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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, 2011. 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: ______________

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d

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.)

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

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.

Destilador solar Papel filme - Seixo - Recipiente

Água salgada com corante - Copo

3

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

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11. Calcule a porcentagem de água que foi purificada:

% de água

purificada

volume coletado

volume colocado no destilador

100

12. 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.

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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.

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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:

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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.

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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.

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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)

Condensação

LÍQUIDO

água

GASOSO

água

(invisível) 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.

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(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.

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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

100

12

12

Parte B – Segundo teste com o

1º destilador

50

16

32

Terceiro teste com o 1º destilador

50

22

44

Segundo destilador

50

27

54

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.

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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.

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.)

Destilador de Jared e Aimie

Filme plástico Seixo

Pote de sorvete Selante

Tubo da mangueira Filme plástico

Copo na sombra (para se manter fresco)

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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.

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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.