International Year of Chemistry, 2011

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Cómo enseñar la "Concentración de una disolución a alumnos de secundaria"

Idea by Manuela Martin-Sánchez   |   added on Jun 10, 2010 05:14PM Collaboration Collaboration
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Se trata de conceptos que se deben enseñar y ejercicios que se deben realizar con estudiantes de secundaria para que sean capaces de entender qué es concentración de una disolución y sepan hacer los cálculos

Disolución: Cómo explicar este concepto a niveles elementales

 

Después de enseñar  Química durante más de cincuenta años considero que uno de los problemas  fundamentales por los que los estudiantes no les gusta la Química  es porque se insiste demasiado poco en los conceptos y que muchas veces los profesores se quedan en  dar una serie de expresiones matemáticas  que  deben aprender de memoria y aplicar sustituyendo unos datos que les dan. Esta situación es una realidad hasta tal punto que ya los estudiantes únicamente se dedican a aplicar expresiones matemáticas sin pensar  lo que intentan buscar ni para qué lo están calculando.

Nos vamos a referir en este momento al tema de DISOLUCIONES.

Si se trata el tema de disoluciones posiblemente lo mejor será  comenzar por un ejemplo concreto de una disolución que todos los  estudiantes tiene la posibilidad de realizar para entender  de qué estamos hablando podría ser la disolución de sal de cocina en agua. Ellos  deberían de finir con ese ejemplo: disolvente, soluto y disolución.

Disolvente+ soluto = disolución

Pasamos a qué es  concentración de una disolución. El estudiante debería entender  qué es concentración y de qué magnitudes depende. Una simple conversación  sobre el significado vulgar de la palabra concentración podría servir:

¿Muy concentrado? ¿Muy junto?  Que la disolución de cloruro de sodio en agua esté muy concentrada dependerá de la cantidad de cloruro de sodio que  pongo pero también dependerá de en qué cantidad de disolvente la pongo. Aumenta  la concentración si aumento la cantidad de soluto, pero diminuye si aumento la cantidad de disolución, de la primera magnitud depende directamente y de la segunda inversamente. ¿cómo lo expresaré matemáticamente. De esta forma con la colaboración de los alumnos se llegará  a que

Concentración = cantidad de soluto / cantidad de disolución

El disolvente no tiene porque ser agua, pero siempre que no se indica disolvente  se sobreentiende que el utilizado es agua.

La concentración a nivel vulgar

Ahora tendremos que aclarar que la cantidad se puede medir y expresar de muchas formas, la más sencilla  a nivel  vulgar ¿en qué  expresarían ellos la cantidad de cloruro de sodio? Y la mayoría  suelen decir gramos

Por eso 

Concentración = gramos de soluto / ( gramos de soluto+ gramos de disolvente)

Discusión con los estudiantes

¿Nos saldrá un número mayor o menor que la unidad?  ¿Qué hacemos en estos casos?

Para que sea más cómodo manejar las cifras y nos resulté más fácil entender  multiplicamos por  100

¿Cuál es la unidad  en que se  mide la concentración así expresada?  No tiene unidad ¿por qué?

Ejercicios

Disolvemos 20 g de cloruro de sodio en  200 g de agua sería

(20/ 200 +20) 100   = 9,09 %  que quiere decir que si tomo 100 g de disolución tendrá  9,09 de cloruro de sodio

A continuación tendremos que trabajar con más ejemplos y su significado:

¿Qué significara una disolución de glucosa de concentración 2%? ¿qué cantidad deberá  tomar para que tenga  1 g de glucosa?

¿Qué significará  ácido nítrico del  65/%? ¿Alcohol del 96 %?

 

La  concentración en química

1.     Expresar todas las cantidades en moles

Los estudiantes indicarán cuál sería la expresión y rápidamente  la mayoría indican:

Moles de soluto/(moles de soluto+moles de  disolvente)

Discusión con los  estudiantes

Esta expresión en matemáticas   ¿qué es  una …. ? ( Fracción) y como  tenemos moles arriba y abajo por eso  se llama FRACCIÓN MOLAR

¿En qué se mide? ¿Tiene unidad?

Ejercicios

Calcular la fracción molar de la disolución de  20 g de cloruro de sodio en 200 g de agua.

Primero tenemos que calcular el número de moles y para ello necesitamos saber cuanto es un mol:

NaCl = 23 + 35,5  = 58,5        cada mol 58,5 g ¿Cómo convertimos  20 g en mol? Tendremos que hacer los 20 g en grupo s de 58,5 g y agrupar  será dividir

20/ 58,5 = 0,34 número de moles de soluto

Agua HOH = 1+16+1 = 18   1 mol 18 g, los 200 g de agua los tendremos que agrupar en grupos de  18 g , por tanto serán 200 /18 = 11.,11 moles de disolvente

La concentración expresada de esta forma será 0,34/ (0,34+11,11)  = 0,029

Discusión con los estudiantes

Aunque no sirve para medir la concentración los químicos también utilizan otra expresión que se llama  fracción molar de disolvente ¿me podéis decir cuál será la expresión?

Fracción molar de disolvente = moles de  disolvente / (moles de soluto + moles de disolvente)

¿Cuánto sumaran las dos fracciones molares

Más ejercicios

Calcular las fracciones molares de una disolución de ácido nítrico del 65 %

Si era del 65% ¿Qué significaba? En 100 g de disolución 65 son de nítrico y el resto 100-65 = 35 son de agua

Masa molecular del nítrico  1+ 16x3+ 14 = 65     1 mol 63 g

Como la disolución tenía 65 g agrupados en grupos de  65 será   65/ 63 =1,03 moles

Masa molecular del agua = 1x2 + 16 = 18 , 1 mol = 18 g  como teníamos 35 g  agrupados en grupos de  18 será 35/18 =1,94

Fracción molar de soluto = 1,03/(1,94+1,03)= 0,34

Indica las dos formas de calcular la fracción  molar del disolvente

 

2.     Expresar la cantidad de soluto y la de disolución en litros

 

A esta expresión que es la más importante en química se le llama molaridad y se representa por M

M = número de moles de soluto/ número de litros de disolución

Discusión con los estudiantes

¿Por qué a un químico le interesará tener los datos en moles? ¿Cuando hace los cálculos para una reacción en qué calcula? (en moles)

¿Por qué la cantidad de la disolución se medirá en volumen? (medir el volumen es una operación muy rápida y sencilla)

Ejercicios

Primera parte de aplicar la fórmula

a) Calcular la molaridad de una disolución que contiene 17 g de nitrato de plata en 200 mL de disolución

Se trata de  aplicar la expresión, tendremos que calcular el número de moles de nitrato de plata en 17 g, comenzando por la masa molecular

Ag NO3    108 + 14 +16 x 3 = 170  ->  1 mol = 170 g agrupar  17 g en grupos de 17 es dividir 17/170= 0,1 moles

200 mL = 0,2 L

M= 0,1/0,2 =0,5 M

b) ¿Cuántas moles y cuantas moléculas  habrá en  40 mL de esa disolución que terminamos de preparar?

Es evidente que se trata de aplicar la misma  expresión matemática de la molaridad, pero ahora la incógnita será el número de moles

0,5 = nº de moles de nitrato de plata/0,04

Nº de moles de nitrato de plata= 0,5 x 0,04 = 0,02 moles

Como sabemos el número de moléculas que tiene cada mol, la pregunta siguiente  sería

Nº de moléculas = 0,02 x 6,02 x 1023

c) ¿Que cantidad de La disolución del apartado a) debería  coger  para tener 0,03  moles?

Está claro que sería aplicar de nuevo la expresión de la molaridad pero ahora la incógnita será el volumen

0,5 = 0,03/ V en litros

Ven litros= 0,03/ 0,5 = 0,06 L = 60 mL

d) ¿Qué volumen debo tomar para tener 1024 moléculas?

Deberé pasar primero las moléculas a moles agrupando 1024  en grupos de6,02 x 1023   comos siempre será  dividir

1024/6,02 x 1023      = 10/6,02 = 1,7 moles de nitrato de plata

0,5= 1,7/ V en litros

V en litros = 1,7 /0,5 = 3,4 L (tendremos  que preparar mas disolución, no me basta con la de a))

Segunda parte: pasar de otra concentración a molaridad

a) Expresar como molaridad la concentración de una disolución de ácido nítrico del 65 %  de  riqueza y de densidad 1,4 g/mL

 El problema principal es que los estudiantes entiendan que para hacer este ejercicio tienen que comenzar por tomar de forma arbitraria una cantidad de disolución, puede ser la que quieran porque  va a influir sobre el numerador y sobre el denominador por lo que  el resultado será siempre el mismo.

Durante muchos años enseñe a mis alumnos que lo más fácil era tomar  1L de disolución porque las operaciones resultaban más fáciles, sin embargo un alumno me convenció y lo pude comprobar en los años siguientes que les resultaba más fácil tomar  100 g de disolución.

En 100 g de disolución de nítrico habría  65 g, como 1mol de nítrico eran 63 g , el número de moles  de soluto es  65/63 = 1,03

El volumen de  100 g sería  100/ densidad = 100/1,4  mL  que habría que pasarlo a L  (100/1,4)  10-3

M= 1,03 /(100/1,4)  10-3   =1,03 x1,4 x 1000/ 100 = 1,03 x1,4 x 10= 14 x1,03 =14,42

 

De este tipo de ejercicios es necesario hacer varios para que todos los estudiantes del aula lo puedan entender

3.     DILUIR

Es hacer la disolución menos concentrada ¿por tanto qué tendremos que aumentar?

Discusión con los estudiantes

(La cantidad de disolvente) ¿Sería fácil quitar soluto?

Si tenemos una disolución ya hecha y añadimos disolvente qué magnitudes varían y cuáles se mantienen (varía disolvente y disolución, se mantiene el soluto)

¿Cómo calculamos la nueva concentración? (teniendo en cuenta que  la cantidad de soluto se mantiene)

Si lo tenemos expresado en Molaridad será facilísimo

M= nº moles de soluto/ V en litros   (1)

 

La nueva concentración será M´y el nuevo volumen V´

M´= nº moles de soluto/ V´ en litros  (2)

 

Despejando en (1) y (2) el nº de moles de soluto

Nº de moles de soluto = VM

Nº de moles de soluto = V´M´

Y como los primeros miembros son iguales serán los segundos por lo que

VM = V´M´

Ejercicios

a)      100 mL de una disolución  0,2 M de ácido nítrico se diluyen hasta 400 mL ¿Cuál es su nueva molaridad?

100 x 0,2 = 400 M´

b)       A 100 mL de una disolución 0,2 m de ácido nítrico se le añaden 400 mL de agua ¿cuál es la molaridad de la nueva disolución?

¿En qué se diferencia del anterior?

c)      A  100 mL de una disolución de ácido nítrico del 65 % y densidad 1,4 g/mL se le añaden 200 mL de agua. ¿Cuál es la concentración de la nueva disolución?

En este caso deben de comenzar por expresar la concentración de la disolución inicial como MOLARIDAD

d) ¿Qué volumen de ácido nítrico  del 65 % y densidad 1,4 g/mL se debe diluir para obtener  500 mL de  una disolución de ácido nítrico 2 M?

En este caso deben de comenzar por expresar la concentración de la disolución inicial como MOLARIDAD

4 Preparación de disoluciones de concentración conocida

         Utilización del matraz aforado

            ¿Por qué el matraz aforado tiene esa extraña forma?

            ¿Por qué no se puede introducir un agitador en el matraz aforado?

            ¿Por qué si nos pasamos del enrase al echar el disolvente eso no sirve para nada?

 

 

Problemas que tienen los estudiantes

·        Cuando tienen que hacer operaciones del tipo de pasar de gramos a moles o de moles a gramos o hacen una regla de tres de forma automática o les podemos enseñar a qué piensen lo qué están haciendo que les servirá para  operaciones del mismo tipo.

·        Si un mol de agua son 18 g y tengo que pasar 200 g de agua a moles la operación sería tomar los 200 g y agruparlos en grupos de 18 , está claro que es dividir

·        Si al contrario me dicen que 1 mol de agua son 18 g y la pregunta es ¿Cuántos g tienen 0,6 moles? ,Si en cada mol (cada grupo)  hay  18 g  la operación será multiplicar

·        Entender las ventajas de  expresar la concentración como molaridad para trabajar experimentalmente.

·        Confunden disolver con diluir

·        Entender que al diluir la cantidad de soluto se mantiene constante

 

Principios Generales  del profesor para trabajar cualquier tema

·        Intentar siempre que sea posible que los estudiantes busquen el por qué de las cosas haciéndoles preguntas

·        Enseñar constantemente a los alumnos plantearse el por que y a  que planteen  preguntas

·        No limitarse a escribir expresiones matemáticas sin discutir con los alumnos que se pretende con ellas y por qué esa expresión  nos sirve para medir exactamente lo que queremos medir.

·        Hacer referencia  a expresiones similares que han utilizado en otros temas.

·        Siempre que se pueda  partir de casos concretos. Aunque evidentemente habrá algún alumno que se quede solo con el ejemplo.

·        Acostumbrar a los estudiantes  a que  cuando un compañero está  hablando tiene que respetarlo y escuchar.

·        Procurar que todos los estudiantes participen en los ejercicios, dándole la palabra cada vez a un estudiante distinto.

·        Convencer de esta forma a todos los estudiantes que todos deben ser capaces de entender lo que se está haciendo y de seguirlo, para aprender como se hace y estar en condiciones de hacerlo ellos.

·        Si quieren aprender deben de preguntar lo que no entiendan aunque sea la mayor tontería. El tondo es el que se queda sin enterarse.

·        No enseñar  Química  a base de “ power point”. Solo estará justificado para repasar o para ver unas imágenes.

 


Topic: discussion Audience: secondary schools
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