Solubilidad de la Femtoescala a la Macroescala

Solubilidad de la Femtoescala a la Macroescala

RESUMEN: La solubilidad se introduce con frecuencia en los niveles introductorios de la escuela secundaria y la universidad a través del dominio simbólico utilizando ecuaciones iónicas netas y constantes del producto de solubilidad. Los estudiantes pueden volverse competentes con la cancelación de iones espectadores y hábiles con aplicaciones matemáticas algorítmicas de solubilidad sin obtener una comprensión más profunda del concepto subyacente de solubilidad. Presentamos un sistema químico conveniente que permite la recopilación rápida de datos a través de espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN) de sobremesa y experimentos simples de evaporación. La espectroscopia de RMN puede medir las propiedades a nivel de partículas de los núcleos de hidrógeno, objetos del tamaño de un femtómetro. La evaporación de solventes a residuos de solutos macroscópicos relaciona la solubilidad con un marco de referencia visual para los estudiantes. Los datos recopilados de estos diferentes métodos de medición se prestan a relacionar los dominios de comprensión de partículas, macroscópicos y simbólicos en un entorno práctico de laboratorio.

PALABRAS CLAVE: Escuela secundaria/Química introductoria, Licenciatura de primer año/General, Licenciatura de segundo año, Química analítica, Aprendizaje práctico/Manipulativos, Métodos instrumentales, Espectroscopía de RMN, Soluciones/Disolventes

Introdccion: Fluidez con lo particulado, simbólico y macroscópico.

dominios es clave para una comprensión más profunda de los fenómenos químicos.1−7 El uso de dibujos de niveles de partículas ha aumentado para los estudiantes introductorios, especialmente después del rediseño de Química AP de 2013 por parte del College Board en respuesta al informe del Consejo Nacional de Investigación Mejorando el estudio avanzado de Matemáticas y Ciencias en las Escuelas Secundarias de EE. UU.8

Tabla 1. Búsqueda de palabras clave para los dominios conceptuales en el Resumen de objetivos de aprendizaje de la descripción del curso de Química AP con referencias adicionales a “vista de partículas” y “a nivel atómico”.[pic 1]

 Macroscopic        10

Symbolic        3

Particulate        7a

aWith additional references to “particle view” and “at the atomic level”.

El examen nacional de química AP estaba casi desprovisto de partículas.

preguntas relacionadas antes de las revisiones de 2013.2 Partículas

Desde entonces, los diagramas de sistemas gaseosos, soluciones iónicas y relaciones estequiométricas se han vuelto comunes en el Examen Nacional de Química AP. La Descripción del curso y examen de Química AP9 proporciona una descripción detallada del plan de estudios de Química AP y pone énfasis en los tres dominios a través de un lenguaje como el siguiente (ref. 8, p. 82):

La capacidad de usar modelos e "imágenes" para explicar/representar lo que sucede a nivel de partículas es fundamental para comprender la química. El alumno debe ser capaz de dibujar representaciones de estas partículas (átomos, iones, moléculas) cuyos comportamientos observamos macroscópicamente en el laboratorio. Los estudiantes deben poder hacer dibujos que representen las partículas que no podemos observar pero que coincidan con los modelos aceptados para varios fenómenos...

Los tres dominios también se mencionan en gran medida como parte de un resumen de ocho páginas de Objetivos de aprendizaje en la Descripción del curso de Química AP, como se muestra en la Tabla 1.

Es interesante notar que el dominio simbólico fue mencionado explícitamente la menor cantidad de veces, aunque es probable que sea el medio de comunicación más cómodo, denso en información y común para los educadores químicos. El símbolo NaCl(aq) puede evocar una composición química específica e interacciones dinámicas para el médico experimentado. Desafortunadamente, el nivel simbólico también puede proporcionar el menor significado para los nuevos estudiantes de química.10-13

En los niveles de escuela secundaria y de introducción a la universidad, la solubilidad

de sales a menudo se enseña en términos de seguir las "reglas de solubilidad" y escribir ecuaciones iónicas netas para precipitaciones simples o reacciones redox. Los estudiantes que son capaces de escribir ecuaciones simbólicas iónicas netas a menudo muestran una amplia gama de habilidades conceptuales.

errores cuando se les pide que ilustren su trabajo a nivel de partículas.7,14,15 Los currículos típicos de química también presentan la solubilidad como una aplicación matemática del equilibrio. Los estudiantes pueden familiarizarse con los cálculos que implican productos de solubilidad, pero tienen una visualización deficiente de lo que representan sus cálculos a nivel de partículas.16,17 Se ha demostrado que las animaciones y simulaciones ayudan a una comprensión más profunda de la solubilidad y el conocimiento de las partículas.18-22 PhET y Molecular Workbench son dos ejemplos actuales de simulaciones interactivas de sustancias moleculares e iónicas en solución acuosa que involucran representaciones tanto macroscópicas como de partículas. que son benéficas para el aprendizaje de los estudiantes.27

Este artículo describe un sistema práctico que proporciona investigaciones en los tres dominios de comprensión: macroscópico, simbólico y de partículas. El ácido maleico es bastante soluble en acetona, lo que proporciona un sistema químico conveniente que permite una rápida recopilación experimental de datos de solubilidad tanto a escala macroscópica como de partículas, que luego se relacionan mediante cálculos simbólicos. Los datos de resonancia magnética nuclear (RMN) de bajo campo interpretados a nivel de partículas se pueden utilizar para realizar cálculos de solubilidad a nivel simbólico. Los experimentos de evaporación simples proporcionan una determinación rápida de la solubilidad a macroescala de los mismos fenómenos pero a una escala que es más intuitiva para los estudiantes. La dependencia de la temperatura de la solubilidad de este sistema también se puede rastrear a través de los tres dominios de comprensión.

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