4,1868 Joules) para aquecer 1 g de H2O em 1oC.

•Isso significa que muita energia é necessária para aumentar a temperatura de uma dada massa de água; a energia é utilizada para superar a coesão das PONTES DE HIDROGÊNIO

•Assim, em um planeta com grande quantidade de água (como a Terra), variações da insolação só podem provocar PEQUENAS VARIAÇÕES NA TEMPERATURA DO PLANETA

GRANDE ESTABILIDADE TÉRMICA•O calor é armazenado nos oceanos no VERÃO e liberado de volta para a atmosfera no INVERNO.

Uma outra vantagem da H2O: Alto Calor Específico

Estrutura da Água

ESTRUTURA da água

104.5o

Pontes de Hidrogênio

Molécula Geometria Momento dipolar (D)H2 Lineal 0HF Lineal 1.78HCl Lineal 1.07HBr Lineal 0.79HI Lineal 0.38H2O Angular 1.85H2S Angular 0.95CO2 Lineal 0NH3 Piramidal 1.47NF3 Piramidal 0.23CH4 Tetraédrica 0

dipolo líquido = 1,85

dipolo líquido = 0

1,85

Na água líquida: grandes graus de liberdade entre as moléculas cria uma dinâmica entre as Pontes de Hidrogênio

Ih Ic

Organização no gelo

Ice IV

Equilíbrio de dissociação: o pH

[H+]1 1 x 100 High H3O

+ concentration Low OH- concentration0.1 1 x 10-1

0.01 1 x 10-2

0.001 1 x 10-3

0.0001 1 x 10-4

0.00001 1 x 10-5

0.000001 1 x 10-6

0.0000001 1 x 10-7 Equal concentration of H3O+ and OH-

0.00000001 1 x 10-8

0.000000001 1 x 10-9

0.0000000001 1 x 10-10

0.00000000001 1 x 10-11

0.000000000001 1 x 10-12

0.0000000000001 1 x 10-13

0.00000000000001 1 x 10-14 Low H3O+ concentration High OH- concentration

H2O + H2O H3O+ + OH-

Na ÁGUA PURA, as concentrações de H3O+ e OH- SÃO IGUAIS

Solvatação

ânionscátion

etanol

Solutos polares não-ionizáveis:

Solutos ionizáveis:

Solutos não-polares:

No caso do sal, podemos representar a hidratação do cátion e do ânion como sendo:

Na+(g) + Cl-

(g) + xH2O Na+(aq) + Cl-

(aq)

No caso do NaOH:

NaOH + xH2O Na+ (aq) + OH- (aq)

Quando os íons são hidratados, é liberada a ENERGIA DE HIDRATAÇÃO, que pode ser de natureza ENDOTÉRMICA ou EXOTÉRMICA

Além da organização dos solutos na estrutura de dipolo da água, o fator mais importante na solubilidade é a sua CONSTANTE DIELÉTRICA:

F = (q1q2)

r2

(Lei de Coulomb)

Mas a organização das cargas no meio líquido depende do trabalho necessário para que isso ocorra, ou seja, depende também da CONSTANTE DIELÉTRICA DO MEIO:

F = (q1q2)

D r2

F (negativa) se q1 (+) e q2 (-) ATRAÇÃO

F (positiva) se q1 = q2 REPULSÃO

Constantes dielétricas de líquidos selecionados (à 25 ºC)

Meio D ar 1 acetona 20,7 etanol 24,30 benzeno 2,27 água 78,54 Ácido sulfúrico anidro 101

Podemos definir a constante dielétrica do meio como sendo a razão entre o trabalho necessário para separar cargas opostas a uma determinada distância no vácuo pelo trabalho necessário para separar as mesmas cargas quando imersas no meio. Assim sendo, podemos fazer algumas comparações: como o trabalho para separar partículas carregadas com cargas diferentes é inversamente proporcional à constante dielétrica, o trabalho para separar duas tais partículas em água é 1/78,54 vezes aquela necessária para separa-las no ar

1 = 0,013

78,54H2O

1 = 1

1ar

Forças da água e na água

Propriedades e papel da água

Líquido de maior estabilidade químicaAproximadamente 75% da composição de qualquer ser vivoAlto calor específicoAs pontes de HidrogênioEquilíbrio de dissociação: o pHSolvataçãoForças da água e forças na águaO mundo hidrofílico induzindo a organização química

Líquido de maior estabilidade químicaAproximadamente 75% da composição de qualquer ser vivoAlto calor específicoAs pontes de HidrogênioEquilíbrio de dissociação: o pHSolvataçãoForças da água e forças na águaO mundo hidrofílico induzindo a organização química

Forças DA água:

CAPILARIDADE

AR

Resultante das Forças 0

Resultante das Forças 0

TENSÃO SUPERFICIAL

Forças NA água:

DISSOLUÇÃO DE SOLUTOS

OSMOSE

tempo

O mundo hidrofílico induzindo a organização química

Protein

Hydrophilic molecules