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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)

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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

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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

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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.

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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,

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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.

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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.

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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.

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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

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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.

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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.

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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 )

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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

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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.

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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.

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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

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01 PPP

RPPP

201 ( 1 )

R

hipotenusa

adjacentecat.cos

R

rcos ( 2 )

cos

rR ( 3 )

r

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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.

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