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Experimento Global para el Año Internacional de la Química

Agua Salada Este documento contiene la descripción para la Actividad Agua Salada que es parte del Experimento Global que se llevara a cabo durante el Año Internacional de la Química, 2011. Casi la totalidad del agua en la Tierra esta en forma de solución que contiene sales disueltas. En esta actividad los alumnos son invitados a medir la salinidad de una muestra de agua salada. Mientras se lleva a cabo el análisis, ellos aprenderán acerca de la naturaleza de las soluciones, incluyendo la composición del agua de mar. Los resultados de sus análisis serán informados a la Base de Datos del Experimento Global para contribuir con el estudio global de la salinidad. La actividad puede ser completada como parte del conjunto de las cuatro actividades que conforman el Experimento Global, o puede ser realizada como una actividad individual para permitir a los alumnos participar en el Año Internacional de la Química.

Contenidos • • • • • •

Instrucciones para la presentación de los resultados a la Base de Datos Mundial 1 Instrucciones para la actividad 2 Resultados de la Hoja de Calculo 4 Hoja de Resultados de Clase 6 Nota a los Profesores 7 Ejemplo de los Resultados. 11

Presentación de los Resultados a la Base de Datos Mundial La siguiente información deberá ser presentada a la base de datos. Si los detalles de la escuela y la ubicación ya han sido presentados en la asociación con una de las otras actividades, estos resultados deben estar vinculados a la presentación anterior. Fecha de Muestreo: Naturaleza del agua: (dulce, salada, tajamar, de lluvia, etc.) Salinidad del Agua:

(g/Kg)

Lugar de Muestreo: (describe la ubicación) Numero de alumnos involucrados: Numero de Registro de la Escuela/Clase:

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Investigación de Agua Salada El agua tiene un lugar muy especial en toda nuestra vida. Hay mucha cantidad de ella, cubre aproximadamente el 70% de la Tierra y más de la mitad de su peso es agua. Esta actividad se enfoca en las propiedades del agua que lo hace vitalmente importante, normalmente por la habilidad de disolver una amplia variedad de sustancias. Muchas de las sustancias, como el azúcar o la sal aparentemente desaparecen cuando se disuelven en el agua, pero las apariencias son engañosas y el azúcar y la sal pueden ser recuperadas de la solución por medio de la evaporación del agua. Esta actividad hace uso de estas propiedades para medir la cantidad de sal en algunas aguas naturales. Los químicos miden las cantidades de muchas de las sustancias que están presentes en las muestras de agua y utilizan la información para entender como trabaja el mundo y como nos mantiene seguros y sanos.

Metodología – Medida de Salinidad por Masa. 1. Recolectar una muestra, (por lo menos 100 mL) de agua de mar o otro tipo de agua, con un contenido significante de sales. (Si es apropiado, esto puede ser la misma Muestra como la utilizada para la actividad El pH del Planeta). 2. Pesar el plato/fuente con la mayor Precisión posible registrar el resultado en la Hoja de Resultados, mD. 3. Medir cerca de 100 mL de agua lo mas Exacto posible y colocarlo en el plato/fuente, VW. 4. Pesar el plato/fuente juntos, mD+SW.

Equipos • Vidrio poco profundo o plato de plástico, o capsula de Petri (preferentemente clara para facilitar la visualización de la sal). • Cobertura para el plato que permita la circulación del aire. • Probeta graduada o jarra. • Balanza con capacidad de peso de 0.1 g para pesar el plato y el agua (ver la metodología).

Evaporar el agua por uno de los dos Métodos: 5. SEA –Evaporación Solar: colocar el plato a plena luz del sol y si es necesario prevenir el polvo, cubrirlo con una cobertura transparente que no permita al aire circular. Esto podría tomar un día o más evaporar por lo que se debe vigilarlo periódicamente. 6. O – Evaporación en Plancha (calentador) o Mechero: Calentar una plancha cerca de 80 ºC y colocar el plato sobre el (o colocar en el mechero a fuego lento). Vigilar el proceso periódicamente, asegurándose de que el agua no hierva ni salpique.

Verificación de la sequedad – Llevar a cabo esta verificación para asegurar que la muestra esta seca. Este proceso es llamado sequedad hasta peso constante. 7. Pesar el plato con la sal y registrar el resultado en la Hoja de Resultados. 8. Volver a colocar el plato a la luz del sol, al calentador o al mechero y dejarlo por 15 – 30 minutos. 9. Dejar que se enfríe y volver a pesarlo nuevamente, registrar el resultado. 10. Si el Segundo peso es menor que el primero, repetir el proceso una vez mas y registrar los resultados. 11. Continuar el proceso hasta que el peso ya no varíe, (Sequedad

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a peso constante). 12. El peso final es la masa del plato y la sal, mD+ S.

El Cálculo de la Salinidad 13. Primero calcular la cantidad de sal, tomando la masa final del plato con la sal y restar la masa inicial del plato usando la formula: Masa de la sal

ms = mD + S − mD

14. Ahora calcular la masa del agua salada en el experimento: Masa del agua salada

mSW = mD + SW − mD

15. Finalmente calcular la salinidad usando la formula de salinidad: Salinidad Absoluta

S=

mS x1000 ( g / kg ) m SW

Este es el valor que debes dar a tu profesor para contribuir en el promedio de la clase que se consignara en la Base de Datos Mundial

Actividad Opcional – La Medición de Salinidad de Otras Muestras Si se dispone de otras muestras de agua para las pruebas, repetir el procedimiento de medición de la salinidad con las otras muestras.

Actividad Opcional – La Medición de Salinidad utilizando un Conductímetro Si se dispone de un Conductímetro se lo puede utilizar como una medición complementaria de la salinidad. Consultar con el profesor.

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Resultados de la Hoja de Calculo Registra los resultados de tu análisis de salinidad en la siguiente tabla y luego contesta las preguntas a continuación. Muestra de Agua Salada Masa del plato

mD

Otra Muestra (opcional)

(g)

Volumen de agua salada VSW

(mL)

Masa del plato mas la muestra de agua mD+SW

(g)

Sequedad Hasta Peso Constante Masa del plato mas la sal – 1ra Prueba

(g)

Masa del plato mas la sal – 2da Prueba

(g)

Masa del Plato mas la sal – 3ra Prueba

(g)

Masa Final del plato mas la sal mD+S

(g)

Cálculos Masa de Sal mS = mD+S – mD

(g)

Masa de agua salada mSW = mD+SW – mD

(g)

Salinidad Absoluta S = mS/mSW x 1000

(g/Kg)

Densidad

(g/mL)

Opcional – Prueba de Conductividad Salinidad por Conductividad

(PSU)

Pregunta 1 Examina el plato que contiene la sal y observa si puedes ver los cristales. Los cristales brillan a la luz por que tienen caras que reflejan la luz cuando ellos son suficientemente grandes. Puedes ver los cristales mucho mejor utilizando un microscopio simple. Describe la apariencia de la sal en el plato.

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Pregunta 2 Compara el valor de la salinidad de tu muestra con el valor promedio de la salinidad de la clase. ¿Puedes explicar algún factor que podría contribuir con la diferencia entre estos valores?

Pregunta 3 Si tu has estado estudiando un muestra de agua de mar, compara el valor promedio de salinidad de tu clase con los valores comunes de las aguas de mar con 3.5 % de sal en peso. Identifica cualquier razón posible del por que el valor de la clase podría diferir el promedio. (Si has estado investigando un tipo diferente de agua, buscar valores comunes y comenta la relación con tus medidas.)

Pregunta 4 Cuando nadas en el agua salada; ¿Como puedes decir que es más denso que el agua pura que es ligeramente menor que 1 g/mL a 20 ºC?

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Hoja de Resultados de Clase Registrar el valor promedio de los resultados de la Salinidad Absoluta de los alumnos para la muestra de agua salada que se est谩 probando para el Experimento Global (y otras muestras de agua en su caso - ver notas del profesor). Anotar los datos auxiliares listos para su presentaci贸n a la Base de Datos del Experimento Global. (Opcional) Otras Muestras de Agua analizadas por la Clase Grupo

Muestra de Agua Salada

A

B

C

D

E

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Promedio Ubicaci贸n del agua muestreada: _________________________ Naturaleza del agua: _________________________ Fecha de Muestreo: _________________________ Temperatura: _________________________ Numero de alumnos involucrados: _________________________

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Nota a los Profesores Instrucciones para la Actividad Las siguientes notas han sido escritas para ayudar a los profesores a implementar la Actividad Agua Salada con sus clases. Se espera que esta actividad se utilice junto con las otras actividades de Experimento Global y en conjunto con los recursos locales que ayuden a los alumnos a entender al agua, su química, su rol fundamental en nuestras vidas y su importancia en la Tierra. Pero esta actividad será igual de útil si se lleva a cabo por uno mismo para proveer a los alumnos de la experiencia de colaborar con sus colegas alrededor del mundo. En esta actividad los alumnos están invitados a explorar la naturaleza de las soluciones y están enfocados en sustancias disueltas; los solutos. En esta actividad y el de la Actividad Desafío del Destilador Solar, se utiliza el proceso de evaporación para separar los componentes de la solución. En este caso, siempre que sea posible, utilizaran agua marina u otra agua salada natural y medirán la cantidad de sal en el agua, su salinidad.

Resultados de Aprendizaje Durante la actividad los alumnos: • Exploraran las propiedades de las soluciones de agua que contienen sales. • Utilizaran el proceso de evaporación para extraer las sales de la solución. • Medirán la concentración de las sales en la muestra de agua y utilizaran el valor promedio de la clase para estimar la calidad de la medición. • (Opcional) Exploraran otros métodos de medida de la salinidad y el proceso de cristalización.

Planificación de la Actividad Una estrategia que se puede utilizar es que los alumnos trabajen en pares de manera de llevar a cabo exitosamente este tipo de actividades, así se divide la cantidad de equipo necesario mientras los alumnos se ayudan mutuamente. La actividad puede ser llevada a cabo en un periodo de 1 – 2 horas si se utiliza una placa o calentador eléctrico, o, si el agua se evapora bajo el sol, a lo mejor el proceso es completado en más de dos días. Cuando se seleccionan los platos para la evaporación, los platos con diámetro grande permitirán al agua evaporarse mas rápido. Las capsulas de Petri de 15 cm de diámetro son más eficientes que los platos con un diámetro comparable. Verifica que el plato mas el agua pueda ser medido exitosamente en la balanza. A mayor masa de agua utilizada, mayor precisión de la medida se tendrá, pero también el tiempo mas largo de evaporación.

La realización de la Actividad La actividad ha sido diseñada en tres partes: • Inicialmente los alumnos establecerán el experimento, medirán la masa del plato que utilizaran, el volumen de agua salada a agregar; y la combinación de la masa de agua con la

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masa del plato. Los alumnos pueden aumentar la precisión de sus medidas si ellos miden cada valor varias veces y practican el proceso de transferencia para minimizar las perdidas.

El tiempo necesario para la evaporación, parte de esta actividad depende críticamente de las condiciones locales. La pre-prueba del tiempo necesario para el equipo que los alumnos utilizaran garantizará que el experimento salga bien. Una de las mayores fuentes de error en la medición se produce si la muestra no esta completamente seca, inclusive cuando parezca estar seca. Por esta razón se recomienda el método normal de análisis de secado hasta peso constante. Llevar a cabo este procedimiento es útil para que los alumnos aprecien el cuidado necesario para obtener buenos resultados. Sin embargo los alumnos, particularmente los más jóvenes podrían estar confundidos por el procedimiento y se puede evitar si la muestra se ha secado completamente antes de las pruebas

La tercera parte involucra realizar los cálculos. El método descrito ha sido escrito para los alumnos de enseñanza primaria y secundaria inferior y debe ser adaptado para su uso por otros grupos. Normalmente debe recomendarse la repetición de las mediciones para verificar la calidad de los resultados, pero en este caso el tiempo necesario para la medición seria arduo; y la repetición se logra a través del promedio de todos los resultados individuales de la clase. Al mismo tiempo, esto significa que todos los estudiantes contribuyen con el resultado que se contabiliza en la Base de Datos del Experimento Global.

Muestras de Agua Las muestras de agua de mar son particularmente buenas para esta actividad, porque la cantidad de sal en el agua de mar es medible, generalmente alrededor de 3,5 %; que significa para los alumnos que en 100 mL de muestra de agua se medirá una masa de sal de entre 3 y 4 g. Las muestras recolectadas desde el mar o desde los estuarios funcionan bien. Las muestras que provienen de fuentes que se suele considerar como agua dulce tendrán menos contenido de sal. En estos casos puede ser conveniente hacer una "síntesis" de agua de mar con 35 g de tableta de sal (cloruro de sodio) por litro de agua. Los alumnos pueden probar el método sobre el agua de mar sintético antes de que traten de medir su fuente de agua local. Se recomienda la filtración en el caso de las aguas con materia visible en suspensión, antes de la evaporación.

Actividades Opcionales Otras Muestras de Agua Los alumnos pueden explorar la salinidad de otras muestras de agua tal que, puedan entender como la salinidad cambia en diferentes líquidos comunes tales como la solución salina normal utilizada en medicina. Se les puede pedir que cada día lleven muestras de soluciones de manera a que cada uno pueda obtener resultados de diferentes muestras. (Sin embargo, debe prestarse atención para comprobar si las muestras contienen cantidades significativas de sustancias disueltas que no son sales).

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Medida de la Salinidad utilizando Conductímetro Eléctrico. Si la escuela cuenta con un Conductímetro Eléctrico, los alumnos pueden utilizarlo como una segunda fuente de medida de la Salinidad para comparar con la del experimento de evaporación. Una simple conductividad cualitativa puede ser fácilmente medible de forma general en un equipo de laboratorio para demostrar que las soluciones salinas conducen la electricidad y que la corriente es proporcional a la concentración de las sales. Se debe realizar la calibración correspondiente con el agua de mar de salinidad conocida o una solución equivalente de cloruro de potasio. El valor de tasación es, pues, relativa y la salinidad se expresa en dimensiones de Unidades Prácticas de salinidad, PSU (del ingles Practical Salinity Units, PSU).

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Los Niveles de Explicación Escuelas Primarias En las escuelas primarias esta actividad es una excelente oportunidad para que los estudiantes utilizando un equipo simple desarrollen habilidades útiles registrando observaciones. Los cálculos necesitan ser presentados en una forma apropiada para adaptarse a la clase. El tema de calidad y disponibilidad del agua es una de las ideas químicas importantes que deben formar parte fundamental de la experiencia de los alumnos con el agua potable y las enfermedades transmitidas por el agua. La actividad ayuda a los alumnos a aprender que el agua limpia podría contener varias sustancias, útiles o perjudiciales en diferentes concentraciones, y que se pueden utilizar los medios apropiados para su separación. La actividad también da a los alumnos la oportunidad de aprender acerca de los cambios de estado que ocurren en la Naturaleza e identificar procesos tales como la evaporación y la cristalización. La actividad es también una oportunidad para crear conciencia sobre los recursos minerales que podrían ser obtenidos de los sistemas acuáticos. Escuela Secundaria Además de los resultados de aprendizaje mencionados en las escuelas primarias, los estudiantes pueden utilizar el desarrollo de sus conocimientos del álgebra en los cálculos y explorar la proporcionalidad que involucran el volumen y la masa en la determinación de las concentraciones y densidades. El tema de las unidades, es decir, Sistema Internacional, para expresar las distintas cantidades pueden ser apropiadamente discutidas aquí. Los conceptos de sustancias solubles e insolubles, soluciones y solubilidad deben ser examinadas. Se debe discutir el proceso de formación de los cristales. Como una actividad adicional asociado con el crecimiento de los cristales esto se puede extender para redisolverlos y volver a recristalizarlos. Se puede considerar un análisis más detallado de los cambios de estado, con la participación de la teoría de las partículas y los conceptos de calor, la temperatura y la presión de vapor. Escuela Secundaria de Últimos Años El enfoque cuantitativo brinda la oportunidad a los alumnos a explorar las cifras significativas asociadas a los valores de las cantidades medidas y calculadas. La actividad se puede ampliar a la identificación química de algunas de las especies en solución, a saber, cloruro de sodio, escribiendo las ecuaciones de las reacciones químicas simples. Es conveniente introducir los conceptos de cantidad de sustancia, la concentración y coeficientes estequiométricos para practicar la escritura de las fórmulas químicas y ecuaciones químicas. Se recomienda especialmente el uso de medidores de conductividad eléctrica (Conductímetro) para ilustrar diferentes enfoques posibles para la adquisición de datos cuantitativos.

Antecedentes El océano es naturalmente salino aproximadamente 3.5 % en sal. La Salinidad es la medida de las sales disueltas en agua, por ejemplo la cantidad de sal (en gramos) disueltos en 1000 gramos (1 Kilogramo). Esto es la Salinidad Absoluta, S (g/Kg) de agua de mar. En símbolo ‰ es también utilizado como significado de partes por mil. La composición del agua de mar es bastante complejo y existe una gama de sales que existen en cantidades significativas. Todas las sales están

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formadas por iones tales como los iones sodio y cloruro en el cloruro de sodio. En el agua todos los iones están separados, así, los iones existen independientemente en el agua de mar. (Tabla 1).

Tabla 1 Concentración de Iones en el Agua de Mar Ion g/Kg Cloruro Cl-1 19,345 Sodio Na+1 10,752 -2 Sulfato SO4 2,701 Magnesio Mg+2 1,295 Calcio Ca+2 0,416 +1 Potasio K 0,39 Bicarbonato 0,145 -1 HCO3 Bromuro Br-1 0,066 -3 Borato BO3 0,027 +2 Estroncio Sr 0,013 -1 Fluoruro F 0,001

Metodología para la medida de la Salinidad El primer método recomendado para la medición de la salinidad fue el método químico KnudsenMohr, método basado en un análisis volumétrico de cloruro, Cl-1, Bromuro, Br-1 e Ioduro, I-1. El método involucraba la precipitación de los iones con el nitrato de plata, AgNO3 (acuoso). La masa del precipitado puede entonces ser medido y la concentración del ion cloruro calcularse. La primera ecuación empírica para convertir esta medida de clorinidad (Cl ‰) a la Salinidad Absoluta, S ‰ data de 1902: S=0,03+1,805(Cl). Para poner a cero la clorinidad, la salinidad no seria cero, lo cual va en contra del principio de las proporciones constantes. Para superar esta contradicción, en 1969 la UNESCO propuso una nueva relación: S = 1,80655(Cl). Una salinidad de 35 ‰ corresponde a una clorinidad de 19,374 ‰. La conductividad eléctrica del agua puede solo ser tomado como una medida de su composición iónica y por lo tanto de su salinidad. El método instrumental esta basado en la comparación de las conductividades de la muestra de agua y la conductividad de una solución estándar, asumiendo una proporcionalidad entre la conductividad y la salinidad. Se utilizan como estándar de conductividad soluciones de cloruro de Potasio KCl (acuoso). En 1978, los oceanógrafos redefinieron la salinidad en Unidades Prácticas de Salinidad (PSU) en la que se mide la relación de la conductividad de una muestra de agua de mar y de la de una solución estándar de KCl. Las razones no tienen ninguna unidad de medida, por lo que 35, es equivalente a 35 ‰. Estándares de Aguas salinas de conductividad conocida han sido desarrollados para trabajar como estándares en la calibración de salinómetros que están diseñados especialmente para medidores de conductividad utilizados para evaluar la salinidad del agua de mar. La evaluación de los valores altos de salinidad se han convertido en calidad de particular importancia y es motivo de preocupación en todo el mundo, debido al papel principal que lleva a la salinidad, en el contexto de los actuales problemas ambientales asociados con el cambio climático global. 11


Hoja de Cálculo-Resultados de las Muestras Registra los resultados de tu análisis de salinidad en la siguiente tabla y luego contesta las preguntas a continuación. Muestra de Agua Salada Masa del plato

mD

Volumen de agua salada VSW

Otra Muestra (opcional)

(g)

73,2

74,5

(mL)

102

97

178,5

172,1

Masa del plato mas la muestra de agua mD+SW (g) Sequedad Hasta Peso Constante Masa del plato mas la sal – 1ra Prueba

(g)

78,5

75,7

Masa del plato mas la sal – 2da Prueba

(g)

77,0

75,7

Masa del Plato mas la sal – 3ra Prueba

(g)

77,0

(g)

77,0

75,7

Masa de Sal mS = mD+S – mD

(g)

3,8

1,2

Masa de agua salada mSW = mD+SW – mD

(g)

105,3

97,6

36

12

1,03

1,01

Masa Final del plato mas la sal mD+S Cálculos

Salinidad Absoluta S = mS/mSW x 1000

Densidad

(g/Kg)

(g/mL)

Opcional – Prueba de Conductividad Salinidad por Conductividad

(PSU)

Pregunta 1 Examina el plato que contiene la sal y observa si puedes ver los cristales. Los cristales brillan a la luz por que tienen caras que reflejan la luz cuando ellos son suficientemente grandes. Puedes ver los cristales mucho mejor utilizando un microscopio simple. Describe la apariencia de la sal en el plato. La mayoría del material en el plato fue en polvo y un poco de color marrón. Algunos de los materiales en el centro del plato son pequeños trocitos que brillaban cuando se hacia brillar una antorcha sobre ellos. 12


Pregunta 2 Compara el valor de la salinidad de tu muestra con el valor promedio de la salinidad de la clase. Puedes explicar algún factor que podría contribuir con la diferencia entre estos valores? El promedio de la clase para la muestra de agua salada fue de 36,7 g/Kg que fue ligeramente superior a nuestro valor. Pero un montón de otros grupos tiene números que no fueron muy aproximados. Pregunta 3 Si tu has estado estudiando un muestra de agua de mar, compara el valor promedio de salinidad de tu clase con los valores comunes de las aguas de mar con 3,5 % de sal en peso. Identifica cualquier razón posible del por que el valor de la clase podría diferir el promedio. (Si has estado investigando un tipo diferente de agua, busca los valores comunes y comenta la relación con tus medidas.) Nuestro valor de la clase mostró que la salinidad fue muy cercana al valor normal de agua de mar. El valor ligeramente elevado puede deberse a que la muestra fue tomada en una zona poco profunda donde el agua estaba muy caliente por lo que mas agua pudo haberse evaporado. Pregunta 4 Cuando nadas en el agua salada; ¿Como puedes decir que es más denso que el agua pura que es ligeramente menor que 1 g/mL a 20 ºC?. Si, por que es más fácil flotar en el mar que en el agua dulce.

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Agua salada  

sal en aguas tratamiento

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