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Historia F+Q

Enseñando física y química a través de su historia. Un blog colaborativo de los alumnos del Master de Secundaria

Categoría

Química-2ºBachillerato

Los estados de la materia y Van der Waals

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Entender la estructura de la materia ha sido una de las grandes cuestiones científicas en distintas épocas de la historia. Des de mediados del siglo XVII una comunidad de científicos se dedicaban a observar en el laboratorio el comportamiento de los gases.

A mediados del siglo XIX Clapeyron postuló la ley de los gases ideales inspirado por los ya existentes modelos o leyes empíricas. Algunos años después, la ley de los gases fue también interpretada por la teoría cinética microscópica por Clausius y Krönig. El gas se modelaba como un conjunto de partículas que se movían libremente ejerciendo una presión sobre las superficies. No obstante, tanto la ley de los gases ideales como la interpretación cinética dejaban sin explicar porque la materia pasa, por ejemplo, de estado gaseoso a estado líquido en ciertas condiciones de temperatura y presión, lo que se denomina un cambio de fase. Algunos físicos no estaban ni siquiera convencidos que los estados gas y líquido estuvieran compuestos por el mismo tipo de partículas. Además, no había nadie que supiera cómo calcular la presión de un líquido a partir de sus características físicas conocidas.

En ese contexto, el científico holandés Johannes Diderik Van der Waals se decidió, en su tesis doctoral (1873) a estudiar sobre ello. En su trabajo propuso una ecuación de estado que tenía la particularidad de describir el estado gaseoso y el líquido y anunció que los dos estados de agregación de la materia tienen la misma naturaleza. Así pues, la gran aportación del físico fue introducir en el modelo el volumen de las moléculas y que entre ellas existen unas fuerzas de atracción. En medio de una fuerte corriente filosófica que negaba la existencia de las moléculas, Van der Waals estaba realmente convencido sobre su existencia y su teoría contribuyó a la divulgación de esta idea. Sus trabajos, a parte de sentar las bases de la ciencia molecular moderna, le valieron la máxima distinción con el premio Nobel de física el año 1910.

En su honor, a las fuerzas intermoleculares se les ha denominado fuerzas de Van der Waals ya que fue él el primero a tenerlas en cuenta.

 

Actividades

La actividad consistirá en dos bloques, uno experimental y otro teórico con ejercicios prácticos.

En un primer bloque se trabajarán experimentalmente en el laboratorio los cambios de fase del agua. La práctica consistirá en observar la evolución de la temperatura en función del tiempo mientras el agua pasa de sólido a gas expuesta a una fuente de calor. En el informe de laboratorio deberá aparecer una gráfica de temperatura en función del tiempo elaborada durante el trabajo experimental. En clase se compartirá también un vídeo dónde se visualiza una simulación de los estados de la materia como modelo de partículas. Se trabajará en grupos de 3 personas.  https://www.youtube.com/watch?v=yAyvHz7ZXuA

En el segundo bloque se propone trabajar los diagramas de fases a partir de una explicación previa del gráfico por parte del profesor. También se introducirán  los conceptos de aumento ebulloscópico y descenso crioscópico. Una vez hecha una breve descripción se dividirá la clase en equipos de 3 o 4 personas y se les darán una serie de preguntas cortas para trabajar la interpretación de los conceptos nuevos mediante los diagramas de fase del agua, dióxido de carbono y el de una disolución salina.

Para completar la actividad, se pedirá a los alumnos que en grupo presenten ejemplos cotidianos de cambios de fase. Para ello pueden recurrir a su propia experiencia y también hacer una búsqueda en Internet de ejemplos que pueden no resultar tan evidentes. En clase, se pondrán en común los ejemplos y se pedirá que elaboren un mapa mental sobre el tema en la pizarra.

Objetivos

  1. Profundizar en los conceptos de estados de la materia y cambio de fases.
  2. Comprender los conceptos de aumento ebulloscópico y descenso crioscópico relacionados con los diagramas de fase.
  3. Evidenciar la relevancia de la introducción de las fuerzas intermoleculares para modelar los estados de la materia a rangos más amplios de temperatura y presión .
  4. Obtener y analizar información química disponible en Internet y saber utilizar el lenguaje y les nuevas tecnologías de la información y comunicación para establecer la relación entre los conceptos estudiados y la importancia en la sociedad.
  5. Analizar, comunicar y debatir los temas investigados.

Evaluación

  1. Distinguir las estructuras moleculares de los diferentes estados de la materia.
  2. Conocer los diagramas de fase y como se utilizan.
  3. Conocer los conceptos de aumento ebulloscópico y descenso crioscópico e identificar algunas de sus aplicaciones.
  4. Expresarse utilizando un lenguaje científico adecuado en base a los conceptos trabajados tanto en el informe de laboratorio como en la puesta en común en clase sobre los ejemplos de cambio de fase.

Bibliografia

Ball. P. (2005). Critical mass. How one thing leads to another. New York: Arrow books

Nobelprize.org (s.f.). Johannes Diderik van der Waals – Biographical. Recuperado el 20 de abril de 2018 de https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1910/waals-bio.html

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UREA: serendipia, victoria frente al vitalismo y el nacimiento de la química orgánica

El mecanicismo cartesiano es una corriente filosófica, liderada por René Descartes (Figura 1), que afirma que el cuerpo es una máquina y que todas sus operaciones deben ser explicadas por los mismos principios y leyes físicos que se aplican al mundo inanimado.

No obstante, ante el fracaso de esta corriente en la explicación de la singularidad de lo orgánico, el vitalismo (doctrina filosófica que postula que los organismos vivos se caracterizan por poseer una fuerza vital que los diferencia de forma fundamental de las cosas inanimadas; Bechtel and Richardson, 1998) empezó a expandirse por Europa a finales del siglo XVIII.

Figura 1. René Descartes

Desde un punto de vista de la química, los vitalistas hacían una diferenciación inquebrantable entre la química inorgánica (cosas inanimadas) y la química orgánica (organismos vivos). Todo esto cambió gracias al descubrimiento de un joven muy entusiasta y algo rebelde, que no estaba convencido de la existencia de la “fuerza vital”, Friedrich Wöhler (Figura 2).

Figure 2Friedrich Wöhler

En 1828 logró sintetizar en el laboratorio un producto elaborado por los organismos vivos, la urea (NH2 – CO – NH2; Figura 3) a partir de un compuesto inorgánico, cianato amónico (NH4CNO).

Figura 3. Urea

Al mezclar cianato de potasio (KOCN) con cloruro de amonio (NH4Cl), ambos en solución, luego calentar y luego enfriar, obtuvo cianato de amonio. El cual, al calentarse, sufre una transposición, convirtiéndose en urea reacción [1].

Reacción 1. Síntesis de la urea

Había sintetizado un compuesto orgánico a partir de compuestos inorgánicos. El vitalismo no tenía sentido. Wöhler escribió a su maestro Berzelius (Figura 4) lo siguiente:

Debo decir que puedo hacer urea sin la intervención de un riñón animal, sea de hombre o de perro”.

Figura 4Jons Jacob Berzelius

Un aspecto curioso es que se trató de un descubrimiento fortuito, un hallazgo accidental de un resultado tan valioso como inesperado, lo cual se suele designar como serendipia (Romanillos, 2001).

La relevancia de este descubrimiento es tan grande que cuando estudiamos química, siempre se afirma que así nació la disciplina de la química orgánica y así murió la corriente filosófica del vitalismo (Ilana, 2008).

Actividades

  1. Busque y describa dos ejemplos relevantes en el campo de la química aplicada sobre síntesis de compuestos orgánicos a partir de sustancias inorgánicas.
  2. ¿Qué otros descubrimientos conoce que se hayan alcanzado gracias a la serendipia? Describa al menos tres.

Objetivos

  1. Comprender las diferencias entre química orgánica y química inorgánica.
  2. Descubrir los beneficios que supuso para la sociedad la capacidad de síntesis de compuestos orgánicos.
  3. Comprender el contexto social en el que se desarrollaban los avances científicos.

Evaluación

El contenido servirá como introducción a la química orgánica por lo que se evaluará la participación del  alumno y la utilización de un lenguaje apropiado para expresar los conceptos e ideas a trasmitir.

Referencias

Bechtel, W and Richardson, R.C. (1998). Vitalism. In E. Craig (Ed.), Routledge Encyclopedia of Philosophy. London: Routledge. Vitalism

Romanillos, P (2001) Las serendipias más famosas ¡Menuda chiripa!. Oceano Ambar.

Illana Rubio, J.C. (2008) La química y la biología bases de la bioquímica. Nacimiento de una nueva ciencia. Anales de Química, 104(3), 234-239. Recuperado de http://bit.ly/2xtRVNK

Roberto Taboada Puig

Otro tipo de pilas: Electrolisis.

 

La electrolisis es el proceso eléctrico donde se separan los elementos de un compuesto mediante una reacción redox no espontanea, es decir se ha de aplicar una corriente eléctrica para su resultado.

William Nicholson y Anthony Carlisle en el 1800, descubrieron accidentalmente la electrolisis, mientras estudiaban el funcionamiento de las baterías. Conectaron los electrodos a un recipiente con agua y observaron que en uno de los electrodos se formaba O2 y en el otro H2. Seguir leyendo “Otro tipo de pilas: Electrolisis.”

Química en azul

[…]Lo que me deslumbró de esa obra fue su intenso color azul, esa textura aterciopelada, esa opacidad, esa fiereza, la luz que desprendía.[…] Seguir leyendo “Química en azul”

¿Un coche alimentado por hidrógeno?

El uso masivo de los combustibles fósiles como fuente de energía para los vehículos está provocando graves problemas en nuestro medio. Ante este problema, los científicos han buscado alternativas menos nocivas para la naturaleza. Una de estas alternativas es el coche de hidrógeno. Seguir leyendo “¿Un coche alimentado por hidrógeno?”

Amoníaco y controversia: Ingredientes del mismo cóctel

Esta semana se cumplen 109 años desde la patente de formación del compuesto que cambiaría el curso del siglo XX y en consecuencia de la vida tal y como la conocemos hoy. El nitrógeno es crucial en la bioquímica de los seres vivos y el gas más común de nuestra atmósfera. Sin embargo, no suele reaccionar fácilmente con otros elementos, lo que hace que los seres vivos no puedan extraerlo del aire. El hallazgo se logró en 1908, cuando Fritz Haber patentó el proceso catalítico de alta presión que combina el nitrógeno atmosférico con hidrógeno para formar amoníaco. En 1913, Carl Bosch y su equipo hicieron que el descubrimiento de Haber se pudiera desarrollar a escala industrial y construyeron la primera planta de amoníaco. Cien años después, el proceso Haber-Bosch sigue siendo el método predominante en la industria dando aproximadamente 200 millones de toneladas por año, el 80% destinadas a alimentar las tierras de cultivo.

Fritz Haber

Pero “algunos afirman incluso que sin el amoníaco de Haber, tan útil para elaborar explosivos como para producir fertilizantes, el imperio alemán no habría podido lanzarse a la Gran Guerra, Lenin no habría podido llegar a Rusia, Hitler no habría alcanzado el poder y por el camino se habrían salvado millones de vidas e incluso el alma de la civilización europea”.

El amoníaco sintetizado por Haber fue la base de la producción de gases venenosos y explosivos utilizados contra las tropas aliadas en la Segunda Guerra Mundial, proceso en el que él participó de forma muy activa. Los científicos que trabajaban en su instituto basándose en su trabajo desarrollaron la fórmula del gas de cianuro Zyklon A, el precursor del gas usado en los campos de concentración durante el Holocausto.

Soldados utilizando gases venenosos como arma química

“Un ejemplo de cómo, cuando a la ciencia no se le imponen límites éticos puede pasar rápidamente de fuente de vida a arma de destrucción masiva”.

Referencias:

http://www.bbc.com/mundo/noticias-38107124
https://biochembelle.com/2011/01/22/shadows-of-greatness/
http://esmateria.com/2013/03/03/de-como-un-cientifico-ayudo-a-hitler-creando-amoniaco-y-50-historias-mas/
https://es.wikipedia.org/wiki/Amon%C3%ADaco
http://www.publico.es/ciencias/investigacion/amoniaco-sustancia-cambio-mundo.html
https://www.detectivesdelahistoria.es/fritz-haber-vida-y-muerte-a-traves-de-la-quimica/

 

Actividad a realizar:

El alumno debe consultar las referencias presentadas para tener una visión global del suceso y de sus consecuencias, después deberá contestar a las siguientes preguntas;

  1. ¿Qué consecuencias positivas tuvo la aportación de Haber-Bosch? Cita tres productos que disfrutes en tu día a día y que sean consecuencia directa del descubrimiento y razona por qué.
  2. ¿Qué consecuencias negativas tuvo dicho suceso científico? Desarrolla 7 líneas sobre el efecto de los fertilizantes.
  3. Comenta con tus compañeros las respuestas a las preguntas anteriores y valora las consecuencias observadas; sociales, políticas, medioambientales, sanitarias,…

Objetivos de esta actividad:

  1. Conocer la historia de la química a través de sus personajes y poder comprenderla en su contexto social.
  2. Reflexionar sobre las posibles consecuencias que puede tener un evento científico en la sociedad y, en consecuencia, en la historia.
  3. Estudiar el amoníaco, la reacción de Haber-Bosch y relacionarlo con el ciclo del nitrógeno.

 

 

CONOCER LOS DESCUBRIMIENTOS

Conocer cómo a través de la historia los diferentes personajes han influenciado en el desarrollo de la ciencia resulta curioso, e incluso, puede llegar a ser divertido.

He encontrado un artículo de Martín de Ambrosio titulado “Empédocles y los cuatro elementos” el cual voy a hacer una pequeña síntesis:

Empédocles fue un filósofo nacido en Agrigento, Sicilia, en el S. V a.C. que aseguraba que la materia estaba formada por cuatro elementos: agua, aire, tierra y fuego. Lo que diferenciaba las distintas materias era la proporción con la que se combinaban dichos elementos. Seguir leyendo “CONOCER LOS DESCUBRIMIENTOS”

Tal y como comentan Vollhardt y Schore (2007),

<En 1985, Curl, Kroto y Smalley efectuaron un sorprendente descubrimiento, que les     valió el premio Nobel de Química en 1996: el buckminsterfullereno, de fórmula molecular C60, una nueva forma alotrópica de carbono, de estructura semejante a una pelota de fútbol. Concretamente, observaron que la evaporación del grafito por acción del láser originaba diversos agregados de carbono en fase vapor, entre los que abundaban especies de 60 átomos. Seguir leyendo “Del diamante al balón, pasando por el lápiz.”

El hombre que ordenó los elementos

El Señor Dimitriv Mendeleyev era un científico proveniente de Rusia y era una persona muy curiosa. Tal fue su grado de conocimiento por los elementos en aquella época que descubrió ciertas características patrones en ellos. Corría el año 1869 cuando su propuesta principal fue organizar los elementos en base a sus propiedades químicas tales como su peso atómico, configuración electrónica, reactividad, electronegatividad y eletropositividad.  Todo ello, le llevó crear el primer modelo de tabla periódica donde todos estos elementos, 63 conocidos en aquel momento, fueron ordenados gráficamente.

 

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Mendeleyev creía en una ley periódica que aun no se conocía en aquel entonces. Dicha ley seguía unos comportamientos patrones en donde cada elemento tenia relación con aquellos cercanos a él. Otros elementos por el contrario, eran muy diferentes entre si, por lo que ocuparían zonas diferentes en la tabla. Él se sentía tan convencido de sus pensamientos lo que lo llevó a realizar predicciones quizás algo arriesgadas para aquella época, pero que con el tiempo resultaron ser ciertas. Este fue el mayor logro del científico a lo largo de los años. Fue un modelo tan acertado que incluso cuando posteriormente se fueron descubriendo nuevos elementos, se vio como todos ellos fueron encajando en su esbozo de primera tabla periódica. A día de hoy y tras casi 150 años, se sigue utilizando su tabla periódica.

Objetivos

Comprender la tabla periódica como la comprendía Mendeleyev en su época. Él la realizo de manera muy intuitiva en donde se tuvieron en cuenta varios factores. El alumno debe buscar información acerca de los conceptos en la lista. A continuación se plantea una discusión de cómo afectan las propiedades a los elementos y qué posición tendrían en la tabla periódica (hacia la izquierda, derecha, arriba o abajo). Se obsequiará con puntuación adicional si el alumno es capaz de interrelacionar las propiedades entre si:

  • Peso atómico
  • Electronegatividad/ electropositividad
  • Gas Noble
  • Reactividad
  • Configuración electrónica
  • Halógenos
  • Estructura de Octete
  • Periodo

 

Criterios evaluación

Utilizar el lenguaje científico correcto. Definir de las propiedades de manera concreta y específica. Ser capaz de relacionar las propiedades con su posición relativa en la tabla.

Referencias:

Lee todo en: Tabla periódica de Mendeleiev | La Guía de Química http://quimica.laguia2000.com/general/tabla-periodica-de-mendeleiev#ixzz4fGWouhD4

https://bibliotecadeinvestigaciones.wordpress.com/quimica/tabla-periodica-de-los-elementos-quimicos/

 

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