Guía para el docente Descripción curricular: - Nivel: 1º Medio - Subsector: Ciencias químicas - Unidad temática: - Palabras claves: Anomalía del agua, densidad, dureza del agua. - Contenidos curriculares: - Relación entre el grado de pureza y los usos del agua; evaporación y destilación de mezclas líquidas; agua destilada. - Interpretación de los procesos naturales y artificiales de purificación, recuperación y contaminación del agua. - Explicación de los cambios químicos ocurridos en la reacción de descomposición del agua a partir de medidas de los volúmenes de los gases obtenidos. - Contenidos relacionados: - 1º Medio: El aire. Los suelos. Los procesos químicos. - 2º Medio: Modelo atómico de la materia. El enlace químico. Disoluciones químicas. - 3º Medio: Reactividad y equilibrio químico. - 4º Medio: Procesos químicos industriales. - Aprendizajes esperados: - Identifiquen y reconozcan aguas blandas y duras, a través de procedimientos simples. - Identifiquen contaminantes específicos en el agua a partir de la formación de precipitados y comprendan los riesgos que representan los contaminantes químicos del agua, tanto para la vida vegetal como animal. - Comprendan que muchas sustancias químicas tienden a mezclarse con otras espontáneamente. - Comprendan que hay cambios químicos espontáneos y otros no espontáneos y sean capaces de dar algunos ejemplos. - Visualicen en tres dimensiones la estructura de una molécula de agua. 1
Aprendizajes esperados de esta actividad: - Comprender las propiedades físicas y químicas de la molécula de agua. - Comprender cómo interfieren las propiedades del agua en su comportamiento. - Identificar las propiedades y el comportamiento del agua en hechos de la vida diaria. - Desarrollar competencias de trabajo de investigación y rescate de ideas principales para generar autoaprendizaje. Recursos digitales asociados de www.educarchile.cl: - Ficha 1: - Animación: Purificación - Juego: Quién sabe más? - Diapositivas digitales (ppt): Actividades propuestas para este tema: En este documento encontrará dos actividades vinculadas al tema. - Actividad Qué es la anomalía del agua? : pretende que sus estudiantes comprendan cómo se comporta el agua cuando se congela. Ellos deben realizar una actividad experimental simple, que consiste en congelar el agua contenida en una botella. Deben, además, observar y describir este fenómeno. - Actividad Qué es la dureza del agua? : pretende que sus estudiantes comprendan que el agua potable tiene otras partículas disueltas que se pueden separar bajo ciertas condiciones. En esta actividad deben relacionar un fenómeno que ocurre en sus casas y otorgarle una explicación y solución científica. Cada actividad se debe llevar a cabo en dos sesiones diferentes, ya que se debe dar tiempo para que ocurran los fenómenos físicos esperados en cada una de ellas. Por tanto, se pueden iniciar en una sesión en forma teórica para finalizarlas, con las conclusiones y aplicaciones de la actividad, en una segunda sesión, alcanzando un tiempo total de cuatro horas pedagógicas. 2
ACTIVIDAD: Qué es la anomalía del agua? Guía para el docente 1. Mapa de contenidos tratados: Duración: Cuatro horas pedagógicas Cambios de estado de la materia Sólido Líquido Gas Anomalía del agua La disposición de los enlaces al interior de la molécula cambia, agrandando el ángulo de enlace. La molécula se estira un poco, ocupando mayor volumen. 2. Desarrollo de la actividad: Qué es la anomalía del agua? Paso 1 Esta actividad se debe realizar en dos clases separadas por más de un día, debido a que necesitamos congelar un poco de agua. Por ello, recomendamos comenzar esta actividad repasando conceptos de densidad y estructura de agua y continuar con el comportamiento del agua hasta llegar a la anomalía. Para dar inicio a la actividad experimental se puede comenzar con la pregunta: Qué es la anomalía del agua? Asegúrese de que sus estudiantes conozcan la palabra anomalía. Repase la conformación de las partículas en los tres estados de la materia: Cómo se ubican las partículas cuando están en estado sólido, líquido y gaseoso? Luego indique que cuando el agua se congela aumenta el volumen en lugar de disminuir. Se puede apoyar con la siguiente pregunta: - Por qué revienta una botella de bebida al interior de un congelador? 3
Paso 2 Indique que este comportamiento se puede comprobar. Invite a sus estudiantes a que desarrollen un procedimiento para comprobar este fenómeno. Dirija la clase hacia esta iniciativa con preguntas como: - Es posible comprobar este fenómeno? - Cómo lo harían? - Qué necesitamos hacer para observar este comportamiento? Una vez que sus estudiantes comprendan el experimento, entregue la guía para el estudiante, que pueden obtener desde el portal de educarchile, y léanla juntos. De esta forma les indicará formalmente los materiales y el procedimiento de esta experiencia. Materiales - Una botella de plástico pequeña - Agua - Marcador o plumón - Congelador (refrigerador). Procedimiento 1. Agrégale agua a la botella de plástico hasta que llegue aproximadamente a la mitad del envase y tápalo. 2. Marca con el plumón el nivel del agua en la botella. 3. Introduce la botella en un congelador (refrigerador) y espera hasta que el agua se congele completamente. 4. Saca la botella del congelador una vez que el agua al interior de la botella esté completamente congelada. 5. Observa qué ocurre con el nivel del agua en la botella. El nivel de agua se encuentra sobre o por debajo de la marca que hiciste antes de introducir la botella al congelador? Paso 3 Ponga atención en que sus estudiantes agreguen agua hasta aproximadamente la mitad de la botella. Deben marcar correctamente el nivel del agua en la botella. Los estudiantes deben poner su nombre en la botella para no confundirlas. Sugerimos terminar aquí la sesión para continuar cuando el agua al interior de la botella esté congelada. Paso 4 Inicie la clase recuperando las botellas con agua congelada. Pídales a sus estudiantes que observen cuidadosamente dónde se encuentra el nivel de agua en la botella en relación con la marca que hicieron en la clase anterior. Anoten esta observación y el nuevo nivel de agua sólida. 4
Paso 5 Pida a sus estudiantes que recuperen la guía con la que trabajaron. Vuelvan a leerla para poder contestar las preguntas asociadas a esta actividad. En ellas se intenta descubrir por qué ocurre este fenómeno. Para responder estas preguntas sus estudiantes deben investigar y, por lo tanto, contar con la bibliografía adecuada, la que pueden obtener en el portal educarchile, en otros medios como Internet o bien en una biblioteca. Las preguntas parten recopilando información de los contenidos del agua, que comienzan con la estructura y su comportamiento para terminar en la anomalía de este compuesto. Una vez que los estudiantes hayan revisado la bibliografía correspondiente, que contesten las siguientes preguntas, cuyas respuestas se encuentran a continuación. 1. Qué átomos componen la molécula de agua? La molécula de agua está compuesta por 1 átomo de hidrógeno y dos de oxígeno. Su fórmula molecular es H 2 O. 2. Cómo están dispuestos en el espacio los átomos que componen la molécula? La estructura del agua es angular, formando un ángulo de enlace de 104,5º. 3. Por qué la molécula de agua es polar? Estudia qué propiedad tienen sus átomos que hacen que esta molécula tenga ambos polos. Los átomos que componen la molécula de agua tienen electronegatividades muy diferentes. La electronegatividad es la capacidad que tienen los átomos para atraer electrones (cargas negativas). En este caso, la electronegatividad del oxígeno es mayor que la del átomo de hidrógeno, lo que hace que los electrones de ambos átomos de hidrógeno se encuentren próximos al átomo de oxígeno, provocando una diferencia de carga entre ambos átomos. Esta diferencia de carga induce la polaridad de la molécula. Mientras el átomo de oxígeno tendrá una diferencia de carga negativa, ambos átomos de hidrógeno tendrán una diferencia positiva. Se debe aclarar que esta diferencia no alcanza a ser una carga formal en la molécula de agua y se entiende como una polaridad en esta molécula. 5
4. Completa los siguientes datos con las propiedades físicas del agua. - Punto de fusión a 1 atm (ºC): 0 ºC - Punto de ebullición (ºC) a 1 atm: 100 ºC - C (Cal/g ºC): 1 cal / g ºC - Densidad hielo (g/cm 3 ): 0,9168 g/cm 3 - Densidad agua líquida (g/cm 3 ): 1 g/cm 3 5. Ya sabemos qué disposición tienen los átomos en la molécula de agua y qué volumen ocupan cuando está en estado líquido. Qué crees que ocurrirá con la molécula y la disposición de los átomos cuando pasa a estado sólido o se congela? Fíjate en el ángulo de enlace que tiene la molécula de agua y pregúntate qué tiene que suceder para que cuando se congele ocupe más volumen. El ángulo de enlace de la molécula cuando está en estado líquido es de 104,5º. Cuando se congele, y pensando en que ocupa más volumen, este ángulo será mayor, de modo que la disposición de los átomos en el espacio ocupará mayor espacio, haciendo que la densidad del hielo disminuya. Observa que la densidad del hielo es menor que la densidad del agua líquida. Como ya viste, esto se debe a que el volumen aumenta y, por lo tanto, disminuye la densidad. 6. Por qué el hielo flota en el agua? El hielo flota debido a que su densidad es menor que la del agua líquida. En otras palabras, 1 cm 3 de hielo tiene menos masa (o pesa menos) que 1 cm 3 de agua líquida. 7. Qué ocurrirá con una botella de vidrio llena de bebida un par de horas después de introducirla dentro de un congelador? Si introducimos una botella llena de bebida dentro de un congelador, veremos que ésta revienta debido a que el líquido al interior de la botella ocupará mayor espacio, por lo tanto ejercerá una fuerza sobre las paredes de la botella hasta que esta reviente. Paso 6: Para finalizar esta actividad, pídale a sus estudiantes que hagan un dibujo en un papelógrafo (papel kraft) o cartulina de la estructura del agua en estado líquido y en estado sólido. Vea los dibujos y observe si sus estudiantes comprendieron cómo se comporta el agua en estado sólido. 6
ACTIVIDAD: Qué es la dureza del agua? Guía para el docente Duración: cuatro horas pedagógicas 1. Mapa de contenidos tratados Calor específico Propiedades del agua Punto de ebullición elevado Punto de fusión Anomalía del agua Polaridad Solvente universal CaCO 3 y MgCO 3 Dureza del agua 2. Desarrollo de la actividad: Qué es la dureza del agua? Esta actividad consiste en identificar la dureza de agua en lugares comunes, comprobando que el agua de uso residencial tiene otras sustancias disueltas. Por otra parte, pretende que se pueda eliminar el sarro de los utensilios donde se acumula a partir de las propiedades químicas de las sales depositadas y del agua. Para eliminar estas sales es necesario solubilizarlas en medios distintos al agua. Utilizaremos vinagre o ácido acético (CH 3 COOH), debido a que el sarro es soluble en él, mediante la siguiente reacción química: CaCO + 2 + 2 3 + MgCO3 + CH 3COOH H 2CO3 + Ca + Mg Paso 1 Puede iniciar esta actividad repasando las propiedades químicas del agua para continuar con la dureza del agua. Para ello pregunte: - Qué es la dureza del agua? Desarrolle este concepto analizando cómo se producen, dónde existen y qué usos se les puede dar. 7
Haga la diferencia con las aguas blandas y el empleo que se le da a cada uno de los tipos de agua. Acerque este concepto a la vida común diciendo que el agua potable o de uso residencial contiene otras sustancias disueltas. La prueba de ello está en las teteras o hervidores eléctricos y en las llaves de la cocina o baño. Pídales que recuerden el sarro que se acumula en estos lugares. Paso 2 Para continuar la actividad pregunte a sus estudiantes: - Creen que se puede eliminar el sarro de los lugares donde se deposita? Es probable que mencionen que se puede eliminar mecánicamente o con un detergente fuerte. Entregue la guía para el estudiante (la pueden obtener desde el portal educarchile) o bien léanla en conjunto. Después de que la hayan leído, pídales a sus estudiantes que intenten eliminar el sarro de los utensilios en sus casas con vinagre. La clase puede terminar aquí para continuar y finalizar la actividad una vez que sus estudiantes hayan intentado eliminar el sarro. Paso 3 Para comenzar esta nueva sesión, pídales a sus estudiantes que describan la experiencia. Recoja las opiniones de los estudiantes. Recupere la guía para el estudiante y vuelvan a leer las preguntas asociadas a la actividad. Las preguntas intentan explicar, por medio de la reacción química, cómo el vinagre solubiliza estas sales, eliminándolas de los lugares donde se depositaron. Sus estudiantes deben buscar información básica acerca de las propiedades del vinagre, y de las partículas disueltas en el agua potable. Esta información la pueden obtener en el portal de educarchile, en otros medios como Internet o en una biblioteca. Una vez que hayan leído las preguntas y los estudiantes hayan revisado la bibliografía disponible, que contesten las siguientes preguntas, cuyas respuestas se encuentran a continuación. 1. A qué tipo de compuesto corresponde el vinagre? Escribe su fórmula molecular y su nombre. El ácido acético, comúnmente llamado vinagre, tiene fórmula molecular CH 3 COOH. 2. Cuáles son las sales que caracterizan la dureza del agua? Escribe la fórmula molecular de ambas sales y sus nombres. Las sales que caracterizan la dureza del agua son: carbonato de calcio (CaCO 3 ) y carbonato de magnesio (MgCO 3 ). 8
3. Como sabes, al juntar compuestos químicos ocurren cambios en ellos mediante una reacción química. Tú crees que ocurra una reacción entre estos compuestos? Intenta escribir una reacción entre ellos que te permita obtener calcio (Ca) y magnesio (Mg) disueltos y no como parte de la sal inicial o sarro. CaCO + 2 + 2 3 + MgCO3 + CH 3COOH H 2CO3 + Ca + Mg Paso 4 Para concluir la actividad, vuelva a las preguntas iniciales: - Qué es la dureza del agua? - Dónde podemos encontrar aguas duras? Para terminar, puede preguntar: el agua mineral embotellada es agua dura? Observe a sus estudiantes cómo enfrentan esta pregunta y si son capaces de buscar una forma de responderla. Recomiende a sus estudiantes que realicen el juego Quién sabe más vinculado a estas actividades. 9