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El corazón de la Química: estudio de las reacciones químicas

Gisela Hernández Millán, Norma Mónica López Villa,

Elizabeth Nieto Calleja y Flor de María Reyes Cárdenas

CAPÍ

TULO

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El corazón de la Química: estudio de las reacciones Químicas

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PRESENTACIÓN

Actualmente, existe una polémica importante sobre si el concepto central de la Química es el de “sustancia” o el de “reacción química” (Schummer, 2004). Hasta que no se llegue a un consenso, se puede tomar cualquiera de estas posturas. En este documento, se considera a la reacción química como el eje central de esta disciplina. Se presenta una unidad o secuencia didáctica (aquí utilizaremos ambos términos indistintamente) cuyo propósito es brindar, a los profesores que imparten Química en licenciatura, información y sugerencias de actividades se-cuenciadas que les faciliten conducir a sus alumnos a la elaboración de sus propios modelos de reacción química, así como acercarlos a la concepción científica de dicho concepto.

UBICACIÓN DEL TEMA Y CONTENIDOS CURRICULARES

En la Facultad de Química de la UNAM, el tema Reacción química se imparte en el curso de Química General I. Esta asignatura forma parte del tronco común para todas las carreras que ahí se imparten (IQ, IQM, Q, QFB y QA).

En el programa oficial se incluyen los siguientes objetivos:

� Introducir a los estudiantes a los contenidos conceptuales, procedimentales y actitudinales de la Química General, que les servirán de base para comprender y profundizar en los diversos temas más complejos de las ramas de la Química.

� Concientizar a los estudiantes de la utilidad e importancia de la Química en la vida diaria.

� Que los estudiantes valoren la Química como medio para resolver problemas industriales, ambientales, alimentarios, médicos, económicos, legales, etcétera.

� Relacionar las transformaciones de la materia con la tecnología y su impacto en la sociedad.

� A través del laboratorio se fomentará el trabajo en equipo, la resolución de problemas abiertos, el respeto al medio ambiente y la integración teoría-práctica.

El tema de reacción química está programado para desarrollarse en un total de seis horas de teoría, distribuidas en cuatro sesiones de 90 minutos cada una. Los contenidos temáticos son:

i. Representación de las reacciones químicas. Simbología.

ii. Tipos de ecuaciones químicas: iónicas y moleculares. Operaciones con las ecuaciones químicas.

iii. Criterios de clasificación de reacciones: clasificación analítica (comportamiento químico), clasificación termodinámica, clasificación por la naturaleza de la reacción (síntesis, descomposición, sustitución simple y metátesis).

iv. Balanceo de ecuaciones. Balanceo por inspección. Conceptos de oxidación, reducción, oxidante y reductor. Ba-lanceo por el método de ion electrón.


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Estos contenidos coinciden con los que los que Caamaño (2003), Reyes y Garritz (2006), y Mulhall, Berry y Loughran (2003) consideran importantes en el tema de reacción química. Sin embargo, llama la atención que en el programa de la Facultad de Química se da por hecho que el estudiante ya conoce el significado de reacción química, pues no se hace ninguna referencia explícita a desarrollar dicho concepto y nuestra experiencia nos indica que la mayoría de los alumnos no lo comprenden.

Tomando en cuenta lo anterior, en esta propuesta se hace énfasis en la construcción del concepto de reacción química, su modelización y representación simbólica. Además se reflexiona sobre la clasificación de las reaccio-nes químicas y la importancia de trabajar con ecuaciones balanceadas.

CONOCIMIENTOS PREVIOS

Se espera que el estudiante tenga los conocimientos básicos del ciclo de bachillerato. Además, en cuanto a contenidos de Química, el alumno debe comprender los conceptos de sustancia, elemento, compuesto, mez-cla, átomo, molécula, ion; reacción química y ecuación química. Así como contar con nociones básicas de la nomenclatura de Química Inorgánica, comprender la ley de la conservación de la materia y el modelo cinético molecular.

APRENDIZAJES ESPERADOS

Con esta propuesta esperamos que los alumnos:

a) Reconozcan que cuando ocurre una reacción química se forman sustancias (productos) que tienen pro-piedades diferentes a las de las sustancias iniciales (reactivos).

b) Comprendan que la formación de nuevas sustancias implica una reestructuración entre las partículas que conforman a las sustancias originales.

c) Conozcan y diferencien los tres niveles de representación que se utilizan cuando se explican las reacciones químicas: macroscópico, nanoscópico y simbólico, de acuerdo con Johnstone (1993).

d) Clasifiquen a las reacciones químicas de acuerdo con el criterio analítico.

e) Representen simbólicamente una reacción química por medio de una ecuación balanceada.

CONSIDERACIONES DIDÁCTICAS

Diversos estudios han demostrado que no importa cuán bien estructurado esté un programa de Química, el aprendizaje por parte de los estudiantes ocurre en un porcentaje muy bajo. Según Caamaño (2003) las dificul-tades en el aprendizaje de la Química tienen su origen en tres factores fundamentales: las atribuibles a la disci-plina misma, a los procesos de razonamiento de los estudiantes y al proceso de instrucción recibida.

Ben-zvi et al. (1987) opinan que parece haber un entendido entre los maestros y los investigadores de la educa-ción química de que ésta es una disciplina especialmente difícil para los estudiantes. Han citado también muchas razones que podrían explicar dicha dificultad, entre ellas: que los conceptos de Química son abstractos, que la estequiometría y los cálculos son complicados, que cualquier problema de Química normalmente involucra muchas variables y esto sobrecarga la memoria de los estudiantes y, por último, que el lenguaje químico es difícil para el novato.


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Por otro lado, el contenido de los cursos de Química ha sido estudiado por diversos autores (Spencer, 1992; Gillespie, 1997; Garritz, 1998; Caamaño, 2003; Atkins, 2005; entre otros) quienes consideran como fundamen-tales en un curso básico de Química los siguientes conceptos: materia (tanto en el nivel macroscópico como en el nanoscópico), enlace, reacción química, tipos de reacciones, entropía y energía.

Nos dicen Mortimer y Miranda (1995) que las mayores dificultades que enfrentan los alumnos del nivel básico al estudiar las reacciones químicas están relacionadas con la gran extensión y generalización de este concepto. Al final de cuentas, ¿qué es lo que puede haber en común entre fenómenos tan diferentes como la combustión de una vela, la oxidación de un clavo o la disolución de un comprimido antiácido?

El concepto de reacción química tiene un primerísimo lugar en la enseñanza de esta disciplina desde el nivel básico hasta el universitario. El resto de los conceptos giran en torno a éste, ya sea por su importancia para comprender posteriormente la reacción química, que se deban construir paralelamente con dicho concepto o que requieran de éste para ser comprendidos.

En esta secuencia didáctica consideraremos como sinónimos a los términos cambio químico y reacción química; asimismo, una reacción química es todo proceso en el cual una o varias sustancias se forman a partir de otra(s).

Por lo general, el tema reacción química se enseña a partir de la diferenciación entre cambio físico y cambio químico, clasificación que no es conveniente incluir en el currículo de Química, según Garritz (1997) y Borsese y Esteban (1998), pues se pasa por alto que los fenómenos que estudiamos son de una mayor complejidad (Hernández y López, 2009).

En muchos libros de texto se describe a los cambios físicos como aquellos en los que no hay cambios de color ni cambian las propiedades de las sustancias, procesos que son reversibles e involucran poca energía calorífica; en contraste con los cambios químicos como los fenómenos en los que sucede todo lo contrario.

Bajo estas definiciones, ¿cómo se clasificaría a la fusión del hielo? Si bien, tradicionalmente, se clasifica a los cam-bios de estado como cambios físicos, argumentando su reversibilidad (se puede pasar del hielo a agua líquida y viceversa modificando la temperatura), Garritz et al. (2005) hacen notar que la densidad del agua líquida es muy diferente a la del hielo y a la del vapor de agua. Al presentar diferencias en dicha propiedad, ¿se tratará de sustancias nuevas y por lo tanto de cambios químicos?

Conviene entonces establecer con los alumnos qué parámetros se tomarán en cuenta para determinar si se ha producido una reacción química o no. Mortimer (2000) dice que una forma de reconocer las transformaciones en los materiales es por medio de evidencias macroscópicas y define evidencias como un tipo de alteración que ocurre en un material y que muchas veces nos indica que dicho material se transformó. Sin embargo, los cambios que detectamos a través de nuestros sentidos como el calentamiento, enfriamiento, efervescencia o cambios de color son sólo una primera pista de que probablemente esté ocurriendo una reacción química, ya que para saber si se han formado nuevas sustancias es necesario determinar algunas propiedades características de los produc-tos y compararlas con las de los reactivos.

Otro aspecto a considerar en el estudio de las reacciones químicas es que la masa se conserva y que es posible representarlas mediante ecuaciones.

Ronald Gillespie (1997) explica lo que sucede en un cambio químico a nivel de partículas:

las reacciones ocurren porque las moléculas se están moviendo y cuando se golpean con violencia suficiente unas contra otras los enlaces se rompen y los átomos se intercambian para formar nuevas moléculas. O una molécula que está vibrando con violencia suficiente puede romperse en moléculas más pequeñas.

Consideramos que para comprender mejor lo que pasa en una reacción química, deben incluirse gradualmente las explicaciones a nivel fenomenológico (o macroscópico), simbólico y nanoscópico; que no basta con que los


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alumnos realicen experimentos cuyo análisis no va más allá de la escritura y balanceo de ecuaciones químicas, de la realización de cálculos estequiométricos o de la clasificación de dichas reacciones.

Nuestra experiencia al trabajar con alumnos y docentes nos permite afirmar que muy pocos explican lo que sucede en una reacción química, usando como herramienta el modelo cinético molecular, por ejemplo. Además, los profesores reconocen que no hacen explícito a sus alumnos el nivel explicativo que usan (fenomenológico, nanoscópico o simbólico) ni cuándo pasan de uno a otro, lo que probablemente contribuya, entre otras cosas, a que los estudiantes transfieran las propiedades de las sustancias a las propiedades de las partículas.

Por lo anterior, proponemos una secuencia de actividades en la que se parte del análisis de cambios químicos conocidos por los alumnos, se continúa con experimentos en los que se analizan ciertas propiedades de produc-tos y reactivos y se trabaja en la modelización de los cambios químicos empleando el modelo cinético molecular.

Antes de presentar la secuencia de actividades a los alumnos, es importante tomar en cuenta la contextuali-zación del tema y considerar las concepciones alternativas de los estudiantes, muchas de las cuales ya están documentadas en la literatura.

Para ello, conviene mencionar que las reacciones químicas existen desde antes de la aparición del hombre. Pos-teriormente, el descubrimiento del fuego y su utilización para cocinar los alimentos, la obtención de los metales a partir de minerales y más adelante la fabricación del bronce o latón, por ejemplo, tienen aparejados un sinnú-mero de reacciones químicas, que sin duda en esos primeros tiempos no eran reconocidas como tales.

En nuestros días se fabrican infinidad de productos a partir de reacciones químicas: medicamentos, conserva-dores de alimentos, pigmentos, fibras, aleaciones, plásticos, fertilizantes, combustibles, etcétera, todo lo cual contribuye a hacer nuestra vida más confortable.

Aun cuando la Química se ha venido desarrollando desde tiempos remotos, ha tomado muchos años com-prender el significado de las reacciones químicas, primero identificadas por cambios observables (perspectiva macroscópica o fenomenológica) y, posteriormente, explicadas a través de modelos (perspectivas simbólica y nanoscópica).

Por otro lado, desde los años ochenta, se ha hecho énfasis en señalar la importancia que tiene el conocer las ideas de los estudiantes respecto al tema de estudio, para tomarlas como punto de partida en la selección o diseño de las estrategias didácticas idóneas.

Algunas concepciones alternativas (o ideas previas) de los alumnos que se reportan (Flores et al., 2002; Kind, 2004) con respecto al tema de reacción química son:

1. Sólo sucede una reacción química cuando hay una explosión o cuando desaparece una sustancia.

2. En un cambio físico la sustancia transformada es capaz de volver a su estado inicial.

3. Un cambio químico se relaciona con la idea de irreversibilidad.

4. En un cambio químico no cambia la estructura nanoscópica de una sustancia, lo que cambia son sus pro-piedades.

5. A una reacción química corresponden cambios a nivel macroscópico.

6. Ni los átomos ni la masa se conservan necesariamente en una reacción química.

7. La masa del sistema no cambia en una reacción de combustión (la masa de las cenizas de madera es la misma que la de la tabla inicial, tan solo ha cambiado de aspecto).

8. Las reacciones químicas son la consecuencia de mezclar sustancias.

9. En los seres vivos no suceden reacciones químicas.


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10. La energía producida en una reacción química se genera por la destrucción de átomos.

11. Confunden entre lo que es un cambio químico y un cambio de estado.

A través de las actividades sugeridas en esta unidad didáctica, nos ocuparemos, fundamentalmente, de lo rela-tivo a las ideas previas número 2, 4, 7 y 11.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS ACTIVIDADES DE LA UNIDAD DIDÁCTICA

Las actividades están secuenciadas de tal manera que se cumpla con el logro de los aprendizajes esperados. Por lo tanto, la primera actividad tiene como propósito reflexionar sobre la dificultad de distinguir entre cambio físico y cambio químico. Con la segunda, se pretende mostrar que cuando ocurre una reacción se obtienen sus-tancias diferentes a las iniciales. En la tercera actividad, se hace énfasis en la conservación de la masa durante una reacción química. Tanto en la segunda como en la tercera actividad, además se busca que los estudiantes reconozcan que hay tres niveles de representación y, por lo tanto, de explicación para los fenómenos químicos.

El objetivo de la actividad cuatro es aprender a balancear ecuaciones químicas por el método del ion electrón; para ello, primero aprenderán a identificar los números de oxidación que presentan los elementos en diferentes compuestos e identificarán cuáles son reacciones de óxido-reducción.

Finalmente, en la actividad cinco se propone una evaluación general para constatar cuáles fueron los aprendi-zajes logrados (Anexo 8).

Se incluye una actividad más (ver anexos 9 y 10, material para el alumno y para el profesor, respectivamente) cuyo objetivo es clasificar las reacciones de acuerdo con el criterio analítico.

Si bien esta propuesta es para trabajar en el aula, las actividades experimentales pueden presentarse como expe-rimentos demostrativos o realizarse en un laboratorio. Consideramos que es muy importante adaptar los experi-mentos a las condiciones reales del salón, para incluirlos siempre, ya que son un aspecto sumamente importante en el aprendizaje de la Química.

De acuerdo con Sanmartí (2007), “La evaluación es el motor del aprendizaje ya que de ella depende tanto qué y cómo se enseña como el qué y cómo se aprende”, así que esta etapa también es un espacio de aprendizaje para ambos actores (profesores y alumnos). Por su parte, el profesor puede identificar no solamente los errores sino cuáles son sus causas, lo cual le permite proponer estrategias para superarlos; los alumnos reconocen cuáles son sus limitaciones, qué han aprendido y qué les falta por hacer.

Como en toda estrategia de enseñanza-aprendizaje, la evaluación es un componente indispensable en una uni-dad didáctica, ya que permite tanto al alumno como al profesor, además de lo anteriormente mencionado, obtener información sobre los aprendizajes alcanzados.

Es por esto que dentro de nuestra propuesta la evaluación está presente antes, durante y al final de cada activi-dad; por ejemplo, el profesor puede solicitar que se elabore un portafolios de evidencias con las respuestas a los cuestionarios, lo cual se puede revisar junto con el alumno para detectar sus avances.

A continuación presentamos las cinco actividades que conforman la secuencia didáctica El corazón de la Quími-ca. Transformación de las sustancias. Las primeras hojas corresponden a los materiales de apoyo para el docente y en los anexos se encuentran las hojas de trabajo para el alumno, correspondientes a cada actividad.


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Actividad 1. ¿Cambio físico o Cambio químico?

Objetivo: reconocer que no es fácil tipificar un fenómeno como cambio físico o como cambio químico.

Realice una pequeña introducción solicitando a los alumnos que detecten a su alrededor algunos cambios. Re-cuérdeles que una manera de clasificar el gran número de cambios que nos rodean es en cambios físicos y cam-bios químicos.

Luego, pida que respondan individualmente a la pregunta 1 del cuestionario para esta actividad (ver Anexo 1).

A continuación, analice con ellos cómo completaron la siguiente tabla, cuyas respuestas son:

Tabla 3.1 Comparación cambio físico-cambio químico (modificada de la que proponen Ahtee y Varjola en Robinson, 1999).

Fenómeno¿Hay un

cambio de color?

¿Se requiere energía

calorífica?

¿Hay cambio de estado?

¿Hay un cambio en la

forma?

¿Se trata de un cambio

físico o químico?

Quemar madera o papel SÍ SÍ SÍ SÍCambio químico

Derretir hielo SÍ SÍ SÍ SÍ Cambio físico

Calentar hierro al rojo vivo SÍ SÍ NO NO Cambio físico

Mezclar alcohol con agua NO NO NO NO Cambio físico

Disolver sal de mesa en agua

SÍ NO SÍ SÍ Cambio físico

Ennegrecimiento de una manzana

SÍ NO NO NOCambio químico

Hacer palomitas de maíz SÍ SÍ NO SÍCambio químico

Al analizar la tabla anterior con los estudiantes, se hace evidente que no es tan fácil distinguir cambio químico de cambio físico, ya que ambos tienen propiedades observables en común; por ejemplo, quemar madera o papel y derretir hielo presentan los mismos cambios, pero el primero es un cambio químico ya que se forman nuevas sustancias al quemar la madera, mientras que el segundo evento es un cambio físico dado que se trata de un cambio de estado para la misma sustancia (H

2O). También es notorio que los cambios físicos se presentan con

características diferentes; por ejemplo, disolver sal y mezclar agua y alcohol no requieren energía calorífica, pero derretir hielo o calentar hierro, sí. Esto hace difícil clasificarlos basándose solamente en los cambios aparentes.

Se sugiere que a partir de las respuestas del grupo a la actividad anterior, se acuerden las definiciones más con-venientes para cambio físico y cambio químico.


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Otra opción para trabajar con el cuadro de la Actividad 1, es proporcionarlo con las respuestas que se muestran, para que el alumno las analice y entonces responda si se trata de un cambio físico o químico y después se revisen las respuestas y argumentos en sesión grupal, con lo cual responden a las preguntas 2 y 3 del cuestionario.

Por otro lado, al realizar esta discusión con los alumnos, también pueden detectarse cuáles son sus explicacio-nes (relacionadas con sus concepciones alternativas o ideas previas) para fenómenos como cambios de estado, cambios físicos o cambios químicos, lo cual nos permite tomarlas en cuenta al trabajar con esta propuesta.

De acuerdo con Gómez (1992), en los cambios físicos (cambios de estado y disoluciones) se conservan las sus-tancias que intervienen, se mantiene su identidad y no cambia su estructura nanoscópica, ya sean moléculas o iones. En un cambio físico las sustancias pueden recuperarse conservando tanto su estructura como su cantidad.

Por otro lado, se podría pensar que la estructura cristalina de una sal disuelta, cuando se recristaliza, no es la misma que tenía antes de disolverla. Este mismo autor señala que:

en los cambios químicos (las reacciones), la identidad de las sustancias que participan se modifica, se pro-duce una reordenación de los átomos que las forman, cambiando por tanto su estructura nanoscópica […] en estos procesos no desaparecen átomos ni se forman otros nuevos, es decir, se conserva el número total de átomos de cada elemento presentes al principio y al final. Los cambios químicos no son reversibles por medios físicos.

Es importante que los estudiantes puedan concluir que para saber si ha ocurrido una reacción química o no son útiles los cambios observables, pero que no son determinantes. Además, deben tenerse definiciones de referen-cia, ya que, por ejemplo, la disolución de sal en agua desde el punto de vista macroscópico puede considerarse como cambio físico mientras que a nivel de partículas es un cambio químico porque en el cristal de NaCl los iones Na+ no están hidratados y, ya en la disolución, están formando al ion complejo [Na(H

2O)

6]+.

Debido a la dificultad que implica hacer la distinción entre fenómenos físicos y químicos es necesario utilizar otro criterio para definir cuándo ocurre una reacción química. Esto es, debemos construir el concepto de que cuando ocurre una reacción química se forman nuevas sustancias, con propiedades diferentes a las de aquellas que les dieron origen.


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Actividad 2. ¿Cómo saber que ocurre una reacción química?

Objetivos:

� Propiciar la construcción del concepto de reacción química, explicándolo inicialmente a nivel macroscópico y relacionándolo con los niveles nanoscópico y simbólico.

� Hacer evidente la formación de nuevas sustancias, verificando el hecho mediante reacciones adicionales específicas.

Se propone trabajar esta actividad mediante la metodología predice, observa y explica (POE), que es una estra-tegia de enseñanza que permite conocer qué tanto comprenden los alumnos sobre un tema, al ponerlos ante tres tareas específicas:

Primero el alumno debe predecir los resultados de algún experimento que se le presenta o que él realiza, y debe justificar su predicción; después observar lo que sucede y registrar sus observaciones detalladamente, y final-mente explicar el fenómeno observado y reconciliar cualquier conflicto entre su predicción y sus observaciones.

Para ello, diga a los alumnos que se realizará un experimento utilizando para ello el dispositivo mostrado en la Figura 1 (debe estar sujeto en un soporte universal):

Figura 1. Tubo transparente de 50 cm de largo y 2.5 cm de diámetro, con tapones que tienen aplicadores con algodón previamente humedecidos con amoniaco concentrado y con ácido clorhídrico concentrado.

Mencióneles que se colocará amoniaco concentrado (izquierda) y ácido clorhídrico concentrado (derecha) en los aplicadores con algodón y, enseguida, se taparán ambos extremos del tubo (Hernández et al., 2010). En este momento solicite que respondan a la pregunta 1 del cuestionario para esta actividad (ver Anexo 2), lo cual corresponde a la etapa de predicción del POE.

Con la ayuda de dos alumnos, realice el experimento y pida al grupo que observe con atención lo que ocurre dentro del tubo. Después de unos cuantos minutos de haber cerrado el tubo, se observa que empieza a deposi-tarse un polvo blanco cerca del extremo donde se aplicó el HCl (aproximadamente a 20 cm del punto de aplica-ción del HCl). Se trata del cloruro de amonio (NH

4Cl) que es el único producto en esta reacción.

Una alternativa para seguir la evolución de la reacción entre los gases es colocar una cinta de papel filtro hu-medecida con indicador universal dentro del tubo, cuidando que no obstruya el paso de los gases. Los alumnos pueden ver los cambios de colores debidos al pH que va cambiando al mismo tiempo que se realiza la reacción (ver Figura 2). Aunque esto no es necesario para la realización del experimento, puede resultar muy ilustrativo el comentar adicionalmente el o los tipos de reacción que están involucrados en este cambio (ácido-base), ade-más que se realiza en fase gaseosa, aspecto poco visto en las clases tradicionales.

HIDRÓGENOLuz incidente

EXPERIMENTO

NH3 (ac) HCl (ac)


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Figura 2. Resultados del experimento.

Ahora solicite a los alumnos que registren sus observaciones como respuesta a las preguntas 2 y 3 del cuestio-nario del Anexo 2 (etapa de observación del POE).

Finalmente, pida que revisen si lo que escribieron como predicciones coincide o no con lo que observaron que sucedió y que, a partir de esto, ofrezcan alguna explicación para el fenómeno observado, respondiendo a las preguntas 4 y 5 del cuestionario (etapa de explicación del POE).

En sesión plenaria, revise las respuestas de los alumnos. Es importante hacer énfasis en:

� Que se aplican disoluciones acuosas en los algodones, cuyos solutos son gases que se difunden y al encon-trarse reaccionan.

� Que se forma una nueva sustancia (sólido blanco).

� La identidad de la sustancia que se forma en el tubo (NH4Cl).

� La ecuación química para la reacción que ocurre.

� Que los gases se difunden a diferentes velocidades, dependiendo de su masa molar.

� La razón por la cual se formó el sólido a esa distancia de los extremos del tubo.

� Que las propiedades de reactivos y productos (estado de agregación, color, solubilidad en agua) son muy diferentes, es la evidencia de que se ha formado una nueva sustancia.

� Que podemos demostrar que se formó una nueva sustancia (reacciones de identificación).

Cuando se encuentran los gases, ocurre una reacción de síntesis entre ellos formando un sólido blanco, llamado cloruro de amonio, de acuerdo con la siguiente ecuación:

NH3 (g) + HCl (g) → NH

4Cl (s)

Al poner al amoniaco y al cloruro de hidrógeno en un sistema cerrado, como el tubo de la Figura 1, se propicia que se encuentren debido a que se difunden. A nivel nanoscópico, el cambio observado se explica utilizando el modelo cinético molecular, que postula que las partículas están en constante movimiento y que el choque efectivo entre ellas hace posible tanto la ruptura de enlaces como el establecimiento de nuevas uniones, lo que da lugar a la formación de nuevas sustancias.

HCl NH3


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Las moléculas de amoniaco se difunden más rápido que las de cloruro de hidrógeno. Por ello, el NH4Cl no se

deposita a la mitad del tubo, sino más cerca del punto de partida del cloruro de hidrógeno.

Es importante que el profesor mencione que hay reacciones de identificación específicas para algunos iones. En este caso se mostrará una reacción de identificación de iones cloruro, utilizando ácido clorhídrico diluido y añadiéndole unas gotas de nitrato de plata. Se observará la precipitación del cloruro de plata (blanco). A conti-nuación pídales que tomen una muestra del sólido blanco (NH

4Cl) y lo disuelvan en un poco de agua destilada:

NH4Cl (s) + H

2O (l) → NH

4+ (ac) + Cl- (ac)

Posteriormente, que agreguen un par de gotas de una disolución de nitrato de plata. Los iones cloruro al reac-cionar con el nitrato de plata, forman cloruro de plata (AgCl), un precipitado de color blanco que se oscurece con la luz debido a la fotosensibilidad típica de los compuestos de este metal:

Cl- (ac) + AgNO3 (ac) → AgCl (s) + NO

3 (ac)

Como cierre de esta actividad, solicite al grupo que respondan un segundo cuestionario (ver Anexo 3) y revisen grupalmente las respuestas para concluir respecto a cómo se ha representado la reacción química entre el HCl y el NH

3 en los tres niveles explicativos.

Como en cualquier otra demostración experimental, es importante que el profesor haga el experimento antes de presentarlo al grupo para realizarlo exitosamente. En esta actividad se debe sujetar bien el tubo al soporte universal para que permanezca inmóvil durante la demostración, no hay que mojar demasiado los algodones y tener cuidado de tapar al mismo tiempo ambos extremos del tubo.

Antes de hacer la reacción con AgNO3, hay que destapar el sistema para que si aun existen vapores de HCl, se

escapen y no afecten la reacción de identificación del NH4Cl.

Si se usa un tubo con dimensiones diferentes, habrá que asegurarse antes qué cantidades de reactivos son ne-cesarias para que salga bien el experimento.


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Actividad 3. ¿Se conserva algo durante el cambio?

Objetivos:

� Mostrar que la masa se conserva durante una reacción química.

� Representar los cambios químicos mediante ecuaciones balanceadas y el uso del modelo cinético molecular.

En esta actividad se propone realizar una reacción química frente al grupo y, posteriormente, representar a los cambios observados con una ecuación balanceada y con dibujos de partículas, basándose en el modelo cinético molecular, además de comprobar que la masa se conserva durante una reacción química.

Primeramente, el profesor solicita al grupo que, de manera individual, respondan a las preguntas del cuestiona-rio para esta actividad (ver Anexo 4). Enseguida les pide que observen con atención el experimento que realiza-rá y muestra un vaso de precipitados que contiene 20 mL de disolución de cloruro de hierro (III) (FeCl

3) 0.1M y

otro que contiene disolución de hidróxido de sodio (NaOH) 1M. La primera disolución es de color amarillo y la segunda es incolora. Se pide a los alumnos que describan el aspecto de cada uno de estos reactivos y a continua-ción se vierten 6 mL de la disolución de NaOH a la de FeCl

3, agitando un poco la mezcla. De inmediato sucede

un cambio evidente, pues se forma un sólido de color café y de consistencia gelatinosa (Fe(OH)3), quedando

incolora la fase acuosa.

Una vez que los alumnos han registrado las características del sólido recién formado, preguntar: ¿consideran que ha ocurrido una reacción química? ¿Por qué?

Se esperaría que después de haber trabajado en las actividades anteriores, dijeran que los cambios de color ob-servados y la formación del sólido son evidencias que nos indican que se han formado nuevas sustancias.

Enseguida escribir en el pizarrón la siguiente ecuación, explicando que se trata de la representación simbólica del fenómeno químico que acaban de presenciar:

FeCl3 (ac) + NaOH (ac) → Fe(OH)

3 (s) + NaCl (ac) Ecuación no balanceada

Y preguntar al grupo: ¿Cuáles son los coeficientes que deben agregarse para que esté balanceada? ¿Cómo po-demos encontrarlos?

Se realiza entonces un balanceo por inspección encontrando que basta escribir un número 3 antes de la fórmu-la del hidróxido de sodio y también antes de la del cloruro de sodio para balancear esta ecuación. Recordar al grupo lo que indican los subíndices y los coeficientes en estas ecuaciones y que al balancearlas no deben modi-ficarse los subíndices, ya que si eso se hace se están modificando las fórmulas de los compuestos y ya no corres-ponderán a las sustancias involucradas en la reacción. Para saber si los alumnos cometieron ese error, se sugiere revisar en este momento lo que respondieron a la pregunta 1 del cuestionario (Anexo 4) para esta actividad.


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A continuación dibujar en el pizarrón un esquema como el de la Figura 3:

Figura 3. Representación simbólica del nivel nanoscópico de la reacción entre el FeCl3 (A) y el NaOH (B).

Explicar a los alumnos que se trata de la representación a nivel nanoscópico de la reacción anterior. En los dos primeros vasos de la Figura 3 se representa a cada uno de los reactivos, se dibuja una línea horizontal dentro de cada uno, indicando el medio acuoso (por simplicidad, no se dibujan las moléculas de agua), los círculos más pequeños representan a los cationes y los más grandes a los aniones.

Pedir a los alumnos que, de acuerdo con ese código de figuras, dibujen una representación para los productos de la reacción. La respuesta es:

Cabe hacer notar que como se están haciendo reaccionar cantidades estequiométricas de esas disoluciones, el número de partículas de cada sal concuerda con los coeficientes de la ecuación balanceada. También por sim-plicidad se está representando al Fe(OH)

3 como unidades de cuatro partículas, a pesar de no ser una sustancia

molecular; éstas no se dibujan disociadas por tratarse de un sólido que es prácticamente insoluble en agua. Otra opción para estos esquemas es representar con una figura diferente a cada uno de los átomos o iones que for-man a las diferentes sustancias.

Es importante reflexionar sobre lo que ha cambiado a nivel de partículas, especialmente respecto a los nuevos enlaces que se forman. Conviene retomar sus respuestas a la pregunta 2 del cuestionario para esta actividad, así como la definición de reacción química que se haya acordado con los alumnos, o bien, proponer alguna en este momento, para que revisen si aplica para este ejemplo.

Como parte final de esta actividad, se analizará con el grupo qué pasa con la masa del sistema durante una reacción química. Revisar grupalmente las respuestas a la pregunta 3 del cuestionario para esta actividad (ver Anexo 4). Revisar rápidamente las respuestas para saber qué opina la mayoría y si están en lo correcto.

Algunos estudiantes responden que si se forma un sólido en una reacción, la masa del sistema debe aumentar, ya que su premisa es que los sólidos siempre son más pesados que los líquidos.

A B

FIGURA 3A

FIGURA 3A

A B

FIGURA 3A

FIGURA 3A


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A continuación plantearles lo siguiente: para la reacción que realizamos en el salón, si comparamos la masa de los reactivos, antes de hacerlos reaccionar, con la masa de los productos resultantes, ¿serán diferentes? ¿Serán iguales?

Se esperaría que si comprenden lo que postula la ley de la conservación de la materia, dijeran que ambas masas deben ser iguales. En todo caso, solicitar a los alumnos que den respuestas argumentadas y fomentar que si hay opiniones contrarias, éstas también estén debidamente fundamentadas.

Realizar nuevamente dicha reacción (cloruro de hierro (III) más hidróxido de sodio) pero ahora sobre una balan-za, para registrar la masa del sistema inicial y la masa del sistema final. Se comprobará que al realizar la reacción de formación de hidróxido de hierro (III), la masa se conserva.

Pero, ¿por qué se ha conservado la masa del sistema? Escuchar lo que opinan al respecto los alumnos. Puntua-lizar que en los cambios químicos la masa se conserva porque la masa de los átomos o iones participantes no cambia, éstos solamente se reorganizan para formar nuevos enlaces y, en consecuencia, nuevas sustancias.

Para dar tratamiento a los residuos de esta actividad experimental, el Fe(OH)3 se puede disolver con un poco de

ácido muriático (o HCl diluido) para recuperarlo como disolución de FeCl3 y poder reutilizarlo, o bien, se diluye

y desecha por el drenaje con bastante agua.


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Actividad 4. Balanceo de ecuaciones por el método del ion electrón

Objetivos:

� Identificar los números de oxidación que presentan los elementos en diferentes compuestos. � Identificar cuáles son reacciones de óxido-reducción. � Aprender a balancear ecuaciones químicas por el método del ion electrón.

Esta actividad está programada para realizarse en dos sesiones de 90 minutos cada una.

El método del ion electrón se utiliza para balancear ecuaciones de reacciones de oxidación-reducción. Conside-ramos que es útil debido a que se trabaja con las especies tal y como se encuentran en disolución acuosa.

Como inicio de esta actividad, pida a los alumnos que respondan el cuestionario del Anexo 5. Revise rápidamen-te las respuestas y anote en el pizarrón las que prevalecen en la mayoría del grupo, es importante conocer qué criterios usaron los alumnos para identificar a las ecuaciones redox y monitorear si se modifican o no conforme se avance en el tema.

Si bien se pueden balancear ecuaciones sin conocer el aspecto de las sustancias involucradas, es conveniente que los estudiantes se familiaricen con el color de las especies en disolución acuosa y lo relacionen con sus nú-meros de oxidación para que, posteriormente, puedan hacer predicciones. Para ello, se sugiere llevar al salón de clase diversos tubos de ensayo con sustancias que tengan elementos que al cambiar su número de oxidación, cambien su apariencia. Algunos ejemplos se presentan en la Tabla 3.2:

Tabla 3.2 Números de oxidación y color de algunas especies químicas.

Especie Número de oxidación del

elemento en negritasColor de la especie

MnO4

- 7 + Violeta

MnO4

2- 6 + Verde

MnO2

4 + Sólido café

Mn2+ 2 + Incoloro

Mn 0 Gris metálico

Fe3+ 3 + Amarillo

Fe2+ 2 + Verde claro

V2+ 2 + Violeta

V3+ 3 + Verde

VO2+ 4 + Azul

VO2

+ 5 + Amarillo

Cr2O

72- 6 + Amarillo

Cr3+ 3 + Verde oscuro


74

En esta actividad se pretende que los alumnos identifiquen algunas sustancias oxidantes, otras reductoras y otras más que puedan ser tanto oxidantes como reductoras (anfolitos), tomando como base los números de oxidación de los elementos que las constituyen (ver Figura 4).

Figura 4. Disoluciones con manganeso en diferentes estados de oxidación.

Presente al grupo la Figura 5 en la que se muestran los números de oxidación más comunes del manganeso. Como puede observarse, el máximo número de oxidación del manganeso es 7+ y el mínimo es cero, cuando se encuentra como metal. Dado que la oxidación es un proceso en el que se pierden electrones, el manganeso VII no puede perder más electrones, o lo que es lo mismo, no puede oxidarse más, sólo puede reducirse, al oxidar a otra especie. En conclusión, el manganeso VII es oxidante.

En el extremo izquierdo de la línea, está colocado el manganeso (0), que ya no puede ser reducido puesto que se encuentra en su mínimo número de oxidación, por lo que será reductor, esto es, reducirá a otras especies y se oxidará.

Figura 5. Números de oxidación más comunes del manganeso.

En la Figura 5 también se puede apreciar que el manganeso en el dióxido de manganeso (MnO2), tiene estado

de oxidación IV, por lo que dependiendo con qué sustancia reaccione, puede oxidarse (y pasar a Mn VII o a Mn VI). o reducirse y llegar a manganeso II o a Mn metálico, por lo tanto, esta sustancia es un anfolito, ya que puede ser tanto oxidante como reductora. El manganeso II y el manganeso VI también pueden comportarse como oxidan-tes o como reductores, dependiendo de la especie con la que reaccionen.

0 2+ 4+ 7+6+

Mn MnO2

MnO2− MnO4

Mn2+


75

Pida a los estudiantes que siguiendo el criterio explicado anteriormente, clasifiquen como oxidantes, reductores o anfolitos, a las sustancias que se presentan en la tabla del Anexo 6, cuyas respuestas son:

Sustancia Oxidante Reductora Anfolito Explicación

K2Cr

2O

7X

El cromo está en su máximo número de oxidación (VI).

Zn° X El Zn tiene número de oxidación 0.

H2O

2X

El oxígeno, que tiene número de oxidación 1-, puede pasar a 2- (se reduce) o a 0 (se oxida).

H2SO

4X

El azufre está en su máximo número de oxidación (VI).

Fe3+ XEstá en su máximo número de oxidación, sólo puede reducirse.

Fe2+ XEstado de oxidación intermedio, puede oxidarse o reducirse.

Na° X Está en su mínimo estado de oxidación.

HCl X

El H+ es oxidante y el Cl- reductor. Si el que reacciona es el Cl- se obtiene Cl

2, por un

proceso de oxidación. Si reacciona el H+ se obtiene H

2, por un proceso de reducción.

A continuación, muéstreles nuevamente las disoluciones de manganeso en sus diferentes estados de oxidación, para que las tengan presentes. Una vez que los estudiantes asocian los colores de diferentes sustancias con su número de oxidación, procedan a balancear ecuaciones como la siguiente.

KMnO4 (ac) + H

2SO

4 (ac) + H

2O

2 (ac) → MnSO

4 (ac) + K

2SO

4 (ac) + O

2 (g) + H

2O (l)

Escriba la ecuación anterior en el pizarrón y pregunte a los alumnos qué se observará al llevarse a cabo la reac-ción. Podrán predecir que desaparecerá el violeta del permanganato de potasio y que se observará el despren-dimiento de un gas. Realice usted la reacción en un tubo de ensayo grande, de manera que sea visible para todo el grupo. Ahora los estudiantes podrán comprobar si sus predicciones fueron o no correctas. Cabe hacer notar que esta actividad, a pesar de ser tan sencilla, resulta muy del agrado de los alumnos.

Podrán decir también que el oxidante es el permanganato de potasio y que el agua oxigenada, que puede ser oxidante o reductor, en este caso será reductor. Al analizar el ácido sulfúrico, verán que el azufre está en su máximo estado de oxidación y el H+ también es oxidante y por lo tanto el ácido sulfúrico actúa como oxidante.

Para balancear una ecuación por el método del ion electrón en medio ácido, se hace lo siguiente:

1. Escribir la ecuación con las especies como se encuentran en disolución acuosa:

K+(ac) + MnO4

-(ac) + H+ +

SO

4 2- (ac) + H

2O

2 → Mn2+ + SO

42-(ac) + K+ +

SO

4 2- + O

2(g) + H

2O (l)


76

2. Identificar las especies en donde hay cambio en el número de oxidación y escribir las semi-ecuaciones correspondientes:

(agente oxidante) MnO4

-(ac) → Mn2+(ac) Semi-ecuación de reducción

(agente reductor) H2O

2 → O

2 (g) Semi-ecuación de oxidación

3. Realizar el balance de masa: los oxígenos se balancean con agua y los hidrógenos con H+

8H+ + MnO4

-(ac) → Mn2+(ac) + 4H2O

H2O

2 → O

2 (g) + 2H+

4. Efectuar el balance de carga. Las cargas se balancean agregando electrones del lado que sea necesario:

8H+ (ac) + MnO4

-(ac) + 5e- → Mn2+(ac) + 4H2O (l)

H2O

2 (l) → O

2 (g) + 2H+ (ac) +2e-

Haga notar a los alumnos que los cinco electrones agregados en la semi-ecuación de reducción son los que gana el permanganato, para que el manganeso pase de VII a II. De la misma forma, en la semi-ecuación de oxi-dación, cada molécula de peróxido de hidrógeno pierde dos electrones y el oxígeno pasa de estado de oxidación menos I a cero.

5. Como en un proceso redox, el número de electrones perdidos por una especie es el que gana la otra, es necesario igualar el número de electrones que se intercambian, multiplicando la ecuación de reducción por 2 y la de oxidación por 5:

8H+ (ac) + MnO4

-(ac) + 5e- → Mn2+(ac) + 4H2O (l) x 2

H2O

2 (l) → O

2 (g) + 2H+ (ac) +2e- x 5

6. Sumar las semi-ecuaciones:

16H+ (ac) + 2MnO4

-(ac) + 10e- → 2Mn2+(ac) + 8H2O (l)

5H2O

2 (l) → 5O

2 (g) + 10H+ (ac) +10e-

16H+ (ac) + 2MnO4

-(ac) + 10e- + 5H2O

2 (l) → 2Mn2+(ac) + 5O

2 (g) + 8H

2O + 10H+(ac) +10e-


77

7. Que se puede escribir, después de simplificar términos, de la siguiente manera:

6H+ (ac) + 2MnO4

-(ac) + 5H2O

2 (ac) → 2Mn2+ (ac) + 5O

2 (g) + 8H

2O (l)

8. Finalmente, se escribe la ecuación en forma molecular:

2KMnO4 (ac) + 3H

2SO

4 (ac) + 5H

2O

2 (ac) → 2MnSO

4 (ac) + K

2SO

4 (ac) + 5O

2 (g) + 8H

2O (l)

Pedir a continuación a los estudiantes que balanceen las siguientes ecuaciones (ver Anexo 7), después de reali-zarlas sobre una superficie plástica o bien en una caja petri de vidrio, utilizando una o dos gotas de cada uno de los reactivos indicados a continuación:

a. K 2

Cr2O

7 (ac)+ KI (ac) + H

2SO

4(ac) → Cr

2(SO

4)

3 (ac) + K

2SO

4(ac) + I

2(s) + H

2O(l)

b. KMnO4 (ac)+ H

2SO

4 (ac) +

Na

2C

2O

4 (ac) → MnSO

4 (ac)+ CO

2 (g)+ Na

2SO

4 (ac) + K

2SO

4 + H

2O(l)

c. H2SO

4 (ac) + (VO

2)

2SO

4 (ac)+ Zn(s) → VSO

4(ac) + ZnSO

4 (ac) + H

2O (l)

d. KMnO4 (ac)+ H

2SO

4 (ac)

+ FeSO

4 (ac)→ MnSO

4 (ac)+ K

2SO

4 (ac) + Fe

2(SO

4)

3(ac)+ H

2O (l)

Se puede hacer también en tubos de ensayo de forma demostrativa como experimento en el aula.

Para balancear ecuaciones redox por el método del ion electrón en medio básico, podemos seguir el procedi-miento descrito anteriormente, pero con cuidado de eliminar los H+ resultantes, agregando el número necesario de OH- en ambos lados de la ecuación química como se indica en el siguiente ejemplo:

Se propone realizar la reacción representada por la siguiente ecuación:

Na[Cr(OH)4] (ac) + H

2O

2 (l) + NaOH (ac) → Na

2CrO

4 (ac) +H

2O (l)

verde amarillo

Para obtener el Na[Cr(OH)4] , se agrega hidróxido de sodio a una disolución de alguna sal de cromo (III). Se ob-

tiene primero un precipitado de hidróxido de cromo (III), que al agregar unas gotas más de hidróxido de sodio, pasa a formar el complejo, que es soluble. La disolución queda de color verde. A esta disolución se le agrega agua oxigenada (al 10%) y se formará el cromato de sodio, de color amarillo.

Para balancear esta ecuación seguiremos los mismos pasos que se mencionaron anteriormente para el balanceo de ecuaciones en medio ácido:

1. Escribir la ecuación con las especies como se encuentran en disolución acuosa:

Na+(ac) + Cr(OH)4

- + H2O

2 + Na+ + OH- → Na+ + CrO

42- + H

2O


78

2. Identificar las especies en donde hay cambio en el número de oxidación y escribir las semi-ecuaciones correspondientes:

(agente reductor) Cr(OH)4

- → CrO4

2- Semi-ecuación de oxidación

(agente oxidante) H2O

2 →

H

2O Semi-ecuación de reducción

3. Realizar el balance de masa: los oxígenos se balancean con agua y los hidrógenos con H+

Cr (OH)4

- → CrO4

2- + 4H+

2H + + H2O

2 →

H

2O + H

2O

4. Efectuar el balance de carga: las cargas se balancean con electrones:

Cr(OH)4

- → CrO4

2- + 4H+ + 3e-

2e- + 2H + + H2O

2 →

H

2O + H

2O

5. Igualar el número de electrones que se intercambian, multiplicando por 2 la ecuación que representa la oxidación y por tres la de reducción, sumar la dos semi-ecuaciones y realizar las simplificaciones correspondientes:

Cr(OH)4

- → CrO4

2- + 4H+ + 3e- x 2

2e- + 2H + + H2O

2 →

H

2O + H

2O x3

Lo cual resulta:

2Cr(OH)4

- → 2CrO4

2- + 8H+ + 6e-

6e- + 6H + + 3H2O

2 +

6H

2O

2Cr(OH)4

- + 3H2O

2 → 2CrO

42- + 2H+ + 6H

2O

6. Para eliminar los protones, que en medio básico no pueden existir, agregar 2OH- de cada lado de la ecua-ción, quedando como:

2OH- + 2Cr(OH)4

- + 3H2O

2 → 2CrO

42- + 2H+ + 2OH- + 6H

2O

2H2O

s


79

7. Por último, escribir la ecuación ya balanceada, en forma molecular:

2NaOH + 2Na[Cr(OH)4] + 3H

2O

2 → 2Na

2CrO

4 + 8H

2O

De esta forma, los estudiantes sólo tienen que aprender un método para balancear las ecuaciones, ya sea en medio ácido o en medio básico.

Como última actividad para este tema, solicite a los alumnos que realicen el siguiente experimento, para el cual sólo necesitan colocar una lenteja de hidróxido de potasio sobre una servilleta de papel, que a su vez esté sobre un vidrio de reloj y agregarle una gota de permanganato de potasio. En la servilleta aparecerá un hermoso color verde, debido a la formación del ion manganato (MnO

42-). No se percibe el desprendimiento del oxígeno, debido

a la pequeña cantidad de sustancias utilizadas.

A continuación pídales que balanceen la ecuación para la reacción anterior:

KMnO4 (ac) + KOH (ac) → K

2MnO

4 (ac) + O

2 (g) + H

2O (l)

Para evaluar los aprendizajes de esta serie de actividades, habrá que fijarse en que los alumnos hagan prediccio-nes correctas asociando los números de oxidación de las especies con su color, así como que balanceen correc-tamente por el método del ion electrón.

Actividad 5. Evaluación final

Finalmente, se propone una evaluación final de los conceptos principales en esta secuencia, aplicando el cues-tionario que se muestra en el Anexo 8. Si se pidió a los alumnos que reunieran sus cuestionarios de cada ac-tividad, el profesor cuenta con un portafolios de evidencias de aprendizaje que se pueden revisar junto con el estudiante para detectar sus avances.

Se incluyen dos actividades experimentales más (Anexo 9) como propuestas para reconocer diferentes tipos de reacciones químicas (ácido base, óxido reducción, precipitación y formación de complejos) e identificar los productos formados a través de reacciones específicas. El manejo didáctico sugerido se explica en el Anexo 10.


80

REFERENCIAS

Atkins, P. W. (2005). “Skeletal chemistry”, Education in Chemistry, 42(1), 20 y 25.

Ben-Zvi, R., Eylon, B.S. y Silberstein, J. (1987). Students’ visualization of a chemical reaction, Education in Che-mistry, 24(4), 117-120.

Borsese, A. y Esteban, S. (1998). “Los cambios de la materia, ¿deben presentarse diferenciados como químicos y físicos?”, Alambique. Didáctica de las Ciencias Experimentales,17, julio, 85-92

Caamaño, A. (2003), La enseñanza y el aprendizaje de la química, en Enseñar ciencias, n° 176, Graó, Madrid, 212-221.

Garritz, A. (1997). La química y los contenidos escolares, pp. 19-38 en González, J., León, A. I. y Venegas, N. (Eds.) Contenidos Relevantes en Ciencias Naturales para la Educación Básica, México: Fundación SNTE para la Cultura del Maestro Mexicano (ISBN 970080074-1).

Garritz, A. (1998). Una propuesta de estándares nacionales para la educación científica en el bachillerato. La corriente educativa Ciencia-Tecnología-Sociedad, Ciencia (Academia Mexicana de Ciencias), 49(1), 27-34.

Garritz R., A., Gasque, L. y Martínez, A. (2005), Química Universitaria, Pearson Educación, México, capítulo 1.

Gillespie, R. J. (1997). The Great ideas of chemistry, Journal of Chemical Education, 74(7), 862-864.

Gómez Crespo, M. A. (1992), La estructura de los conocimientos previos en Química: una propuesta de núcleos conceptuales. Investigación en la Escuela,18, 23-40.

Hernández, G. y López, N.M. (2009). Obstáculos para la construcción del concepto reacción química. Una pro-puesta para superarlos. METL 2, papeles del Seminario de Investigación Educativa. México: Facultad de Química, UNAM. ISBN 978-607-02-1411-0

Hernández, G; Irazoque, G.; Carrillo, M.; López, N. y Nieto, E. (2010), Sorprender no es suficiente. 30 experimen-tos de aula. México: Facultad de Química, UNAM, ADN editores.

Johnstone, A. H. (1993), A changing response to changing demand. Journal of Chemical Education, 70(9), 701-705.

Kind, V. (2004), Más allá de las apariencias. Ideas previas de los estudiantes sobre conceptos básicos de química. México: Aula XXI, Santillana, capítulo 5.

Mortimer, E. F. y Miranda, L. C. (1995). Transformações: concepções dos estudantes sobre reações químicas, Química Nova na Escola, 2, 23-26.

Mortimer, E. F. (2000). Introduçao ao estudo da química, vol. 1. Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Ho-rizonte, Brasil.

Mulhall, P.; Berry, A. y Loughran, J. (2003). “Frameworks for representing science teachers’pedagogical content knowledge”, Asia Pacific Forum on Science Learning and Teaching, 4(2), art. 2 (disponible en http://www.ied.edu.hk/apfslt/v4_issue2/mulhall/index.htm#contents). Consultado el 19 de mayo de 2016.

Reyes, F. y Garritz, A. (2006) Conocimiento Pedagógico Del Concepto De “Reacción Química” En Profesores Universitarios Mexicanos. Revista Mexicana de Investigación Educativa, octubre-diciembre, año/vol. 11, (031) Distrito Federal: COMIE, 1175-1205


81

Robinson, W.R. (1999), A view of the science education research literature: student understanding of chemical change, Journal of Chemical Education, 76(3), 297-298.

Sanmartí, N. (2007), 10 Ideas clave. Evaluar para aprender, Barcelona, España, Editorial Graó.

Schummer, J. (2004). Editorial: substances versus reactions, International Journal for Philosophy of Chemistry, 10 (1), 3-4.

Spencer, J. N. (1992). General chemistry course content, Journal of Chemical Education, 69(3), 182-186.

Taber, K. (2004), Chemical misconceptions – prevention, diagnosis and cure. Volume II: classroom resources. Lon-don, UK, Royal Society of Chemistry.


82

Anexo 1

Actividad 1. ¿Cambio físico o cambio químico?

1. Completa la siguiente tabla:

Fenómeno¿Hay un cambio

de color?

¿Se requiere energía

calorífica?

¿Hay cambio de estado?

¿Hay un cambio en la forma?

¿Se trata de un cambio físico

o químico?

Quemar madera o papel

Derretir hielo

Calentar hierro al rojo vivo

Mezclar alcohol con agua

Disolver sal de mesa en agua

Ennegrecimiento de una manzana

Hacer palomitas de maíz

2. Anota aquí las definiciones acordadas en tu grupo para:

a) Cambio físico

b) Cambio químico

3. De acuerdo con lo anterior, explica qué respuesta(s) cambiarías en la tabla.


83

Anexo 2

Actividad 2. ¿Cómo saber que ocurre una reacción química?

Después de escuchar la descripción del profesor acerca del experimento que realizará, responde a lo siguiente.

1. ¿Qué crees que va a ocurrir?

A continuación se llevará a cabo el experimento. Observa cuidadosamente lo que ocurre y registra todas tus observaciones.

2. Describe las características de los reactivos que se utilizaron.

3. Describe los cambios que ocurren en el interior del tubo.

4. ¿Cómo explicarías la presencia del polvo blanco dentro del tubo?


84

Anexo 3

Actividad 2. Representando a las reacciones químicas

1. Describe desde el punto de vista macroscópico (lo que percibiste), el proceso de formación del cloruro de amonio a partir del amoniaco y del cloruro de hidrógeno.

2. Representa por medio de un dibujo cómo ocurre la formación del sólido, utilizando el modelo cinético molecular (nivel nanoscópico).

3. Representa por medio de una ecuación química el cambio observado (nivel simbólico).


85

Anexo 4

Actividad 3. ¿Se conserva algo durante el cambio?

1. Como parte de su tarea, Rebeca debe balancear la ecuación química para la reacción de síntesis del agua (H

2O), así que la entrega escrita de la siguiente manera:

H2 (g) + O

2 (g) → H

2O

2 (l)

¿Estás de acuerdo con lo que hizo? ¿Por qué?

2. Observa los siguientes esquemas.

a)

b)Mg** Mg** Mg**Mg**

Mg** Mg** Mg** Mg**Mg**

Mg** Mg** Mg**Mg**

Mg** Mg** Mg** Mg**Mg**

Mg** Mg** Mg**Mg**

antes después

antes después

ESQUEMAS MODIFICADOS DE TABER

Esquemas modificados de Taber (2004).


86

¿Representan reacciones químicas? ¿Por qué?

3. Un alumno colocó ácido clorhídrico en un vaso de precipitados y disolución de nitrato de plata en otro vaso. Los pesó y registró que la masa total era de 95 gramos. Luego agregó el ácido al nitrato de plata y volvió a colocar el vaso vacío en la balanza. Observó que se formó un sólido de color blanco. ¿Cuál es la masa final del sistema?

a) Mayor a 95 g

b) Igual a 95 g

c) Menor a 95 g

Explica por qué elegiste esa respuesta:


87

Anexo 5

Actividad 4. Identificación de reacciones redox

1) Revisa las siguientes ecuaciones químicas e identifica a las que se refieran a procesos de óxido reducción. Explica cómo las identificaste.

i) Cr2O

7 2- (ac)+ OH- (ac) → 2 CrO

4 2- (ac)+ H+ (ac)

ii) KOH (ac) + HNO3 (ac) → KNO

3 (ac) + H

2O (l)

iii) CuSO4 (ac) + Zn (s) → Cu0 + ZnSO

4 (ac)

iv) CaCO3 (s) → CaO (s) + CO

2 (g)

v) 2 H2 (g) + O

2 (g) → 2 H

2O (g)

vi) Cl2 (ac) + 2 KI (ac) → I

2 (s) + 2 KCl (ac)

2) De acuerdo con tu respuesta anterior, explica qué es una reacción de óxido reducción (o redox).


88

Anexo 6

Actividad 4. ¿Cuál es oxidante? ¿Cuál es reductor?

1. Clasifica a las siguientes especies químicas como oxidantes, reductoras u oxidantes y reductoras, explica por qué las identificas como tales.

Sustancia Oxidante Reductora Anfolito Explicación

K2Cr

2O

7

Zn°

H2O

2

H2SO

4

Fe3+

Fe2+

Na°

HCl

2. Indica tres ejemplos, diferentes a los de la tabla anterior, de sustancias oxidantes, reductoras o anfolitos, y explica los ejemplos elegidos.


89

Anexo 7

Actividad 4. Balanceo de ecuaciones por el método del ion electrón

1. Balancear las siguientes ecuaciones que representan reacciones en medio ácido, por el método del ion electrón, indicando en cada una de ellas cuál es el oxidante, el reductor y los procesos de oxidación y re-ducción. Anotar también los cambios que se observarían al realizar cada una de ellas (desprendimiento de gas, cambio de coloración, etcétera).

a. K2Cr

2O

7 (ac)+ KI (ac) + H

2SO

4(ac) → Cr

2(SO

4)

3 (ac) + K

2SO

4(ac) + I

2(s) + H

2O(l)

b. KMnO4 (ac)+ H

2SO

4 (ac) + Na

2C

2O

4 (ac) → MnSO

4 (ac)+ CO

2 (g)+ Na

2SO

4 (ac) + K

2SO

4 + H

2O (l)

c. H2SO

4 (ac) + (VO

2)

2SO

4 (ac)+ Zn(s) → VSO

4(ac) + ZnSO

4 (ac) + H

2O (l)

d. KMnO4 (ac)+ H

2SO

4 (ac) + FeSO

4 (ac) → MnSO

4 (ac)+ K

2SO

4 (ac) + Fe

2(SO

4)

3(ac)+ H

2O (l)

2. Balancear las siguientes ecuaciones, que representan reacciones que se llevan a cabo en medio básico, por el método del ion electrón, indicando en cada una de ellas cuál es el oxidante, el reductor y los procesos de oxidación y reducción. Anotar también los cambios que se observarían al realizar cada una de ellas (desprendimiento de gas, cambio de coloración, etcétera).

a. KMnO4 (ac) + KOH (ac) → K

2MnO

4 (ac) + O

2 (g) + H

2O (l)

b. KMnO4 (ac) + H

2O (l) + KI (ac) → MnO

2 (s) + KOH (ac) +KIO (ac)


90

Anexo 8

Actividad 5. Cuestionario final

1. Explica qué es una reacción química.

2. Cuatro moles de amoniaco gaseoso y siete moles de oxígeno molecular se unen para formar seis moles de agua líquida y cuatro moles de óxido de nitrógeno (IV).

a. Traduce el enunciado anterior a una ecuación química balanceada.

b. Dibuja cómo estarían las partículas de reactivos y productos en la reacción anterior.

3. Determina el número de oxidación del elemento que aparece en negritas en cada una de las siguientes fórmulas:

a) KMnO4 _________

b) As2S

5 _________

c) K4P

2O

7 _________

d) NaAuCl4 _________

e) Ca(ClO2)

2 _________


91

4. De las siguientes ecuaciones químicas, señala aquellas que se refieran a procesos de óxido reducción.

a) KOH (ac) + HNO3 (ac) → KNO

3 (ac) + H

2O (l)

b) CuSO4 (ac) + Zn (s) → Cu0 + ZnSO

4 (ac)

c) CaCO3 (s) → CaO (s) + CO

2 (g)

d) 2 H2 (g) + O

2 (g) → 2 H

2O (g)

e) Cr2O

7 2- (ac)+ OH- (ac) → 2 CrO

4 2- (ac)+ H+ (ac)

f) Cl2 (ac) + 2 KI (ac) → I

2 (s) + 2 KCl (ac)

5. Explica cómo es que las identificaste (¿por qué son reacciones redox?).

6. Identifica al elemento que se oxida y al que se reduce en la siguiente ecuación química. También indica qué sustancia es el agente oxidante y cuál es el agente reductor:

Hg (s) + HNO3 (ac) → Hg(NO

3)

2 (ac) + NO (g)

7. Completa la siguiente tabla con lo que se pide.

Tipo de reacción Ejemplo

Ácido-base

Zn + 2HCl → H2 + ZnCl

2

Descomposición

AgNO3 + NaCl → AgCl + NaNO

3

CoCl2 + 2 HCl → [CoCl

4]2- + 2 H+

Formación de un precipitado


92

8) Balancea la siguiente ecuación química por el método del ion-electrón en medio ácido.

KMnO4 (ac)+ H

2SO

4 (ac) + FeSO

4 (ac) → MnSO

4 (ac)+ K

2SO

4 (ac) + Fe

2(SO

4)

3(ac)+ H

2O (l)

9) Balancea la siguiente ecuación química por el método del ion-electrón en medio básico.

KI (ac) + KMnO4 (ac) + H

2O (l) → MnO

2 (s) + KOH (ac) +KIO (ac)


93

Anexo 9

Cuando no es evidente lo que se forma (alumno)

Reúnete en equipo y realicen los siguientes experimentos.

Necesitan: 2 cajas Petri, goteros, una hoja blanca, papel absorbente, blanqueador para ropa (NaClO al 5%), Na

2SO

3 0.4 M (recién preparada), KI 0.1M, H

2SO

4 1M, KSCN 0.1M, BaCl

2 0.2 M, Fe(NH

4)

2(SO

4)

2 0.1 M, amoniaco

concentrado y extracto de col morada o indicador universal.

Experimento N°1

Coloquen dentro de una caja Petri una gota de las siguientes disoluciones: sulfato ferroso amoniacal (Fe(NH

4)

2(SO

4)

2), sulfito de sodio (Na

2SO

3),

yoduro de potasio (KI), jugo de uva artificial y un trozo de pétalo

de una flor roja y en el centro de la caja dos gotas de blanqueador comercial (NaClO), como se muestra en la siguiente figura.

�1 gota de blanqueador + 1 gota de H2SO4

�Pétalo de flor

�Jugo de uva

�1 gota de Na2SO3(ac)

�1 gota de Fe2+(ac)�1 gota de Kl(ac)

MUESTRA

Enseguida agreguen una gota de ácido sulfúrico sobre la gota de blanqueador y tapen rápidamente la caja Petri,

esperen 10 minutos antes de destapar y registren lo que observaron.


94

De acuerdo con sus observaciones, ¿en cuál(es) experimentos ocurrió una reacción química?

Nº Combinaciones Evidencias de que ocurrió una reacción química

Experimento N°2

Después de terminar el experimento anterior, agreguen una gota de tiocianato de potasio en la gota Nº 2 y una gota de la disolución de cloruro de bario sobre la gota Nº 3.

Registren los cambios que observen.

¿Consideran que hubo reacciones químicas? ¿Por qué?

En la siguiente tabla escriban una ecuación balanceada para cada una de las reacciones que realizaron en los dos experimentos anteriores y clasifíquenlas como redox, ácido-base, formación de complejos o precipitación.

Reacción Ecuaciones químicas Tipo de reacción

1

2

3

4

5

6

7

8


95

Anexo 10

Cuando no es evidente lo que se forma (profesor)

Objetivos:

� Reconocer diferentes tipos de reacciones químicas (ácido base, óxido reducción, precipitación y forma-ción de complejos).

� Identificar los productos formados a través de reacciones específicas.

Se sugiere que los alumnos realicen esta actividad en el aula, trabajando en equipos y con la guía del profesor.

Pedir a cada equipo que realice el experimento Nº 1 de acuerdo con las indicaciones que se encuentran en la hoja del alumno (ver Anexo 9). Los alumnos contestarán cuáles combinaciones de reactivos dieron lugar a una reacción química, especificando las evidencias que fundamentan su respuesta.

En la siguiente figura se muestra cómo se aplicarán los reactivos en la caja Petri.

�1 gota de blanqueador + 1 gota de H2SO4

�Pétalo de flor

�Jugo de uva

�1 gota de Na2SO3(ac)

�1 gota de Fe2+(ac)�1 gota de Kl(ac)

MUESTRA

Aplicación de los reactivos en la caja Petri.

Reacción 1. La reacción que ocurre entre el hiploclorito de sodio y el ácido sulfúrico (centro de la caja) genera cloro gaseoso (Cl

2), que es la sustancia que al difundirse reacciona con todas las demás.

La ecuación iónica para la reacción 1 es:

ClO- + Cl- + 2H+ → Cl2 + H

2O


96

Los cambios notorios se dan en las reacciones 4 (decoloración del jugo), 5 (decoloración de la flor) y 6 (aparece coloración café). En las reacciones 2 y 3 no hay cambios perceptibles, por lo que será necesario realizar otras reacciones para identificar los productos que se forman, éste es el propósito del experimento Nº 2, en el que se agrega tiocianato de potasio al producto de la reacción 2 y cloruro de bario al resultado de la reacción 3.

A continuación se explican los cambios ocurridos en cada una de las seis reacciones.

Reacción 2: Oxidación del hierro (II) a hierro (III)

Ésta es una reacción de tipo redox, ya que el hierro cambia su número de oxidación de II (verde claro) a III (ama-rillo). La siguiente ecuación representa dicho cambio:

2 Fe2+(ac) + Cl2 (g) → 2 Fe3+ (ac) + 2 Cl- (ac)

Debido a que no se aprecia el cambio de coloración para el hierro, es necesario identificar al Fe3+ mediante una reacción específica, en este caso, con la adición de tiocianato de amonio o de potasio se forma un ion compuesto de coordinación de color rojo (tiocianatohierro (III)):

Fe3+ + SCN- → FeSCN2+

Ésta es una reacción de formación de complejos.

Reacción 3: Transformación de sulfito a sulfato

El sulfito de sodio se oxida a sulfato al contacto con el cloro:

SO3

2- + Cl2 + H

2O → SO

42- + 2 HCl

En esta reacción redox no hay cambios apreciables, por ello, la presencia del sulfato se confirma con la adición de cloruro de bario, produciendo un precipitado blanco:

Ba2 + SO4

2- → BaSO4 b

Éste es un ejemplo de reacción de precipitación.

Reacciones 4 y 5: Acción blanqueadora del cloro en colorantes vegetales

El cloro decolora los colorantes naturales de los jugos de frutas como fresas, cerezas, ciruelas, col morada, cebo-llas rojas, berenjenas y uvas que contienen antocianinas. El núcleo principal de las antocianinas son las antocia-nidinas, constituidas por tres anillos con dobles enlaces conjugados, los cuales son los responsables del color de las antocianinas. El cloro se adiciona en las dobles ligaduras dando lugar a sustancias incoloras. Éste también es un ejemplo de reacciones redox.

Reacción 6: Oxidación de yoduro a yodo

El yoduro se oxida a yodo de color café, de acuerdo con la siguiente ecuación:

I-(ac) + Cl2 (g) → I

2 (s) + Cl- (ac) Tipo de reacción: redox


97

ACTIVIDADES

Núm. actividad

Nombre Objetivo(s) Formato

1

¿Cambio físico o cambio químico?

Reconocer que no es fácil tipificar un fenómeno cono cambio físico o como cambio químico.

Presencial.

Anexo1. Ejercicio de indagación

2

¿Cómo saber que ocurre una reacción química?

Propiciar la construcción del concepto de reacción química, explicándolo inicialmente a nivel macroscópico y relacionándolo con el nivel nanoscópico y simbólico.

Hacer evidente la formación de nuevas sustancias, verificando el hecho mediante reacciones adicionales específicas.

Experiencia de cátedra (profesor)

Anexo 2. Actividad POE

Anexo3. Ejercicio de argumentación

3

¿Se conserva algo durante el cambio?

Mostrar que la masa se conserva durante una reacción química.

Representar los cambios químicos mediante ecuaciones balanceadas y usando el modelo cinético molecular.

Presencial.

Anexo 4. Ejercicio de argumentación

4

Balanceo de ecuaciones por el método de ion electrón

Identificar los números de oxidación que presentan los elementos en diferentes compuestos.

Identificar cuáles son reacciones de óxido-reducción.

Aprender a balancear ecuaciones químicas por el método del ion electrón.

Presencial con ejercicios

Anexo 5. Identificación de reacciones redox

Anexo 6. ¿Cuál es oxidante y cuál es reductor?

Anexo 7. Balanceo de ecuaciones

5Evaluación Evaluar lo aprendido en las cuatro actividades

anteriores.Presencial

Anexo 8. Cuestionario

6

Cuando no es evidente lo que se forma (actividad opcional)

Reconocer diferentes tipos de reacciones químicas (ácido base, óxido reducción, precipitación y formación de complejos).

Identificar los productos formados a través de reacciones específicas.

Presencial

Anexo 9. Trabajo grupal. Indagación

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