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______________________________________________________________________________________  Experimento  Global  para  o  Ano  Internacional  da  Química  

pH  do  Planeta  ______________________________________________________________________________________    Este  documento  contém  uma  descrição  da  atividade  ”pH  do  Planeta”,  que  é  parte  do  Experimento  Global  conduzido  durante  o  Ano  Internacional  da  Química  -­‐  AIQ  2011  (http://quimica2011.org.br/),  e   integra  uma  série  de  eventos  propostos  pela  Organização  das  Nações  Unidas  para  a  Educação,  a  Ciência   e   a   Cultura   (UNESCO)   e   pela  União   Internacional   de  Química   Pura   e  Aplicada   (IUPAC).  No  Brasil,   as   atividades   estão   sendo   realizadas   pelos   órgãos   representativos   da   Química   Brasileira.   A  Sociedade  Brasileira  de  Química  (SBQ)  está  apresentando  um  conjunto  de  ideias  e  ações  destinadas  à   melhoria   da   Educação   e   da   Pesquisa   em   Química   no   país.   Este   experimento   faz   parte   deste  conjunto  de  ações,  e  é  uma  maneira  da  SBQ  contribuir  ativamente  para  o  desenvolvimento  de  nossa  sociedade   e   a   preservação   do   planeta   Terra,   tendo   como   lema:   QUÍMICA   PARA   UM   MUNDO  MELHOR.    Nesta  atividade,  os  alunos  irão  coletar  uma  amostra  de  água  proveniente  de  uma  fonte  natural  local.  Eles  irão  medir  o  pH  da  amostra,  através  da  utilização  de  soluções  indicadoras  coloridas.  Os  valores  médios  provenientes  dos  resultados  da  turma  deverão  ser  lançados  no  Banco  de  Dados  Nacional  do  Experimento  Global  (Global  Experiment  Database),  juntamente  com  informações  sobre  a  amostra  e  a   escola   participante,   através   de   um   portal   nacional   de   recebimento   dos   dados   (portal   QNInt   da  Sociedade  Brasileira  de  Química  -­‐  http://qnint.sbq.org.br/qni).      CONTEÚDOS      

• Instruções  para  submeter  os  resultados  para  o  Banco  de  Dados  Global............................    1  • Instruções  para  a  atividade.................................................................................................   2  • Folha  de  resultados  do  aluno  (em  branco)  .........................................................................   3  • Folha  de  resultados  da  classe  (em  branco).........................................................................   3  • Anotações  do  professor......................................................................................................   4  • Informações  relevantes  sobre  acidez  e  pH.........................................................................   7  • Como  interpretar  os  valores  de  pH.....................................................................................   9  • Sugestões  para  apoiar  atividades  auxiliares.......................................................................   10  • Resultados  da  amostra........................................................................................................   11  

 INSTRUÇÕES  PARA  A  ATIVIDADE  –  pH  DO  PLANETA      ESBOÇO  DO  EXPERIMENTO      Os  alunos  devem  trabalhar  em  pequenos  grupos  (geralmente  pares),  para  medir  o  pH  de  uma  fonte  natural  local  de  água.  A  atividade  envolve  três  seções:      

• Medição  do  pH  da  amostra  a  partir  de  uma  fonte  de  água  local  (e  outras  amostras,  caso  apropriado).  

• Análise  dos  dados  e  resultados  do  relatório  a  serem  enviados  para  a  Base  de  Dados  do  Experimento  Global.    

 

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 MÉTODO    PARTE  A  –  COLETA  DA  AMOSTRA  LOCAL  DE  ÁGUA    A  amostra  deverá   ser   coletada  de   forma  a   garantir   a   não   interferência  de   contaminantes   e   alteração  de  suas  características.  Para  isto  alguns  cuidados  especiais  e  muito  simples  deverão  ser  observados:    •Procure  um  recipiente  limpo  com  tampa  para  coletar  sua  amostra  (uma  garrafa  de  água  mineral  vazia,  por  exemplo).    •Lave   seu   recipiente   com   3   pequenas   porções   da   água   a   ser   coletada   (cerca   de   5-­‐10%   do   volume),  descartando  o  volume  após  cada  lavagem.  •Após  a  lavagem  do  frasco,  colete  o  volume  de  água,  preenchendo  todo  o  recipiente,  e  identifique  (local,  hora,  data).  •  Para  os  casos  de  coletas  em  córregos  ou  rios  procure  adaptar  um  frasco  na  ponta  de  uma  haste  (cabo  de  vassoura,  por  exemplo)  a  fim  de  evitar  acidentes  ou  contaminações.  Para  coleta  de  água  da  chuva  um  funil  invertido  (uma  garrafa  PET  cortada)  é  suficiente.    PARTE  B  –  MEDIDA  DO  pH  DA  AMOSTRA  LOCAL  DE  ÁGUA    •Rotule  os  recipientes,  identificando-­‐as  com  os  números  de  1  a  6  e  faça  uma  marca  em  cada  um  deles  na  altura  de  0,5  cm  em  cada  recipiente.  •Preencha  com  a  amostra  de  água  escolhida  3  recipientes  até  a  marca  feita  a  0,5  cm.  •Adicione  três  gotas  do  indicador  de  azul  de  bromotimol  em  cada  recipiente  e  agite-­‐os  levemente,  a  fim  de  misturar  bem  a  solução.  •Use  a  tabela  de  cores  para  estimar  o  pH  de  cada  solução  e  registre  o  resultado  na  Tabela  de  Resultados  do  Aluno  com  uma  casa  decimal.  •Se   o   pH   da   amostra   estiver   no   valor   de   7,6   ou   acima,   repita   o   teste   usando   outros   3   recipientes  preenchidos  até  a  marca  com  a  amostra  de  água  escolhida,  adicionando  em  cada  um  deles  e  três  gotas  do  indicador  de  púrpura  de  metacresol.  Registre  os  resultados  Tabela  de  Resultados  do  Aluno  com  uma  casa  decimal.  •Após  as  análises  o  conteúdo  poderá  ser  descartado  na  pia  e  os  tubos  de  ensaio  deverão  ser  lavados  com  água  corrente.    PARTE  C  –  ANALISE  E  SUBMISSÃO  DOS  RESULTADOS        •Calcule  o  valor  médio  do  pH  para  sua  amostra  de  água  e  registre  os  resultados  na  Tabela  de  Resultados  do  Aluno.    •Adicione  seus  resultados  à  Tabela  de  Resultados  da  Turma.  •Quando  os   resultados  da   turma  estiverem  completos,  calcule  o  valor    médio  do  pH  da   turma  para  cada  amostra  de  água.    •Trabalhe  com  seu  professor  para  submeter  o  valor  médio  de  pH  da  turma  para  a  amostra  da  fonte  de  água  local  ao  Banco  de  Dados  Nacional  do  Experimento  Global.      (OPCIONAL  –  OUTRAS  AMOSTRAS  DE  ÁGUA)    •  Repita  o  método,  Partes  A,  B  e  C,  para  as  outras  amostras  de  água  que  se  encontrarem  disponíveis.  •  Acesse  o  portal  QNint  (http://qnint.sbq.org.br/agua/)  para  complementar  sua  atividade.  

 

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FOLHA  DE  RESULTADOS  DA  CLASSE    

Registre  o  valor  de  pH  em  cada  tubo  para  a  fonte  de  água  local  e  outras  fontes  de  água,  caso  disponíveis.      

  Amostragem  

Teste   Indicador    Fonte  de  

água  Amostra:    

 Amostra:    

 Amostra:    

 Amostra:    

 1   Azul  de  bromotimol            2              3              4   Púrpura  de  metacresol            5              6              

Média              

 TABELA  DE  RESULTADOS  DA  TURMA  

 Registre  o  valor  médio  de  pH  dos  grupos  de  alunos  para  as   fontes  de  água  utilizadas.  Registre  os  dados  auxiliares  prontos   para   submissão   para   o   Banco   de   Dados   Nacional   do   Experimento   Global   no   portal   QNint  (http://qnint.sbq.org.br/agua/)    

  Amostragem  

Grupo  Fonte  de  água  local  

 Amostra:      

Amostra:      

Amostra:      

Amostra:      

Amostra:      

1              2              3              4              5              6              7              8              9              10              

Média                

• Fonte  de  água  local:  _______________________________________________________________  • Natureza  da  água:  _________________________________  (fresca,  salgada,  fluvial,  marinha,  etc.)  • Data  da  amostragem:                      /                      /                • Temperatura:  ______  (temperatura  enquanto  medindo  o  pH)  • Número  de  alunos  envolvidos:  ___________  

 Solicite  ajuda  do  professor  para  decidir  qual  indicador  apresenta  o  melhor  resultado;  Faça  a  média  para  os  resultados  do  indicador  que  apresentou  o  melhor  resultado  para  cada  amostra  de  água;  Adicione  seus  resultados  na  tabela  da  classe;  Quando  os  resultados  da  classe  estiverem  completos,  calcule  a  média  da  classe  para  cada  amostra  de  água;  Enviem  os  resultados  para  o  banco  de  dados  do  experimento  global:  http://qnint.sbq.org.br/agua/  .        

 

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ANOTAÇÕES DO PROFESSOR

Explorar a química nos traz pensamentos e considerações profundas sobre nosso mundo, que geralmente surpreendem, e também são bastante úteis. Ácidos são um dos primeiros grupos de substâncias que reconhecemos devido a suas propriedades químicas, na cozinha e na lavanderia, assim como em fábricas e laboratórios. Esta atividade irá permitir que sua turma explore a idéia de acidez como ela se aplica às nossas fontes de água, utilizando-se a forma mais comum de medição para acidez, o pH. Os alunos irão aprender um método de medição do pH e como checar sua confiabilidade. Eles irão submeter os dados para o Banco de Dados do Experimento Global e serão capazes de comparar seus resultados com outros provenientes do mundo todo. CONDUÇÃO DO pH A ATIVIDADE DO PLANETA As seguintes anotações estão escritas para auxiliar os professores a utilizar a atividade pH do Planeta com suas turmas. As anotações cobrem os seguintes tópicos:

• Ajustes e Propósito para a Atividade • Resultados do Aprendizado

o Ensino Fundamental o Ensino Médio

• Materiais e Equipamentos necessários • Segurança • Preparação da Pré-atividade • Informações Relevantes sobre pH e acidez • Atividades auxiliares

AJUSTES E PROPÓSITO Esta atividade foi escrita para ser incluída como parte de uma unidade de trabalho já existente relativa à água. Entretanto, os professores podem desejar utilizá-la apenas para dar aos seus alunos uma experiência que irá gerar uma contribuição para um experimento científico internacional. Algumas elaborações para a atividade são fornecidas para que os professores tenham opções a escolher sobre como se adequar melhor com relação ao tempo que suas turmas possuem disponível e a profundidade da compreensão sobre o tópico da acidez da água, na forma mais apropriada para suas turmas. RESULTADOS DO APRENDIZADO Processos científicos:

• Medição da acidez e avaliação da qualidade dos dados. • Interpretação dos dados em termos de meio ambiente e natureza da água envolvida. • Fazer perguntas científicas. • Executar investigações científicas.

Informações Relevantes sobre Química:

• Ácidos e bases. • Reações químicas que envolvem ácidos e bases. • A escolha do pH como medição da acidez.

 

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Ensino Fundamental

Em turmas de Ensino Fundamental, a atividade fornece uma excelente oportunidade para que os alunos coletem dados utilizando equipamento simples e desenvolvam uma capacidade útil de combinação de cores. Os alunos devem possuir algum conhecimento de números decimais e sobre o processo de cálculo de média, a fim de compreenderem a parte analítica da atividade. O tópico da acidez é uma das idéias químicas mais importantes, que está solidamente inserida nas experiências dos alunos, envolvendo alimentos e produtos químicos utilizados em nossas casas. Ela fornece um bom exemplo de quando distinguir entre processos físicos e químicos, e é uma das experiências primárias onde os alunos têm contato com a reatividade química. A escala de pH é melhor tratada como uma medida de acidez sem referência a sua base química. Entretanto, a natureza contra-intuitiva da escala – pH mais baixo implica em maior acidez – é inevitável. Ênfase pode ser empregada de forma bastante útil na exploração da escala, com relação aos termos neutro para um pH de 7 e ácido e básico para regiões da escala abaixo e acima de pH 7, respectivamente. Os alunos podem aprender de forma bastante consistente que substâncias com valores de pH bem acima ou abaixo de 7 são, em ambos os casos, perigosas, e o perigo pode aumentar com a distância da neutralidade. Ensino Médio 1º ANO EM – as explicações incluem íons de hidrogênio (H+) ou (H3O+) e equações químicas simples, quando for apropriado. 2º e 3º ANOS EM – as explicações incluem ácidos fortes e fracos e equilíbrio químico, quando for apropriado. Métodos alternativos de medição do pH, tais como medidores de pH, podem ser úteis se estiverem disponíveis. MATERIAIS E EQUIPAMENTO AMOSTRAS DE ÁGUA: as amostras de água podem ser coletadas em garrafas plásticas de bebidas (1,5L são suficientes). A amostra da fonte de água natural local a ser reportada para o Banco de Dados Local do Experimento Global pode vir do mar, de um rio, lago ou uma lagoa de grande tamanho. Tente encontrar uma fonte que seja reconhecível e que será identificável pelos alunos provenientes de outras escolas para propósitos comparativos. Colete a amostra de água, o mais próximo possível do tempo no qual a turma estará executando as medições. Se seus alunos estiverem testando uma variedade de outras amostras locais, você pode pedir a eles que coletem amostras e as tragam para a escola. Neste caso, uma explanação sobre a maneira correta de coletar uma amostra deve ser previamente realizada, ressaltando-se a importância das lavagens do frasco com a própria amostra para acondicionamento do recipiente de coleta. Você deve certificar-se, também, se possui alguns indicadores universais no caso dos alunos trazerem amostras que possuam valores de pH fora da média para a maior parte das águas naturais. INDICADORES: os indicadores empregados neste experimento (indicador de azul de bromotimol e púrpura de metacresol) são fornecidos no kit já na forma de solução hidroalcoólica 50% em concentração de 0,05% m/v, prontos para uso. A fim de complementar a atividade ou de repor os indicadores pode-se recorrer a kits para medida de pH de água de aquário.

 

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No caso de disponibilidade dos reagentes químicos, reposição das soluções podem ser realizadas e servir de complementação à atividade de medida do pH. RECEITA DE SOLUÇÃO DE INDICADOR AZUL DE BROMOTIMOL: Dissolva 0,1 g (100 mg) de azul de bromotimol em 100 mL de etanol comercial (álcool de cozinha). Quando dissolvido, adicione vagarosamente 100 mL de água (destilada, se possível). Armazene em temperatura ambiente. RECEITA DE SOLUÇÃO DE INDICADOR PÚRPURA DE META-CRESOL: Dissolva 0,1 g (100mg) de púrpura de meta-cresol em 100 mL etanol comercial (álcool de cozinha). Quando dissolvido, adicione vagarosamente 100 mL de água (destilada, se possível). Armazene em temperatura ambiente. SEGURANÇA: Os materiais utilizados nesta atividade não são perigosos quando na forma de soluções diluídas, conforme sugeridas nos procedimentos. Entretanto, os indicadores em estado sólido podem causar irritações, particularmente se ingeridos. Uso de luvas e óculos protetores, no caso de preparação das soluções dos indicadores, é fortemente recomendado. Eles devem ser manuseados com bastante cuidado quando estiver preparando os indicadores. KIT DE TESTES: O kit de testes inclui:

• Solução dos dois indicadores (azul de bromotimol e púrpura de metacresol), na concentração de 0,05% m/v, prontos para uso.

• 6 recipientes plásticos. • Escala colorimétrica para cada indicador. • Folha de instruções.

 

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INFORMAÇÕES RELEVANTES – ACIDEZ E pH O primeiro grupo de substâncias sobre o qual as pessoas aprendem com base na reatividade química é geralmente os ácidos. Muitos ácidos são substâncias utilizadas em nossas casas, tais como vinagre, ácido clorídrico, ou ácido cítrico. Outros, tais como ácido sulfúrico e ácido fosfórico, são utilizados na forma industrial, e milhões de toneladas são fabricados todos os anos. Ácidos reagem com bases, que são um pouco menos conhecidas, porém trata-se de um grupo de substâncias de igual importância e que incluem amônia, bicarbonato de sódio e soda cáustica (hidróxido de sódio). Milhares de ácidos e milhares de bases já foram identificados, muitos deles ocorrendo de forma natural e importante nos processos da vida. A maioria das reações ácido-base ocorre na água. Uma das propriedades especiais, porém não única da água, é que ela pode reagir tanto com um ácido como com uma base. Devido a esta propriedade, e ao fato da água ser uma substância tão comum e importante, é geralmente conveniente utilizá-la como uma substância que divide ácidos de bases. Portanto, água reage como uma base para ácidos e como um ácido para bases. Amostras de água pura e soluções que possuem a mesma acidez, como água pura, são conhecidas como neutras e reações de ácido-base são geralmente chamadas de reações de neutralização.

vinagre + bicarbonato de sódio água + acetato de sódio + dióxido de carbono (ácido) (base) Variações nestas reações de ácido-base ocorrem, por exemplo, quando cozinhamos, em todas as células em nossos corpos, e em muitos dos processos naturais. FORÇA DO ÁCIDO – a extensão para qual os ácidos e bases reagem com água é uma indicação sobre quão forte o ácido ou base podem ser. Ácido clorídrico é o ácido forte mais comum, encontrado no estômago e vendido em lojas de ferramentas. Ele reage quase que completamente com água. Outros ácidos, tais como ácido acético (o ácido encontrado no vinagre), reagem somente em pequena extensão com água e são chamados de ácidos fracos. Bases podem ser classificadas de forma similar, como fracas ou fortes. A força de uma solução de ácido - sua acidez - é uma propriedade útil para se conhecer, visto tratar-se de um indicador importante de como ele pode reagir quimicamente falando. Por exemplo, ácido clorídrico concentrado é uma substância útil para limpeza de cimento em trabalhos de construção com uso de tijolos, porém o ácido acético concentrado é muito menos eficaz. Diluição do ácido também reduz a acidez da solução e, portanto, adicionar água é geralmente uma forma útil de reduzir o perigo do ácido ou base fortes. ESCALA DE pH – a escala de pH é utilizada para medir a acidez das soluções. As soluções mais comuns geralmente apresentam valores de pH entre 0 e 14, porém uma compreensão das características aparentemente contra-intuitivas requer uma compreensão mais profundas da química envolvida. Ácidos fortes possuem o pH mais baixo e podem apresentar valores negativos para ácidos fortes concentrados, tais como ácido sulfúrico. Bases fortes possuem os valores mais altos e podem estar acima de 14. Por outro lado, água pura é neutra e possui um pH de 7.

 

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Escala de pH

Ácido Forte diluir diluir Base Forte Concentrado Concentrada Ácido fraco Base Fraca Concentrado Concentrada Neutro A utilidade da escala de pH vem a partir de como ela é realmente medida. A medição é a extensão da reação do ácido com água. Por exemplo, com ácido clorídrico:

 

IONS DE HIDRÔNIO – os produtos da reação de ácidos e bases com água são íons (partículas carregadas) e o íon H3O+ (íon hidrônio), que é responsável pelas propriedades ácidas. Uma das razões porque ácidos formam uma categoria tão útil de substâncias é devido aos íons H3O+, que são formados por todos os ácidos comuns, e que possuem uma gama de propriedades comuns. No caso do ácido clorídrico, a ionização é essencialmente completa na água e HCI é chamado de um ácido forte. Para o ácido acético, muito menos H3O+ é formado, e a maioria das moléculas de ácido acético é geralmente encontrada no formato molecular, ou seja, sem reagir com a água ou se dissociar. A medição de pH envolve determinar a concentração de H3O+. Há grande variação nos valores de concentração dos íons e, portanto, uma escala logarítmica é utilizada:

pH = -log [H3O+]

Isto significa que a concentração de H3O+ em um pH 8,5 é um milésimo da concentração em pH 5,5 (uma variação comum de concentração para amostras de água natural). MEDIÇÃO DE pH – as duas medições mais comuns de pH envolvem o uso de indicadores ou medidores de pH. INDICADORES são ácidos fracos que são coloridos ou que mudam de cor quando sofrem uma reação ácido-base, ganhando ou perdendo o íon H+. As reações são geralmente reversíveis para que o indicador possua, em cada mudança de cor, duas formas moleculares: a ácida (ou protonada) e a básica (ou desprotonada). A mudança de cor nos indicadores geralmente ocorre em uma mudança de 10 vezes na concentração de H3O+ e, portanto, cobre uma mudança na escale de pH em uma unidade. Soluções do indicador que cobrem faixas de pH mais extensivas, tais como um indicador universal, são misturas de um número de indicadores.

 

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MEDIÇÕES DE pH – são feitas através da medição da voltagem, por uma membrana sensível à concentração de íons H3O+. As membranas são sensíveis: precisam ser armazenadas e manuseadas cuidadosamente, para atingirem um ciclo de vida de 2 anos ou talvez mais. As membranas mudam com a idade e então o medidor de pH precisa ser calibrado regularmente. Isto é feito utilizando-se soluções tampão de pH conhecido. Soluções tampão são soluções de uma mistura de formas de ácido e base de um ácido fraco. Geralmente feitos a partir de receitas, ou comprados como tabletes ou no formato líquido. INTERPRETAÇÃO DE VALORES DE pH Valores de pH obtidos na atividade precisam ser interpretados cuidadosamente, devido ao fato de haver uma variabilidade natural devido aos diferentes níveis de luz e temperaturas e artefatos provenientes das diferentes técnicas de medição. No caso de fontes de água fresca, a variabilidade natural é muito grande, geralmente entre 6,5 e 8,0. Águas marinhas geralmente possuem um faixa menor de variação de pH, entre 8,1 e 8,4. Mudanças de temperatura causam mudanças no pH das soluções de amostra e dos instrumentos que são utilizados na medição do pH. Apesar de estas mudanças permanecerem pequenas se a temperatura permanecer próxima de 20 – 25 oC, uma variação maior deve ser esperada com temperaturas mais extremas. Para águas naturais, o pH também muda durante o dia, devido ao material vivo contido na água. Respiração de organismos produz dióxido de carbono, que abaixa o pH da amostra. Durante a luz do dia, o pH aumenta devido aos organismos que praticam fotossíntese, o que reduz os níveis de dióxido de carbono. A geologia da área também pode afetar o pH da água local. A presença de calcário pode aumentar o pH consideravelmente. No caso dos oceanos, calcário e outras fontes de carbonato de cálcio contribuem para o pH normal do oceano de 8,3. Porém, há a presença de dióxido de carbono adicional na atmosfera (devido a mudança de clima proveniente da atividade humana e suas emissões), e este se encontra particularmente dissolvido no oceano, reduzindo o pH (em quantidades bastante pequenas).

 

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ATIVIDADES AUXILIARES Atividades que fornecem oportunidades aos alunos para ganhar uma compreensão mais profunda do conceito da acidez e pH.

• Mudança do pH – experimentos que estabelecem a estabilidade variável do pH em diferentes ajustes. Por exemplo, soprar em amostras de água.

• pH na vida cotidiana – medição do pH em líquidos de nossa rotina diária provenientes do lar e de materiais tais como solos.

• Indicadores naturais – explorando indicadores feitos em casa, tais como suco de repolho vermelho.

• Variação no pH – medição da variação natural no pH na água durante eventos regulares (24 horas) e após chuva, etc.

• Outras atividades, etc.

 

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ANEXOS Escala colorimétrica de variação do pH para o indicador azul de bromotimol:

Escala colorimétrica de variação do pH para o indicador púrpura de metacresol: