Sabers que s'aprenen

#CAN4t.1. Utilització de la informació continguda en una equació química ajustada i de les lleis més rellevants de les reaccions químiques per fer prediccions qualitatives i quantitatives per mètodes experimentals i numèrics, i relacionar-ho amb els processos fisicoquímics de la indústria, el medi ambient i la societat.

 #CAN4t.2. Descripció qualitativa de reaccions químiques de l’entorn quotidià, incloent-hi les combustions, les neutralitzacions i els processos electroquímics, i comprovació experimental d’alguns dels paràmetres, per fer una valoració de les seves implicacions en la tecnologia, la societat o el medi ambient.

 #CAN4t.3. Relació de les variables termodinàmiques i cinètiques bàsiques en les reaccions químiques, aplicant models com ara la teoria de col·lisions, per explicar la reordenació dels àtoms, i elaboració de prediccions aplicades als processos quotidians més importants.

 #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

• Ús de les equacions químiques ajustades per dur a terme càlculs estequiomètrics bàsics fent servir el concepte de mol. [MAT.COM6; CAN.RQ7]
• Determinació de reactiu limitant i reactiu en excés en processos experimentals. [ESS] [CAN.RQ3; CAN.RQ7]
• Ús de la teoria de les col·lisions (es produeixen xocs efectius entre les partícules dels reactius si aquestes col·lideixen amb prou energia i orientació adequada) per explicar els factors que afecten la velocitat d'una reacció química en un procés experimental: temperatura, concentració, grau de fragmentació i catalitzadors. [ESS] [CAN.CQT2].
• Interpretació dels intercanvis d'energia i de l'energia d'activació en una reacció química a partir del trencament i formació d'enllaços químics amb la teoria de col·lisions. [ESS] [CAN.CQT3].
• Disseny i realització de treball experimental mitjançant la indagació, per tal de contrastar les hipòtesis pròpies. [ESS]
• Reflexió sobre la precisió dels resultats experimentals, a partir d’una estimació de l’ordre de magnitud de l’error experimental.
• Aplicació de les normes de seguretat, higiene i gestió de residus per garantir la salut pròpia i comunitària, així com el respecte pel medi ambient. [ESS]

Interacció amb altres blocs de sabers

Els sabers d’aquesta activitat estan connectats amb els blocs de MATÈRIA, ENERGIA, de manera destacable amb les concrecions següents:

#MAT.8. Ús adequat d’un llenguatge científic comú i universal a través de la formulació i la nomenclatura de substàncies simples, ions monoatòmics i compostos binaris més freqüents mitjançant les regles de nomenclatura de la IUPAC.

#EN.2. Raonament dels aspectes energètics associats a canvis físics i químics i la seva identificació en fenòmens quotidians.

Idees clau que es construeixen

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

[CAN.RQ7]. L’estequiometria permet calcular productes formats i reactius sobrants.

[CAN.RQ9]. Les reaccions redox impliquen intercanvi d’electrons.

[CAN.CQT1]. La velocitat de les reaccions no és constant, i depèn de factors com la concentració de reactius o la temperatura.

[CAN.CQT2]. Les reaccions químiques tenen lloc quan es produeixen xocs efectius entre les partícules.

[CAN.CQT3]. Les reaccions poden alliberar o absorbir energia.

Descripció de l’activitat per al docent

Presentació i context

Es presenta la conservació dels aliments com un repte quotidià amb impacte directe en la salut, l’economia familiar i el malbaratament alimentari. Es plantegen preguntes exploratòries com: per què els aliments duren més a la nevera que a temperatura ambient? Per què una poma pelada s’ennegreix abans que una amb pell? Per què en alguns casos afegim substàncies com sal o llimona per conservar els aliments?

L’objectiu de l’activitat és analitzar com diversos factors modifiquen la velocitat d’una reacció i com detectar quin reactiu és limitant, i comunicar els resultats en format d’article científic. La reacció que es proposa és la del zinc amb l’àcid clorhídric.

Desenvolupament de l’activitat

En primer lloc, l’alumnat duu a terme i observa la reacció de l’àcid clorhídric amb el zinc. Es posa HCl en un tub d’assaig o en un vas de precipitats i s’hi introdueix una petita quantitat de zinc sòlid (que pot estar en tires, granalla, pols…). L’alumnat veu com es generen bombolles i se’ls pregunta de què creuen que són: H₂, O₂, Cl₂…

A continuació els alumnes analitzen la cinètica de la reacció. Es pot fer que cada grup se centri en un factor cinètic diferent o que tots plegats els analitzin tots. Es demana als alumnes que duguin a terme la reacció química en unes condicions de referència i també en una situació (o més) en què es canvia només una de les variables que afecten la cinètica de la reacció. Per cada cas els alumnes han d’observar la intensitat de la reacció (quantitat de bombolles, canvis de temperatura…) i han de mesurar el temps que tarda la reacció a finalitzar (quan deixen de sortir bombolles) per tal d’observar com es modifica la cinètica de la reacció respecte de la situació de referència. Els casos analitzats serien:

• Situació de referència: 0,4 g Zn granalla + 2 ml HCl del 10% a T = 25 ºC
• Situació V1: es modifica l’estat del zinc: Zn pols
• Situació V2: es modifica la concentració del HCl: 2%
• Situació V3: es modifica la temperatura del HCl: T = 50 ºC
• Situació V4: es modifica la naturalesa dels reactius: Fe granalla (en lloc de Zn)

En segon lloc, l’alumnat duu a terme la reacció en les condicions de referència, però es repeteix 3 vegades amb diferents quantitats de reactius. Els alumnes observen què queda un cop finalitzada la reacció química, per tal d’interpretar quins reactius s’han esgotat i de quins en sobren. Duent a terme els càlculs estequiomètrics corresponents a posteriori, els alumnes poden comprovar si el reactiu limitant indicat en cada cas és realment el que es conclou dels càlculs estequiomètrics.

L’alumnat recull tot el procés d’indagació dut a terme, els resultats obtinguts i les conclusions a les quals han arribat en un article científic que inclou tots els apartats pertinents.

Variacions i suports

La reacció presentada de l’àcid clorhídric amb el zinc és una bona opció per analitzar els factors que determinen la cinètica d’una reacció i el reactiu limitant i en excés. Una alternativa de reacció química és la de vinagre amb bicarbonat, tot i que en aquest cas no és possible analitzar l’efecte del grau de fragmentació. Així mateix, una excel·lent alternativa per analitzar els factors que afecten la cinètica d’una reacció (però no el reactiu limitant i en excés) és la reacció dels components d’una pastilla efervescent en contacte amb l’aigua.

La indústria química, en la qual fabricar un producte no consisteix només a fer que una reacció tingui lloc sinó a fer-la de la manera més eficient i econòmica possible, és un bon context alternatiu.

Recursos

Tortosa Moreno, Montserrat. “La velocitat de reacció”. Ciències: revista del professorat de ciències de Primària i Secundària, 2008, núm. 11, p. 8-11, https://raco.cat/index.php/Ciencies/article/view/123023 .