Models d’ordinador per entendre la química - xtec.cat · Hipòtesi inicial del treball....

Models d’ordinador per entendre la química

_____________ José Luis Diez Baldero Curs 2003 - 2004______________

Models d’ordinador per entendre la química

Memòria del treball realitzat durant el període de llicència retribuïda, concedida pel Departament d’Ensenyament de la Generalitat de Catalunya

(Resolució ENS/2139/2003, de 9 de juliol de 2003, DOGC núm 3926 de 16.7.2003)

Autor: José Luis Diez Baldero Professor de Física i Química IES Josep Brugulat de Banyoles. Supervisat per Carme González Azón i David Curcó Cantarell Professors del Departament d'Enginyeria Química Facultat de Química de la Universitat de Barcelona. Amb la col·laboració dels professors:

Isidre Colomer Plana, Rafel Juanola Bailina i Xavier Francisco Moreno de l'IES Josep Brugulat de Banyoles, i Josep Mª Aupí Miró, Angela Donoso Juliá, Enrique Curto Muñoz i Víctor Pérez García de l'IES Pere Alsius i Torrent de Banyoles.

Agraïments:

Jaume Serramitjana Nierga, llicenciat en informàtica Albert Bayot Fuertes, director de l'IES Josep Brugulat Esteve Masó Vilanova, coordinador d'informàtica de l’IES Josep Brugulat

Banyoles, Setembre 2004

Models d’ordinador per entendre la química Memòria

- 1 -

Índex

1. Introducció. ............................................................................................................... 2

1.1. Antecedents ...................................................................................................... 2

1.2. Explicació del tema............................................................................................ 2

1.3. Objectius. .......................................................................................................... 3

1.4. Hipòtesi inicial del treball. .................................................................................. 3

2. Treball dut a terme. ................................................................................................... 5

2.1. Disseny del pla de treball. ................................................................................. 5

2.2. Metodologia emprada........................................................................................ 6

2.3. Descripció dels recursos utilitzats...................................................................... 6

3. Resultats................................................................................................................... 8

4. Conclusions .............................................................................................................15

5. Relació dels materials continguts en els annexos. ...................................................16

6. Bibliografia. ..............................................................................................................17 Annexos


- 2 -

1. Introducció.

1.1. Antecedents

La dotació de mitjans informàtics als instituts i les prestacions dels ordinadors personals actuals abona la idea que la informàtica ha de ser una eina important en el desenvolupament de moltes classes, particularment en les assignatures científiques.

Existeixen diversos programes d’aplicacions científiques que permeten recollir dades experimentals (EXAO, SADEX, VACBA) i altres que fan presentacions de propietats com per exemple, els que mostren la Taula Periòdica dels elements químics. En la bibliografia es citen algunes pàgines Web que contenen programes de simulació de la teoria cinètica i les lleis dels gasos, o de la cinètica de les reaccions químiques, amb una breu indicació del que fa cadascun.

No s’han trobat però, programes que tractin de mescles i dissolucions, solubilitat o reaccions químiques, adequats pels nivells d’ESO i Batxillerat.

1.2. Explicació del tema.

Amb la intenció d’aportar un material que no existeix, o que no ha estat fins ara a l’abast de professors i alumnes, s’han preparat models d’ordinador que permeten fer simulacions o representacions de diferents situacions i fenòmens, referits a l’ensenyament de la química en els nivells de 1r i 2n cicle d’ESO i Batxillerat.

S’han fet unitats didàctiques amb propostes de simulació (experiències virtuals), exercicis a desenvolupar, càlculs i gràfiques a realitzar per l’alumne, amb l’ajuda dels models.

S’han fet les corresponents guies didàctiques per professor, per facilitar la inclusió d’aquestes unitats didàctiques en la programació i la utilització tant en les explicacions del professor com en les activitats de l’alumne, individualment o en grup.

S’han seguit tres línies temàtiques principals:

- els estats de la matèria,

- mescles i dissolucions i

- reaccions químiques,

que formen part del desenvolupament habitual d’aquests ensenyaments. Els models permeten el tractament d’aquests temes als diferents nivells: més descriptiu i qualitatiu, apropiat per presentar conceptes a 1r cicle d’ESO; amb equacions senzilles i gràfiques que representin variables d’estat per 2n cicle d’ESO; amb representacions i equacions de tipus estadístic per Batxillerat.

El model de laboratori virtual de gasos pretén ser un veritable simulador que permet una experimentació virtual. Els altres models són representacions de fenòmens que


- 3 -

compleixen amb l’objectiu d’ajudar a la compressió de conceptes. Amb la velocitat d’execució i la capacitat de memòria (RAM) dels ordinadors que ara es troben al mercat, es pot fer ús d’un nombre suficientment gran d’entitats individuals (partícules d’un gas, líquid o sòlid, molècules o ions d’una reacció,...) que permeten simular l’evolució de fenòmens fisico-químics amb prou realisme.

En el desenvolupament del currículum de Física i Química per ESO i Batxillerat cal fer ús d’experiències de laboratori, treballs en grup, ressaltar la incidència dels descobriments científics en la vida quotidiana aprofitant les notícies dels mitjans de comunicació i, també, i no en últim lloc, cal fer ús de les noves tecnologies com la informàtica per millorar la qualitat de l’ensenyament.

Aquest projecte aposta per la via informàtica com a eina per la millora de la qualitat. Els models d’ordinador, utilitzats d’una forma a la que l’alumne està força acostumat, permeten presentar i explicar conceptes, proposar experiències, manipular dades, obtenir resultats i elaborar conclusions i això pot incidir molt directament en la qualitat de l’ensenyament.

1.3. Objectius.

- Dotar els professors d’una eina per a l’ensenyament de la química als instituts de Secundària que, a través de la utilització de models d’ordinador, faciliti la comprensió de teories i conceptes com la teoria cinètica de la matèria, les característiques de les mescles i dissolucions o el desenvolupament de les reaccions químiques.

- Permetre els alumnes la simulació d’experiències i la representació de fenòmens químics a través de l’ordinador, canviant les dades inicials i observant els fenòmens que es produeixen, obtenint taules i representacions gràfiques que els permetin de contrastar els resultats que obtenen amb les prediccions de les lleis fisico-químiques.

- Integrar l’ús de les tecnologies de la informació dins l’ensenyament de la química, contribuint a millorar la qualitat de l’ensenyament per la via d’ampliar les eines a l’abast de professors i alumnes.

1.4. Hipòtesi inicial del treball.

L’ensenyament de la química a Secundària ha d’estar indubtablement recolzat amb la realització d’experiències al laboratori, per deixar ben palès que s’intenta explicar fenòmens i característiques de substàncies reals que podem tenim al nostre voltant. La química té, però, un fonament teòric que s’ha d’introduir de bon principi per tal d’assegurar una correcta comprensió dels fenòmens i del comportament de les substàncies com, per exemple, la teoria cinètica i atòmico-molecular o les equacions químiques.


- 4 -

És aquesta teoria la que, pel seu caràcter abstracte, requereix més esforç de comprensió per part de l’alumne i per donar-la a conèixer el professor, en la majoria de casos, no compta més que amb alguns models mecànics, la seva imaginació i la pissarra.

Disposar de models d’ordinador per simular i representar la teoria fonamental de la química a nivell d’ensenyament secundari, pot permetre el professor dotar de major rigor a les seves explicacions i comptar amb un aliat inestimable com és la informàtica, a l’hora d’introduir conceptes abstractes. Fins i tot, ja que els models són d’utilització individual, li pot facilitar l’atenció particular a la diversitat d’alumnes que es poden trobar en una classe.

Per l’alumne, disposar d’una eina familiar com és un programa d’ordinador, a través del qual pugui familiaritzar-se amb conceptes, fer càlculs i obtenir taules i gràfiques, pot suposar avançar a través de l’autoaprenentatge, treballant individualment o en petits grups.

Des de l’estiu 2002 he anat preparant programes de simulació dels estats de la matèria i els canvis d’estat que han estat utilitzats per diferents professors del departament de Física i Química de l’IES Josep Brugulat al llarg del curs 2002-2003. En la mesura que s’han començat a utilitzar aquests programes, els comentaris dels usuaris, professors i alumnes, han fet corregir errors i introduir modificacions i ampliacions.

Durant el curs 2003-2004 s’ha tractat de,

- millorar els models dels estats de la matèria i fer que alguns, com el de laboratori virtual de gasos, siguin veritables models matemàtics que permetin fer una autèntica experimentació virtual.

- fer els models de mescles i dissolucions, explicant diferents mètodes de separació de components, tractant en particular les dissolucions iòniques i l’equilibri de solubilitat.

- fer els models de reaccions químiques, detallant els diferents tipus, la cinètica i el desenvolupament d’algunes reaccions i l’equilibri químic.

- fer les unitats i guies didàctiques corresponents, per facilitar la seva aplicació.


- 5 -

2. Treball dut a terme.

2.1. Disseny del pla de treball.

El treball ha estat dividit en tres parts: els estats de la matèria, mescles i dissolucions, i reaccions químiques. Per cada part s’ha començat per fer una primera versió dels models amb les propostes de treball i les guies didàctiques i s’ha passat tot als professors col·laboradors. S’han provat exhaustivament els models i, recollint les opinions i comentaris dels col·laboradors, s’ha elaborat la versió definitiva.

En la confecció de la primera part, s’han fet proves amb diferents ordinadors per tal d’adequar al màxim el comportament dels models a les prestacions reals de cada ordinador. El resultat de les proves s’ha aprofitat per la confecció de la resta de models, tot i que s’han continuat provant en diferents ordinadors.

Un cop s’han tingut els models, s’ha preparat un menú on es pot triar el model que es desitja i s’han preparat les unitats didàctiques, afegint una introducció teòrica i un exemple d’elaboració d’informe a les propostes de treball ja elaborades.

Al final s’ha tornat a fer una revisió exhaustiva de tots els models, ja emmarcats dins del menú, introduint les últimes modificacions.

Temporització:

Setembre – Octubre 2003

Elaboració de la primera versió dels models dels estats de la matèria.

Novembre – Desembre 2003

Revisió dels models realitzats i elaboració de la versió definitiva.

Començar els models de mescles i dissolucions.

Elaborar les unitats i guia didàctiques dels estats de la matèria.

Gener – Febrer 2004

Acabar models de mescles i dissolucions, amb les unitats i guia didàctiques.

Març – Abril 2004 Fer els models de reaccions, amb les unitats i guies didàctiques.

Maig – Juny 2004 Revisió dels models i textos, introduint modificacions finals.

Juliol 2004 Elaboració de la Memòria amb el conjunt d’Unitats didàctiques i Guies de professor i el Resum del treball.


- 6 -

2.2. Metodologia emprada.

Els models s’han preparat utilitzant el llenguatge de programació Visual Basic. S’han emmarcat dins un menú que presenta les diferents opcions i que facilita la seva execució. S’ha procurat que les diferents pantalles tinguin una unitat de disseny: tipus de lletra, colors de fons, marcs de les finestres, etc.

Cal pensar que un ordinador pot tenir una velocitat de processador determinada, però aquesta pot venir modificada per circumstàncies com, treballar en xarxa o tenir oberts altres programes al mateix temps, com els residents antivirus. Així, no es pot partir de la velocitat nominal del processador per calcular el nombre òptim de partícules, sinó que cal fer una prova inicial del propi programa per determinar-la cada vegada. Amb això s’intenta aconseguir que la sensació de moviment sigui el més real possible. En tot cas, en tots els models hi ha la possibilitat de variar el nombre i el diàmetre de les partícules, per tal que puguin ser ajustats en cada moment per l’usuari. Per exemple, en el model de laboratori virtual de gasos, a partir del qual es poden extreure dades numèriques de pressió i temperatura (experimentació virtual), es dona un interval de temps prefixat de 10 s, en el que l’ordinador determina cadascuna d’aquestes dades. Aquest interval pot ser variat per l’usuari entre 5 i 30 s.

S’han preparat les unitats didàctiques referides als diferents nivells d’ensenyament, tenint en compte el currículum de cada nivell. En cadascuna es farà:

- una presentació teòrica resumida del tema que es tracti,

- una proposta detallada d’experiències a desenvolupar amb el programa, amb presa de dades i obtenció de resultats,

- una guia per a l’elaboració d’un informe amb les eines informàtiques convencionals com processador de textos o full de càlcul.

Els models han estat provats en diferents ordinadors per l’autor i pels professors de l’IES Josep Brugulat i l’IES Pere Alsius de Banyoles, segons consta en els recursos a utilitzar. Les unitats didàctiques s’han preparat tenint en compte l’experiència de l’autor i els comentaris dels professors col·laboradors.

S’han preparat guies didàctiques en les que s’expliquen les possibilitats dels models i es donen pautes per la seva utilització.

2.3. Descripció dels recursos utilitzats.

Maquinari informàtic:

- l’ordinador particular on he realitzat la major part del treball de confecció de models i elaboració de guies i unitats didàctiques,

- els mitjans informàtics de l’IES Josep Brugulat de Banyoles, que comprenen:

- ordinadors de diferents velocitats i resolucions de pantalla,

- ordinador portàtil amb projector

- canó de llum per ordinador


- 7 -

- impressores

Programari informàtic:

- propi: Windows XP i programes del seu entorn com Paint o el navegador Internet Explorer, PDF995, programa freeware que genera arxius .pdf.

- de l’IES Josep Brugulat: llenguatge de programació Visual Basic 6.0 i paquet Microsoft Office 2000, amb el processador de textos Word, el full de càlcul Excel i el programa de presentacions Power Point.

Recursos bibliogràfics:

- Biblioteca pròpia.

- Biblioteques de l’IES Josep Brugulat, de la Universitat de Girona (UdG) i la Universitat de Barcelona (UB).

Recursos humans:

Supervisió del projecte:

- Carme González Azón, Professora Titular i David Curcó Cantarell, Professor Associat, del Departament d’Enginyeria Química de la Facultat de Química, Universitat de Barcelona.

Prova dels models i les unitats didàctiques:

- Isidre Colomer Plana, Rafael Juanola Bailina i Xavier Francisco Moreno, del departament de Física i Química de l’IES Josep Brugulat de Banyoles.

- Josep Mª Aupí Miró, Angela Donoso Julià, Enrique Curto Muñoz i Víctor Pérez García, del departament de Física i Química de l’IES Pere Alsius i Torrent de Banyoles.

Altres col·laboracions:

- Jaume Serramitjana Nierga, Llicenciat en Informàtica, amb els seus consells.

- Albert Bayot Fuertes, Director i Esteve Masó Vilanova, Coordinador d’Informàtica de l’IES Josep Brugulat, facilitant la utilització dels recursos informàtics de l’IES Josep Brugulat.


- 8 -

3. Resultats

- Una col·lecció de dotze models d’ordinador, continguts en un CD i integrats en un menú, referits al temes i als nivells d’ensenyament que s’indiquen a continuació:

Els estats de la matèria:

- Els tres estats (Nivell 1r – 2n cicle ESO). - Canvis d’estat (Nivell 1r – 2n cicle ESO). - Laboratori virtual de gasos (Nivell Batxillerat). - Equilibri líquid-vapor (Nivell 2n cicle ESO - Batxillerat).

Mescles i dissolucions:

- Mescles sòlid-líquid (Nivell 1r – 2n cicle ESO). - Mètodes de separació (Nivell 1r – 2n cicle ESO). - Concentracions (Nivell 2n cicle ESO - Batxillerat). - Dissolucions iòniques (Nivell 2n cicle ESO - Batxillerat). - Equilibri de solubilitat (Nivell 2n cicle ESO - Batxillerat).

Reaccions químiques:

- Tipus (Nivell 2n cicle ESO - Batxillerat). - Cinètica (Nivell Batxillerat). - Equilibri químic (Nivell Batxillerat).

- Les unitats didàctiques corresponents als models anteriors, amb un resum de la matèria que es tracta, propostes d’experiències virtuals a desenvolupar, exercicis, càlculs i una guia d’elaboració de resums a fer per l’alumne.

- Les guies didàctiques, amb indicació de la forma d’utilitzar els models.

A continuació es detallen les línies principals dels diferents models:

Els estats de la matèria:

Els tres estats (Nivell 1r-2n cicle ESO):

Es presenten els tres estats de la matèria:

- El sòlid en forma de partícules disposades ordenadament que vibren en funció de la temperatura sense desplaçar-se de la posició d’equilibri. La forma externa del sòlid és un cub.

- El líquid en forma d’agrupació de partícules disposades desordenadament en l’interior d’un recipient i movent-se unes al voltant de les altres, més ràpidament quant més alta és la temperatura.


- 9 -

- El gas com partícules que es mouen lliurement en l’interior d’un recipient cúbic, més ràpidament quant més alta és la temperatura, xocant entre elles i contra les parets del recipient. S’indica la pressió a la que es troba el gas, calculada segons l’efecte dels xocs de les partícules contra les parets. En els tres estats es pot variar el nombre i el diàmetre de les partícules, congelar la imatge o marcar partícules determinades per observar el seu comportament individual.

En l’estat gasós es poden variar la temperatura o el volum i observar l’efecte que té sobre la pressió. Es poden fer taules de pressió, volum a temperatura constant i de pressió, temperatura a volum constant i les representacions gràfiques corresponents, seguint les lleis dels gasos ideals.

Canvis d’estat (Nivell 1r-2n cicle ESO):

Es representen els canvis de sòlid a líquid (fusió) i de líquid a gas (ebullició) i els corresponents canvis inversos (solidificació i liquació).

El sòlid es representa en un lloc diferent del líquid, amb el que, en la fusió, es pot veure l’esfondrament de l’estructura sòlida i la recollida del líquid en la part més baixa del recipient.

Fent variar lleugerament la temperatura al voltant dels punts de fusió o ebullició, es pot veure el pas d’un canvi d’estat al contrari, observant el comportament de les partícules.

Fent un canvi sobtat de temperatura de sòlid a gas, es pot representar la sublimació.

Es pot variar el nombre i el diàmetre de les partícules, congelar la imatge o marcar partícules determinades per observar el seu comportament individual.

Laboratori virtual de gasos (Nivell Batxillerat):

Model per l’estudi del comportament i les lleis dels gasos ideals. Es representa el gas dins d’un recipient cúbic. Es poden variar la temperatura i el volum i s’obté el valor de la pressió.

La temperatura i la pressió es determinen en funció del comportament de les partícules segons la teoria cinètica: la temperatura com variable proporcional a la velocitat quadràtica mitjana de les partícules, i la pressió com resultat de la variació de la quantitat de moviment en els xocs contra les parets, per unitat de superfície.


Cada vegada que es canvia una variable, temperatura o volum, el model espera un interval de temps per que el gas s’uniformitzi i després calcula la pressió i temperatura com la mitjana en el següent interval. L’interval predeterminat és de 10 segons, però es pot variar entre 5 i 30 segons.


- 10 -

Es poden obtenir taules de posicions i velocitats de totes o part de les partícules i fer la representació gràfica de les freqüències de les velocitats. Es poden seleccionar sectors del recipient del gas i estudiar la distribució estadística de la velocitat de les partícules, per sectors, o després de haver provocat compressions, variacions de temperatura, etc. Es poden obtenir taules de dades numèriques de pressió, volum i temperatura i fer representacions gràfiques de les parelles de variables: pressió i volum a temperatura constant, o pressió i temperatura a volum constant. Això permet la comprovació de les lleis dels gasos ideals amb aquest model virtual.

Equilibri líquid-vapor (Nivell 2n cicle ESO - Batxillerat):

Simula l’equilibri líquid-vapor de tres líquids, aigua, alcohol i benzina, en recipient tancat, en funció de la temperatura. A baixa temperatura, es veuen només unes poques partícules en fase vapor i a temperatura màxima es veuen moltes més, segons la pressió de vapor del líquid que es tracti. Es tracta d’un equilibri dinàmic ja que, contínuament, algunes partícules de vapor cauen a la fase líquida i algunes de líquid passen a la fase vapor.

Simulació de l’evaporació: Al pujar la temperatura, l’equilibri s’altera augmentant la velocitat de les partícules de la fase líquida i passant algunes més a la fase vapor.

Simulació de la condensació: Al baixar la temperatura, l’equilibri s’altera disminuint la quantitat de partícules en fase vapor, que van caient a la fase líquida.

Es pot variar el nombre i el diàmetre de les partícules, congelar la imatge o marcar partícules determinades per observar el seu comportament individual. Marcant totes les del líquid, o totes les del vapor, es posa de manifest l’intercanvi de partícules entre ambdues fases en l’equilibri. Es pot variar l’altura de líquid, presentant major o menor superfície d’intercanvi amb el vapor i observar la influència que això té en l’equilibri.

Es poden obtenir taules de pressió de vapor en funció de la temperatura i fer la representació gràfica corresponent, de cada líquid per separat o dels tres líquids junts, podent comparar volatilitats.

Mescles i dissolucions

Mescles sòlid-líquid (Nivell 1r-2n cicle ESO):

Model que mostra les diferències entre mescla homogènia i heterogènia i la preparació de dissolucions saturades dels tipus de sulfat cúpric, clorur sòdic i nitrat potàssic. El dissolvent es mostra com color de fons i els diferents soluts com a partícules de diferents colors.



- 11 -

També es pot disposar d’un cronòmetre, per mesurar el temps en el que es produeixen els processos de dissolució o dispersió.

Es tenen diferents opcions de preparació de mescles:

- Mescla de dissolvent i dos sòlids insolubles. Es veu el procés de mescla i la deposició posterior dels dos sòlids en el fons del vas.

- Mescla de dissolvent i un sòlid (A) soluble i un altre (B) insoluble. Les partícules A es reparteixen en el sí del líquid i les del B es dipositen en el fons del recipient.

- Mescla de dissolvent i dos sòlids solubles. Les partícules d’ambdós sòlids es reparteixen uniformement per tot el líquid.

Dissolució saturada: quan es tira molta quantitat d’un sòlid, encara que sigui soluble, s’arriba a la saturació. En aquest moment hi han moltes partícules de sòlid dissoltes en el líquid, però les del sòlid que es continua afegint comencen a precipitar quedant-se en el fons del recipient (saturació).

Es donen taules de quantitats màximes de les tres substàncies esmentades que es poden dissoldre en aigua a temperatures entre 20 i 70 ºC.

Mètodes de separació (Nivell 1r-2n cicle ESO):

Es presenten tres mètodes de separació dels components d’una mescla o dissolució, evaporació, filtració i cristal·lització.

Es pot variar el nombre i el diàmetre de les partícules, congelar la imatge o marcar partícules determinades per observar el seu comportament individual. També es pot disposar d’un cronòmetre, per mesurar el temps en el que es produeixen els processos de separació.

Es comença per preparar la mescla o dissolució, podent triar un solut de solubilitat semblant a sal comuna, pols de marbre, sulfat cúpric, pols de guix, sorra o nitrat potàssic. La temperatura es pot fixar entre 20 i 70 ºC.

Filtració: Es pot partir d’una mescla heterogènia o una dissolució. Es representa un embut amb un filtre i un vas per recollir el filtrat. L’embut es va emplenant fins que s’ha buidat el vas inicial. El dissolvent passa i el sòlid insoluble es queda en el filtre. En el cas d’una dissolució, passen pel filtre les partícules de solut i el dissolvent.

Evaporació: Es mostra com va desapareixent el dissolvent, quedant el sòlid en el fons del vas, de forma ben diferent si era mescla heterogènia o dissolució.

Cristal·lització: Opció disponible només per les dissolucions de sulfat cúpric i nitrat potàssic, en les que la temperatura afecta molt a la solubilitat. El procés té lloc en tres etapes: escalfament fins a 100 ºC, per assegurar la dissolució total del sòlid i poder donar lloc a la segona etapa, evaporació, amb una certa rapidesa. Un cop queda una part de dissolvent, per defecte 1/5 part, comença el procés de cristal·lització pròpiament dit, formant-se dos cristalls per agregació de les partícules de solut que s’acosten.


- 12 -

Concentració de les dissolucions (Nivell 2n cicle ESO - Batxillerat):

Es mostra per pantalla una dissolució, amb el dissolvent com color de fons i el solut com partícules que es mouen en el sí del líquid.

S’explicaran les diferents formes d’expressar la concentració de les dissolucions : %, g/L, Molaritat, molalitat i fracció molar.

S’han previst dues formes de treballar:

Es demana la forma de concentració que es vol calcular i, en funció d’aquesta, es demanen les dades necessàries. Es dona després el resultat del càlcul de la concentració.

Es demanen totes les concentracions i en funció de les dades aportades apareixen les concentracions que es poden calcular.

Per veure els resultats s’ha de prémer un botó, per tal de permetre que l’alumne pugui fer els càlculs abans i comprovar posteriorment els resultats.

Dissolucions iòniques (Nivell Batxillerat):

Es mostra la dissolució de diferents substàncies iòniques, com àcids (bòric, carbònic, nítric, fosfòric, sulfúric, fluorhídric, clorhídric, bromhídric i iodhídric), hidròxids (lític, sòdic, potàssic, rubídic, cèsic, beril·lic, magnèsic, càlcic, estròncic, bàric, aluminic i amònic) i sals (corresponents als anions i cations anteriors), presentant-les com a partícules i el dissolvent com color de fons.

Les partícules representen els ions positius (vermell) i negatius (blau), més nombrosos si la substància és soluble i elèctrolit fort i menys nombrosos en els casos contraris. La reacció d’ionització es mostra per pantalla. També es mostren els diàmetres de tots els ions disponibles.

Es pot variar el nombre de partícules, afinar el diàmetre per aconseguir que es vegin millor, congelar la imatge o marcar partícules determinades per observar el seu comportament individual.

En zoom es mostren els ions solvatats, o agregació de dipols de l’aigua als ions. Els ions petits, amb pocs dipols al seu voltant i els voluminosos, amb més dipols.

Solubilitat. Dissolucions saturades (Nivell 2n cicle ESO – Batxillerat):

En el cas de tres sòlids iònics, clorur, bromur i iodur de potassi, es mostra el procés de dissolució en un líquid (color de fons), fins a la saturació. Es donen taules de solubilitat en funció de la temperatura per als tres sòlids.

L’equilibri de solubilitat (saturació) és funció de la temperatura. Quan puja es dissolen més ions i quan baixa, tornen els ions a la estructura cristal·lina fins a restablir l’equilibri. Es dona el nombre de partícules presents a cada temperatura determinada.


- 13 -

Es pot variar el nombre i el diàmetre de les partícules, congelar la imatge o marcar partícules determinades per observar el seu comportament individual. També es pot disposar d’un cronòmetre, per mesurar el temps en el que es produeixen els processos de dissolució o precipitació.

Reaccions químiques:

Tipus de reaccions (Nivell 2n cicle ESO – Batxillerat):

Es descriuen els principals tipus, amb exemples de cadascun:

Síntesi, de l’òxid de ferro(II) i de l’amoníac.

Descomposició, del iodur d’hidrogen i de l’òxid de mercuri(II).

Desplaçament, ferro + sulfat de coure(II) i àcid clorhídric + zinc, en dissolució.

Doble desplaçament, clorur de sodi + nitrat de plata i sulfat de sodi + nitrat de bari, en dissolució.

En les reaccions en dissolució, el dissolvent es mostra com color de fons i les partícules o ions es mouen en el sí de la dissolució. En les reaccions en que surten gasos o transcorren en fase gasosa, es mostra la interacció entre les molècules de gas i les de la fase líquida o gasosa.

Es porta el balanç de partícules presents en cada instant per tal de poder seguir l’evolució de la reacció.

Es pot variar el nombre i el diàmetre de les partícules, congelar la imatge o marcar partícules determinades per observar el seu comportament individual. Es pot disposar d’un cronòmetre, per mesurar el temps en el que es produeixen els processos de dissolució o precipitació. També es pot variar la velocitat del procés.

Cinètica de reacció (Nivell Batxillerat) :

S’expliquen els aspectes bàsics de la teoria de les col·lisions i del complex activat.

Es mostren quatre reaccions: síntesi de l’òxid de ferro(II), síntesi de l’amoníac, descomposició del iodur d’hidrogen i descomposició de l’òxid de mercuri(II). Per cada reacció es pot veure el detall del desenvolupament i aspectes de la cinètica, com l’evolució del nombre de partícules (concentració) al llarg del temps.

Es pot variar el nombre i el diàmetre de les partícules, congelar la imatge o marcar partícules determinades per observar el seu comportament individual. Es pot disposar d’un cronòmetre, per seguir el temps en el que es produeixen les reaccions. També es pot variar la velocitat del procés.

Es poden fer les taules de variació de partícules (concentració) en funció del temps, variant l’interval de presa de dades entre 0,5 i 10 segons, o marcant l’instant en el que es volen amb el cronòmetre. Aquestes taules es poden portar a una representació gràfica.


- 14 -

Equilibri químic (Nivell Batxillerat):

Es presenten els aspectes bàsics de l’equilibri químic. Es detallen els següents equilibris:

- Tipus A <−−> 2 B

N2O4 <−−> 2 NO2

- Tipus A + B <−−> C

PCl3 + Cl2 <−−> PCl5

SO2 + Cl2 <−−> SO2Cl2

- Tipus A + B <−−> 2 C

N2 + O2 <−−> 2 NO

H2 + F2 <−−> 2 HF

H2 + Cl2 <−−> 2 HCl

H2 + Br2 <−−> 2 HBr

H2 + I2 <−−> 2 HI

- Tipus A + B <−−> C + D

CO + H2O <−−> CO2 + H2

CO + NO2 <−−> CO2 + NO

Es visualitza l’evolució de cada reacció fins a arribar a l’equilibri, controlant el nombre de partícules presents i, un cop en equilibri, es pot veure la petita oscil·lació del nombre de partícules segons la dinàmica de la reacció.

Es pot variar el nombre i el diàmetre de les partícules, congelar la imatge o marcar partícules determinades per observar el seu comportament individual. Es pot disposar d’un cronòmetre, per seguir el temps en el que es produeixen les reaccions. També es pot variar la velocitat del procés.

Es poden controlar les condicions de reacció, variant la composició inicial i el valor de la constant d’equilibri.

Es pot seguir la cinètica de cada reacció, observant l’evolució del nombre de partícules o fent les taules i gràfiques de variació del nombre de partícules (concentració) en funció del temps.


- 15 -

4. Conclusions

S’ha aconseguit l’objectiu de fer dotze models d’ordinador, amb les unitats i guies didàctiques corresponents, referits als estats de la matèria, les mescles i dissolucions i les reaccions químiques, que poden contribuir a la millora de l’ensenyament de la química a l’ESO i el batxillerat.

Els models es poden utilitzar de diferents maneres, com per exemple,

- eina didàctica de suport a les explicacions del professor,

- material complementari del llibre de text,

- eina per l’alumne per estudiar conceptes o treballar-los mitjançant les preguntes i experiències virtuals contingudes en les propostes de treball,

- laboratori virtual en el que es poden simular experiències i obtenir resultats, quantitatius, com en el cas del laboratori virtual de gasos i qualitatius en tots els models.

En la realització del treball s’ha partit de la feina prèvia feta durant el curs 2002-2003 i al llarg dels mesos s’han anat preparant els diferents models, que han estat provats per l’autor i els professors col·laboradors . Cal remarcar però, alguns aspectes que han resultat decisius en aquest desenvolupament:

- Durant els primers mesos, va ser molt important ajustar les possibilitats dels models al comportament real dels ordinadors, buscant la forma de minimitzar l’impacte que podien tenir els diferents programes de l’entorn Windows presents en memòria, sobre els fenòmens que presenten els models.

- La confecció de cada model ha tingut una dinàmica pròpia, que ha fet introduir restriccions o ampliacions en el pla inicialment previst, per tal de buscar la màxima coherència interna, del propi model i amb relació als altres models.

- Les proves realitzades per l’autor i els professors col·laboradors han fet introduir modificacions per tal que les diferents pantalles fossin el màxim d’entenedores per l’usuari.


- 16 -

5. Relació dels materials continguts en els annexos.

Annex 1:

CD autoexecutable, amb un menú que porta als següents models:

Els tres estats de la matèria:

- Els tres estats. - Canvis d’estat. - Laboratori virtual de gasos. - Equilibri líquid-vapor.

Mescles i dissolucions:

- Mescles sòlid-líquid. - Mètodes de separació. - Concentracions. - Dissolucions iòniques. - Equilibri de solubilitat.

Reaccions químiques.

- Tipus. - Cinètica. - Equilibri químic.

Annex 2:

Unitats didàctiques corresponents als models anteriors, amb una introducció teòrica, unes propostes de treball i un exemple de com elaborar l’informe de les preguntes o experiències proposades.

Annex 3:

Guia didàctica amb una descripció de les possibilitats de cada model i algunes consideracions sobre la forma d’utilitzar-lo.


- 17 -

6. Bibliografia.

o El uso de modelos en la enseñanza-aprendizaje de la física. Xose Manuel Dominguez Castiñeiras y otros. Alambique número 35. Enero 2003

o Modelos híbridos en la enseñanza y en el aprendizaje de la química. Aureli Caamaño. Alambique número 35. Enero 2003.

o La materia y los materiales. Teresa Prieto i altres. Didáctica de las Ciencias Experimentales. Ed. Síntesis. 2000.

o Química I i II. Batxillerat . Tomás Garcia Pozo i altres. Ed. Edebé. 1999.

o Química I i II. Batxillerat. Joan Aliberas i altres. Ed Castellnou. 1997.

o Ciències de la naturalesa. 1r ESO. Marta Antich i altres. Ed. Baula. 2002.

o Ciències de la naturalesa. 7é i 8é ESO. Salvador Serra I altres. Ed MacGraw-Hill. 2001.

o Estructura de la matèria. Crèdit variable 2n cicle ESO. Josep Mª Blanch i altres. Ed. Barcanova. 1995.

o Per què les coses són com són. Antoni Lloret. Ed. Obra Cultural de la Caixa de Pensions. 1982.

o Introducción a la química. Hazel Rossotti. Biblioteca científica Salvat. Ed. Salvat. 1985.

o Química. John C. Bailar i altres. Ed. Vicens Vives. 1983.

o Química. Chemical education material study. Ed. Reverté. 1974.

o Temas básicos de química. J. Morcillo. Ed. Alhambra. 1998.

o Física. P.A. Tipler. Ed. Reverté. 1978.

o Principios bàsicos de química. H.G. Gray, G.P. Haight. Ed. Reverté. 1976.

o Química general moderna. J.A. Babor, J.Ibarz. Ed. Marín. 1979.

o Química inorgánica. R.B. Heslop, P.L. Robinson, Ed. Alhambra. 1962.

o Termodinàmica. F.W. Sears. Ed. Reverté. 1959.

o CRC Handbook of Chemistry and Physics. Ed CRC Press. 1988.

o Química Física. M Díaz Peña, A. Roig Muntaner. Ed Alhambra. 1980.

o Química general. K. W. Whitten, R. E. Davis, M. L. Peck. Ed. Mc Graw Hill. 2002.


- 18 -

o Química. R. J. Gillespie, D. A. Humphreys, N. C. Barid, E. A. Robinson. Ed. Reverté. 1990.

o Fundamentos de química. J. J. Santana, C. Collado, M. D. Gelado. Ed. Universidad Las Palmas de Gran Canaria. 2002.

o Principios de química. R.E. Dickerson, H. B. Gray, M. Y. Darensbourg, D. J. Darensbourg. Ed. Reverté. 1992.

o Química básica. James A. Brady. Ed. Limusa. 1999.

o Química inorgánica. Enrique Gutierrez Rios. Ed. Reverté. 1994.

o Chemistry of the elements. N. N. Greenwood, A. Earnshaw. Ed. Pergamon Press. 1990.

o Advanced Inorganic Chemistry. F. A. Cotton, G. Wilkinson. Ed. John Wiley and Sons, Inc. 1988.

o Química general. P.W. Atkins. Ed. Omega. 1992.

Annex 1

CD Models d’ordinador per entendre la química


Annex 2

Unitats didàctiques


Annex 3

Guia didàctica

Models d’ordinador per entendre la química - xtec.cat · Hipòtesi inicial del treball....

Documents

Transcript of Models d’ordinador per entendre la química - xtec.cat · Hipòtesi inicial del treball....