Moléculas de água são assimétricas, o que pode explicar anomalias da água

Com informações do MPG - 17/12/2024

As ligações entre as moléculas de água vizinhas não são distribuídas de forma aleatória: Cada molécula forma uma ligação forte e uma ligação fraca, o que pode ser uma chave para explicar as anomalias da água.
[Imagem: Max Planck Society]

Anomalias da água

Os icebergs flutuam na água porque a água líquida à sua volta tem uma densidade maior que a do próprio iceberg. A água líquida tem sua densidade mais alta a 4°C, o que é apenas uma das chamadas anomalias da água, ou seja, propriedades de líquidos que raramente são observadas em outros líquidos.

As origens dessas anomalias - são mais de 70 conhecidas - têm sido objeto de pesquisas científicas há décadas, mas agora pesquisadores do Instituto Max Planck de Pesquisa de Polímeros, na Alemanha, descobriram uma peça desse quebra-cabeça que pode ajudar explicar o comportamento especial da água.

Muitas das propriedades anômalas da água podem ser atribuídas às interações especiais entre suas moléculas individuais, as chamadas ligações de hidrogênio. Cada molécula de água pode doar duas dessas ligações - uma de cada átomo de hidrogênio - e aceitar duas delas de outras moléculas vizinhas.

Ao contrário do gelo, essas ligações são quebradas e reformadas em média 1 bilhão de vezes por segundo na água líquida, o que resulta em moléculas muito próximas umas das outras e que se movem muito rapidamente. Devido ao rápido movimento das moléculas de água no estado líquido, os cientistas assumiam que a força das ligações individuais com os seus vizinhos fosse puramente aleatória.

No entanto, Lucas Gunkel e seus colegas descobriram agora que as distâncias das ligações de hidrogênio não são simplesmente aleatórias, mas que as duas ligações de uma molécula têm forças diferentes: Se uma ligação for muito forte, ou seja, a primeira molécula de água vizinha estiver muito próxima, a segunda ligação de hidrogênio é fraca, ou seja, a segunda molécula de água vizinha ficará mais distante.

Ligação H e estrutura vibracional da água.
[Imagem: Lucas Gunkel et al. - 10.1038/s41467-024-54804-y]

Estruturas na água líquida

Essas distâncias de ligação alternadas levam à estruturação do líquido nominalmente desordenado: Se você passar de uma molécula de água para a próxima e para a seguinte, sempre haverá uma molécula vizinha fortemente ligada.

Como resultado, podem se formar estruturas - como anéis ou cadeias de moléculas - na água em estado líquido. A estrutura da água líquida não é, portanto, apenas um arranjo aleatório de moléculas individuais de água, mas segue regras bem determinadas.

Para chegar a essa conclusão, a equipe diluiu a água com um solvente, de modo que fosse possível examinar moléculas isoladas de água. Usando lasers, átomos individuais das moléculas de água foram postos para vibrar, o que permitiu investigar como as vibrações influenciam umas às outras e medir a força das ligações de hidrogênio individuais e a força da ligação vizinha ao mesmo tempo.

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