LIVRO- SOLO, PLANTA E ATMOSFERA = Capitulo 2

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A ÁGUA
A água é uma das mais importantes substân-
cias da crosta terrestre, tanto para os processos
vitais como para os físico-químicos. Nas formas
líquida e sólida cobre mais de dois terços de nosso
planeta e, na forma gasosa, é constituinte da
atmosfera, estando presente em toda parte. Sem
água não seria possível a vida como a conhecemos.
Os organismos vivos originaram-se em meio
aquoso e se tornaram absolutamente dependentes
dele no decurso de sua evolução. A água é
constituinte do protoplasma em proporções que
podem alcançar 95% ou mais de seu peso total.
No protoplasma participa em importantes
reações metabólicas, como a fotossíntese e a
fosforilação oxidativa. Ê o solvente universal, pois
possibilita a maioria das reações químicas. Nas
plantas tem ainda a função de manter o turgor
celular, responsável pelo crescimento vegetal.
Assim, o conhecimento de suas propriedades
físico-químicas é essencial para o estudo de suas
funções na natureza, em particular seu compor-
tamento no sistema solo-planta-atmosfera como
um todo.
INTRODUÇÃO
2
ESTRUTURA MOLECULAR DA
ÁGUA E MUDANÇA DE FASE
A fórmula química da água é H20, isto é,
constitui-se de dois átomos de hidrogênio e um
de oxigênio. Na natureza há três isótopos de
hidrogênio (lH = hidrogênio; 2H = deutério; e
3H = tritium) e três isótopos de oxigênio (160,170
e 180). Esses diferentes átomos possibilitam
dezoito combinações diferentes na formação de
uma molécula de água, todavia 2H, 3H, 170 e 180
são pouco abundantes. As moléculas compostas
desses diferentes isótopos comportam-se da
mesma forma do ponto de vista químico e bioló-
gico, diferindo apenas no peso. O tritium eH) é
um radiosótopo natural, presente em todas as
situações, mas em concentrações tão baixas que
não prejudica a vida.
O diâmetro médio da molécula de água é de
aproximadamente 3 A (3 X 10-10 m) e os dois hi-
drogênios estão ligados ao átomo de oxigênio for-
mando um ângulo de cerca de 105° (ver Figura
2.1), ligação essa responsável pelo desequilíbrio
espacial das cargas elétricas na molécula água.
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" 105° • •• • •• •
10 I SOLO, PLANTA EATMOSFERA
••
Hidrogênio
Figura 2.1. Modelo esquemático da molécula de água.
Essa distribuição assimétrica de cargas cria
um dipolo elétrico responsável por uma série de
propriedades físico-químicas da molécula de
água. Devido a essa polaridade, as moléculas de
água orientam-se formando estruturas. A pola-
ridade é, também, a razão pela qual a água é um
bom solvente, é adsorvida sobre superfícies sóli-
das ou hidrata íons e colóides.
Cada hidrogênio de uma molécula é atraído
pelo oxigênio da molécula vizinha, com o qual
forma uma ligação secundária, denominada
ponte de hidrogênio. A ponte de hidrogênio pos-
sui uma energia de ligação bem mais fraca que a
ligação intramolecular do oxigênio com o hidro-
gênio. Como resultado, a água constitui -se de uma
cadeia de moléculas ligadas por pontes de
hidrogênio (polímero). Essa estrutura possui bem
menos falhas quando a água se acha no estado
sólido (gelo). Nessas condições, cada molécula é
ligada a quatro moléculas vizinhas formando uma
estrutura hexagonal, relativamente aberta. Com
a fusão do gelo essa estrutura é parcialmente
destruída, de modo que outras moléculas possam
Pólo-
•• •'. •••Oxigênio
•••
Hidrogênio
Pólo +
entrar nos espaços intramoleculares. Por essa ra-
zão cada molécula pode ter mais do que quatro
moléculas vizinhas e a densidade da água, no
estado líquido, passa a ser maior do que a do gelo.
Para a água no estado líquido, uma estrutura
do mesmo tipo da do gelo continua a existir, mas
essa estrutura não é rígida e permanente, mas
flexível e transitória. No estado gasoso essa estru-
tura desaparece por completo e as moléculas têm
máxima liberdade.
Na passagem do estado sólido para líquido e
gasoso, as pontes de hidrogênio são rompidas, ao
passo que nas passagens inversas são restabe-
lecidas. Assim, na fusão de 0,001 kg de gelo, 335,0 J
precisam ser fornecidos (calor latente de fusão) e
na solidificação de 0,001 kg de água, a mesma
quantidade de energia é liberada por ela. O ponto
de fusão da água sob pressão atmosférica normal
é O°C,ao passo que o ponto de ebulição é 100°C.
Nesse intervalo de temperatura a água se acha no es-
tadolíquido e seu calor específico é4186 J. kgl. 0C-1•
Esse valor é muito alto em comparação com o
gelo (-10°C): 2093,0; alumínio: 900,0; ferro:
447,9; mercúrio: 138,1; oxigênio: 920,9. Por isso,
a água se comporta como um ótimo sistema
tampão para a energia disponível na atmosfera,
isto é, é necessária muita energia para que sua
temperatura se eleve pouco. Essa propriedade da
água torna os sistemas biológicos (cuja porcen-
tagem em água é muito alta) resistentes a varia-
ções de temperatura.
No ponto de ebulição (100°C, a l atm) a água
passa do estado líquido para o gasoso (ou vice-
versa) e o calor envolvido na mudança de fase é
de 2,26 x 106 J . kg' (calor latente de vaporização
ou de condensação). A água pode também passar
ao estado gasoso a temperaturas menores que
100°C, mas tal vaporização, denominada evapo-
ração, requer maior quantidade de calor. Assim,
por exemplo, a 25°C seu calor latente de vapori-
zação ou calor latente de evaporação é de 2,441 x
106 J . kg' (ver Quadro 2.1). Neste quadro vê-se
que até o gelo pode passar para vapor, é o caso da
sublimação.
De acordo com a teoria cinética dos gases, as
moléculas de um líquido estão em movimento
Quadro 2.1. Propriedades físicas da água.
AÁGUA I 11
contínuo, movimento esse que é uma expressão
de sua energia térmica. As moléculas colidem
freqüentemente e várias vezes absorvem energia
suficiente para escapar do líquido e entrar na fase
gasosa. Sua energia cinética é dissipada durante a
passagem pela barreira de energia potencial origi-
nada pela atração intermolecular na superfície
líquida (medida pela tensão superficial). Esca-
pando do líquido, a molécula passa a fazer parte
da fase gasosa. Da mesma forma, moléculas da
fase gasosa retomam à fase líquida.
A taxa nas quais as transferências de molé-
culas se dão do líquido para o vapor, e vice-versa,
dependem da concentração de vapor de água na
atmosfera em contato com a superfície líquida.
Uma atmosfera em equilíbrio com a superfície
da água é considerada saturada de vapor de água
(o mesmo número de moléculas que abandona o
líquido e passa para a fase gasosa volta para a fase
líquida). A pressão do vapor do ar em equilíbrio
com a superfície de água depende da pressão e da
temperatura do sistema. De maneira geral, po-
demos dizer que em condições normais de pressão
Temperatura Densidade Calor Espec. C.lat.Vapor. Tensão Sup. Viscosidade
(OC) (kg . m') (J . kq') (x 106 J. kq') (Kg . S-2) (kg . s' . m')
-5 999,18 4227,86 2,511 0,0764
O 999,87 4215,30 2,919 0,0756 0,001787
4 1000,00 4206,93 2A91 0,0750 0,001567
5 999,99 4202J4 2A89 0,0748 0,001519
10 999J3 4190,19 2A77 0,0742 0,001307
15 999,13 4186,00 2A65 0,0732 0,001139
20 998,23 4181,81 2A53 0,0727 0,001002
25 997,08 4177,63 2A41 0,0719 0,000890
30 995,68 4177,63 2,430 0,0711 0,000798
40 992,25 4177,63 2A06 0,0695 0,000653
50 988,07 4181,81 2,382 0,0679 0,000547
~ • -----=------- ------------
----:---+=== ...::::;j~==:::;:----.Á-g-ua- interface
Figura 2.2. Esquema de uma molécula de água (1) na interface água-ar, com forças de coesão desbalan-
ceadas e molécula (2) no seio do líquido, com forças balanceadas.
12 I SOLO, PLANTA E ATMOSFERA
o ar pode reter tanto mais vapor quanto maior
for sua temperatura. No Capítulo 5 sobre a atmos-
fera esse assunto será discutido em mais detalhe.
A água também pode passar diretamente do
estado sólido para o gasoso (ou vice-versa), fenô-
meno denominado sublimação. O calor latente
de sublimação é igual à soma dos calores latentes
de fusão e vaporização.TENSÃO SUPERFICIAL
Tensão superficial é fenômeno típico de uma
interface líquido-gás. A maioria dos líquidos se
comporta como se estivesse coberto por uma
membrana elástica, sob tensão, com tendência
permanente de se contrair (assumir área mínima).
Isso acontece porque as forças coesivas atuantes
sobre cada molécula de água são diferentes se a
molécula encontra-se no seio do líquido ou na
superfície (Figura 2.2).
Moléculas no interior do líquido são atraídas
em todas as direções por forças iguais, enquanto
moléculas de superfície são atraídas para dentro
• 2
da fase líquida, mais densa, com forças maiores
do que as forças com que são atraídas para a fase
gasosa, menos densa. Essas forças não balanceadas
fazem as moléculas da superfície tender para o
interior do líquido, isto é, delas resulta a tendência
da superfície se contrair.
Se tomarmos uma linha arbitrária de compri-
mento L na superfície do líquido, uma força F
estará atuando de ambos os lados da linha, ten-
tando contrair a superfície. O cociente F/L (que é
uma constante, pois quanto maior L, maior F), é
denominado tensão superficial <J, cuja dimensão
é força por unidade de comprimento (d/cm no
sistema CGS e N/m no sistema internacional). O
mesmo fenômeno pode ser descrito em termos
de energia. O aumento da superfície de um líquido
exige dispêndio de energia que permanece arma-
zenada na superfície ampliada e que pode rea-
lizar trabalho se a superfície se contrair novamente.
Energia por unidade de área tem a mesma dimen-
são de força por unidade de comprimento. As-
sim, a tensão superficial também pode ser
expressa em erg/cm? no sistema CGS e J/m2 no
sistema internacional.
Ar
Vmédia--- ..~----------------------------.,---~ ..'\
---------------+-~-----~--;~x
A tensão superficial é, então, a medida da re-
sistência à formação da membrana elástica que
se forma em uma interface líquido-gás. Ela
depende da temperatura: em geral decresce com
seu aumento (veja Quadro 2.1). O decréscimo da
tensão superficial é ainda acompanhado por um
aumento de pressão de vapor. Substâncias dissol-
vidas na água acarretam variações na tensão su-
perficial em ambas as direções. Eletrólitos, de
maneira geral, aumentam a tensão superficial, por-
que a afinidade entre um íon e uma molécula de
água é maior do que a afinidade entre moléculas de
água e, como resultado, o soluto tende a penetrar
no solvente. Em caso contrário, isto é, quando a afi-
nidade entre o soluto e o solvente for menor do que
a afinidade entre moléculas do solvente, o soluto
tende a se concentrar na superfície do líquido, re-
duzindo sua tensão superficial. Tal é o caso de
solventes orgânicos, em particular de detergentes.
Para superfícies planas de líquido, caso de la-
gos, represas, tanque classe A, não há diferença
de pressão entre pontos imediatamente superiores
e inferiores à interface líquido-gás. Para super-
fícies curvilíneas, como gotas e meniscos em
capilares, já há uma diferença de pressão, respon-
sável por uma série de fenômenos capilares. Esses
Tubulação
A ÁGUA 13
fenômenos serão estudados no Capítulo 6, em que
serão analisadas as interações sólido (solo), líqui-
do (solução do solo) e gás (ar do solo).
VISCOSIDADE
Quando a água no solo se encontra em movi-
mento, outras propriedades são ainda impor-
tantes. Um fluído ao semover pode ser imaginado
constituído de lâminas superpostas que desli-
zam umas sobre as outras (escoamento laminar)
(Figura 2.3). Verificou-se que a força (F) necessá-
ria para o movimento das lâminas é proporcional
ao gradiente do módulo da velocidade de desliza-
mento (dv/dx, plotado perpendicularmente à di-
reção x do movimento do fluido) e da área de
contato entre as lâminas (A).
Assim:
F=11A~ dx (2.1)
O coeficiente de proporcionalidade 11é de-
nominado viscosidade absoluta. A viscosidade
pode ser vista como a propriedade do fluido que
Figura 2.3. Fluxo laminar em tubulação, mostrando a distribuição dos módulos das velocidades do fluido.
14 I SOLO, PLANTA E ATMOSFERA
mede sua resistência ao deslizamento ou à fric-
ção interna. A viscosidade 11 é definida no siste-
ma CGS como a força por unidade de área (F/A)
necessária para manter uma diferença de velo-
cidade de 1 cm/s entre duas lâminas paralelas
separadas por uma distância de 1 cm. É fácil
verificar na equação (2.1) que F/A = 11 quando
dv/dx = 1.As dimensões de viscosidade absoluta
são ML-1Tl. A viscosidade varia com a tempe-
ratura (ver Quadro 2.1) e também é afetada pelo
tipo e pela concentração de solutos. Além do
coeficiente de viscosidade absoluta, na prática
utiliza-se muito o coeficiente de viscosidade
cinemática, de dimensões PT1.
Libardi (2000) entra em detalhes em relação
à estrutura da água, tensão superficial e viscosi-
dade. Trata-se de texto que precisa ser consulta-
do para aprofundamento nesses temas.
A IMPORTÂNCIA DA ÁGUA NA
PRODUÇÃO VEGETAL
A água é fator fundamental na produção
vegetal. Sua falta ou excesso afetam de maneira
decisiva o desenvolvimento das plantas e, por isso,
seu manejo racional é imperativo na maximização
da produção agrícola.
Qualquer cultura, durante seu ciclo de desenvol-
vimento, consome enorme volume de água, sendo
que cerca de 98% desse volume apenas passam pela
planta, perdendo-se posteriormente na atmosfera
pelo processo de transpiração. Esse fluxo de água,
contudo, é necessário para o desenvolvimento
vegetal e por essemotivo sua taxa deve ser mantida
dentro de limites ótimos para cada cultura.
O reservatório dessa água é o solo que, tempo-
rariamente, armazena água, podendo fornecê-Ia
às plantas conforme suas necessidades. Como a
recarga natural desse reservatório (chuva) é des-
contínua, o volume disponível às plantas évariável.
Quando as chuvas são excessivas, sua capacidade
de armazenamento é superada e grandes perdas
podem ocorrer. Essas perdas são possíveis por
escoamento superficial, provocando ainda a ero-
são do solo, ou por percolação profunda, perden-
do-se no lençol freático. Essa água percolada é
perdida do ponto de vista da planta, mas é ganha
do ponto de vista dos aqüíferos subterrâneos.
Quando a chuva é esparsa, o solo funciona
como um reservatório de água imprescindível ao
desenvolvimento vegetal. O esgotamento desse
reservatório por uma cultura exige sua recarga
artificial, que é o caso da irrigação.
Devido a esses fatores, o manejo correto da
água é ponto fundamental em uma agricultura
racional. Em regiões áridas e semi-áridas, o ma-
nejo correto implica práticas de economia de água
e cuidados com problemas de salinidade. Em
regiões superúmidas, o problema fundamental é
a lixiviação de materiais no solo e a drenagem.
Em regiões onde a chuva é suficiente, geralmente
há problemas de distribuição que acarretam a
existência de períodos de falta de água. Nessas
áreas é de suma importância obter a maior efi-
ciência possível no uso da água pelas culturas.
O Brasil, dada a sua extensão territorial e a
diversidade de condições climáticas, apresenta
toda sorte de situações. O Norte, representado
pela Bacia Amazônica, é região superúmida, com
média de precipitação acima de 2.000 mm por
ano. Seus solos são, na maioria, pobres e pro-
blemas de lixiviação são de grande importância.
Com o desenvolvimento recente dessa área, muito
se tem a aprender para que nela se implantem
métodos de cultivo viáveis e produtivos. O Nor-
deste apresenta áreas áridas e serni-áridas, nas
quais uma agricultura produtiva só pode se de-
senvolver às custas da irrigação. Muitos projetos
nacionais de irrigação já foram implantados nes-
sas áreas, que visam à utilização de águas de açu-
des e, sobretudo, do rio São Francisco. Como
2.1. Escreva os dezoito tipos de moléculas de água, utilizando os três isótopos de H e os três isótopos
de O.
2.2. 100 g de água, 100 g de alumínio, 100 g de mercúrio e 100 g de ar, todos a 20°C, recebem
100cal. Os calores específicos do AI,Hg e ar são, respectivamente, 0,2; 0,03 e 0,1 72 cal. g.l . 0C1.
Quais os respectivos aumentos de temperatura (LlT)7
2.3. Considerando as densidades dos materiais em 2.2: 1; 2,7; 13,6 e 0,0013 g . crrr ', respectiva-
mente, calcular o LlT quando 100 em- de cada material recebem 100 cal.
2.4. Uma superfície de água recebe 1,2 cal· crrr- . rnin' e toda energia é utilizada na evaporação.
Quantos gramas de água são evaporados por hora e por m2 de superfície, quando a água
estiver a 10, 20 ou 30°C7
dissemos, cuidados especiais devem ser levados
em conta com respeito à qualidade da água nes-
ses projetos de irrigação. Águas aparentemente
boas para a irrigação podem, no decorrer dos
anos, salinizar extensas áreas, tornando-as impro-
dutivas. O processo de recuperação é, em geral,
economicamente proibitivo.
Cerca de 25% do território nacional consti-
tuem-se de cerrado, um sistema solo-planta-
atmosfera peculiar, cuja característica principal
é a baixa fertilidade do solo. Nessas áreas já foi de-
monstrado que práticas racionais de agricultura
podem levar a produtividades altamente compen-
sadoras. Essas práticas envolvem em especial a cor-
reção do pH do solo (calagem), fertilização
adequada e um manejo correto de água. Veranicos
podem afetar a produtividade em muitos casos
fazendo-se necessária a irrigação suplementar.
Nas regiões Sul e Centro-Sul, a precipitação
pluvial em geral supre as necessidades da agri-
EXERCíCIOS
A ÁGUA 15
cultura. Problemas de distribuição, porém podem
ser fatais em muitas ocasiões. Dessa forma, o
manejo da água precisa ser conduzido de manei-
ra adequada para maximizar a produção e obter
minimização de problemas, como erosão, per-
colação profunda e poluição da água subterrânea.
Falamos bastante em manejo racional da água
e expressões sinônimas. Que representam elas,
afinal? Em termos gerais, representam o uso mais
adequado dos recursos naturais disponíveis com
respeito aos diferentes sistemas solo-planta-
atmosfera. Para isso, são necessários conhecimen-
tos básicos e aplicados por parte dos responsáveis
por projetos agrícolas. Neste texto, são apresen-
tados - de forma bastante objetiva para serem
acessíveis mesmo aos não envolvidos diretamente
com os problemas de manejo de água - conheci-
mentos básicos essenciais para a compreensão dos
processos que ocorrem com a água no sistema
solo-planta-atmosfera.
RESPOSTAS
16 I SOLO, PLANTA E ATMOSFERA
2.1. lH1H160; lH1H170; lH1H180; lH2H160; ; lH3H170; ; 3H3H180.
2.2. ~T = 1; 5; 33,3 e 5,8°e.
2.3. ~T = 1; 1,9; 2,4 e 4472°e.
2.4. 1217; 1229 e 1241 g.