Laboratório virtual de análise gravimétrica: água dura

Este laboratório virtual de análise gravimétrica segue a investigação sobre água dura do AP Chemistry e o trabalho gravimétrico do IB e do VCE Chemistry. Os alunos medem 500 cm³ de água, precipitam o cálcio como carbonato de cálcio com solução de carbonato de sódio e testam o líquido límpido até a precipitação ficar completa. Depois filtram, lavam e aquecem, esfriam e pesam até duas leituras coincidirem. A partir da massa do precipitado, calculam a dureza em mg de CaCO₃ por dm³ e o teor de cálcio em mg de Ca²⁺ por dm³. Uma solução padrão confere o método, e pular uma etapa mostra o efeito na hora. Todos os números abaixo foram lidos na simulação.

Alinhamento com o currículo

• AP Chemistry, Unidade 1, tópico 1.4 (composição de misturas, SPQ-2.B) e a investigação de análise gravimétrica de água dura do AP.
• IB Chemistry, Tool 1 (técnicas experimentais): medir massa, filtrar e aquecer até massa constante, com os cálculos de mol da Structure 1.4.
• VCE Chemistry (Austrália), Unit 2, Area of Study 2: medida de substâncias na água, incluindo análise gravimétrica.

O Simulic não é afiliado ao College Board, ao IB nem à VCAA, nem endossado por eles.

Antes do laboratório (5 min)

Pergunte: "Um aluno esquece de lavar o precipitado de carbonato de cálcio antes de secá-lo. A dureza que ele calcular vai sair alta demais, baixa demais ou correta?" Num link de turma, esta é a pergunta 1; a simulação é liberada depois que os alunos respondem.

Método na simulação

1. Escolha Água dura: Ca²⁺ como CaCO₃, depois Solução padrão, e ajuste Balança em 0,0001 g. Mantenha o controle deslizante Amostra de água em 500 cm³.
2. Clique em Medir a água e depois em Adicionar 10 cm³ de Na₂CO₃. Clique em Testar o líquido límpido; adicione mais Na₂CO₃ até não aparecer nova turvação.
3. Clique em Filtrar e depois em Lavar duas vezes.
4. Clique em Aquecer, esfriar, pesar até a mensagem dizer que as duas últimas leituras coincidem; depois clique em Registrar resultado.
5. Repita sem lavar. Depois escolha Amostra de água para analisar a água de torneira desconhecida.

Ensaio	Amostra	Na₂CO₃ adicionado (cm³)	Lavagens	Aquecimentos	Massa de CaCO₃ (g)	Dureza (mg CaCO₃/dm³)	Ca²⁺ (mg/dm³)
1	Padrão		2
2	Padrão		0
3	Amostra de água		2

Resultados esperados

O padrão contém 400 mg de CaCO₃ por dm³, então 500 cm³ contêm 0,2000 g. As leituras da balança têm um erro aleatório minúsculo, por isso os resultados concordam bem.

• Padrão, uma porção de Na₂CO₃, lavado duas vezes: 0,2009 g de CaCO₃, 402 mg/dm³ e 161 mg Ca²⁺/dm³. A massa constante veio depois de 5 aquecimentos. Com duas porções: 0,2016 g, 403 mg/dm³.
• Lavado uma vez: 0,2037 g, 407 mg/dm³. Sem lavar: 0,2147 g, 429 mg/dm³, marcado "sem lavar". Os sais solúveis que sobram se somam à massa.
• Balança de 0,01 g: 0,20 g e 400 mg/dm³, mas a incerteza é de ±0,02 g, 10 % da massa.
• Amostra de água: uma amostra desconhecida diferente a cada carregamento da página ou a cada Nova desconhecida. Um ensaio deu 185 mg/dm³ contra um valor real de 180 mg/dm³.

Perguntas para os alunos

1. (Previsão, repetida depois do laboratório) Se o precipitado não for lavado, a dureza calculada sai alta demais, baixa demais ou correta?
2. Uma turma analisa a mesma água usando amostras de 250, 500 e 1000 cm³. Qual é a variável dependente?
3. Que massa de carbonato de cálcio você obtém de 500 cm³ da solução padrão?
4. Calcule o teor de cálcio do padrão em mg de Ca²⁺ por dm³.
5. Explique por que se aquece, esfria e pesa até duas leituras coincidirem.

Respostas para o professor: (1) Alta demais: 429 em vez de cerca de 402 mg/dm³. (2) A massa de carbonato de cálcio seco. (3) Aceite 0,198–0,207 g (cerca de 0,201 g). (4) Massa ÷ 100,09 × 40,08 × 1000 mg ÷ 0,500 dm³; aceite 158–166 mg/dm³. (5) Cada aquecimento elimina mais água. Duas leituras iguais mostram que toda a água saiu; parar antes deixa água no sólido, e a massa e o resultado saem altos demais.

Erros conceituais comuns

• "Mais reagente sempre dá um resultado melhor." É preciso o suficiente para a precipitação completa, mas um grande excesso deixa mais sal solúvel para remover na lavagem.
• "A lavagem perde precipitado." O carbonato de cálcio é insolúvel; a lavagem só remove os sais solúveis.
• "Um aquecimento basta." A primeira pesagem ainda inclui a maior parte da água retida no sólido do filtro.
• "O último dígito da balança torna o resultado exato." Uma balança de 0,01 g dá 0,20 g para um precipitado de 0,2009 g.

Extensão

• Sulfato como BaSO₄: com Substância pura, 1 g de sulfato de amônio deu 72,8 % de sulfato (valor real 72,7 %); sem lavar, 74,0 %. Três porções de BaCl₂ deixaram a precipitação incompleta: 57,8 %.
• Cloreto de bário hidratado: aqueça até massa constante e ache x em BaCl₂·xH₂O.

Perguntas frequentes

Posso fixar as configurações para a minha turma?

Sim. Na página Compartilhar, fixe Experimento em "Cálcio em água dura, precipitado como CaCO₃", Amostra em "Substância pura / solução padrão", Resolução da balança em "0,0001 g (balança analítica)" e Volume da amostra de água em 500 cm³ nos valores iniciais do link.

Todos os alunos recebem a mesma amostra de água?

Não. A amostra de água desconhecida é sorteada a cada carregamento da página, então cada aluno encontra uma dureza diferente e a compara com o valor real na tabela. É por isso que as perguntas avaliadas usam a solução padrão.

Por que a tabela mostra o valor real?

Para que os alunos calculem o erro percentual e o relacionem com as etapas que pularam.

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