Laboratorio virtual de análisis gravimétrico: agua dura

Este laboratorio virtual de análisis gravimétrico sigue la investigación sobre el agua dura de AP Chemistry y el trabajo gravimétrico de IB y VCE Chemistry. Los estudiantes miden 500 cm³ de agua, precipitan el calcio como carbonato de calcio con disolución de carbonato de sodio y prueban el líquido claro hasta que la precipitación es completa. Después filtran, lavan, y calientan, enfrían y pesan hasta que dos lecturas coinciden. A partir de la masa del precipitado calculan la dureza en mg de CaCO₃ por dm³ y el contenido de calcio en mg de Ca²⁺ por dm³. Una disolución patrón comprueba el método, y saltarse un paso muestra su efecto al instante. Todos los números de esta guía se leyeron en la simulación.

Relación con el currículo

• AP Chemistry Unit 1, tema 1.4 (composición de las mezclas, SPQ-2.B) y la investigación de AP de análisis gravimétrico del agua dura.
• IB Chemistry, Tool 1 (técnicas experimentales): medir la masa, filtrar y calentar hasta masa constante, con los cálculos de moles de Structure 1.4.
• VCE Chemistry (Australia) Unit 2, Area of Study 2: medición de sustancias en el agua, incluido el análisis gravimétrico.

Simulic no está afiliado al College Board, al IB ni a la VCAA, ni cuenta con su respaldo.

Antes del laboratorio (5 min)

Pregunta: "Un estudiante olvida lavar el precipitado de carbonato de calcio antes de secarlo. ¿La dureza que calcule será demasiado alta, demasiado baja o correcta?" En un enlace de clase es la pregunta 1; la simulación se desbloquea cuando los estudiantes responden.

Método en la simulación

1. Elige Agua dura: Ca²⁺ como CaCO₃, después Disolución patrón, y pon Balanza en 0,0001 g. Deja el control deslizante Muestra de agua en 500 cm³.
2. Pulsa Medir el agua y después Añadir 10 cm³ de Na₂CO₃. Pulsa Probar el líquido claro; añade más Na₂CO₃ hasta que no aparezca turbidez nueva.
3. Pulsa Filtrar y después Lavar dos veces.
4. Pulsa Calentar, enfriar, pesar hasta que el mensaje diga que las dos últimas lecturas coinciden; después pulsa Anotar resultado.
5. Repite sin lavar. Después elige Muestra de agua para analizar el agua del grifo desconocida.

Ensayo	Muestra	Na₂CO₃ añadido (cm³)	Lavados	Calentamientos	Masa de CaCO₃ (g)	Dureza (mg CaCO₃/dm³)	Ca²⁺ (mg/dm³)
1	Patrón		2
2	Patrón		0
3	Muestra de agua		2

Resultados esperados

El patrón contiene 400 mg de CaCO₃ por dm³, así que 500 cm³ contienen 0,2000 g. Las lecturas de la balanza llevan un error aleatorio diminuto, así que los resultados coinciden mucho.

• Patrón, una porción de Na₂CO₃, lavado dos veces: 0,2009 g de CaCO₃, 402 mg/dm³ y 161 mg Ca²⁺/dm³. La masa constante llegó tras 5 calentamientos. Con dos porciones: 0,2016 g, 403 mg/dm³.
• Lavado una vez: 0,2037 g, 407 mg/dm³. Sin lavar: 0,2147 g, 429 mg/dm³, marcado "sin lavar". Las sales solubles que quedan se suman a la masa.
• Balanza de 0,01 g: 0,20 g y 400 mg/dm³, pero la incertidumbre es de ±0,02 g, el 10 % de la masa.
• Muestra de agua: una muestra desconocida distinta cada vez que se carga la página o se pulsa Nueva desconocida. Un ensayo dio 185 mg/dm³ frente a un valor real de 180 mg/dm³.

Preguntas para los estudiantes

1. (Predicción, se repite después del laboratorio) Si el precipitado no se lava, ¿la dureza calculada es demasiado alta, demasiado baja o correcta?
2. Una clase analiza la misma agua con muestras de 250, 500 y 1000 cm³. ¿Cuál es la variable dependiente?
3. ¿Qué masa de carbonato de calcio obtienes de 500 cm³ de la disolución patrón?
4. Calcula el contenido de calcio del patrón en mg de Ca²⁺ por dm³.
5. Explica por qué se calienta, se enfría y se pesa hasta que dos lecturas coinciden.

Respuestas para el docente: (1) Demasiado alta: 429 en lugar de unos 402 mg/dm³. (2) La masa de carbonato de calcio seco. (3) Se acepta 0,198–0,207 g (unos 0,201 g). (4) Masa ÷ 100,09 × 40,08 × 1000 mg ÷ 0,500 dm³; se acepta 158–166 mg/dm³. (5) Cada calentamiento elimina más agua. Dos lecturas iguales muestran que toda el agua se ha ido; parar antes deja agua en el sólido, así que la masa y el resultado salen demasiado altos.

Ideas erróneas frecuentes

• "Más reactivo siempre da un mejor resultado." Hace falta suficiente para que la precipitación sea completa, pero un gran exceso deja más sal soluble que eliminar al lavar.
• "Al lavar se pierde precipitado." El carbonato de calcio es insoluble; el lavado solo elimina las sales solubles.
• "Basta con un calentamiento." La primera pesada todavía incluye la mayor parte del agua retenida en el sólido del filtro.
• "La última cifra de la balanza hace exacto el resultado." Una balanza de 0,01 g da 0,20 g para un precipitado de 0,2009 g.

Ampliación

• Sulfato como BaSO₄: con Sustancia pura, 1 g de sulfato de amonio dio un 72,8 % de sulfato (valor real 72,7 %); sin lavar, 74,0 %. Tres porciones de BaCl₂ dejaron la precipitación incompleta: 57,8 %.
• Cloruro de bario hidratado: calienta hasta masa constante y halla x en BaCl₂·xH₂O.

Preguntas frecuentes

¿Puedo fijar los ajustes para mi clase?

Sí. En la página Compartir, fija Experimento en "Calcio en agua dura, precipitado como CaCO₃", Muestra en "Sustancia pura / disolución patrón", Resolución de la balanza en "0,0001 g (balanza analítica)" y Volumen de la muestra de agua en 500 cm³ en los valores iniciales del enlace.

¿Todos los estudiantes reciben la misma muestra de agua?

No. La muestra de agua desconocida se elige al azar cada vez que se carga la página, así que cada estudiante halla una dureza distinta y la compara con el valor real de la tabla. Por eso las preguntas calificadas usan la disolución patrón.

¿Por qué la tabla muestra el valor real?

Para que los estudiantes calculen su porcentaje de error y lo relacionen con los pasos que se saltaron.

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