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

Water: Pros & Cons

• It is easily done: it is a tri-atomic molecule and H and O

are the first and third most abundant elements in the

universe.

• It remains in liquid form for a relatively large temperature

range (0 – 100ºC, under 1 atm); these limits could be

extended under pressure and by the presence of dissolved

salts.

This temperature range include temperatures high

enough for chemical reactions to proceed at a relatively

rapid pace, but not so high that collisions destroy

important, large and fragile molecules.

Water: Pros & Cons

• It is rather corrosive and reactive.

• It can hamper protein and nucleic acid concentrations

• Its ice is less dense than that of water so that ice floats.

The high reflectivity of water ice could lead to thermal

negative runaway conductive to global glaciations, that

could turn into killing events.

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 curve

T – 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 equilibrium

C – critical point – liquid phase cease to exist

Phase Diagrams

1. Conjunto de condições (1) – fase sólida

2. Conjunto de condições (2) – fase líquida

3. 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

Water: Pros & Cons – Cont.• Its ice is less dense than that of water so that ice floats. Having a

frozen ice cap protects life below the ice and prevents freezing throughout all the bulk of the liquid. (eg. EUROPA)

• Water has a very large heat of vaporization and a large heat of vaporization. This means that the temperatures of in solution is stabilized by the thermal properties of water as a solvent.

• Water is a polar solvent so that it can discriminate between polar and non-polar molecules. Chemical discrimination results on the formation of mixed phases such as membranes, microenvironments and compartmentalization.

• Its relatively high viscosity protects living organisms from strong dynamical instabilities.

• The surface tension of water, twice that of ammonia and three times that of alcohol, exceeds the surface tension of any other liquid known.

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 0

HF Lineal 1.78

HCl Lineal 1.07

HBr Lineal 0.79

HI Lineal 0.38

H2O Angular 1.85

H2S Angular 0.95

CO2 Lineal 0

NH3 Piramidal 1.47

NF3 Piramidal 0.23

CH4 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

1

ar

Forças da água e na água

Propriedades e papel da água

Líquido de maior estabilidade química

Aproximadamente 75% da composição de qualquer ser vivo

Alto calor específico

As pontes de Hidrogênio

Equilíbrio de dissociação: o pH

Solvatação

Forças da água e forças na água

O mundo hidrofílico induzindo a organização química

Líquido de maior estabilidade química

Aproximadamente 75% da composição de qualquer ser vivo

Alto calor específico

As pontes de Hidrogênio

Equilíbrio de dissociação: o pH

Solvatação

Forças da água e forças na água

O 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