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Tercer Año Medi o Quí mi ca M ini i ni st eri o de Educa Educaci ci ón
Unidad 3
C inética inética química
Contenidos
•
M edición di ción de la vel vel ocida ocid ad de una reacc reaccii ón simpl e, a lo menos a dos temperatur temperatur as y a dos concentraciones iniciales de reactantes; determinación del orden de reacción; cálculo de las constantes de velocidad; estimación de la energía de activación.
•
I ntroducc nt roduccii ón a los l os meca mecani ni smos de reacc reaccii ón; reacc reaccii ones ones quí quí mi cas cas reve reversibl rsibl es y equilibrio químico.
•
Composi Composi ción quí mi ca y carac caracterí terí sti cas cas fí si cas cas de ca catali zadore zadores s de uso uso en en l a vida coti di ana. na.
•
Redacc Redaccii ón de un ensa ensayo yo de no más de 300 pal pal abras acerca cerca de l a i nf l uenci uencia a de l a t emperat emperatur ura a en l as reacci reacciones ones de descomposici descomposici ón de ali mentos ment os..
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Uni dad 3: Ci nét i ca quími quí mi ca
Aprendizajes esperados
L os al al umnos y alumnas: alumnas: •
identi fi can can el el conce concepto pto de velocida velocidad d de rea reacción; cción;
•
relaciona relacionan n l as vel vel oci oci dad dad de rea reacci cci ón di recta recta e i nvers nversa a con con la obtención del del equil ibr io quími co; co;
•
reconocen que la velocidad con que ocurre una reacción determinada depende principalmente de dos factores: concentraciones y temperatura;
•
reconoc reconoce en el conce concepto de meca mecani ni smo para para expli expli car car l a ci ci néti néti ca de una una reacc reaccii ón sim ple pl e;
•
asoci oci an a una reacc reaccii ón una det det ermi nada nada ene energí rgía a de acti vación; vación;
•
distinguen distinguen entr entr e los conce conceptos ptos de catali catali zador zador e inhi bidor;
•
valoran valoran l a importancia importancia de los catali catali zadore zadores s, part part icularmente icularmente en en l a cat cat ál i si s enzi máti ca de proces procesos de impor t ancia nci a bioquí mi ca, ca, y en en l os convertidores catalíticos de motores de combustión interna.
Conceptos estructurantes de la unidad
•
veloc velocida idad d de rea reacción, v
•
etapa tapa dete determin rmina ante
•
fac factores tores que que afec fectan
•
mole molec cularid larida ad
la velocidad de reacción
•
teo teoría de colision lisione es
•
l ey ey ci né nét i ca ca
•
energía nergía de acti vación
•
rea reacción ele eleme menta ntall
•
cataliz taliza ador dor
•
consta onstante nte de veloc velocida idad d
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Aprendizajes esperados
L os al al umnos y alumnas: alumnas: •
identi fi can can el el conce concepto pto de velocida velocidad d de rea reacción; cción;
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relaciona relacionan n l as vel vel oci oci dad dad de rea reacci cci ón di recta recta e i nvers nversa a con con la obtención del del equil ibr io quími co; co;
•
reconocen que la velocidad con que ocurre una reacción determinada depende principalmente de dos factores: concentraciones y temperatura;
•
reconoc reconoce en el conce concepto de meca mecani ni smo para para expli expli car car l a ci ci néti néti ca de una una reacc reaccii ón sim ple pl e;
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asoci oci an a una reacc reaccii ón una det det ermi nada nada ene energí rgía a de acti vación; vación;
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distinguen distinguen entr entr e los conce conceptos ptos de catali catali zador zador e inhi bidor;
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valoran valoran l a importancia importancia de los catali catali zadore zadores s, part part icularmente icularmente en en l a cat cat ál i si s enzi máti ca de proces procesos de impor t ancia nci a bioquí mi ca, ca, y en en l os convertidores catalíticos de motores de combustión interna.
Conceptos estructurantes de la unidad
•
veloc velocida idad d de rea reacción, v
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etapa tapa dete determin rmina ante
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fac factores tores que que afec fectan
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mole molec cularid larida ad
la velocidad de reacción
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teo teoría de colision lisione es
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l ey ey ci né nét i ca ca
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energía nergía de acti vación
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rea reacción ele eleme menta ntall
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cataliz taliza ador dor
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consta onstante nte de veloc velocida idad d
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Orientaciones didácticas
El estudio de la ci n é t i ca dará oportunidad al docente para estimular a alumnos y alumnas a oci dades aprender que las reacciones químicas no ocurren de manera instantánea y que sus v el oci se si si t úan úan en un ampl i o i nt er val val o: algunas reacc reaccii ones ones son son extr aordi nari amente l ent as y en en ell el l as, macroscópicamente, no se detectan cambios medibles en un lapso de tiempo considerable; en el otro extremo, hay reacciones que parecen ocurrir de manera instantánea. L o anteri or es i mport mpor t ant e en en re r el aci aci ón a las uni dades dades prece precedentes dentes:: l at er modi námi ca de un proceso sólo permite hacer predicciones sobre su factibilidad, pero no acerca de la velocidad con que di cho proceso proceso ocurre. De D e est est a manera, l os est est udi antes comprenderán compr enderán más f áci áci l mente ment e que el el est ado de equi equill i bri o para una reac reacción ción quími quí mi ca muy l ent a puede puede se ser prácti camente camente inali nalcanzabl canzable. e. A l umnas umn as y al al umnos umn os conocen conocen proce pr oces sos l entos como la oxidación oxi dación de al al gunos met met ales al aire (hierro, cobre, etc.), algunos de los cuales se recubren de una capa de óxido que protege l a supe superf rf i cie del del metal y hace muy le l ent a la oxi oxidac dacii ón. L os est udi ant es han es escuchado cuchado o leído leí do sobre los l os deva devas st adores efectos de una expl expl osi osi ón de gas natural natu ral o de gas gas l i cuado cuado y es i mpor t ante que comprendan comprendan que dicha expl explos osii ón es produci da por una reacc reaccii ón quí mi ca muy rápi da, que est est á acompañada acompañada por un u n gran gr an aument aumento o de l a t emperat emperatur ura a y una brusca expansión expansión,, produci prod ucida da por la generación de gases y dicho aumento de la temperatura. El tema anterior, referido a la velocidad de reacción, deberá conectarse con los factores que inf in f l uyen uyen sobre és ést a: la t emperat mperat ura y l a conce concent nt ración de las es especies pecies que i nt er vie vi enen en l a reacci reacción. ón. En reacci reacciones ones heterogé het erogénea neas s, como la de un metal met al con áci áci do, los l os est est udi antes aprenderán acerca de la importancia del tamaño de partícula del sólido. L os f act act ores que af af ect ect an la vel vel ocidad oci dad de reacción reacción deberán deberán ser ser aprendi dos y comprendi compr endi dos por los alumnos y alumnas como un saber que es aplicable a la comprensión de muchos fenómenos de la vida cotidiana. En relación al ef ecto de d e la te t emperat mperat ura, los l os es est udi ant es habrán habrán observa observado do que un ali mento se conserva más tiempo en el refrigerador que fuera de él, pero que un yogurt u otro alimento, finalmente, también se descompone aunque esté refrigerado. Conviene que el profesor les explique que los medicamentos tienen condiciones ideales de almacenamiento, generalmente en ambientes frescos, pero alcanzan una fecha de vencimiento cuando la concentración de la sus sustt ancia nci a farm farma acológi camente camente acti acti va ha dis di smi nui do a val val ores i nadmis nadmi si ble bl es para el f i n que est est án dest dest i nados. nados. Por otra parte, los procesos bioquímicos que ocurren en el cuerpo humano se pueden hacer muy lentos bajo condiciones de bajas temperaturas, de tal modo que se produce la llamada hipotermia. Si la temperatura corporal del ser humano desciende demasiado, éste alcanza un estado en el que los procesos vitales colapsan y muere. A l umnos umn os y al al umnas umn as recordarán que exis exi st en es especies animales ani males que se se han adapt adapt ado a las condi ciones ci ones del entor no y que posee poseen n gr uesas uesas capas capas de grasa grasa que los aí aí sl a, retardando l a pérd pérdii da de calor hacia el exterior. Estos animales hibernan con un consumo muy bajo de sus reservas de sustancias energéticas acumuladas en el organismo. Para la mayoría de los alumnos y alumnas es menos evidente que existe un efecto de la concentr aci aci ón sobre l a vel vel ocidad oci dad de reacci reacción. ón. L os exper exper i mentos ment os que se se proponen pr oponen en es est a uni dad permitirán al docente una más eficaz labor pedagógica en esta materia.
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Es esencial que los estudiantes comprendan que los catalizadores no deben ser incluidos en la categoría de “factores”, puesto que su intervención supone una vía diferente para una reacción. Esto conecta con el concepto de mecan i smo de r eacci ón que remite a su vez a la presencia de una bar r era de energía l i bre que debe ser superada para que los reactantes se transformen en productos. Es importante que la profesora o el prof esor exija a los estudi ant es indi car en las ecuaciones el estado físico de las especies que participan en cada reacción estudiada, tal como la han aplicado a las unidades anteriores, ya que generalmente en distintos medios las reacciones transcurren con diferente cinética (velocidad y mecanismo).
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Actividades Actividad 1 Identifican los factores que afectan la velocidadde reacción, destacando la concentración, la temperatura y el estado de división de un sólido.
Ejemplo Realizan experimentos relaciona dos a situaciones de la vida cotidian a e indagan acerca de los factores que inf luyen sobre la velocidad de una reacción. El profesor o la profesora int roduce el tema de la veloci dad de reacción en contextos que sean significat ivos para los estudiantes, por ejemplo, los siguien tes: 1 . U n a j o v e n y su a m i g o q u i e r e n c oc i n a r h u e vo s y d e b a t e n s ob r e s i l o s h ac e n e n u n a s a rt é n con agua o con aceite hirviendo. La joven afirma que se cocinará más rápido en aceit e, mient ras que su amigo sostiene que será más rápido en ag u a hirviendo. Otro joven, que acaba de llegar, se suma al debate y afirma que da exactamente lo mismo, ya que se cocinarán con igual rapidez. Debaten durante un rat o y no logran ponerse de acuerdo. •
Lo s es t ud i an t es i n te n ta n re sp o nd e r: - ¿Es l a c o c ci ó n d e u n h u e vo u n pr o c e so d e n a t u r a l e za q u ím i c a ? - ¿Es u n p ro c e s o r e v e rs i b l e o i rr e v e rs i b l e , e n e l s e n t i d o d e q u e re g e n e r a nd o l a s co n d i ciones iniciales de temperat ura y presión el sistema vuelva a su estado original? - ¿Có m o s e r á l a v a r i ac i ó n d e e n e r g ía l i b r e de l h u e v o e n e l p ro c e s o d e s u co c c i ó n ?
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S a b i e n do q u e e l h u e vo c o nt i e n e u n a c a n t i d a d i m p o r t a n t e d e p r o t e í na s , q u e so n e st r u c t u ras relativamente ordenadas: - ¿Q u é i m a g i n a n q u e s u c e d e c o n l a e n t r o p ía a s o ci a d a a el l a s d u ra n t e e l p ro c e s o d e cocción? - ¿H a br á a um e n t a do e l o rd e n de l a s es t r uc t u ra s p ro t e i ca s ? - ¿S e po d r ía l o g r ar l a co a g u l a c i ó n d e u n h u e v o m e d i a n t e a l g u n a s u s t a n c i a q u í m i c a ? (Ensayar, por ejemplo, agregando a un poco de l a clara una di solución de sulf ato de cobre o ácido cl orhídrico concentrado). - ¿Q u é p r e d i c ci ó n h a c e n e n r e l a ci ó n a l a ra p i d e z d e c o cc i ó n e n a g u a y e n a c e i t e ?
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Experimento 1 Tiempo de cocción de un huevo bajo condiciones diferentes.
Calientan agua cuidadosament e en una sartén, hasta que hierva; rompen la cáscar a del huevo y junto con colocarlo en la sartén hacen part i r el cronómetro. Lo detienen cuando la clara está blanca y han desaparecido l os último s vestigios de clara amaril la sin cocer. •
Lu e g o l i mp i a n y s ec a n b ie n l a s a rt é n y c a l ie n t a n e n e ll a a c ei t e , m i di e n d o l a t e m pe r at u r a cuando éste está próxim o a hervir. Si no disponen de un termóm etro apropiado que pue da medir temperat uras del orden de 200-250 o C, echan cuidadosament e con un gotario 12 gotas de agua sobre el aceite calient e. Si chisporrotea con violencia quiere decir que la temperatura del aceite está sobre el punto de ebullición del agua. Colocan un huevo de tamaño similar al usado anteriormente y proceden de manera análoga, midiendo el tiempo de cocción.
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Lo s e st u di a nt e s sa ca n c on cl u si o ne s: - ¿Cu á l de l o s jó ve n es t e ní a ra zó n ? - ¿Qu é de d uc en d el e xp e ri m e nt o ? - S i o bs e r v an l o s b o r d e s e x t e r n o s d e l a cl a r a , ¿n o t a n a l g u n a d i f e r e n c i a e n t r e e l huevo cocinado en agua hirviendo y en aceite?
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U n g ru p o d e al u m n o s s e i n f o r m a s o b re l a e st r u c t u r a p r i m a r i a de l a s p ro t e í n a s y a c er c a del proceso de desnat uralización (calor, adición de á cidos, acción de enzimas como las proteinasas, etc.) e indagan acerca de la estructura de la prot eína que se altera durante el proceso de desnaturalización.
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D e ba t e n en r el a c ió n a la v er d ad d e l a s i g ui e n t e af i r m a ci ó n :
La velocidad de una reacción química depende de la temperatura y, en general, aumenta cuando esta últim a crece.
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El d o ce n te i n fo rm a a l os e st u di a nt e s qu e :
Como regla aproximada, la velocidad de una reacción se duplica cuando la temp e r a t u r a a u m e n t a e n 1 0 o C.
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Pa r a l l e g ar a c om p r e n d e r m e j o r, a rg u m e n t a n e n b a se a l e x pe r i m e n t o r ea l i za d o a n t e r i or mente (cocción de un huevo) o a otras experiencias como la vel ocidad de cocción en una olla común y en una olla a presión, en la cual la temperatura alcanza alrededor de 115 o C; velocidad de descomposición de los aliment os y utilidad del refrigerador, etc.
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2 . V ar i o s a m i g o s se h a n r e u n i do e n l a p l a y a ; e s d e n o ch e y h a c e m u ch o f r í o . H a n e n c e nd i d o una fogat a y observan lo que sucede cuando soplan con un fue lle o abanican el f uego. •
I nt e n t a n r e sp o n de r a l as si g u i en t e s p r eg u n t as : - ¿Es l a co m b u st i ó n d e la m a d er a u na r e ac c ió n q uí m i ca ? - ¿Qu é pr o du c t o s s e f o r m an e n l a co m b u st i ó n ? - ¿Es l a r e a cc i ó n d e c om b u s t i ó n u n a r ea c c i ó n re d o x ? S í es a s í, ¿c u á l e s el oxidante y cuál el reductor? - ¿Es e sp o n t án e a l a re a cc i ó n d e co m b u st i ó n ? - ¿Es l a re a c c i ó n d e c o m b u st i ó n e n d o t é r m i c a o e x o t é r m i ca ? ¿Có m o p u e d e n apoyar su aseveración usando sólo los sentidos? - Si la reacción es exotérmica, ¿de dónde proviene el calor que se desprende en ella? - ¿Q u é o b s e r va n c u a n do s o p l a n a i re e n r e l a ci ó n a l a r a pi d e z c o n q u e se c o n s um e l a madera en la fogata? - ¿A q u é s e d e b e q u e e l f u e g o s e a v i v a al s o p l a r, n o o b s t a n t e q u e e l a i r e q u e s e renueva y entra en contacto con la zona de la llama está m ás frío? - ¿H a n o bs e rv a do l o q u e o c ur r e e n un i n c e nd i o c u an d o s op l a v i en t o ?
Experimento 2 Combustión de un material con diferente disponibilidad de aire.
Combustionan, a la intemperie, dos pequeñas pilas d e 5-6 palos de helado, o dos pequeños trozos de cartón, del mism o tamaño, debajo de l os cuales han colocado una hoja de papel arrugada. En ambos casos se inicia simultánea mente la combustión, pero sobre una pila soplan o abanican, mientras que la otra dejan que combustione sola. M iden el tiempo que demora la combustión en ambos casos. •
¿C uá l c o m b u s t i o n ó en m e n o r t i e m p o ? ¿Có m o s e e x p l i ca é s t o ? D e b a t e n s o br e e l r e su l t a d o del experiment o y ven si confirma sus predicciones. ¿Qué ocurre cuando se sopla o abanica en relación a la cantidad de oxígeno en un cie rto volu men de aire?
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G u i ad o s p o r e l d o c e nt e , a l u m n as y a l u m n o s p od r á n l l eg a r a l a c o n cl u s i ó n qu e a l ab a n i c a r se renueva el aire y aumenta la concentración de oxígeno en el luga r en que se produce la combustión, lo que hace aumenta r su velocidad. De aquí resultará que:
Existe una depe ndencia de la velo cidad de reacción (de combustión) con la concentración de los reactant es (oxígeno).
Para complement ar las actividades anteriores se sugiere el siguien te experimento .
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Experimento 3 Tiempo de fermentación de un jugo a diferentes temperaturas.
Colocan en dos frascos oscuros un poco de jugo de f ruta (piña, uva, ciruela, etc), los c u b r e n c o n u n a t e l a y g u a r d a n u n o e n e l r e f r i g e r a d o r a 5o C y e l o t r o e n e l e x t e r i o r (a aproximadam ente 25 o C). •
O b se r v a n c u á n d o s e d et e c t a l a f o rm a c i ó n de g a s p o r f e rm e n t a c i ó n d el j u g o g u a r d a d o e n el exteri or.
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Es t i m a n c u á nt o t i e m p o d e b e rá t r a n sc u r ri r p a ra q u e o c u r ra l o m i s m o c o n el j u g o p ue s t o en el ref rigerador.
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A p a r t i r de l a a ct i v i d a d re c i é n p ro p u e s t a , a l u m n o s y a l u m n a s q ue v i v en e n zo n a s de p r o ducción vinífera o pisquera pueden realizar un trab ajo sobre la importancia del control de la temperatura en la fermentación alcohólica (có mo se regula la temperatura, qué temperat ura se manti ene en los caldos destinados a la elaboración del vino tinto, blanco y pisco, qué sucedería si las cubas de ferment ación no fuesen e nfriadas, etc).
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Fi n a l m en t e , re a l i za n u n e x pe r i me n t o e n e l q u e se d e m u e st r a e l e f e ct o d e l e s t ad o d e división de un sólido sobre la velocidad de reacció n.
Experimento 4 Tiempo de reacción del carbonato de calcio con ácido clorhídrico en función del estado de división del sólido.
Disponen dos trozos de igual masa de carbonato de c alcio, en lo posible en forma de mármol. Un trozo lo muelen finamente en un mortero y luego calculan el volumen de ácido clorhídrico al 10% necesario para que la reac ción sea estequiom étrica. •
M i d e n d os p o rc i o ne s d e s ol u c ió n d e H Cl , c al c u la n d o u n 1 5% d e e x ce s o so b re l a c a n t i da d estequiométrica, y las vierten en dos vasos idéntic os. Comienzan a medir el tiempo y agregan, simultáneamente, cada porción de sólido a ambas soluciones de HCl y agitan rápidamente, pero con precaución, para evitar que l a espuma rebase la parte superior del recipiente.
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D e b a t e n s o b r e e l r e su l t a d o d e l e x p e r i m e n t o e i n d a g an a c e rc a d e u n a e xp l i c a c i ó n p a r a sus observaciones.
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El d o c e n t e l es s u g i er e a v er i g u a r s o b r e l a i m p o r t a n c i a d e l e s t a d o d e d i v i si ó n d e u n s ó l i d o para su reactividad con un gas, por ejemplo, aire, en el caso de materiales finamente divididos (polvos en suspensión) como carbón o serrín.
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El p r o f e so r o p r o f e s o ra s e ña l a q u e e n m u c h o s c a s o s l a r e ac c i ó n d e m a t e r i a l e s f i n a m e n t e divididos con el aire es explosiva, en otros casos los materia les son pirofóricos: el hierro o plomo muy finos se inflaman espontáneamente al aire.
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Fi n a l m e n t e , l o s e s t u d i a n t e s , c o n e l ap o y o d e l d o c e n t e , r e s u m e n e n f o r m a d e u n c u a d ro l o que han aprendido en esta actividad:
Toda transform ación química ocurre con una cierta velocidad . No existen procesos instantáne os, aunque sí hay procesos que ocurren en tiempos extremad amente breves. Los factores más import antes que afectan la velocidad de una reacción son: • La t e m p e r a t u r a . • La concentración de las especies que intervienen en la reacción. • El estado de división , para el caso de reacciones en las que intervienen sólidos.
IND ICACIONES AL D OCENTE
Es importante que el docente supervise que alumnas y alumnos usen siempre sus gafas protectoras. En el caso de la cocción del huevo, la adición de 1-2 gotas de agua al aceite debe ser hecha con precaución, y los estudiantes deben cuidar de no agregar más agua que la indicada ni calentar el aceite al punto en que desprenda vapores o, menos aun, humos, que son muy contaminantes e involucra riesgo de accidente por inflamación. Si se usa un termómetro de mercurio será necesario que el profesor o la profesora cuide de que sea manipulado de modo que no haya riesgo de rotura, recordando a alumnos y alumnas que los termómetros de alcohol son inapropiados para medir la temperatura del aceite muy caliente porque ésta puede superar holgadamente el tope de la escala y se reventarían. El aceite, una vez frío, deberá ser puesto en un hoyo en la tierra a unos 30-40 cm de profundi dad, en un l ugar alejado de cursos de agua o de sembradí os, de manera que se degrade en forma natural. El docente supervisará que en ningún caso se vierta el aceite en los desagües o se arr oje a la basura, ya que como es insolubl e en agua y se degrada lent ament e puede provocar daños ecológi cos signi fi cati vos. El tema de las proteínas presentes en el huevo es una excelente oportunidad para relacionar la química orgánica con la bioquímica, la biología y con la teoría del enlace químico, que fue int roducida en 2o A ño de Educación M edi a. El lo puede relaci onarse, además, con algunos tópicos de la unidad 4 de este programa (grupos funcionales, estereoquími ca, efecto estéri co, etc.).
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Es importante que los estudiantes comprendan que si se aplicara a la reacción de fermentaci ón l a regla de que la velocidad se dupl i ca con un i ncrement o de la temperatura en 10oC, la reacción en el refri gerador deberí a transcurr ir con una velocidad que es aproxi madamente un cuart o de la misma reacci ón a temperatura ambiente. Es importante también que el docente explique a los estudiantes que el aumento de superficie resultante al dividir un sólido es considerable y, por ejemplo, si se considera un cubo de arista a, al dividir dicha arista en n segmentos de igual longitud resultan n 3 cubitos con una superfi cie tot al que ha aumentado en un f actor de n con respecto de la superfi cie inicial. Alumnas y alumnos podrán entonces comprender fácilmente que si la velocidad de una reacción es proporcional a la superficie de contacto entre un sólido y un líquido o gas, el mayor estado de división puede significar un enorme aumento de la velocidad de reacción, que puede llegar a ser explosi va. D e ahí la impor tancia de seguir las instr ucciones y evitar chi spas o fuentes de calor en ambientes que contienen polvos combustibles en suspensión.
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Evaluación L os aprendizajes podr án ser evaluados a través de una breve exposi ción en l a que los alumnos y alumnas indaguen y relaten sobre fenómenos de la vida cotidiana que sugieran que existe una dependencia de la velocidad de reacción con la temperatura, la concentración y el estado de división. A los estudi antes que no recuerden tales fenómenos se les puede formular preguntas que les permi tan asociar situaciones coti di anas con la velocidad de reacci ón, por ejempl o: - ¿Por qué en una olla a presión se reduce el t i empo de cocción de los alimentos? - ¿En qué se basa la uti li dad del refri gerador para la conservación de los alimentos? - ¿Qué factores son i mport antes en el proceso de descomposi ción de un ali mento? - ¿Por qué se recomienda que muchos medi camentos sean guardados en un lugar fr esco? - ¿Por qué una mayonesa o una crema, que conti enen una emulsi ón con pequeñí simas gotas de aceite o grasa, se descomponen rápidamente por acción de microorganismos y de allí la importante precaución de consumirlas frescas y mantenerlas a baja temperatura? Otra manera de evaluar los aprendizajes consiste en que los estudiantes inventen historias en las que se debata en t orno al efecto de la temperatur a, la concent ración de las especi es y estado de divisi ón sobre la velocidad de reacción. En la evaluación de esta actividad es importante que los alumnos y alumnas hayan comprendido que la velocidad de reacción también es afectada por la concentración, pero más difícilmente podrán encontrar ejemplos que señalen dicha dependencia. (Entre ellos está el proceso de combustión de la madera u otros materiales, que se acelera al aumentar la concentración de oxígeno; el t iempo de descomposi ción de un ali mento que depende de la concent ración ini cial de microorgani smos. L os estudi ant es pueden consultar a la profesora o al prof esor de Biología que les indicará la forma de ver al microscopio las colonias de bacterias en un alimento. También se pueden “sembrar” hongos en un alimento, en diferentes concentraciones, y observar el tiempo que demora el ali mento en cubri rse de hongos. Otros procesos cinéticos muestran t ambi én l a dependencia con l a concent ración ( o de la di ferencia o gradient e de concentración), por ejemplo, la velocidad de paso del agua a través de una membrana por efecto de la presi ón osmóti ca.
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Actividad 2 Determinan el efecto de la temperatura y de la concentración sobre la velocidad con que ocurre una reacción.
Ejemplo D e t e r m i n a n e x p e ri m e n t a l m e n t e e l e f e c t o d e l a c o n c e n t ra c i ó n i n i c i a l y d e l a t e m p e r a t u r a sobre la rapidez con que se alcanza un mismo grado de descomposición del ti osulfat o de sodio, Na 2 S 2 O 3 , por acción del ácido clorhídrico.
Experimento 1 (Preliminar) Reacción de ácido clorhídrico con una disolución de tiosulfato de sodio.
Realizan la reacción, en un tubo de ensayo, mezclando vol úmen es pequeños de las disoluciones de tiosulf ato y de ácido clorhídrico y anotan sus observacion es. •
Ob s er v an l o q ue o cu r re e i nd a g an e n re l a ci ó n a: - Qu é p ro du ct os se f or ma n. - N ú m e r o d e ox i d ac i ó n d e l azu f r e e n l os pr o du c t o s.
•
Pa r a av e r i g u ar e l t i p o d e pr o d u c t o s f o r m a d o s e l d o ce n t e p u e d e a p o y a rl o s co n a l g u na s preguntas: - ¿Q ué c a m bi o s se o b se r va n e n el m e d i o de r e ac ci ó n ? - ¿Q u é s e o b se r v a s i s e c o l o c a e n l a b oc a d e l t u b o d e e n sa y o u n p a p e l c on u n a go t a d e u n a s o l u c i ó n m u y d i l u i d a d e p e r m a n g a n at o d e p o t a s i o , i n m e d i a t a m e n t e d e s p u é s d e agregar el ácido? - ¿Q ué i n d ic a un a d ec o lo r ac i ó n d e l pe r m an g a na t o ? - ¿Q u é t i p o d e su s t a n c i a e s , e n t o n c e s l a q u e s e d e sp r e n d i ó e n l a re a c c i ó n? - ¿Qu é g as po dr ía se r?
Experimento 2 Dependencia del tiempo de avance de una reacción en términos de la concentración de los reactantes.
Disponen antes del inicio de la experimentación tre s matraces Erlenmeyer que contienen, respectivamente, 170 mL de una disolución de t iosulf ato de sodio 0,20 M (49,6 g/ L, u s a n d o l a s a l p e n t a h i d r a t a d a ) , 7 0 m L d e á c i d o c l o r h í d ri c o 1 M y 1 2 0 m L d e a g u a desionizada (o destilada), en un recipiente (cubeta o bat ea, ojalá blanca) con agua, de
118
Tercer Año Medi o Quí mi ca M i ni st eri o de Educaci ón
manera que alcancen aproximadamente la misma temper atura. También se temperan 5 matraces Erlenmeyer vacíos en cuyo fondo se ha dibu jado con un plumón grueso (tinta permanente ) una cruz de idént ico tamañ o y grosor. •
Ca l c u l a n l a s c o n c e n t ra c i o n e s i n i c i a l e s d e t i o s u l f a t o y d e á c i d o c l o r h íd r i c o e n l a m e zc l a resultante al agregar 10 mL de disolución de HCl 1M a 50 mL de diferentes disolucio nes d e t i o s u l f a t o , q u e s e p r e p a r a n a g r e g a nd o e l v o l u m e n d e d i s o l u c i ón 0 , 2 0 M d e l a p r i m e r a columna de la siguiente tabla al volumen de agua que figura en la segunda columna:
Vtiosulfato
Vagua
VH Cl
Vtotal
ctiosulfato
c H Cl
t/s
t/s
/mL
/mL
/mL
/mL
/M
/M
(a 22,3oC)
(a 32,0oC)
50
0
10
60
0, 17
0,17
31
40
10
10
60
0,13
0 ,17
37
30
20
10
60
0,10
0 ,17
56
20
30
10
60
0,06 7
0 ,17
1 00
10
40
10
60
0,03 3
0 ,17
2 60
•
A l m o m e n t o d e i ni c i ar e l e x pe r i m en t o m i d e n la t e m p e ra t u ra d e l a s so l u ci o n es .
•
V i e rt e n 5 0 m L d e d i s o l uc i ó n d e t i o s u l f a t o d e so d i o 0 ,2 0 M e n u n m a t r a z Er l e n m e y e r d e 125 mL y agregan rápidament e 10 mL de ácido clorhídrico 1M , iniciando simultáne amente la medición del tiempo.
•
A g i t a n a i nt e r v a l o s r e g u l a re s m a n t e n i en d o e l m a t r a z Er l e n m e y e r e n e l a g u a t e m p e ra d a , aunque si no se dispone de un recipiente de fond o blanco debe sacarse ocasionalme nte el mat raz para apreciar el grado de t urbidez alcanzado, colocándolo sobre un pa pel blanco.
•
Detienen el cronómetro cuando la turbidez de la solución no permita ver el dibujo de la cruz.
•
Re a l i za n e s t e e xp e ri m e n t o n u ev a m en t e u s a nd o 4 0 , 30 , 2 0 y 1 0 m L d e s o l uc i ó n d e tiosulfato, diluido con 10, 20, 30 y 40 mL de agua, respectivamente, de modo que se tiene una t abla como la ant erior, en la cual se anotan los ti empos de reacción.
Uni dad 3: Ci nét i ca quí mi ca
119
Experimento 3 Dependencia del tiempo de avance de una reacción en términos de la concentración de los reactantes y de la temperatura.
Repiten el experimento temperando previamente las s oluciones de tiosulfato de sodio y ácido clorhídrico, así como 125 mL de agua, a una temp eratura que sea aproximadam ent e 1 0 o C superior o inferior a la medida al comienzo del e xperimento anterior y agregan otra columna a la tabla anteri or, anotando también los ti empos. •
D e ba t e n s ob r e l os r e su l t a do s d e l e xp e ri m e n t o e i nt e n t a n re s po n d er : - ¿Po r q ué l a s ol u c ió n s e e n t u rb i a a m ed i d a qu e p a sa e l t i e m po ? - ¿Pa r a q u é se d e t i e n e e l c ro n ó m e t r o , c a d a v e z, c u an d o l a c ru z d e j a d e s e r visible? - ¿Po r q u é s e m a n t i e n e c o n s t a n t e el v o l u m e n d e l a d i so l u c i ó n re s u l t a n t e d e l a m e zc l a ? - ¿Po r qu é se v ar ía s ó lo l a co n ce n t ra c i ón i n i ci a l d e t i o s ul f a t o y n o t a m bi é n l a d e á c i do clorhídrico? - ¿Po r q u é se t e m p e ra n l a s s ol u c io n e s y se m i d e l a t e m p e ra t u r a i ni c i al ? - ¿Po r q u é e s n e ce s a r i o s e g u i r t e m p e r a n d o l a s o l u c i ó n c u a n d o oc u r re l a r e ac c i ó n ? - ¿Q u é s e p u ed e d e ci r d e l e f e c t o d e l a c o n c e nt r a c i ó n de t i o s u l f a t o so b r e l a v e l o ci d a d con que se forma una cierta canti dad de azufre? - ¿Q u é e f e c t o t i e n e l a t e m p e r a t u r a s o b r e l a v e l o ci d a d c o n q u e o c ur r e l a r e a cc i ó n p ar a las mismas concentraciones iniciales? - ¿Qué ocurriría si la concentración inicial de tiosulfato fuese muy pequeña, por ejemplo, 0 ,0 0 1 M ? - ¿C óm o s e p o d rí a , e n c a d a c a s o , e x p r es a r l a ra p i d e z c o n q u e s e h a f o r m a do l a m i s m a cantidad de azufre? Por último el d ocente explica que:
La velocidad de reacción no es una constante; y, a medida que t ranscurre el tiempo, se va haciendo cada vez más más lenta porque di sminuye gradualmente la concentración de los reactantes.
Ello quiere decir que si se divide la variación de la concentración, de un reactante o p r o d u ct o , p o r e l t i e m p o e l l o n o e s p r o p i a m e n t e u n a “ v e l o c i d ad d e r e a c c i ó n ” s i n o s ó l o una medida de la rapide z en ese instante. Para la reacción bajo estudi o, se estima el t iempo que t ranscurre hasta que avanza a un mismo punt o (es decir, que se ha formado la m isma cantid ad de azufre), a partir de diferentes concentraciones iniciales de los reactantes. Una precisión mayor del concepto se logra en un ejemplo post erior, en esta misma un idad.
120
Tercer Año Medi o Quí mi ca M i ni st eri o de Educaci ón
IND ICACIONES AL D OCENTE
El tiosulfato de sodio más apropiado para obtener las disoluciones es la sal pentahidratada, Na2S2O 3 . 5H 2O, grado técnico o puro. (M = 248,18 g/mol, de modo que los estudi ant es prepararán 1 L de di solución 0,2 M di solviendo 49,6 g de la sal en 700-800 mL de agua contenida en un matraz aforado de 1,0 L , agregando agua y una vez di suelt a la sal aforando a 1,0 L ). Se debe recomendar a los estudiantes que, como el proceso de disolución del tiosulfato de sodio en agua es fuertemente endotérmico y la disolución se enfría considerablemente, esperen que la solución alcance la temperatura ambiente antes de enrasar a la marca de aforo. Es importante que sean i nf ormados por la profesora o el prof esor acerca de la reacción de descomposición del t iosulfato de sodio y que la escriban en forma de ecuación iónica y molecular, S2 O 3 2- (ac) + 2 H + (ac) SO 2 (g) + 1/8 S8 (s) + H 2O (l) (ecuación iónica) N a2 S2 O 3 (ac) + 2 H Cl (ac)
SO 2 (g) + 1/8 S8 (s) + H 2O ( l) + 2 NaCl (ac) (ecuación molecular)
Es important e que el docent e haga notar que el azufre se encuent ra en el sólido f ormando moléculas octaatómicas, S8, y no como átomos de azufre, S. El docent e querr á ayudar a los estudi ant es a determi nar l a velocidad (pr omedio) con que se ha formado azufre justo cuando no se percibe la marca en el fondo del matraz. Parece adecuado hacerlo en términos de que si, por ejemplo, se han formado “n” moles de azufre, se debe di vidi r por el volumen tot al de la solución (0,06 L ) y por el ti empo transcurri do. Es decir, quedaría expresada como n/(0,06 • t) [ moles/ (L • s)] y por lo tanto, como la velocidad debe expresarse correctamente en mol S8 / (L . s) ella resulta ser 8 veces menor que la veloci dad de for mación de las especi es atómi ca S. A sí , por ejemplo, si la velocidad de formación de S es 6,7. 10-5 mol de S/(L . s), la velocidad de formación de S8 es sólo 8,4 . 10-6 mol de S8 / (L . s). Se recomienda al docente no referirse al estado de oxidación del azufre en el tiosulfato, ya que éste es un ejemplo muy di fícil para los estudi antes. El lo, porque en el t i osulfato coexisten, en una misma especie, dos átomos de azufre con diferente estado de oxidación. Por otra parte, la estructura del ion, que es similar a la del ion sulfato, pero con un átomo de S en el lugar que estaba un átomo de O, está complicada por la deslocalización electrónica (estructuras resonantes). Es important e que los estudi ant es aprendan a control ar todas las variables que afectan l a observación y estén conscientes que no deben alterarlas durante el experimento. Entre éstas están la intensidad y el tipo de iluminación, pero también el observador, ya que la agudeza visual de varios estudiantes no es necesariamente la misma. L as suspensiones resul tantes de los experi mentos deber ser reuni das en un vaso de precipi tados para luego separar el azufre por decantación o filtración. El sólido se seca bien al aire o entre papel f i ltro y se guarda en un envase claramente rot ulado.
Uni dad 3: Ci nét i ca quí mi ca
121
L a disoluci ón del sobrenadante de la suspensión o el fi ltrado, según sea el método de separación usado, es neutralizada con una disolución concentrada de carbonado de sodio, luego diluida con bastante agua y eliminada por el desagüe.
Evaluación L a reali zación del experi mento anteri or será muy provechoso porque relaciona lo aprendido anteriormente con nuevos aprendizajes y ayuda a los estudiantes a adquirir destrezas en el manejo experimental de una reacción quími ca. L os alumnos y las alumnas: - Relaci onan este experi mento con lo aprendido en 2o M edio y calculan l as cant idades de reactivos necesarios para luego preparar las disoluciones. Aprenden a conectar el “mundo vir tual” del mero cálculo t eóri co de concent raciones, con habil idades concretas del manejo experimental que aplican esos contenidos teóricos e implican destreza en el uso de la balanza, en la manipulación de sustancias, en el uso adecuado de material volumétrico, pero también significa la medición de temperaturas y tiempos y la estimación visual de la equivalencia de varias observaciones (la turbidez de una suspensión). - Compr enden que la velocidad con que ocurre un proceso (en este caso la formación de una cierta cantidad de azufre) es cuantificable a través de la medición del tiempo necesario para alcanzar una cierta turbidez. - A prenden acerca de técni cas básicas de cinéti ca quími ca, específ icamente el control de vari ables (concentraciones, t emperatura) y medici ón ( tiempo que demora l a suspensión en alcanzar una cierta turbidez). - Conf irman lo experi mentado en el ejemplo, en el senti do de que la velocidad con que ocurre una reacción depende de la concentración de los reactantes y de la temperatura. - Relaci onan l os result ados de los experi mentos con di ferentes conteni dos (quí mica descriptiva, nomenclatura, disoluciones, estequiometría, etc.). - I ndagan acerca de la razón de ser de cada una de las operaciones experi mentales reali zadas y de relaciones o predicciones de orden más teórico. Todos esos aspectos podrán ser evaluados a través del trabajo experimental realizado por los estudiantes, que no sólo deberá mostrar resultados numéricos correctos, sino que también claridad en la exposición, uso correcto del lenguaje y capacidad de extraer de los datos conclusiones lógi cas. Por ello si, en un primer intento, los valores obtenidos para los tiempos de reacción no son enteramente correctos esto puede ser un punto de partida apropiado para evaluar el grado de comprensión del t ema alcanzado por las alumnas o alumnos, que deberán indagar acerca de las causas de discrepancia en los resultados, dándoles pistas, si es necesario, siendo luego evaluados por sus logros.
122
Tercer Año Medi o Quí mi ca M i ni st eri o de Educaci ón
Actividad 3 Proponen un mecanismo para una reacción química, relacionándolo con su ley cinética y aplicando a la reacción conocimientos adquiridos anteriormente.
Ejemplo Indagan acerca del mecanismo de la reacción entre d ióxido de nitrógeno, NO 2 , y monóxido de carbo no, CO. •
El d o c e nt e s e ñ a l a l a e s t e q u i om e t r í a d e l a re a c c i ó n, d es c r i t a p o r l a e c u a c i ón N O 2 (g) + CO (g)
N O (g) + CO 2 (g)
(1)
•
A l u m n a s y al u m n o s an a l i za n l a t e r m od i n ám i c a d e e st a r e a cc i ó n e n re l a ci ó n a l o s c am bios de entropía y de entalpía.
•
I n d a g an a c e rc a d el c a m b i o d e e n t r op í a d e d i c ha r e a cc i ó n p ar a l o c u a l ve r i f i c a n q u e : -
Re a ct a n t e s y p r od u ct o s s on g a s es y s e h al l a n e n el m i s m o n úm e r o t o t al d e m o l e s.
La conclusión será probablemente la correcta: que e l cambio de entropía debe ser pequeño. •
El d o ce n t e i nf o r m a q u e pa r a l a r ea c ci ó n de u n m ol d e N O2 (g) con un mol de CO (g) los valores numéricos de los cambios de ental pía y de entropía son a 25o C: ∆H
= – 226,1 kJ ∆S = – 0 , 0 1 4 k J / K •
En r e l a ci ó n a l a e n t a l p í a d e l a re a c c i ó n l o s e st u d i a n t e s i n t e n t a n s a c a r c o n c l u si o n e s so bre la energía total de enlace de las moléculas NO 2 y CO 2 . -
¿Cu á l de e l l as t e nd r á m a y or e ne r gí a de e n la c e ?
Como dato el profesor o profesora les informa que l as energías de enlace de las otras dos especies son aproximadamente: CO NO
106 8 kJ / m ol 627 “
Uni dad 3: Ci nét i ca quí mi ca
123
•
Co n l o s d a t o s t e r m o di n á m i c o s d e l o s c a m b i o s d e e n t a l p ía y d e e n t r o pí a l o s a l u m n os y alumnas calculan la variació n de energía libre a 25 o C. ( ∆ G = - 221,9 kJ)
•
A l a v i st a d e l re s ul t a d o pr e di c e n s i l a re a cc i ó n e s e sp o n t án e a a 25o C.
•
D e t e r m i n a n e l e s t a d o d e o xi d a c i ó n de l N y O e n r ea c t a n t e s y p r o d u ct o s e i nd a g a n a ce r c a de qué tipo de reacción es la que ha teni do lugar. A c o n t i n u a c i ó n i d e n t i f i c a n o x i d a n t e y r e d u c t o r e n l o s r e a c t a n t e s , N O2 y CO.
•
La p ro f es or a o e l pr of e so r d e fi n e l a l e y c i n é t i c a como una expresión que permite calcular la velocidad con que ocurre una reacción, ya sea la velocidad con que desaparece un reactante o se forma un producto, e indica sus unid ades expresadas, por ejemplo, en (mol/L)/s.
•
El d o ce n te e xp l ic a lo s co n ce p to s de p roceso o reacci ón el e m ent al y d e molecularidad:
Una reacción elemental describe un encuentro o colisión eficaz entre los r eactantes tal cual lo señala la ecuaci ón respectiva, esto es, en una etapa. La m o l e c u l a r i d a d de una reacción element al es el número de especies que int ervienen en dicho proceso elemental y nunca es mayor que tres, ya que es sumamente improbable que cuatro moléculas se encuentren simultáneamente en un mismo luga r. Una reacción elementa l en la que intervienen dos especies (átomos, iones o moléculas neutras) se denomina bimolecular.
(En el ejemplo siguiente la e t a p a e l e m e n t a l es el evento de colisión y muerte de dos abejas y como en ella deben chocar dos abejas es “ bimolecular” ). •
El p r of e so r o l a pr of e so ra s eñ a la q u e:
De acuerdo con una teoría cinética simple (la llama da teoría de colisiones) l a velocidad de formación de los productos es proporci onal al número de colisiones efectivas entre las moléculas de los reactantes en la unidad de tiempo y dicho número de colisiones es proporcional a la concent ración de las especies que participan en la reacción (número de molécul as contenidas en la unida d de volumen).
124
Tercer Año Medi o Quí mi ca M i ni st eri o de Educaci ón
•
El d o c e n t e d e f i n e u n a re a c c i ó n e l e m e n t a l , de u n a m o l é cu l a A c o n u n a B p a r a da r c om o producto C A +B C
•
A l u m n o s y a l u m na s i n da g a n ac e rc a d e l a f o rm a d e l a l e y ci n é t i ca d e v e lo c id a d p a ra l a reacción element al anterior. Se les presentan las siguientes alternati vas: v= k [A] [C] v= k [B] [C] v= k [A] 2 [B ] v= k [A] [B] y deben argument ar en favor de cuál de estas proposiciones es acert ada. (Ver indicaciones al docente). La constante k es definida por el docente como una constan te de proporcionalidad, llam a d a constante de velocidad , y la cantidad entre corchetes es la concentración molar (en moles por litro, mol/ L) de las especies A y B.
•
El d o c e n t e i n f o r m a , c o m o d a t o , q u e l a l ey c i n é t i ca e x p e ri m e n t a l o b s e rv a d a pa r a l a r e a c ción (1), que aparece al comienzo de este ejem plo, tiene l a forma v= k [NO 2 ] 2 Esta ley cinét ica parecerá inexpli cable a los est udiantes. Para avanzar en su comprensión el docente plantea que la reacción ocurre segú n un mecanismo de dos etapas: la primera es lenta, en tant o que la segunda es rápida: N O2 + N O 2 N O 3 + CO
N O 3 + NO NO 2 + CO 2
(etapa lenta) (etapa rápida)
Los alumnos intentan explicar la ley cinéti ca, para lo que el docente puede señal ar, como ayuda, que la clave está en la rapidez de ambas eta pas. •
A l u m n a s y a l u m no s p o dr á n i nf e r ir q u e l a p ri m e r a et a p a e s la q u e c on t r ol a l a v e lo c i da d de formación de los product os y que es la llamada e t a p a d e t e r m i n a n t e d e l a r e a c ci ó n. Por lo tanto, en la expresión de la ley cinética ap arecen sólo las concentraciones de reactantes de la etapa lent a, que en este caso corresponde a especies de la misma naturaleza, NO 2 , mientras que la segunda etapa, que es mucho más r ápida, no interviene en la ley cinética.
•
El d o c e n t e h a ce n o t a r q u e va r i a s d e e s t a s e sp e c i e s so n d e c o rt a v i d a (c o r re s p o n d e n a radicales).
125
Uni dad 3: Ci nét i ca quí mi ca
•
U n a a na l o g í a q u e p u e d e s e r út i l p a r a ay u d a r a l o s e s t u d i a n t e s a c o m p re n d e r l a e s e n ci a de la etapa determinante en un mecanismo de dos eta pas como el ya descrito es la siguiente: En una ciudad, los vehículos inician su viaje hacia un bal neario por un lugar estrecho, a través del cual no pueden pa sar más que un cierto núme ro de vehículos en la unidad de tiempo (supongamos, 300 vehículos en una hora). El resto de la carretera es ancha y pueden traspasar una sección de ella, sin atochamie nt os, hasta 10.000 vehículos en cada hora. Si se divide en dos etapas el camino de la ciudad a l balneario, alumnos y alumnas debaten acerca de cuál etapa es determ inante para la rapidez con que los vehículos abando nan la ciudad, expresada, por ejemplo en vehículos/ h ora.
•
L os e s t u d i an t e s i n d a g an e n re l a c i ó n a c u á l e s e l f a c t o r q u e d e t e r m i n a l a v e l o c i d a d d e l proceso, es decir el número de vehículos que abando nan la ciudad en la unidad de t iempo, expresado, por ejemplo, en vehículos/ hora. - ¿A f e c t a a d i ch a v el o c id a d e l a nc h o de l a c a rr e t er a e n l a se g u nd a e t a p a? - ¿S er vi rá d e a l go e n sa n ch a rl a a l lí ? - ¿Q u é e s l o q u e s e d e b e r ía h a c e r p a r a au m e n t a r e l f l u j o d e v e h íc u l o s , l o g r a n d o a s í una más rápida evacuación de la ciudad?
•
Pu e d e s er v i r l a s i g u i e n t e a n a l o g í a p a r a a po y a r a a l u m n o s y a l u m n a s e n l a c o m p r en s i ó n de la ley cinét ica v= k [NO 2 ] 2 a partir de la reacción elemental N O2 + N O2
N O3 + N O
126
Tercer Año Medi o Quí mi ca M i ni st eri o de Educaci ón
Se supondrá, en la anal ogía, que la reacción es i rreversible y que sólo ocurre de izquierda a derecha. Los estudiant es pueden imaginar un enjam bre de abejas enfurecidas que se pican entre sí y mueren de a pares, tanto la abe ja que pica como la que es picada. En esta analogía la “ reacción” resul ta ser: abeja + abeja
dos abejas muertas
y para que ella ocurra las abejas deben encontrarse y chocar con una cierta energía y o r i e n t a c i ó n. La “velocidad del proceso” (número de abejas que muere en la unidad de tiempo y en la unidad de volumen) depende del número de abejas que se encuentra en un volumen dado, es decir depende de la concentración de ab ejas. Así, mientras más abejas haya, menos recorrido tendrá que cubrir una de ellas para cumpl ir su comet ido. La ley cinética est ará dada por el producto de la concentración de abejas que pican por la concentración de las que son picadas. Sin embargo, como no es posible sa ber cuál abeja cumple ese rol, todas pueden picar o ser picadas, la concentración de ellas es simpl emente la concent ración total de abejas y queda: velocidad = número de eventos que ocurren en la uni dad de ti empo y de volumen = k [abejas] que pican [abejas] que son picadas pero como [abejas] que pican = [abejas] que son picadas= [abejas] = k[abejas] 2 k es la constante de velocidad del proceso y depende , por ejemplo, de la rapidez con que vuelan y pican las abejas. Si se aumenta la concentración de abejas la velocidad aumentará. Como los estudiantes podrán fácilment e comprender, para la reacción elemental N O2 + N O2
N O3 + N O
c a d a m o l é c u l a d e N O 2 desempeña un papel simi lar al de una abeja del ejemplo anterio r.
127
Uni dad 3: Ci nét i ca quí mi ca
INDI CACIONES AL D OCENTE
Con respecto a la termodinámica de la reacción es importante que los estudiantes comprendan que si se desprende calor en la reacción (∆ H <0) y l a especie reactant e CO posee un enl ace más fuert e que el product o N O, ent onces necesari ament e la suma de las energí as de enl ace en la molécula de producto CO 2 tiene que ser mucho mayor que en la molécula de reactante NO 2. Si bien la velocidad de reacción se expresa como la variación instantánea de la concentración de un reactante o producto en la unidad de tiempo, por ejemplo, en un segundo, no se recomienda al docente introducir los signos algebraicos correctos para expresar dicha velocidad. Es muy importante que los alumnos y alumnas no infieran que una ley cinética de la forma v= k [A] 2, que en realidad corresponde a una reacci ón de segun do orden con r espect o a la especie A, involucra necesariamente una reacción bimolecular. Este podría no ser el caso ya que la molecularidad se refiere a un a r eacci ón el ement al , en tanto que el orden de la reacción se relaciona con la forma de la ley cinética. Es impor tante no i nclui r en esta uni dad el concepto de orden de r eacci ón , pero el alcance ant eri or es válido para evitar en l os estudi ant es esta frecuent e confusión. L os crit eri os de causal i dad y si met r ía pueden ayudar a alumnas y alumnos a analizar las alternativas propuestas para la ley cinética asociada a la reacción elemental A +B
C
L a pri mera proposi ción, v= k [ A ] [ C] , conti ene la concentraci ón del producto C, [ C] , lo cual aparecerá extraño porque ¿cómo podría ser factor de la velocidad de reacción lo que es su efecto, vale decir, l a formación del pr oducto C ? Por el mi smo mot i vo podrá ser descart ada por los estudi antes la segunda opción, v= k [ B] [ C] . En el tercer caso se propone una dependencia cuadrática en la concentración de la especie A , lo que impl ica una asimetrí a en el rol que desempeñan l os reactantes A y B. ¿Por qué uno de los reactantes juega un papel di stint o al ot ro si la reacción element al sólo requiere que A y B colisionen con una energía y orientación favorables? L a cuarta alt ernati va les parecerá probablemente correcta, teniendo en cuent a que la concent raci ón d e las especies reacci onant es (o causant es de l a reacción) A y B aparecen “simétricamente” en la ley cinética. El docente puede extender el ejemplo de las reacciones elementales al problema de la capa de ozono, por l a impor tancia que tienen algunos compuestos quími cos, contenidos principalmente en los aerosoles, sobre su destrucción. El ozono, O 3, descompone fotoquímicamente por acción de la radiación ultraviol eta (λ <320 nm) en oxígeno mol ecular, O2, y en átomos de oxígeno.
O3
UV O2 + O
D e este modo una fracción de la radiación UV es atrapada produciendo l a descomposición del ozono, que medi ant e otro mecanismo se regenera, en donde i nt erviene M un “cuerpo de choque”, que absorbe el exceso de energía de los reactantes, disipándolo luego como calor.
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Tercer Año Medi o Quí mi ca M i ni st eri o de Educaci ón
O2 + O + M
O3 + M *
Es important e que el docent e señale que la pri mera reacci ón element al es fotoquími ca, ya que ocurre por acción de un fot ón (de luz UV ), mi ent ras que la segunda requiere que choquen una molécula de oxígeno con un átomo de oxígeno y un cuerpo de choque (que puede ser una molécula cualquiera, una partícula de polvo, etc.). L os compuestos (cl orof luorocarbonos, CFC) contenidos en l os aerosoles compiten con el proceso fotoquímico en el que interviene la luz UV y reaccionan con el ozono destruyéndolo (di smi nuyendo su concent ración) . D e este modo l a capa de ozono se adelgaza por l o que una part e considerable de la radiación ultraviol eta no es atrapada y ll ega a la superfi cie terr estre. En este contexto, un grupo de estudiantes puede realizar un trabajo en el que se informe sobre el aumento de cáncer a la piel (pr i ncipalmente melanoma) en l os últimos 5 ó 10 años en relación al aumento de la radiación ultravioleta que llega a la superficie terrestre.
Evaluación L a i dea cent ral de esta acti vidad es que las reacciones quí mi cas ocurr en según un determi nado mecanismo, el que determina la ley cinética observada. El concepto de mecanismo puede asociarse a un modus oper and i caracterí stico de las int eracciones entre las especies que reaccionan, y este aspecto es el que más cuidadosament e debe ser evaluado. Para evaluar los aprendizajes logrados por los estudiantes, éstos deberán asumir un papel activo en el proceso de aprendi zaje, expresado a través de debates, pr esentaciones de trabajos, realización de historias, etc. Ello es importante, ya que el ejemplo de esta actividad supone una adecuada comprensión y asimilación de sus contenidos.
Uni dad 3: Ci nét i ca quí mi ca
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Actividad 4 Indagan sobre el significado de la energía de activación y la reconocen como el parámetro que determina la velocidad con que ocurre un proceso.
Ejemplo Se define la energía de acti vación de una reacción usando anal ogías mecánicas, y experimentan con disposi tivos mecánicos (péndulos, planos inclinados, etc) que les permita comprender el concepto. •
Pr i m e r a m e n t e e l d o ce n t e e x pl i c a , e n f o r m a e l e m e n t a l , e l c on c e p t o es t a d í st i c o d e v e l o c i dad mole cular y de energía. (Ver indicaciones a l docente).
•
A c o n t i n u a c i ón , a l um n a s y a l u m n o s i n d ag a n c ó m o o c u r re r e a l m e nt e u n a r ea c c i ó n . ¿Q u é tiene que suceder para que haya reacción? ¿Qué sugi ere el efecto de la temperatura sobre la velocidad d e reacción? ¿Qué explicación parece razonable para dar cuenta del efecto de la concentración?
•
Fi n al m en t e, e l do ce n te e xp l ic a qu e:
Para que dos moléculas A y B reaccionen ellas deben colisionar. Pero no todos las colisiones son efi caces, ya que las moléculas deben poseer una energía mínima o um bral y una orientación apropiada para reaccionar (lo que supone un orden o entropía particular) de modo que sea igualada o superada la llamada energía de activación .
•
A l u mn as y al u mn o s s e in f or m an s ob re l a teoría de colisiones, qué es y para qué sirve.
•
El profesor o la profesora explica que dicha teoría permite calcular el número de choques efectivos ent re las moléculas A y B que ocurren en un volumen un it ario en la unidad de tiempo.
Para un par determinado de moléculas A y B el númer o de choques eficaces d epende de las concentraciones de esas especies y de la temperat ura.
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Tercer Año Medi o Quí mi ca M i ni st eri o de Educaci ón
•
El d o ce n t e in d i ca q ue p ar a co m p re n d er l a i d e a d e energía de activación de un evento o reacción elemental , individualmente considerada como una colisión efi caz entre moléculas, pueden ser útiles algunas analo gías, por ejemplo la siguient e: - Un carro lanzado en una montaña rusa requiere una cierta energía cinética o “ energía de activación” para remontar y pasar sobre una loma.
•
Alumnos y alumnas intentan hallar otras analogías que sirvan para comprender el concepto de energía de activación.
•
El d o c e n t e ex p l i c a qu e a b a j a s t e m p e r a t u r a s , s i l a e ne r g ía d e a ct i v a c i ó n e s e l e v a d a , m u y pocas moléculas pueden remont ar esa barrera o “col ina” energética, por lo que la reacción ocurre imperceptible mente : a nivel macroscópico decimos que no hay reacción. A medida que se aument a la tempe ratura, cada vez se hace mayor la fracción de mol éculas con energía suficient e para remonta r la barrera y la velocidad con que ocurre el proceso se hace mayor.
Energía li bre de activación e r b i l a í g r e n E
Reactantes
∆G
reacción
Productos Avance del evento de la reacción elemental Reactantes
Productos
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Uni dad 3: Ci nét i ca quí mi ca
•
Los estudiantes indagan acerca de la reacción de tiosulfato de sodio con ácido clorhídrico: - ¿Qué se observó en cuanto al efecto de la temperatura, cuando se comparan mediciones hechas a la misma concentración inicial de tiosulfato? - ¿En q u é c a so l a r e a cc i ó n t ra n s cu r re c o n m a yo r r ap i d ez?
INDI CACIONES AL D OCENTE
Para introducir el concepto estadístico de velocidad molecular el docente puede recurrir a la idea de que los miles de millones de moléculas de un gas (también de un líquido, aunque de manera más restri ngi da en sus movimient os) present an una distri bución de velocidades y que existe un porcentaje relativamente pequeño de moléculas con velocidades extremas, muy grandes y muy pequeñas. L a mayorí a de las mol écul as ti enen velocidades intermedias a ésas. M ediante gráficosde barrasel profesor puede explicar la distri bución de velocidadesmoleculares a dos temperaturas y señalar que a medida que aumenta la temperatura las moléculas del gas poseen, en promedio, una mayor velocidad, lo que se refleja también, en promedio, en su mayor energía cinética. A mayor temperatura la correspondiente distribución se “desparrama”, cubriendo un intervalo más amplio de velocidades pero disminuyendo, al mismo tiempo, la altura del máximo. El docente querrá indicar, también, que la forma de la distribución depende de la masa molar, así es como las moléculas de gases livianos como H 2 poseen distribuciones con velocidades promedi o mayores que las de gases como N H 3. Para el nitrógeno molecular a 298 K (25 o C) y 1500 K (1227 oC) los gráfi cos de distr i bución de velocidades moleculares tienen la forma mostrada en el gráfico siguiente, en las que las barras grises claro se refieren al N2 a 298 K y las barr as gri ses oscuro a este gas a 1500 K .
n v o c ∆ s + a v l y u c v é l e r o t m n e e d d a e i d j a c t o n l e e v c r o u P s
0
N2 298 K ∆v
1500 K
0
1400
3200 vumbral
velocidad (km/h)
(E n este gráfi co se ha indi cado en l as ordenadas el porcent aje de moléculas, cuyo movimi ent o se sitúa en un intervalo unitario de velocidad, es decir, N / ∆ v, de manera que al mult i pli carl o v por un intervalo de velocidades ∆ v la superf icie de la barr a es realmente igual al porcent aje de moléculas con su velocidad en esa zona). Es importante que los estudiantes visualicen que el área total de las barras, para cada una de las temperaturas, es igual a cien, i ndependi entemente del tipo de moléculas y de la temperatura.
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Alumnos y alumnas podrán observar que las barras grises claro, que corresponden a la distribución a 298 K, tienen su máximo a una velocidad de 1400 km/ h. Para el mi smo gas a más alta temperatura, el porcentaje de moléculas con velocidades alrededor de 1400 km/h es mucho menor (está representado sólo por el área de la barra gri s oscura). Al aumentar l a temperatura la barra más alta, cuya superficie representa el mayor porcentaje de moléculas con la velocidad correspondiente al eje de las abscisas, se ha desplazado hacia la derecha, de manera que a 1500 K éste se sitúa alrededor de 3200 km/h. Es importante que los estudiantes comprendan el significado de la velocidad umbral, vumbral, como la velocidad de una molécula que alcanza una energía cinética mínima para reaccionar. Esta energía se llama ener gía de act i v ación de la reacción. A 298 K el porcentaje de moléculas que supera esa velocidad es realmente muy pequeño y, como se puede observar, está representado por la pequeña zona gris claro en la “cola” de la distribución correspondiente a esa temperatur a. A 1500 K, en cambi o, dicho porcentaje es impor tant e y corresponde a la suma de las áreas de las barras gris oscuro que se hallan a la derecha de vumbral.El profesor o la profesora querrá explicar muy cuidadosamente que l as mol é culas deben chocar en un a ori ent aci ón fav orabl e par a que los choques sean efect i v os y por ello no basta que su energía sea igual o mayor a la correspondiente a la velocidad umbral. Eso se asocia a una entropía de activación. (Esto se verá en la química orgánica, por ejemplo, en el mecanismo de sustitución nucleofílica bi molecular, SN 2 . Para que la reacción de sustitución se realice es necesario que la colisión de ambas moléculas de reactantes ocurra en una orientación bien específica). Es importante resumir, finalmente, la idea de energía de activación de una reacción, enfatizando que:
•
En l a gran mayorí a de las reacci ones quí mi cas se rompen y se forman enl aces, por lo que las especies que intervienen en ella deben aproximarse e interaccionar a través de colisiones.
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Una reacción quími ca ti ene una barrera (loma, cerro o como quiera ll amársele) energética, o ener gía de act i v ación , que debe ser superada para que ella ocurra. A bajas temperaturas la energía cinética de las moléculas es relativamente baja y sólo muy pocas moléculas, las más rápidas, logran superar la barrera y por eso la reacción transcurre con extraordinaria lentitud.
•
El porcentaje de las moléculas present es que puede reaccionar crece cuando aumenta la temperatura del sistema y las especies poseen una mayor energía cinética y les es más fácil superar la barrera energética. Como regla aproximada, la velocidad de una reacción se duplica cuando la temperatura aumenta en 10oC.
•
L as moléculas deben coli sionar en una ori entación determi nada, lo que se relaciona con la entropía de activación de la reacción.
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Evaluación A l evaluar l os logros alcanzados por los estudi antes se podr á prestar especial atención a: - Comprensión del concepto de energía de activación. - Valoración de la i mport ancia de la energí a de acti vación, como determi nante de la velocidad con que ocurre una reacción. - Comprensión del concepto de reacci ón elemental. - Una idea general de que las moléculas de un gas o líqui do poseen energías que cubren un ampl io i nt ervalo y que sólo reaccionan aquellas que en el momento de una coli si ón cuent an con suficiente energía. - L as moléculas que coli sionan deben encontrarse en una orientación determinada, lo que significa una entropía de activación de la reacción. En la evaluación se prestará especial atención a este último punto, ya que su comprensión es esencial para que los estudiantes adquieran una imagen de que la reacción química se produce a través de colisiones de los reactantes y que no todas las colisiones son eficaces.
Actividad 5 Analizan la importancia de los catalizadores en diferentes contextos.
Ejemplo (actividad grupa l) Indagan acerca de las importan cia de la catálisis en los convertidores catalítico s de los vehículos de transporte y en los procesos biológico s en que intervienen enzimas. •
D i f e re n t e s g ru p o s d e a l um n o s y a l u m na s r e al i za n l a s s i g ui e n t e s ac t i vi d a d es : - A v e r i g u a n , e n t é rm i n o s g en e r a l e s , s o b r e l a c o nt a m i n a c i ó n at m o s f é r i c a e n l a s g r a n des ciudades: tipos de contaminantes (gases, partíc ulas sólidas en suspensión, neblinas) y su origen. - Ex p o n e n s u t r a ba j o a l c u r so i n i c i an d o u n d e b a t e a ce r c a d e l t e m a : c ó m o l o e n t i e n d e n , qué importancia t iene para ellos, qué medidas sugieren para atacar e l problema, etc.
•
Es c r i be n u n e n sa y o a ce r c a d e l a c on t a m i n a c i ó n e n u n a g ra n c i u d a d, d e p r e f e r e n ci a n a cional, indicando la naturaleza química de los cont aminantes de mayor importancia, la cantidad relat iva de éstos y su efecto sobre la salud humana. El esmog fotoq uímico: qué es y cómo se forma.
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Tercer Año Medi o Quí mi ca M i ni st eri o de Educaci ón
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Lu e g o de u n a b re v e e xp o si c i ón , se d e b at e e n t o r no a l a v a ri e d ad d e especies químicas que se hallan en la atmósfera cont aminada, algunas de sus reacciones mutuas , e l e s m o g f o t o q u í m i c o, y efectos generales de los contami nantes sobre la salud humana.
•
A ve ri gu an qu é e s u n convertidor catalítico , qué catalizadores se utili zan en los vehículos y qué reacciones químicas ocurren por su acción. Se exponen y debaten los trabajo s, buscando relaciones ambiental es secundarias: ¿qué costo ambie ntal t iene la obt ención de los cat alizadores? ¿se podrían reciclar? ¿qué conductas o hábitos favorecen el cuidado del ambiente y son t anto o más importantes que el uso de los convertidores catalíticos?
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Se in fo rm an ac er ca de la s enzimas.
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Ex pl ic an l os co nc ep t os d e enzima , E, s u b s t r a t o, S, complejo enzima-substrato , ES y s i t i o activo .
•
Ex p l i c a n , m e d i a n t e u n m o d e l o l l a v e- c e rr a d u r a, e l m e c a n i s m o g e n e r a l d e l a ac c i ó n d e u n a enzima usando la ecuación sencilla: E+S
ES
E+P
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Ind ag an sob re la energía de activación de reacciones enzimáticas y no enzimát icas.
•
S e i n f or m an so b re l a r el a ci ó n d e la t e r m o d i n á m i c a y c i n é t i c a e n l a s r e a c c i o n e s enzimáticas: - ¿Q u é r e a c ci o n e s s o n su s c e p t i b l e s d e s er ca t a l i za d a s e n zi m á t i c a m e n t e ? - ¿Cu á l e s l a a c c i ó n d e l a e n zi m a d e s d e el p u n t o d e vi s t a e n t r ó p i co , e n r e l a c i ón a l a orientación mu tua de la enzima respecto del sustrato? - ¿Qu é e s un a p e ro x i da s a y c u ál e s su i m p o rt a n ci a ? La profesora o el profesor guía el debate y, al tér mino de la activi dad, precisan el correcto signifi cado de los conceptos usados.
IND ICACIONES AL D OCENTE
L a part e cent ral de este ejempl o se refi ere específ i camente a la últ ima acti vidad grupal y se relaciona con dos aspectos de la cinética química: - Catali zadores y su modo de acci ón (en t érmi nos generales). - Reacciones que ocurren en el catali zador y comparación de la velocidad de di chos procesos con l os que suceden en ausenci a de catali zador.
Uni dad 3: Ci nét i ca quí mi ca
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En este contexto es importante que el docente apoye a los estudiantes a debatir qué efecto ti ene un catalizador (como vía alternati va de una reacción, con una energía de acti vación menor que una reacción di recta), qué es un “veneno” de un catalizador y mencionar por qué no se debe usar gasolina corriente (conteniendo compuestos de plomo) en los vehículos que usan catalizadores o por qué no se debe usar gas licuado común como combustible de una estufa catalí ti ca, etc. L as dos pri meras acti vidades del ejempl o están di ri gidas casi exclusivament e a motivar a los estudiantes, para que hagan suyo el problema, aun cuando no todos lo vivan directamente. Es importante que comenten, por ejemplo, las imágenes que han visto de ciudades con mucha contaminación atmosférica, cómo se imaginan que es vivir en esos lugares, etc., o comenten las noticias al respecto de su propia ciudad. Es también importante incentivarlos para que busquen i nf ormación en int ernet, enciclopedias y que recurran a otros medi os de inf ormación, por ejemplo, entrevistas a expertos.
Evaluación L a evaluación debe considerar el conocimiento alcanzado por l as alumnas y alumnos en relación a: - L os catali zadores y su efecto general sobre la velocidad de reacci ón. - Gr ado de información respecto a los catali zadores en su efi cacia para reducir el impacto sobre el medio ambiente de los gases producidos en la combustión. - A spectos valóri cos, expresados en el gr ado de conciencia y compromi so en la solución de problemas ambientales y la sensibilidad ante el impacto que tienen los gases de combustión sobre la salud, principalmente de recién nacidos y personas de edad. El trabajo realizado por los estudiantes y la organización de un debate permitirá evaluar no sólo los conocimientos y las habilidades como las de buscar, sintetizar, presentar y comunicar información, sino que además será útil para evaluar aspectos sociales: el modo de interacción de cada uno con los demás estudiantes, su grado de compromiso con el trabajo del grupo, su di sposi ción a comuni car y compart i r información, etc. L a evaluación de estas actividades ti ene varias di mensiones: En relación a la exposi ción de los temas cabe evaluar, tanto aquí como en t odos las oport uni dades en que los estudiantes expongan sus trabajos, lo siguiente: a. Comuni cabil idad de la esencia del tema expuesto: ¿Es clara y comprensible la exposición? ¿Es atractiva la manera en que se presenta? ¿Sabe extraer los rasgos fundamentales del contenido? ¿Es entusiasta e incentiva al curso al debate?
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b. Rigor en el uso del lenguaje cientí fi co: ¿ Usa los términos científicos en su acepción correcta? ¿Aplica sólo términos que son comprendidos por el expositor y no por los compañeros y compañeras? Con respecto al trabajo reali zado conviene evaluar: c. Exhausti vidad del tr abajo: ¿Aprovechó al máximo la información disponible u omitió aspectos esenciales? ¿I ndi có en forma compl eta y clara las fuent es de inf ormación ut ilizadas? ¿D i scutió o pl anteó aspectos que no estaban de manera demasiado expl ícita en l as fuentes de información? ¿I nt egró di ferentes aspectos del t ema uti lizando conocimi ent os ya adqui ri dos? d. A spectos concretos de aprovechamiento de recursos, destrezas y habil idades: ¿Fabricó modelos con esmero e intentando representar la esencia del objeto a modelar? ¿Usó adecuadamente los recursos materiales disponibles (biblioteca, internet, materiales de uso general)? Finalmente, cabe evaluar aspectos de la interacción social entre los estudiantes: e. A spectos sociales del tr abajo, principalmente de la exposición: ¿Permitieron la integración y participación de todos los alumnos y alumnas del grupo? ¿D ejaron espaci o abiert o a crí ticas y observaciones por part e de los demás estudi antes? ¿Respetaron turnos para intervenir en el debate? ¿Reconocieron vacíos en la comprensión y exposición del tema frente a críticas?