As anomalias da água: Molécula comum e abundante no Universo

A água: Um líquido com comportamentos misteriosos

A água é uma das poucas substâncias que apresenta cerca de 70 anomalias documentadas. Essas anomalias concernem às suas propriedades termodinâmicas, mecânicas, estruturais e até acústicas. Elas provêm da natureza cooperativa das ligações de hidrogênio e explicam por que a água é a base da vida como a conhecemos.

N.B.:
As ligações de hidrogênio são interações dipolo-dipolo direcionais entre um átomo de hidrogênio ligado a um átomo altamente eletronegativo (como o oxigênio) e outro átomo eletronegativo. Na água, cada molécula pode formar até quatro ligações de hidrogênio, criando uma rede dinâmica. Essa rede é a causa principal da maioria das anomalias da água, incluindo sua densidade máxima, alto calor específico e viscosidade não monótona.

As quatro grandes famílias de anomalias

• Termodinâmicas: alto calor específico, densidade máxima a 4 °C, entalpia de vaporização, ponto crítico incomum, ponto de congelamento sob pressão, ponto de ebulição elevado.
• Dinâmicas: viscosidade não monótona, difusão molecular crescente em regime super-resfriado, super-resfriamento, compressibilidade mínima.
• Estruturais: rede tetraédrica instável, coexistência de microestruturas densas e abertas, expansão anormal durante a solidificação, múltiplos polimorfos de gelo, tensão superficial muito alta.
• Ópticas e dielétricas: constante dielétrica muito alta, absorção infravermelha particular, velocidade do som anormal, alta capacidade de solvatação.

Exemplo de uma anomalia fascinante: Viscosidade não monótona da água e comportamentos extremos

A viscosidade da água é uma de suas anomalias mais intrigantes. Ao contrário da maioria dos líquidos, sua viscosidade não diminui linearmente com a temperatura. Apresenta um mínimo em torno de 30 °C, depois aumenta levemente à medida que a temperatura se aproxima de 0 °C. Esse comportamento, chamado viscosidade não monótona, deve-se à reorganização dinâmica da rede de ligações de hidrogênio, que se fortalece em baixas temperaturas, retardando o movimento molecular.

Em condições extremas, como em regiões frias e de baixa densidade do espaço interestelar, as moléculas de água podem formar estruturas altamente ordenadas mesmo em densidade e temperatura muito baixas. Estudos teóricos e simulações sugerem que essa água interestelar poderia apresentar uma viscosidade extremamente alta, comparável ou até maior que a do mel na Terra. Esse fenômeno é explicado pela presença quase permanente de ligações de hidrogênio fortemente correlacionadas e pela ausência de perturbações térmicas.

Encapsulamento molecular graças à viscosidade extrema da água

Em condições de viscosidade extremamente alta, como as observadas em certos ambientes espaciais ou em baixas temperaturas, a água pode agir como um verdadeiro solvente estruturante.

A rede de ligações de hidrogênio fortemente correlacionadas confere à água a capacidade de aderir às moléculas vizinhas, estabilizando sua posição relativa e limitando sua difusão.

Esse fenômeno permite que a água apture e encapsule moléculas, formando microambientes protetores que podem:

• Preservar moléculas orgânicas sensíveis da degradação química ou radiativa.
• Facilitar reações químicas ao aproximar os reagentes em um espaço confinado.
• Servir como matriz na formação de gelos amorfos e grãos interestelares enriquecidos com água.

N.B.:
O encapsulamento molecular pela água é uma consequência direta da viscosidade extrema e da rede de hidrogênio estruturada. Essa propriedade poderia desempenhar um papel fundamental na química pré-biótica e na formação dos primeiros blocos moleculares no universo.

Tabela não exaustiva das anomalias físicas e químicas da água