Introducción

El gas natural es una fuente de energía importante que se usa para calentar hogares, generar electricidad y combustionar vehículos. Está compuesto principalmente de metano, un potente gas de efecto invernadero. Si bien la combustión del gas natural genera menos emisiones que el carbón y el petróleo, el gas natural presenta desafíos ambientales en su extracción y uso. Este laboratorio utiliza el formato de estaciones de actividad para ayudar a los alumnos a explorar la ciencia del gas natural, desde su formación hasta su combustión.

Objetivos de los alumnos

Los alumnos serán capaces de:

• Simular y analizar la producción de metano mediante procesos biológicos, y explicar cómo se relaciona con la formación del gas natural en vertederos y sistemas de biogás.
• Modelar y evaluar el proceso de fracturación hidráulica, identificando cómo la permeabilidad y las capas de roca influyen en la extracción y los posibles riesgos ambientales.
• Medir y comparar los cambios de temperatura del agua para evaluar la transferencia de calor relativa de distintos combustibles en una simulación de combustión.
• Construir un mapa conceptual del ciclo de vida del gas natural, ilustrando las etapas clave desde su formación hasta su uso, e identificando tanto los beneficios como los desafíos ambientales en cada etapa.

Materiales

• Guía del alumno (por alumno)

Preparación del profesor

Estación 1: Simulación de formación y captura de metano

Para preparar esta estación, el profesor dispondrá el azúcar, la cucharadita, la levadura y los globos a un lado. Dependiendo de la distribución del aula, los alumnos pueden obtener agua tibia de los lavabos del aula (si están disponibles) o tener un recipiente con agua tibia disponible sobre la mesa. Como los embudos, los matraces de laboratorio, las reglas y los cronómetros son reutilizables, basta con tener 2-3 por estación será suficiente.
(Nota: Más de un grupo puede estar en esta estación a la vez, si el espacio lo permite.)

Procedimiento
Incluido en el Guía del alumno, junto con una Tabla de datos para registrar observaciones y Preguntas de análisis.

1. Añade 1 cdta. de azúcar y 1 sobre (o 2 cdta.) de levadura a un matraz.
2. Con el embudo, añade agua tibia hasta llenar un tercio del matraz y agita suavemente.
3. Coloca un globo firmemente sobre la abertura del matraz.
4. Observa durante 15 minutos, midiendo el diámetro con la regla o la cinta métrica cada 5 minutos y registrando tus medidas en la Tabla de datos.
5. Registra cualquier observación adicional (color, olor, burbujas, etc.) en la Tabla de datos.
6. Recoge el área de la estación, enjuaga el matraz, desecha el globo y devuelve todos los materiales a su lugar.

Estación 2: Simulación de fracturación hidráulica y permeabilidad

Para preparar esta estación, el profesor dispondrá la arcilla, las esponjas y la arena. El agua coloreada puede prepararse con antelación (colorante alimentario y agua) y estar disponible para los alumnos en un recipiente. Como los recipientes y las jeringas son reutilizables, basta con tener 2-3 por estación será suficiente.
(Nota: Más de un grupo puede estar en esta estación a la vez, si el espacio lo permite.)

Procedimiento
Incluido en el Guía del alumno, junto con una Tabla de datos para registrar observaciones y Preguntas de análisis.

1. Crea capas en el recipiente transparente. Comienza (en el fondo) con una capa de arena de aproximadamente una pulgada, que representa el yacimiento de gas.
2. A continuación, añade una capa de arcilla de aproximadamente una pulgada, que representa la roca sello.
3. Por último, añade una capa de esponja de aproximadamente una pulgada, que representa la roca porosa.
4. Llena la jeringa con 20 ml de agua coloreada.
5. Inyecta el agua coloreada en la capa de arena del fondo, insertando la jeringa a lo largo del lado del recipiente.
6. Observa cómo y dónde se desplaza el fluido y registra tus observaciones en la Tabla de datos.
7. Recoge el área de la estación, reemplaza las capas reutilizables y desecha las que no lo sean (por ejemplo, la arena), enjuaga el recipiente y devuelve todos los materiales a su lugar.

Estación 3: Simulación de energía de combustión y emisiones

Dado que esta estación implica llama abierta y requiere una supervisión extremadamente cuidadosa, el profesor puede decidir realizarla como demostración en lugar de configurarla como una estación de actividad para los alumnos.

Aviso de seguridad:
Solo un grupo debe realizar este experimento a la vez debido al uso de llamas abiertas y sustancias reactivas. Todos los alumnos deben usar gafas de seguridad y utilizar pinzas o guantes resistentes al calor cuando manipulen materiales calientes o químicos.

Instrucciones de preparación del laboratorio para el profesor
Prepare los materiales en tres áreas de suministro diferenciadas para organizar el equipo de manera eficiente:

Área de suministro A – Fuentes de calor:

• Quemador de gas natural
• Vela grande
• Encendedor
• Lata de gel de etanol

Área de suministro B – Equipo de seguridad:

• Gafas de seguridad
• Guantes resistentes al calor
• Soporte de trípode
• Pinzas de vaso

Área de suministro C – Materiales de prueba:

• Tres latas metálicas pequeñas
• Recipiente con agua (si no hay un lavabo cercano disponible)
• Termómetro
• Vaso de precipitados pequeño

Recomendación de distribución:
Disponga las áreas de suministro a lo largo de un mostrador, banco o mesa lateral en secuencia (A → B → C), permitiendo un acceso claro y una separación entre categorías. Estas áreas son para la preparación del profesor y el acceso de los alumnos durante las partes guiadas, no forman parte del ciclo de rotación de los alumnos.

Procedimiento
Incluido en el Guía del alumno, junto con una Tabla de datos para registrar observaciones y Preguntas de análisis.

1. Prepara tres latas metálicas idénticas, cada una con 50 ml de agua.
2. Registra la temperatura inicial con un termómetro y anota esos datos en la Tabla de datos.
3. Coloca el trípode y la vela en el centro del área de trabajo.
4. Coloca la lata de agua sobre el trípode, encima de la vela. Asegúrate de que la lata esté firme.
5. Enciende la vela e inicia el cronómetro de inmediato. Deja que el agua se caliente durante exactamente 3 minutos.
6. Al llegar a los 3 minutos, apaga la llama. Mide la temperatura inmediatamente después y registra la temperatura final del agua en la Tabla de datos.
7. Registra cualquier observación adicional, como hollín, olor, humo, etc.
8. Deja que la lata metálica sobre el trípode se enfríe un minuto. Luego, con las pinzas de vaso, retira la lata con cuidado y colócala en un lugar seguro donde pueda enfriarse.
9. Retira la vela con cuidado y reemplázala con la lata de gel de etanol.
10. Coloca la segunda lata de agua sobre el trípode, encima de la lata de gel de etanol.
11. Enciende la lata de gel de etanol y repite el procedimiento, completando la tabla de datos.
12. Para apagar la llama del gel de etanol, usa las pinzas de vaso para asegurar la tapa sobre la lata.
13. Retira la lata de gel de etanol con las pinzas de vaso y colócala en un lugar seguro donde pueda enfriarse.
14. Coloca el quemador de gas natural debajo del trípode. Coloca la tercera lata de agua sobre el trípode.
15. Enciende el quemador de gas natural, ajústalo a una llama alta constante y repite el procedimiento de calentamiento de 3 minutos.
16. Recoge el área de la estación, vacía y enjuaga los recipientes (usa las pinzas de vaso para enfriar las latas metálicas con agua fría, para que sea seguro que el siguiente grupo las use) y devuelve todos los materiales a su lugar.

Actividad de cierre

Incluida en el Folleto del alumno. Los alumnos dibujarán un mapa conceptual que muestre el ciclo de vida del gas natural.
Formación → Extracción → Combustión → Uso → Impacto ambiental
Para cada sección, los alumnos añadirán una descripción, así como notas sobre los beneficios e impactos en cada etapa, cuando corresponda.

Clave de respuestas

El Guía del alumno contiene las preguntas del Laboratorio: Explorar el gas natural.
Clave de respuestas – Preguntas de análisis de la Estación 1
Pregunta 1: El globo se infla debido a la producción de dióxido de carbono durante la descomposición del azúcar mediante respiración anaeróbica (fermentación). El gas se acumula en el globo, haciendo que se expanda.
Pregunta 2: Esto simula la digestión microbiana en vertederos o biodigestores, donde los microbios descomponen residuos orgánicos y liberan gases como el metano y el dióxido de carbono. Las similitudes incluyen la descomposición microbiana de material orgánico y la producción de gas que puede capturarse. Las diferencias incluyen que el modelo de levadura produce principalmente dióxido de carbono, mientras que la digestión microbiana real produce una mezcla de metano y dióxido de carbono. Los microbios de los vertederos también trabajan en ambientes con poco oxígeno y tardan más tiempo.

Clave de respuestas – Preguntas de análisis de la Estación 2
Pregunta 1: La jeringa que inyecta agua coloreada representa el fluido de alta presión que se inyecta en las capas de roca. Las similitudes incluyen las fracturas que se forman en las capas de roca y cómo el fluido se desplaza a través del material poroso una vez que se produce la fractura. Las diferencias incluyen que la fracturación hidráulica real utiliza presiones extremas y roca real en las profundidades del subsuelo.
Pregunta 2: Los posibles riesgos ambientales incluyen la contaminación si los fluidos de las aguas subterráneas se filtran a través de las capas fracturadas, la sismicidad inducida (pequeños terremotos), la eliminación de aguas residuales y los derrames superficiales, y la perturbación del hábitat por la actividad de perforación.

Clave de respuestas – Preguntas de análisis de la Estación 3
Pregunta 1: Las respuestas pueden variar.
Pregunta 2: Las respuestas pueden variar.

Clave de respuestas – Actividad de cierre (Respuestas de ejemplo)
Formación: El material orgánico queda sepultado y comprimido durante millones de años bajo calor y presión, formando gas natural. Un beneficio es la formación de un recurso energético abundante. Un impacto es que esta fuente de energía no es renovable y podría liberar metano durante la extracción.
Extracción: La perforación y la fracturación hidráulica liberan gas natural de yacimientos subterráneos. Los beneficios incluyen el alto rendimiento energético y la creación de empleos. Los impactos incluyen el riesgo de contaminación de aguas subterráneas y la perturbación del hábitat.
Combustión: El gas natural se quema para calefacción, electricidad y transporte. Los beneficios incluyen una alta eficiencia y menos partículas que la combustión de carbón o petróleo. Los impactos incluyen las emisiones de dióxido de carbono.
Uso: La energía producida con gas natural se utiliza en centrales eléctricas, hogares, fábricas y vehículos. Un beneficio del gas natural es que genera menos emisiones que otros combustibles fósiles. Un impacto es el alto costo de la inversión en infraestructura.
Impacto ambiental: Emisiones de gases de efecto invernadero, junto con el riesgo de fugas de metano y contaminación del agua y la tierra. Un beneficio del gas natural es que sirve como «combustible puente» para la transición entre los combustibles fósiles y fuentes de energía con menores emisiones. Sin embargo, sigue contribuyendo a la contaminación del aire con emisiones de dióxido de carbono.

Clave de respuestas – Preguntas de conclusión
Pregunta 1: Alta producción de energía, menos emisiones que el carbón o el petróleo, produce menos hollín y menos partículas, es fiable y ampliamente disponible, útil de muchas maneras, incluida la calefacción, la producción de electricidad y como combustible para el transporte.
Pregunta 2: Emite dióxido de carbono al quemarse, riesgo de fugas de metano (el metano es un potente gas de efecto invernadero), riesgo de contaminación de aguas subterráneas por fracturación hidráulica, perturbación del hábitat y el paisaje durante la extracción.
Pregunta 3: Las técnicas de perforación mejoradas reducen las fugas y los derrames; tecnologías de captura de metano y detección de fugas; investigación sobre la captura y almacenamiento de carbono; transición hacia fuentes de energía con menores emisiones; regulaciones de monitoreo para proteger la calidad del agua y del aire.