QUÈ ÉS UN CANVI QUÍMIC? · model atòmic i per això necessitem d’un model representatiu com és el de Dalton i les plantilles d’anions i cations. A.4 Amb l’ajuda de les

Cómo motivar a los estudiantes mediante actividades científicas atractivas

1

QUÈ ÉS UN CANVI QUÍMIC?

Carles Escamilla

IES LAURONA

Llíria

Introducció

L’alumnat presenta serioses dificultats en la comprensió del concepte de canvi químic. En primer lloc, hi ha una confusió entre els nivells macroscòpic i macroscòpic i a més el canvi químic es aprés com un canvi “forçat” en la matèria. La present proposta comporta una definició del canvi químic com allò observable i per tant la seua definició a nivell macroscòpic. Aquesta definició es analitzada pel canvi produït en les propietats caracterñistiques de les substàncies la qual cosa indica que reactius i productes són substàncies diferents. Una vegada definit el canvi químic macroscòpicament es passarà a definir-lo microscòpicament en funció del referent teòric que suposa la teoria atòmica de Dalton. Objectius

• Comprendre el concepte de reacció química amb diferenciació dels nivells observacional i interpretatiu.

• Introduir l’alumnat en la formulació química. • Diferenciar entre substància simple i composta.

Relació del tema proposat amb el currículum d’ESO

Les activitats proposades estan relacionades amb el concepte de canvi químic dins del currículum de 3r d’ESO (Optativa: Laboratori de Física i Química)

Material i recursos necessaris

Reactius químics: Nitrat de plom(II); Iodur de potassi, Clorur de potassi, Dicromat d’amoni.

Material: Pot de plàstic de carret fotogràfic; Tubs d’assaig; Matràs erlenmeyer; Voltàmetre de Hoffman; Plantilles de cations i anions; Reixeta i trespeus; Bec Bunsen; Fibra de vidre; Suport metàl·lic amb nou.


2

Normes de seguretat

Les pròpies de la utilització de reactius químics i del Bec Bunsen. Treballar amb guants i ulleres de seguretat.

Procediment

Es presenten diferents activitats per a fer l’alumnat on han de justificar si s’ha produït o no un canvi químic amb la mesura d’algunes propietats característiques de les substàncies abans i deprés de tenir lloc el procés.

A.1 Posa una xicoteta quantitat de nitrat de plom(II) i altra xicoteta quantitat de iodur de potassi al pot de plàstic. Tanca el pot i agita’l Obre el pot i observa el que ha passat. Planteja una o més hipòtesis respecte als fenòmens observats. S’ha produït una reacció química. Per què? La realització de la reacció entre el nitrat de plom(II) i el iodur de potassi en sòlid i en un pot de pel·lícula fotogràfica es justifica pel fet de llevar-li eixe caràcter de procés forçat o no natural amb el qual els alumnes identifiquen un canvi químic. En una primera aproximació diuen que s’ha produït una reacció química ja que es forma un producte groc (iodur de plom(II)). No es plantegen que han de canviar altres propietats característiques com ara la densitat, el punt de fusió o la solubilitat en aigua. Convé deixar la resposta oberta i plantejar altra activitat on no hi haja canvi de color.

(alumnat en l’activitat de la reacció entre el nitrat de plom(II) i el iodur de potassi) A.2 Fes el mateix però en lloc de iodur de potassi utilitza clorur de potassi. Després d’agitar el pot l’alumnat veu que no ha hagut canvi de color amb la qual cosa contesta que no s’ha produït un canvi químic. En aquest moment s’inicia la discussió sobre la resta de propietats característiques i com el canvi o no de color no és un factor determinant per a decidir si s’ha produït un canvi químic. Després de la discusió s’arriba a la conclusió de que s’hauria de veure com canvien altres propietats característques com ara la solubilitat en aigua, la densitat,etc...


3

A.3 Planteja alguna experiència que et permeta comprovar la teua hipòtesi. Defineix el concepte de reacció química. L’alumnat planteja la mesura de la solubilitat posant una xicoteta quantitat de cada recatiu i del producte obtingut en sengles tubs d’assaig i es veu a les activitats 1 i 2 com els reactius són solubles en aigua mentre que el producte (iodur de plom(II) o clorur de plom(II)) no ho és. Fins aquest moment no cal dir-li a l’alumnat que es forma més d’un producte. (dissolució en aigua del iodur de plom(II),

nitrat de plom(II) i iodur de potassi) Com a conclusió s’arriba a definir la reacció química com un procés on unes substàncies (reactius) desapareixen i se’n formen altres de noves (productes). Sabem que reactius i productes són substàncies diferents ja que han canviat les propietats característiques. Després de treballar el concepte de reacció química, des d’un punt de vista observacional cal acudir al punt de vista interpretatiu del procés, és a dir, atenent al model atòmic i per això necessitem d’un model representatiu com és el de Dalton i les plantilles d’anions i cations. A.4 Amb l’ajuda de les plantilles d’anions i cations que t’ha proporcionat el professor representa la reacció que ha tingut lloc a les activitat 1 i 2 i anomena totes les substàncies que hi apareixen. Amb la utilització de les plantilles tan sols es pretén que l’alumnat focalitze la seu atenció en la electroneutralitat a l’hora de formular les substàncies químiques i és en aquest moment on se n’adonaran que es forma més d’una substància: Activitat 1: Pb(NO3)2(s) + KI(s) → PbI2(s) + KNO3(s) Blanc Blanc Groc Blanc Se’ls informa que el nitrat de potassi és un compost blanc que no es veia pel color groc del iodur de plom(II) i que a més és una compost soluble en aigua. Activitat 2: Pb(NO3)2(s) + KCl(s) → PbCl2(s)+ KNO3(s) Blanc Blanc Blanc Blanc

(alumnat treballant amb les plantilles de cations i anions)


4

Des del punt de vista interpretatiu arribarem a la conclusió de que una reacció química és un procés on es trenquen els enllaços entre els àtoms dels reactius per a tormar-se a unir-se, però d’una manera diferent, en allò que anomenem productes. Tot açò s’explica amb la teoria atòmica de Dalton. L’alumnat pensa que perquè tinga lloc una reacció química es necesiten almenys dues substàncies. Per a posar en qüestió aquest afirmació es proposen les dues activitats següents. A.5 Busca informació sobre el que és l’electròlisi i observa el que ocorre en aquest aparell anomenat voltàmetre de Hoffman. Per què el volum d’hidrogen format és doble que el d’oxigen? Fes un diagrama atòmicomolecular de reactius i productes. Aquesta activitat es planteja com una experiència de càtedra on el professor explica el funcionament del voltàmetre de Hoffman i com es produeix l’electròlisi de l’aigua (a la qual se li ha afegit una xicoteta quantitat d’àcid sulfúric per tal d’augmentar la seua conductivitat). S’observa com la relació volumètrica entre l’hidrogen i l’oxigen és de 2:1 i es comprova el gas hidrogen acostant un llumí encés a l’extrem del voltàmetre i comprovant com es produeix un xicotet soroll en cremar el gas. El procés que té lloc és: Ànode (+) 2H2O(l) → O2(g) + 4H+ 4e-

Càtode (-) 4H2O(l) + 4e- → 2H2(g) + 4OH-(aq) ------------------------------------------------ 2H2O(l) → 2H2(g) + O2(g) (voltàmetre de Hoffman) Per tal de fer l’experiment més visual es pot afegir a la dissolució un indicador com ara la fenoftaleïna o el blau de bromotimol i veure com el càtode i l’anòde presenten colors diferents. Això últim ens pot permetre introduir el caràcter àcid o base de les dissolucions però tan sols a nivell observacional. Finalment, se li demana a l’alumnnat que represente amb un diagrama atòmicomolecular els reactius i productes. Amb això, tornem a insistir en el model atòmic de Dalton, veuen la necessitat d’ajustar una reacció química i serveix de reforç de la llei de conservació de la massa, justificada amb la teoria atòmica de Dalton. A.6 Posa una 1 g de dicromat d’amoni en un matràs erlenmeyer. Tapa’l amb un poc de fibra de vidre i calfa’l amb un bec Bunsen. Observa i anota el que passa. En calfar el dicromat d’amoni (taronja) es forma òxid de crom(III) verd segons l’equació: (NH4 )2Cr2O7(s) → Cr2O3(s) + N2(g) + 4H2O(g)


5

(descomposició del dicromat de potassi) A.7 Planteja una hipòtesi sobre el fenomen observat? És una reacció química? Per què? Després de la discussió de les activitats anteriors l’alumnat diu que s’ha produït un canvi químic ja que han canviat les propietats característiques:

• A partir d’un producte taronja, (NH4 )2Cr2O7, hem obtingut un de verd, Cr2O3. En aquest punt, se’ls pot informar que també es froma nitrogen gas (que no es pot apreciar) i aigua que si que es pot veure ja que condensa a les parets del matràs erlenmeyer.

• Si comprovem la solubilitat de les substàncies veiem com el dicromat d’amoni és totalment soluble en aigua mentre que l’òxid de crom(III) és insoluble.

• L’alumnat també observa com el dicromat d’amoni ocupa poc volum al matràs mentre que l’òxid de crom n’ocupa més. En discutir aquest aspecte s’arriba a la conclusió qualitativa de que el producte format és menys dens que el reactiu inicial posat.

A.8 Quin tipus de sistema material són l’aigua i el dicromat d’amoni? Després de la interpretació observacional tornem a la interpretativa perque l’alumnat arribe a la conclusió de que es tracta de substàncies compostes ja que a partir d’elles es poden obtenir per mètodes químics (electròlisi i calfament) d’altres més senzilles.

Temps necessari per a desenvolupar aquestes activitats

Tres sessions d’una hora


6

Qüestions per als alumnes

A.1 Posa una xicoteta quantitat de nitrat de plom(II) i altra xicoteta quantitat de iodur de potassi al pot de plàstic. Tanca el pot i agita’l. Obre el pot i observa el que ha passat. Planteja una o més hipòtesis respecte als fenòmens observats. S’ha produït una reacció química. Per què? A.2 Fes el mateix però en lloc de iodur de potassi utilitza clorur de potassi. A.3 Planteja alguna experiència que et permeta comprovar la teua hipòtesi. Defineix el concepte de reacció química. A.4 Amb l’ajuda de les plantilles d’anions i cations que t’ha proporcionat el professor representa la reacció que ha tingut lloc a les activitat 1 i 2 i anomena totes les substàncies que hi apareixen. A.5 Busca informació sobre el que és l’electròlisi i observa el que ocorre en aquest aparell anomenat voltàmetre de Hoffman. Per què el volum d’hidrogen format és doble que el d’oxigen? Fes un diagrama atòmicomolecular de reactius i productes. A.6 Posa una 1 g de dicromat d’amoni en un matràs erlenmeyer. Tapa’l amb un poc de fibra de vidre i calfa’l amb un bec Bunsen. Observa i anota el que passa. A.7 Planteja una hipòtesi sobre el fenomen observat? És una reacció química? Per què? A.8 Quin tipus de sistema material són l’aigua i el dicromat d’amoni?


7

Anàlisi de les respostes dels alumnes

En acabar les actvitats se li va passar a l’alumnat un qüestionari amb les següents preguntes: 1) Com t’han paregut les activitats que has fet? 2) Creus que t’han servit per aprendre o assolir algun concepte? Quin o quins? 3) Llevaries alguna de les activitats proposades? 4) Quina activitat t’ha agradat més? Per què? 5) Quina activitat t’ha agradat menys? Per què? En general les respostes de l’alumnat són positives respecte a les activitats proposades i les qualifiquen com a originals, divertides, interessants,... El concepte que, segons ells, han assolit millor és el de reacció química i els ha resultat nou com a partir d’una sola substància es pot produir una reacció química. Inicialment, responien que feia falta un mínim de dues substàncies. L’activitat que més els ha agradat ha sigut la de descomposició del dicromat d’amoni i l’han definida com inesperada, emocionant, espectacular o curiosa. Per contra, la reacció entre el nitrat de plom(II) i l clorur de potasi, com que no hi havia canvis aparents no els ha resultat molt atracativa.

Anàlisi de la pràctica presentada pel professor

Respecte al temps previst per al desenvolupament d’aquestes pràctiques han sigut quatre sessions en loc de les tres previstes i se li podrien dedicar fàcilment cinc sessions. Prèviament a la realització de les activitats previstes se li va passar a l’alumnat un qüestionari inicial amb les següents preguntes: 1) Com definiries què és una reacció química? 2) Mitjançant l’observació, com saps que s’ha produït una reacció química? 3) Què creus que els passa als àtoms i molècules en tenir lloc una reacció química? 4) Què és una substància simple? I una composta? 5) Com podries diferenciar-les? Les respostes de l’alumnat són:

• Les relatives al concepte de reacció química són molt poc concretes i parlen de passa alguna cosa, hi ha canvis...

• Respecte a allò que s’observa la majoria de l’alumnat identifica una reacció química amb un canvi de color o fins i tot una explosió, una efervescència...


8

• A la pregunta 3 responen que els àtoms es transformen, es mesclen,exploten, es trenquen...

• L’alumnat diu: Una substància simple està formada per un component mentre que una substància composta està formada per més d’una substància o més d’un element. Utilitzen indistintament els conceptes component, element, substància...

• Per a diferenciar-les responen que utilitzarien mètodes químics (sense especificar) per tal de separar els seus components i fins i tot algú parla d’utilitzar el microscopi.

En resum, hi ha molt poca concreció en les respostes i sobretot si intenten utilitzar el referent interpretatiu sobre el que li ocorre als àtoms en una reacció química. D’altra banda les respostes al concepte de substància simple està més prop del concepte de substància pura mentre que una substància composta seria, per a l’alumnat, una mescla de més d’un component. S’ha de tenir en compte que l’alumnat encara no ha estudiat teoria atòmica a l’assignatura de Física i Química i per tant la falta de concreció a nivell interpretatiu cau dins d’allò esperat. En acabar les activitats se’ls va tornar a passar el mateix qüestionari i es va observar en les respostes una major concreció en el concepte de reacció química i ja hi ha respostes del tipus a partir d’una substància s’obtenen altres de diferents. També s’obtenen respostes de canvi en les propietats característiques respecte a allò que s’observa en una reacció química. Referent a què li pasa als àtoms en una reacció química les respostes encara continuen essent diverses: canvien, canvien de forma(?), es transformen(?) encara que alguns ja diuen se separen i es junten d’altra manera. En respondre als conceptes de substància simple i composta la meitat del grup ja parla de si es poden escompondre o no en altres substàncies més senzilles i també indiquen l’electròlisi o calfament com a mètodes d’identificació. Com a conclusió diríem que s’ha assolit el concepte de reacció química a través dels canvis que observem en les propietats característiques de les substàncies així com que que la diferenciació entre substància simple i composta, des dels punt de vista observacional, està en si es poden descompondre o o en altres més senzilles, també s’ha assolit per l’alumnat. La interpretació de la reacció química amb el model de Dalton i l’utilització de les plantilles de cations i anions han quedat un poc lluny de l’objectiu previst ja que com hem dit l’alumnat no l’havia estudiat a classe i per tant caldria haver utilitzat més sessions per tal de tenir conceptes com ara àtom, electrò, anió, catió... un poc més clars.


9

Documents

QUÈ ÉS UN CANVI QUÍMIC? · model atòmic i per això necessitem d’un model representatiu com és el de Dalton i les plantilles d’anions i cations. A.4 Amb l’ajuda de les