Cantidad de sustancia Isaura Carrera, Paola G

1
Cantidad de sustancia Isaura Carrera, Paola
Gómez Tagle, Humberto Topete, Luis Miguel Trejo
y Héctor García-Ortega
2

• Relación entre la Química macroscópica y
  microscópica.
• La unión entre lo observable y lo no observable
  de la química.

2KI(ac) Pb(NO3)2(ac) ? PbI2(s)
2K(ac) 2NO3-(ac)
3
Problemática

• Algunos autores señalan que los problemas de
  aprendizaje de este tema, surgen de
• instrucción confusa e insuficiente,
• estrategias de enseñanza inadecuadas,
• 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.

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Objetivos

• 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.

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• 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.

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Actividad 1. Cuestionario

• Nuestras ideas previas
• Enseña este concepto?
• Para qué le sirve a sus alumnos?
• Cómo define mol?
• Qué dificultades tienen los alumnos para
  calcular el número de moles?

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• 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.
• 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 confunde con molécula.

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Nivel operatorio del pensamiento

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

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CONSIDERACIONES QUE DEBEN TOMARSE EN CUENTA
PARA INTRODUCIR LOS CONOCIMIENTOS CIENTÍFICOS.

• 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.

i) ii) iii) iv)
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Actividad 2. Mapa conceptual

• 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.
11
(No Transcript)
12
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.

13
(No Transcript)
14
(No Transcript)
15
Historia
16
LOS GRIEGOS
ANAXÁGORAS (500-428 a. C.) Las cosas están
formadas por mezclas
450 a 50 a. C.
LEUCIPO (460-370 a. C.) Los cuerpos visibles se
componen de átomos
DEMÓCRITO (460-370 a. C.) Los átomos (a tome) son
partículas indivisibles
17
PLATÓN (428-347 a. C.)
ARISTÓTELES (384-322 a. C.)
RECHAZAN LA TEORÍA DE LOS ÁTOMOS LAS
SUSTANCIAS SON HOMOGÉNEAS
18
DANIEL BERNOULLI (1700-1782) Presión causada por
el movimiento molecular 1738
MIKHAIL LOMOSONOV (1711-1765) Ley de la
conservación de la masa 1760
19
LAS LEYES PONDERALES
JOSEPH PROUST (1754-1826) Ley de las proporciones
definidas 1799
ANTOINE LAVOISIER (1743-1794) La conservación de
la masa 1782
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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.
21

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.
22

AMEDEO AVOGADRO (1776-1856) La solución La
molécula 1811

• 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.

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LOS PESOS ATÓMICOS
PIERRE DULONG (1785-1838) y ALEXIS PETIT
(1791-1820) Relación del peso específico con el
peso atómico 1819
JÖNS JACOB BERZELIUS (1779-1848) Determinó pesos
atómicos de 50 elementos 1826
24
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.
25
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) En la
revista Nature presenta 4 métodos para calcular
el NA (1884-1890).
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CONTINÚA LA BÚSQUEDA
WILHELM OSTWALD (1853-1932) Introduce el concepto
de MOL. 1900
JEAN PERRIN (1870-1942) Determina NO 2.8 x 10
19 a fines del siglo XIX
JEAN PERRIN DETERMINA EL NÚMERO DE MOLÉCULAS EN
UN MOL Y SUGIERE SE LE LLAME EL NÚMERO DE
AVOGADRO
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OSTWALD INTRODUCE EL CONCEPTO DE MOL 1900
LOS ACUERDOS INTERNACIONALES
1961. IUPAC DESIGNA UN ÁTOMO DE 12C 12.000 g
UMA 1g / 6.023 X 1023 SE DEFINE MOL COMO
CANTIDAD DE SUSTANCIA

1963. ACADEMIA DE CIENCIAS ACUERDO DEL NÚMERO DE
AVOGADRO COMO 6.0225?0.00028 x 1023 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 12C, SU SÍMBOLO ES mol.
28
MAGNITUD CANTIDAD DE SUSTANCIAUNIDAD mol
29
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.

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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.

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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.

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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
• Longitud Masa Tiempo
• Intensidad de corriente eléctrica
• Temperatura termodinámica
• Cantidad de sustancia
• Intensidad luminosa

33
Sistema Internacional
34
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 (12C).
  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 6.022x1023 entidades
  elementales).

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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 .

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Relación de n con m,V y N
37
Ejemplo de relación de n con m,V y N

• Una cantidad dada de una sustancia puede
  expresarse de diferentes maneras
• masa (agua) m (H2O) 1 kg
• volumen (agua) V (H2O) 1 dm3 1 L
• cantidad de sustancia (agua) n (H2O) 55.6
  mol
• número de partículas (agua) N (H2O) 33.5 x
  1024 moléculas

38
Actividad 5.
MEDIR ES MEJOR QUE CONTAR?
39
Características de objetos que es mejor medir que
contar
?
?
?
?
40
Masa relativa

• Los pesos atómicos son masas relativas
• Un perro pesa 5 veces lo que 1 pollo

41
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

42
Masa relativa

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

43
Masa relativa

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

44
(No Transcript)
45
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.
46
(No Transcript)
47
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
48
Compuesto
HCl
C2H4
C2H5Cl
Cantidad de sustancia
1.0 mol
1.0 mol
1.0 mol
Masa
36.5 g
28.0 g
64.5 g
Volumen (CNTP)
22.4 L
22.4 L
22.4 L
Número de moléculas
6.022x1023 moléculas
6.022x1023 moléculas
6.022x1023 moléculas
49
Qué tan grande es el número de Avogadro?
Por qué sólo se usa para átomos
iones y moléculas?
50
El número de Avogadro, 6.022 x 1023 es el
número aproximado de mililitros de agua en el
Océano Pacífico 7 x 108 km3 ó 7 x 1023 mL
(M. Dale Alexander, Gordon J. Ewing, Foyd Abbot
1984)
51
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 1023 gotas) en
fluir en las Cataratas del Niágara.
52
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.
Los astrónomos consideran que hay tantas
estrellas como átomos de carbono en 12 g de 12C.
53
(No Transcript)
54
Se propone

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

55

• 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 comprobar que existen ciertos
  conocimientos previos en los estudiantes para la
  introducción del concepto.