Sabers que s'aprenen

#CAN.2. Diferenciació de canvis físics i canvis químics basant-se en evidències experimentals i en el concepte de substància.

#CAN.3. Interpretació de les reaccions químiques a escala macroscòpica i submicroscòpica per explicar les relacions de la química amb el medi ambient, la tecnologia i la societat.

 #CAN.5. Aplicació de la llei de conservació de la massa i de la llei de les proporcions definides, per utilitzar-les com a evidències experimentals, i interpretació sobre la base del model atomicomolecular de la matèria.

 #HC.1. Utilització de metodologies pròpies de la investigació científica per identificar i formular qüestions, elaborar hipòtesis i contrastar-les experimentalment.

 #HC.6 Valoració de la cultura científica i del paper de les científiques i els científics en les principals fites històriques i actuals de la física i la química, per posar de manifest referents femenins invisibilitzats, per l’avenç i la millora d’una societat equitativa i plural.

Concrecions dels sabers curriculars

• Representació de les reaccions químiques en llenguatge simbòlic mitjançant una equació química igualada amb fórmules i símbols d’estat físic. [CAN.RQ1]
•  Comprovació experimental de la llei de les proporcions definides o llei de Proust i comprensió qualitativa de reactiu limitant. [ESS] [CAN.RQ4]
•  Interpretació de la llei de les proporcions definides a partir del model atòmic de la matèria com el fet que els compostos estan formats per àtoms units en proporcions fixes i definides, que expliquen la constància de les proporcions en massa dels elements. [CAN.RQ2; CAN.RQ3]
•  Elaboració d’hipòtesis, degudament justificades a partir de coneixement científic previ. [ESS]
•  Reflexió sobre el paper dels científics i les científiques en la construcció de coneixement científic, a partir d’exemples de persones recercadores i grups de recerca tant històriques com actuals.

Interacció amb altres blocs de sabers

#MAT.3. Diferenciació de substàncies i mescles per les seves propietats, i de substàncies elementals i compostes.

#MAT.4. Identificació dels criteris d’ordenació dels elements en la taula periòdica i la seva utilitat.

Idees clau que es construeixen

[CAN.RQ1]. Les reaccions es poden representar de tres maneres: macroscòpica, submicroscòpica i simbòlica.

[CAN.RQ2]. A escala submicroscòpica, tota reacció química és la reordenació dels seus àtoms.

[CAN.RQ3]. Els reactius es combinen sempre en proporcions fixes.

[CAN.RQ4]. Les reaccions químiques sovint depenen de l’entorn.

Descripció de l’activitat per al docent

Presentació i context

Normalment associem les flames a reaccions químiques en què una substància orgànica (com ara el paper, el cartró, les fulles seques...) reacciona químicament amb l’oxigen, i això genera aigua i diòxid de carboni, així com cendres i altres substàncies resultants de la combustió. Però què passa si acostem una flama a la llana de ferro? Aquesta cremarà igual que el paper? I la substància resultant, pesarà més o menys que la llana de ferro inicial? Com pot ser que en resulti una substància més pesada que la inicial? Com podem explicar aquest increment de massa?

Amb aquesta experiència tan antiintuitiva i sorprenent volem promoure el raonament de l’alumnat fent servir el model de canvi químic basat en el trencament i la formació d’enllaços per explicar els canvis de substàncies que observem. Això permetrà entendre que en els canvis químics, les substàncies resultants són diferents dels reactius, i si ens endinsem una mica, podrem trobar que aquestes es donen amb unes proporcions fixes.

Desenvolupament de l’activitat

L’activitat comença demanant a l’alumnat que observi una petita mostra de llana de ferro, que es col·loca en una cassoleta de ceràmica, i que en mesuri acuradament la massa. Seguidament, és important recollir les seves prediccions sobre què creuen que passarà un cop la llana s’encengui: la majoria anticipa que, igual que quan es crema un tros de cartró o de paper, la massa final serà menor, perquè “quedaran cendres” o perquè “una part desapareixerà”. Aquest punt és clau, perquè fa emergir la idea prèvia molt estesa que en cremar qualsevol material, aquest es “consumeix” i es perd en forma de fum.

A continuació es procedeix a cremar la llana de ferro, bé amb llumins, bé fent-hi circular corrent elèctric amb una pila de petaca. Durant la combustió, l’alumnat observa com la llana s’enrogeix i es transforma en una substància més compacta, però també més fràgil. A més, per fer més sorprenent el fenomen, es pot fer en una aula a les fosques, cosa que desperta l’interès de l’alumnat.

Un cop completat el procés i deixada refredar la mostra, se’n torna a mesurar la massa. La sorpresa és immediata: la massa no ha disminuït, sinó que ha augmentat. Aquest resultat contradiu les prediccions inicials i obre la porta a un procés de raonament indispensable per comprendre la naturalesa dels canvis químics i la formació de substàncies noves.

Es demana a l’alumnat que proposi explicacions plausibles per entendre per què, malgrat haver cremat un material, la massa total és superior. Com que el raonament a escala submicroscòpica sovint és difícil d’imaginar, es pot utilitzar material manipulatiu com ara boles de plastilina: unes d’un color per representar àtoms de ferro i unes d’un altre per representar àtoms d’oxigen (sempre que deixem clar a l’alumnat que els àtoms no tenen “color propi”, que ho fem de forma metafòrica). A partir d’aquí, es mostra que durant la combustió els àtoms de ferro que componen la llana s’enllacen amb els àtoms d’oxigen que hi ha a l’aire, de manera que la substància sòlida final conté no només els mateixos àtoms de ferro, sinó àtoms d’oxigen que abans eren a l’atmosfera.  És a dir, aquesta reacció dona lloc a una substància nova: l’òxid de ferro. Així, el fet que la massa final sigui superior es pot explicar perquè el ferro ha incorporat àtoms d’oxigen que abans no formaven part del sòlid.

És important que aquest raonament no es doni directament com a resposta correcta, sinó que es construeixi a partir de preguntes guia, comparacions i l’ús de les boletes de plastilina, que portin l’alumnat a raonar a partir del seu model de matèria.

Figura 1: La llana de ferro sobre bàscula, la massa de la qual augmenta a temps real a mesura que la llana de ferro s’oxida.

Un cop establerta aquesta explicació qualitativa, es pot aprofundir en el fenomen mitjançant una ampliació experimental: repetir el procediment inicial amb diverses masses de llana de ferro i determinar la massa final de cada mostra un cop oxidada. Registrant totes les dades en una taula i representant-les gràficament, l’alumnat pot observar que hi ha una relació de proporcionalitat fixa entre la massa de ferro inicial i la massa d’oxigen incorporada al producte. Aquesta observació permet introduir la idea de proporcions definides en els compostos químics i reforçar que les reaccions químiques segueixen relacions quantitatives constants, per allunyar la percepció que els canvis són arbitraris o imprevisibles.

Aquest conjunt d’accions hauria d’acompanyar-se d’un treball discursiu en què l’alumnat descrigui amb precisió el que ha passat en cada moment, utilitzant termes com “reacció química”, “formació de noves substàncies”, “conservació de la massa del sistema tancat” i “combinació d’àtoms”.

A més, aquesta activitat pot facilitar reflexionar sobre com s’ha construït històricament la ciència (saber #HC.6), posant com a exemple la teoria del “flogist”, que sostenia que els materials combustibles contenien una substància anomenada flogist que s’alliberava en cremar. Aquesta idea es va descartar quan al s. XVIII es va observar que els metalls guanyaven massa en cremar.

Variacions i suports

L’activitat es pot adaptar fàcilment al nivell i als objectius d’aprenentatge de cada grup classe. En primer lloc, com hem dit, pot plantejar-se de manera qualitativa, simplement observant que la massa final de la llana de ferro augmenta després de la combustió, però també es pot abordar de manera quantitativa, demanant a l’alumnat que mesuri amb precisió la massa inicial i final de diferents mostres de llana de ferro i que compari sistemàticament els resultats. Aquesta aproximació permet treballar amb dades reals, fer gràfics o taules i introduir discussions sobre la proporcionalitat entre la massa de ferro i la massa d’oxigen incorporada al producte, per reforçar la idea que les reaccions químiques segueixen proporcions definides.

Per a alumnat més avançat es pot anar més enllà i establir una relació entre els resultats experimentals i els conceptes de nombre màssic, valències del ferro i formulació dels diferents òxids. A partir de les masses mesurades, l’alumnat pot estimar la proporció d’àtoms de ferro i d’oxigen que formen el producte i comparar-la amb les fórmules possibles (FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄), analitzant quina s’ajusta millor a les dades obtingudes. Aquest tipus de treball permet un pont directe entre l’experimentació macroscòpica i la representació simbòlica i submicroscòpica, cosa que reforça la idea que la formulació química no és arbitrària, sinó que reflecteix relacions quantitatives reals.

Pel que fa al suport material, el treball amb boles de plastilina per representar àtoms es pot fer de manera totalment manipulativa, directament a l’aula, perquè l’alumnat pugui muntar i desmuntar estructures i visualitzar com la reacció implica una reconfiguració dels àtoms en noves substàncies. Alternativament, es pot proposar que l’alumnat elabori animacions en format stop-motion per representar la reacció a escala submicroscòpica, la qual cosa reforça la idea de transformació i conservació dels àtoms al llarg del procés. Finalment, també es poden generar representacions digitals amb programes de presentacions interactives o eines de creació gràfica, que permeten mostrar de manera seqüenciada i clara cada etapa de la reacció.

Recursos

Izquierdo Aymerich, M. (2021). Ensenyar química: una aproximació històrica i filosòfica. Educació Química. EduQ, 29, 19-27. https://ddd.uab.cat/pub/artpub/2021/310201/eduquieduq_a2021v29p19.pdf