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Solubilidad de la Femtoescala a la Macroescala

cortes2410Apuntes12 de Mayo de 2022

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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 viewand 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.

 VISUALIZACIÓN MACROSCÓPICA CUALITATIVA DE LA SOLUBILIDAD

Las soluciones saturadas utilizadas para la investigación se produjeron agregando aproximadamente 2 g de ácido maleico a 6 ml de acetona dentro de un

Vial de reacción de 2 dracmas. Esto da como resultado una cantidad visiblemente convincente de ácido maleico insoluble y también proporciona suficiente solución sobrenadante para realizar numerosos experimentos. Antes de cada experimento, se permitió que los contenidos se disolvieran por completo a 65 °C. En nuestra experiencia, comenzar a 65 °C produjo una mayor altura de precipitado al enfriarse en los diversos baños de hielo que la misma muestra después de enfriarse desde la temperatura ambiente, probablemente debido a la tasa de crecimiento de los cristales. Las observaciones cualitativas macroscópicas de la dependencia de la solubilidad con la temperatura establecen que el soluto está presente en la solución y puede aumentar o disminuir su concentración, como se muestra en la Figura 1. Las fotografías son del mismo vial sellado.

Cuando se les pide a los estudiantes que hagan una predicción sobre la solubilidad en estos viales, deben cambiar a un modo de pensamiento de partículas, ya que la ausencia de un sólido macroscópico implica la presencia de partículas disueltas. Como nota al margen, dado que el coeficiente volumétrico de expansión de la acetona es más de 6 veces mayor que el del agua (un punto de referencia típico de los estudiantes), el volumen total de la solución cambia notablemente en el rango de temperatura que se encuentra en la Figura 1.

 MEDICIONES DE PARTÍCULAS UTILIZANDO ESPECTROSCOPIA DE RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR

La introducción de espectrómetros de RMN de sobremesa menos costosos hace que sea más probable que los estudiantes universitarios tengan acceso más temprano a este tipo de instrumentación. Si bien el acceso a un espectrómetro de RMN permanece fuera del alcance de la mayoría de los entornos de las escuelas secundarias, existen programas de extensión para acercar a los estudiantes a un

[pic 2]

Figura 1. Dependencia cualitativa de la solubilidad con la temperatura (el asterisco indica que se formó una suspensión espesa).

campus universitario para usar un instrumento de RMN o para traer un instrumento directamente al salón de clases de los estudiantes.28−32

Las soluciones sobrenadantes obtenidas a diferentes temperaturas

se analizaron en un espectrómetro Thermo Scientific picoSpin 45 NMR. El sistema de ácido maleico y acetona proporciona un conjunto conveniente de cambios químicos para el análisis. Incluso con un espectrómetro de RMN de campo bajo, los desplazamientos químicos de los protones involucrados se resuelven por completo. Una ventaja notable de la espectroscopia de RMN de sobremesa es la capacidad de analizar muestras rápidamente en disolventes no deuterados.29 Además, para este sistema, no se necesitan compuestos de referencia, ya que los cambios químicos exactos en sí mismos no son importantes para la comprensión de los estudiantes. Los espectros presentados aquí están referenciados usando la señal de acetona (2,05 ppm). Tanto los hidrógenos ácidos como los vinílicos se resuelven claramente en los lugares de desplazamiento químico esperados.

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