Disoluciones

DISOLUCIONES

Héctor Santiago Odetti

Claudi Falicoff

Adriana Ortolani

Para citar: Odetti, H. S.; Falicoff, C.; Ortolani, A.. (2007). “Disoluciones”. En: Domínguez, J.M. (editor). Actividades para la enseñanza en el aula de ciencias. Fundamentos y planificación. Santa Fe (Argentina): Ediciones UNL. ISBN: 978-987-508-888-7. pp. 169-208.

Se presenta a continuación la secuencia de enseñanza del tema de “Disoluciones”.

El diseño, planificación y desarrollo de la misma se realiza según el modelo propuesto (Domínguez, 2000, 2001a) que, como habíamos indicado, consta de cinco tareas: determinación del contenido académico, determinación de la problemática del aprendizaje, selección, formulación y secuenciación de objetivos, selección de estrategias de instrucción y secuencia de actividades, y selección de estrategias de evaluación.

TAREA 1. DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO ACADÉMICO .

Los contenidos del espacio curricular de la Química deben contribuir a la formación general básica de los alumnos de cualquiera de las modalidades. Por lo tanto, los contenidos que integren el currículum escolar aportarán los conocimientos que permitan alcanzar las expectativas propuestas para el tema de Disoluciones.

Para desarrollar esta tarea se ha analizado, en primer lugar, el currículo oficial. En cumplimiento de lo establecido por el Artículo 66 de la Ley Federal de Educación nº 24.195, se acordaron en el seno del Consejo y se aprobaron por Resolución nº 2536/98 del mismo, los Contenidos Básicos Comunes y los Contenidos Básicos Orientados para la Educación Polimodal, como base para la adecuación y elaboración del Diseño Curricular de cada Jurisdicción.

En los diseños curriculares provinciales de Santa Fe y Entre Ríos, el tema de esta propuesta está previsto abordarlo en el Espacio de Definición Institucional (EDI) y Oferta Formativa Complementaria (OFC) (Química) en 9º año de la EGB III y en el 1º y/o 2º año Polimodal según la orientación y/o jurisdicción provincial.

Para la selección de los contenidos propuestos en el espacio curricular de Química se recuperan los Contenidos Básicos Comunes (CBC) de Ciencias Naturales: “La materia, su estructura y sus cambios”.

El tema de Disoluciones pertenece a estos núcleos de aprendizaje. En química, una disolución (del latín disolutio) es una mezcla homogénea y li(sis)/litos/-lítico, del griego: ´desatar´, ´disolvente´. El estudio de este tema se contempla dentro del contexto “Sistemas Materiales” y “Mezclas”, en donde es fundamental la recuperación de los contenidos de la EGB, así como sus experiencias cotidianas con relación al uso de disoluciones.

Del análisis de los mismos hemos obtenido los contenidos propuestos para este nivel educativo por los diseñadores del currículo.

Contenidos conceptuales

-El concepto de disolución como una mezcla homogénea.

-Clasificación y ejemplos.

-Procesos de disolución: simple dispersión; solvatación y reacción química.

-Concentración de una disolución.

-Usos de las soluciones.

-Dilución.

Contenidos procedimentales

-Comparación entre mezcla homogénea y heterogénea.

-Recolección, selección, organización, análisis, comprensión e interpretación de la información.

-Diferenciación entre los hechos observables y el marco teórico explicativo.

-Experimentación y análisis de los procesos de disolución.

-Diseño y ejecución de experiencias sencillas en relación con la preparación de disoluciones de distintas concentraciones y diluciones de las mismas.

-Confrontación de ideas en pequeños grupos de discusión.

-Adquisición de conocimientos a través de la utilización de nuevas tecnologías o medios electrónicos.

-Reflexión y análisis del propio proceso de aprendizaje.

-Elaboración de informes.

Contenidos actitudinales

-Valoración y respeto a las producciones propias y ajenas.

-Confianza en sus posibilidades de plantear y resolver problemas en relación al mundo natural.

-Sensibilidad ante el intercambio de ideas como fuente de construcción del conocimiento.

-Valoración de las Ciencias Naturales para la comprensión y transformación del mundo.

-Respeto por la evidencia.

El conocimiento científico supone las conexiones entre los conceptos, los procedimientos y las actitudes; su diferenciación en el contenido de enseñanza tiene un carácter fundamentalmente pedagógico (Mauri, 1997), pues nos facilitará el diseño de las actividades que ha de realizar el alumnado; pero es necesario señalar que el conocimiento científico integra los tres tipos de contenidos y su enseñanza no debe centrarse sólo en uno de ellos, o se daría una imagen incompleta y distorsionada de la ciencia y, sobre todo, desperdiciaríamos muchos de los valores formativos que justifican su inclusión en los conocimientos básicos y obligatorios para cualquier ciudadano.

A este respecto, el concepto de materiales favorece un enfoque de la disciplina que pone de manifiesto las relaciones entre ciencia, tecnología y sociedad (Diseño Curricular de Santa Fe, 2003). También facilita el estudio de temas partiendo de ideas generales que se relacionan con lo cotidiano, lo conocido por el alumno como parte de su entorno, para luego abordar los conceptos disciplinares particulares.

Con el objeto de interpretar las disoluciones, son imprescindibles los conocimientos que expliquen por qué y cómo se producen. Seleccionamos teorías o modelos que permitan ir más allá del conocimiento perceptible del fenómeno. Desde el modelo discontinuo de la materia habrá que considerar que los sistemas materiales están constituidos por partículas que interactúan, se mueven y que entre ellas existen espacios vacíos. La teoría cinético-molecular se utiliza como modelo interpretativo de los distintos estados de agregación. Posteriormente, el uso del modelo atómico molecular

incidirá en la insuficiencia del modelo corpuscular y será esencial para interpretar la diversidad de la materia y la diferencia entre mezclas y disoluciones.

De este modo, en segundo lugar, hemos revisado algunos de los conceptos implicados en el tema para clarificar su significado desde el punto de vista de la ciencia (Bailar, Moeller et al. (1983).

La comunidad científica parece estar de acuerdo en que cuando hablamos de disolución nos estamos refiriendo a una mezcla homogénea de moléculas, átomos o iones de dos o más sustancias. Se utiliza comúnmente la palabra disolución al referirnos a un líquido, habitualmente el agua, con algo disuelto en él. Una disolución de cualquier sustancia en agua se denomina una disolución acuosa.

En muchas disoluciones, el soluto y el disolvente están muy separados entre sí, y la disolución tiene lugar debido a que el movimiento de las moléculas hace que se entremezclen. Constituyen un ejemplo de ello las disoluciones de unos gases en otros y las de parafina o de naftaleno en gasolina o en benceno. Se podría denominar a estos, procesos físicos.

La situación es algo diferente con las aleaciones de níquel en cobre, ya que los dos metales comparten electrones, pero sobre una base muy móvil. Sin embargo, probablemente se podría estar de acuerdo en que en dichas aleaciones los metales no reaccionan entre sí; en este caso se podría considerar la disolución como un proceso físico.

Cuando el azúcar (sacarosa) se disuelve en el agua, lo hace debido a que los grupos hidroxilo de las moléculas de azúcar forman enlaces de hidrógeno con las moléculas de agua, y esto, ciertamente, es una reacción química. No obstante, se invierte con facilidad –cuando se deja evaporar el agua se rompen los enlaces de hidrógeno– y se forma de nuevo azúcar cristalino. En este caso un químico consideraría la disolución como un fenómeno físico ya que el azúcar se recupera inalterado.

El cloruro de sodio se disuelve en el agua debido a que los iones sodio están atraídos por el extremo negativo del dipolo del agua (los átomos de oxígeno) y los iones cloruro están atraídos por el extremo positivo (los átomos de hidrógeno). El cloruro de sodio no se disolverá en líquidos como el benceno, puesto que el benceno no es polar y no atraerá los iones sodio y cloruro. La sal no se disolverá mucho en alcohol, que es algo polar, debido a que las atracciones polares no son lo suficientemente intensas para vencer la atracción que los iones ejercen entre sí en el cristal.

Aunque el agua es un excelente disolvente para muchas sustancias, hay otras muchas que no se disuelven en ella. No disolverá parafina, benceno, cloroformo u otras sustancias covalentes no polares o poco polares, debido a que en dichas sustancias no hay átomos que contengan cargas positivas o negativas suficientemente intensas para ser atraídas por la molécula dipolar del agua. No disolverá el sulfato de bario (BaSO4), aunque esta sustancia es completamente iónica, debido a que las atracciones entre los iones bario y sulfato, doblemente cargados, son tan grandes que la atracción de las moléculas de agua no puede superarlas.

El ácido sulfúrico y el amoníaco son moléculas covalentes polares. Se disuelven libremente en agua, ya que en presencia de las moléculas polares del agua están ionizadas:

H2SO4 + H2O(l) H+ + HSO4-

HSO4- + H2O(l) H+ + SO4

2-

NH3(g) + H2O(l) NH4+ + OH-

Estas reacciones se invierten rápidamente por ebullición de las disoluciones. En el caso del ácido sulfúrico el agua se evapora; en el caso del amoníaco, es el amoníaco el que se escapa en forma de gas. En estos casos se puede considerar que los procesos de disolución son tanto físicos como químicos.

Cuando el dióxido de carbono se disuelve en agua, una pequeña proporción del mismo reacciona con el disolvente según la ecuación:

CO2(g) + H2O(l) HCO3- + H+

Sin embargo, la mayor parte de las moléculas de CO2 simplemente se entremezclan con las moléculas de agua. La mayoría de los químicos dirían, en este caso, que la disolución es un fenómeno físico. No obstante, cuando se disuelve P4O10 en agua, tiene lugar una reacción que sólo se invierte mediante calefacción vigorosa:

P4O10(s) + 6H2O(l) → 4H3PO4(aq)

Seguramente la mayoría de los químicos no dirían que el P4O10 se “disuelve” en agua, sino que “reacciona” con el agua.

En la reacción del cinc con ácido clorhídrico, el cinc desaparece y se dispersa uniformemente a través del líquido, pero ya no existen átomos de cinc.

Zn(s) + 2HCl(aq) → Zn2+ + 2Cl- + H2(g)

el metal reacciona con el ácido para formar iones cinc y no sería adecuado decir que el cinc se “disuelve” en ácido clorhídrico, sino que el cinc reacciona con el ácido.

En el caso del sodio, se trata de un metal muy electropositivo y de baja energía de ionización, con un gran poder reductor, por lo que tiende a ceder su único electrón de valencia y formar un ión monopositivo, con configuración de gas noble. El sodio es, por lo tanto, muy activo y reacciona con el agua para producir iones sodio, iones oxidrilo e hidrógeno.

2Na(s) + 2H2O(l) → 2Na+(aq) + OH- + H2(g)

La reacción es tan exotérmica que puede transcurrir con violencia explosiva, como resultado de la combustión del hidrógeno.

Reacciona aún más visiblemente con disoluciones de ácidos que con el agua, debido a la mayor concentración de ión hidrógeno de los ácidos.

2Na(s) + 2H+(aq) → 2Na+

(aq) + H2(g)

Por último, la insolubilidad puede producirse si las moléculas de un disolvente líquido están tan fuertemente unidas entre sí que no pueden soltarse para unirse a las moléculas de un soluto potencial. Así, el ácido clorhídrico no se disolverá en ácido fluorhídrico líquido, aunque los dos están estrechamente relacionados en estructura y en propiedades. El fluoruro de hidrógeno está fuertemente unido por enlaces hidrógeno –mucho más de lo que lo está el agua– y las moléculas tienen muy poca tendencia a separarse unas de otras para unirse a las moléculas de cloruro de hidrógeno o a los iones cloruro o hidrógeno.

Hay un antiguo refrán que dice “lo semejante disuelve a lo semejante”, es decir, que las sustancias covalentes disolverán a otras sustancias covalentes y que los disolventes polares disolverán a los solutos polares. Hay mucho de cierto en ello, pero el fenómeno de la solubilidad es más complejo de lo que la regla sugiere. Se deben tener en cuenta no sólo las fuerzas de atracción entre el disolvente y el soluto, sino también las fuerzas de atracción entre los iones y las moléculas del soluto y entre las moléculas del disolvente, los tamaños relativos de los iones y de las moléculas del soluto y entre las moléculas de disolvente, y otros muchos factores.

En la actualidad, desde la perspectiva epistemológica de ambas ciencias (Física y Química), parece innecesario diferenciar entre procesos físicos y químicos, en todo caso se recomienda denominarlos “fisicoquímicos”.

Para resolver el interrogante que podría surgir entre el alumnado –¿reacción química = disolución?–, tomemos como ejemplo la última reacción del sodio con disoluciones acuosas de ácidos:

2Na(s) + 2H+(aq) → 2Na+

(aq) + H2(g)

Una vez finalizada la reacción, ¿qué tenemos?: una mezcla homogénea de iones Na+ y moléculas de H2O. Si adoptamos como referente la definición dada al comienzo, podemos hablar de una disolución. Es decir, que por medio de una reacción química hemos obtenido una disolución.

Desde esta perspectiva, se debería diferenciar entre:

- Disolución: mezcla homogénea.

- Reacción química: en este caso, proceso mediante el que se puede obtener una disolución.

- Solubilidad: término utilizado para indicar un fenómeno que pone en evidencia que un soluto es más o menos soluble que otro en un determinado disolvente.

La secuencia de enseñanza Disoluciones consta de cuatro grandes títulos: mezclas, disoluciones, procesos de disolución, concentración y dilución. A su vez, cada uno de ellos contiene las siguientes secciones: iniciación, desarrollo y aplicación.

Para mostrar la utilidad del conocimiento de los contenidos de dicha secuencia, hemos de tener en cuenta aquéllos que se consideren necesarios para identificar el objeto o fenómeno que se estudia, interpretarlo y aplicarlo.

Del análisis del currículo oficial y de la discusión epistemológica sobre el estado del conocimiento en la comunidad científica, se puede inferir que para identificar una disolución, se la puede considerar como un sistema material o como un proceso (Sánchez Blanco et al., 1997).

Si se la considera como un sistema material, estamos ante una mezcla homogénea que se caracteriza por su concentración y puede clasificarse según determinados criterios (naturaleza de sus componentes, concentración, estado de agregación).

Si se plantea como proceso, tendremos en cuenta:

-la naturaleza del mismo (dispersión; solvatación y reacción química);

-el principio de conservación de la masa,

-la separación de sus componentes,

-la solubilidad, y

-los factores que le afectan (temperatura, presión y superficie de contacto).

Hemos de señalar que, en la secuencia de enseñanza que se presenta, no se abordarán los dos últimos apartados.

Para mostrar la utilidad del conocimiento de los contenidos de la secuencia de enseñanza, hemos de tener en cuenta aquéllos que se consideren necesarios para identificar el objeto o fenómeno que se estudia, interpretarlo y aplicarlo.

¿Qué aspectos del tema se van a trabajar?

Las ideas básicas sobre las que se trabajará son las siguientes:

-La mayoría de los materiales que nos rodean son mezclas: aire, agua de mar, etc.

-También es muy común encontrar disoluciones, por ejemplo, un medicamento, un perfume, muchas aleaciones, etc.

-Cuando usamos el término cotidiano disolver, nos referimos al proceso de la producción de una disolución.

-Las soluciones acuosas son las más comunes.

-El solvente universal es el agua.

-Las sustancias disueltas son solutos.

-A veces es necesario especificar cuantitativamente la composición de las mezclas.

-Diluir una disolución significa reducir su concentración.

TAREA 2. DETERMINACIÓN DE LA PROBLEMÁTICA DEL APRENDIZAJE

La enseñanza de la Química en la Educación Secundaria es útil para reconocer la presencia de los fenómenos químicos, interpretarlos, tomar conciencia de su implicación en la vida cotidiana e, incluso, para admitirla como una ciencia atractiva y motivadora.

Se tiene en cuenta la especial importancia que reviste actualmente la Química por el rol que cumple en la concienciación de los estudiantes sobre los problemas globales del ambiente y la acción que en consecuencia se debe seguir. Pero es necesario destacar que estos temas trascienden su tratamiento desde esta ciencia, ya que es fundamental la mirada desde las Ciencias Sociales. Esta visión multidisciplinar facilita una interpretación más aproximada de la realidad.

En la comunicación para enseñar ciencia tienen un papel esencial tres aspectos: el sentido emocional, la estructura cognitiva y la estructura lingüística. Pero con frecuencia, los términos empleados son tan ajenos a los estudiantes que les cuesta trabajo utilizarlos en aplicaciones prácticas, como son la resolución de problemas o la comprensión de otras propiedades más complejas (Borsese, 2003). En consecuencia, además de motivar al alumno para el aprendizaje de la Química, éste debe entender la materia, pues le gustará más y la aprenderá más significativamente.

(http://quim.iqi.etsii.upm.es/vidacotidiana/Etimologia.htm)

Además, se debe señalar que si en la enseñanza de los distintos conceptos o teorías está presente la especificación histórica del desarrollo de los mismos, se favorece que el alumno interprete el carácter provisional de la ciencia.

La existencia de diferentes tipos de inteligencia, y de distintas estrategias de aprendizaje y de enseñanza, puestas de manifiesto por la investigación (Gardner, 2003), nos indica que hemos de dejar de insistir en que todos los alumnos aprenden de la misma forma. La misma asignatura se puede presentar de formas muy diversas que permitan a los estudiantes asimilarla partiendo de sus capacidades y aprovechando sus propios conocimientos.

A este respecto, se ha de tener en cuenta además, a la hora de diseñar la secuencia de enseñanza, la progresiva maduración psicológica de los alumnos, lo que implica el tratamiento inicial de conceptos más concretos, para luego abordar los más abstractos. La construcción de analogías, no sólo en la explicación de profesor sino también como un proceso interno y activo del alumno, es un recurso idóneo para mejorar la comprensión de los contenidos y el desarrollo de procedimientos y actitudes científicas en los estudiantes (Oliva, 2004), pero que implica la existencia de determinadas capacidades cognitivas en los mismos.

Desde esta perspectiva, resulta interesante tener en cuenta que el marco científico-conceptual puede ser más accesible para los alumnos si se introduce desde las dimensiones científica, técnica y social, a través de situaciones reales que recojan aspectos cercanos a su entorno cotidiano. Temas que estén estrechamente ligados a sus inquietudes, de tal manera que los alumnos aprendan a pensar científicamente sobre su contexto y los problemas que se estudien sean sentidos como propios y no como los de la clase de Química. El objetivo de la Química en la Educación Media va más allá de la apropiación de un conjunto de conceptos fundamentales propios de la disciplina, para la explicación de fenómenos, procesos y su relación con el avance tecnológico. Se deben desarrollar los contenidos de modo que se favorezca la formación de individuos que se sientan parte de la naturaleza y que valoren la vida en todas sus formas y la preserven.

De este modo, la disciplina de la Química tiene como finalidad la formación de jóvenes científicamente alfabetizados, que desarrollen actitudes de responsabilidad, respeto y solidaridad con sus pares, así como capacidades para utilizar sus conocimientos en la toma de decisiones en su vida cotidiana, en la inserción en el campo laboral o en el acceso a estudios superiores.

¿Qué ideas tienen los alumnos sobre el tema?

Las ideas previas y el conocimiento empírico que los estudiantes tienen acerca de los fenómenos forman parte de su experiencia de vida y deben ser considerados componentes fundamentales de la conducta cognoscitiva inicial, sobre la cual los alumnos empezarán a estructurar los conceptos científicos más complejos. De ello se desprende la necesidad de indagar qué conocimientos previos tienen alumnos sobre los contenidos que se vayan a abordar, ya que, muchas veces, dichos conocimientos son erróneos y muy difíciles de desarraigar. Es conveniente provocar situaciones de desequilibrio en las que los estudiantes se cuestionen sus preconceptos, verbigracia, contrastando sus hipótesis alternativas, ampliando su campo de experiencias, de suerte que quede en evidencia la insuficiencia de los mismos para explicar los hechos. Algunas ideas sobre el tema, que van a constituir verdaderos obstáculos en el aprendizaje son:

-Que toda solución es una mezcla homogénea (una fase). -Que la mayoría de las disoluciones son líquidas.

-Que las reacciones que ocurren en la atmósfera (solución gaseosa) se vinculan con los problemas ambientales. -Que las aleaciones (soluciones sólidas) son importantes en la industria y avances tecnológicos. -Que las soluciones diluidas tienen más cantidad de solvente.

Al estudiar los problemas que aparecen en la resolución de problemas de concentración de disoluciones, debemos tener en cuenta, en primer lugar, las dificultades conceptuales. Los alumnos necesitan comprender previamente los fenómenos que tienen lugar en una disolución y las ideas y conceptos relacionados con ellos (soluto, solvente, y concentración).

Uno de los errores que suelen aparecer en la resolución de problemas de disoluciones es la utilización incorrecta del concepto de concentración. Así, nos encontramos con que la concentración de una disolución es función de dos variables, directamente proporcional a una, la cantidad de sustancia, e inversamente proporcional a la otra, el volumen de la disolución. Esta doble dependencia será, a la hora de evaluar las concentraciones, responsable de los errores y dificultades que aparecen en la resolución de los problemas de disoluciones (Pozo et al., 1991). Desde una perspectiva metodológica se deben, entre otras cosas, plantear situaciones en las que los alumnos identifiquen sus ideas, se impliquen en la construcción del conocimiento y vean la utilidad de lo que aprenden (Sánchez Blanco, 1997). Desde nuestro punto de vista, el fenómeno de disolución es un tema interesante y necesario no sólo durante el polimodal y la escuela secundaria sino también en las carreras de grado universitario relacionadas con la química y en el futuro ejercicio profesional.

Las dificultades de los alumnos podrían explicarse desde sus nociones sobre la continuidad y discontinuidad de la materia. Por ello algunos autores (Gabel et al., 1987) proponen que se utilicen estrategias de enseñanza en las que se describa la disolución por medio de diagramas de partículas.

Existen muchos trabajos sobre la utilización del modelo corpuscular de la materia que cubren distintos temas, de los cuales podemos mencionar, como ejemplos, los de Gabel, Samuel y Hunn (1987); Domínguez (1998), Furió y Furió (2000); Gómez Crespo, Pozo, y Gutiérrez Julián (2004); Williamson, Huffman y Peck (2004) y Gómez Crespo (2005).

Entre las dificultades para aprender química está justamente la comprensión del modelo corpuscular de la materia, que conlleva ideas contraintuitivas, tales como la del vacío, frente a la apariencia continua y generalmente estática con que la percibimos (Pozo y Gómez Crespo, 1998).

Por su parte, Pozo y Gómez Crespo (1998) afirman que los alumnos utilizan muy poco el modelo corpuscular en sus interpretaciones y, cuando lo hacen, inducidos por la situación, asignan a las partículas las propiedades del mundo que los rodea.

Desde nuestra experiencia como profesores, podemos encontrar diferentes dificultades e ideas preexistentes en los estudiantes de educación secundaria.

Les resulta difícil reconocer una disolución cuando queda sólido sin disolver, o bien en las disoluciones líquido-líquido, gas-gas. Aparecen problemas entre conceptos como mezcla heterogénea −disolución saturada, insaturada− disolución diluida y concentrada. Las propiedades y algunos datos empíricos, tales como la densidad, suelen asignarse a uno de los componentes (soluto o disolvente) pero no al conjunto.

En muchos casos consideran que la disolución siempre va acompañada por una transformación química y, relacionada con este punto, la imposibilidad de separar sus componentes.

Al representar una disolución, el modelo adquiere, por lo general, una forma continua para el disolvente y corpuscular para el soluto. También puede ocurrir que no utilicen adecuadamente el espacio en la distribución de las partículas, teniendo en cuenta las características de los estados de agregación de los componentes, error que muchas veces aparece reforzado desde la literatura disponible para el alumno.

TAREA 3. SELECCIÓN , FORMULACIÓN Y SECUENCIACIÓN DE OBJETIVOS .

De los análisis anteriores se infieren los objetivos que se han de tener en cuenta en la secuencia de actividades y en su diseño. De acuerdo con ello, consideramos que los alumnos deben:

-Definir el concepto de disolución como una mezcla homogénea.

-Reconocer sus componentes.

-Identificar las diferentes clasificaciones.

-Definir, observar y argumentar la disolución como un proceso físico-químico.

-Interpretar el término concentración.

-Expresar la concentración en sus diferentes formas.

-Calcular con ejemplos distintas concentraciones.

-Distinguir la concentración de una solución madre y de la hija.

-Determinar el volumen de la solución madre necesaria para preparar una solución diluida de una concentración determinada.

TAREA IV. SELECCIÓN DE ESTRATEGIAS DE INSTRUCCIÓN Y SECUENCIA DE

ACTIVIDADES

Es difícil enseñar Química porque nuestro mundo es macroscópico y para los estudiantes resulta complejo entender cosas que no ven directamente. Hacer un cambio de lo macroscópico a lo microscópico requiere mucha capacidad de abstracción, luego, se deben emplear modelos, pero también aprender que estos no son la realidad, son sólo una de las maneras de explicarla.

El docente, teniendo presentes los objetivos propuestos para la disciplina y los contenidos sugeridos, podrá analizar la forma más pertinente de reorganizar los mismos y seleccionará las estrategias didácticas convenientes. Por supuesto, deberá adecuarlos al nivel, al perfil de los alumnos, a los recursos, a la carga horaria, al contexto y a la modalidad. Para ello se recomienda no perder de vista algunos aspectos como el desarrollo intelectual de sus alumnos; hábitos, costumbres y necesidades locales; materiales utilizados y/o producidos en la zona; problemáticas ambientales que afectan a la región y la lógica interna de la disciplina.

En general, se está de acuerdo en considerar la adolescencia como un período de crisis; desde una visión positiva, dicha crisis posibilita el crecimiento. Sin ella no habría desequilibrios que inciten a la movilidad, a la búsqueda y al crecimiento. Cierta falta de autonomía en el desempeño escolar pudiera repercutir en un menor rendimiento, por lo

tanto proponemos fomentar actividades autónomas responsables que ayuden al crecimiento en esta etapa. (Falicoff et al., 2004).

Con estas ideas creemos que la posibilidad de enseñar se centra en el papel mediador y facilitador que tiene el docente en el proceso de aprendizaje de los alumnos, y en su carácter de agente cultural del entorno social en el que desarrolla su profesión. Además el carácter del tema seleccionado permitirá al profesor desarrollar diversas estrategias didácticas para favorecer que los alumnos adquieran los conocimientos.

Con el fin de acompañar a los docentes en el momento de proyectar el currículo de aula, se mencionan algunos aspectos dignos de ser tenidos en cuenta para el desarrollo de estrategias didácticas y la organización de los contenidos:

Tradicionalmente las actividades de aula se limitan a la resolución de problemas, sin haber conceptualizado lo que es una solución a nivel macroscópico, microscópico y menos aún analizado el concepto desde el significado de los símbolos.

Es conveniente que el tratamiento de los conceptos implique un acercamiento a la metodología científica, con un estudio inicial cualitativo (exploración macroscópica, microscópica y su integración), una elaboración de anticipaciones, un posterior desarrollo cuantitativo si correspondiera, la realización de la experiencia y, por último, un análisis de los resultados. En este sentido, es imprescindible valorar tanto el problema y la solución química como la matemática, evitando que los alumnos se apropien únicamente del dato numérico y exigiendo un razonamiento químico en los términos de las teorías o modelos utilizados. En este sentido, se sugiere proponer actividades que tengan en cuenta la jerarquía de contenidos, partiendo de conceptos generales que el alumno ya conoce hasta llegar a los más específicos. Por ejemplo, partir de las propiedades macroscópicas de materiales o sustancias conocidas por los alumnos y buscar la explicación en el ordenamiento interno de las partículas. Es decir, plantear los modelos explicativos corpuscular y atómico-molecular, después de observar las características de la materia y su diversidad. (García Barros y García Legaz, 2007). Nuestro planteamiento consiste en introducir secuencias de actividades que promuevan la interrelación de experiencias, prácticas, procesos de reflexión sobre las mismas y su interpretación teórica. Se parte de una realidad observable –y posteriormente se guía al alumnado para que desarrolle la interpretación correspondiente– y de otras situaciones conocidas, utilizando modelos explicativos cada vez más adecuados y de complejidad creciente. En las fases tempranas de aprendizaje de la química los alumnos se enfrentan con la introducción simultánea de sustancias poco familiares, la descripción de ellas en términos moleculares y la representación de las mismas por medio de símbolos y fórmulas. Esta complejidad, debido a la propia naturaleza de la materia, se ha de abordar desde los tres niveles conceptuales de la química (Johnstone, 1982). Por ello formulamos una serie de actividades que contemplan los niveles macroscópico, microscópico y simbólico (figura 1).

Figura 1

A su vez, en cada una de ellas, proponemos que los alumnos: piensen, observen, expliquen y transfieran el conocimiento adquirido. De modo tal que nosotros, como docentes, exploremos, indaguemos (estructurando y reestructurando las ideas/conceptos de los alumnos), desarrollemos y fomentemos la aplicación.

A continuación, presentamos un esquema conceptual con las principales relaciones que se pueden establecer entre ellos, y la secuencia de enseñanza constituida por un conjunto de actividades de aprendizaje elaboradas como sugerencias para el profesor.

Esquema conceptual sobre disolución

1.- MEZCLAS. CLASIFICACIÓN 1.1.- Actividades de iniciación.

Analiza cuáles de estos sistemas materiales de la vida cotidiana son sustancias

puras y cuáles no.

a) líquidos limpiadores e) agua mineral

b) sal de mesa f) aspirina

c) tintura de yodo g) azúcar

d) orina h) aire

Nota a la actividad 1.1.1

Se recomienda comenzar la actividad con una fase de exploración de las ideas previas de los alumnos sobre la clasificación de los sistemas materiales. El docente puede ayudar retomando los conceptos de sistema material, por ejemplo:

El bienestar de los seres humanos depende, en gran medida, de los materiales que emplea para fabricar su vestimenta, su vivienda, conservar los alimentos, curarse, etc. La complejidad que presenta la materia hace necesario que su estudio se realice por partes. Cada una de estas partes ocupa un lugar en el espacio y tiene masa, por ello se denomina sistema material.

Se ha clasificado la diversidad de sistemas materiales que existen en dos grandes grupos: mezclas y sustancias.

Con esta actividad se pretende que los alumnos clasifiquen en dichas categorías elementos que le son familiares. Se debe reforzar aquí el concepto de que las sustancias tienen una composición atómica fija, mientras que en las mezclas la proporción de los distintos componentes es variable; algunas mezclas pueden ser reconocidas como tales a simple vista constituyendo las distintas fases, en tanto que en otras no. Por otra parte, los docentes podrán observar qué grado de abstracción alcanzan los alumnos sobre la composición de la materia.

1.2.- Actividades de desarrollo.

1.2.1.- a) Expresa con tus palabras el concepto de mezcla. Discute con tus

compañeros las diferencias entre mezcla y sustancia.

b) ¿Todas las mezclas son iguales? Clasifícalas. Piensa en algún

procedimiento que te permita recuperar los componentes de una mezcla.

c) Expresa con tus palabras el concepto de disolución. ¿Cuál es la relación de

las disoluciones con las mezclas?

1.2.2.- Marca con una cruz aquellos sistemas materiales que podrías clasificar como

disolución:

a) perfumes

b) jugos de fruta

c) piezas o herramientas metálicas

d) soda

e) leche

f) gas natural

g) atmósfera

Trata de representar gráficamente, utilizando el modelo de partículas, la

estructura interna de los ejemplos de materiales a (perfume), c (pieza o

herramienta metálica) y g (atmósfera). Luego compara con tus compañeros los

dibujos realizados.

Nota a las actividades 1.2.1 y 1.2.2

Los sistemas materiales son innumerables, forman parte de nuestra vida y muchos de ellos están en permanente evolución gracias a los avances tecnológicos.

La mayoría no son elementos puros ni “sustancias” en el sentido químico del término, sino mezclas de sustancias más simples. Podemos citar, por ejemplo, el aire, el vino, las

aleaciones, la savia, el gas natural, etc. El hombre ha desarrollado estrategias que le han permitido separar sus componentes y conocer sus propiedades para poder utilizarlas.

El docente podrá trabajar aquí los conceptos de mezclas heterogéneas, homogéneas e inhomogéneas. Los ejemplos proporcionados brindarán a los estudiantes la posibilidad de relacionar los aspectos macroscópicos de mezclas homogéneas en los tres estados de agregación y cómo algunos sistemas materiales que pueden parecer mezclas homogéneas, en realidad, no lo son (leche, jugos, atmósfera).

Se puede volver a la actividad 1.1.1 y aclarar que el aire, para que pueda ser considerado una mezcla homogénea, debería estar filtrado y seco (a los efectos de separar partículas en suspensión y vapor de agua). La atmósfera es un ejemplo típico de mezcla inhomogénea, ya que es un sistema cuyas propiedades físicas y químicas van variando gradualmente sin presentar superficies de discontinuidad. Se podría relacionar aquí con las ciencias sociales explicando, por ejemplo, por qué en la altura la amplitud térmica es mayor. El aire, al contener menos partículas en suspensión, no retiene tanto el calor del sol como a nivel del mar, donde la amplitud térmica es menor. Otro ejemplo de este tipo es el océano.

Los docentes podrán realizar aquí un esquema síntesis de las técnicas más sencillas de separación de los componentes de las mezclas tanto homogéneas como heterogéneas.

La representación en papel permitirá al docente comprobar si los alumnos recurren espontáneamente al modelo de partículas; de no ser así, podrá retomar el modelo corpuscular y cinético molecular y, al aplicarlo, facilitar la comprensión del tema.

Figura 1. a) El aire es una mezcla de gases que incluye entre otros a los aquí

representados: nitrógeno, oxígeno y argón. b) El perfume es una mezcla alcohólica de esencias (notas). c) Las aleaciones son una mezcla homogénea de metales.

1.3.- Actividades de aplicación.

Para pensar:

1.3.1. a) ¿Qué hay en un detergente? ¿Es una mezcla homogénea o heterogénea?

¿Por qué?

b) Seguramente has visto conservar sustancias en hielo seco y habrás notado que

al abrir el recipiente se desprenden humos blancos. ¿Este sistema es homogéneo o

heterogéneo? ¿Por qué?


Ambas son mezclas heterogéneas.

Los detergentes son mezclas de muchas sustancias, el componente activo de un detergente es similar al de un jabón. Para mayor información, véase: http://ciencianet.com/detergente.html

En el segundo ejemplo se plantea la situación de una única sustancia, el dióxido de carbono, que en el hielo seco está en estado sólido y sublima (humos blancos). Por lo tanto, la heterogeneidad viene dada por los diferentes estados de agregación. 1.3.2.- En un riachuelo de agua cristalina, en absoluto contaminado, viven peces.

¿De dónde obtienen el oxígeno para respirar?


En las aguas superficiales, se disuelven componentes del aire atmosférico como el oxígeno y el nitrógeno. Este proceso se facilita cuando el agua corre o cae en cascada. Al pasar grandes cantidades de líquido por las branquias de los peces, estos pueden tomar el oxígeno necesario para vivir. 1.3.3.- Realiza una cromatografía en papel para separar los componentes de un

colorante de alimentos de color verde.

Nota 1.3.3.-

La cromatografía en papel es una técnica sencilla que permite separar los componentes de una muestra y, en su caso, identificarlos (siempre que se conozcan los Rf de sustancias patrones). Los componentes de la mezcla se unen a la fase móvil (el solvente) y se separan sobre la fase fija (el soporte).

Procedimiento: (Adaptado de Atkins y Jones, 2006)

1. Recorta un círculo de papel de filtro seco de un diámetro mayor al de la boca de un frasco que servirá como soporte.

2. Coloca en el centro del papel una gota de colorante de alimentos de color verde.

3. Vierte luego unas gotas de alcohol sobre el centro de papel.

4. Deja que el solvente difunda hacia los extremos del papel; cuando el frente de solvente llegue a un centímetro del borde, retira el papel y ponlo a secar a temperatura ambiente o en estufa a 25ºC.

5. Analiza lo que sucedió.

6. ¿Qué nombre recibe el papel de filtro seco luego de la difusión?

Nota: A continuación, en la figura 2, pueden observarse las diferentes etapas de la difusión.

Figura 2: a) Punto de siembra del colorante vegetal en el centro del papel de filtro.

b) Al agregar el solvente (fase móvil), comienza a difundirse la mezcla hacia el borde del papel de filtro.

c) Se ha completado la separación de los componentes del colorante.

Los docentes podrán optar por la realización de la experiencia disponible en: http://ciencianet.com/cromatografia.html 1.3.4.- En la siguiente técnica, encontrarás varios métodos de separación de componentes en una mezcla. Identifícalos. Trata de definirlos con tus palabras. (Adaptado de Aristegui et al., 2002) Obtención de un extracto de aceite de nueces 1. Coloca 12 nueces peladas en un mortero. 2. Agrégales 20 mL de acetona o metanol. 3. Muele las nueces en el solvente lo más finamente posible, durante 5 minutos por lo menos. 4. Pasa el líquido a un tubo de ensayo y fíltralo, con ayuda de un embudo y papel de filtro, vertiéndolo en un vaso de precipitados. 5. Coloca ahora el vaso de precipitados en un recipiente con agua caliente y deja que se evapore el solvente. En el recipiente solo quedará el aceite. Si tienes una guitarra o una raqueta, frota las cuerdas con este aceite cuando estén poco tensas o flojas. Observa lo que sucede y trata de explicarlo detalladamente. Nota: Los métodos empleados en esta experiencia son: filtración, extracción y evaporación. 2.- DISOLUCIONES 2.1.- Actividades de iniciación. 2.1.1. Lee el siguiente texto:

La química en la historia: El agua de Seltz

(Dal Fávero, et al., 2001)

Un químico y teólogo inglés, llamado Joseph Priestley, hacia 1760 se hizo cargo de una parroquia en Leeds, junto a una cervecería. La fermentación de la cebada liberaba gran cantidad de dióxido de carbono que luego empleaba para sus experimentos. Al recogerlo en agua observó que una parte se disolvía y le daba a ésta un sabor agradable ligeramente ácido. Había obtenido lo que se llamó agua de Seltz o agua soda. En 1821 el agua de Seltz hizo su aparición en el mercado, mezclada con aceites aromáticos, esencias de frutas, azúcar y especias para darle sabor. Durante los siguientes ochenta años, estos refrescos se hicieron muy populares; con el paso de los años, se transformarían en las gaseosas de la actualidad.

Reflexiona y responde: ¿Qué relación encuentras entre el texto y el tema que estamos estudiando? ¿Qué entiendes por disolución? Identifica en el texto los componentes de una disolución. Para pensar: ¿Todas las disoluciones son líquidas? ¿Qué otros tipos de disoluciones conoces? ¿Cómo se llama la disolución en la que los componentes son metales? Busca ejemplos.


Si miramos a nuestro alrededor, podremos enumerar una cantidad de mezclas que influyen en la vida de los seres vivos y del ambiente. Cuando en una mezcla los materiales que la componen no pueden distinguirse ni siquiera con el microscopio, estamos en presencia de una mezcla homogénea o disolución.

El término cotidiano disolver del griego Lysis ´disolución en el sentido de rotura´, ´destrucción´, (http://www.uv.es/~jaguilar/historias/etimol.html; 29/05/07) remite al proceso de producción de una disolución.

2.2.- Actividades de desarrollo. 2.2.1. Las propiedades de las disoluciones dependen de sus componentes y de la proporción relativa de cada uno de ellos. ¿A qué llamamos soluto y a qué solvente? ¿Cuál es el solvente más difundido en la naturaleza? ¿Por qué se llama al agua solvente universal? 2.2.2. Para las siguientes disoluciones, indica cuál es el soluto y cuál el solvente: a) Alcohol absoluto b) Oro 14 K (véase en: http://ciencianet.com/au.html) c) Cloruro de sodio al 37% m/v (solución fisiológica) d) Agua oxigenada al 5% e) Una moneda f) Agua de mesa

Nota a las actividades 2.2.1 y 2.2.2

Las disoluciones pueden ser líquidas, sólidas o gaseosas. En ellas se percibe una sola fase donde el material que se encuentra en mayor proporción se denomina solvente y el que se halla en menor proporción, soluto. Esto resulta fácil de comprender cuando se trata de la disolución de un sólido en un líquido. Cuando se disuelve un líquido en otro, el solvente será el que se encuentra en mayor proporción; así, en el alcohol absoluto, el solvente es el etanol y el soluto el agua, recordemos que el alcohol forma un azeótropo con el agua y, aunque lo destilemos, es imposible lograr alcohol 100%. Generalmente el solvente determina el estado físico de la disolución.

Cuando se quiere enfatizar el papel de una de las sustancias como aquella en la cual los otros componentes están disueltos, podemos identificar esa sustancia como el solvente. Por ejemplo, cuando hidratamos un principio activo de un medicamento, éste puede estar en mayor proporción, pero el agua se considera el solvente.

Con estas actividades se pretende que los alumnos identifiquen los distintos componentes de una disolución, que los clasifiquen de acuerdo a su proporción relativa en solutos y solventes. Al incluir ejemplos de soluciones metálicas, se trata de modificar el conocimiento común de que todas las disoluciones son líquidas.

Si pudiésemos ver una disolución a nivel microscópico notaríamos una imagen similar a la de la figura 3, donde las partículas del soluto están íntimamente mezcladas con las del solvente. Para que este proceso tenga lugar, se deben modificar las interacciones entre las partículas tanto del soluto como del solvente

Figura 3: Los componentes de una disolución: soluto y solvente. La imagen de la izquierda muestra cómo los componentes están íntimamente mezclados.

El agua disuelve muchas sustancias tanto orgánicas como inorgánicas. El elevado poder disolvente del agua se atribuye a la polaridad de la molécula, sobre todo en el caso de moléculas iónicas o polares. Estas sustancias se denominan hidrofílicas (del griego hydro, ´agua´ y philos, ´amante de´). En el caso de las sustancias iónicas, el proceso de disolución se conoce como solvatación (lo analizaremos en detalle más adelante). La solubilidad de algunas macromoléculas y sustancias polares se debe a la presencia de grupos funcionales capaces de formar puentes de hidrógeno con el agua. Por otra parte, las sustancias no polares, hidrofóbicas (del griego fobos, ´temor´) no son solubles en agua, pero sí en compuestos no polares como, por ejemplo, el sulfuro de carbono o el tetracloruro de carbono. De ahí la frase: “Lo similar disuelve lo similar”.

La mayoría de las soluciones que conocemos, y que inciden en los procesos biológicos y en la vida cotidiana, son acuosas. Sin embargo, existen otras, donde el solvente es “ no acuoso” . Por ejemplo, el tetracloroeteno, un solvente orgánico empleado en la limpieza en seco, es capaz de “disolver” las grasas y suciedad de las telas. 2.3.- Actividades de aplicación.

Tenemos una botella de bebida gaseosa cerrada, la abrimos y nos servimos un vaso. ¿Por qué aparecen las burbujas? ¿Qué diferencia hay entre la gaseosa que está en la botella cerrada y la del vaso? (Adaptado de García Barros, S. et al., 2006)

Nota:

La gaseosa contenida en la botella es una mezcla homogénea de varios componentes, entre ellos un gas. Cuando se abre, el sistema se modifica y pasa a ser heterogéneo. Al abrir la botella, la presión del sistema disminuye, lo cual influye sobre la solubilidad del dióxido de carbono que se encuentra disuelto en la bebida (disminuye) y esto provoca un burbujeo más intenso cuando la servimos en el vaso. Si se desea, se puede trabajar también aquí el modelo de representación microscópica. 3.- EL PROCESO DE DISOLUCIÓN 3.1.- Actividades de iniciación.

Jugando “a ver” las partículas en una disolución. 3.1.1.- Realiza la siguiente experiencia: Agrega una cucharadita de glucosa, un azúcar que se encuentra en las frutas y la miel (para saber más: http://es.wikipedia.org/wiki/Glucosa), a un vaso de precipitado que contiene agua. Observa qué ocurre, descríbelo e intenta explicarlo con tus palabras. Posteriormente, repite la experiencia con sal de mesa. Describe lo que ocurre y explícalo detalladamente. 3.1.2. Repite las experiencias anteriores, pero empleando ahora en un caso gotas de un colorante del que dispongas en el laboratorio y en el otro, cristales de una sal coloreada, por ejemplo, sulfato de hierro (II), (sal de color verde que se emplea en jardinería para favorecer el crecimiento de los jazmines). 3.1.3.- Con bolitas o clips de diferentes colores trata de representar lo que has observado en las actividades anteriores. Luego, en el papel, haz un bosquejo que lo represente. Sugerencia: usa bolitas o clips de igual color para representar el agua y de diferentes colores para las sustancias que vas a disolver. Si tienes dudas sobre la composición de las sustancias empleadas, consulta con el profesor.

Nota a las actividades:

Cuando agregamos glucosa o sal en un poco de agua, podemos notar cómo el sólido se va disolviendo en el seno del líquido hasta que dejamos de percibirlo como tal para luego observar sólo el recipiente que contiene una solución incolora. El sólido “ha desaparecido”, sin embargo, podríamos notar su presencia si probásemos la solución. Las partículas del soluto se disponen uniformemente entre las de agua, sin reaccionar entre sí. Antes y después de preparar la solución, las sustancias son las mismas.

Los ejemplos permitirán al docente trabajar con dos tipos de sustancias que, al disolverse, presentan características diferentes. Cuando se trata de una sustancia iónica, los iones que la constituyen se separan y se distribuyen uniformemente en el agua. En el caso de sustancias moleculares, como la glucosa o el colorante, es la misma molécula la que se dispersa en el solvente.

Se reitera la actividad, pero ahora con sustancias coloreadas para que los alumnos puedan visualizar el proceso por el cual las partículas se van distribuyendo en el seno del líquido. Al comienzo, la solución se colorea alrededor de los cristales o de las gotas de colorante pero luego el color se va difundiendo en todo el volumen.

La última actividad permite trabajar los sistemas por analogías con elementos concretos de forma tal que favorezca los procesos mentales de comprensión del fenómeno. Empleamos elementos concretos para visualizar (nivel macroscópico) lo que ocurre a nivel microscópico y posteriormente, realizar la transposición didáctica a la representación microscópica.

Es importante aclarar a los alumnos el modelo de representación microscópica para los distintos átomos y/o moléculas. Así, una sal está constituida por aniones y cationes, que en el cristal se encuentran formando una red y, que al pasar a la disolución se separan en sus iones. En el caso de las sustancias moleculares, éstas se disuelven en forma molecular, salvo el caso particular de los ácidos que dan origen a los iones en solución acuosa. 3.2.- Actividades de DESARROLLO 3.2.1.- ¿Cómo ocurre la disolución de una sustancia en otra? Recuerda qué pasó cuando realizaste la actividad 2.1.2. (¡NO HAY NINGUNA ACTIVIDAD NUMERADA ASÍ INDICAR A CUÁL SE REFIERE Y NUMERARLA EN LA ACTIVIDAD CORRESPONDIENTE ¿Cómo pudo colorearse toda el agua? 3.2.2.- Coloca un clavo de hierro en un vaso con agua. ¿Puedes notar algún cambio en el líquido en un período corto de tiempo? Analiza la experiencia con tus compañeros y responde la siguiente pregunta: ¿Todas las sustancias pueden distribuirse en el seno de otra para formar una disolución? ¿Por qué? 3.2.3.- Busca en el laboratorio un cristalizador grande, coloca agua hasta la mitad y unas gotas de fenolftaleína. Agrega ahora un trocito de sodio o potasio. Trabaja con mucho cuidado y emplea elementos de seguridad. Observa lo que ocurre. ¿DADA LA REACTIVIDAD DEL SODIO, ¿NO SERÍA MEJOR QUE REALIZARA LA ACTIVIDAD EL PROFESOR?

Nota a las actividades 3.2.1; 3.2.2 y 3.2.3

Con estas actividades se pretende que los alumnos comprendan que en el proceso de formar una disolución las partículas del soluto deben mezclarse íntimamente con las del solvente. Este proceso está determinado no sólo por las características individuales del soluto y el solvente sino también por las diferentes interacciones entre los componentes de la solución. Se puede plantear a los alumnos por qué el agua moja algunos tejidos y no otros, por qué el agua disuelve la sal, el azúcar, el alcohol pero no el aceite. También

se debe tener presente, en el momento de las explicaciones, la teoría cinético-molecular para explicar las características de cada estado de agregación.

En definitiva, el proceso de solubilización de una sustancia en otra depende de las fuerzas de atracción de las partículas del solvente entre sí, de las del soluto entre sí y de las que puedan existir entre las partículas del soluto y las del disolvente. (Chandías, D. O. T. de et al., 2001).

Los procesos que conducen a la obtención de una disolución pueden dividirse en tres grandes grupos: simple dispersión, solvatación y disolución por reacción química.

La disolución de la glucosa responde al modelo de dispersión, la de la sal de mesa (cloruro de sodio), al de solvatación y, en la actividad 3.2.3, tenemos el caso de disolución por reacción química. Las explicaciones a nivel microscópico:

• Simple dispersión: Cuando disolvemos glucosa en agua, ésta se dispersa dentro del agua. De esta manera el soluto es la fase dispersa y el solvente, la dispersante. Son ejemplos de este proceso: las mezclas de gases y la disolución de azufre en sulfuro de carbono (Odetti, H. S. et al., 2006).

En la figura 4 se puede ver cómo las moléculas de agua interaccionan con la glucosa facilitando su disolución.

Figura 4: las líneas de puntos indican la interacción de las moléculas de agua con la glucosa.

• Solvatación: La sal de mesa (cloruro de sodio), está formada por cationes Na+ y

aniones Cl-. Cuando la sal se sumerge en el agua, los iones situados en la superficie del cristal son atraídos por las moléculas del solvente, lo que supone la ruptura de los enlaces de la red cristalina y la consiguiente disgregación de sus componentes en el seno del líquido, (Odetti, H. S. et al., 2006), formando agregados como los que pueden observarse en la figura 5:

Figura 5: representación del proceso de solvatación Sugerencia: puedes ver el proceso en esta animación: http://www.fortunecity.com/campus/dawson/196/solvatacion.htm (01/06/07)

Reacción química: Cuando agregamos una pequeña cantidad de sodio al agua (Figura 6), tiene lugar una violenta reacción. Se forma gas hidrógeno e hidróxido de sodio; el calor liberado en la reacción es suficiente para fundir el sodio que aún no ha reaccionado en forma de esfera. La solución que contiene fenolftaleína vira al rosado, por la aparición de iones hidroxilo. La disolución del metal se produce, pero a través de una reacción química. A continuación mostramos un esquema microscópico del proceso (Atkins, 2006).

Figura 6: representación macro, micro y simbólica de la reacción química del sodio en agua. A nivel simbólico: Los procesos antes descritos también pueden expresarse simbólicamente:

C6H12O11 (s) → C6H12O11 (aq)

NaCl (s) → Na +(aq) + Cl –(aq)

Na (s) + H2O → Na +(aq) + OH

–(aq) + H2 (g)

3.3.- Actividades de APLICACIÓN

3.3.1 Si ahora mezclamos en una taza 100g de agua con 40g de café soluble y

agitamos hasta que se disuelve totalmente, obtenemos una solución de color oscuro.

A. Dibuja la situación planteada a nivel macroscópico.

B. Realiza un esquema a nivel microscópico que represente lo que sucede al realizar

la mezcla.

C. ¿Qué ocurre con el café? Señala con una cruz la/s opción/es correcta/s:

a) Reacciona con el agua para formar una nueva sustancia que le da sabor a

café.

b) Se ha transformado en una nueva sustancia al pasar al estado líquido.

c) Mantiene su identidad pero se disuelve en el líquido.

d) Desaparece en el agua.

e) Está presente pero ahora en menor cantidad.

f) Está presente pero ahora en mayor cantidad.

Justifica tus respuestas.

Si quieres saber cómo se fabrica el café soluble puedes consultar en:

http://www.uv.es/~jaguilar/curioso/csolubl.html (24/05/07)

3.3.2.- Para observar una solución y razonar sobre ella, vamos a hacer una

experiencia con agua coloreada. Disolveremos en un recipiente de 250 cm³ una

pequeña cantidad de permanganato de potasio, una sal muy usada en los

laboratorios químicos, en agua. Agitaremos hasta que toda la sustancia haya

“desaparecido” y no quede nada de sólido en el fondo.

a) ¿El recipiente que contiene la solución pesará ahora más que antes de

haberle agregado el permanganato de potasio?

b) Dibuja cómo puede ser el sistema antes y después de haber disuelto las

partículas de sólido. ¿Ha cambiado su número?

c) ¿Cambió su masa?

Tomado de Chandías et al., (2001), pág. 97.

3.3.3.- Para realizar en grupo:

a- Imagina que preparamos salmuera; para ello disolvemos 200 g de sal gruesa en

1000 g de agua. ¿Cuál será la masa resultante?

a) 1000 g ---------------------------

b) entre 1000 g y 1200 g ----------

c) menos de 1000 g ---------------

d) 1200 g ---------------------------

e) más de 1200 g -----------------

Al responder argumenta tu opinión. Si en el equipo no se llega a acuerdos, se

anotarán los argumentos a favor y en contra de las diferentes posturas.

b) Diseña una experiencia que permita comprobar si estás o no en lo cierto. Piensa

en una o varias experiencias y pide al profesor el material que necesites.

Material para cada equipo: Sal gruesa y elementos de laboratorio.

c) Compara tu respuesta anterior con el resultado experimental.

d) Trata de explicar este resultado en función de la estructura microscópica de la

sal y del agua utilizando el modelo corpuscular.

e) Discute los distintos argumentos aportados por cada equipo para apoyar cada

respuesta.


Con estas actividades, los docentes podrán trabajar los conceptos de conservación de la masa al obtener una disolución; la masa total de disolución es igual a la suma de las masas de cada uno de los componentes. Los alumnos podrán analizar cómo se modifica la representación microscópica del solvente y del soluto cuando se disuelve uno en el otro. Por otra parte, el docente podrá plantear a los estudiantes qué procedimiento se puede seguir para recuperar los componentes de una solución. Debe quedar claro que el método elegido dependerá de las características de la solución y del componente que se quiera recuperar. 3.3.4. Realiza la representación microscópica del proceso de disolución de las

siguientes sustancias en agua: a) MgCl2, b) K2SO4, c) CH3OH. Hazlo teniendo en

cuenta el tipo de sustancia y el proceso que ocurre en cada caso. (Adaptado de

Brown et al., 2004)

3.3.5.- Si tuvieras que representar microscópicamente disoluciones acuosas de

cada uno de los siguientes compuestos iónicos, ¿cuántos aniones dibujarías si el

diagrama incluyera seis cationes?: a) sulfato de níquel, b) nitrato de calcio, c)

fosfato trisódico, d) sulfato de aluminio. (Adaptado de Brown et al., 2004)

Respuesta: en el a) seis (6) aniones, en el b) doce (12), en el c) dos (2) y en el d)

nueve (9).

Nota: Se sugiere trabajar estos ejemplos desde el modelo atómico molecular, aclarando que la representación microscópica de aniones y cationes debe corresponderse con la composición de la molécula. Si bien a veces resulta complejo representar cationes o aniones por la cantidad de átomos implicados, por lo menos debe guardarse la relación entre ellos.

En la figura 7 puede observarse un ejemplo de representación de la actividad 3.3.4.

Figura 7

4 - ¿A qué llamamos CONCENTRACIÓN?

4.1 Actividades de iniciación

4.1.1. Cuando preparamos una infusión, té o café, por ejemplo, los componentes

solubles de los mismos pasan al agua. Habrás comprobado que si se agregan

cucharaditas de azúcar, al principio ésta se disuelve en la mezcla, pero llega un

momento en que el excedente se deposita en el fondo de la taza. Aun revolviendo la

mezcla, en poco tiempo el azúcar se deposita en el fondo nuevamente. En cambio, si

no se agrega mucha cantidad de azúcar, el té o café se endulzan pero no hay

depósito de azúcar en el fondo.

Analiza con tus compañeros lo que sucede y trata de representar ambas

situaciones a nivel macroscópico con bolitas de colores o clips. Emplea colores o

elementos de formas diferentes para el agua, el té o café y el azúcar.

Nota a la actividad 4.1.1:

Con esta actividad se pretende que los alumnos comprendan que los componentes solubles del té o el café y el azúcar se distribuyen homogéneamente entre las moléculas de agua. La cantidad de moléculas de azúcar que pueden ubicarse entre las de agua no

es indefinida, debemos tener en cuenta que, de los tres, sólo modificamos la composición de este componente en la mezcla. Superado este límite, las moléculas de azúcar van a depositarse en el fondo del pocillo. La mezcla deja de ser homogénea y pasa a ser heterogénea.

El docente podrá reforzar el concepto, solicitando a los estudiantes que representen microscópicamente ambas situaciones.

A continuación mostramos un esquema de la representación macroscópica de ambas situaciones:

Figura 9. Las imágenes superiores muestran los componentes y una mezcla homogénea. Las imágenes inferiores representan los componentes y una mezcla heterogénea (el exceso de azúcar se deposita en el fondo).

4.1.2. Cuatro vasos iguales contienen diferentes cantidades de agua. Se agrega sal

de mesa: al primero, una cucharada, al segundo, tres, y al tercero y al cuarto, dos

cucharadas. Si todas las cucharadas contienen la misma cantidad de sal, ¿en qué

vaso se obtendrá el agua más salada y en cuál la menos salada?

A continuación, observamos la figura 10.

Figura 10

4.1.3. El agua mineral envasada es agua bacteriológicamente apta para el consumo,

pero con un contenido de sustancias disueltas que no la hacen recomendable en

algunos casos. Por ejemplo, no es bueno que personas hipertensas consuman aguas

con elevado contenido de sodio. En general, sobre todo para ancianos y niños, se

recomienda que se consuman aguas con muy débil o débil mineralización. (Dal

Fávero, Mª. A., et al., 2002).

Busca dos etiquetas de agua mineral. Obsérvalas ¿Qué información te brindan?

¿Qué representa el número y la denominación situados al lado de los componentes

de la solución? ¿A qué llamamos concentración de una solución?

Nota a las actividades 4.1.2 y 4.1.3:

Con estas actividades se pretende que los alumnos, a partir de un ejemplo concreto y una situación cotidiana, introduzcan el concepto de concentración.

Puede repetirse, por ejemplo, la actividad 4.1.2, empleando cantidades variables de un jugo líquido, concentrado o en polvo, que se disuelven en distintos volúmenes de agua. De esta forma, los alumnos podrán visualizar la diferencia de concentración alcanzada a través del color que adquiere la mezcla final. Por otra parte, en el primer caso, al trabajar con una disolución de un líquido en otro se enfrenta el conocimiento común de que las disoluciones son sólo de sólidos en líquidos.

Hasta el momento se ha trabajado con las disoluciones desde una mirada cualitativa que implica conocer los componentes de la mezcla. A partir de ahora transmitiremos a los alumnos la necesidad de conocer cuantitativamente la composición de las mismas. Por ejemplo, el aire, el suelo y el agua pueden considerarse contaminados a partir de ciertos valores o cantidad de contaminantes existentes; los bioquímicos son capaces de determinar la cantidad de glucosa y otros componentes presentes en la sangre; los médicos habrán de calcular la dosis que deben suministrar de un medicamento a un paciente, etc.

Llamamos concentración a la relación existente entre la cantidad de soluto presente y la cantidad de solvente o solución.

Algunos autores clasifican las disoluciones en diluidas y concentradas, de acuerdo a la proporción existente entre la cantidad de soluto y disolución. Las diluidas se refieren a

aquéllas que poseen poca cantidad de soluto y, las concentradas a las que poseen gran cantidad de soluto, siempre en relación a la cantidad de la disolución. A su vez, se pueden subdividir las soluciones concentradas en saturadas y sobresaturadas. Esta última clasificación presenta el inconveniente de que no todas las sustancias se disuelven en la misma proporción en una determinada cantidad de disolvente a una temperatura dada. Ejemplo: a 25 ªC en 100 g de agua se disuelven 0,000246 g de sulfato de bario (BaSO4); esta disolución es concentrada (saturada) porque no admite más sal, aunque por la poca cantidad de soluto disuelto debería clasificarse como diluida. Por ello, es preferible clasificar las soluciones como no saturadas, saturadas y sobresaturadas. 4.2 Actividades de desarrollo: Formas de expresar la concentración de una solución.

La concentración de una disolución se puede expresar en diferentes unidades. Lo más corriente es que se haga en gramos de soluto por cada 100 gramos de solución, o sea % m/m. Por ejemplo, una solución cuya concentración es de 20 % m/m, significa que tiene 20 partes de soluto por cada 100 partes de solución (o lo que es lo mismo, 20 gramos de soluto + 80 gramos de solvente).

También se puede expresar la concentración en gramos por litro, g/L; partes por millón, ppm (una parte por cada mil de solución); gramos de soluto por cada 100 mL de solución, %m/V.

Otra forma de expresión muy empleada en los laboratorios de química es mol/L que expresa el número de moles de una sustancia por litro de disolución.

De igual forma, la densidad de una solución, una propiedad intensiva, también puede ayudarnos a determinar la concentración de una solución, ya que expresa la masa de una sustancia por unidad de volumen.

Actividad 4.2.1. Prepara una solución agregando 100 mL de agua a 3g de azúcar y

otra pesando 3g de azúcar y completando con agua hasta 100 mL. ¿Las

concentraciones de las disoluciones obtenidas son iguales? Justifica tu respuesta.

Actividad 4.2.2. ¿Cuál de las opciones es la correcta?

Una solución al 50% m/m está formada por:

a) 50 g de soluto y 100 g de solvente

b) 50 g de soluto y 50 g de solvente

c) 100 g de soluto y 50 g de solvente

Actividad 4.2.3 A continuación te mostramos el resultado de un análisis de una

muestra de agua.

Solutos Concentración (ppm)

Cloruros 51,8

Nitratos 1,9

Sulfatos 35,1

Arsénico 0,0002

Cadmio 0,0001

Plomo 0,02

Mercurio 0,0001

Calcula el % m/v de arsénico de esta muestra de agua y explica por qué las

concentraciones se han expresado en ppm. (Adaptado de Chandías et al., 2001).

Actividad 4.2.4 Busca dos etiquetas de agua mineral y calcula cuántos gramos de

ión Cl- hay en 250 mL de cada una de ellas. ¿Qué volumen (en mL) de la marca A

contiene la misma masa de iones Ca2+ que un volumen de 250 mL de la marca B?

Actividad 4.2.5 Si partimos de una disolución y pasamos la mitad del volumen a

otro frasco tendremos:

a) ¿la misma concentración en ambos?

b) ¿la concentración será la mitad de la primitiva?

c) ¿habrá la misma cantidad de soluto en las dos?

d) ¿la concentración de la segunda solución será el doble de la primera?

Razona y realiza una puesta en común con tus compañeros sobre lo que han

respondido. (Adaptado de Chandías, D. O. T. de et al., 2001).

Actividad 4.2.6 El agua del grifo es una solución de agua y sales. ¿Cambia la

concentración de soluto si se analiza la cantidad de sales presentes en un vaso y en

un balde con agua potable?

Actividad 4.2.7

El sulfato de cobre es una sustancia empleada en jardinería y en las piletas de

natación como fungicida. ¿Qué concentración expresada en % m/V se obtendrá si

se disuelven 88 g en 500 mL de agua? Si en el mismo volumen se disuelven 2 moles

de sulfato de cobre, ¿cómo será la concentración de la solución respecto de la

anterior?

Actividad 4.2.8

Calcula la masa de cloruro de potasio que es necesaria para preparar 500 mL de

una solución 2 mol/L.

Actividad 4.2.9

Prepara en el laboratorio la disolución del problema anterior.

Materiales necesarios: cloruro de potasio sólido, balanza, matraz aforado de 500

mL. Redacta con tus compañeros el procedimiento que vas a seguir, muéstraselo a

tu profesor y, si está de acuerdo, realízalo prácticamente.

Actividad 4.2.10

Dos soluciones, una de sulfato de sodio y otra de cloruro de sodio, fueron

preparadas con la misma cantidad en gramos y en el mismo volumen de agua. Esto

significa que tienen igual:

a) mol/L

b) %m/V

c) % m/m

Razona la respuesta. (Adaptado de Chandías et al., 2001).

Actividad 4.2.11

Un anticongelante para automóvil se compone de 445 g de etilenglicol C2H4(OH)2

y 400 g de agua. Su densidad es de 1,072 g/mL. ¿Cuál es la concentración del

etilenglicol expresada en mol/L? (De Brown et al., 2004).

a) 0,527 mol/L

b) 7,17 mol/L

c) 9,10 mol/L

d) 19,2 mol/L

e) 3,27 mol/L


Con estas actividades se pretende que los alumnos se ejerciten en diferentes tipos de cálculos relacionados con la concentración de la disolución, que identifiquen las diferentes formas de expresión y que sean capaces de convertir unas en otras. Se podrá aplicar aquí el principio de conservación de la masa al preparar una disolución y comprender que la concentración de una disolución tiene relación con las propiedades extensivas del sistema material.

Cuando la proporción de soluto es ínfima con respecto a la gran cantidad de disolvente (por ejemplo, residuos industriales que contaminan un curso de agua o componentes volátiles que se escapan a la atmósfera) es común expresar la concentración en partes por millón (ppm).

El último ejemplo (Actividad 4.2.11) permitirá relacionar la densidad de una mezcla con su concentración.

Lectura: Se sugiere a los docentes la lectura del artículo “ El aporte de los obstáculos epistemológicos”, de Margarita R. Gómez-Moliné y Neus Sanmartí Puig, disponible en: http://www.fq.unam.mx/sitio/edquim/131/131-gom.pdf.

4.3.- Actividades de Aplicación. Concentraciones que nos afectan: el alcohol en la sangre (adaptado de Chandías, D. O. T. de et al., 2001).

Actividad 4.3.1 ¿Todas las bebidas alcohólicas tienen la misma concentración de alcohol? Es evidente que no.

La etiqueta del envase de las bebidas aclara este dato cuando dice: Graduación alcohólica: xº. El número de grados indicado significa el porcentaje de alcohol puro que contiene, expresado en cm3 de alcohol en 100 cm3 de bebida.

Por ejemplo, la cerveza tiene un promedio de 5º, el vino común, 12º y el whisky, 40º.

Dónde hay más alcohol, ¿en un litro de vino común, en medio litro de whisky o en una botella de 750 cm3 de cerveza?

Calcula qué cantidad de whisky y qué cantidad de cerveza tiene tanto alcohol como un litro de vino.

Averigua: ¿Cómo afecta el alcohol a nuestra vida?

Nota:

El alcohol no es un componente normal de la sangre. Sin embargo, es posible detectarlo en ella luego de tomar bebidas alcohólicas como la cerveza, el vino, etc.

Se puede trabajar el tema con los estudiantes no sólo desde el punto de vista del cálculo de la cantidad de alcohol que se ingiere al tomar bebidas alcohólicas sino también plantear y discutir algunas cuestiones como:

a) Tomar un vaso de vino tinto con las comidas es bueno para la salud.

b) Aunque la cerveza sea de baja graduación alcohólica, su consumo excesivo es perjudicial.

c) El alcohol es una droga y produce adicción.

d) El consumo de alcohol altera del comportamiento de las personas.

5 - Dilución

5.1.- Actividades de iniciación.

Actividad 5.1.1

Supón que a la fiesta que has organizado asisten más invitados de los esperados.

Para beber, preparas jugo de naranja a partir de sobres con el polvo que disuelves

en agua. ¿Qué harías para dar a todos los invitados el jugo con la misma

concentración?

¿Qué interpretas cuando en una etiqueta de jugo dice “da para 5 L”?

Nota:

Un recurso muy utilizado tanto en la industria alimenticia como en la industria química es trabajar con soluciones concentradas, ya sea para ahorrar espacio o bien para un mejor almacenamiento y transporte. Estas soluciones concentradas se denominan soluciones madres. A partir de éstas es posible preparar soluciones más diluidas de concentración final determinada.

Otras veces es necesario preparar soluciones muy diluidas de una determinada sustancia, que en caso de que la pesáramos inducirían a mucho error. Para estas situaciones se puede partir de un volumen de solución madre más concentrada y diluirla en un volumen adecuado para lograr la concentración deseada.

Después de la dilución, la misma cantidad de soluto se encuentra disuelta en un volumen mayor, como puede observarse en la figura 11.

Figura 11. Después de la dilución, la misma cantidad de soluto se encuentra disuelta en un volumen mayor.

5.2.- Actividades de desarrollo

Actividad 5.2.1

La concentración de soluto en una disolución es de 5% m/m. ¿Cuál será la

concentración de la solución resultante si a 100 g de la anterior agregas 100 g de

solvente? Emplea bolitas de un color para el solvente y de otro color para el soluto

y representa microscópicamente la situación.

Discute con tus compañeros lo que ha sucedido.

Actividad 5.2.2

Calcula el volumen de una solución madre de glucosa 0,152 mol/L que debería

usarse para preparar 250 mL de una solución de glucosa 0,0016 mol/L.

(Dato: la fórmula de la glucosa es C6H12O6)

¿Cómo procederías en el laboratorio para preparar esta solución? Haz un esquema

para explicar el procedimiento.

Representa microscópicamente la solución inicial y la final.

Actividad 5.2.3

100 mL de una disolución de hidróxido de sodio cuya concentración es de 1 mol/L,

se llevan a un volumen final de 1 L. La solución resultante tendrá:

a) la misma cantidad de hidróxido de sodio disuelto.

b) una concentración final de 0,2 mol/L.

c) 50 mL de la solución final tendrán una concentración 0,1 mol/L.

Nota a las actividades

Se introduce el concepto de dilución. Se pretende que los alumnos comprendan que cuando se diluye una solución en un volumen mayor, el número total de moles de soluto se mantiene, pero se reduce la concentración del soluto.

Se puede volver aquí al punto 3 “El proceso de disolución”, y comparar el procedimiento para preparar una disolución a partir del soluto y del solvente con el de una dilución.

Sugerencia: si se dispone del material en el laboratorio, se podría realizar prácticamente la actividad 5.2.2.

Figura 12. Aspecto micro y macroscópico del proceso de dilución. Actividad 5.2.4 Se transfieren 0,661 g de K2CrO7 a un matraz aforado de 250,0

mL para preparar una solución, luego se agrega agua hasta el enrase. Se transfiere

50,0 mL de esta solución a un matraz de 500 mL. ¿Cuál será la concentración final

de esta disolución?

Actividad 5.2.5

¿Qué volumen de una solución de NaCl 0,5 mol/L será necesario para preparar 500

mL de una disolución 0,025 mol/L?

5.3.- Actividades de aplicación

Actividad 5.3.1:

El producto FFO es una enmienda biológica foliar empleada como fertilizante de

cultivos. Se comercializa en envases de 20 L y la composición promedio de macro y

micronutrientes es la siguiente:

Carbono total acuoso: 0,67 %

Nitrógeno acuoso: 0,03 %

Fósforo soluble: 1,07 p.p.m.

Potasio soluble: 111 p.p.m.

Cobre (acuoso): 0,103 mg/L

Manganeso (acuoso): 1,02 mg/L

Hierro (acuoso): 13,4 mg/L

La dilución de aplicación es variable dependiendo del tipo de cultivo. Si un

agricultor realiza una dilución 1:20, ¿cuál será la concentración final de fósforo

soluble? ¿Y la de hierro?

Actividad 5.3.2

Para eliminar las suciedades que se acumulan en las piscinas es frecuente emplear

sustancias conocidas como Floculantes. Su principal componente es una poliamina

cuaternaria, también empleada en los procesos de potabilización, cuya función es

dejar el agua limpia y transparente.

Modo de empleo: agregar 500 cm3 por cada 100.000 L de agua. Calcula la dilución

de aplicación. Si la piscina tiene las siguientes dimensiones 4 m x 6,5 m x 1,60 m,

determina el volumen de floculante que hay que agregar.

TAREA V. SELECCIÓN DE ESTRATEGIAS DE EVALUACIÓN.

La secuencia de enseñanza en el tema seleccionado permite la coordinación horizontal y vertical de contenidos y, por lo tanto, no sólo se limita a un mero listado de los mismos. Así, la amplia gama de contenidos de Química se constituye como un referente válido para articular y entablar las relaciones de los posibles alcances de los contenidos, facilitando al docente la tarea de organizar sus prácticas de evaluación.

En nuestra opinión, el planteamiento de los contenidos a partir de la secuencia de enseñanza conlleva el abordaje de situaciones problemáticas, que se constituyen en un punto de partida para la construcción de los conocimientos y no como simples ejercicios de aplicación, permitiendo además que las prácticas de laboratorio, la presentación de informes, etc., cobren sentido a la hora de la evaluación, permitiendo así observar al alumno en estudio como una parte interrelacionada con un todo.

Por otra parte, la secuencia de enseñanza presupone una hipótesis de alcance de los contenidos que permitirá, en el momento de la evaluación, verificar los logros, y necesariamente llevará a la reformulación de la misma en el otro año o ciclo implicado, dinamizando las prácticas docentes en función del aprendizaje de los alumnos y no estatizándolas en relación a la mera secuenciación de contenidos.

Se logra así que la evolución se convierta en un instrumento de aprendizaje, no sólo como elemento de constatación, sino como intervención donde queda implicado el comportamiento alumno/docente.

Las estrategias elegidas deberán permitir un seguimiento continuo del proceso de enseñanza y aprendizaje de los alumnos. El planteamiento permanente deberá tratar de relacionar práctica-teoría-práctica, e irá mostrando la necesidad de ajustes que garanticen la construcción de nuevos conocimientos.

En las jornadas finales se podrán seleccionar alguna/s de las actividades de aplicación propuestas y se deberá favorecer el análisis para determinar el nivel de impacto de las cuestiones trabajadas en las actividades anteriores. No obstante, el docente puede elegir otro tipo de evaluación que considere pertinente desde el punto de vista institucional, de acuerdo siempre con la metodología desarrollada en la secuencia propuesta.

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