Objetivos:

 

Que los estudiantes:

Reconozcan los ácidos y las bases como sustancias presentes en los productos y materiales que usan todos los días, así como formando parte de su cuerpo y de los alimentos que consumen. 

Reconozcan que las diferencias en el comportamiento de las sustancias se deben a diferencias en su composición o estructura. Comprendan la utilidad de plantear modelos que permitan clasificar las sustancias que se estudian.

Reconozcan que una de  las actividades de  la ciencia es plantear modelos para explicar y que éstos pueden  ir  cambiando conforme pasa el tiempo.

Comprendan el pH como una forma de medir la acidez de una sustancia .

Ubiquen la multitud de reacciones químicas que se llevan a cabo en su cuerpo, y en el medio que les rodea .

Puedan explicar el funcionamiento de algunas medicinas comunes.

Identifiquen  las reacciones de neutralización como reacciones comunes en el  cuerpo y que utilicen sus conocimientos para predecir los productos y para balancear las reacciones.

 

Conceptos

•  Características físicas de los ácidos y las bases

•  Reacciones de disociación de ácidos y bases en agua

•  Modelo de Arrhenius para la Identificación de sustancias como ácidos o bases

•  Reconocimiento de otras teorías para definir ácidos y bases

•  Definición del pH como una medida de la cantidad de iones hidrógeno disociados

•  Reacciones de neutralización

•  Predicción de los productos de una neutralización

 

Resumen de la experiencia

En esta experiencia, se pretende que los estudiantes en primer lugar ubiquen a las sustancias ácidas y básicas en su vida cotidiana, utilizando  clasificaciones   intuitivas  de  productos   caseros.  Posteriormente,   harán  un  análisis   de  distintas   sustancias,   revisando   las propiedades físicas y químicas que caracterizan a los ácidos y a las bases. Después de revisar brevemente la historia de los ácidos y las bases,   los  estudiantes  conocerán   la   teoría  de  Arrhenius  para  definir   los  ácidos  y   las  bases  y  serán   introducidos  al   concepto  de disociación mediante el uso de simulaciones que permitan visualizar qué es lo que ocurre a las sustancias ácidas y básicas cuando entran en contacto con el agua. De forma más teórica y breve se desarrollan las teorías ácido�base de Brønsted�Lowry y la de Lewis, de forma que los estudiantes puedan tener una idea de que las teorías en la ciencia se desarrollan continuamente y que se van creando nuevos modelos con el fin de poder explicar un número mayor de fenómenos. Posteriormente, se introduce el concepto de pH como una forma cuantitativa de medir la acidez y para dar una idea a los estudiantes de lo pequeñas que son las concentraciones de iones que dan las características propias a las sustancias.

El pH es una cantidad logarítmica y dado que en este nivel los estudiantes no han revisado este concepto en matemáticas, se relaciona el pH con la concentración de los iones hidrógeno para que los estudiantes puedan pensar cualitativamente qué es lo que ocurre con las concentraciones de los iones cuando se modifica el pH.

Para poder hablar de las reacciones de neutralización hemos elegido el tema de los antiácidos por ser cercano a los estudiantes y porque presenta oportunidades para que los estudiantes puedan ver la relevancia y aplicación de este tipo de reacciones. Se pretende que los estudiantes hagan un análisis sobre la efectividad de un antiácido en base a la cantidad que se tiene que utilizar para lograr neutralizar una cierta cantidad de ácido. Finalmente, se modelan las reacciones de neutralización siguiendo la teoría de Arrhenius y se hace una simulación que permita ver, en términos de partículas, qué es lo que ocurre durante estas reacciones.

En las aplicaciones, se tratan  los temas de  lluvia ácida y acidosis en  la sangre, para que  los estudiantes puedan pensar sobre  la importancia de las reacciones de neutralización y del pH en entornos cotidianos.

 

Mapa de actividades

Actividades Apectos Relevantes Herramientas

Acercamiento Cualitativo

Actividad 1: ¿Dónde están los ácidos y las bases?

Reconocer sustancias ácidas y básicas presentes en nuestra vida cotidiana desde un punto de vista intuitivo.

Utilizar pruebas experimentales para determinar las propiedades de ácidos y bases.

Clasificar las sustancias cotidianas utilizadas como ácidos o bases.

Interactivo en Flash Actividad experimental

Acercamiento Cuantitativo

Actividad 2: Haciendo un modelo para los ácidos y las bases

Historia breve sobre el desarrollo de las teorías ácido base.

Simulación de la disociación de ácidos y bases de Arrhenius.

Presentación de las teorías de Brønsted-Lowry y Lewis.

Utilizar los criterios construidos para clasificar distintas sustancias como ácidos o bases.

Lectura Simulaciones en Flash Ejercicios interactivos Discusión grupal

Actividad 3: El pH como medida de la acidez

Definición del pH y su importancia. Modificación del pH y relación del pH con la 

concentración de los iones. Lectura Resolución de ejercicios

Actividad 4: ¿ Cómo funcionan los antiácidos?

Comparación de la eficacia de los antiácidos en términos de su poder de neutralización.

Predicción de los productos de una neutralización.

Actividad experimental Discusión grupal

Acercamiento Explicativo

Actividad 5: Explicando los antiácidos.

Modelos de reacciones de neutralización. Simulación de reacciones de neutralización. Predicción de los productos de las reacciones de 

neutralización .

Simulación en crocodile Ejercicios interactivos

Aplicación: Lluvia ácida

Predecir los productos de reacciones de neutralización.

Conocer y reflexionar sobre los efectos de la lluvia ácida.

Actividad experimental Discusión grupal

 

Introducci�n

¿Qué son los ácidos y las bases?

Los   ácidos   y   las   bases   son   sustancias   reconocidas   desde   la   antigüedad,   el   término   ácido   viene   del   latín acetum que   significa �amargo� y la palabra álcali viene de la palabra árabe que se utiliza para nombrar a las cenizas de las plantas, ya que de ahí se extraían. Como en la mayoría de los casos, las herramientas de clasificación de las sustancias eran los sentidos. Así, los ácidos eran sustancias  que  sabían  amargo,  que  cambiaban  el   color   de  algunos  extractos  vegetales  y  que  hacían  precipitar  el   azufre  de   las disoluciones alcalinas. Por su parte, las bases eran sustancias resbalosas, con las que se podían quitar la grasa y el aceite de las telas y que cambiaban el color de los pigmentos vegetales.

Como podemos ver, estas definiciones aún se mantienen y están en todos los libros de texto. También nos permiten diferenciar a los ácidos y las bases desde el punto de vista fenomenológico, sin embargo, también pueden ocasionar que para los estudiantes sea más difícil pasar de este nivel y clasificar los ácidos y las bases no solamente desde el punto de vista de su comportamiento, sino también de su composición química.

El estudio de los ácidos y las bases puede verse como una buena oportunidad para aprender que las teorías en la ciencia se desarrollan y se modifican a lo largo del tiempo, que se amplían para poder explicar un mayor número de fenómenos y que toman en cuenta descubrimientos y consideraciones que antes no eran evidentes. Las clasificaciones se modifican y en este caso, cada vez permiten que un número mayor de sustancias pueda clasificarse como un ácido un una base atendiendo a características diferentes.

Las distintas teorías para clasificar los ácidos y las bases

La teoría más conocida y más utilizada para clasificar los ácidos y las bases es la teoría de Arrehnius. En la teoría de Arrhenius, los ácidos son sustancias que al disolverse en agua se disocian (es decir, se separan en los iones que las forman), liberando iones H+ . Estos iones H+, tienden a unirse a otras moléculas de agua, formando iones H3O+, que se llaman iones hidronio. En esta misma teoría, las bases son sustancias que al disolverse en agua, producen  iones hidroxilo (OH-).  La clasificación de Arrhenius es  limitada para algunos ácidos y bases ya que no todas se disuelven en agua, ni todas las bases tienen iones hidróxido, por ejemplo, algunas de las bases comunes, como los carbonatos Ca(CO3)2, o como el amoniaco NH3 , no liberan iones OH- . Estas observaciones hicieron necesaria la proposición de una teoría nueva, que no anula la teoría de Arrhenius, sino que la amplía ya que la teoría de Brønsted-Lowry propone que las bases son aquellas sustancias que pueden aceptar un protón, eso incluye a las bases de Arrhenius (que liberan iones OH -) y a muchas otras sustancias. Lo mismo ocurre con la teoría de Lewis, que al hacer énfasis en los electrones, permite que se extienda la clasificación.

La clasificación de ácidos y bases más utilizada es la de Arrhenius, probablemente porque la mayoría de las reacciones entre ácidos y bases ocurren en disolución acuosa y porque las sustancias que se clasifican como ácidos y bases en la vida cotidiana normalmente se encuentran en disolución acuosa.

El pH como medida de la acidez

La posibilidad de saber con precisión la concentración de iones H+ en una disolución, es importante, no sólo porque nos permite pasar de una descripción cualitativa de las sustancias como ácidos o bases, sino también porque da una mayor precisión en cuanto a la acidez y 

basicidad de las sustancias. Es por ello importante que los estudiantes reconozcan que la acidez es una propiedad medible y que se relaciona directamente con la cantidad de iones en disolución. Los estudiantes, en este nivel, no han tenido ningún contacto con los logaritmos como funciones matemáticas, por ello, hemos pensado en no entrar en ningún detalle a este respecto. Es importante hacer énfasis en la cantidad tan pequeña de iones que dan el carácter ácido o básico a una disolución. Los estudiantes deben notar que el valor del pH tiene una relación inversa con la concentración de iones H+ , de forma que sea una cantidad que tiene sentido en términos de la composición de la disolución. Así como reconocer que el pH de una disolución determina el uso que puede hacerse de ésta.

Modelando y prediciendo las reacciones de neutralización

Las reacciones de neutralización que se presentan en este nivel de estudios y en este caso son reacciones que ocurren en disolución acuosa y que involucran ácidos y bases de acuerdo con la definición de Arrhenius. Desde este punto de vista, la reacción de un ácido y una base implica la formación de una sal y agua. Si representamos la reacción química utilizando solamente los iones, tenemos que:

H+ + OH-   H2O

Como ejemplo, la reacción entre el ácido clorhídrico (HCl) y el hidróxido de sodio (NaOH).

NaOH + HCl   H2O + NaCl

En el caso de ácidos que tengan dos protones, como el ácido sulfúrico, es importante considerar el número de iones que se combinan para formar la sal. Por ejemplo,

H2SO4 + NaOH   Na2SO4 + H2O

Generalmente, en una reacción de neutralización, se utiliza un indicador que al modificar sus características (color), en medio ácido o básico, indica cuando ésta se ha terminado. Los productos de una reacción de neutralización, sin embargo, no son siempre neutros, dado que existen ciertas sales que pueden dar al agua carácter ácido o básico.

Algunas ideas previas relacionadas con este tema

  Los �cidos pueden quemar y comerse el material

Los estudiantes piensan en los ácidos como agentes activos que dañan la piel y otros materiales. Los niños pequeños tienden a pensar en los ácidos como algo peligroso por las ideas presentadas comúnmente. Es importante entonces que los estudiantes reconozcan a los ácidos como sustancias que están presentes cotidianamente y que tienen distintas propiedades.

La neutralización "rompe" o "descompone" a los ácidos

Muchas veces la neutralización se percibe como un proceso en el cual se eliminan las propiedades de los ácidos, más que como una reacción entre un ácido y una base. Es importante hacer énfasis en que la neutralización es una reacción entre dos sustancias y que los productos son sustancias con propiedades diferentes y no, como muchas veces se tiende a pensar, un ácido que ha perdido su poder corrosivo o su peligrosidad.

Los ácidos son más corrosivos que las bases

Debido a que los estudiantes encuentran mucho antes a los ácidos que a las bases o sustancias alcalinas, las ideas sobre éstas últimas están poco desarrolladas. Se tiende a pensar que las bases no son corrosivas o peligrosas como los ácidos. Es deseable que los estudiantes conozcan y experimenten con las propiedades tanto de los ácidos como de las bases y puedan ver que éstas también son corrosivas. En las experiencias en las que los estudiantes clasifican sustancias como ácidos o bases, es recomendable que haya un número equivalente de ácidos y bases, de forma que no persista la idea de que hay más ácidos que bases. Así mismo, es importante que se presenten al mismo tiempo los áciso que las bases.

Los ácidos y las bases no están formados por partículas

Se ha encontrado también que, como en la mayoría de los casos relacionados con las reacciones químicas, los estudiantes tienen muchas dificultades para visualizar el proceso en términos de las partículas que participan, por lo que es importante que el maestro haga énfasis en la relación que existe entre el tipo de partículas que forman a las sustancias y las reacciones en las que están involucradas, así como las transformaciones que sufren. Es decir, pasar de la perspectiva fenomenológica de los ácidos y las bases que hace hincapié en sus propiedades macroscópicas y relacionar estas propiedades con su composición.

 

Preguntas de exploración

En todas las actividades propuestas, se presentan preguntas que son importantes que los estudiantes exploren sus ideas respecto a los fenómenos que se presenten. Esta exploración puede realizarse en equipos o bien, hacerse directamente en plenaria grupal. La idea es que cada maestro elija las preguntas de exploración que le parezcan más adecuadas de acuerdo al grupo que tiene y a su nivel de comprensión.

 

Algunas dificultades y consideraciones asociadas con el desarrollo de la actividad

Actividad 1: ¿Dónde están los ácidos y las bases? Tiempo estimado: 50 minutos

El objetivo fundamental de esta actividad es que los estudiantes reconozcan la diversidad de ácidos y bases con los que tienen contacto en su vida cotidiana,  de  forma que puedan encontrar  una mayor  relación entre  las sustancias que utilizamos  todos  los días y su composición y definición desde un punto de vista químico. La primera actividad puede servir para que la profesora o profesor detecten las ideas previas de los estudiantes respecto a las bases.

En la actividad experimental, se sugiere que los estudiantes elijan una amplia gama de sustancias para determinar sus propiedades ácidas o básicas. Es recomendable que las sustancias elegidas sean de preferencia transparentes para que se pueda ver el cambio de color del indicador con mayor claridad. No se hace hincapié en el funcionamiento del indicador, sin embargo, el profesor debe indicar que 

en este caso no está ocurriendo una reacción química entre la sustancia y el indicador. Se toman tres muestras que se sabe si son ácidas, básicas o neutras para que los estudiantes las utilicen como referencia en el resto del experimento.

 

Actividad 2: Haciendo un modelo para los ácidos y las bases Tiempo estimado: 50 minutos

Aquí se deben revisar los problemas asociados con la escritura de fórmulas y la nomenclatura de las sustancias. Es importante que los estudiantes comprendan que las sales se disocian en agua y que los productos de la disociación son iones con cargas distintas. Para poder escribir  las reacciones de disociación, es fundamental que los estudiantes comprendan el significado de los subíndices y  los puedan diferenciar de los coeficientes. Dada la naturaleza de este programa no es posible que los estudiantes escriban fórmulas con sub y  super   índices por   lo  que solamente se completan  las  reacciones utilizando  fórmulas ya escritas.  Es  importante que el  profesor complemente estos ejercicios con otros en los que los estudiantes predigan los productos de una disociación.

Se presentan dos simulaciones en las que se simulan los procesos de disociación de un ácido y una base. La finalidad es que los estudiantes comprendan cómo interactúan los ácidos y las bases con el agua y hacer énfasis en la diferente composición de ambos así como en su naturaleza corpuscular.

Las teorías ácido-base de Brønsted-Lowry y de Arrhenius se han incluido como muestras del cambio de las teorías en la química. Sin embargo, dada su complejidad, no se presentan ejercicios que profundicen en su uso y aplicación.

 

 

Actividad 3: El pH como medida de la acidez Tiempo estimado: 50 minutos.

En esta actividad se introduce el concepto de pH como una cantidad que mide la acidez de una disolución. Es importante que los estudiantes reconozcan que el pH tiene una relación física con la composición de la disolución y también que puedan notar las relaciones entre el pH y la concentración de iones H+. Otra característica importante, es que noten que una modificación de una unidad en el pH implica una modificación de 10 veces más concentración de iones H+.

 

Actividad 4: ¿ Cómo funcionan los antiácidos? Tiempo estimado: 50 minutos.

Al  mismo  tiempo que  los  estudiantes  llevan a cabo una  reacción de neutralización,  estarán comparando  la  eficiencia de distintos antiácidos. Es recomendable que las tabletas de antiácido se pulvericen antes de comenzar la actividad, para evitar que se pierda tiempo en  ello   y  para   favorecer   la   solubilidad  de   las   tabletas.  Si  no  se  cuenta  con  suficientes  balanzas  para   todo  el   grupo,  es  posible estandarizar alguna medida del antiácido como una cucharilla muy pequeña. Se debe hacer énfasis en la modificación del pH con las distintas adiciones de antiácido y además es importante que se haga una discusión sobre los diversos criterios que pueden emplearse 

para  determinar   si   un  antiácido  es  mejor  que  otro:  precio,  dosis   sugerida,  efectos  secundarios,  etc.y   también  que  comparen   los resultados de equipos diferentes.

 

 

Actividad 5: Explicando los antiácidosTiempo estimado: 50 minutos

En esta actividad, los estudiantes usan la simulación para poder visualizar qué es lo que ocurre con las partículas cuando se lleva a cabo una reacción química haciendo énfasis en que las partículas se conservan en una reacción química pero se estructuran de manera diferente y por ello tienen propiedades completamente diferentes. En la simulación de crocodile, al mismo tiempo que se está llevando a cabo la reacción, se genera una gráfica en donde se ve cómo se va modificando el pH y se utiliza un indicador universal para indicar el punto de neutralización. Es importante que la ventana de animación molecular se encuentre activa para que los estudiantes puedan ver la representación de la formación de moléculas de agua. El profesor o profesora pueden discutir con los estudiantes qué pasaría si se evapora toda el agua, para que los estudiantes tengan presente cuál es la sal que se forma y por qué las propiedades son distintas a las del ácido y la base del inicio de la reacción.

Si se cuenta con el equipo y el tiempo, se puede plantear llevar a cabo la reacción en el laboratorio para que los estudiantes puedan manipular los ácidos y las bases y notar el cambio de color en el indicador que se utilice.

Así  mismo,   es   importante   que   los   estudiantes   reconozcan   la   capacidad   de   predicción   de   las   reacciones   y   que   puedan   escribir correctamente los productos de reacciones de neutralización. Como en el caso anterior, el ejercicio propuesto tiene más que ver con el reconocimiento de  fórmulas,  por  lo que el  profesor debe complementar con ejercicios escritos donde  los estudiantes practiquen  lo aprendido.

 

AplicaciónTiempo estimado: 50 minutos

Es posible que los estudiantes hayan escuchado hablar del fenómeno de lluvia ácida relacionada con la existencia de contaminantes. En esta actividad solamente se hace una introducción muy breve al tema de la lluvia ácida y se pide que los estudiantes completen algunas reacciones químicas para reafirmar los conocimientos revisados en la experiencia. Solamente se trabaja el problema de la lluvia ácida en los  monumentos de piedra caliza por  considerar  que  trabajar  el  problema de  la  vegetación puede  tomar  mucho más  tiempo.  Sin embargo, es posible hacer alguna experiencia donde se revise el efecto de una disolución de ácido acético en el crecimiento de las plantas.

En el caso del carbonato de calcio, al entrar en contacto con el ácido carbónico de la  lluvia ácida, ocurre  la siguiente reacción de neutralización:

CaCO3 + H2CO3   CaSO4 + CO2 + H2O

El desgaste se produce porque el  sulfato  de calcio  es soluble en agua,  por   lo  que  los estudiantes observan que el  gis  �pierde material�. En este caso, es importante hacer énfasis en la transformación química de las sustancias y en la producción de una nueva sustancia con propiedades diferentes.

Se puede también usar este tema como una posibilidad de que los estudiantes reflexionen y discutan sobre los problemas de generación excesiva de contaminantes y la posibilidad de incidir en estos problemas.

Se utiliza en el problema 2 de la aplicación el caso de la acidosis en la sangre. Al contener la respiración, así como cuando se sufre un paro cardiaco, la concentración de bióxido de carbono en la sangre aumenta, por lo que se lleva a cabo la misma reacción que en la lluvia ácida y se produce ácido carbónico aumentando la concentración de iones hidronio y disminuyendo el pH. Por ello, la inyección directa de una base (bicarbonato de sodio), provoca una reacción de neutralización que disminuye la concentración de ácido en la sangre. Se espera que los estudiantes noten la importancia del pH y de las reacciones de neutralización en el cuerpo humano.

 

 

 

Evaluación

 

Aspectos relevantes para ser evaluados

Esta actividad comprende el desarrollo de conceptos muy diversos, entre ellos podemos mencionar:

•  Reconocer la presencia de ácidos y bases en sustancias que se utilizan en la vida cotidiana.

•  Reconocer algunas características físicas de los ácidos y las bases.

•  Reacciones de disociación de ácidos y bases en agua.

•  Identificación de sustancias como ácidos o bases de acuerdo a la teoría de Arrhenius.

•  Reconocimiento de modelos diferentes para definir ácidos y bases.

•  Definición del pH como una medida de la cantidad de iones hidrógeno disociados.

•  Características de las reacciones de neutralización.

•  Predicción de los productos de una reacción de neutralización.

 

 

Bibliografía y referencias útiles

Material adicional

Los ácidos y las bases

Los materiales y su función en el entorno. Un plan de clase sobre ácidos y bases desarrollado, con buena información y buenas ideas.

art16http://www.oei.org.co/fpciencia/art16.htm

Simulación de una neutralización (applet)

neutralizhttp://www.edu.aytolacoruna.es/aula/quimica/neutralizacion/neutraliz.htm

Lluvia ácida

Una explicación sencilla sobre la lluvia ácida

acidrainhttp://water.usgs.gov/gotita/acidrain.html

Una explicación con mucho más detalle sobre la lluvia ácida

quespagehttp://www.epa.gov/air/espanol/lluvia_acida/quespage.html

Explicación de las reacciones de la lluvia ácida y sus consecuencias

hoja13http://www.sagan-gea.org/hojared/Hoja13.htm