Desafio do Destilador Solar

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1 Experimento Global do Ano Internacional da Química Desafio do Destilador Solar Este documento contém uma descrição da Atividade do Desafio do Destilador Solar, parte do Experimento Global que será feito durante o Ano Internacional da Química, Nesta atividade os alunos farão um destilador solar e medirão sua eficácia. Eles desenvolverão seus conhecimentos sobre o estado líquido e o estado gasoso da água e sobre como a destilação pode ser usada para purificá-la. Depois serão desafiados a projetar e fazer um destilador mais eficiente. O destilador solar mais eficiente da classe terá seu diagrama e sua fotografia enviados para o Banco de Dados do Experimento Global, junto com as informações sobre sua eficiência. A atividade pode ser feita como parte de um conjunto de quatro atividades que compõem o Experimento Global, ou pode ser feita de forma individual para que os alunos participem do Ano Internacional da Química. Conteúdo Instruções para o envio dos resultados ao Banco de Dados Global 1 Instruções para a atividade (Aluno) 2 Folha de resultados dos alunos 4 Observações para os professores 6 Como o destilador funciona 8 Resultados das amostras 10 Projeto alternativo para o destilador 12 Enviando os resultados ao Banco de Dados Global As informações abaixo devem ser enviadas ao banco de dados global. Caso os dados sobre a escola e local já tenham sido enviados junto com uma das outras atividades, esses resultados devem ser vinculados aos dados enviados anteriormente. Data das amostras: Natureza da água: (torneira, rio, mar, etc.) Nome do arquivo do diagrama: Nome do arquivo da fotografia: Eficácia do destilador: Número de alunos envolvidos: Número de registro da escola / classe: 1

2 Desafio do Destilador Solar O Desafio Nesta atividade você construirá um destilador solar e descobrirá como ele purifica a água. Depois será desafiado a usar seus conhecimentos para construir um destilador solar mais eficiente. A água cobre a maior parte da Terra (cerca de 70%), mas essa quantidade está quase toda nos oceanos e é salgada. A maioria da água na terra ou no solo também é salgada ou inadequada ao uso humano. O desafio de descobrir formas de purificar a água aumenta junto com a população humana. O destilador solar é um aparelho que usa a energia solar para purificar a água. Versões diferentes do destilador são usadas para dessalinizar a água do mar, em equipamentos para sobrevivência no deserto e para a purificação de água caseira. (Ao final do documento foi incluído um método alternativo para a Parte A, sugerido para classes com acesso a equipamentos de laboratório.) Método Parte A Construindo um destilador solar 1. Coloque uma quantidade calculada de água quente (cerca de 1 cm) na tigela. 2. Acrescente um pouco de corante alimentício e cerca de uma colher de chá de sal à água da tigela. 3. Leve todo o equipamento para um local plano e ensolarado. 4. Coloque o copo ou a xícara no meio da tigela, garantindo que nenhum respingo de água caia dentro dele. 5. Cubra a tigela com papel filme (sem esticá-lo), grudando o papel à borda da tigela. (Use fita adesiva ou barbante caso necessário.) 6. Coloque a pedra no centro do papel filme e acima da xícara. 7. Deixe o destilador repousar por no mínimo uma hora (quanto mais tempo, melhor) e depois verifique se há água na xícara. 8. Leve o destilador para um local coberto, retire o papel filme e retire a xícara sem derrubar a água dela na tigela ou vice-- versa. 9. Meça a quantidade de água na xícara. Equipamento Tigela grande de metal ou plástico Xícara ou copo pequeno e raso (limpo) Proveta ou jarra medidora Papel filme (maior que a tigela) Pedra pequena (seixo) Água quente Corante alimentício e sal Destilador solar Papel filme - Seixo - Recipiente Água salgada com corante - Copo 2

3 10. Observe a cor da água da xícara, e teste essa água para ver se está salgada. 3

4 11. Calcule a porcentagem de água que foi purificada: % de água purificada volume coletado volume colocado no destilador Observe seus resultados e veja se você pode explicar o que aconteceu com a água. Por que ela é chamada de água purificada? Escreva suas sugestões na Folha de Resultados, abaixo da Pergunta Um. Parte B O desafio do projeto Seu desafio é modificar o destilador solar ou fazer um mais eficiente do que o que você fez na Parte A. 13. Escreva algumas ideias sobre como o destilador pode ser melhorado. Por exemplo: você pode tentar usar recipientes de cores diferentes para ver qual absorve a luz solar de forma mais eficaz. 14. Discuta suas ideias com seu professor e solicite a permissão dele para prosseguir com o experimento. 15. Prossiga com o experimento registrando o volume de água com o qual você começou e o volume que foi purificado. 16. Calcule a porcentagem de água purificada e registre-a na Tabela de Resultados. 17. Caso tenha tempo, você pode desenvolver mais ainda seu projeto. Assegure-se de ter a permissão do professor para cada experimento que fizer. 18. Desenhe o diagrama de seu destilador mais eficiente, mostrando porque ele é mais eficiente que o primeiro. Se puder, tire uma foto de seu destilador. 19. Complete as outras perguntas da Folha de Resultados. 20. Entregue os resultados para seu professor. Assim, o destilador mais eficiente será selecionado e terá seus dados enviados ao Banco de Dados do Experimento Global. 4

5 Folha de Resultados dos alunos Registre seus resultados e calcule a porcentagem de água purificada. Teste Volume de água colocado (ml) Volume coletado (ml) % de água purificada Parte A Primeiro destilador Parte B Parte A 1. Com suas próprias palavras, explique como o destilador funciona. 2. Escreva uma forma de fazer com que seu destilador funcione melhor. 5

6 Parte B 3. Descreva o projeto de um destilador que funcione de forma mais eficaz que o destilador feito na Parte A. Depois, discuta suas ideias com seu professor. 4. (Depois de acabarem os testes com seu novo destilador.) Desenhe um diagrama para mostrar como seu novo destilador funciona. 5. Cole aqui uma foto de seu novo destilador: 6

7 Observações para os professores Instruções para a atividade Duas abordagens diferentes para a atividade são apresentadas neste documento. A primeira é apropriada para todos os alunos, usa objetos domésticos para fazer o destilador e é simples de se fazer e usar. A segunda é apropriada para alunos mais avançados que tenham acesso a vidraria e recursos de laboratório. Desafio do Destilador Solar A atividade terá mais sucesso se os alunos trabalharem em pares, mas pode ser feita individualmente. Primeiro, na Parte A, os alunos fazem um destilador simples e usam-no para purificar um pouco de água. Eles são convidados a desenvolver suas explicações de como o destilador funciona. Uma discussão com a classe pode ser feita para concluir a Parte A e verificar se os alunos têm uma explicação científica de como o destilador funciona (veja a seguir). Segurança Esta atividade é de baixo risco. As regras padrão de segurança laboratorial sugerem que os alunos não provem ou cheirem os produtos das atividades. No entanto, o teste mais fácil para verificar o sal é o de sabor, e ele pode ser feito se os padrões de higiene e segurança alimentar (como os das aulas de economia doméstica) forem aplicados. Depois, na Parte B, os alunos são desafiados a melhorar a produção de água purificada modificando o destilador ou a forma como ele é usado. Deve-se verificar a segurança das propostas dos alunos. Eles devem ser orientados para que desenvolvam projetos que utilizem sua compreensão do funcionamento do destilador. Depois de realizar seus experimentos, os alunos devem desenhar um diagrama explicando como seu novo projeto aumentou a % de água purificada, que é a forma de medir a eficiência do destilador. Caso seja possível, deve ser incluída uma fotografia do destilador solar melhorado. Ao término da atividade recolha os trabalhos de todos os grupos que tiverem completado o desafio e selecione a inscrição vencedora do desafio. Caso seja apropriado, isso pode ser feito em um evento especial para o Experimento Global, e a classe pode se envolver na seleção. O diagrama e a fotografia do destilador de mais alto rendimento devem ser enviados ao Banco de Dados do Experimento Global. 7

8 Resultados pedagógicos Durante esta atividade, os alunos irão: Aprender sobre o estado líquido e o estado gasoso da matéria (água) e sobre a mudança de um desses estágios para o outro (evaporação e condensação). Aprender sobre o uso da destilação para purificar a água. Desenvolver um nível apropriado de explicação científica para o processo de destilação. Usar seus conhecimentos sobre destilação para realizar um processo tecnológico, melhorando a eficiência de um destilador solar. Dicas para o destilador solar funcionar Parte A: Realize a atividade em um dia sem nuvens, preferencialmente no meio do dia. Use água quente para agilizar o início do processo, a não ser que seja um dia muito quente. Ajude os alunos a garantirem que seus destiladores estejam hermeticamente fechados, evitando assim a perda de água. O uso de água colorida e salgada é uma forma prática de verificar se o destilador está funcionando corretamente. Se não houver luz do sol, a atividade pode ser feita usando um recipiente adequado, como uma grande panela aquecida lentamente em uma chapa. Nesse caso, o copo ou xícara deve ser isolado do fundo da panela. Organização do desafio do projeto Parte B: Esta é uma oportunidade para os alunos usarem sua engenhosidade para melhorar a eficácia do destilador solar. Ao mesmo tempo, aprendem sobre a relação entre tecnologia e ciência. O processo tecnológico geralmente requer critérios a partir dos quais o produto tecnológico pode ser julgado. Nesse caso, o critério para o desafio do projeto deve ser claramente explicado. O critério simples de % de água purificada é um bom início para alunos do ensino fundamental I, mas deve ser mais sofisticado para alunos mais velhos. Por exemplo: o critério deve especificar a duração do processo de coleta da água. Os alunos podem explorar diversos fatores, incluindo: Duração do processo; Tipo de recipiente; Cor do recipiente; Quantidade de água; Formato do destilador; Mecanismo de coleta. 8

9 Como o destilador funciona Resumo À medida que a água dentro do destilador aquece, aumenta o volume da água que evapora para o ar. Essa água se condensa em superfícies frias, como o filme plástico, voltando ao estado líquido. Então, a água é condensada no papel filme e vai se juntando em gotículas que escorrem pelo plástico até o seixo, caindo dentro da xícara. A purificação funciona porque tanto o sal quanto o corante não evaporam. Uma explicação mais aprofundada pode ser dada caso os alunos já conheçam a constituição da matéria por partículas elementares e o conceito de energia: A luz solar que entra no destilador é absorvida pela água e pelo recipiente. Como resultado, as moléculas e os íons absorvem a energia. Algumas das moléculas de água absorvem energia suficiente para saírem da água em estado líquido e se tornarem moléculas gasosas que flutuam dentro do recipiente. Algumas dessas moléculas flutuantes colidem com o filme plástico, perdendo energia para o plástico e aderindo a ele. As moléculas de água perdem mais energia conforme se juntam, formando gotículas de água pura que descem até a xícara. Contexto Apesar da atividade estar no contexto de purificação da água, os alunos devem ser informados de que esse é o processo universal para líquidos e gases. Ele é essencial para se entender diversos eventos cotidianos, desde o motivo para sentirmos frio ao ficarmos parados no vento até como a geladeira funciona, ou como o mundo consegue água fresca através do ciclo da água. Evaporação Energia LÍQUIDO água GASOSO água (invisível) LÍQUIDO água GASOSO água (invisível) Condensação Energia A ideia central para compreender o processo envolve o papel da energia que é exigida para a evaporação e liberada na condensação. No caso de sentir frio quando o vento sopra, podemos entender o efeito compreendendo que o vento evapora a umidade da pele e a energia do corpo é absorvida, fazendo com que sintamos frio. No caso do destilador solar, é preciso energia para evaporar a água e, nesse caso, aproveitamos a energia gratuita que vem da luz solar. Entender o processo de evaporação e condensação oferece aos alunos a oportunidade de analisar o projeto do destilador solar e desenvolver ideias sobre como melhorá-lo (para o Desafio do projeto). No entanto, isso não os ajuda a compreender como a purificação da água ocorre. A purificação da água no destilador acontece porque algumas substâncias evaporam com mais facilidade do que outras. Por exemplo: sal e corantes alimentícios são quase impossíveis de se evaporar. Elementos biológicos perigosos presentes na água, como bactérias e vírus, também não evaporam facilmente. 9

10 (No entanto, outras substâncias que muitas vezes estão presentes na água evaporam rapidamente, como o álcool. São necessários destiladores projetados com muito mais cuidado para separar o álcool da água.) O termo volatilidade é usado para descrever a facilidade de evaporação. Sal e corantes alimentícios não são voláteis, enquanto álcool e água são muito mais voláteis. O motivo para esses diferentes resultados pode ser facilmente entendido se as substâncias forem examinadas pelo nível molecular. No nível molecular, os sais são feitos de íons. É preciso muita energia para separar íons, tornando a evaporação quase impossível. No caso de corantes alimentícios, as moléculas são maiores e iônicas, e portanto não são voláteis. A água é menos volátil que o álcool (etanol), o que parece surpreendente, já que as moléculas da água têm menos massa que as do álcool. No entanto, as moléculas da água se unem de forma especialmente forte. Os químicos chamam essa interação de ligação de hidrogênio. Ela é responsável por várias das propriedades mais importantes da água. No caso da evaporação, mais energia é necessária por conta das muitas ligações de hidrogênio entre as moléculas de água. Direcionando o desafio O desafio aparece porque a eficiência do destilador depende de diversas variáveis. O tempo de exposição ao sol é muito importante. Você pode querer fixá-lo em 3 ou 4 horas para facilitar a decisão de qual destilador solar é mais eficaz. Outros fatores, apesar de importantes, são mais sutis. Por exemplo: uma característica do projeto dos destiladores mais comerciais é a separação dos estágios de evaporação e condensação em diferentes locais do destilador. 10

11 Resultados das amostras Folha de Resultados dos alunos (Amostra de aluno da 7ª série 8º Ano) Registre seus resultados e calcule a porcentagem de água purificada. Teste Volume de água colocado (ml) Volume coletado (ml) % de água purificada Parte A Primeiro destilador Parte B Segundo teste com o 1º destilador Terceiro teste com o 1º destilador Segundo destilador Parte A 1. Com suas próprias palavras, explique como o destilador funciona. O destilador funciona quando os raios de sol esquentam a água. Uma parte da água vai para o ar, mas não podemos vê-la porque ela está em estado gasoso, e não líquido. A água volta a ficar líquida quando toca o plástico, e podemos ver as gotas descendo até a pedra e caindo na xícara. 2. Escreva uma forma de fazer com que seu destilador funcione melhor. Podemos melhorar o destilador começando com menos água. Levou muito tempo para as primeiras gotas se formarem porque o céu estava um pouco nublado e o sol não estava tão quente. Uma quantidade pequena de água esquentaria mais rapidamente. 11

12 Parte B 3. Descreva o projeto de um destilador que funcione de forma mais eficaz que o destilador feito na Parte A. Depois, discuta suas ideias com seu professor. Primeiro tentamos tornar o destilador mais eficaz usando menos água, para que essa pudesse aquecer mais depressa. Depois esquentamos a água antes de começar. Ambas as mudanças fizeram o destilador funcionar melhor. Depois cortamos um buraco no fundo do recipiente (pote de sorvete) e colocamos um pedaço de mangueira através dele. Impedimos que a água escorresse com um selante, e coletamos a água em uma xícara que se manteve fria à sombra do recipiente. Dessa forma conseguimos coletar mais da metade da quantidade de água com que começamos. 4. (Depois de acabar os testes com seu novo destilador.) Desenhe um diagrama para mostrar como seu novo destilador funciona. Destilador de Jared e Aimie Filme plástico Pote de sorvete Seixo Selante Tubo da mangueira Filme plástico Copo na sombra (para se manter fresco) Colocamos o destilador em cima de duas cadeiras com a mangueira entre ambas. Pusemos a xícara em cima de uma pilha de livros. 5. Cole aqui uma foto de seu novo destilador: (Veja adiante um exemplo de destilador construído com vidraria de laboratório.) 12

13 Um projeto alternativo para o destilador usando equipamentos laboratoriais Se for possível ter acesso a equipamentos de laboratório, os alunos poderão desenvolver projetos mais variados. Por exemplo, o método a seguir descreve um projeto que utiliza um funil grande e uma placa de Petri. (O projeto permite que os alunos completem a medição de salinidade Atividade Três Águas Salgadas Veja adiante.) Método Feche a saída do funil de vidro com o tampão de borracha. Corte um pedaço de 50 cm do tubo de plástico. Encaixe o tubo de plástico ao redor da borda do funil. Coloque uma quantidade medida de água na placa de Petri (cerca 100 ml é o bastante). Cubra a placa de Petri com o funil invertido e sele com fita adesiva. Coloque a placa de Petri em cima do plástico preto. Equipamentos Uma placa de superfície grande, como uma placa de Petri, Ø= 15 cm. Um funil de vidro, Ø= 15 cm. Uma tampa de borracha que caiba no escoadouro do funil. Um tubo de plástico, Ø= 2 cm, 50 cm de comprimento. Uma folha de plástico preto. Fita adesiva. Uma proveta para medir o volume da água. Coloque o destilador na luz do sol até que o nível de água na placa de Petri tenha mudado significativamente. Cuidadosamente remova o funil e tire o tubo onde a água evaporada se condensou. Coloque essa água tratada em um béquer ou uma proveta e meça seu volume. Calcule a porcentagem de água que foi coletada. 13

14 Notas 1. Este método substitui a Parte A - Construindo um destilador solar anteriormente descrita. 2. O destilador também pode ser usado para a pesquisa de salinidade descrita na Atividade de Águas Salgadas. As atividades podem ser feitas em sequência ou juntas. Caso sejam feitas juntas, deve ser empregado o método de Águas Salgadas. 14