A estrutura do gelo e sua importância

Biologia

26/04/2015

A água (H2O) é uma das moléculas de especial importância para os seres vivos, interagindo com os mesmos e exercendo suas diferentes funções nos distintos estados físicos em que a mesma é encontrada.


Por exemplo, a grande maioria dos alimentos tem como componente principal de sua composição a água, a qual pode ser encontrada basicamente e/ou concomitantemente sob duas formas distintas de estado físico: a líquida e sólida, conforme a temperatura na qual os alimentos estão armazenados. A finalidade principal de se estudar e entender como a água comporta-se nos seus diferentes estados, em especial no interior dos alimentos, deve principalmente a questão da conservação dos alimentos.


Grande parte das propriedades e comportamentos da água nos diferentes sistemas alimentícios ou não deve-se as propriedades físico-químicas e de interação entre as moléculas.


O gelo puro, estado sólido da água líquida, assim como o vapor, estado gasoso, são constituídos exclusivamente por moléculas de água, a qual é formada por um átomo de oxigênio ligado covalentemente a dois átomos de hidrogênio. A estrutura tridimensional da molécula de água aproxima-se a estrutura de um tetraedro, onde o átomo de hidrogênio, e os orbitais moleculares não ligantes do oxigênio dispõem-se nos vértices deste tetraedro e o átomo de oxigênio no seu interior.


Em função dessa geometria e da diferença de eletronegatividade entre os átomos na molécula de água, a mesma adquire polaridades, que resultam em forças de atração intermoleculares consideráveis. Essas forças, denominadas especialmente de pontes de hidrogênio, ocorrem devido a atração eletrostática entre o oxigênio de uma molécula com o hidrogênio da molécula de água vizinha. Como cada molécula de água apresenta quatro sítios de coordenação (dois de caráter positivo e dois de caráter negativo), cada molécula de água interage com no máximo outras quatro moléculas vizinhas, resultando numa rede tridimensional característica.


Em comparação as ligações covalentes (energia de ligação média de cerca de 335 kJ/mol), as pontes de hidrogênio são fracas (em geral, 2 a 40 kJ/mol), apresentando comprimentos maiores e mais variáveis. As interações oxigênio-hidrogênio apresentam energia de dissociação de aproximadamente 11 a 25 kJ/mol cada, variando em comprimento entre cerca de 1,7 a 2,0 angstrôns, em comparação ao comprimento de cerca de 1,0 angstrôn da ligação covalente oxigênio-hidrogênio dentro da própria molécula de água.


A água, com suas forças direcionadas tetraedricamente, quando cristaliza-se, formando o gelo, que adquire uma estrutura altamente organizada, onde a distância internuclear entre a ligação O-O mais próxima é de 2,76 angstrôns, e o ângulo de ligação O-O-O é cerca de 109°, muito próximo do ângulo 109,28° do tetraedro perfeito. Quando várias células unitárias estão combinadas observa-se a formação de estruturas hexagonais (como um favo de mel), sendo uma característica que determina a monorrefringência ou birrefringência do gelo quando observado de diversos ângulos.

A vista tridimensional mostra que as moléculas formam planos paralelos, muito próximos um do outro, que se movimentam como uma unidade durante o “deslizamento” ou fluxo do gelo sob pressão, como evidenciado em grandes blocos glaciais de gelo que tendem a deslizar-se uns sobre os outros.


Sob a perspectiva da simetria cristalina, o gelo comum pertence à classe bipiramidal di-hexagonal do sistema hexagonal. Entretanto, ele pode existir em outras nove estruturas polimórficas cristalinas, bem como no estado vítreo ou amorfo de estrutura incerta. Das 11 estruturas possíveis, apenas o gelo hexagonal comum é estável à pressão normal a 0°C.


Uma das propriedades mais conhecidas da água é o seu comportamento anômalo entre 0 e 4°C. A maioria dos corpos dilata-se quando a temperatura aumenta, propriedade que se explica bem pela forma assimétrica do potencial de interação entre átomos e moléculas e pelo aumento de energia cinética com a temperatura. A água comporta-se da mesma maneira acima de 4°C e abaixo de 0°C, mas entre 0 e 4°C o comportamento é “anormal”: a densidade aumenta (volume diminui) quando a temperatura baixa de 4 para 0°C; o que explica a flutuação do mesmo em água líquida.


Este fato pode ser interpretado da seguinte maneira: quando o gelo funde, há o desmoronamento parcial de sua estrutura cristalina formada por vários “espaços vazios”, e em consequência há um aumento da densidade, pois as moléculas antes mais afastadas, se aproximam mais umas das outras, e o espaço entre elas torna-se menor. À medida que a temperatura do líquido vai aumentando, a destruição da estrutura molecular se acentua, os espaços intermoleculares tornam-se cada vez menores, e consequentemente a densidade aumenta atingindo seu máximo em aproximadamente 3,98ºC. Há um efeito oposto que também deve ser levado em consideração.


É conhecido que quanto maior a temperatura, maior o movimento cinético das moléculas, e em consequência mais intensa a agitação entre as moléculas ocasionando a cisão das ligações de hidrogênio e o afastamento das moléculas de água com o consequente aumento de volume. Esse efeito se torna predominante a temperaturas acima de 3,98ºC, enquanto que abaixo desta temperatura o efeito de destruição da estrutura é o mais importante.


Essa peculiaridade da água tem enorme importância para a manutenção da vida no fundo de um lago ou rio sobre inverno rigoroso. A água quando começa a resfriar forma uma crosta de gelo que por ser menos denso flutua na superfície, impedindo e mantendo a parte inferior no estado líquido.


É também devido à dilatação da água no congelamento que, durante o inverno, a água da seiva dos vegetais pode romper o tecido celular, destruindo o vegetal, e também promover a destruição de certos recipientes, em especial de vidro, quando mantidos no congelador ou freezer.