1
ÁGUA NO SOLO
PROF. GILSON MOURA FILHO/SER/UFAL CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM AGRONOMIA DISCIPLINA: FÍSICA DO SOLO
1. INTRODUÇÃO
"A água é o constituinte mais característico da terra. Ingrediente essencial da vida,
a água é talvez o recurso mais precioso que a terra fornece à humanidade. Embora
se observe pelos países mundo afora tanta negligência e tanta falta de visão com
relação a este recurso, é de se esperar que os seres humanos tenham pela água
grande respeito, que procurem manter seus reservatórios naturais e salvaguardar
sua pureza. De fato, o futuro da espécie humana e de muitas outras espécies pode
ficar comprometido a menos que haja uma melhora significativa na administração
dos recursos hídricos terrestres." (J.W.Maurits la Rivière, Ph.D. em Microbiologia,
Delft University of Technology, Holanda)
2
2/3 da superfície da Terra. Quase toda a água do planeta está
concentrada nos oceanos. Apenas uma pequena fração (menos de 3%)
está em terra e a maior parte desta está sob a forma de gelo e neve ou
abaixo da superfície (água subterrânea). Só uma fração muito pequena
(cerca de 1%) de toda a água terrestre está diretamente disponível ao
homem e aos outros organismos, sob a forma de lagos e rios, ou como
umidade presente no solo, na atmosfera e como componente dos mais
diversos organismos.
Líquido, gasoso (atmosfera) e sólido
Necessidade é maior nas regiões quentes e secas; áridas e
semi-áridas.
Excesso de água deficiência de O2
Excesso de ar deficiência de H2O
Sistema Solo-Planta-Atmosfera
3
2. ESTRUTURA MOLECULAR
Apesar de seu baixo peso molecular, em temperatura ambiente, a
água é um líquido e não um gás quando, por exemplo, é comparada ao
H2S (molécula irmã) cujo ponto de ebulição é -60,7 C.
1 cm3 de água, na fase líquida, contém cerca de 3,4 x 1022 (34 mil
bilhões de bilhões) de moléculas, cujo diâmetro é aproximadamente 0,3
nm. A fórmula química da água é H2O, o que significa que cada molécula é
constituída de 2 átomos de hidrogênio e 1 átomo de oxigênio.
Isótopos (= elemento químico e no. de massa)
Os átomos instáveis tendem, portanto, a associar-se a outros para
ganhar, perder ou compartilhar elétrons. Efetuam desse modo uma
Ligação Química.
Estáveis Última camada completa com 8 elétrons, são estáveis.
Estáveis (gases nobres). Instáveis (demais; não podem existir livres e
isolados).
Valência O no.de elétrons que um átomo pode perder, ganhar ou
compartilhar.
Isótopos
,,, 3
1
2
1
1
1 HHH
,,, 18
8
17
8
16
8 OOO
4
Ao perder ou ganhar Íon
Íons positivos ou cátions perdem elétrons (val. +)
Íons negativos ou ânions ganham elétrons (val. -)
Valência Eletrovalência
Compartilhar elétrons Não formam Íons
Cada par de elétrons compartilhados representa uma
valência.
Valência Covalência
Ligação Química Iônica (íons)
Covalente ou molecular (compartilha elétrons)
Ligação covalente As ligações químicas nem sempre
acontecem entre um átomo que precisa ceder e outro que precisa ganhar
elétrons. Pode ocorrer também um encontro entre dois átomos que
precisam ganhar elétrons. A ligação covalente ocorre entre um não-metal
e não-metal ou entre hidrogênio e não-metal.
H K (1)
O K (2) L(6)
Camada K 2 elétrons - estável
Camada L 8 elétrons - estável
Tanto o H quanto o O precisam ganhar elétrons para tornarem-se
átomos estáveis. O H precisa ganhar um, o oxigênio, dois. Não há ganho
nem perda de elétrons. Cada um dos H vai compartilhar um par de
elétrons; o oxigênio dois pares. O resultado agora é um composto
molecular ou molécula.
5
Quadro 1. Massa atômica e algumas constantes de temperatura de fusão e ebulição
Elemento Massa
Atômica
TF
OC
TE
OC
Comparti-
lhado c/ H
Massa
molecular
TF
OC
TE
OC
O 16 -219 -183 H2O 18 0 100
S 32 H2S 34 -86 -61
Se 80 H2Se 82 -60 -42
Te 128 H2Te 130 -49 -2
Elemento/
Substância
TF
OC
TE
OC
H2O 0 100
NaCl 800 1400
Álcool -117 78
Éter 35
Hg -40 350
Tungstênio 3400 5900
Comparada ainda com outros líquidos comuns, a água possui calor
específico, calor de evaporação e calor de fusão altos, além de
viscosidade, tensão superficial e constante dielétrica elevadas.
Os dois átomos de H estão ligados ao O formando um ângulo de
aproximadamente 105 0. Este arranjo assimétrico dos hidrogênios causa
um desbalanceamento das cargas eletrostáticas na molécula da água. De
um lado da molécula (lado do oxigênio) há excesso de carga negativa,
6
enquanto que do outro (lado do hidrogênio) há predominância de carga
positiva. Esta distribuição assimétrica de cargas dá origem a uma
polaridade, que por sua vez atribui às moléculas de água uma atração
pelas moléculas vizinhas segundo uma certa orientação, e é ainda a razão
porque a água é um bom solvente, adsorve prontamente sobre superfícies
sólidas e hidrata íons e colóides.
Cada próton de hidrogênio, ao mesmo tempo que se acha ligado ao
oxigênio, na formação de moléculas individuais de água, é também atraído
pelo oxigênio vizinho da molécula vizinha, com a qual ele forma uma
secundária conhecida como ponte de hidrogênio.
7
As ligações intermoleculares resultantes da polaridade não são tão
rígidas como as ligações primárias oxigênio-hidrogênio da molécula. Estas
ligações secundárias formam uma cadeia de moléculas denominada
polímero. É ainda, devido às pontes de hidrogênio, os altos valores de
calor específico e viscosidade.
A polaridade das moléculas de água prova atração entre elas,
sendo que a uma determinada temperatura podem ser encontradas
moléculas resultantes da polaridade não são tão rígidas como as ligações
primárias oxigênio-hidrogênio da molécula.
O aumento da temperatura de uma massa de água favorece a
formação da associação manométrica aumentando a fluidez, diminuindo a
viscosidade.
Maior temperatura, aumenta o movimento térmico das partículas,
afastando a molécula, e com isso, uma menor densidade.
8
A polaridade das moléculas de água provoca atração entre elas,
sendo que a uma determinada temperatura podem ser encontradas
moléculas individuais e também aquelas ligadas por ponte de hidrogênio
formando os aglomerados.
3. TENSÃO SUPERFICIAL
É um fenômeno que ocorre toda vez, que existe uma interface
líquido-gás. Não é exclusivo. O líquido se comporta como se tivesse
coberto por uma membrana elástica sob tensão que atua no sentido de
forçar a superfície do líquido a contrair-se.
9
Se a linha AB for puxado para baixo com uma força F de uma
distância d, o trabalho w realizado por esta força será Fd, isto é:
w = F d ( 1 )
e o aumento de área superficial será 2Ld, uma vez que ambos os lados da
película devem ser considerados; observe que a força F atua através do fio
AB na linha de comprimento 2L da película (1L para cada lado da película).
Como este trabalho é proporcional ao aumento de superfície, seu
valor, por unidade de área de superfície distendida, é uma constante
para cada líquido, numa determinada temperatura. Por expressar a
magnitude do estado de tensão da superfície do líquido, tal constante
recebeu o nome de tensão superficial ou coeficiente de tensão
superficial.
22 m
J
Ld
w ( 2 )
dd
B A
Fd
Ld
10
Portanto, por definição, tensão superficial de um líquido é o trabalho
por unidade de área gasto para distender sua superfície. A substituição da
equação ( 1 ) na equação ( 2 ) resulta o valor:
m
N
L
F
2 ( 3 )
isto é, a força necessária para deslocar AB de uma mesma distância d é
proporcional a comprimento 2L da linha da superfície na qual a força F é
aplicada e a constante de proporcionalidade é .
A tensão superficial no Sistema CGS é representado da seguinte
maneira:
cm
dina
L
F
dL
dF
cm
erg
Ld
w
222 2 ( 4 )
22
22
...
...
skgm
smkg
m
Nousg
mc
smcg
cm
dina ( 5 )
O valor do coeficiente de tensão superficial depende não só do
líquido, mas também do meio circundante. Para nossos objetivos
interessa-nos a penas o caso em que o ar é o meio. Quando nos textos o
meio circundante não é mencionado está implícito que seja o ar. Depende
também, da temperatura, diminuindo a medida que esta aumenta.
11
Quadro 1 - Coeficiente de tensão superficial de alguns líquidos
Líquido Tensão superficial a 20 0C
(dina/cm)
Água 72,7
Éter 17,0
Álcool etílico 22,0
Mercúrio 413,0
Quadro 2 - Coeficiente de tensão superficial para a água
Temperatura 0C
(N/m)
(dina/cm)
0 0,07640 76,40 4 0,07490 74,90
10 0,07422 74,22 20 0,07275 72,75 25 0,07197 71,97 30 0,07118 71,18 40 0,06956 69,56 50 0,06791 67,91 100 0,05880 58,80
Quanto menor a tensão superficial o líquido molha mais a superfície
de contato.
A expansão térmica tende a reduzir a densidade do líquido e,
portanto, diminuir as forças coesivas tanto no interior da fase liquida quanto
em sua superfície.
12
4. CURVATURA DA SUPERFÍCIE DA ÁGUA E PRESSÃO HIDROSTÁTICA
A fim de ilustrar as relações existentes entre a curvatura da
superfície e pressão, devemos desenvolver o seguinte experimento
hipotético:
Forma de uma esfera (FORMA OBTIDA PORQUE É AQUELA QUE
PROPORCIONA A MENOR ÁREA SUPERFICIAL PARA DADO VOLUME)
com raio R.
24 RÁreaEsfera ( 6 )
3
3
4RraVolumeEsfe ( 7 )
13
Ocorre aumento de área e de volume da bolha com o aumento da
pressão. Essa nova área é determinada por:
RdRRdRR 84)(4 22
isto é, negligenciando os termos que contém (dR)2. O aumento da área
superficial da bolha demandou a aplicação de trabalho contra a tensão
superficial , sendo a quantidade de trabalho expressa por:
RdR8 ( 8 )
Simultaneamente, o volume da bolha fica aumentado em:
dRRRdRR 233 43
4)(
3
4
isto é, negligenciando os termos que contém (dR)2 e (dR)3. Tal aumento
do volume da bolha contra a pressão P implica na realização de trabalho,
cujo valor é:
dRRP 24 ( 9 )
As duas expressões (8 e 9) relativas ao trabalho devem ser igualadas:
1112
8 RdR =R
PRdRPR 2
41211
( 10 )
A pressão é diretamente proporcional com a tensão superficial e
inversamente proporcional com o raio da curvatura da bolha.
1P = pressão no interior da bolha.
2P = pressão no líquido junto à interface.
À medida que 21, PPR ou 0P , aproximando-se do caso de
superfícies planas. Isto implica ainda em dizer que a adição sucessiva de
ar à bolha resultará no decréscimo e não no acréscimo de sua pressão
interna.
Neste caso, R
PPP2
21 , sendo que R
PatmP2
1 e PatmP2
14
Quando a zona limítrofe entre o líquido e o gás não é plana, mas
sim curva (côncava ou convexa), ocorre uma diferenciação de pressão
entre as duas fases. Se duas câmaras de ar, sob pressão diferentes,
forem separadas por uma membrana de borracha esticada, esta será
arqueada para o lado de menor pressão..
5. ÂNGULO DE CONTATO DA ÁGUA COM SUPERFÍCIES SÓLIDAS
Aplicando-se uma gota de líquido sobre uma superfície sólida, este
irá deslocar o gás, que originalmente cobria a superfície sólida,
espalhando-se sobre a superfície até atingir o ponto de equilíbrio. Tão logo
o líquido cesse, a interface líquido-gás irá formar um ângulo característico
na interseção com a superfície sólida. Este ângulo é determinado de
ângulo de contato.
15
De acordo com o valor de , tem-se:
a) = 00 espalhamento completo do líquido sobre a superfície
sólida ("molhamento perfeito");
b) = 1800 rejeição total do líquido pelo sólido ("não
molhamento");
c) 00 < < 900 líquido molha o sólido; e
d) 900 < < 1800 líquido é repelido pelo sólido (as forças de
coesão são mais importantes).
O valor de depende das forças de adsorção entre as moléculas
do líquido e do sólido. Se estas forças entre o sólido e o líquido são
maiores do que as forças coesivas dentro do líquido e maiores que as
forças entre o gás e o sólido, tende a ser agudo e diz-se que o líquido
"molha" o sólido.
16
LG Gás
GS
A Sólido
cosLGSLGS
LG
SLGScos
Cada uma dessas tensões superficiais tendem a reduzir sua própria
superfície limítrofe. Pela redução das tensões LG e SL (com auxílio de
detergente, por exemplo) pode-se aumentar cos , diminuindo o ângulo de
contato , e promovendo assim a molhadura da superfície sólida pelo
líquido.
6. CAPILARIDADE
Quando um tubo capilar é imerso num líquido, este formará um
menisco em conseqüência do ângulo de contato do líquido com as paredes
do tubo. A curvatura do menisco será tanto maior quanto menor for o raio
(r) do tubo capilar. Isto é, quanto mais estreito for o tubo capilar (menor
diâmetro). Essa curvatura causa o desenvolvimento de uma diferença de
pressão através da interface líquido-gás que será tanto maior quanto
menor for raio de curvatura (R) do menisco.
SL Líquido
17
01 PPP
RPPP
201 ( 1 )
R
hipotenusa
adjacentecat.cos
R
rcos ( 2 )
cos
rR ( 3 )
r
18
em que:
r = raio do tubo capilar;
R = raio de curvatura do menisco.
Para = 00 o R = r, neste caso, o menisco será uma semi-
esfera. Cos 00 = 1. Para entre 0 e 900, o r = Rcos .
Aplicando a equação (1) com a (3) fica:
rrR
PPPcos2
cos
2201 ( 4 )
A diferença de pressão existente sob o menisco e a atmosfera é
diretamente proporcional à tensão superficial do líquido ( ) e ao coseno do
ângulo de contato ( ) e, inversamente proporcional ao raio do tubo capilar
(r).
dghP ( 5 )
dgrh
rdgh
cos2cos2 ( 6 )
grdardLh
)(
cos2 ( 7 )
em que:
d ou dL = densidade do líquido;
dar = densidade do ar ou do meio circundante;
g = aceleração da gravidade;
h = altura do tubo capilar ou altura de elevação da água.
Se fosse o mercúrio (Hg) apresentando força de coesão mais
elevada; densidade elevada, por isso que não molha o vidro. Ocorre é
uma depressão capilar.
19