Cantidad de sustancia Isaura Carrera, Paola Gómez Tagle, Humberto Topete, Luis Miguel Trejo y Héctor García-Ortega.

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2 Cantidad de sustancia Isaura Carrera, Paola Gómez Tagle, Humberto Topete, Luis Miguel Trejo y Héctor García-Ortega

3 Relación entre la Química macroscópica y microscópica. Relación entre la Química macroscópica y microscópica. La unión entre lo observable y lo no observable de la química. La unión entre lo observable y lo no observable de la química. 2KI (ac) + Pb(NO 3 ) 2(ac)  PbI 2(s) + 2K + (ac) + 2NO 3 - (ac)

4 Problemática Algunos autores señalan que los problemas de aprendizaje de este tema, surgen de: Algunos autores señalan que los problemas de aprendizaje de este tema, surgen de: instrucción confusa e insuficiente, instrucción confusa e insuficiente, estrategias de enseñanza inadecuadas, estrategias de enseñanza inadecuadas, libros de texto inadecuados. libros de texto inadecuados. Si en la enseñanza resulta confuso el concepto y además se hacen transposiciones erróneas de la magnitud “cantidad de sustancia”, resulta lógico que existan incomprensiones y errores conceptuales en el aprendizaje. Si en la enseñanza resulta confuso el concepto y además se hacen transposiciones erróneas de la magnitud “cantidad de sustancia”, resulta lógico que existan incomprensiones y errores conceptuales en el aprendizaje.

5 Objetivos Presentar una secuencia didáctica de enseñanza del concepto “cantidad de sustancia” y su unidad el “mol” Presentar una secuencia didáctica de enseñanza del concepto “cantidad de sustancia” y su unidad el “mol” Reflexionar sobre las dificultades de enseñar este concepto en la educación media. Reflexionar sobre las dificultades de enseñar este concepto en la educación media.

6 Este trabajo está enfocado al reconocimiento de las ideas previas reportadas en la bibliografía acerca de “cantidad de sustancia” y su unidad el “mol”. De su discusión y análisis, surgen esta serie de actividades como juegos, experiencias y demostraciones que presentaremos en el curso.

7 Actividad 1. Cuestionario Nuestras ideas previas Nuestras ideas previas ¿Enseña este concepto? ¿Enseña este concepto? ¿Para qué le sirve a sus alumnos? ¿Para qué le sirve a sus alumnos? ¿Cómo define mol? ¿Cómo define mol? ¿Qué dificultades tienen los alumnos para calcular “el número de moles”? ¿Qué dificultades tienen los alumnos para calcular “el número de moles”?

8 Ideas previas de cantidad de sustancia y mol La frase “cantidad de sustancia” normalmente no se utiliza. Cuando se emplea se hace de manera indistinta e incorrecta con “cantidad de materia” o “número de moles”. La frase “cantidad de sustancia” normalmente no se utiliza. Cuando se emplea se hace de manera indistinta e incorrecta con “cantidad de materia” o “número de moles”. Mol se utiliza como un número (la docena del químico, número de Avogadro), i.e. mol de canicas, mol de besos, mol de estrellas. Mol se utiliza como un número (la docena del químico, número de Avogadro), i.e. mol de canicas, mol de besos, mol de estrellas. Mol se identifica como una masa o un peso, i. e. el peso normal o molecular de una sustancia expresada en gramos. Mol se identifica como una masa o un peso, i. e. el peso normal o molecular de una sustancia expresada en gramos. Mol se confunde con molécula. Mol se confunde con molécula.

9 Nivel operatorio del pensamiento a) Incapacidad de los estudiantes para transferir significados entre el nivel macro y el nivel micro. a) Incapacidad de los estudiantes para transferir significados entre el nivel macro y el nivel micro. b) Insuficiente comprensión de conceptos. b) Insuficiente comprensión de conceptos. c) Dificultad en la utilización de algoritmos. c) Dificultad en la utilización de algoritmos. d) Reglas u otra información memorizada. d) Reglas u otra información memorizada. e) Son pocos los estudiantes que han alcanzado el nivel intelectual de las operaciones formales. e) Son pocos los estudiantes que han alcanzado el nivel intelectual de las operaciones formales.

10 Evitar la introducción arbitraria. Elaborar aproximaciones cualitativas de los conceptos, con base a ideas antes de llegar a las definiciones operativas. Diferenciación progresiva de otros conceptos. Aplicarlos a situaciones diversas para hacer ver su utilidad. CONSIDERACIONES QUE DEBEN TOMARSE EN CUENTA PARA INTRODUCIR LOS CONOCIMIENTOS CIENTÍFICOS. i)ii)iii)iv)

11 Actividad 2. Mapa conceptual ¿Qué conceptos están relacionados con “cantidad de sustancia” y “mol”? ¿Qué conceptos están relacionados con “cantidad de sustancia” y “mol”? SUSTANCIA, ELEMENTO, COMPUESTO, ESTADO DE AGREGACIÓN, CAMBIOS DE FASE, MEZCLA, DISOLUCIÓN, REACCIÓN QUÍMICA, CANTIDAD DE SUSTANCIA, ENLACE QUÍMICO, TEORÍA CORPUSCULAR DE LA MATERIA, ÁTOMO, MOLÉCULA, ION, FUERZAS ENTRE MOLÉCULAS Y ÁTOMOS, ETC.

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13 Actividad 3. ¿A DÓNDE SE VA TANTA AGUA? Estrategia tipo POE Para fomentar las habilidades de predicción, de observación y explicativas. Para intentar relacionar la evidencia macroscópica de los cambios en la materia con los modelos microscópicos que se tienen.

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17 LOS GRIEGOS DEMÓCRITO (460-370 a. C.) Los átomos (a tome) son partículas indivisibles ANAXÁGORAS (500-428 a. C.) Las cosas están formadas por mezclas LEUCIPO (460-370 a. C.) Los cuerpos visibles se componen de átomos 450 a 50 a. C.

18 ARISTÓTELES (384-322 a. C.) PLATÓN (428-347 a. C.) RECHAZAN LA TEORÍA DE LOS ÁTOMOS: LAS SUSTANCIAS SON HOMOGÉNEAS

19 DANIEL BERNOULLI (1700-1782) Presión causada por el movimiento molecular 1738 MIKHAIL LOMOSONOV (1711-1765) Ley de la conservación de la masa 1760

20 ANTOINE LAVOISIER (1743-1794) La conservación de la masa 1782 LAS LEYES PONDERALES JOSEPH PROUST (1754-1826) Ley de las proporciones definidas 1799

21 1801 La teoría atómica de JOHN DALTON (1766-1844) -Todas las sustancias están formadas por átomos. - Los elementos son sustancias formadas por un solo tipo de átomos. - Los átomos de un elemento son iguales entre sí, pero distintos a los átomos de otros elementos. -Los compuestos están formados por la unión de átomos de diferentes elementos.

22 JOSEPH GAY-LUSSAC (1778-1850) Ley de combinación de volúmenes 1805 Volúmenes iguales de gases distintos en las mismas condiciones de temperatura y presión, contienen el mismo número de partículas.

23 AMEDEO AVOGADRO (1776-1856) La solución: La molécula 1811 1.Un gas está formado por partículas individuales insignificantes para el volumen ocupado. Los gases no son partículas individuales, son grupos de 2 o más átomos.

24 PIERRE DULONG (1785-1838) y ALEXIS PETIT (1791-1820) y ALEXIS PETIT (1791-1820) Relación del peso específico con el peso atómico 1819 LOS PESOS ATÓMICOS JÖNS JACOB BERZELIUS (1779-1848) Determinó pesos atómicos de 50 elementos 1826

25 LA GRAN CONFUSIÓN EN LA DÉCADA DE 1850 Los químicos orgánicos e inorgánicos empleaban sistemas diferentes de pesos atómicos, muchos de ellos eran equivalentes, pero otros eran erróneos. Fue Stanislao Cannizzaro (1826-1910), quien ayudó a aclarar algunos sorprendentes problemas del siglo XIX. Reconociendo los trabajos de Berzelius presentó en 1860 una escala mejorada de pesos atómicos y la hipótesis de Avogadro.

26 CÁLCULOS DEL NÚMERO DE AVOGADRO JOSEPH LOSCHMIDT (1821-1895) Presenta el 1er método de cálculo del número de Avogadro (1865). WILLIAM THOMPSON (LORD KELVIN) (1824-1907) (LORD KELVIN) (1824-1907) En la revista Nature presenta 4 métodos para calcular el N A (1884-1890).

27 CONTINÚA LA BÚSQUEDA : JEAN PERRIN (1870-1942) Determina NO = 2.8 x 10 19 a fines del siglo XIX WILHELM OSTWALD (1853-1932) Introduce el concepto de MOL. 1900 JEAN PERRIN DETERMINA EL NÚMERO DE MOLÉCULAS EN UN MOL Y SUGIERE SE LE LLAME: “EL NÚMERO DE AVOGADRO”

28 LOS ACUERDOS INTERNACIONALES 1961. IUPAC DESIGNA: UN ÁTOMO DE 12 C= 12 C= 12.000 g UMA = 1g / 6.023 X 10 23 SE DEFINE MOL COMO CANTIDAD DE SUSTANCIA 1963. ACADEMIA DE CIENCIAS ACUERDO DEL NÚMERO DE AVOGADRO COMO: 6.0225  0.00028 x 10 23 mol -1 6.0225  0.00028 x 10 23 mol -1 14a CONF. DE POIDS ET MESURES (1969): UN MOL ES LA CANTIDAD DE SUSTANCIA DE UN SISTEMA QUE CONTIENE TANTAS ENTIDADES ELEMENTALES COMO ÁTOMOS HAY EN 0.012 kg DE 12 C, SU SÍMBOLO ES “mol”. OSTWALD INTRODUCE EL CONCEPTO DE MOL 1900

29 MAGNITUD: CANTIDAD DE SUSTANCIA UNIDAD: CANTIDAD DE SUSTANCIA UNIDAD:mol

30 Actividad 4. CANTIDAD DE SUSTANCIA COMO UNA UNIDAD FUNDAMENTAL DEL SISTEMA INTERNACIONAL Magnitud, medir, unidades, sistema internacional, cantidad de sustancia, mol, relación entre n con m, V y N, historia del mol y la constante de Avogadro.

31 Magnitud y medir Magnitud son las propiedades físicas que se pueden medir Medir es comparar una magnitud con otra, tomada de manera arbitraria como referencia (patrón) y expresar cuántas veces la contiene. Al resultado de medir lo llamamos Medida. Las medidas que se hacen a las magnitudes macroscópicas o a las magnitudes microscópicas requieren técnicas totalmente diferentes.

32 Unidades Al patrón de medir le llamamos también Unidad de Medida. Debe cumplir estas condiciones: 1º.- Ser inalterable, esto es, no ha de cambiar con el tiempo ni en función de quién realice la medida. 2º.- Ser universal, es decir, pueda ser utilizada por todos los países. 3º.- Ha de ser fácilmente reproducible. Reuniendo las unidades patrón, que los científicos han estimado más convenientes, se han creado los denominados Sistemas de Unidades. Reuniendo las unidades patrón, que los científicos han estimado más convenientes, se han creado los denominados Sistemas de Unidades.

33 Sistema Internacional Este nombre se adoptó en el año 1960 en la XI Conferencia General de Pesos y Medidas, celebrada en París buscando en él un sistema universal, unificado y coherente que toma como Magnitudes Fundamentales: LongitudMasaTiempo Intensidad de corriente eléctrica Temperatura termodinámica Cantidad de sustancia Intensidad luminosa

34 Sistema Internacional cdcandela Intensidad luminosa molmol Cantidad de sustancia KkelvinTemperatura Aamperio Intensidad de corriente ssegundoTiempo kgkilogramoMasa mmetroLongitud Símbolo de la unidad Nombre de la unidad Magnitud

35 Cantidad de sustancia y mol Cantidad de sustancia es una magnitud fundamental química, es macroscópica y extensiva. Surge de la necesidad de contar partículas o entidades elementales microscópicas indirectamente a partir de medidas macroscópicas (como masa o volumen). Su símbolo es n. Se utiliza para contar partículas. El mol es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0.012 kg de carbono-12 ( 12 C). Cuando se usa el mol, las entidades elementales deben ser especificadas, pudiendo ser: átomos, moléculas, iones, electrones, otras partículas o grupos específicos de tales partículas (y en 1 mol hay contenidas 6.022x10 23 entidades elementales).

36 Historia del mol La palabra Mol (una gran masa en latín y opuesta a molécula, una masa pequeña) la definió originalmente Ostwald en el párrafo: “el peso normal o molecular de una sustancia expresada en gramos se debe llamar a partir de ahora mol”. Aparece gracias a la consolidación de la teoría atómica aplicada a reacciones químicas para centrar más la atención en la relación entre las cantidades de partículas que intervienen son las mismas que en sus pesos de combinación. Esta magnitud se adopta al SI formalmente apenas desde 1971 como una entidad diferente de la masa por acuerdo de la IUPAP y la IUPAC, dos grupos integrados por especialistas en física y química, respectivamente.

37 Relación de n con m,V y N

38 Ejemplo de relación de n con m,V y N Una cantidad dada de una sustancia puede expresarse de diferentes maneras: Una cantidad dada de una sustancia puede expresarse de diferentes maneras: “masa (agua)” m (H 2 O) = 1 kg “masa (agua)” m (H 2 O) = 1 kg “volumen (agua)” V (H 2 O) = 1 dm 3 = 1 L “volumen (agua)” V (H 2 O) = 1 dm 3 = 1 L “cantidad de sustancia (agua)“ n (H 2 O) = 55.6 mol “cantidad de sustancia (agua)“ n (H 2 O) = 55.6 mol “número de partículas (agua)” N (H 2 O) = 33.5 x 10 24 moléculas “número de partículas (agua)” N (H 2 O) = 33.5 x 10 24 moléculas

39 Actividad 5. ¿MEDIR ES MEJOR QUE CONTAR?

40 Características de objetos que es mejor medir que contar El arroz necesario para preparar una paella La matrícula de alumnos en su escuela Una alberca llena de canicas Una manada de elefantes ContarMedirObjetos   

41 Masa relativa Los pesos atómicos son masas relativas Un perro pesa 5 veces lo que 1 pollo

42 Masa relativa Al comparar el MISMO NÚMERO de animales, su peso sigue siendo diferente en proporción 5 a 1 12 perros pesan 5 veces lo que 12 pollos

43 Masa relativa Al comparar el MISMO PESO de grupos de animales, sus números son diferentes. 1 perro pesa lo mismo que 5 pollos

44 Masa relativa Al comparar el MISMO PESO de los animales, sus números son diferentes. Habrá 5 pollos por cada perro

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46 Debido a que unos dulces pesan más que otros, no se pueden tener igual número de dulces pesando la misma masa para ambos dulces. Sucede lo mismo para átomos o moléculas de diferentes sustancias.

47 Moléculas de Ácido Clorhídrico (HCl) Moléculas de Etileno (CH 2 =CH 2 )

48 Igual número de moléculas de ácido clorhídrico y etileno siempre tienen una relación de masa igual a la relación de sus pesos moleculares: 36.5 a 28.0

49 Compuesto Cantidad de sustancia Masa Volumen (CNTP) HCl 1.0 mol 36.5 g 22.4 L C2H4C2H4 1.0 mol 28.0 g 22.4 L C 2 H 5 Cl 1.0 mol 64.5 g 22.4 L Número de moléculas 6.022x10 23 moléculas

50 ¿Por qué sólo se usa para átomos iones y moléculas?

51 El número de Avogadro, 6.022 x 10 23 es el número aproximado de mililitros de agua en el Océano Pacífico 7 x 10 8 km 3 ó 7 x 10 23 mL (M. Dale Alexander, Gordon J. Ewing, Foyd Abbot 1984)

52 El agua fluye en las Cataratas del Niágara a razón de 650,000 toneladas de agua por minuto. A esta velocidad, tardaría 134,000 años “una mol” de gotas de agua (6.022 x 10 23 gotas) en fluir en las Cataratas del Niágara.

53 Los astrónomos consideran que hay tantas estrellas como átomos de carbono en 12 g de 12 C. Supongamos que el dios de los griegos Zeus, después de observar el Bing Bang hace 15 billones de años, decidió contar un mol de átomos. Zeus es omnipotente, cuenta muy rápido (1 millón de átomos por segundo), y por supuesto nunca duerme, hasta ahora habría completado 3/4 de la empresa y aun le faltaría para terminar 2 billones de años.

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55 Se propone: Enseñar ciencias y matemáticas a estudiantes en nivel operacional concreto. Enseñar ciencias y matemáticas a estudiantes en nivel operacional concreto. Desarrollar el razonamiento operacional formal como uno de los principales objetivos. Desarrollar el razonamiento operacional formal como uno de los principales objetivos. Enseñar masa molecular y masa atómica. Enseñar masa molecular y masa atómica.

56 Conocer el carácter evolutivo del concepto de “mol” y la introducción de la magnitud “Cantidad de Sustancia”. Conocer el carácter evolutivo del concepto de “mol” y la introducción de la magnitud “Cantidad de Sustancia”. Se recomienda incluir una introducción histórica del “mol”. Se recomienda incluir una introducción histórica del “mol”. Se recomienda comprobar que existen ciertos conocimientos previos en los estudiantes para la introducción del concepto. Se recomienda comprobar que existen ciertos conocimientos previos en los estudiantes para la introducción del concepto.