Quimica Origenes e Historia 3ero Medio

Tercer Ao Medio Qumica Ministerio de Educacin

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Qumica Ciencias Naturales Orgenes e Historia de la Qumica Introduccin a la Termodinmica Programa de Estudio Tercer Ao MedioFormacin Diferenciada


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Presentacin

EN ESTE PROGRAMA SE PRESENTA LA HISTORIA DEconcebida desde sus orgenes ms remotos, cuando era una prctica oculta que supona mgicos poderes de quien la ejerca, hasta alcanzar la poca, que puede situarse en la segunda mitad del siglo XVIII, en que se establecen sus bases cientficas. Llamar la atencin de los estudiantes que en pocos lustros la qumica logr avances que parecen inimaginables si se observa su desarrollo hasta mediar el siglo XVIII. Por cierto que es imposible seguir cada una de las etapas que determinaron que finalmente esta disciplina se plasmara como una ciencia, porque tampoco existe acuerdo desde cundo es posible llamar a este saber qumica, tal como hoy la entendemos. Esto obliga a seguir, en sus hitos ms salientes, la historia moderna de esta ciencia. sta se inicia con Lavoisier (1743-1794) quien pone fin a la teora del flogisto y ocupa un lugar muy destacado como el verdadero fundador de la qumica moderna. El programa ha sido dividido en tres unidades: Orgenes de la qumica e historia hasta promediar el siglo XVIII. Historia de la qumica desde mediados del siglo XVIII hasta nuestra poca. Introduccin a la termodinmica. En la Unidad 1 se inicia el estudio de la historia precientfica de la qumica, esto es, del arte y ejercicio de prcticas que daran origen a la qumica. As, los estudiantes tendrn oportunidad de comprender que no es una simple casualidad que normalmente la alquimia se incluya en el ocultismo, junto a la astrologa y a otras prcticas que intentan interpretar la naLA QUMICA,

turaleza sin aplicar el mtodo cientfico. De esta modo, una de las primeras cuestiones que se plantear es el problema de identidad de la qumica como ciencia, lo que se podr comprender a travs de un rpido recorrido por algunos hitos de la historia de la humanidad que son relevantes en este contexto. La realizacin de algunos experimentos simples ayudar a los estudiantes a imaginar de manera ms vvida el ambiente en que se desarroll la alquimia, sus problemas y la solucin que se propuso a ellos. En la Unidad 2 se aborda el estudio de los principales aportes que originaron la qumica sobre una base cientfica. Lavoisier enuncia el principio de conservacin de la materia y demuestra la inutilidad del concepto del flogisto, que haban dominado el escenario de la qumica precientfica durante ms de un siglo. Lavoisier distingue claramente entre elementos y compuestos, un logro notable, si se piensa, por ejemplo, lo rudimentario de los instrumentos de la poca. Justamente con Lavoisier los instrumentos comienzan a poblar los laboratorios, un hecho inslito para el alquimista de antao, que ejerca su casi secreta actividad entre retortas y pociones de la ms diversa ndole. Ms tarde, John Dalton (1766-1844) establece la qumica sobre una slida base y desarrolla la teora atmica elemental: la tesis de que todos los elementos qumicos se componen de partculas diminutas e indestructibles llamadas tomos, que son similares y que tienen la misma masa. Dalton orden los elementos qumicos segn su masa atmica en una tabla, siendo uno de los precursores de la obra

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del ruso Mendeliev, y enunci las leyes de las proporciones definidas y mltiples. Llamar la atencin de los estudiantes la amplitud de los trabajos de Dalton, que realiz muchos otros aportes a la ciencia: investig la enfermedad asociada a defectos en la percepcin del color, que l sufra y que por ello se llam daltonismo, hizo investigaciones acerca del origen de la aurora boreal, que tambin haba sido estudiada por Lavoisier, y de muchos fenmenos metereolgicos. En la historia ms reciente del siglo XX se valora, como caso particular, el aporte a la ciencia de algunos cientficos que recibieron el premio Nobel de Qumica, cuyo primer exponente fue J. H. vant Hoff, premiado en 1901 por su descubrimiento de los principios de la dinmica qumica y de la presin osmtica en soluciones. Los estudiantes tendrn oportunidad de conocer los aportes a la qumica de S. Arrhenius, Marie Curie, Linus Pauling y A.J.P. Martin y R.L.W. Synge. La seleccin anterior es arbitraria y no quisiera excluir las importantes contribuciones de decenas de otros qumicos tambin galardonados con dicho premio, pero es importante considerar los conocimientos que los estudiantes poseen. Por otra parte, la flexibilidad del programa deja abierto a que el docente propon-

ga otra seleccin de premios Nobel que le parezca ms til o representativa. En lo que respecta a la evaluacin de los aprendizajes efectivamente logrados por los estudiantes, parece importante que no se marque el proceso de enseanza-aprendizaje con etapas o perodos de evaluacin, sino que sta sea un continuo con aqul. La evaluacin es parte de un proceso integral en el cual la retroalimentacin dada por los estudiantes que son evaluados tambin es una instancia que, de alguna manera, evala al docente en su profesionalismo y en su capacidad de entusiasmar a alumnos y alumnas guindolos a travs del descubrir y experimentar la ciencia. En los ejemplos se han introducido dos tipos de smbolos: Indica que hay una observacin que tiene que ver con el cuidado y preservacin del medio ambiente y, en general, se relaciona con el tratamiento de residuos y su eliminacin responsable. Es un signo de precaucin y llama la atencin sobre posibles riesgos y la necesidad de omitir experimentos u observar ciertas medidas de seguridad para su realizacin.


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Objetivos FundamentalesLas alumnas y los alumnos desarrollarn la capacidad de: 1. Conocer los orgenes e historia de la qumica, reconociendo algunos de sus hitos fundamentales; valorar el trabajo sistemtico y perseverante. 2. Comprender los fundamentos de las leyes de la termodinmica que rigen las reacciones qumicas. 3. Predecir la factibilidad de reacciones qumicas a partir de datos de tablas.

Contenidos mnimos1. Orgenes e historia de la qumica Evolucin de la qumica desde la Antigedad, pasando por Grecia y la alquimia hasta el flogisto. Descubrimiento del CO2 y el O2 en las reacciones de combustin y del H 2 y O2 . Aparicin de la medida como un instrumento clave de la investigacin qumica. 2. Evolucin de la qumica moderna hasta nuestros das. Introduccin a la termodinmica Primer y segundo principio de la termodinmica. Utilizacin de tablas para evaluar entalpas de reacciones. Utilizacin de tablas de entalpa y de entropa para predecir la espontaneidad de reacciones qumicas: relacin entre entropa y desorden; distincin entre estabilidad cintica y termodinmica de un sistema en relacin a un determinado proceso. Clculo de constantes de equilibrio de reacciones en fase gas a partir de datos termodinmicos.

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Objetivos Fundamentales Transversales y su presencia en el programaEL PROGRAMA DE FORMACIN DIFERENCIADA DE QUMICA de Tercer Ao Medio refuerza algunosOFT que tuvieron presencia y oportunidad de desarrollo en la Formacin General de Primero, Segundo y Tercer Ao Medio y adicionan otros propios de las nuevas unidades. a. El OFT del mbito crecimiento y autoafirmacin personal referido a la formacin y desarrollo del inters y capacidad de conocer la realidad y utilizar el conocimiento y la informacin. Un OFT que est permanentemente presente es aprender a cumplir normas de prevencin de riesgos a travs de la observacin de medidas de seguridad en la realizacin de experimentos. b. Todos los OFT del mbito desarrollo del pensamiento. En este marco, tienen especial nfasis las habilidades de investigacin y el desarrollo de formas de observacin, razonamiento y de proceder caractersticas del mtodo cientfico, as como las de exposicin y comunicacin de resultados de actividades experimentales o de indagacin. Asimismo el programa permite al estudiante comprender el carcter desigual y zigzagueante del conocimiento cientfico, entendiendo la ciencia como un logro de muchos siglos de trabajo y como resultado del aporte de miles de personas. Adicionalmente, en las mltiples actividades experimentales que el programa plantea, se destaca en especial la formacin de hbitos de rigurosidad en el trabajo de obserc. vacin y medicin, y de flexibilidad y creatividad en la formulacin de preguntas e hiptesis. En el plano de la formacin tica se espera que alumnas y alumnos analicen acerca de la responsabilidad de los cientficos y, particularmente de los profesionales y polticos que deciden sobre el destino de algunos descubrimientos que podran ser utilizados con fines de destruccin de otros seres humanos o del entorno. Debern comprender que la ciencia en s no tiene un valor tico o moral, pero dichos valores s son pertinentes para los seres humanos que la desarrollan o aplican. De todos modos, la ciencia, desde sus inicios, busca acercarse a la verdad. El OFT del mbito persona y su entorno referido a la proteccin del entorno natural y sus recursos como contexto de desarrollo humano y a la comprensin de la relacin histrica que ha existido entre el ser humano y el mundo natural. En todas las actividades del programa se pretende que los estudiantes aprendan a trabajar en grupo, y comprendan que el conocimiento cientfico es el resultado del aporte que han hecho muchos cientficos. Adems, el programa se hace cargo de los OFT de informtica incorporando en diversas actividades y tareas la bsqueda de informacin a travs de redes de comunicacin y el empleo de programas de diverso tipo para procesar la informacin.

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Unidades, contenidos y distribucin temporalCuadro sinptico Unidades1Orgenes de la qumica e historia hasta promediar el siglo XVIII.

2Historia de la qumica desde mediados del siglo XVIII hasta nuestra poca.

3Introduccin a la termodinmica.

Contenidos Los conocimientos qumicos rudimentarios de culturas prehistricas y su desarrollo. Utilizacin en actividades artesanales y hogareas de conocimientos empricos asimilables a la qumica. La constitucin de la materia en la filosofa griega. Rol de la alquimia en el desarrollo posterior de la qumica. La combustin y la oxidacin de metales. La teora del flogisto. La investigacin en los albores de la qumica cientfica, en particular su desarrollo durante la primera mitad del siglo XVIII. Lavoisier y la ley de conservacin de la masa. La teora atmica de Dalton y su relacin con la teora de Demcrito. La contribucin de la fsica al desarrollo de la qumica, particularmente en los aportes de Planck, Einstein, De Broglie, Rutherford, Bohr, Schrdinger, Heisenberg y Dirac. Contribuciones de algunos laureados con el premio Nobel de Qumica: S. Arrhenius, Martin y Synge, M. Curie, L. Pauling, J.H. vant Hoff y J.A. Le Bel y conceptos bsicos en torno a sus reas de trabajo: la disociacin electroltica, la cromatografa, los istopos radiactivos, el enlace qumico y la estereoqumica orgnica. Conceptos termodinmicos bsicos: sistema, proceso, funcin y variable de estado. Primera ley de la termodinmica. El calor y trabajo como funciones de camino. Uso de tablas termodinmicas, particularmente de entalpa. Relacin entre los cambios de entalpa y las energas de enlace. Entalpa, calor de combustin e informacin nutricional de los alimentos. Segunda ley de la termodinmica. Concepto elemental macroscpico y microscpico de entropa. Mquinas trmicas. Enfoque histrico breve de la segunda ley de la termodinmica: Carnot y Clapeyron. Utilizacin de tablas termodinmicas para el clculo de los cambios de entropa asociados a procesos simples. La constante de equilibrio y su relacin con la variacin de energa libre. El principio de Le Chatelier.

Tiempo estimado11 semanas 13 semanas 16 semanas

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Unidad 1Orgenes de la qumica e historia hasta promediar el siglo XVIII

Contenidos Evolucin de la qumica desde la Antigedad, pasando por Grecia y la alquimia hasta el flogisto. Descubrimiento del CO2 , O2 en las reacciones de combustin; del H2 y del O2.

Aprendizajes esperados Alumnos y alumnas: reconocen la trascendencia que tuvieron algunos descubrimientos qumicos durante la prehistoria; distinguen los rasgos principales de las concepciones acerca de la constitucin de la materia en la Antigedad; valoran crticamente aspectos destacados del desarrollo de la experimentacin qumica en la Edad Media; conocen algunos de los principales avances alcanzados por la investigacin qumica tanto en la experimentacin como en el pensamiento terico, durante el siglo XVII y primera mitad del siglo XVIII. Conocen acerca del descubrimiento del dixido de carbono, hidrgeno y oxgeno.

Unidad 1: Orgenes de la qumica e historia hasta promediar el siglo XVIII

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Orientaciones didcticas A travs del estudio de algunos de los hitos ms relevantes de la historia de la qumica los estudiantes podrn progresar en la comprensin del lugar que ocupan en el mundo y cmo se ha ido desarrollando la historia de la humanidad. Cmo no relacionar la Edad del Hierro o del Bronce con el dominio de ciertas tcnicas metalrgicas? Por medio de ellas el ser humano seguramente no pretendi ahondar en la comprensin de la constitucin de la materia ni en el estudio de propiedades de los metales, sino simplemente resolver problemas prcticos: fabricar armas ms durables y contundentes para defenderse de pueblos agresores o, por el contrario, conquistar tierras y apropiarse de los bienes de pueblos que carecan de esos adelantos; facilitar la caza de animales salvajes o fabricar objetos que cumplan ciertas finalidades rituales. La vida humana flua en esas pocas remotas de una manera diferente; otros eran los problemas que se presentaban a diario y tambin lo que entonces era urgente, como hacer fuego o defenderse de bestias hambrientas, hoy es algo ya resuelto y no constituye un problema difcil para nadie. La vida humana en tiempos remotos ocurra en un escenario dominado por necesidades vitales como la bsqueda de alimentos o la lucha con animales feroces o con otros grupos humanos y no cont con condiciones muy favorables para desarrollar la ciencia ni la filosofa, ni probablemente ninguna actividad relativamente ociosa, que significara detenerse a pensar e indagar acerca de la naturaleza y del lugar que el ser humano ocupa en ella. Pero los estudiantes llegarn a comprender que en cada poca de su historia el ser humano, ms all de satisfacer sus necesidades materiales ms urgentes y las de su grupo social, tambin tuvo inquietudes ms trascendentes y se hizo mltiples preguntas queriendo alcanzar una comprensin de la naturaleza y de s mismo, tal como ellos, estudiantes del siglo XXI, lo viven actualmente. Muchas de esas inquietudes se expresaron en muy diversas actividades rituales, en la creencia ms o menos ciega en ciertas divinidades y poderes, en el culto a los totems o en muchas expresiones de la magia. La perspectiva histrica no consistir primordialmente en que los estudiantes conozcan el orden cronolgico en que ocurrieron acontecimientos de importancia para el desarrollo de la qumica, sino ms bien podrn adquirir una comprensin ms profunda de cmo se fue gestando lo que ms tarde llegara a ser una ciencia. Tambin comprendern la sinerga que tuvieron los descubrimientos en otras reas o el aporte de hombres y mujeres que desarrollaban muy diversas actividades, no necesariamente relacionadas con esa ciencia qumica en muy incipiente gestacin. Era Demcrito un qumico? Claro que no. Ni siquiera se haban desarrollado rudimentos del saber que permitieran hablar de una qumica. Otras inquietudes son las que llevaron a plantear la constitucin de las sustancias materiales y que posiblemente muy poco tienen que ver con la solucin de problemas materiales concretos. Es importante que a travs del conocimiento de la historia de la ciencia y de los aportes que hicieron a ella miles de hombres y mujeres, los estudiantes adquieran una visin de su dinamismo y de su carcter provisional en el que, en ninguna de sus reas, ha sido escrita la ltima y definitiva pgina de su historia. Finalmente, cabr al docente destacar el rol fundamental que desempea la experimentacin en la comprensin de la historia de la qumica. De este modo, lograr transmitir a los estudiantes una historia viva en la medida que integre los contenidos a experimentos relevantes, que permita a alumnas y alumnos entusiasmarse y desarrollar un proceso de crecimiento, con una mayor comprensin y valoracin del ser humano en general, de s mismos, de la ciencia y de la historia de los hombres y mujeres de ciencia que les han precedido y que han conformado el mundo en que se da su existencia.

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Actividades genricas y ejemplos

Actividad 1Analizan las condiciones que llevaron al descubrimiento y utilizacin de conocimientos qumicos especialmente relevantes en culturas prehistricas y discuten sus repercusiones en su desarrollo.

Ejemplos

Experimento Produccin de fuego usando implementos al alcance del ser humano primitivo. Alumnas y alumnos se informan acerca del descubrimiento del fuego y de los mtodos usados para ese fin. Luego, grupos de estudiantes, tomando las necesarias precauciones para evitar accidentes, ponen a prueba distintos procedimientos para producir fuego, utilizando implementos que podran estar al alcance de las sociedades humanas primitivas. Comparan los diferentes procedimientos ensayados desde el punto de vista de su aplicabilidad. Analizan los fundamentos qumicos involucrados en estos procedimientos (reacciones qumicas y principios termodinmicos asociados a ellas). Comentan acerca de las dificultades que se debieron vencer en la prehistoria para llegar al descubrimiento de algunos de estos procedimientos de produccin de fuego. Proponen otros procedimientos para producir fuego usando medios tecnolgicos actuales, pero excluyendo los destinados a ese fin (cerillas, encendedor, chisperos). Discuten acerca de la trascendencia que tuvo este descubrimiento en el desarrollo de las respectivas sociedades. Hacen un listado de las principales consecuencias y discuten acerca de cules de ellas les parecen las ms importantes. Indagan en diferentes fuentes acerca de los principales rasgos de la Edad del Bronce y de la Edad del Hierro en el desarrollo de algunas civilizaciones mediterrneas, de Asia oriental y de Amrica.


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Analizan los fundamentos qumicos involucrados en los procedimientos que permitieron utilizar el bronce y el hierro en beneficio de las respectivas sociedades: metalurgia bsica primitiva del cobre, estao y hierro. Aleaciones.

Discuten acerca de la trascendencia que tuvieron estos descubrimientos en el desarrollo de las respectivas sociedades. Hacen un listado de las principales consecuencias y discuten acerca de cules de ellas les parecen las ms importantes.

Se informan acerca del conocimiento que actualmente se posee sobre los primeros usos de la balanza como forma de medir cantidad de una determinada sustancia.

Discuten las ventajas que presenta la balanza en la cuantificacin de la masa de diversas sustancias y materiales, especialmente en lo referido a metales preciosos usados en la Antigedad en el comercio y fabricacin de joyas.

Indagan acerca de las balanzas modernas. De qu orden de magnitud es la masa que se puede determinar con ellas? Cmo funciona, bsicamente, una balanza electrnica?

Comentan un breve texto relativo a los inicios del conocimiento sobre la naturaleza. Por ejemplo: Los restos arqueolgicos y los testimonios escritos de las primeras culturas muestran una intensa y activa interaccin del ser humano con diferentes campos del mundo natural. Resultado de esta actividad fue el logro de un conocimiento emprico acerca de los procesos naturales. El empleo de estos conocimientos tuvo lugar casi siempre en la forma de aplicacin casi mecnica de procedimientos, sin intentos de penetrar en las relaciones causales ni tratar de elaborar enfoques tericos. En tal sentido, se puede hablar de un conocimiento implcito, encubierto, de los procesos naturales. 1

INDICACIONES AL DOCENTE

Los diversos mecanismos que se han desarrollado para iniciar una combustin (fsforos, encendedores, chisperos, etc.) han contribuido a transmitir la idea de que hacer fuego es una tarea simple. Sin embargo, si no disponemos de dichos mecanismos la situacin cambia radicalmente. Hacer fuego con los medios de que disponan los seres humanos en la prehistoria era un difcil cometido, como lo podrn comprobar los propios estudiantes a travs de la primera parte del ejemplo.

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Basado en: Klix, F., 1983, Erwachendes Denken - Eine Entwicklungsgeschichte der menschlichen Intelligenz. Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berln.

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Esto les permitir valorar en toda su dimensin el admirable logro que signific en esos tiempos el desarrollo de tcnicas para iniciar una combustin. En la discusin conviene subrayar la perspectiva histrica del desarrollo cientfico y tecnolgico que se basa en el hecho de que el ser humano fue desarrollando, desde sus orgenes, un conocimiento emprico acerca de la naturaleza y de las propiedades de los materiales con que trabajaba. Este conocimiento emprico constituy la base inicial de todo el conocimiento cientfico posterior. Entre los logros prehistricos precursores de la qumica destacan, entre otros, el dominio del fuego y la capacidad para trabajar algunos metales. La facultad para trabajar primero el bronce y luego el hierro tuvo tal trascendencia que su dominio constituye hitos definitorios de grandes pocas en la evolucin de la sociedad primitiva. Los primeros testimonios de uso de balanzas se remontan a hace unos 5 a 7 mil aos. Se han conservado algunas balanzas primitivas de las civilizaciones egipcias e hindes y hay registros grficos de su empleo. Conviene que los estudiantes adviertan la importancia que tuvo la introduccin de este instrumento en diferentes aspectos de la vida de ese entonces. Conviene asimismo subrayar que incluso una balanza relativamente simple permite alcanzar una precisin sorprendente en las mediciones. Es recomendable conectar estos temas con contenidos desarrollados en el sector curricular de Historia y Ciencias Sociales.

EvaluacinLa evaluacin deber considerar la adquisicin y progreso en el conocimiento y en la destreza de experimentacin, en el cuidado para realizarla y en aspectos valricos. En particular, la constancia en la consecucin de un objetivo como es el de lograr hacer fuego, puede parecer una nimiedad, pero pone a prueba la paciencia, el temple del espritu y el convencimiento del estudiante respecto a que con esfuerzo es posible lograr metas a las que otros renuncian porque abandonan rpidamente la labor, derrotndose ante la adversidad. Esta es una calidad que todos los estudiantes debern desarrollar en alguna medida ya que son valores para la vida, ms all de su significado concreto para el ejercicio de una disciplina o ciencia particular. La evaluacin responder a las siguientes preguntas: Es el estudiante persistente en sus intentos de producir fuego por medios primitivos? Se interesa en averiguar qu mtodos eran empleados, con ese objeto, por las diferentes culturas? Considera en la realizacin de los experimentos las indicaciones del docente en relacin a las medidas de seguridad?


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Actividad 2Recopilan y sistematizan informacin acerca del empleo de conocimientos empricos asimilables a la qumica en actividades artesanales y hogareas.

Ejemplos Comparan la utilizacin de conocimientos qumicos que se basan en fundamentos tericos y en la experimentacin sistemtica (por ejemplo, en una fbrica de productos qumicos) con la utilizacin de conocimientos qumicos trasmitidos por la tradicin (por ejemplo, en la fabricacin de objetos artesanales). Trabajando en grupos, buscan y sistematizan informacin acerca de la aplicacin de conocimientos qumicos en las civilizaciones antiguas, tanto en el Mediterrneo como en Asia y Amrica. Por ejemplo, en metalurgia, orfebrera, alfarera, tejedura, construccin, etc. Trabajando en grupos, renen informacin en fuentes variadas (entrevistas a artesanos y/o especialistas, literatura, internet, etc.) en relacin con la utilizacin actual, en diferentes campos, de procedimientos y tcnicas basados en propiedades qumicas de sustancias y materiales. Por ejemplo: elaboracin de tinturas naturales elaboracin de productos de alfarera aplicaciones caseras de las propiedades qumicas de algunas sustancias comunes (vinagre, limn, sal comn, etc.) medicina tradicional

Experimento: Ensayan algunas propiedades qumicas de sustancias naturales de uso comn. Alumnas y alumnos ensayan propiedades qumicas de sustancias naturales tales como vinagre, jugo de limn, sal comn y azcar y las relacionan con sus usos.

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Se informan acerca de la obtencin del vinagre, y en qu se basa su produccin. Indagan acerca del origen de las palabras cido y alcali. A qu se debe que el jugo del limn y el vinagre sean cidos. En qu se basa el uso de la sal y azcar como agentes conservantes.

Entrevistan a especialistas con el fin de determinar el fundamento qumico de algunos de estos procedimientos y tcnicas.

Presentan sus trabajos al resto del curso y los organizan en una exposicin o diario mural.


Todava hoy da se emplean, en una amplia variedad de campos, procedimientos basados en conocimientos qumicos empricos, en una forma que se asemeja, en cierto sentido, a la aplicacin que las primeras civilizaciones hacan de conocimientos acerca del mundo natural. As es como, por ejemplo, se usan como frmacos plantas medicinales que contienen principios activos, lo que ha dado origen a una variedad de productos sintticos que no se hallan en la naturaleza. Esto es especialmente visible en procedimientos tradicionales de fabricacin de productos artesanales o en secretos de naturaleza transmitidos por la tradicin. La presente actividad pretende acercar a los estudiantes a estas actividades y procedimientos y, al mismo tiempo, instarlos a que los enfoquen desde el punto de vista de los conocimientos qumicos que han ido adquiriendo en aos anteriores. Esta es, asimismo, una buena oportunidad para establecer conexiones entre las ciencias naturales y otros sectores de actividad.

EvaluacinLos experimentos realizados en esta actividad son especialmente apropiados para la evaluacin de aspectos valricos. La evaluacin puede estar dirigida a responder preguntas como las siguientes: Reconoce el alumno o la alumna la importancia de los aportes de las culturas prehistricas? Realiza los experimentos con dedicacin y cuidado de si mismo, de sus compaeros y de los materiales?


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Actividad 3Discuten acerca de las concepciones relativas a la constitucin de la materia en la filosofa griega.

Ejemplos Leen y discuten, en grupos, un texto relativo a los primeros modelos de materia surgidos en Grecia antigua. Por ejemplo: En Grecia, hacia el siglo VI antes de Cristo, los filsofos empezaron a buscar una explicacin racional para los procesos naturales. Trataron de descubrir las sustancias eternas e inmutables de las que estaban hechas todas las cosas del mundo. Este fue el comienzo de los intentos del ser humano por comprender el mundo material, por penetrar en la naturaleza de la materia. Los primeros filsofos griegos pensaban que todas las cosas en el mundo estaban hechas de una simple sustancia bsica o elemento. Algunos pensaban que esta sustancia bsica era el agua y que todas las otras sustancias se derivaban de ella. Otros pensaban que la sustancia bsica era el aire. Otros se inclinaban por el fuego. Pero ni el agua, ni el aire ni el fuego pareca ser una respuesta satisfactoria para la enorme variedad de sustancias en el mundo. Hacia el ao 450 a. C., Empdocles propuso cuatro sustancias elementales: tierra, aire, fuego y agua. Segn l, todas las cosas materiales estaban hechas de esos cuatro elementos. Los cambios que observamos alrededor de nosotros seran el resultado de la unin y separacin de estas cuatro sustancias bsicas, que se combinaban en diferentes proporciones para producir los objetos que nos rodean. Esta teora constituye el primer modelo de materia en la historia de la ciencia. Comparan esta concepcin con la concepcin moderna de elemento. Discuten acerca de la naturaleza qumica de la tierra, el aire, el fuego y el agua, de acuerdo a nuestra visin actual. Analizan, a la luz de la visin moderna, los principales fundamentos de la concepcin atomista de Leucipo y Demcrito (siglo V a. C.): a. La materia es eterna, ningn objeto material puede provenir de la nada, ni convertirse en nada.

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b. Los objetos materiales estn constituidos por tomos, que son partculas indivisibles, diminutas pero no infinitamente pequeas. c. Todos los tomos estn hechos de la misma sustancia, pero difieren en tamao, forma y posicin. d. Los tomos existen en un espacio vaco. Debido a esto, pueden moverse. e. Los tomos se encuentran en permanente movimiento. f. En el curso de su movimiento, los tomos se unen y forman las combinaciones que constituyen las sustancias materiales que conocemos. Su separacin implica la descomposicin o la ruptura de una sustancia. As, los cambios que observamos en el mundo se explican por la unin o separacin de tomos. Se informan acerca de las ideas fundamentales de la concepcin de Aristteles, que acepta la existencia de los cuatro elementos mencionados: tierra, aire, fuego y agua, pero combate enrgicamente la teora atmica. Afirmaba que la existencia del vaco y la idea de tomos en movimiento deberan ser rechazadas por razones lgicas. Propuso en cambio que la materia es continua e infinitamente divisible. Indagan y discuten acerca de evidencias experimentales que podran apoyar la teora atmica de Leucipo y Demcrito o la teora aristotlica de una materia continua e infinitamente divisible. Reconocen en estas teoras un intento de superar el conocimiento emprico, basado en un conjunto de hechos puntuales, y de buscar un conocimiento ms profundo, orientado a comprender los hechos y dilucidar sus causas.INDICACIONES AL DOCENTE

El desarrollo histrico de la qumica muestra una especie de contrapunto entre los avances y logros en el campo del conocimiento emprico de propiedades de diferentes sustancias, por una parte, y la bsqueda, al principio lenta y errtica, de un marco terico fructfero que permitiera explicar los hechos y predecir nuevos fenmenos y procesos. Las primeras actividades de esta unidad permiten formarse una idea de los comienzos de ambas lneas en la historia de la humanidad. Dan pie, asimismo, para comprender el carcter desigual y zigzagueante del conocimiento cientfico y para entender la ciencia como un logro de muchos siglos de trabajo y como resultado del aporte de miles de personas.


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EvaluacinEn esta actividad la evaluacin podr estar dirigida a medir el inters de los estudiantes por comprender otras formas de pensar, en su capacidad de imaginar modos de vida y valores diferentes, en su visin del mundo de otras pocas, en la valoracin de las contribuciones hechas por otros hombres al conocimiento, por ejemplo, la concepcin atomista de Leucipo y Demcrito, extraordinariamente visionarios si se considera la poca en que vivieron. Tambin es importante evaluar si los estudiantes valoran en igualdad los aportes hechos por mujeres a la ciencia y a la cultura y reconocen que la figuracin de ellas en esos mbitos en la Antigedad se vio afectada por un complejo de causas socio-culturales.

Actividad 4Debaten acerca del papel que desempe la alquimia en el desarrollo del conocimiento de las propiedades de la materia y acerca de sus contradictorios alcances.

Ejemplo Organizan una mesa redonda en la que se exponen y debaten diferentes aspectos del trabajo de los alquimistas. Por ejemplo: a. Las ideas fundamentales de la teora y prctica de los alquimistas en los primeros siglos de nuestra era en el Mediterrneo y en Asia. b. El papel de las concepciones msticas y religiosas en el desarrollo de la alquimia. c. Los aportes de los alquimistas al desarrollo de instrumentos y de tcnicas de trabajo. d. El descubrimiento de nuevas sustancias qumicas como resultado del trabajo de los alquimistas. e. El vuelco de la alquimia durante el siglo XVI: Paracelso y Agrcola.

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La alquimia surgi a principios de nuestra era como una combinacin de: la idea de que toda la materia que conocemos est constituida a partir de un pequeo nmero de sustancias elementales; la experiencia prctica alcanzada en el tratamiento de minerales, en la obtencin y trabajo de metales y en la fabricacin de vidrio, y un conjunto de ideas de carcter mstico, astrolgico y religioso. Aunque algunos de sus objetivos centrales, como la bsqueda de la piedra filosofal, los intentos por lograr la transmutacin de metales comunes en oro o plata, o el deseo de obtener un elixir de la vida, hoy nos parecen quimeras imposibles, contribuyeron al desarrollo del conocimiento qumico. Los alquimistas estudiaron muchas de las propiedades de las sustancias que hoy catalogaramos como propiedades qumicas. Inventaron un gran nmero de aparatos que, en forma algo modificada, todava se utilizan en los laboratorios, como las retortas y los matraces de destilacin. Estudiaron procesos como la calcinacin, destilacin, fermentacin y sublimacin. Sin embargo, la fuerte carga mstica y la falta de un marco terico apropiado impidieron que pudiera desarrollarse como una estructura cientfica fructfera. El surgimiento de la qumica a partir de la alquimia slo podr producirse a travs del abandono de sus objetivos iniciales y de la liberacin del misticismo que caracteriz a la alquimia durante ms de un milenio. Paracelso y Agrcola simbolizan el comienzo del gran vuelco que habr de conducir al surgimiento de la qumica cientfica hacia la segunda mitad del siglo XVIII. La mesa redonda que se propone en el ejemplo tiene por objeto mostrar una imagen multifactica de la actividad de los alquimistas, con sus logros y contradicciones. Actualmente han surgido corrientes de pensamiento que dicen basarse en las ideas de los alquimistas y que poseen un fuerte contenido esotrico. Un mejor conocimiento de lo que fue en su tiempo el trabajo y las motivaciones de los alquimistas permitir a los estudiantes tener una visin ms fundamentada acerca este tipo de doctrinas.

EvaluacinLa evaluacin de esta actividad podr estar dirigida a la comprensin de alumnas y alumnos de la alquimia como precursora de la qumica y del rol que desempearon las concepciones msticas en su desarrollo. Es importante, tambin, evaluar la valoracin del aporte instrumental de los alquimistas para el posterior desarrollo de la qumica.


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Actividad 5Conocen acerca de concepciones del siglo XVII y gran parte del siglo XVIII relacionadas a la combustin, a la oxidacin de metales, a la descomposicin de xidos metlicos y otros fenmenos y aprenden sobre su inutilidad a la luz del conocimiento actual, estableciendo un paralelo con otras teoras.

Ejemplos Indagan y experimentan acerca de la teora del flogisto. Se informan acerca de la teora del flogisto y comparan su interpretacin de los procesos de combustin con la explicacin actual. Predicen las eventuales variaciones de masa que deberan observarse en la oxidacin de una muestra de estao, de acuerdo con la teora del flogisto. Realizan un experimento de oxidacin de un metal y comparan su resultado con la prediccin que se desprende de la teora del flogisto.

Experimento Oxidacin de hierro. Determinan la masa de una porcin de lana de hierro muy fina (similar a la que se usa para la limpieza de ollas). La colocan en una cpsula de porcelana y ponen encima un vaso de precipitados invertido, dentro de una cpsula de Petri con agua.

Vaso de precipitados

Lana de hierro Cpsula de Petri Agua

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Despus de varios das retiran la cpsula de porcelana, la secan calentando suavemente y determinan la masa del residuo. Qu se observa? Cmo se puede explicar el resultado del experimento? En qu consista la teora del flogisto? Cmo se explicaba la oxidacin de un metal? Indagan sobre quin tiene el mrito de haber derrumbado, definitivamente, con pruebas experimentales, la teora del flogisto. En qu consisti dicho experimento?


Es importante notar que la reaccin de oxidacin del hierro se acelera considerablemente cuando el dispositivo se expone a la luz solar directa, debido al aumento de temperatura. Un papel importante desempe la teora del flogisto propuesta a fines del siglo XVII y que pareca explicar una amplia gama de fenmenos, incluyendo la corrosin de metales y la combustin de materias combustibles. Segn esta teora la combustibilidad de una sustancia se debe a que sta poseera un principio invisible llamado flogisto. Al quemarse, el flogisto abandonara el cuerpo, lo que traera como consecuencias un cambio en sus caractersticas. Asimismo, los metales seran ricos en flogisto, pero lo perderan al corroerse. Un metal corrodo podra recobrar sus caractersticas iniciales si recupera el flogisto que habra perdido durante la corrosin. En el ltimo punto del ejemplo, se propone la realizacin de un experimento de oxidacin de un metal, ya que ese proceso desempe un importante papel en la desestimacin de la teora del flogisto. Ya Boyle haba observado que la corrosin de un trozo de metal implica un aumento de masa. As, por ejemplo, si una muestra de estao reacciona con oxgeno se produce xido de estao: Sn (s) + O2 (g) > SnO2 (s) De la reaccin resulta que la masa del xido de estao deber ser igual a la suma de las masas del estao y del oxgeno. La teora del flogisto predice, en cambio, una disminucin de la masa del estao pues ste, supuestamente, perdera flogisto.

EvaluacinLa evaluacin se relacionar con la comprensin de la teora del flogisto, principalmente en un contexto histrico usando smiles como el ter o el calrico. Es importante tambin evaluar la valoracin que hacen los estudiantes de esta teora desde el punto de vista de la interpretacin de los hechos experimentales. Por otra parte, conviene evaluar la destreza y cuidado mostrados por los estudiantes en la realizacin del experimento.


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Actividad 6Se familiarizan con algunos de los rasgos principales de los avances en la experimentacin y en el pensamiento terico en la investigacin qumica del siglo XVII y primera mitad del siglo XVIII.

Ejemplo A Actualizan sus conocimientos acerca del surgimiento del capitalismo en Europa y del desarrollo de la revolucin industrial con sus repercusiones sobre el desarrollo cientfico en sus diversas manifestaciones. Confeccionan una lnea del tiempo con los principales acontecimientos en el conocimiento del mundo natural en los siglos XV, XVI y XVII. Reconocen los siglos XVII y XVIII como un perodo de transicin entre las ideas primitivas provenientes de la alquimia medieval y las ideas centrales de la qumica moderna. Ejemplo B Duplican en forma simplificada uno o dos de los experimentos qumicos ms relevantes de Boyle (relacin entre volumen y presin de un gas), Black (produccin de dixido de carbono mediante calentamiento de carbonato de magnesio, magnesia alba), Scheele (que, entre otros, aisl el nitrgeno del aire), Cavendish (produccin de hidrgeno mediante combinacin de cido clorhdrico y sulfrico con un metal) o Priestley (produccin de oxgeno). Ubican el experimento realizado en su contexto histrico y discuten acerca del aporte que signific para el desarrollo de la qumica. Para ello se sugieren los siguientes experimentos:

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Experimento Investigan acerca de las relaciones entre volumen y presin de un gas. Indagan primeramente sobre la vida y obra de Robert Boyle (1627-1691), principalmente en relacin a su ley de los gases (1662) y al papel del aire en la combustin, respiracin y transmisin del sonido. Debaten acerca del resurgimiento de las ideas atomistas en Boyle.

1,0 1,5

Conectan firmemente un manmetro analgico (tipo reloj) a una jeringa plstica desechable de 50 mL que contiene 25 mL de aire a presin atmosfrica. Comprimen el gas a la mitad de su volumen y leen la presin. Luego expanden el gas al doble del volumen inicial y determinan la presin. Confeccionan una tabla similar a la siguiente:

Volumen/mL 25,0 12,5 50,0

0 0,5

Presin/atm 1,0 2,0 0,5

P V /atm mL 25 25 25

Debaten sobre el resultado del experimento e intentan encontrar alguna relacin a nivel corpuscular que explique el fenmeno observado. (Por ejemplo, cuando se reduce el volumen del gas, manteniendo la temperatura constante, se acorta en promedio el trayecto de las molculas lo que significa un mayor nmero de choques contra las paredes y, por lo tanto, un aumento de la presin gaseosa).


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Experimento Reproducen alguno de los experimentos de Black mediante los que descubri el dixido de carbono, aire fijado. Se informan acerca de la vida de Joseph Black (1728-1799), particularmente en relacin a su descubrimiento del dixido de carbono (1756) producido en la descomposicin trmica de carbonatos de calcio y magnesio, en la respiracin, fermentacin y en la combustin del carbn. Calientan carbonato de magnesio contenido en un tubo de vidrio abierto en un extremo y que est unido a travs de un frasco de seguridad a un recipiente que contienen agua de cal. Observan lo que sucede y debaten acerca de la interpretacin del experimento.

A

C

E

B D A: Carbonato de magnesio. B: Frasco de seguridad. C: Llave de vidrio o metal. D: Solucin de hidrxido de calcio (saturada). E: Hidrxido de potasio en lentejas.

Escriben la ecuacin de descomposicin del carbonato de magnesio (magnesia alba) y calculan el volumen de dixido de carbono que se obtiene a presin atmosfrica y temperatura ambiente (20 oC).

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Experimento Producen nitrgeno e investigan acerca de algunas de sus propiedades. Mezclan, en un tubo de ensayo, algunos mililitros de una disolucin concentrada de cloruro de amonio NH4Cl con una disolucin concentrada de nitrito de potasio, KNO2. Tapan el tubo, segn se muestra en la parte izquierda de la figura, pero sin insertar todava la manguera en el tubo de ensayo del lado derecho. Calientan suavemente y despus de un momento, cuando se estime que el nitrgeno ha desplazado el aire contenido en el tubo de ensayo y en la manguera, insertan sta en otro tubo de ensayo invertido, que ha sido previamente llenado con agua, segn se muestra en la parte derecha de la figura:

Justo antes de finalizar el calentamiento, retiran cuidadosamente el tapn del tubo, para evitar la succin del agua contenida en el vaso. Toman nota de sus observaciones e intentan explicarlas. Escriben, con apoyo del docente, la reaccin qumica que ha tenido lugar y la igualan de modo que la estequiometra sea correcta. Indagan cmo reunir el gas desprendido en la reaccin en un recipiente que contiene una planta acutica, por ejemplo elodea, y preparan otros dos recipientes similares, pero que en lugar de nitrgeno contienen CO2 y aire. Observan lo que sucede, despus de varios das, cuando se comparan las plantas en cada uno de los recipientes. Intentan interpretar sus hallazgos.


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Los siglos XVII y XVIII, hasta la divulgacin de los trabajos de Lavoisier, son considerados como un perodo de transicin entre la qumica de los alquimistas y lo que se suele llamar la qumica moderna. En el siglo XV se haba iniciado el renacimiento en Europa Central, poca caracterizada por el resurgimiento de las artes y las humanidades. La consolidacin de las ideas heliocntricas gracias a los trabajos de Coprnico, Galileo y Newton haban socavado la autoridad de Aristteles. Sus ideas acerca de la constitucin de la materia fueron puestas en tela de juicio y resurgi con fuerza la concepcin atomista de Leucipo y Demcrito. Como resultado de ello, empezaron a considerarse seriamente teoras que incluan tomos, partculas o corpsculos. Boyle propuso un modelo de gas basado en la idea de un gas de partculas para explicar la elasticidad de los gases. Incluso Newton discuti el comportamiento de un gas suponiendo que estuviera compuesto por partculas, aunque las consider estticas. Se preparaba el camino para un resurgimiento general de la teora atmica. Los trabajos de Boyle fueron fundamentales para la posterior formulacin de la teora cintico molecular de los gases. A ello se agrega el hecho de que la investigacin qumica se hizo ms cuantitativa y se desarroll la experimentacin controlada con un creciente uso de la balanza. Se aislaron nuevas sustancias y se estudiaron sus propiedades. Boyle avanz hacia una definicin moderna de los conceptos de elemento y compuesto. La presente actividad pretende dar algunas bases para que los estudiantes comprendan la magnitud de la transformacin que va convirtiendo paulatinamente la alquimia medieval en lo que ser la qumica moderna iniciada por Lavoisier y Dalton. En el experimento que pretende reproducir los hallazgos de Boyle en relacin con el comportamiento de los gases es importante evitar, dentro de lo posible, el contacto directo de la mano con la jeringa para que la temperatura del gas no vare en forma sustancial. Por otra parte, la unin entre el manmetro y la jeringa deber ser a travs de una manguera flexible corta y angosta, de modo que el volumen de aire contenido en ella sea prcticamente despreciable comparado con el volumen de gas medido en la jeringa. En relacin con la produccin de CO2 por calentamiento de MgCO3 se debe alcanzar una temperatura relativamente alta, de alrededor de 500 oC, pero se debe cuidar de no calentar en exceso, ya que un vidrio tipo Pyrex() se reblandece a 600 - 700 oC. La rapidez con que se produce la evolucin de dixido de carbono es un buen ndice de si la temperatura alcanzada por el slido es apropiada. Este experimento deber contar con una cuidadosa supervisin del docente, ya que el trabajo a altas temperaturas involucra riesgos acerca de los cuales los estudiantes debern ser adecuadamente informados. El uso permanente de lentes de proteccin es aqu una de las medidas de seguridad ms importantes. Interesa que los estudiantes comprendan que los descubrimientos no se producen, por lo general, de manera sbita sino que son procesos que significan el aporte de muchos cientficos durante un perodo de tiempo. De este modo, por ejemplo, quin tiene el crdito de haber descubierto el oxgeno? Scheele, que lo aisl? Priestley, que defini sus propiedades? o quizs, Lavoisier, que lo identific como un elemento? Adems de ello es importante que alumnos y alumnas visualicen que para atribuir un descubrimiento a un cientfico siempre ha sido de importancia fundamental la comunicacin oportuna de los hallazgos. As es como el descubrimiento del nitrgeno se atribuye a

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Daniel Rutherford, un estudiante de medicina ingls, ya que fue el primero en publicar sus hallazgos. Sin embargo, en la misma poca descubrieron el nitrgeno los qumicos ingleses J. Priestley y H. Cavendish y el qumico sueco, C.H. Scheele.

EvaluacinLa evaluacin podr estar dirigida, principalmente, a la valoracin de la importancia del capitalismo y la revolucin industrial para el desarrollo cientfico posterior. El experimento de Boyle es una excelente oportunidad para evaluar la comprensin de los estudiantes acerca del comportamiento de los gases y su relacin con la teora corpuscular de la materia. Finalmente, el experimento de Black y la obtencin de nitrgeno podrn ser evaluados en su comprensin y en su valoracin como hitos importantes en la historia de la qumica.

Unidad 2: Historia de la qumica desde mediados del siglo XVIII hasta nuestra poca

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Unidad 2Historia de la qumica desde mediados del siglo XVIII hasta nuestra poca

Contenidos Aparicin de la medida como un instrumento clave de la investigacin qumica. Evolucin de la qumica moderna hasta nuestros das.

Aprendizajes esperados Alumnos y alumnas: valoran la invencin de la balanza y el principio de conservacin de la masa como pilares fundamentales para el desarrollo de la qumica; distinguen entre la leyes de proporciones definidas y de proporciones mltiples y saben aplicarlas a la obtencin de algunos compuestos binarios; comprenden los principios de la teora atmica de Dalton; identifican la hiptesis de Avogadro y son capaces de aplicarla a situaciones simples; describen con algn detalle la esencia de los aportes de tres cientficos que en el siglo XX fueron galardonados con el premio Nobel de Qumica.

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Orientaciones didcticas En esta segunda unidad se contina con el desarrollo de la historia de la qumica ya iniciado y en ella el docente sabr mantener el inters de los estudiantes en un punto elevado para que en su descubrimiento de la ciencia la comprendan y se entusiasmen con la bsqueda acometida por el espritu curioso e inquieto del investigador. En esta bsqueda los estudiantes no slo sern espectadores, sino que tambin sern sus actores a travs de la experimentacin. Podrn as revivir lo que otros experimentaron y, en cierto modo, tendrn la oportunidad de hacer la historia de la ciencia. En el contexto anterior resulta importante que los estudiantes se impregnen de esa historia, de sus personajes con sus emociones, pero tambin con sus fracasos y xitos. Ello ser inevitable, ya que no toda la experimentacin propuesta es fcil: requerir esmero, dedicacin y constancia. Esto es importante, no slo como la vivencia directa de alumnos y alumnas con valores que se asocian al buen ejercicio de la ciencia, sino que tambin como cualidades importantes a desarrollar en cualquier labor que ellos emprendan. Esta unidad llevar a los estudiantes, a travs de algunos hitos histricos de la ciencia, hasta las puertas de nuestro siglo. Habrn tenido la oportunidad de conocer algo de la historia, de sus protagonistas y del lugar que hoy ellos ocupan como espectadores al trmino de ese proceso, pero quizs, algn da, formando parte de la historia de generaciones venideras. El docente podr considerar que su misin se ha cumplido plenamente si los estudiantes han adquirido al final no slo conocimientos y valores, sino que tambin una conciencia de la perspectiva y del sentido histrico del ser humano y de la ciencia como una de sus creaciones.


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Actividades genricas y ejemplos

Actividad 1Indagan acerca de la ley de conservacin de la masa y se demuestra experimentalmente su validez.

Ejemplo Se informan acerca del aporte de Lavoisier en relacin a la ley de conservacin de la masa y la comprueban experimentalmente realizando una reaccin de precipitacin a partir de disoluciones acuosas. Elaboran una biografa de Lavoisier en la que reportan sus contribuciones ms relevantes para la qumica. Indagan sobre la ley de conservacin de la masa y acerca de la importancia de la balanza para su comprobacin. Escriben la ecuacin qumica correspondiente a la reaccin de una solucin de cloruro de bario con una de sulfato de sodio, en su forma inica y molecular. El docente orienta a un grupo de estudiantes para que escriban la ecuacin en forma correcta y les informa que el sulfato de bario es un compuesto insoluble en agua. ec. inica Ba2+ (ac) + 2Cl- (ac) + 2 K+ (ac) + SO42- (ac) = BaSO4 (s) + 2K+ (ac) + 2Cl- (ac) ec. inica resumida Ba2+ (ac) + SO42- (ac) = BaSO4 (s) ec. molecular BaCl2 (ac) + K2SO 4 (ac) = BaSO 4 (s) + 2KCl (ac), Realizan el siguiente experimento 1.

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Experimento 1 Comprobacin del principio de conservacin de la masa para la reaccin de una disolucin de cloruro de bario con una disolucin acuosa de sulfato de potasio. A partir de la sal dihidratada, BaCl2 2H2O preparan, en un matraz aforado de 50 mL, una disolucin de cloruro de bario 0,25 M. Para ello calculan la masa molar de la sal y concluyen que deben disolver 3,05 g de sta en suficiente agua para completar 50 mL de disolucin. A continuacin preparan 50 mL de una disolucin 0,25 M de sulfato de potasio, calculando previamente la masa de la sal K2SO4 que deben determinar para preparar dicha disolucin. El docente comprueba que los clculos realizados por los estudiantes son correctos. (2,18 g de K2SO 4). Agregan rpidamente, bajo agitacin, la solucin de cloruro de bario caliente a un vaso de precipitados de 250 mL, que contiene la disolucin de sulfato de potasio caliente (casi a ebullicin). Dejan el vaso envuelto en un pao y, una vez que el precipitado ha decantado bien, lo filtran, sin agitar, a travs de un papel de filtro fino sin descartar el lquido filtrado. Lavan el precipitado 1-2 veces con 10-15 mL de agua, que la renen con el lquido anterior. Secan el precipitado, junto con el papel, en una cpsula de porcelana previamente pesada, primero calentando suavemente, luego ms intensamente hasta que el papel se ha calcinado por completo. Determinan la masa del slido y comprueban que segn la estequiometra debe haber 0,0125 moles de BaSO4 (M=233,4) es decir, 2,9 g. Luego evaporan lentamente el agua del lquido filtrado, con agitacin, y determinan la masa del slido resultante. Comprueban que deben haber 0,0250 moles de KCl, (M=74,56), es decir, 1,9 g del slido. Hacen un balance simple de masa: 3,05 g de BaCl2 2H2O + 2,18 g de K2SO4 = 2,9 g de BaSO4 + 1,9 g de KCl = 5,23 g de reactantes 4,8 g de producto

Tratan de comprender por qu existe una diferencia de masa entre reactantes y productos. Orientados por el docente, advierten que en los reactantes hay agua de


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hidratacin del cloruro de bario, que corresponde a 0,025 moles de agua, esto es, 0,45 g. Cuando se resta el agua de hidratacin a los reactantes obtienen 5,23 - 0,45 = 4,78 g, es decir, 4,8 g de reactante, lo que corresponde a la masa del producto obtenido.INDICACIONES AL DOCENTE

En el experimento propuesto los estudiantes podrn verificar la validez del principio de conservacin de la masa. Es importante, sin embargo, que tambin experimenten con procesos en los cuales parece no cumplirse dicho principio. Ejemplos de dichos procesos son los siguientes: a) Reaccin de agua de cal con dixido de carbono atmosfrico. Disuelven una cantidad previamente pesada de xido de calcio, por ejemplo, 5,0 g, en poca agua destilada o desionizada (10-15 mL) contenida en un vaso de precipitados de 25 mL. Debido a la escasa solubilidad del xido de calcio en agua se obtendr una suspensin cremosa. Despus de varias horas que la suspensin ha permanecido en contacto con la atmsfera y durante las cuales los estudiantes han ocasionalmente revuelto la masa para evitar el endurecimiento de la suspensin, sacan del vaso el slido resultante, lo secan a 110 oC usando un mechero de alcohol, y lo pesan. Repiten el calentamiento hasta que la masa sea constante. Los alumnos y alumnas verifican que la masa de slido ha aumentado e indagan cmo poder explicar el fenmeno observado, informndose sobre las reacciones que han tenido lugar: CaO (s) + H2O (l) = Ca(OH)2 (ac) Ca(OH)2 (ac) + CO2 (ac) = CaCO3 (s) + H2O (l) Determinan la relacin entre la masa carbonato de calcio final, seco, y el xido de calcio inicial. Ella deber ser: CaCO3 /CaO = 1,78 Finalmente, intentan explicar como la masa de slido ha aumentado en aproximadamente un 80%. Descomposicin trmica del carbonato de calcio. La descomposicin trmica del carbonato de calcio permitir a los estudiantes comprobar que es posible obtener el xido de calcio anhidro y que la masa final corresponde a la cantidad de xido de calcio inicialmente pesada en el experimento precedente. El proceso de descomposicin trmica ser preferentemente realizado por el docente, ya que involucra un riesgo mayor, porque es necesario calentar a temperaturas relativamente elevadas (700-750 oC ) para producir, a una velocidad razonable, la descomposicin trmica del carbonato de calcio: CaCO3 (s) = CaO (s) + CO2 (g) Finalmente, los estudiantes podrn explicar el origen de los fenmenos observados en ambos experimentos (aumento y disminucin de la masa de slido, respectivamente) en trminos de que en el primer caso hubo reaccin con el dixido de carbono atmosfrico, mientras que en el segundo experimento se produjo descomposicin del carbonato de calcio con liberacin de ese mismo gas a la atmsfera.

b)

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EvaluacinPara la evaluacin de esta etapa es importante averiguar si los estudiantes estn adquiriendo cierta capacidad para discernir a qu se debe que en muchos casos (realmente en la mayora de ellos) aparenta no cumplirse la ley de conservacin de la masa. Los siguientes ejemplos son tpicos:

Casos Desprendimiento de gases a la atmsfera.

Ejemplos Descomposicin trmica del carbonato de calcio. Reaccin de FeS con HCl para formar FeCl2 (ac) y H2S (gas).

Captacin de gases (oxidacin). Absorcin de agua atmosfrica. Deshidratacin (parcial o total).

Reaccin del hierro con oxgeno atmosfrico. Hidratacin del cloruro de calcio anhidro. Deshidratacin de sulfato de cobre pentahidratado.

Precipitacin en forma hidratada.

Precipitacin de sulfato de hierro (III) con hidrxido de sodio.

Volatilizacin.

Combustin de magnesio con oxgeno (parte del Mg y MgO se volatiliza) Calentamiento de cloruro de amonio

En esta actividad cabe evaluar tambin la habilidad desarrollada en la realizacin del trabajo experimental, el cuidado de los materiales, las debidas precauciones en el cuidado del experimentador y del medio ambiente. Adems, se evaluar la acuciosidad en la realizacin del trabajo, la sistematizacin en las observaciones y en la presentacin y discusin de los datos. Finalmente, se podr evaluar el grado de valoracin de los aportes de Lavoisier a la qumica moderna.


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Actividad 2Indagan sobre las teoras de constitucin de la materia y las comparan con las teoras actuales.

Ejemplo Debaten sobre la teora atmica del griego Demcrito y la contrastan con la teora atmica de Dalton. Indagan sobre la teora atmica de Demcrito y su significado. Debaten acerca del significado del concepto tomo y lo contrastan con la acepcin moderna del trmino. Elaboran una resea bibliogrfica acerca del qumico ingls John Dalton (1766-1844), y de los principales postulados en relacin a su teora atmica.INDICACIONES AL DOCENTE

Es importante que el docente enfatice las diferencias existentes entre la teora atmica de Demcrito y la actual concepcin del tomo, principalmente en lo referido a lo siguiente: Los tomos seran eternos e indivisibles, para lo cual sabemos que hay excepciones: los fenmenos de fusin nuclear y de fisin nuclear, para el caso de ncleos inestables, muestran que la naturaleza de los tomos no es inmutable. Los tomos seran compactos y llenan el espacio que ocupan. A partir del modelo atmico concebido por Rutherford, basado en los experimentos de bombardeo con partculas sabemos que el ncleo ocupa una muy pequea regin del espacio en relacin al tamao del tomo. Adems, ste no es una esfera dura y compacta: sus bordes o lmites, segn la teora cuntica, no estn claramente definidos. Los tomos difieren en su forma lo que determinara, junto a otras propiedades como textura, ordenamiento y posicin espacial, sus diferentes caractersticas. En rigor, la forma de los tomos aislados es actualmente considerada esfrica para todos ellos. La relacin entre los tomos y el origen del Universo: para Demcrito los tomos se reunieron formando la materia como una manifestacin de su naturaleza, que no es coherente con las actuales teoras de formacin del Universo. El alma humana estara constituida tambin por tomos de una especial naturaleza. Si bien esto delimita con la teologa, se acepta que el alma es un principio inmaterial. Las diferentes culturas reconocen un principio inmaterial de la vida humana, si bien muchas culturas primitivas atribuyen un alma a todos los seres vivos. Con respecto a la teora atmica de Dalton, es importante que el docente dirija el debate, apoyando a los estudiantes para que indaguen acerca del significado de cada uno de los postulados y lleguen as a comprender que aunque ellos son la base de la teora atmica moderna tambin requieren de una cierta flexibilidad para dar cuenta de hechos experimentales que en ese entonces eran desconocidos.

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EvaluacinEn esta actividad se evaluar el grado de comprensin de la teora atmica de Dalton y de su comparacin con la teora atmica de Demcrito, junto con la valoracin de estas teoras para el desarrollo de la fsica (atmica) y de la qumica en su estado actual de desarrollo. Es importante verificar si los estudiantes pueden definir el rango de validez de cada uno de los postulados de Dalton y si muestran un conocimiento aceptable de los rasgos biogrficos de este cientfico.

Actividad 3Se informan sobre algunos de los descubrimientos y teoras cientficas que han sido determinantes para el desarrollo de la qumica terica desde comienzos del siglo XX hasta nuestros das.

Ejemplo Indagan acerca de las contribuciones cientficas de Max Planck, Albert Einstein, Louis De Broglie, Ernest Rutherford, Niels Bohr, Erwin Schrdinger, Werner Heisenberg y Paul A. M. Dirac que desarrollaron nuevas concepciones acerca de la estructura atmica. Los estudiantes, organizados en varios grupos, indagan sobre la vida y obra de los cientficos anteriores, en particular en relacin con los siguientes aportes: Max Planck: Albert Einstein: Louis De Broglie: Ernest Rutherford: Niels Bohr: cuantizacin de la radiacin interpretacin del efecto fotoelctrico dualismo corpsculo-onda estructura del tomo modelo atmico en relacin con la comprensin del origen de los espectros del hidrgeno Erwin Schrdinger: invencin de la mecnica ondulatoria para describir el comportamiento del electrn en el tomo de hidrgeno Werner Heisenberg: comprensin del concepto de medicin en el mundo atmico y el principio de incertidumbre Paul A. M. Dirac: teora del espin electrnico, como resultado de la aplicacin de la teora de la relatividad a la descripcin del electrn.


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Esta actividad permitir a los estudiantes comprender mejor la existencia de mltiples nexos entre la fsica y la qumica, que en el caso de la teora atmica hallan un lugar de inters comn en la comprensin de los fenmenos a escala microscpica. Ello podr ser ilustrado a travs del estudio de los rasgos biogrficos de esos cientficos, todos ellos fsicos, cuyos aportes son fundamentales para el desarrollo de la qumica moderna. Ser importante recordar, por ejemplo, que Marie Curie fue galardonada con los premios Nobel de Fsica y de Qumica por trabajos que pertenecen al mbito de ambas ciencias. Esta ser una ocasin propicia para enfatizar el carcter interdisciplinario de la ciencia y as como se habla de la fsica y de la qumica existen disciplinas mixtas tales como la qumica-fsica y la fsico-qumica y, junto a la biologa, a la qumica orgnica y a la qumica inorgnica, se ha desarrollado tambin la biofsica, la bioqumica y la qumica bioinorgnica. Es importante que la biografa de estos personajes sea vvida y que surjan tambin aspectos de su semblanza humana, ms all de lo que fueron sus aportes a la ciencia. As por ejemplo, es importante que los estudiantes conozcan algo acerca de la vida de Max Planck que, no obstante haber sido muy lograda en el ejercicio de su profesin, estuvo ensombrecida por trgicas circunstancias familiares, que slo pudo sobrellevar gracias a su integridad y valenta. Pocos aos despus de la muerte temprana de su esposa, su hijo mayor muri en accin de guerra; al ao siguiente muri una de sus hijas y dos aos ms tarde la otra, gemela de la anterior. La casa de Planck fue totalmente destruida durante el bombardeo de Berln en 1944 y al ao siguiente su nico hijo sobreviviente encontr una muerte horrible en manos de la Gestapo, al aparecer implicado en un atentado contra Hitler. La dolorosa desaparicin del ltimo de sus hijos dobleg definitivamente su voluntad de vivir. Max Planck muri dos aos despus.

EvaluacinEl desarrollo de esta actividad se presta para evaluar cmo los estudiantes valoran el aporte realizado por hombres y mujeres de ciencia, una perspectiva del lugar que ocupa cada una de esas contribuciones en el concierto del avance de la ciencia y el conocimiento de algunos de los rasgos biogrficos de esos personajes. Esta es tambin la ocasin apropiada para evaluar, en la perspectiva actual, cmo alumnas y alumnos perciben el impacto de esos descubrimientos. Fueron buenos para la humanidad? En qu sentido se puede considerar que algunos de ellos fueron fatales y desencadenaron tragedias y pocas oscuras para la humanidad (las bombas atmicas, el desastre nuclear de Chernobyl, la guerra fra, etc.)?

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Actividad 4Reconocen la trascendencia de las contribuciones cientficas de tres qumicos laureados con el premio Nobel, los que aportaron los fundamentos de la disociacin de electrolitos y un ingenioso mtodo para la purificacin de sustancias.

Ejemplo Alumnos y alumnas realizan una investigacin bibliogrfica sobre S. A. Arrhenius y A. J. Porter Martin y R. L. Millington Synge. Analizan, en base a ejemplos, el fundamento de la teora de Arrhenius y realizan un experimento en el que se demuestra la disociacin de una sal en sus correspondientes iones. Con respecto de los cientficos Martin y Synge, constatan la relevancia para el desarrollo de la qumica del mtodo de aislamiento desarrollado por ellos. Se informan, de manera general, de la biografa de los cientficos A. J. Porter Martin (1910-) y R. L. Millington Synge (1914-1994). Indagan acerca del mtodo y teora de la cromatografa de particin desarrollado por Martin y Synge (1914-1994): En qu consiste este mtodo de separacin? Por qu el mtodo se llama cromatografa de particin? En qu se basa ste? Quin haba descubierto la cromatografa?

A continuacin, los estudiantes realizan algunos experimentos.


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Experimento Conductividad elctrica de una disolucin acuosa de sal. En dos vasos iguales disponen 100 mL de agua, en lo posible destilada o deionizada. En uno de los vasos disuelven suficiente NaCl como para obtener una disolucin 2 M. A continuacin colocan dentro de los vasos dos lminas de cobre de aproximadamente 4 cm 2 conectadas con una pila de 3 V (o dos pilas secas normales de 1,5 V conectadas en serie). El circuito dispondr, adems, de un interruptor y de una ampolleta o LED apropiado. Debaten acerca de lo que se observa en ambos casos. Intentan interpretar sus observaciones: Qu se observa con una disolucin acuosa 2 M de azcar (sacarosa)? (experimentar)

Experimento Particin de yodo en agua y queroseno. A cada uno de dos tubos de ensayo que contienen 1 mL de agua agregan 1 mL de queroseno (parafina). Introducen luego un pequeo cristal de yodo y agitan enrgicamente durante algunos segundos, tapando cada tubo. Dejan reposar la mezcla hasta que se haya separado en dos capas. Luego, a uno de los tubos agregan una punta de esptula de yoduro de potasio. Agitan nuevamente hasta su completa disolucin. Qu observan? Cmo interpretan sus observaciones? A qu se puede deber la diferente coloracin de la solucin cuando agregan cristales de KI? Qu contiene la capa inferior y superior de la mezcla?

Indagan por qu el agua y el queroseno son prcticamente inmiscibles. Qu deducen respecto de la solubilidad del yodo en agua y en queroseno?

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Experimento Particin de -caroteno en agua y queroseno. En un tubo de ensayo vierten 2 mL de agua y 2 mL de queroseno. Agregan una pequea cantidad de -caroteno. Agitan enrgicamente y dejan en reposo hasta que los lquidos se separan en dos capas (fases): Qu se observa? Qu contiene la capa inferior y superior de la mezcla?

Indagan por qu el agua y el queroseno son prcticamente inmiscibles. En cul de los lquidos es ms soluble el -caroteno? Indagan acerca de qu alimentos contienen -caroteno.

Experimento Realizacin de una cromatografa de papel. En un papel filtro para filtracin de slidos finos aplican cuidadosamente, con un capilar de vidrio, una pequea cantidad de una mezcla de jugos de zanahoria, naranja, betarraga y pimentn rojo, de modo que la mancha se mantenga lo ms pequea posible. Luego cortan el papel como se indica en la figura e introducen la lengeta de papel en un pequeo volumen de una mezcla de 80% de etanol y 20% de agua contenida en una cpsula Petri. Tapan la cpsula y la dejan, observando peridicamente si se produce algn cambio.

Punto de aplicacin de la muestra Papel filtro Papel filtro

Cpsula Petri

Mezcla alcohol / agua


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Alternativamente, pueden realizar el experimento aplicando la mezcla de jugos sobre un extremo de una tira de papel y usando para la elucin del cromatograma un tubo de ensayo, segn se muestra en la figura siguiente:

Tapn de goma

Argolla Pinza de sujecin

Zonas separadas

Punto de aplicacin Solvente de elucin


Los experimentos anteriormente descritos permitirn a alumnas y alumnos valorar la importancia de los aportes de los cientficos nombrados. Es importante relacionar las contribuciones de Arrhenius a varios contenidos de los programas de Qumica de 1, 2 y 3 Medio, tales como los conceptos de cido y base, propiedades coligativas de las disoluciones, el fenmeno de disolucin de un cristal inico, electrlisis, etc. Es importante que los estudiantes distingan claramente entre los fenmenos de ionizacin y de disociacin. La ionizacin es la formacin de iones y ello involucra normalmente la intervencin del solvente. De este modo, es incorrecto decir que el cloruro de sodio se ioniza en agua, ya que los iones Na+ y Cl- son las unidades constitutivas del cristal. En cambio, cuando un compuesto molecular como el HCl se separa para formar iones H+ y Cl- dicho proceso es propiamente una ionizacin. El proceso en que un compuesto inico slido se disuelve, separndose en sus iones en solucin, implica que dichos iones deban disociarse y recibe el nombre de disociacin. H Cl (ac) = H+ (ac) + Cl- (ac) Na Cl (s) + H2O (l) = Na+ (ac) + Cl- (ac)+

-

ionizacin disociacin

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Ambos procesos, ionizacin y disociacin, se presentan comnmente juntos. (Aqu se deber omitir toda referencia a que los iones en disolucin pueden asociarse formando pares inicos o agregados inicos de mayor tamao. Su disociacin est determinada por las propiedades dielctricas del solvente). Por otra parte, la cromatografa es una tcnica de separacin de extraordinaria importancia en el anlisis de productos de origen natural en extractos de diversas plantas y tambin tiene relevancia en la prueba de presencia de drogas en la orina, en la sangre y en otros fluidos biolgicos. Es posible detectar cantidades nfimas de drogas en muestras de diverso origen, lo que tiene mltiples aplicaciones en medicina forense, en tratamientos de rehabilitacin, en el rea del deporte, en la seleccin de personal, etc.

EvaluacinEn la evaluacin es importante averiguar en qu medida los estudiantes se han familiarizado con lo ms elemental de las tcnicas cromatogrficas, con sus fundamentos, con el modo de ser realizadas, su utilidad y con el significado de los conceptos bsicos: Por qu se denomina cromatografa? Qu es el fenmeno de particin? Qu relacin tiene ste con la tcnica anterior? Qu significa eluir un cromatograma? En relacin con los OFT se debe evaluar el inters de alumnas y alumnos por conocer la realidad y su capacidad para utilizar conocimientos ya adquiridos y la informacin bibliogrfica contenida en revistas, textos o enciclopedias e informtica. Tambin es importante que los estudiantes expresen su comprensin de la relacin entre la tcnica cromatogrfica y su utilizacin en variados campos de trabajo de inters para la sociedad (qumica forense, qumica orgnica de productos naturales, investigacin de nuevos frmacos, etc.). La comprensin de la teora de Arrhenius podr ser evaluada a travs de la exposicin de los estudiantes de propiedades caractersticas que dependen de la disociacin inica en solucin. Del mismo modo, se puede evaluar el grado de comprensin alcanzado respecto de la distincin entre ionizacin y disociacin, y de su comprensin como fenmenos relacionados pero no de idntica naturaleza.


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Actividad 5Se informan sobre descubrimientos de qumica que han significado un valioso aporte a la medicina y acerca de los trabajos de un notable investigador que fue laureado con el premio Nobel de qumica y que, adems, recibi ms tarde el premio Nobel de la Paz: Linus Pauling.

Ejemplo Realizan una investigacin biogrfica sobre Marie Curie y debaten algunos de sus descubrimientos y su contribucin al diagnstico clnico. Indagan acerca de la personalidad del qumico Linus Pauling y comentan sus aportes en diversas reas de la ciencia. Indagan acerca de algunos rasgos biogrficos de Marie Curie (1867-1934) y de los trabajos que le merecieron, junto con Henri Becquerel, el premio Nobel de Fsica. Averiguan sobre los trabajos de Marie Curie por los que recibi, en 1911, el premio Nobel de Qumica. Indagan en relacin a las aplicaciones de los descubrimientos de Marie Curie (reactores nucleares en la produccin de electricidad, radiologa, radioterapia del cncer, prospecciones petrolferas y la invencin de armas nucleares). Discuten sobre el fenmeno de radiactividad en relacin a los distintos modelos histricos del tomo y a los intentos de los alquimistas de descubrir una forma de realizar la transmutacin de sustancias. Los estudiantes se informan sobre lo siguiente y exponen al curso mostrando en forma grfica los conceptos involucrados: Istopos y factores que inciden en su estabilidad. Desintegracin radiactiva. Emisiones , y . Mtodo de datacin del carbono-14. En qu se basa y para qu se utiliza. Naturaleza de los rayos X. Utilizacin de los rayos X en la qumica, fsica y medicina. Radioterapia. En qu se basa y para qu sirve.

Debaten acerca de la responsabilidad de un cientfico que realiza un descubrimiento que luego es utilizado con fines de destruccin.

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Se informan acerca de la vida de Linus Pauling (1901-1994) y de las contribuciones que le valieron los premios Nobel de Qumica (1954) y de la Paz (1962), adems del Premio Internacional Lenin para la Paz (1972). Con qu famosos cientficos europeos trabaj Pauling en los inicios de su carrera? Cul fue el aporte de Pauling a la investigacin de las estructuras de las molculas? Qu tcnica utiliz Pauling cuya naturaleza haba sido investigada por Marie Curie? Qu es la electronegatividad y qu importancia tiene la escala de electronegatividad desarrollada por Pauling?


En esta actividad es importante destacar los aspectos valricos de la ciencia. As por ejemplo, el descubrimiento de la radiactividad y de la fisin nuclear pueden considerarse a la luz de diversos aspectos valricos: Esos descubrimientos llevaron ms tarde a la fabricacin de las armas atmicas que involucr un enorme cambio en la vida de la humanidad, primero luego de la masacre de Hiroshima y Nagasaki, despus con la guerra fra que mantuvo en vilo a los seres humanos durante dcadas frente a la amenaza de una guerra nuclear. Se han sumado a ello los problemas ambientales derivados de la eliminacin de desechos radiactivos y del transporte de sustancias radiactivas por los ocanos. La energa atmica, por otra parte, es utilizada en la produccin de energa por muchos pases que carecen de combustibles y de suficientes recursos hidrolgicos. Se le usa tambin en la esterilizacin de instrumental mdico y en la radioterapia del cncer. Los istopos producidos por diferentes tecnologas nucleares sirven para el diagnstico y para el tratamiento de muchas enfermedades. Los istopos tambin tienen importantes aplicaciones en la agricultura y en la investigacin en muy diversas reas. Las contribuciones cientficas de Linus Pauling son de gran importancia, pero l fue, adems, uno de los cientficos que durante el siglo XX contribuy ms eficazmente al fortalecimiento de la paz. En relacin con los usos de la energa nuclear es importante que los estudiantes indaguen y conozcan cmo aport Pauling, a travs de su esforzada gestin, en lograr un desarme de las potencias nucleares, alcanzando los pueblos una relacin ms pacfica entre s. Por ello se hizo acreedor del premio Nobel de la Paz en 1962, y tambin recibi posteriormente el Premio Internacional Lenin para la Paz (1972). Un texto que puede ser un punto de partida adecuado para el debate sobre el uso de la energa nuclear se encuentra en Quim Com, Qumica en la Comunidad, Addison-Wesley Iberoamericana, Mxico, 1998. (Cap. 5, Seccin D. Cmo vivir con riesgos y beneficios).


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EvaluacinEs conveniente evaluar en esta actividad el desarrollo de aspectos valricos de alumnos y alumnas. Cmo perciben el armamentismo? Ser movido por ansias de poder o quiz predominantemente por temor? Qu rol desempean o deben desempear los cientficos en reas de trabajo que pueden ser utilizadas en la carrera armamentista? Le asiste responsabilidad al que realiza un hallazgo cientfico o perfecciona una tecnologa que claramente puede ser usada con fines blicos? Qu grandes conflictos ha sufrido la humanidad durante los siglos XIX y XX? Pueden investigar el papel que jug el fsico Albert Einstein en la decisin del presidente norteamericano Franklin D. Roosevelt de impulsar la construccin del primer artefacto nuclear a travs del proyecto Manhattan (1942-1945). Realizan un debate entre dos grupos: uno de abogados defensores de Einstein, otro de acusadores. Esta puede ser una buena oportunidad para evaluar las posiciones valricas de los estudiantes y cmo perciben la ciencia en relacin con la sociedad.

Actividad 6Alumnos y alumnas adquieren el conocimiento sobre la teora estructural enunciada por J. H. vant Hoff y J. A. Le Bel y valoran el aporte de esta teora en la comprensin de aspectos y procesos fundamentales de la qumica de la vida.

Ejemplos Alumnas y alumnos se informan acerca de rasgos biogrficos de J. H. vant Hoff y J. A. Le Bel. Manipulan modelos moleculares hasta comprender el fundamento de la teora de vant Hoff y Le Bel acerca del carcter tridimensional de ciertas molculas derivadas del carbono, en las cuales cuatro tomos y/o grupos se encuentran unidos a dicho tomo. Emplean modelos moleculares muy simples, en los cuales el tomo de carbono es el tomo tetradrico central, y construyen molculas verificando la verdad de las siguientes afirmaciones: 1. Slo se puede construir un modelo molecular tetradrico de frmula CH3Cl. 2. Slo se puede construir un modelo molecular tetradrico para las frmulas CH2Cl2 y CH 2ClBr. 3. Es posible construir dos modelos moleculares para la frmula CHClBrF.

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Deducen desde una perspectiva objeto/imagen el concepto de asimetra o quiralidad de molculas y de objetos. Reconocen la existencia de asimetra a nivel de objetos y adquieren una visin simplificada acerca de la interaccin especfica de molculas biolgicas en procesos relacionados con la qumica de la vida.INDICACIONES AL DOCENTE

En 1874 J.H. vant Hoff y J.A. Le Bel describieron en forma independiente y casi simultnea una brillante teora estructural que estableci las bases fundamentales sobre la forma tridimensional de molculas derivadas del tomo de carbono. Estos autores proyectaron a nivel tridimensional las frmulas estructurales que ya haban sido descritas por Kekul, Couper y Butlerov. Dicha teora establece que los enlaces del tomo de carbono, por ejemplo, en el metano, se localizan espacialmente en la direccin de los vrtices de un tetraedro regular. Si a los cuatro vrtices se unen cuatro tomos o grupos diferentes, la molcula puede existir en dos formas distintas. Para la mejor comprensin de la teora sobre la tridimensionalidad molecular es apropiado el ejercicio de construccin y visualizacin de molculas como: CH3Cl, CH2Cl2 y CH2ClBr.

Estructura tetradrica del metano

H

H

CH H H H

CH

H

En el caso de la estructura de la molcula de CHClBrF resulta necesario construir dos modelos con los cuales se pueda comprobar que uno de ellos corresponde al objeto y el otro a su imagen en el espejo. Cuando se manipulan adecuadamente dichos modelos es posible demostrar que no se pueden superponer entre s. Se recomienda mostrar la superposicin de dos modelos de la molcula de CH3Cl, lo que puede ser logrado por rotaciones.


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Dos estructuras diferentes de la molcula CHClBrF

Cl

Cl

C H F F

C H

Br

Br

Objeto

Espejo

Imagen

Los dos modelos moleculares de frmula CHClBrF se examinan y se constata que son diferentes puesto que no se pueden superponer entre s. Infieren de esta comprobacin que estas estructuras corresponden a sustancias diferentes. Esta situacin se compara con nuestras manos derecha e izquierda: Las manos derecha e izquierda son aparentemente iguales pero no se pueden superponer. Aqu se trabaja con el concepto imagen-objeto.

Las manos tienen entre s una relacin imagen/objeto

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Cuando un objeto y su imagen especular no se superponen, se dice que el objeto es quiral. El trmino quiral deriva de la palabra griega cheir que significa mano. Este concepto se extiende a la molcula de frmula CHClBrF que, por presentar dos posibles arreglos de los cuatro tomos en torno del tomo de carbono, posee dos estructuras las cuales muestran un relacin imagen/objeto al igual que las manos; una estructura corresponder a la mano derecha y la otra a la mano izquierda. Se deduce en consecuencia que las estructuras de frmula CH3Cl, CH2Cl2 y CH2ClBr, en las cuales su imagen especular se superpone con el objeto correspondern a molculas aquirales; en consecuencia, una sola estructura es posible para estas frmulas. El mejor procedimiento para la comprensin de la quiralidad es mostrar a los estudiantes por medio de un espejo, que la imagen de la mano derecha corresponde a la mano izquierda y que ambas manos, derecha e izquierda, son diferentes puesto que no se pueden superponer. Es interesante plantear a los alumnos y alumnas acerca de la quiralidad de nuestro cuerpo recurriendo a la comparacin con su imagen especular. Todas estos procesos mentales de giros imaginarios requieren cierta destreza, la cual se adquiere a travs de la observacin de objetos reales. En este sentido, los alumnos y alumnas deben trabajar con diferentes elementos de nuestro quehacer cotidiano para comprobar el concepto de quiralidad (dos objetos de una misma serie por ejemplo: dos martillos, dos sillas, un par de calcetines, un par de guantes, dos resortes o espirales de sentido derecho e izquierdo, dos tornillos, etc.). Una situacin interesante se puede comentar para demostrar que las manos no son superponibles y es empleando un par de guantes; en la mano derecha slo ajusta el guante derecho y lo mismo ocurre con la mano izquierda. Si ambas manos fueran superponibles o iguales los guantes seran intercambiables pero no lo son. Se puede adems concluir que cada guante (por ejemplo, el derecho) es quiral porque no es superponible con el otro (izquierdo). Se advierte a los alumnos y alumnas que la quiralidad es una propiedad ampliamente extendida. El cuerpo humano es estructuralmente quiral puesto que, por ejemplo, el corazn se encuentra localizado en el lado izquierdo y el hgado a la derecha del mismo (la imagen especular de nuestro cuerpo no se superpone con nuestro cuerpo-objeto). Muchas plantas trepadoras se adhieren en forma de espiral-derecha o espiral-izquierda. La mayora de las molculas que elaboran las plantas y animales son quirales y slo una forma se encuentra en la especie correspondiente. Las protenas que realizan funciones biolgicas variadas como catlisis y transporte de nutrientes y participan en la estructura sea, se componen de fragmentos moleculares quirales conocidos como L-aminocidos. Las imgenes especulares de los fragmentos anteriores denominados Daminocidos aparecen slo en formas de vida inferiores como, por ejemplo, en la paredes celulares de ciertas bacterias. Diecinueve de los veinte aminocidos naturales que forman parte de las protenas naturales son quirales y todos ellos son clasificados como mano-derecha. Las molculas de azcares naturales son en su mayora clasificadas como mano-derecha, incluyendo los azcares del ADN. El propio ADN es una estructura helicoidal quiral y todos los ADN se encuentran plegados en el sentido derecha. Las molculas quirales pueden expresar su quiralidad diferente (derecha-izquierda) de diversas formas, por ejemplo, cmo interactan con nuestro organismo. Una de las formas quirales del limoneno se encuentra en la naranja y le confiere el aroma caracterstico a esta fruta. La otra forma quiral, que es la imagen especular de la anterior, se encuentra en el limn y corresponde al aroma particular de este ctrico. Este ejemplo indica que disponemos de receptores olfatorios


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capaces de distinguir la diferente quiralidad del limoneno lo que significa que los sitios receptores deben tambin ser quirales para reconocer, al igual que los guantes, las dos estructuras diferentes del limoneno. Por qu dos formas quirales de una misma sustancia difieren tan notablemente en sus propiedades biolgicas? Para ejercer su accin biolgica, una molcula debe encajar en un receptor quiral en el sitio de accin, de manera anloga a como una mano encaja en su guante correspondiente. As como la mano derecha slo ajusta en un guante derecho, una forma quiral slo puede ajustar en un receptor quiral que tenga la forma complementaria adecuada. En la siguiente figura se ilustra esta situacin entre una molcula quiral y un receptor biolgico quiral. Una forma ajusta perfectamente en el receptor (sitio especfico), pero la otra forma quiral (imagen especular) no es complementaria con el sitio o receptor biolgico.

Interaccin sustrato quiral-receptor biolgico

receptor-husped complementarios

receptor-husped no complementarios

C

C

superficie de la enzima

superficie de la enzima

El docente puede relatar a los alumnos y alumnas los efectos dramticos que fueron provocados por la droga talidomida la cual posee quiralidad. De las dos estructuras de esta molcula una de ellas disminuye los sntomas de somnolencia caracterstico del embarazo; sin embargo, la otra estructura que acompaa a la primera en la droga, es la responsable de los defectos de nacimiento de muchos nios cuyas madres ingirieron talidomida.

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EvaluacinLa evaluacin deber constatar que los estudiantes posean la destreza necesaria para comprender que los modelos moleculares permiten visualizar la tridimensionalidad de ciertas molculas derivadas del carbono. Es fundamental tambin que se compruebe que los estudiantes, mediante la simple observacin de un objeto o una molcula simple, deduzcan rpidamente la quiralidad o ausencia de esta caracterstica. En el plano de los OFT conviene evaluar la apreciacin que hacen acerca de la trascendencia de los aportes de la teora estructural de vant Hoff y J. A. Le Bel, que ha sido empleada por muchos c

Quimica Origenes e Historia 3ero Medio

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