Leyes de los Gases

Introducción

El estudio de la materia y sus propiedades se aborda con diferentes niveles de profundización tanto en la E.S.O. como en las correspondientes asignaturas específicas de los bachilleratos.

El estudio de las leyes de los gases y el modelo teórico en el que se fundamentan no sólo constituye un objetivo específico en sí, sino que es la base de partida para acometer el estudio de la química en el primer curso de bachillerato.

La incorporación de las TIC en los centros educativos, entre otras cosas, crea la necesidad de desarrollar contenidos educativos capaces de aprovechar las capacidades que estas tecnologías ponen a nuestro alcance e invitan al profesorado a emprender proyectos que satisfagan sus necesidades cotidianas en el aula como es el caso.

En este trabajo pretendemos proporcionar un entorno atractivo al servicio de profesores y alumnos con capacidad de influir positivamente en los procesos de enseñanza-aprendizaje. Tiene también la intención de incentivar a los alumnos al autoaprendizaje, sin que ello signifique que esté concebido como un elemento para el estudio independiente por parte del alumnado sino que su estructura exige, en buena medida, la labor del profesor como director y facilitador del aprendizaje.

Por otro lado, la posibilidad de acceso remoto permite trasladar el escenario del aprendizaje fuera de las fronteras del centro educativo y proponer la realización de actividades fuera del aula ya que se ha incorporado voz en la mayor parte de las animaciones y simulaciones que se presentan.

La navegación es muy fácil e intuitiva y el alumno puede encontrar ayudas en línea en aquellos apartados en los que se consideran necesarias como son el uso de la balanza y las propuestas de ejercicios .

Objetivos

Además de los objetivos específicos que se citan en los apartados posteriores, podemos citar los siguientes de carácter más general:

En Leyes de los Gases podemos encontrar los siguientes núcleos principales:

Conceptos generales

En un grupo de cinco páginas diferentes se presentan los conceptos de temperatura , presión , volumen y cantidad de gas , magnitudes sobre las que se sustenta el estudio del comportamiento de los gases, así como los postulados de la Teoría Cinética de los Gases , marco teórico del que nos valemos para explicar este comportamiento.

Temperatura:

Los alumnos ya tienen la oportunidad, en otras partes de su currículum, de acercarse a definiciones de la temperatura desde otros puntos de vista como, por ejemplo, el termodinámico. En esta ocasión nos interesa centrarnos en la interpretación que hace la teoría cinética de esta magnitud.

Desde el punto de vista práctico, en este trabajo los alumnos van a necesitar frecuentemente hacer conversiones de los datos de temperatura para expresarlos en la escala Kelvin por lo que resulta fundamental proporcionarles la información relativa a la relación entre las escalas termométricas.

 

Aunque existen muchos conversores de uso libre diseminados por la red, hemos optado por desarrollar una propuesta que incida y deje patente que las diferentes escalas proponen diferentes valores numéricos para una misma realidad física.

Según hemos podido concluir de nuestra experiencia personal en la docencia directa, los alumnos tienden a identificar diferentes valores numéricos como representativos de situaciones físicas también diferentes. Esta tendencia es más acentuada en los niveles básicos, pero perdura de una forma significativa también en el bachillerato.

Simplemente deslizando el índice parpadeante los alumnos podrán hacer automáticamente las conversiones en un rango desde -12 ºC hasta 127 ºC, pero fuera de este rango se verán obligados a utilizar las ecuaciones correspondientes.

Obviamente no existe ninguna dificultad de carácter técnico para desarrollar una calculadora capaz de resolver de forma automática cualquier cambio de escala, pero nuestro objetivo no es convertir temperaturas sino proporcionar los elementos que ayuden al alumno a construir su conocimiento y utilizarlo de forma autónoma.

Presión:

Partimos de la definición de presión como relación entre la fuerza y la superficie para deducir la ecuación de la presión hidrostática, que es la forma que vamos a usar en este trabajo.

Con la misma intencionalidad que en el caso de la temperatura, hemos colocado un conversor automático que trabaja en el rango de 0 a 5 atm (de 0 a 3800 mmHg).

En la misma filosofía que hemos explicado en el apartado anterior, podemos observar que el manómetro digital tiene una sensibilidad aproximada de 15,20 mmHg, lo que permite al profesor proponer ejercicios de cambios de unidad no resolubles automáticamente, obligando al alumno a utilizar las ecuaciones correspondientes y realizar los ejercicios con papel y lápiz.

Seguidamente abordamos la interpretación que la Teoría Cinética de los gases hace de la presión.

[simulador de presión]

Volumen:

El concepto de volumen no suele ser problemático en el segundo ciclo de secundaria. Enfocado al estudio de los gases, nos interesa identificar volumen del gas con volumen del recipiente aprovechando para discutir, si viene al caso, el concepto de difusión. Se acompaña una simulación muy simple que puede tener carácter decorativo o puede usarse para trabajar algunos objetivos procedimentales con alumnos de nivel muy básico.

Cantidad de gas:

Introducimos el concepto de mol y establecemos su relación con la masa. Con el objeto de incidir también en los aspectos procedimentales hemos incorporado un simulador de balanza monoplano y sugerimos la realización de las siguientes actividades:

1.- Rellena los siguientes datos con la ayuda del simulador.

 
       
       
       
       
       

2.- ¿Cuántas moléculas hay en cada matraz?

 
 
 
 
 
 

3.- ¿Cuántos átomos hay en cada matraz?

 
 
 
 
 
 

4.- ¿Cuál es el matraz que contiene más hidrógeno?

 
 
 

5.- Redacta un pequeño informe explicando la estrategia que has seguido para realizar las pesadas.

Independientemente, según el nivel y las necesidades que surjan en clase, el profesor puede utilizar el simulador para realizar otro tipo de actividades. A modo de ejemplo podemos proponer:

a) Aprendizaje de la manipulación de la balanza (Física, Tecnología)

b) Aprendizaje de la lectura de las escalas (Física, Matemáticas)

c) Aprendizaje de estrategias de medida (Física, Matemáticas, Tecnología)

d) ¿Cuál es la capacidad de la balanza?

e) ¿Cuál es la sensibilidad de la balanza?

f) etc.

Teoría Cinética:

La comprensión de los postulados básicos de la T.C.M. presenta ciertas dificultades en el nivel que nos ocupa.

Con el objeto de favorecer los procesos de interiorización y aprendizaje hemos optado por presentarlos de forma que los alumnos puedan visualizar estas ideas básicas mediante pequeñas aplicaciones que simulan el comportamiento de las partículas.

Leyes de los gases

En este apartado hacemos un recorrido por las leyes empíricas de los gases ( Avogadro , Boyle , Charles y Gay-Lussac ) bajo un planteamiento cualitativo que puede servir como un primer acercamiento para los alumnos del primer ciclo de la ESO o como repaso para los alumnos del segundo ciclo.

Deliberadamente hemos utilizado la técnica de la reiteración, para relacionar los conceptos de proporcionalidad directa o inversa con las observaciones de crecimiento o decrecimiento de las variables correspondientes en cada una de las animaciones que se presentan.

Tras un recorrido por estas cuatro leyes, introducimos el concepto de gas ideal y deducimos la ecuación de los gases ideales (PV = nRT).

Esta forma de la ecuación constituye lo que en la terminología didáctica se conoce como forma química de la ecuación.

A partir de ella, en el último apartado, deducimos la ley generalizada (PV/T=constante) , que conocemos como forma física de la ecuación.

Generadores de Ejercicios

Para cada una de las leyes estudiadas se propone una página capaz de generar una cantidad ilimitada de ejercicios . Esto se consigue mediante la asignación aleatoria de valores para las variables correspondientes y permite a los alumnos practicar ejercicios diferentes hasta adquirir la soltura suficiente.

Esta asignación aleatoria implica que alumnos en máquinas diferentes están recibiendo propuestas de ejercicios con datos diferentes a los de sus compañeros, lo que les obliga a centrarse en su propia tarea.

La principal dificultad de estos ejercicios estriba en la utilización correcta de las unidades que serán simplemente coherentes en el caso de la presión y el volumen pero OBLIGATORIAMENTE en Kelvin en el caso de la temperatura.

Podemos encontrar dos modelos diferentes. El primero de ellos se utiliza para generar ejercicios sobre las leyes de Avogadro, Boyle, Charles y Gay-Lussac. En estos casos se plantean actividades encaminadas a adquirir soltura en la resolución matemática de relaciones de proporcionalidad como es el caso de cada una de las cuatro leyes mencionadas anteriormente.

 

El segundo modelo se utiliza en la página de ejercicios sobre la ecuación de los gases ideales, en las que generamos ilimitados ejercicios, de cuatro tipos diferentes, enunciados de forma clásica

Reseñas biográficas

Se ha incluido un apartado con breves reseñas biográficas sobre algunos de los personajes relevantes en el estudio del comportamiento de los gases, con el objetivo de ayudar a situar los descubrimientos científicos en sus contextos históricos correspondientes.

Adecuación de los contenidos

Los contenidos que se presentan se adaptan a los objetivos del área de Ciencias de la Naturaleza (Física y Química) de la E.S.O. en Andalucía.

Requerimientos

Una buena parte de los contenidos que se presentan están acompañados de voz, por lo que es necesario disponer de la posibilidad de reproducir sonido.

La visualización óptima de la aplicación se consigue con el navegador Mozilla con el conector FlashPlayer v6 instalado y para una resolución de 800x600 pixels con color de 16 bits.

Espero que os sea de provecho,

Jesús Peñas

 

Bibliografía

Asimov, I. Breve Historia de la Química. Alianza Editorial. Madrid. 1982
Asimov, I. Enciclopedia Biográfica de Ciencia y Tecnología . Alianza Editorial. Madrid. 1987
Copleston, F. Historia de la Filosofía . Editorial Ariel. Barcelona, 1984
Gamow, G. Biografía de la Física. Alianza Editorial. Estella, 1971
Holton, G.   Introducción a los Conceptos y Teorías de las Ciencias Físicas. Editorial
Reverté. Barcelona. 1984
Newton, I. Principios Matemáticos de la Filosofía Natural. Editora Nacional. Madrid. 1982
Rañada, A. y otros. Física Básica. Alianza Editorial. Madrid. 1997
Resnick, R y otros. Física . CECSA. 1993
Tipler, P.A. Física. Editorial Reverté. Barcelona. 1994

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