El protagonismo de alumnos y la enseñanza-aprendizaje de cinética química

LUCIANO BUSTOS; LUIS ESCUDERO; JOSÉ CALERO; FEDERICO GÓMEZ; MATIAS I. SANCHO

San Luis (Argentina)

Congreso; XXVI Congreso Argentino de Química; 2006

Asociación Química Argentina

1. Introducción.Con cierta frecuencia se observa que en la enseñanza de materias básicas en carrerasde nivel universitario, y por diferentes razones, se hace un uso excesivo del dictado de clasesmagistrales. Considerando nuestras propias experiencias como estudiantes primero y luegocomo docentes, coincidimos con colegas de diversas disciplinas respecto de que elprotagonismo de los alumnos en el proceso de enseñanza-aprendizaje por medio de esterecurso, es pequeño. También se aprecia que el grado de aprovechamiento alcanzado por losestudiantes no se corresponde con los esfuerzos realizados por los docentes.Si bien las clases magistrales son insustituibles para el tratamiento de temas de ciertacomplejidad, es evidente que las clases teórico-prácticas que acoplan leyes y conceptosteóricos con la realización de trabajos prácticos (experiencias de laboratorio, resolución deproblemas, etc.), ofrecen ventajas que permiten obtener mejores resultados con los alumnos.Lógicamente, los inconvenientes que presentan las clases magistrales en el desarrollo de undeterminado curso, se reducen cuando se dispone de un libro guía adecuado mediante el cuallos educandos aprenden directamente conocimientos de fácil comprensión y los docentesexplican los temas más arduos y complicados. Sin embargo, la realidad muestra yparticularmente en lo que concierne a la enseñanza de Química-Física, que la disposición detal libro guía no es frecuente.En los últimos años se han desarrollado vertiginosamente modernos conocimientoscientíficos y tecnológicos, los cuales han promovido progresos notables en varias áreas delsaber y especialmente, en el avance de las aplicaciones prácticas de las Ciencias Químicas yBiológicas. Obviamente los temas de actualidad deben incorporarse a los programas de lasasignaturas en vigencia. Pero, es claro que se debe cuidar que los programas elaborados nosean excesivamente extensos. Por ello es importante privilegiar lo formativo antes que loinformativo. Asimismo, se debe convenir que en numerosos Profesionales la Química yQuímica-Física son esencialmente herramientas prácticas para resolver asuntos y cuestionesaplicadas específicas. Este hecho se debe tener en cuenta para fijar los límites y orientación delos contenidos de los cursos.Para mejorar la calidad de la enseñanza de Química-Física, es clave la preparación deexperimentos originales y amenos, de sencilla ejecución y que con requerimientos mínimos deinstrumental, faciliten la integración de leyes y métodos de la Matemática, Física y Química-Física. En este trabajo y con el principal objetivo de alentar el interés y protagonismo de losAlumnos en sus propios aprendizajes, se diseñaron experiencias cinéticas que requierendiversos conocimientos matemáticos (estadística, derivadas, integrales, ecuaciones lineales,etc.) en el tratamiento de los datos experimentales. Las experiencias propuestas son útiles pararelacionar los aspectos termodinámicos y cinéticos característicos de las reacciones químicas.Además, en el cálculo de parámetros y magnitudes de importancia se utilizaron recursos devariada naturaleza (gráficos, numéricos, analíticos, etc.). Los experimentos propuestosconstituyen herramientas convenientes y de gran aplicabilidad en la resolución de diferentesproblemas científicos y prácticos, que los estudiantes de hoy deberán enfrentar como futurosprofesionales el día de mañana.2. Parte experimentalLas experiencias cinéticas se realizaron colocando en el sistema de reacción unacantidad constante de Flavanona (3.329 x 10-4 M) con un agregado de 200 l de NaOH(0.0784 M) con el fin de favorecer la reacción de isomerización alcalinizando el medio, luegose registraron las absorbancias del producto a intervalos crecientes de tiempo (30 segundos), modificando la temperatura de trabajo (25 ºC, 29,9 ºC y 34,6 ºC) y el solvente utilizado (metanol y etanol). Estas experiencias fueron realizadas en un espectrofotómetro de doble haz Shimadzu UV 160 con celdas termostatizadas de 1 cm de espesor. Los pertinentes espectros UV-visible para seleccionar las condiciones operativas óptimas, se registraron a 25.0±0.1ºC. La longitud de onda seleccionada para realizar las medidas de absorbancia fue de 417.5 nm. En esta longitud de onda, el producto formado exhibe un máximo de absorción UV, en tanto que flavanona no presenta absorción. 3. Resultados y Discusión En las experiencias de isomerización alcalina de flavanona no sustituida se adoptaron las condiciones operativas y metodologías siguientes: La reacción analizada se puede esquematizar del modo siguiente: Flavanona (A) 2´(OH)-Chalcona (C) k1 k2 (1) Desde la correspondiente ecuación empírica de velocidad para una reacción reversible, integrando, y haciendo uso de las medidas experimentales realizadas, los alumnos obtuvieron la siguiente expresión, .t expAA ALn CC C k (2) en donde AC y AC corresponden a las absorbancias de 2´(OH)-Chalcona para un tiempo t y en el equilibrio, respectivamente; kexp igual a k1 + k2 , representa la constante de velocidad de primer orden determinada en forma experimental. La representación gráfica de la Ec. (2), es ilustrada en la Fig. 1, y de la misma se obtuvieron las constantes de velocidad para las distintas temperaturas y solventes.  Con los datos obtenidos en el laboratorio se analizaron dos variables que afectan la velocidad      de las reacciones:      3.1. Efecto de la temperatura: La dependencia de la constante de velocidad con la      temperatura puede ser explicada por varias teorías. Una de ellas es la relación empírica      propuesta por Arrhenius, que establece la siguiente dependencia      T 1 . R Ln ALn Eak (3)      donde k es la constante de velocidad, A es el factor de frecuencia, R la constante universal delos gases, Ea es la energía de activación de la reacción, y T la temperatura absoluta. A partirde la Ec. (3), y con los datos obtenidos en el laboratorio, se determinó que la energía deactivación de la reacción en metanol es la siguienteLn k 21,01 8101,4. (r2 = 0,9997) (4)Ea = 16,097 Kcal/mol (5)El efecto de la temperatura en la velocidad de reacción también puede ser analizadomediante la Teoría de las Velocidades absolutas, la cual establece la siguiente relación[1],(6)donde,es el coeficiente de transmisión, NA el número de Avogadro, h la constante dePlanck y H y S expresan la entalpía y entropía de activación, respectivamente. De laecuación lineal obtenida por ajuste, se obtuvieron los siguientes resultados:LnKexp/T=14,297-7798,5 1/T(r2 =0,9997) (7)H = 15,496 Kcal/mol (8)S = -18,8 ue/mol (9)G = 21.098 Kcal/mol (10)3.2. Efecto del solvente: La influencia de la permitividad relativa ( ) del mediosobre la constante de velocidad de una reacción entre dos iones puede describirse mediante lasiguiente ecuación,En Ec. (11) k y ko representan las constantes de velocidad para un medio de permitividadrelativay uno respectivamente; e es la unidad de carga eléctrica; ZA, ZB y Zson las cargasde los iones y del correspondiente complejo activado; rA, rB, rson los radios de los dos ionesy del complejo activado, respectivamente. Si bien la reacción fue analizada sólo en dossolventes, con los datos obtenidos en etanol y metanol se observa claramente que la constantede velocidad aumenta cuandodisminuye, por lo que la velocidad de reacción se ve favorecida en solventes de baja permitividad relativa. Analizando la Ec. (11) se deduce que {(ZA2/rA) + (ZB2/rB)(Z 2/r )} es una magnitud negativa y asumiendo que los radios de las especies involucradas son iguales, se concluye que (ZA2+ ZB2) < Z2.Estos resultados poseen un fundamento teórico, ya que son apoyados por elmecanismo de reacción propuesto recientemente [2], el cual sugiere que en la etapacontrolante de la velocidad de reacción las especies involucradas son de naturaleza iónica .Obviamente, en la literatura se encuentran numerosos trabajos que habitualmente seusan para introducir los mismos conceptos y que requieren un equipamiento similar a los aquíempleados. No obstante, debe señalarse que los sistemas únicos que por sí solos sean sencillosy de utilidad para la enseñanza simultánea de diversos conceptos cinéticos básicos,particularmente los relacionados con efectos de solventes, son relativamente escasos. Por otraparte, además de las peculiaridades y motivaciones indicadas en la Sección 1. Introducción,el sistema seleccionado presenta una serie de características que permiten la discusión yenriquecimiento de múltiples conocimientos multidisciplinares que incluyen temas de síntesisorgánicas, constantes de ionización ácido-base, el cálculo de probables estructuras de estadosde transición y relaciones entre parámetros biológicos y moleculares de los compuestos, entreotros ejemplos.4. Conclusiones.Los experimentos propuestos son útiles para la enseñanza en el segundo y tercer añoacadémico de carreras relacionadas con Cinética de Reacción, de conceptos tales como ordende reacción, cambios de la velocidad de reacción con la concentración de reactivos, de latemperatura, disolvente, etc. Asimismo, para conocer métodos de análisis de datosexperimentales.Los experimentos elaborados contribuyen a despertar un mayor interés en losestudiantes por el aprendizaje de conceptos y métodos químico físicos prácticos. Estos, son deutilidad en la resolución de problemas aplicados que los futuros profesionales, deberánresolver en el cumplimiento de sus actividades específicas. Adicionalmente, también seconcluye que los experimentos presentados son convenientes para iniciar a los Alumnos en larealización de tareas de investigación vinculadas con la Química en general y conFisicoquímica Orgánica en particular.