Aspectos didcticos: La vida cotidiana en el aula de Qumica

Prof. Gabriel Pinto CanGrupo Innovacin Educativa Didctica de la Qumica

Universidad Politcnica de Madrid

II Curso de divulgacin Los Avances de la Qumica y su Impacto en la Sociedad. 14 de octubre de 2010

Retos en enseanza de la Qumica- Innovaciones educativas:

- Aprendizaje basado en problemas / casos- Aprendizaje basado en la indagacin - Aproximaciones interdisciplinares (C-T-S)- Rediseo de contenidos (vida diaria)- Aprendizaje cooperativo: interdependencia positiva,

responsabilidad individual e interaccin simultnea

- Ordenadores grficos (mapas conceptuales)- Uso de TIC- Formacin en competencias:

- Genricas, transversales o transferibles- Especficas

- Crdito ECTS - Nuevas formas de evaluacin (portafolio, rbricas, )

Objetivos

Favorecer proceso de enseanza-aprendizaje

Promover la motivacin (alumnos y profesores)

Facilitar herramientas educativas (ECTS,

distintos niveles educativos y entornos, )

Compensar visin distorsionada de la Ciencia

Promover la interdisciplinariedad

Favorecer el pensamiento crtico

Colaborar en la formacin ciudadana (C-T-S-A)

Apartados: Propuesta de experimentos

Desarrollo de problemas

Planteamiento de cuestiones

Analogas

Ejemplos e imgenes

Qumica y medios de comunicacin

Resultados obtenidos

Enfriamiento del agua en cermica

)(aktV

S = dd

Coeficiente transferencia de materia Superficie de evaporacin a = A + S

Humedad absoluta del aire

Humedad de saturacin del aire

RV

h

A

S

R

V

hA

G

SL

RV

h

A

S

R

V

hA

G

SL

( )323 hhR33R

34V =

( )2h h R2A =( )h R2R2S =

V : Volumen (masa) ocupado por agua

A : Superficie lmina agua interior

S : Superficie esfrica mojada

+++

+=

tV)(aU

)SR4(])(273,15)[(273,15

)(aht

CV

WSL

24S

4G

SGCL

P

dd

f

dd

Aporte trmico por conveccin

Ganancia por radiacin desde la cmara esfrica seca al agua

Prdida de calor desde el interior del agua a superficie

Prdida de calor por evaporacin del agua

k = 88,0 kg / h m2

U = 22,0 kcal / h m2 Klamb = 62,8 kcal / h m2

(f = 0,74)

2,8 3,2 3,6

3,5

4,0

4,5 Ea = 12 kJ / molln

t (s

)

1000 / T (K)

H2O NaHCO3 (s) NaHCO3 (ac)

NaHCO3 (ac) Na+ (ac) + HCO3- (ac)

H2O R-COOH (s) R-COOH (ac)

R-COOH (ac) R-COO- (ac) + H+ (ac)

H+ (ac) + HCO3- (aq) H2CO3 (ac)

H2CO3 (ac) CO2 (ac) + H2O (l)

CO2 (ac) CO2 (g)

Cintica de disolucin comprimidos efervescentes

0 100 200 3000,0

0,3

0,6

0,9

50 C 40 C 30 C 20 C 5 C

Moi

stur

e up

take

(g w

ater

/g in

itial

wei

ght)

Time (min)

0 100 200 3000,0

0,3

0,6

0.0 M 0.5 M 1.0 M 3.0 M

Moi

stur

e up

take

(g w

ater

/g in

itial

wei

ght)

Time (min)

Rehidratacin osmtica de legumbresEcuacin de Peleg:

221

1

)()(

tkkk

tdtMd

+=

tkktMtM

++=

210)(

10

1)(ktd

tMd=

20.

1k

MM eq +=

3,2 3,4 3,6

-5,2

-4,8

-4,4

ln (i

nitia

l hyd

ratio

n ra

te)

1000 / T (K)

0 1 2 35

6

7

8

initi

al h

ydra

tion

rate

/ 10

00

NaCl concentration (M)

Ea = 19,5 0,9 kJ/mol

Burbujas formadas en jeringa

a.- Procedimiento (con fotografas y/o esquemas si es posible) y resultados obtenidos a tres temperaturas.

b.- Explicar por qu se cierra sola la jeringa, cuando se hace el vaco.

c.- Razonar los resultados.

d.- Comentar aspectos relacionadosque se consideren de inters.

Puede hervir el agua a T < 100C?

Fase vapor

Fase lquida

p V (m

m H

g)

Temperatura (C)

Bebidas autocalentables: ABP (J.A. Llorens Molina)

Problema: Existen bebidas autocalentables, como los cafs indicados en www.calientecaliente.es, basados es la disolucin exotrmica del CaCl2en agua. Deseamos calentar 75 mL de bebida en el envase, hasta 60 C (la temperatura ambiente es 20 C). Para fabricar el producto, con todo lo que implica (como diseo del envase) necesitamos saber la masa de CaCl2 a utilizar y el volumen necesario de agua para que se disuelva completamente.

Algunas normas para su desarrollo:1. Lo podis ir resolviendo en grupos de hasta 4 personas.2. Lo podis ir desarrollando con la ayuda de los contenidos del tema

Termodinmica y equilibrio qumico. Plazo de entrega: 3 semanas.3. Es importante que utilicis la tutora.4. En el siguiente enlace hay una completa relacin de datos

termoqumicos: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Tables/ttab.html

Bebidas autocalentables: indagacin dirigidaa.- Describir el recipiente y el proceso. b.- Sugerir cmo se conocen masas.c.- Estimar (tablas) el calor (kJ) desprendido y la temperatura (C) que alcanzar (Ce=1,0 cal/gC). d.- Comparar T final, experimental, y la indicada en vaso.e.- Enumerar las aproximaciones realizadas. f.- Con datos (tablas) de H (hidr.) de los iones y H(disol.) de la sal, estimar Uo y compararlo con bibliografa.

g.- Explicar el fundamento de las instrucciones:- Agitar 40 s boca abajo.- No perforar ni cortar envase.- Se autocalienta una vez.- No intentar calentar por otros medios: horno, microondas,

h.- Comentar ventajas e inconvenientes de los envases y proponer mejoras.

i.- Calcular la masa de sulfato de magnesio que generara el mismo calor.

j.- Razonar si sera posible utilizar el mismo diseo para enfriar una bebida.

k.- Con los datos se puede calcular densidad del chocolate (g/mL)?

l.- Comentar cualquier aspecto relacionado que se considere de inters.

Alcanza 105 C sin hervir!

Recipiente de polipropileno

Hueco con CaCl2Chocolate

Recipiente de aluminio

Membrana de aluminio

Agua

0,489 mol 82,9 kJ/mol = 40,5 kJ

9,69103 cal = 238,05 g 1,00 cal/molK T

T = 40,7 K

masa = (54,31 + 60,45 + 11,22 + 8,39 + 93,68) = 238,05 g

Propuesta de mejora del diseo(para evitar prdida de calor)

Plstico(polipropileno)

Conductortrmico Aislantetrmico

CaO(cal)

H2O

CaO (s) + H2O (l) Ca(OH)2

Con estos datos, y sabiendo que la eficiencia energtica de una central trmica de carbn es de 30-40 %, explicar cuantitativamente la relacin entre la energa solar suministrada (en kWh), y la emisin evitada (en kg CO2)

Reduccin emisin CO2 por empleo de energa solar

C (grafito) + O2 (g) CO2 (g)

H = -393,5 kJ/mol CO2

2

2

2/0,132

/044,044953

360037461COmolkJ

COmolkgCOkg

ss

kJ

=

x 0,3

x 0,4

-118

-157

Problemas de estequiometra con

medicamentos de hierro

Fe mg

g mg

Fe mol g

sal mol Fe mol

sal mol g sal g 00 . 80,

1 10

1 85 . 55

1 1

/ 93 . 178, 25630 . 0, 3 =

FeSO41,5 H2O

Fe mg 105

g 1 mg 10

Fe mol 1 g 85 . 55,

sal mol 1 Fe mol 1

sal mol 18,02)g / n (151,91 sal g 10 525 3 3 =

+

FeSO47 H2O

Problemas de estequiometra con

medicamentos de calcioNH

O O

O

CamgCamol

CamgCaCOmol

CamolCaCOmolg

CaCOg501101,40

11

/1,100250,1 3

33

3 =

CamggmgCamolgmol

Camolmolg

OHCaOHCg380/1000/08,405

/49,1551294,2 25467242 =

Fosfato clcico: Ca3(PO4)2 Ca(HPO4)?

Problemas con medicamentos de calcio

Problema de estequiometra de fertilizantes

Sodium borate for fertilizersSodium Tetraborate PentahydrateNa2B4O7 5H2OCAS No. 12179-04-3EC No. 215-540-4 EC Ferlilizer 15.2% boron (B) soluble in water Sodium borate for fertiliser applications Only to be used where there is a recognised need Do not exceed a maximum dose rate of 4 kg boron (26 kg Fertilizer) per hectare per year

B%84,14g1mg10

Bmol1g81,10

OH5OBNamol1Bmol4

OH5OBNamolg291,32OH5OBNag100 3

274227421-

2742 =

Composicin qumica de aguas mineralesInformacin (etiqueta):Componentes Frmula Contenido (mg/L)Bicarbonato HCO3- 80,22Cloruro Cl- 10,80Sulfato SO42- 3,41 Calcio Ca2+ 19,71Magnesio Mg2+ 3,75Potasio K+ 1,83Sodio Na+ 11,13Slice SiO2 28,6Residuo seco - 125

2 HCO3- (ac) CO32- (ac) + CO2 (g) + H2O (g)

118,7mg/LSuma de cargas (mmol/L): + 1,82 / 1,70

159,5 mg/L

Qu residuo queda si se evaporan 100 mL a temperatura ambiente?

Problemas con cloroisocianuratos (I)

C3Cl2N3O3Na (s) + 2 H2O (l) C3H3N3O3 (ac) + Na+ (ac) + ClO- (ac) + HClO (ac)

C3Cl3N3O3 (s) + 3 H2O (l) C3H3N3O3 (ac) + 3 HClO (ac)

N

N

N

O

OO

Cl

Cl

Na+

N

N

N

O

OO

Cl

Cl

ClN

N

N

O

OO

HH

H

C

NN

C CN

Na+

OO

Cl

O

Cl

-2+4

+1

0

0

+4+4

-2 -2

-3-2

-2

N

N

N

O

OO

Cl

Cl

N

N

N

O

OO

Cl

Cl

Resonancia

2

22

5,64

/71)(

1)(2/0,220

100

Clg

ClmolgHClOClOmol

ClmolNaDCCmol

HClOClOmolNaDCCmolg

NaDCCg

=

=

Estequimetra

N

N

N

O

OO

H

HH

N

N

N

O

OO

HH

H

Tautomera

Problemas con cloroisocianuratos (II)

Problema de emisin de CO2

C8H18 + 12,5 O2 8 CO2 + 9 H2O

km) 100en (L isooctano Consumo x Lkm) / COg(1,23kgCOg10

COkmolkg44,01

isooctanokmol

COkmol8kg114,22

isooctanokmol1Lkg75,0

km100km)(L/100isooctanoConsumoCOEmisin

223

2

22

=

=

Gasoil (C12H26) y d = 0,90 pte. = 27,8

Consumo de gasolina ( L / 100 km )

Emis

in

de C

O2

( g /

km )

Salto del aceitecaliente al aadir agua

a.- Comentar procedimiento y resultados (fotografas y/o esquemas).

b.- Buscar composicin, puntos de ebullicin normal y densidades del agua y del aceite de oliva (u otro). Otras temperaturas (punto de): humo, ignicin e inflamacin

c.- Razonar lo observado.

d.- Realizar un esquema o dibujo para explicarlo.

e.- Razonar cmo se disminuye en la prctica el efecto de que al frer alimentos salte el aceite.

f.- Comentar cualquier aspecto relacionado con la experiencia que se considere de inters (ej.: fuego causado en freidoras).

Aceite: triglicrido de cido oleico (cido cis-9-octadecadienoico), cido monoinsaturado (un doble enlace): C18H34O2(CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH)

Densidad aceite oliva: 0,90 g/mL. Medible en balanza de cocina. Punto de humo tpico: 160-240 C. El agua y el aceite de oliva no son miscibles.

Agua hirviendo Aceite El aceite flota

Aceite hirviendo Agua El agua salta

Precaucin frente a un fuegode aceite en la cocina

Cuestiones sobre la qumica de productos antipolilla

ClCl

OCH 3

C H 3CH 3

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

C C

CH

CH3 CH3

CH3CH3 O

OCH

CH

CH

CH3 CH2CH3empentrina

O

OO

CH3CH3

CHCl

Cl

permetrina

Aprendizaje cooperativo

Casos. Ejemplos:

- Cuantificar las ventajas e inconvenientes de reciclar el vidrio(tmese como ej. 1,0 kg con una composicin determinada).

- Cuantificar las ventajas e inconvenientes de reciclar el aluminio (tmese como ej. 1,0 kg).

Por qu se recicla el Al?

Analoga para tamaos atmicos e inicos

Ejemplos e imgenes

- Motivo emisin (aniversario, imagen, )

- Qu representan espacios coloreados y sus dimensiones?

- Significado e importancia histrica cuadrados blancos

2 febrero 2007

Piet Mondrian

2 NaN3 (s) 2 Na (s) + 3 N2 (g)

2 H2O2 2 H2O (g) + O2 (g) + calor

catalasa

Qumica y medios de comunicacin (I)

O O

C C NH NHn

Compensacin visin distorsionada

Qumica y medios de comunicacin (II)Correccin de errores

Silicona Silicio

Gas hidrgeno sulfricoGas sulfuro de hidrgeno

Qumica y medios de comunicacin (III)Oportunidades educativas

Anlisis qumico C-T-S de un artculo de prensaEl primer coche espaol de hidrgeno (Pblico, 17 abril 2009):

a.- Resumirlo, resaltando sus aspectos cientficos y tecnolgicos.b.- Detectar, en caso de haberlos, errores, esencialmente de terminologa qumica.c.- Destacar lo que puede aportar la Qumica en cada etapa indicada. En el

caso del electrolizador y la pila, incluir las reacciones qumicas ajustadas que se producen y los valores de H y de G asociados.

d.- Indicar la tensin mnima hay que aplicar en el electrolizador (considrese condiciones estndar y explicar lo que implican).

e.- Comentar ventajas e inconvenientes de las tres opciones (Polonia, Francia y Espaa) para obtener la energa necesaria para el electrolizador. Si en alguna hubiera reaccin qumica, escribir la ecuacin correspondiente y su H.

f.- Seleccionar un anuncio de un automvil de gasolina y otro de gasleo (motor disel). Observar los datos de consumo de combustible (L/100 km) y emisin de CO2 (g/km) y explicar los valores en funcin de las reacciones que tienen lugar.

g.- Comentar ventajas e inconvenientes de automviles de hidrgeno frente a los convencionales, destacando las razones que impulsan su desarrollo.

Pas Solucin energtica

Polonia Carbn

Espaa Renovables

Francia Nuclear

OHCOOHC 222188 985,12 ++

kmCOkgCOkmolkg

HCkmolCOkmol

HCkmolkg

Lkg

kmL

/196,001,4418

1,114

74,0086,02

2188

2

188

=

OHCOOHC 2222612 13125,18 ++

kmCOkgCOkmolkg

HCkmolCOkmol

HCkmolkg

Lkg

kmL

/187,001,44112

1,170

85,0071,02

22612

2

2612

=

Mercedes CLK Cabrio: Motor gasolina Motor disel

Consumo (L / 100 km) 8,6 9,0 7,1 7,7

Emisin (g CO2 / km) 205 214 188 205

calculada 196 206 187 203

- Cuesta detectar errores.- Se razona poco (tpico: qu quiere el profesor que

yo conteste?):- Reaccin de fusin (!) nuclear.- Un inconveniente del carbn es que no se encuentra slo,

sino formando altropos como el diamante y el grafito.- Se emplea hidrgeno porque es el elemento ms abundante

del universo.- Condiciones normales / estndar.

- Se huye de la Qumica.- Es ms fcil copiar.- Empleo incorrecto de unidades (Kj, grs.,)

Sobre resultados de alumnos:

Pero tambin hay quien hace un trabajo excelente!

Campaign for Chemical Sciences

Aprovechamiento de recursos

y todo evitando dar visin mgicay complicada de la Ciencia!

Algunas consideraciones No existe la panacea educativa. Muchos alumnos prefieren problemas cerrados. Coste de tiempo, esfuerzo y riesgo, pero la labor es ms creativa. Es ms difcil cubrir el temario? Los cambios metodolgicos se recomiendan poco a poco. Opiniones de alumnos:

Nos ayuda a comprender mejor el mundo que nos rodea. Hace que la Qumica no slo sea resolver problemas en un papel. Se hace ms llevadera la asignatura al entender para qu la necesitas. Despierta inters y proporciona cultura, no slo conocimientos. Se ve as que la Qumica no son slo frmulas. Nos muestra que la Qumica vale para algo. Ayuda a ver que la Qumica no es slo una asignatura en el

laboratorio. Con lo que me aburre la Qumica, cualquier herramienta que la haga

ms amena merece la pena. Mi profesora de Qumica en bachillerato deca que "la Qumica es

todo", y as se puede aprender.

Pienso que en la enseanza no se tratade blanco o negro

y la Qumica nos ensea algo al respecto: