Sabers que s'aprenen

#MAT4t.2. Argumentació i predicció de les propietats macroscòpiques de diverses substàncies (estat, conductivitat, densitat, temperatura d’ebullició i de fusió...) amb relació al tipus de substància i la seva estructura.

#MAT4t.5. Valoració de la utilitat dels compostos químics a partir de les seves propietats en relació amb com es combinen els àtoms, com a manera de reconèixer la importància de les aplicacions de la química en diferents àmbits.

#HC4t.1 Disseny del treball experimental i emprenedoria de projectes de recerca per resoldre problemes mitjançant l’ús de l’experimentació i el tractament de l’error, la indagació, la deducció, la recerca d’evidències o el raonament logicomatemàtic per fer inferències vàlides sobre la base de les observacions i treure’n conclusions pertinents i generals que vagin més enllà de les condicions experimentals per aplicar-les a nous escenaris.

#HC4t.2. Ús de diversos entorns i recursos d’aprenentatge científic, com ara el laboratori o els entorns virtuals, fent servir de manera correcta els materials, les substàncies i les eines tecnològiques i tenint en compte les normes d’ús de cada espai per assegurar la conservació de la salut pròpia i comunitària, la seguretat en xarxes i el respecte al medi ambient.

Concrecions dels sabers curriculars

• Identificació de tipus de substàncies experimentant amb les seves propietats i fent servir la taula periòdica. [MAT.PRO8]

• Diferenciació dels tres tipus d’enllaços químics: covalent, metàl·lic i iònic. [MAT.COM8]

• Identificació dels electrons de valència d’un àtom i la seva relació amb la formació dels diferents tipus d’enllaços i la pertinença als grups de la taula periòdica. [MAT.COM7]

• Descripció de l’estructura química de les substàncies segons el model cinètic: partícules, enllaços i estructura, per escrit o amb dibuixos. [ESS] [MAT.COM1; MAT.COM5]

• Justificació o predicció de propietats de les substàncies a partir de la seva estructura química. [MAT.COM5]

• Valoració de la utilitat dels compostos químics a partir de les seves propietats en relació amb la manera com es combinen els àtoms. [MAT.COM5; MAT.COM7; MAT.COM8]

• Disseny i realització de treball experimental mitjançant la indagació, per tal de contrastar les hipòtesis pròpies. [ESS]

• Elaboració de conclusions pertinents que vagin més enllà de les condicions experimentals.

• Ús autònom del laboratori escolar com a espai d’aprenentatge científic. [ESS]

Interacció amb altres blocs de sabers

#EN.4. Representació i interpretació de gràfics de temperatura, temps en processos d’escalfament i refredament i en els canvis d’estat.

#EN.7. Anàlisi i aplicació dels mecanismes i efectes de la transferència i conducció de calor sobre els sistemes materials (fluids i sòlids), l’assoliment de l’equilibri tèrmic, en situacions quotidianes i de rellevància ambiental i social.

Idees clau que es construeixen

[MAT.PRO4]. Les propietats dels materials s’expliquen amb el model cineticocorpuscular.

[MAT.COM2]. Tota la matèria està feta d’àtoms, i la manera com aquests es comporten permet explicar moltes propietats dels materials.

[MAT.COM3]. Els àtoms formen compostos mitjançant enllaços químics.

[MAT.COM5]. L’estructura d’un compost mostra els àtoms, la proporció i com s’enllacen.

[MAT.COM8]. Podem classificar les substàncies segons el tipus d’enllaç dels seus àtoms.

Descripció de l’activitat per al docent

Presentació i context

Al nostre voltant podem observar materials amb propietats molt diferents. Alguns materials són conductors i d’altres, aïllants. Alguns es dissolen en aigua i d’altres, no. També podem trobar materials que es troben en fase experimental, com ara el grafè, que té propietats molt sorprenents, tal com ens expliquen en aquest vídeo:

https://www.youtube.com/watch?v=JICxb9T0I4k

Això ens porta a fer-nos una pregunta: com és que els diferents materials que observem al nostre voltant tenen propietats tan diferents entre elles? Com podem explicar aquestes propietats fent servir les representacions submicroscòpiques de la matèria?

Desenvolupament de l’activitat

En primer lloc, podem mostrar a l’alumnat els sòlids que investigarem. Convé triar materials que disposin d’enllaços de diferent tipus (un d’iònic, un de covalent, un de molecular i un de metàl·lic. Per exemple, podem fer servir sal, sorra, sucre i ferro. A partir d’aquests materials, els fem preguntes per avaluar els seus coneixements previs:

1. 1. Quines d’aquestes substàncies es fondran fàcilment en escalfar-les?
   2. Quines condueixen el corrent elèctric en estat sòlid?
   3. Quines es dissoldran en aigua? Dissoltes condueixen l’electricitat?

 Un cop respostes, observarem i manipularem les substàncies per omplir una taula amb alguns dels fets identificats: quin color té? S’hi observen cristalls? Té lluentor metàl·lica? És tenaç o és fràgil? És dur o és tou? (es pot fer servir un portaobjectes de vidre per intentar ratllar-lo amb el material).

Figura 1. Taula per recollir les observacions de cada substància.

A continuació, experimentarem amb algunes propietats dels materials que mesurarem amb cadascun dels quatre sòlids:

1. Conductivitat en estat sòlid. Cal fer servir un tros de sòlid prou gros perquè pugueu tocar-lo amb els connectors del multímetre separats 1 cm. L’escala de l’aparell ha d’estar en 20 kΩ. Preneu nota de la resistència que indica l’aparell: valors molt alts significa poc conductor, valors baixos, bon conductor.
2. Solubilitat en aigua. Poseu uns 2 cm³ d’aigua a 4 tubs d’assaig, afegiu-hi amb una espàtula una mica de cadascuna de les substàncies i remeneu-ho.
3. Conductivitat en dissolució aquosa. Dissoleu una de les substàncies solubles en 25 cm³ d’aigua en un vas de precipitats. Submergiu-hi les puntes de multímetre, en l’escala de 20 kΩ, separant-les 1 cm. Observeu si l’aparell indica un valor de resistència (la  dissolució és conductora) o marca fora d’escala indicant el valor “1” (no ho és).
4. Temperatura de fusió. Agafeu un tub d’assaig que estigui ben sec, poseu-hi una mica del sòlid en pols o en petits trossos —si el sòlid és molt dur, es pot subjectar directament amb les pinces— i escalfeu-lo amb la flama de Bunsen apuntant cap a on no hi hagi ningú. No l’escalfeu més de mig minut.

 Un cop recollides totes les dades, toca interpretar els resultats dels experiments anteriors i justificar les propietats de cada material utilitzant conceptes com ara l’estructura molecular, gegant o monoatòmica; els tipus de partícules (àtoms, molècules, ions, electrons...), els tipus d’enllaç (covalent, metàl·lic, iònic o intermoleculars) o el caràcter metàl·lic dels elements químics.

 Per acabar, com a activitat de síntesi, es pot omplir una taula com aquesta:

https://docs.google.com/document/d/1bW5Agt2XBWp6YMz4bYrXU_ckuAzN7npc/edit

Variacions i suports

L'activitat es pot plantejar de manera més indagativa si no es proporciona el procediment a l’alumnat i es discuteix amb ells com es podria fer.

Quant al cicle de l’aprenentatge, aquesta activitat es pot fer servir tant a la fase de construcció de coneixement, per introduir a través de l’experiment nous conceptes, com a la fase d’aplicació, per utilitzar els coneixements construïts en una activitat anterior i poder transferir-los a un nou context.

Aquesta activitat també permet construir idees epistèmiques sobre modelització, com, per exemple, el concepte de model en ciència, indicant que es tracta d’una representació d’una part del món real (però no és la realitat) fonamentada en una teoria i amb una validesa limitada que pot ser modificada amb noves evidències.

Pel que fa als suports per a l’educació inclusiva, per a l’alumnat amb més dificultats podem proporcionar molts recursos visuals i demanar descripcions en lloc de justificacions o prediccions. Alhora, per a l’alumnat amb més capacitats, es pot aprofundir en els enllaços intermoleculars, la polaritat i la dilatació anòmala de l’aigua. També es pot cercar i interpretar informació sobre altres materials com kevlar, fibra de carboni, cristall líquid, sorra hidrofòbica, ferrofluids o plàstics solubles.

Recursos

A la seqüència didàctica “Entrant en matèria” del grup DIACIM es planteja una activitat similar a la que aquí s’ha presentat: https://ddd.uab.cat/record/150337

Material de préstec “Nanokit”: https://serveiseducatius.xtec.cat/baixllobregat8/portada/nanokit/