ACADEMIA COLOMBIANA DE CIENCIAS EXACTAS, FÍSICAS Y NATURALES

Apropiación de la ciencia desde el aula INDAGALA

Módulo: Química-2. Soluciones o disoluciones

Título ¿Por qué existe lluvia ácida?

Actividad 6:¿Son los gases solubles en agua?País. ColombiaAutores. Bernal Alarcón Inés. Profesora del Departamento de Química de la Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá. Miembro de número de la Academia Colombiana de Ciencias Exactas Físicas y Naturales. E. Mail. ibernal09@gmail.comMuñoz Castillo José A. Profesor del Departamento de Química de la Universidad Nacional de Colombia Sede Bogotá. E. Mail. jomuca08@gmail.comAsesoría y edición. Ernesto Concha. MSC. Física Universidad Nacional de Colombia.Ciclo. 3, 4. Básica Secundaria y Media en Colombia. Disciplina. Química.Tema. Soluciones acuosas gas-líquidoIdioma: CastellanoDescripción.La actividad se orienta a identificar el comportamiento de gases en su interacción con el agua, con base en su dispersión en un sistema cerrado, con la generación de un efecto aparentemente anormal, pero explicable acudiendo a conceptos aplicables al sistema en estudio. Se sugiere un cuestionario de entrada que permite indagar sobre algunos conceptos básicos; se enumeran los materiales necesarios para realizar la experiencia; se plantean algunos temas de reflexión y aplicación, para finalizar con una primera lectura complementaria como ampliación de la experimentación y la segunda en la que se ofrece una visión de la principal variable que incide en este proceso.

Propósitos.- Aportar herramientas útiles para el profesor, facilitándole la aplicación de la

propuesta ECBI (Enseñanza de las Ciencias Basada en la Indagación) en sus cuatro componentes fundamentales: focalización, exploración, reflexión y aplicación

- Contribuir al enriquecimiento de la docencia en los niveles de educación básica y media con el aporte de elementos de la metodología ECBI, aplicada al estudio de soluciones de gases en agua.

- Identificar algunos elementos que aportan a la descripción y estudio de las soluciones acuosas.

Duración. 60 minutos incluyendo preparación y discusión.

Conceptos claves.Soluto, solvente, disolución, presión, presión atmosférica, sistema cerrado, gas, presión parcial.Materiales

- Botella plástica de gaseosa. (fácilmente deformable)- Jeringa de 10 mL con aguja.- Tapón de caucho (acoplable a la botella) o barra de plastilina.- Dos vasos plásticos. (Aproximadamente 30 mL)- Solución de amoniaco concentrada (25%p/p; d = 0,907 g/mL).- Agua- Material para el registro de la información

Recomendaciones.- Informarse previamente sobre los cuidados para el manejo de la

solución de amoniaco.( Ver ficha de seguridad al inicio de la experiencia)

- Si los estudiantes realizan la experiencia deben usar blusa, tapa bocas, gafas de seguridad y guantes.

- El espacio donde se realice la experiencia debe estar bien aireado.

Sugerencias didácticas.- La experiencia puede desarrollarse al menos en dos formas. La primera

demostrativa y a medida que la demostración avanza, los alumnos hacen las observaciones que consideren pertinentes y las anotan con sus comentarios.

- En la segunda forma se describe la experiencia paso a paso y se cuestiona al grupo sobre lo que ocurriría y las posibles observaciones que se a anotan en el material de registro. Luego se realiza la experiencia y se contrasta lo anotado con lo observado.

- Para la discusión final se deben tener en cuenta tanto las predicciones como lo observado al realizar la experiencia.

Objetivos.- Identificar evidencias físicas observables que permitan describir la

disolución de un gas en un líquido- Identificar conceptos, variables y sus relaciones que pueden aportar a la

comprensión del sistema en estudio.- Construir una explicación del comportamiento observado.

Focalización. ¿Por qué la lluvia es ácida?

Cuando oímos el ruido de las gotas de lluvia al caer sobre el techo de las casas, generalmente no se viene a la mente algún interrogante que haga interesante saber algo sobre este suceso tan común. Sin embargo se presentan situaciones sobre este fenómeno que han preocupado a los científicos, especialmente cuando se dieron cuenta del daño que la lluvia estaba causando en monumentos y esculturas de mármol. Inmediatamente atribuyeron el problema a que la lluvia al contaminarse con los gases producidos por las industrias se volvía ácida. ¿Será que este fenómeno es nuevo?Alguna vez te has preguntado ¿cómo llegó el agua a la Tierra en el proceso de formación del planeta? Hay numerosas hipótesis, pero una es que la Tierra fue impactada por una gran masa, proveniente del espacio, cubierta de hielo y numerosos fragmentos de éste comenzaron a rodearla. La gravedad del planeta impidió que se escaparan y que el vapor de agua formado por la energía generada en el impacto, regresara de nuevo al exterior y se formó la hidrosfera. Al enfriarse esta capa empezó a caer como lluvia que a su vez disolvió y arrastró los gases provenientes de las erupciones volcánicas existentes en la naciente capa continental y adquirió un carácter ácido. Esta lluvia que podríamos imaginar inicialmente como “agua dulce” acidificada comenzó a formar ríos que atacaban las rocas que encontraban a su paso y al disolverlas (parcialmente) transportaban las sales formadas hasta algunos inmensos sitios en las capas inferiores que se fueron llenando como recipientes dando origen a los océanos salados.Esta capacidad del agua de disolver numerosas sustancias presentes en diferentes estados de la materia se explica ahora por la conformación de su molécula cuya distribución electrónica genera diminutos dipolos con alta capacidad de atracción iónica favoreciendo la dispersión de partículas atómicas o moleculares cargadas eléctricamente.

Cuestionario de entrada.- ¿Todos los gases son solubles en agua?- ¿Cuándo un gas es soluble en agua interacciona químicamente con ella?- ¿Qué factores considera influyen en la solubilidad de gases en agua?

EXPLORACIÖN

Experiencia 1. La botella caprichosa. Soluciones gas en líquido

Materiales y reactivos- Botella plástica de gaseosa. (fácilmente deformable)- Jeringa de 10 mL con aguja.- Tapón de caucho (acoplable a la botella) o barra de plastilina.- Dos vasos plásticos. (Aproximadamente 30 mL)

- Solución de amoniaco concentrada (25%p/p; d = 0,907 g/mL).- Agua- Material para el registro de la información

PrecaucionesSiempre que se manipulan productos químicos, deben tenerse en cuenta las precauciones pertinentes de acuerdo a su actual potencial de peligrosidad y consecuencias futuras en caso de presentarse contacto con la piel, ojos o si se ha ingerido o aspirado. A continuación se presenta la ficha de seguridad correspondiente al amoniaco.

Nombre. Amoniaco Fórmula. NH3

Estado. Gaseoso Tf = - 77,7oC Teb = - 33,5oC

Propiedades. Gas incoloro, muy irritante, soluble en agua (40g/100g).

Síntomas de intoxicación. Inhalado en alta concentración causa edema del tracto respiratorio y sofocación. El amoniaco gaseoso o sus soluciones concentradas atacan la piel y mucosas.

Recomendaciones. Debe trabajarse en ambientes aireados y de preferencia usar máscara y guantes. En caso de inhalación debe colocarse a la persona en una zona bien aireada. En caso de contacto con la piel debe lavarse con jabón y abundante agua.

Desarrollo.Asumiendo que la experiencia se hace en forma demostrativa. Con base en la metodología ECBI, el trabajo se desarrolla en varios pasos y se promueve la

descripción del sistema a medida que se avanza, identificando variables y justificando lo observado.

1. Adicionar a la botella seca 30 mL de la solución de amoniaco.

2. Agitar suavemente la solución con la botella destapada, procurando exponer la mayor superficie posible de la solución al contacto con el aire dentro de la botella, durante aproximadamente 3 minutos.

Volver la solución de amoniaco al vaso plástico.

1. Tapar herméticamente la botella con el montaje tapón-jeringa-agua previamente ensamblado, como se muestra en el diagrama adjunto.

Reflexión inicial. ¿Qué cambios físicos espera que sucedan al añadir el agua a la botella? Escriba la hipótesis y su explicación

2. Inyectar 10 mL de agua dentro de la botella manteniendo el cierre hermético del sistema. Agitar suavemente durante unos 3 minutos.

3. Observar los cambios, si se presentan, y comparar con la hipótesis escrita en la reflexión inicial.

4. En la hoja de trabajo consignar las observaciones, conceptos y variables identificadas, así como las relaciones que puedan ser la base para dar una explicación a lo observado.

5. De la discusión con el grupo saldrán las conclusiones correspondientes.6. Plantear a los estudiantes la elaboración de un árbol conceptual que

contextualice los elementos trabajados en la experiencia.

Reflexión.Además de las inquietudes de los estudiantes, algunos temas de discusión podrían ser:

- ¿Qué cambios identifica en el proceso?.- ¿Qué tipo de materia interacciona? - ¿Cómo puede demostrarse que dentro de la botella hay algo que en principio llamamos aire?- ¿Qué explicación puede darse para sustentar que el sistema está en equilibrio?- ¿El volumen de la masa gaseosa dentro de la botella puede variar en las condiciones en que está el sistema? - Después de que se tapa herméticamente la botella cuál es la presión interna?-¿Antes de adicionar el agua el sistema está en equilibrio?

Aplicaciones.Identificar algunas situaciones de la vida diaria donde se presente la disolución de compuestos o elementos gaseosos en agua.-¿Por qué al destapar una gaseosa se producen burbujas?-El agua que suministra el acueducto debe contener oxígeno. ¿Cómo es el procedimiento de oxigenación?- En los equipos médicos de suministro de oxígeno, este se hace burbujear a través de agua. ¿Con el tiempo se puede decir que en el frasco hay “AGUA OXIGENADA (peróxido de hidrógeno)”? Explique su respuesta..

Primera Lectura complementaria.

En esta experiencia la primera lectura está orientada a exponer los conceptos y relaciones que permiten describir y dar razón del comportamiento observado en la práctica.

Descripción

Paso 1.a. El sistema está abierto a la atmósferab. La presión dentro y fuera de la botella es la mismac. Como el sistema está en equilibrio la forma de la

botella no cambia.d. Unidades de medida de la presión.

Atmósfera = 76 cm de Hg; 1,03 x 10 5 Pa; 14,7 lb/in2

1 mm de Hg = 1 torr Pascal (Pa) = 1 N/m2 , donde N : Newton (unidad de fuerza)

1 bar = 105 Pa

Paso 2

a) El sistema está cerrado y en equilibrio.b) La presión dentro y fuera de la botella es la

misma.c) La composición de la mezcla gaseosa dentro de

la botella es diferente a la del paso 1.d) Presiones.

Presión interna = presión externa = presión atmosf.

Presión interna = Paire + Pamo. = Patm.

Presión externa = presión interna después de restablecido el nuevo equilibrio.

e) Como se indica por la longitud de las flechas la presión ejercida por el aire en el paso 2 es menor que en el paso 1.

Paso 3.

a) Se presenta una modificación del sistema en sus paredes, que implica una variación de las fuerzas que se ejercen sobre ellas generando una contracción de volumen.

Presión externa > presión interna

b) El sistema alcanza un nuevo estado de equilibrio

c) Explicación para la disminución de la presión interna.Las variables temperatura y masa total del sistema no han variado.

La disminución de la presión interna se puede explicar porque la masa gaseosa disminuye por disolución del amoniaco y por tanto la suma de las presiones parciales también disminuye.

Es decir que Paire + P`amo < Patm. Porque la presión del amoniaco P`amo <Pamo , donde P`amo es la ejercida por el amoniaco gaseoso remanente dentro del frasco.. Se debe tener en cuenta la solubilidad (g./100 g de agua) de los componentes de la masa gaseosa que se considera están presentes dentro del frasco o botella.

Aire. Oxígeno = 4 x 10-3 Nitrógeno = 1,7 x 10-3. Amoniaco = 48Vapor de agua. Como la temperatura permanece constante su variación es mínima.

De los componentes de la masa gaseosa que salen en mayor proporción por interacción con el agua añadida es el amoniaco por su alta solubilidad.

Aplicación.

1. Disolución del CO2 en agua. Al destapar una gaseosa se producen burbujas.

- a) disminuye la presión y disminuye la solubilidad. El exceso a las nuevas condiciones sale de la solución en forma gaseosa.

- b) ¿Se podrán dar condiciones en las cuales esto no ocurra?2. Acueducto. Oxigenación del agua. ¿Cómo se hace?3. Equipos médicos para suministrar oxígeno.

a) Se observa un burbujeo a través del agua. ¿qué está pasando?b) ¿Qué objeto tiene este burbujeo?c) ¿Se pierde oxígeno para el paciente al solubilizarse oxígeno en el agua?

Segunda Lectura complementaria. Gases en solución acuosa.

La solubilidad de los gases en agua generalmente pasa desapercibida, pero es de vital importancia para los seres vivos incluido el hombre y para cierto tipo de formaciones de la corteza terrestre.

Podríamos imaginar lo que ocurriría si el oxígeno no fuera soluble, así sea en mínima extensión (4 x 10-3 g./100 g. de agua), no existiría la vida marina y por tanto esa fuente de alimento para el ser humano. Normalmente las alusiones a este tema de la solubilidad de gases traen como ejemplo las bebidas gaseosas y la cerveza por la cantidad de bióxido de carbono (CO2) (0,145 g/100 g. agua) solubilizado en estos productos.

¿Qué se puede concluir pensando en la masa de agua que se encuentra en la corteza terrestre y en contacto con el oxígeno atmosférico? Este punto de vista da lugar a no pocas reflexiones sobre la solubilidad de gases en agua.

Aplicaciones de la solubilidad de gases en agua se encuentran en diversos contextos; uno como el ya mencionado del oxígeno en agua y para el dióxido de carbono su uso en las bebidas gaseosas, cerveza, champaña y vinos espumosos que al destaparse produce burbujas, y es un factor que incide en la aceptación por parte de los consumidores. Por esto en la elaboración estos productos se envasan a presión mayor que la atmosférica porque así se aumenta su solubilidad, comportamiento trabajado por la llamada Ley de Henry. Este científico inglés encontró que la solubilidad de los gases en un líquido es directamente proporcional a la presión del gas sobre el líquido. En los textos se encuentra descrita por la relación:

Pgas = k Cgas donde :

Pgas es la presión del gas sobre el líquido.

k :es una constante

Cgas es la concentración del gas en el líquido.

Una representación de la ley de Henry se muestra en el esquema adjunto..

Esta relación se aplica para bajas concentraciones y gases que no reaccionan con el agua o lo hacen en mínima extensión, pero da base para dar una explicación a

diversas situaciones que se presentan, como el caso de los buzos. En algún momento habremos podido oír el comentario o ver en películas que los buzos cuando emergen de profundidades apreciables, 18 a 36 metros, deben hacerlo lentamente y con paradas cada

cierta distancia ascendida; de no hacerlo corren gran peligro y puede ser mortal. ¿Por qué? Cuando el buzo desciende la presión aumenta y se incrementa la solubilidad tanto del nitrógeno como del oxígeno. Cuando el ascenso se hace rápido igualmente disminuye la solubilidad de estos gases en el torrente sanguíneo, que al ser menos solubles escapan del medio donde se encuentran disueltos en forma de burbujas que pueden bloquear el paso de la sangre.

Siguiendo en el contexto natural, hoy en día el cambio climático está causando estragos, especialmente el aumento de la temperatura que tiene una relación inversa con la solubilidad de los gases y que para el caso del oxígeno implica graves consecuencias pues disminuye la disponibilidad de este gas para la respiración de los peces y para el desarrollo de la vida marina. Para el caso del dióxido de carbono se presentan varias situaciones, de una parte a su exceso en la atmósfera por la combustión de combustibles fósiles se atribuye alta contribución al efecto invernadero; de otra lo requieren las plantas para el proceso de la fotosíntesis y como si fuera poco toma parte en los procesos a nivel de los pulmones y tejidos. El oxígeno en su transporte de los pulmones hacia los tejidos y del CO2 de los tejidos a los pulmones para ser exhalado dependen de la presión y por tanto la solubilidad es un factor importante.

En el siguiente árbol temático tomado de Cáceres y Muñoz se presenta una de las varias posibilidades en el tema de la solubilidad de gases en agua.

Bibliografía

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Cáceres, R., & Muñoz, J. (2002). Comentarios sobre el discurso químico en la escuela. Bogotá: Universidad Nacional de Colombia.

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