Enseñanza de las reacciones de combustión en el contexto de la vida cotidiana

ENSEÑANZA DE LAS REACCIONES DE COMBUSTIÓN EN EL CONTEXTO DE LA VIDA COTIDIANA MÁSTER EN PROFESOR DE EDUCACIÓN SECUNDARIA OBLIGATORIA Y BACHILLERATO, FORMACIÓN PROFESIONAL Y ENSEÑANZA DE IDIOMAS. Especialidad: Física y Química TRABAJO DE FIN DE MÁSTER CURSO 2020/2021 AUTORA: CARLA MARTIN CABALLERO TUTORA: CARMEN LAVIN JULIO 2021 RESUMEN Este Trabajo Fin de Máster recoge una propuesta educativa para la enseñanza de contenidos curriculares de Física y Química, empleando la química en contexto a través del tema de la combustión. Se han diseñado dos propuestas, una para 4º de la ESO y otra para 1º de bachillerato, en las que se incluyen actividades de diferente naturaleza, con el fin de trabajar las competencias clave, obtener los contenidos teóricos del nivel correspondiente y mejorar la motivación del alumnado. Las actividades planteadas se llevarán a cabo empleando materiales y contextos cotidianos. Para ello, se hará uso de elementos familiares para los alumnos y de fácil adquisición, con el principal objetivo de acercar la materia de química a los alumnos, conectándolos con su entorno cercano. ABSTRACT The current Master’s Thesis includes an educational proposal for the teaching of Physics and Chemistry curricular contents using chemistry in context drawing on the subject of combustion. Two proposals have been designed, one for 4th of the secondary school and another for 1st year of high school, which includes activities of a different nature, in order to work on the key competences, provide the theoretical content of the level and improve the motivation of the students. The proposed activities will be carried out using everyday materials and contexts. Elements familiar to students and easily acquired are going to be used, with the sole objective that students feel the subject as something closer and can connect it with their environment. Combustión en contexto CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................... 5 1.1. MOTIVACIÓN ....................................................................................................................................... 6 1.2. OBJETIVOS ............................................................................................................................................ 7 2. CONTEXTUALIZACIÓN. ......................................................................................................................... 9 2.1. JUSTIFICACIÓN DE LA PROPUESTA ........................................................................................... 9 2.2. COMPETENCIAS CLAVE ............................................................................................................... 10 3. MARCO TEÓRICO.................................................................................................................................. 13 3.1. MARCO CTS Y ALFABETIZACIÓN DE LA CIENCIA ............................................................. 13 3.2. ENSEÑANZA EN CONTEXTO: LA QUIMICA COTIDIANA ................................................. 14 4. METODOLOGÍA ..................................................................................................................................... 16 4.1. APRENDIZAJE BASADO EN INDAGACIÓN............................................................................. 16 4.2. APRENDIZAJE BASADO EN EXPERIMENTACIÓN .............................................................. 17 4.3. METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN ............................................................................................ 18 5. PROPUESTA EDUCATIVA .................................................................................................................. 20 5.1. CONTENIDOS DE COMBUSTIÓN PARA 4º DE LA ESO ...................................................... 20 5.1.1. INTRODUCCIÓN: “Combustión en la vida cotidiana” ............................................... 20 5.1.2. EXPERIMENTACIÓN: “Investigación sobre la vela” .................................................. 27 5.1.3. EXPERIMENTACIÓN: “¿Arde el azúcar?” Velocidad y calor de reacción. ......... 33 5.1.4. TRABAJO DE INVESTIGACIÓN: Emisiones de CO2 y cambio climático ............. 37 5.2. CONTENIDOS DE COMBUSTIÓN PARA 1º DE BACHILLERATO ................................... 46 5.2.1. INTRODUCCCIÓN: “La combustión y el nacimiento de la química moderna” 46 5.2.2. EXPERIMENTACIÓN: “Determinación de entalpías de combustión” ................. 48 5.2.3. TRABAJO DE INVESTIGACIÓN: “Energía y emisiones de CO2 a la atmósfera” 54 6. CONCLUSIONES .................................................................................................................................... 61 7. BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................................................... 63 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................................... 63 RECURSOS ELECTRÓNICOS ............................................................................................................... 65 8. ANEXOS .................................................................................................................................................... 67 Combustión en contexto ANEXO 1: TABLA RESUMEN DE CONTENIDOS, EVALUACIÓN Y COMPETENCIAS CLAVE (4° E.S.O.). ............................................................................................................................................. I ANEXO 2: TABLA RESUMEN DE CONTENIDOS, EVALUACIÓN Y COMPETENCIAS CLAVE (1°BACH.). ........................................................................................................................................... II ANEXO 3: RÚBRICAS DE EVALUACIÓN .............................................................................................. III ANEXO 4: NORMAS DE SEGURIDAD EN EL LABORATORIO ...................................................... VI ANEXO 5: CUADERNO DE TRABAJO SOBRE CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA Y HUELLA DE CARBONO ....................................................................................................................................... VIII ANEXO 6: RESUMEN DEL ARTÍCULO “¿Cuánto contamina internet?” ................................ XVI ANEXO 7: LECTURA “La teoría del flogisto” ................................................................................. XVII ANEXO 8: PAUTAS PARA LA REALIZACIÓN DE UNA BÚSQUEDA DE INFORMACIÓN . VIII ANEXO 9: PAUTAS PARA PARTICIPAR EN UN DEBATE ........................................................... XIX Combustión en contexto LISTA DE FIGURAS Figura 1. Triángulo del fuego. ............................................................................................................... 22 Figura 2. Titular de periódico con casos de intoxicación debidos a malas combustiones.) . .......................................................................................................................................................................... 25 Figura 3. Titular de periódico con casos de incendios forestales. .......................................... 26 Figura 4. Titular de periódico con aplicaciones positivas de la combustión. ..................... 26 Figura 5. Materiales cotidianos necesarios para llevar a cabo la experiencia. .................. 29 Figura 6. Visualización del experimento “Investigación sobre la vela”. ............................... 30 Figura 7. Imágenes extraídas de la píldora “La química de las cerillas”. .............................. 31 Figura 8. Mapa conceptual de la introducción a la combustión. .............................................. 32 Figura 9. Visualización del experimento “¿Arde el azúcar?” ..................................................... 35 Figura 10. Gases de efecto invernadero y contribución al calentamiento global. ............ 37 Figura 11. Emisiones de CO2 por habitante ..................................................................................... 40 Figura 12. Absorción de dióxido de carbono en el mundo. ....................................................... 41 Figura 13. Ejemplo de gráfica sobre la variación de las emisiones de CO2 por comunidad autónoma entre 2012 y 2017 generada empleando el EXCEL. ................................................ 42 Figura 14. Secuenciación y división de tareas de la actividad “Contaminación atmosférica” ................................................................................................................................................. 45 Figura 15. Visualización del experimento “Determinación de entalpia de combustión”. . ........................................................................................................................................................................... 50 Figura 16. Pictogramas de peligro del etiquetado del recipiente de etanol. ...................... 50 Figura 17. Desglose del consumo de energía en España 2018.. ............................................... 55 Figura 18. Titular y comparativa sobre el nuevo etiquetado energético. ............................ 56 Figura 19. Secuenciación y división de tareas de la actividad “Energía y emisiones de CO2 a la atmósfera”. ........................................................................................................................................... 59 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Resumen de situaciones cotidianas de combustión y sus reacciones. ................. 24 Tabla 2. Costes estimados de la práctica “Estudio de una vela”. ............................................. 33 Tabla 3. Costes estimados de la práctica “¿Arde el azúcar?” .................................................... 36 Tabla 5. Costes estimados de la práctica “Entalpia de combustión” ...................................... 53 Tabla 6. Huella de carbono producida por fuentes energéticas .............................................. 57 Combustión en contexto LISTA DE ABREVIATURAS CCL Comunicación lingüística CD Competencia digital CEC Conciencia y expresiones culturales CMCT Competencia matemática y competencias básicas en ciencia y tecnología CO2-eq Dióxido de carbono equivalente Cp Calor específico CPAA Aprender a aprender CSC Competencias sociales y cívicas CTS Ciencia, tecnología y sociedad ESO Educación Secundaria Obligatoria GEI Gases de efecto invernadero HC Huella de Carbono IBL Inquiry-based learning J Julio kWh kilowatio-hora L Litro m Masa MITECO Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico PE Pruebas escritas PM Peso molecular Q Calor s Segundo SIE Sentido de la iniciativa y espíritu emprendedor STEM Ciencia, tecnología, ingenierías y matemáticas T Temperatura TIC Tecnologías de la información y la comunicación TLI Tareas de laboratorio o investigación TPA Tareas para el aula TPC Tareas para casa UNFCCC Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático Combustión en contexto INTRODUCCIÓN 5 1. INTRODUCCIÓN “Todos los aspectos del mundo de hoy, incluso la política y las relaciones internacionales, se ven afectados por la química” así decía Linus Pauling eminente ingeniero de procesos y nobel de química en 1954 (Pauling, 1984). Pero ¿continúa estando vigente esta afirmación actualmente? La química ha estado presente en nuestras sociedades desde el principio de la civilización. De manera sucinta, aparece como parte de la vida del hombre prehistórico, el uso primitivo de la teoría de conservación del calor o el concepto de calor específico al calentar piedras e introducirlas en agua para hacerla hervir; la Khemia (Transmutación de la tierra) del antiguo Egipto, donde se desarrollaron multitud de recetas cosméticas a partir de sustancias naturales; sin olvidar las primeras interpretaciones atómicas que hicieron los griegos Leucipo y Demócrito en el siglo IV a.C. hablando de partículas elementales que constituían toda la materia. Varios siglos después, la química y lo cotidiano, mezclado con la magia y la superchería, dieron como resultado la Alquimia (del árabe alkimya). Sin poder aún considerarla una ciencia, la alquimia nos legó una colección de tratados, ensayos y pruebas que serían los cimientos sobre los que asentar los conocimientos posteriores. Y aunque ya en la edad moderna, en el siglo XVI, se contaba con tratados que estudiaban en profundidad diferentes aspectos de la materia (de Re metallica, Novum Lumen Chymicum) no sería hasta la revolución científica del siglo XVIII, de la mano de Lavoisier, que tomaría forma de disciplina científica. La formulación de leyes, teorías atómicas, descubrimiento de elementos y otras revelaciones que tuvieron lugar durante el siglo XVIII hasta finales del XIX constituyeron las bases teóricas; pero para los ciudadanos de a pie, ajenos a los tecnicismos, tuvieron grandes implicaciones que facilitaron sus vidas: Alumbrado público de gas, la cerilla, la anestesia, fertilizantes, etc. Después del siglo XIX, la química acentuó su desarrollo y, en la actualidad, imaginar un día sin química nos llevaría a la falta del plástico presente en un gran número de dispositivos, una merma de los fármacos empleados, desaparición de dispositivos electrónicos y de multitud de combustibles, entre otras ausencias importantes. Combustión en contexto INTRODUCCIÓN 6 Pero, si la presencia de la química en nuestro día a día ha aumentado, por qué al lanzar la pregunta “¿Para qué sirve la Química?” en un aula de secundaria, tal como planteé durante el prácticum, pocos alumnos fueron capaces de dar una respuesta. Esta pregunta sin respuesta esconde un desencanto por las ciencias y su aplicación. Diferentes autores (Solbes et al., 2007; Álvarez Herrero & Valls Bautista, 2019) coinciden en que existe actualmente un desencanto por las ciencias debido a factores como: Una valoración social negativa, debida a las posibles repercusiones peligrosas en la sociedad y el medioambiente; desmotivación; actitud del profesor; sesgo de la relación aprendizaje-género; desconexión del contenido con la realidad, etc. De este modo, se aprecia que no existe una razón única para ello; pero la realidad es que el número de alumnos que deciden dedicarse a titulaciones de tipo STEM (Ciencias, tecnología, ingenierías y matemáticas en inglés) ha sufrido un descenso de las matriculaciones de un 6.1% desde 2013 (La Vanguardia, 2020) 1 . Por último, la enseñanza tradicional de la Física y Química enfrenta a los alumnos contra un muro de operaciones, aspectos cuantitativos y formales, aumentando en muchas ocasiones la imagen preexistente y valoración negativa que estos tienen de las ciencias (asignaturas difíciles, poco interesantes, tediosas, etc.). La metodología tradicional, enraizada en las escuelas, se ha olvidado de otros aspectos más cualitativos y experimentales que permiten aproximarse a problemas más humanos y resolverlos. Aspectos que, según la investigación didáctica (Méndez, 2015), incrementan el interés de los alumnos hacia la materia. Es por ello, por lo que, en el presente trabajo de fin de máster, se presenta una propuesta docente que emplea la química cotidiana para intentar dar solución al problema motivacional y así obtener una mejora del aprendizaje. 1.1. MOTIVACIÓN La elección de la química en contexto como tema a desarrollar para este Trabajo Fin de Máster viene dada por la escasez de respuestas a la pregunta formulada en el prácticum sobre la aplicación de la química y su utilidad. Pues, si bien es cierto que algunos alumnos se aventuraron a ofrecer alguna respuesta, en general, se produjo silencio. Enseñando la química a partir de situaciones cotidianas, se puede conseguir que los alumnos desde una visión local alcancen una visión global que les permita darse cuenta de que la química está presente en multitud de situaciones cotidianas: desde los 1 07 Feb 2020. Las carreras de ciencias se quedan sin alumnos. La Vanguardia. Disponible en: https://www.lavanguardia.com Combustión en contexto MARCO TEÓRICO 13 3. MARCO TEÓRICO 3.1. MARCO CTS Y ALFABETIZACIÓN DE LA CIENCIA El movimiento Ciencia, Tecnología y Sociedad, CTS, surge en los años 80 como una orientación para dar respuesta a la tensa relación que mantenía la sociedad con los cada vez más rápidos avances de la ciencia y la tecnología. Autores como González García, López, Lujan, Martín, Osorio (1996) definen un marco CTS como aquel que aplicado a un ámbito académico muestra aspectos sociales de la ciencia y la tecnología, como cambios, avances y consecuencias. Este movimiento de integración persigue un objetivo final: La alfabetización científica de la población. Esta necesidad fue detectada ya en el siglo XVII por autores como Bacon, pero no fue hasta 1958 cuando Hurd acuñó este término. Desde entonces, dependiendo del autor, las acepciones en torno a la misma han ido variando (Solaz-Portolés & Selfa Marín, 2016), por lo que se plantea un nuevo interrogante: ¿A qué se refiere “alfabetización científica” exactamente? En un mundo en el que los avances científicos y tecnológicos se han convertido en el motor de desarrollo de las sociedades modernas, ganando una relevancia notable en la sociedad, parece fundamental transmitir a la población actual la importancia de obtener una cultura científica que les permita desenvolverse de forma exitosa en una sociedad cada vez más tecnificada y en la que la ciencia forma parte de cuestiones diarias, no sólo a nivel profesional, sino también a nivel social. Por ello Díaz y García (2011), comparan el reto que supuso la alfabetización lingüística en la década de los 50 en España, con la actual misión de alfabetización científica. Esa capacidad de los ciudadanos para comprender el mundo que les rodea y tomar decisiones en base a su conocimiento científico, parecía anteriormente sólo reservada a los científicos; pero ve hoy en día la necesidad de ampliar el término ciencia y hacerlo extensivo a un amplio abanico de situaciones cotidianas. Hurd en la revista Educational Leadership de 1958 (Marco-Stiefel, 2001) hablaba de la necesidad no sólo de enseñar a los alumnos los avances científicos y tecnológicos de la época; sino que resaltaba la importancia de que esos alumnos de secundaria, futuros ciudadanos, adquiriesen la capacidad de seguir aprendiendo. Combustión en contexto MARCO TEÓRICO 14 Y es aquí donde surge la incógnita: ¿Cómo llamar la atención ante una materia tan amplia como es la ciencia?, considerando además que no sólo se dificulta la adquisición de esta por su amplitud; sino también por el uso de un metalenguaje propio y un fuerte efecto Pigmalión negativo que las ha otorgado una fama de severa y complicada, de la que no consiguen desprenderse. 3.2. ENSEÑANZA EN CONTEXTO: LA QUIMICA COTIDIANA Según De Manuel (2004), y debo confesar que mi opinión coincide, nadie aprende lo que no quiere aprender. El interés de los alumnos en muchas ocasiones es insuficiente, ya sea por la poca utilidad que le atribuyen a una materia o por el escaso valor que se le otorga al esfuerzo por aprender. Un incentivo para mejorar el estudio es que los alumnos relacionen los contenidos con algo cotidiano. De este modo, el aprendizaje no se resume en una caterva de información, que en muchos casos se percibe a ojos del alumno como aburrida y de poca utilidad; sino que, los contenidos pueden ser adaptados y contextualizados en un ambiente familiar. La contextualización del aprendizaje, que actualmente está cobrando fuerza como método para la mejora de la motivación de los alumnos, fue descrita inicialmente por Dewey en 1938 (Álvarez Herrero & Valls Bautista, 2019), cuando señaló la necesidad de relacionar la enseñanza con el contexto en el que se encontraban los alumnos, en lugar de definir aprendizajes aislados. Enmarcados en el enfoque CTS y la alfabetización científica, en los últimos años se ha abordado una contextualización desde diferentes perspectivas y por diferentes autores. Pero retomando el tema central de este documento, para De Manuel (2004) la química cotidiana podría definirse como “Fenómenos químicos que resultan familiares a los alumnos o semejantes a otros fenómenos familiares, fácilmente inteligibles y utilizables para el aprendizaje de la química”. Al trabajar con esta química cotidiana en la educación, se debe evitar el error de querer maravillar. La química cotidiana no consta de reacciones espectaculares; sino que, en muchas ocasiones, son reacciones que suceden a diario y han pasado desapercibidas a los ojos de la mayoría de los ciudadanos. Como docentes que emplean este recurso, debemos fomentar el interés para descubrir qué ocurre realmente a nuestro alrededor. Por ello, las actividades que se presentan en un programa de química cotidiana deben cumplir los siguientes requisitos: Combustión en contexto MARCO TEÓRICO 15 a) Ser consecuentes con el contenido del currículo. No se trata de añadir información, sino de ayudar al alumno a construir un aprendizaje significativo a través de un medio conocido. b) Resultar de interés para el alumno. No basta que el alumno esté expuesto a situaciones con las que se pueda relacionar el contenido, sino que las actividades deben buscar temas que puedan resultar un estímulo para el aprendizaje de los alumnos. c) Resultar útiles para el aprendizaje. El alumno tiene que poder ver que lo que aprende es aplicable a la vida ordinaria y le aporta conocimientos para comprender cómo funciona el mundo en el que vive. d) Ser fácilmente realizables. Como se ha señalado, se deben evitar experiencias grandilocuentes o muy complejas de entender o realizar, ya que el fracaso al llevarlas a cabo podría volver a medrar en el interés. Además, se deben tener en cuenta los recursos disponibles en cada centro para generar proyectos factibles. Teniendo en cuenta todas estas características, se debe entender que existen diferentes formas de aplicar la contextualización a la química como, por ejemplo: ▪ Introducir materiales cotidianos en las prácticas de laboratorio ▪ Usar situaciones cotidianas para construir conceptos ▪ Llevar a cabo charlas y encuentros científicos sobre temas de interés ▪ Visitar instalaciones industriales o de investigación presentes en el entorno de los alumnos ▪ Realizar proyectos de iniciación a la investigación, etc. Todas estas actividades generan situaciones de enseñanza de la química en las que se va un paso más allá de la mera presentación de información a los alumnos, generando un escenario novedoso que puede devolver el interés y mejorar el aprendizaje. Combustión en contexto METODOLOGÍA 16 4. METODOLOGÍA A continuación, se describirán las metodologías didácticas en las que se apoya esta propuesta docente. El uso de la química en contexto, explicada en el apartado 3.2 de este documento, es considerada la metodología sobre la que se sustenta esta propuesta; sin embargo, la explicación aislada de situaciones cotidianas no resulta suficiente en un área donde se busca desarrollar no sólo el aprender a conocer, sino también el aprender a hacer. Con este motivo, de manera complementaria a la metodología de aprendizaje en contexto, se plantea el uso de los aprendizajes basados en la indagación y la experimentación. 4.1. APRENDIZAJE BASADO EN INDAGACIÓN El aprendizaje por indagación, también conocido como aprendizaje por investigación o en inglés Inquiry-Based Learning (IBL), está basado en la filosofía de Dewey (1910), quien afirmaba que “la educación comienza con la curiosidad del estudiante”. Muchos autores reclaman la enseñanza de las ciencias mediante la puesta en práctica de las mismas (El saber hacer); ya que consideran que esta metodología de investigación permite a los alumnos construir su propio conocimiento y les ayuda a interiorizarlo mejor (Romero-Ariza, 2017). Una metodología basada en la indagación pretende que el alumno abandone su tradicional papel pasivo, para participar activamente de su aprendizaje. Este cambio se realizará a través de una serie de fases para poder responder a una pregunta inicial lanzada por el profesor. Las fases que se secuencian al emplear metodologías de indagación son las siguientes: a) Focalización: En esta etapa inicial se pretende captar la atención de los estudiantes, tratando de generar motivación, lo que se puede conseguir a partir de un tema que se relacione con el objetivo de la actividad y con sus intereses y necesidades. b) Exploración: Es el momento en que los estudiantes indagan, experimentan, descubren conocimientos para resolver sus dudas y crear nuevos conceptos, formulan hipótesis de trabajo, etc. Combustión en contexto METODOLOGÍA 17 c) Reflexión: Los estudiantes comparan sus predicciones con lo observado u obtenido; discuten los resultados; formulan en equipo posibles explicaciones; registran sus ideas, preguntas, y pensamientos. Comunican sus hallazgos. d) Aplicación: Finalmente, tras las etapas anteriores, se pretende que los alumnos sean capaces de aplicar el conocimiento logrado o reconozcan su aplicación en la vida cotidiana. Esta secuenciación permitirá a los estudiantes desarrollar un sistema de pensamiento que les permita plantearse preguntas, discutir y argumentar ideas, formular hipótesis y hallar posibles respuestas ante situaciones problemáticas. Para este proyecto se ha propuesto una metodología de indagación guiada. Esta metodología es ideal para iniciar a los alumnos en las metodologías científicas o para comenzar a desarrollar el pensamiento crítico. Para su realización, el docente planteará una cuestión, proporcionará información (un marco teórico, antecedentes, etc.) y una serie de puntos de partida que inciten a la reflexión. A medida que los alumnos se familiaricen con esta metodología, lo recomendable es que la participación del docente se reduzca y los alumnos cobren más importancia en la detección del problema y el planteamiento de la pregunta, hasta llegar a poder aplicar lo que se conoce como metodología de indagación abierta. (Arango et al., 2009) 4.2. APRENDIZAJE BASADO EN EXPERIMENTACIÓN “Se han de desarrollar destrezas en el manejo del aparataje científico, pues el trabajo experimental es una de las piedras angulares de la Física y la Química.” Así cita la legislación vigente en Castilla y León que determina el currículo para la asignatura de Física y Química de secundaria y bachillerato. Esta afirmación queda reflejada en el currículo con la inclusión del primer bloque de contenidos, común a todos los niveles, y cuya función es desarrollar en los alumnos capacidades inherentes al método científico. Sin embargo, estos contenidos no tienen un espacio temporal reservado; sino que se desarrollan de forma transversal a lo largo del curso. A pesar de que tradicionalmente las ciencias están asociada al laboratorio, la realidad de la educación de estas disciplinas en secundaria y bachillerato no siempre se corresponde. Es natural pensar que el carácter dual teórico-práctico de la química fomentaría este tipo de experiencias; sin embargo, la realidad es que muchos centros no cuentan con las instalaciones y materiales necesarios, o se conjugan una serie de factores que dificultan su realización (Mengascini & Morgdelia, 2014). Y lo cierto es, que esta actividad inherente a la ciencia ha encontrado dificultades para aplicarse en la educación e incluso su efectividad para mejorar el aprendizaje ha generado controversia entre diferentes autores (Merino & Herrero ,2007) Combustión en contexto METODOLOGÍA 18 Uno de los problemas que se observa durante la enseñanza es que, en ocasiones, los alumnos pretenden emplear fórmulas y ecuaciones como un puzle, sin ser capaces de observar la imagen que se forma, omitiendo el razonamiento necesario para obtener una respuesta y provocando en etapas posteriores problemas de aprendizaje. Por ello, un experimento, por sencillo que parezca, permitirá a los alumnos profundizar en el conocimiento y comprobar que la teoría enseñada se ajusta a una realidad en lugar de un corolario de ecuaciones que aplicar en un orden concreto; sino que deben ser interpretadas porque representan una situación o fenómeno tangible. De este modo, desarrollar trabajo experimental, ya sean experiencias sencillas en casa o en laboratorio, facilitará la adquisición de aprendizaje significativo, pues el estudiante aplicará conocimientos previos a una situación que genera interés por su carácter práctico y novedoso. La realización de la experiencia puede servir para reafirmar conocimientos o para que el alumno entre en conflicto cognitivo consciente y mediante el uso del pensamiento crítico pueda generar conocimiento. Sin embargo, en muchas ocasiones, estas intenciones pasan desapercibidas para el educando, cuya obsesión en un laboratorio es seguir una serie de pasos para obtener una “respuesta correcta”. Por ello, el reto al que los docentes se enfrentan al incluir experiencias de laboratorio en su programación se encuentra en desarrollar el pensamiento crítico del estudiante; con el fin de que este obtenga una herramienta para interpretar la realidad, aprenda a resolver problemas mediante la reflexión y sea capaza de replantearse sus conocimientos previos. 4.3. METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN La evaluación es una actividad necesaria que ofrece posibilidades para fortalecer y consolidar aprendizajes, así como obtener logros de objetivos y propósitos. La evaluación pretende cumplir dos funciones principalmente: Comprobar en qué medida los resultados obtenidos se ajustan a los objetivos y reformular actividades para mejorarlos. En la resolución de las tareas encomendadas, independientemente de que sean tareas para aula (TPA), tareas para casa (TPC), laboratorio o investigación (TLI) o pruebas escritas (PE); se valorará la presentación y el rigor, considerando la limpieza y el orden, la redacción ortográfica, el rigor científico, la forma de presentación de datos, el razonamiento de ejercicios y el resultado de los mismos. La evaluación de los estudiantes debe ser un proceso continuo, que no considerará momentos puntuales, sino que se llevará a cabo a lo largo de todo el curso, considerando Combustión en contexto METODOLOGÍA 19 los avances y/o dificultades de cada alumno. A este fin, para ofrecer una calificación final, se considerará: ▪ Trabajo diario y actividades entregables (10%): Se considerará la resolución de tareas en el aula y actividades en casa cuya corrección se realizará en común en el aula. Esta sección engloba las TPA y TPC. ▪ Trabajo experimental y de investigación (20-30%): La “Física y Química” como ciencia, debe incluir actividades que fomenten el descubrimiento y la investigación. La evaluación de estas actividades incluye valorar cómo el alumno se desenvuelve en la realización de prácticas, trabajos en equipo o elaboración de informes y exposiciones en un plazo de entrega. Esta sección engloba las TLI. ▪ Pruebas escritas (60-70%): Se realizarán pruebas escritas sobre los contenidos explicados en el aula en las distintas unidades didácticas que se abarcan en el trimestre. Estas pruebas incluirán contenidos teóricos y resolución de problemas numéricos similares a los realizados en el aula y los entregados en las series de ejercicios. Esta sección engloba las PE. La variabilidad del peso de cada actividad en una evaluación dependerá de la carga de trabajo que suponga el trabajo experimental y de investigación en la evaluación, siendo determinado al principio de cada trimestre por el docente y comunicado a los alumnos antes de su realización. Combustión en contexto PROPUESTA EDUCATIVA 20 5. PROPUESTA EDUCATIVA A continuación, se presentará la propuesta educativa preparada considerando el conocimiento derivado de la contextualización, que aborda la legislación vigente; el marco teórico, que introduce la necesidad de crear una alfabetización científica; y la definición de la metodología a desarrollar, con la que se establece la química cotidiana como recurso principal sobre el que se articularán otras metodologías. Como se ha señalado anteriormente, se ha preparado una propuesta educativa para el último curso de la educación secundaria y el primero de bachillerato. Ambas propuestas están conformadas por una serie de actividades cuya estructura contará con los siguientes apartados: Breve introducción teórica, descripción actividad, temporalización y metodologías a emplear, detalles sobre la metodología de evaluación seleccionada y, en caso de ser pertinente, se añaden los costes asociados a la actividad. 5.1. CONTENIDOS DE COMBUSTIÓN PARA 4º DE LA ESO Las actividades que se proponen en este apartado han sido diseñadas para tratar el contenido de “Calor de reacción”, “Ecuaciones químicas y su ajuste” y “Descripción de hidrocarburos y aplicaciones de especial interés” del “Bloque 5: Los cambios” de la asignatura de cuarto de la ESO de Física y Química. A continuación, se describen cuatro actividades: Una introductoria, que permitirá sentar las bases de las reacciones de combustión, trabajar las ecuaciones químicas, su ajuste y reacciones de combustión comunes en el entorno de los alumnos; dos actividades de carácter experimental sobre combustión y velocidad de reacción; y, por último, una actividad de investigación centrada en las emisiones de CO2. 5.1.1. INTRODUCCIÓN: “Combustión en la vida cotidiana” Todo lo que nos rodea se encuentra en continuo cambio. Estos cambios pueden deberse a una transformación física o a una transformación química. Esta última, recibe el nombre de reacción química. Una reacción química es la transformación de unas sustancias, reactivos, en otras, productos. Combustión en contexto PROPUESTA EDUCATIVA 21 La reacción de combustión es una de las más utilizadas por el ser humano a lo largo de la historia y de gran importancia actualmente en procesos industriales y en la vida cotidiana. Por ello, esta propuesta se centra en la explicación de una serie de contenidos mediante actividades relacionadas con la combustión. Se define la combustión como la reacción química que tiene lugar entre un combustible, sustancia que arde, y un comburente, mediante la cual se produce un gran desprendimiento de energía en forma de luz y calor de forma rápida. Cuando el compuesto se trata de un hidrocarburo que no contiene impurezas, esta ecuación química puede escribirse como: Hidrocarburo + O2  CO2 + H2O La combustión, de hecho, puede ser definida como una reacción de oxidación en unas condiciones especiales. Ante esta explicación, se debe tener en cuenta que el oxígeno sería el agente oxidante y el otro compuesto el agente reductor. De este modo, se puede definir la combustión como una reacción de oxidación muy rápida. Para caracterizar e identificar una reacción de combustión, se deben identificar las siguientes características: ▪ Requiere la presencia simultánea de combustible, comburente y una fuente de ignición ▪ Es una reacción exotérmica (libera energía) ▪ Genera luz y calor A través del sencillo diagrama conocido como el triángulo del fuego, se pueden resumir los elementos necesarios para que se produzca una combustión: El combustible es cualquier sustancia capaz de arder, pudiendo presentarse estas en estado sólido, líquido o gaseoso. Para que se produzca la combustión estas sustancias deben alcanzar, al menos, su temperatura de ignición característica de cada una de ellas. Algunos ejemplos representativos de combustibles son: Carbón, gasolina, gas natural, alcoholes, butano o aceite. El comburente, que será normalmente oxígeno, es el componente oxidante. El calor o energía de activación es la energía que es necesario aportar para que la reacción entre combustible y comburente comience. Puede ser, entre otros, una llama, una superficie caliente o el calor producido por fricción. Esta relación entre los elementos necesarios para que se produzca la combustión se ha reflejado en el sencillo diagrama triangular, cuyos lados representan cada uno de Combustible Comburente Combustión en contexto PROPUESTA EDUCATIVA 22 los elementos necesarios para que se produzca la combustión. A continuación, se muestra un diagrama con el triángulo del fuego: Figura 1. Triángulo del fuego. Si faltase cualquiera de los elementos de los lados del triángulo, el fuego no se produciría o, en caso de ya haberse producido, se extinguiría. Una vez producido el fuego, se debe tratar con el tetraedro del fuego, que considera la reacción en cadena como un elemento de propagación del fuego. Conocer este triángulo y las sustancias que lo forman nos permite prevenir o atacar el fuego; por lo que resulta fundamental en los estudios de seguridad. La combustión es una reacción cotidiana que pasa desapercibida en muchas ocasiones. Por ello, se propone esta actividad que pretende ayudar a los alumnos a identificar reacciones de combustión presentes en su entorno como, por ejemplo: ▪ Encendido de una estufa ▪ Funcionamiento de una caldera de butano ▪ Quema de cerillas ▪ Motores de combustión ▪ Incendios forestales (igual que fogatas u hornos de leña) ▪ Fuegos artificiales Además de las situaciones donde se producen reacciones de combustión, la seguridad es un punto clave. Por lo que, se puede aprovechar la sesión para introducir ciertos conceptos de seguridad como, el triángulo del fuego y herramientas para extinguir incendios y protocolos a seguir durante un incendio. Los principales objetivos que persigue esta actividad son que los alumnos sean capaces de distinguir reactivos y productos, identificar y definir reacciones de combustión y dar ejemplos presentes en su vida cotidiana, así como identificar hidrocarburos sencillos y conocer fórmulas químicas de algunos combustibles comunes. Combustión en contexto PROPUESTA EDUCATIVA 29 CUESTIONES 1. Completa la siguiente tabla: Recipiente Cambios observados Tiempo de extinción 1 L Vaso 2. En la combustión de la vela, identifica el combustible y el comburente. 3. Teniendo en cuenta que combustible y comburente se encuentran en contacto en todo momento, ¿por qué no comienza la combustión? ¿Qué es necesario para qué comience la combustión? 4. ¿Por qué existen diferencias en el tiempo que tarda en apagarse la vela en cada recipiente? 5. Si se realiza un agujero en alguno de los recipientes empleados, ¿qué sucederá? 6. En esta experiencia has podido ver otra combustión, ¿sabrías indicar cuál? 7. Para finalizar completa la siguiente tabla con todas las combustiones que hayan tenido lugar durante el experimento: Combustible Comburente Fuente de ignición Tiempo de extinción Esta actividad será llevada a cabo en el laboratorio del centro, dividiendo a los alumnos en parejas para su realización. A continuación, en la figura 5, se muestran los materiales cotidianos que han sido empleados para llevar a cabo la práctica: Figura 5. Materiales cotidianos necesarios para llevar a cabo la experiencia. (Elaboración propia). Combustión en contexto PROPUESTA EDUCATIVA 30 Los alumnos seguirán el guion anteriormente mostrado, tomando nota del comportamiento de la llama de la vela al taparla y midiendo los tiempos hasta su extinción. A partir del comportamiento observado, deberán responder a las cuestiones propuestas. Durante el paso 3 de este experimento, se enciende una cerilla y, sobre esto, se pregunta en las dos últimas cuestiones planteadas. Es posible que los alumnos identifiquen la combustión de la vela; sin embargo, es menos probable que conozcan las reacciones que tienen lugar. (a) (b) Figura 6. Visualización del experimento “Investigación sobre la vela”. (a) Encendido de la vela usando una cerilla. (b) Extinción de la llama de la vela por falta de oxígeno. (Elaboración propia). Esta es una buena oportunidad para mostrar que la combustión es un proceso que no sólo tiene lugar con reactivos de naturaleza orgánica (Ya que, en la sesión anterior, tras comentar la tabla 1 y realizar los ajustes de reacciones, pudiera parecer así). Para romper con este posible concepto erróneo, se señalará que existen reacciones con compuestos inorgánicos que producen reacciones exotérmicas, con presencia de luz o fuego y que dan lugar a otros productos que no son dióxido de carbono y agua. Para ello, se ha preparado una píldora educativa de 4 minutos sobre las cerillas, que se visualizará en el aula, para que así los alumnos puedan completar las preguntas sobre combustiones con comburentes inorgánicos. La píldora ha sido realizada y se encuentra disponible para su visualización en la documentación adjunta. La cerilla, un objeto cotidiano disponible en muchos hogares, resulta en muchos casos un objeto desconocido para los alumnos, más acostumbrados a los mecheros. Se comienza con una breve introducción histórica sobre el origen del fuego y cómo, por casualidad, se descubren las cerillas. Todos los alumnos conocen su función, pero pocos podrán indicar que la inflamabilidad de la cerilla se produce debido al fósforo y la Combustión en contexto PROPUESTA EDUCATIVA 31 fricción. Por ello, antes de abordar las reacciones que tienen lugar durante la combustión de una cerilla, se les explica los diferentes compuestos químicos que conforman la cerilla y algunas curiosidades. Por último, se hace una breve mención a las reacciones que tienen lugar durante la combustión al encender una cerilla. En la figura 7 se pueden ver algunas capturas de la píldora sobre las cerillas: Figura 7. Imágenes extraídas de la píldora “La química de las cerillas”. (Elaboración propia). Además, para mostrar que no se trata de un caso singular, a continuación, se visualizará el video “Combustión de magnesio (RedOx)” 5 . En este video se muestra la combustión de magnesio, sustancia que al entrar en combustión provoca un intenso destello blanco y que fue empleada para lograr el efecto de flash en las cámaras fotográficas antiguas. En el video se muestra la reacción y se comentan algunos usos del producto resultante. Para finalizar la clase se recomienda hacer una síntesis resaltando los conceptos y contenidos más importantes trabajados en la sesión. Se puede emplear para ello un mapa conceptual como el mostrado en la figura 8. Con este mapa conceptual se pretende reforzar los conocimientos ya definidos, organizar la información dada en la introducción, de manera clara, e intentar facilitar el aprendizaje. 5 MiCiencia. (24 Feb 2018). Combustión del magnesio (Redox). Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=cN48JrWVptU Combustión en contexto PROPUESTA EDUCATIVA 32 Figura 8. Mapa conceptual de la introducción a la combustión. Este mapa será realizado en la pizarra, para que los alumnos entiendan el procedimiento para construir un mapa mental y así, en un futuro, puedan ellos mismos llegar a desarrollar sus propios mapas conceptuales, contribuyendo así a obtener herramientas que les permiten desarrollar su capacidad de aprender a aprender. SECUENCIACIÓN Y METODOLOGIA Esta actividad será llevada a cabo durante una sesión del aula. Debido a la simplicidad de la experiencia, se necesitan para su realización un tiempo aproximado de 5 minutos; sin embargo, la resolución de las cuestiones requiere algo más de tiempo, pues se pretende que los alumnos de manera autónoma, tras la observación, puedan realizar un análisis y contestar a las preguntas. Por ello se dedicarán 10-15 minutos para la resolución de cuestiones. La visualización de los videos requerirá de 15 minutos de la sesión, que se emplearán en la visualización y comentario de estos. Por último, la realización del mapa conceptual se estima en otros 10 minutos. La metodología a emplear seguirá en consonancia con la empleada en la sesión anterior: Aprendizaje por descubrimiento guiado. EVALUACIÓN La evaluación de esta actividad se llevará a cabo principalmente a través de la observación de los alumnos, su comportamiento y sus aportaciones durante la sesión. Se pedirá que, al finalizar la sesión, los alumnos entreguen la hoja del guion con las cuestiones y sus respuestas. Se evaluará, por lo tanto, dentro de las TPA de trabajo diario. Combustión en contexto PROPUESTA EDUCATIVA 33 COSTES ESTIMADOS A continuación, en la tabla 2 se desglosa un posible presupuesto para llevar a cabo la experiencia con materiales cotidianos. Tabla 2. Costes estimados de la práctica “Estudio de una vela”. Equivalente/Sustituto Coste, € Velas 1,50 Cerillas 0,97 Total 2,99 Como puede observarse en la tabla anterior, el coste económico de la realización de la práctica con materiales cotidianos es bajo, lo que permite la realización de experiencias sencillas que introduzcan a los alumnos en la utilización del método científico. 5.1.3. EXPERIMENTACIÓN: “¿Arde el azúcar?” Velocidad y calor de reacción. Una vez que el alumno ha sido introducido el tema de la reacción química, ha repasado los conceptos de reacción química, reactivos, productos y ecuación química en el aula; se puede abordar la cuestión de la cinética química. Si bien es cierto, que en los de 3º y 4º de la ESO, la velocidad de reacción se aborda de manera cualitativa, la realización de esta experiencia puede adaptarse a varios niveles mediante la realización de un cuestionario en función de si se trata de una actividad para uno u otro curso de secundaria. En estos cursos la velocidad de reacción es definida como la rapidez con la que los reactivos desaparecen y se forman productos. De este modo, se puede medir la desaparición y formación de sustancias frente a una unidad de tiempo. En unidades del SI la velocidad de reacción se medirá en [mol L-1 s-1]. De acuerdo con el currículo, desde 3º de la ESO, a la vez que se explica de manera básica una teoría de reacción, se introducen los factores que influyen en la velocidad de reacción. Estos factores son: La concentración de reactivos, el estado de agregación, la temperatura, el grado de división en el caso de reactivos sólidos y la presencia de catalizadores. Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de la reacción sin ser consumida durante el proceso; de manera análoga, se pueden definir los inhibidores, que son sustancias que disminuyen la velocidad de reacción sin consumirse en el proceso. Los mecanismos por los que actúa un catalizador son muy variados y requieren de una comprensión más profunda de la materia de la que se puede ofrecer a alumnos de secundaria y bachillerato. Sea cual sea el mecanismo de reacción, el catalizador creará Combustión en contexto PROPUESTA EDUCATIVA 34 una nueva ruta de reacción que tendrá una menor energía de activación, que es la energía mínima que necesita un sistema para que se produzca la reacción. El objetivo principal de esta actividad es que los alumnos justifiquen de manera experimental el efecto que tiene un catalizador en la velocidad de reacción. Además, se comprobará que el alumno es capaz de realizar cálculos estequiométricos y ajustar la ecuación química correspondiente. Por último, se pretende que los alumnos desarrollen curiosidad por lo que les rodea y que comprueben que la experimentación puede realizarse con elementos sencillos. Como se ha comentado con anterioridad, el uso de actividades novedosas y que incluyan un papel más activo de la participación del alumno, repercuten en una mejora de la motivación hacia la asignatura, aunque se trate de una experiencia sencilla. DESCRIPCIÓN DE LA ACTIVIDAD En esta actividad los alumnos comprobarán el efecto de un catalizador en la velocidad de reacción mediante la realización de una experiencia sencilla. Para su ejecución se emplearán elementos que pueden adquirirse con facilidad y que son de uso cotidiano en la mayoría de los casos. Se necesitará azúcar, nombre común con el que se conoce a la sacarosa (C12H22O11). Este disacárido es el edulcorante más empleado a nivel mundial, por lo que se encuentra disponible en muchos hogares y, en caso de no disponer de él, se encuentra fácilmente disponible en cualquier supermercado. Para la realización de la práctica se recomienda disponer de él en terrones. Se precisará además de un mechero de cocina, que actuará como fuente de calor para que se produzca la combustión y se requerirán del uso de cenizas que actúen como catalizador. La naturaleza de este catalizador ha sido ampliamente discutida, sin encontrar una respuesta definitiva sobre el mecanismo por el cual disminuye la energía de activación de la reacción. Una de las opciones más aceptadas es que debido a la presencia de alkalis en las cenizas (óxidos de distintos metales), estas actúan catalizando la reacción (Doty,1964; Römpp & Raaf, 1941) y disminuyen la energía de activación de la misma. A fin de que los alumnos puedan comprobar el efecto de un catalizador, tomarán un terrón de azúcar e intentarán hacerlo arder con el mechero. Al aplicar la llama del mechero, observarán como el azúcar en lugar de arder se derrite, descomponiéndose el azúcar inicialmente en sus monosacáridos y posteriormente produciéndose la “caramelización” por la que se obtienen otras sustancias, como el maltol responsable del “olor a caramelo”. A continuación, quemarán un papel para obtener cenizas. Se ha comprobado que el experimento funciona mejor con las cenizas obtenidas de un cigarrillo, aunque las cenizas de cualquier papel deberían obtener el efecto catalizador. Combustión en contexto PROPUESTA EDUCATIVA 35 Una vez obtenidas las cenizas, se manchará el terrón de azúcar con ellas y se aplicará de nuevo la llama sobre él y se comprobará qué ocurre en esta ocasión. (a) (b) Figura 9. Visualización del experimento “¿Arde el azúcar?” a) Caramelo formado al aplicar calor al terrón de azúcar. b) Azúcar ardiendo al emplear cenizas como catalizador. (Elaboración propia). Tras la realización de la experiencia, los alumnos deberán llevar a cabo un breve informe donde se indique el procedimiento que han seguido y los materiales empleados, acompañándolo de algún documento gráfico que muestre el desarrollo de la práctica (fotos de los experimentos similares a las mostradas en la figura 9) y que incluya la respuesta a las cuestiones planteadas a continuación: CUESTIONES 1. ¿Qué es una reacción de combustión? Señala qué elementos son necesarios para la combustión e indica para el caso de la experiencia, a qué sustancias u objetos corresponden. 2. ¿Qué reacción de combustión tiene lugar con el azúcar? Escribe la reacción y ajústala. 3. ¿Qué ocurrirá al aplicar una llama sobre el azúcar? ¿Y al manchar el terrón con las cenizas? Anota tus hipótesis. 4. Al calentar el azúcar, ¿se ha producido una reacción de combustión? ¿Por qué? 5. ¿Qué son las cenizas? 6. Las reacciones que tienen lugar, ¿son endotérmicas o exotérmicas? 7. ¿Cuántos gramos de dióxido de carbono se producen de la combustión completa de 405 g de azúcar (sacarosa)? ¿Cuántos litros de agua se obtienen en el proceso? DATOS: Densidad agua 103 kg/m3 PM (C: 12 g/mol; O: 16 g/mol; H: 1 g/mol). SECUENCIACIÓN Y METODOLOGIA Esta experiencia ha sido designada como TPC debido a su simplicidad. El tiempo estimado para su realización completa, no debería superar la hora de trabajo. Combustión en contexto PROPUESTA EDUCATIVA 36 La metodología que se emplea en esta actividad es la propia de una clase invertida: Se le propone al alumno una experiencia sencilla que puede despertar su interés Antes de la explicación, a fin de que el alumno construya su propio conocimiento, realizará la práctica en su casa y buscará respuesta a las cuestiones planteadas. La clase comenzará con la explicación teórica de los factores que afectan a la velocidad de reacción y los resultados de la tarea serán comentados a continuación. EVALUACIÓN Esta actividad será propuesta como una tarea sencilla para llevar a cabo en casa. Debido a su simplicidad será considerada como una de las actividades complementarias de la evaluación y por tanto su valor representará, junto con otras actividades, entre el 20% y el 30% de la nota final. Para la evaluación de esta tarea se empleará una lista de cotejo. Las listas de cotejo sirven como elemento de evaluación a fin de planificar intervenciones o mejorar una propuesta educativa. A fin de evaluar la comprensión del alumnado del contenido teórico y su desempeño en la experiencia propuesta, se empleará una lista de cotejo. Las listas de cotejo sirven para identificar una serie de ítems que expresan conductas o acciones que permiten llevar a cabo una actividad con eficacia y permiten al docente observar con claridad que estos criterios se han cumplido. Para esta actividad se ha diseñado la lista de cotejo mostrada a continuación: Curso: 4º de ESO Habilidad: Experimental-deductiva Indicador de logro: Realización del experimento, relación de contenidos teóricos, realización del problema con herramientas acordes al nivel. Criterios de evaluación Sí No Realiza el experimento de manera adecuada (1 punto) Relaciona el contenido teórico con los resultados obtenidos (1 punto) Fundamenta sus conclusiones (2 puntos) Presenta el informe con orden y claridad (1 punto) Ajusta las reacciones correctamente (2 puntos) Cambia correctamente las unidades (2 puntos) Emplea factores de conversión (1 punto) Total COSTES ESTIMADOS A continuación, se desglosa un posible presupuesto para llevarla cabo de forma casera y con materiales cotidianos. El uso de materiales cotidianos minimiza los costes de la realización de la práctica sin perder calidad en el aprendizaje de contenidos. Tabla 3. Costes estimados de la práctica “¿Arde el azúcar?” Equivalente/Sustituto Coste, € Mechero de cocina 1,50 Terrones de azúcar (144 u) 1,49 Total 2,99 Combustión en contexto PROPUESTA EDUCATIVA 37 5.1.4. TRABAJO DE INVESTIGACIÓN: Emisiones de CO2 y cambio climático Se define el cambio climático como la variación global del clima de la Tierra, ya sea debida a causas naturales o a la acción del hombre. El cambio climático es un fenómeno que se ha producido con anterioridad de manera natural; sin embargo, la presencia humana y sus actividades han provocado un calentamiento global acelerado que está repercutiendo al planeta. Las consecuencias de este cambio climático no son sólo medioambientales, sino que también sociales y económicas. El efecto invernadero es un proceso natural que permite la subida de la temperatura de la atmósfera gracias a la presencia de determinados gases, que son conocidos como gases de efecto invernadero, GEI. Estos gases son capaces de absorber la radiación infrarroja emitida por la superficie terrestre, impidiendo que esta abandone la atmósfera y contribuyendo a su calentamiento. El efecto invernadero, asociado a una connotación completamente negativa en muchos casos, facilita la vida en la atmósfera terrestre, ya que, si no se produjese, la temperatura en la superficie terrestre no superaría los -18 °C, en lugar de la media actual de 15 °C. En la figura 10 se muestran los GEI que más contribuyen al calentamiento global. El CO2 es el principal causante de este fenómeno, pero también deben tenerse en cuenta el metano, tanto de producción natural como artificial; óxido nitroso, provocado principalmente por el uso masivo de fertilizantes; y halogenocarbonados, presentes en pequeñas cantidades, pero con una acción muy potente sobre el efecto invernadero. Figura 10. Gases de efecto invernadero y contribución al calentamiento global. (Datos obtenidos de UNFCCC 2017. Elaboración propia). Como se acaba de señalar, de entre los GEI, el dióxido de carbono es el que más contribuye al calentamiento global y debido a esto, para estandarizar cuánto contribuye cada gas a este calentamiento se ha establecido como unidad de medida el CO2 equivalente, CO2-eq. Mediante el uso de esta medida de CO2-eq se determina la huella de carbono de compañías, productos, eventos, países e individuos. La huella de carbono, HC, es un indicador ambiental que representa la totalidad de los GEI emitidos, tanto por efecto 81% 2% 12% 5% Contribución de los GEI al calentamiento global Dióxido de carbono Halogenocarbonados Metano Óxido nitroso Combustión en contexto PROPUESTA EDUCATIVA 38 directo (primarios) como indirecto (secundarios); de modo que se puede medir el efecto que distintas actividades tienen en el medio ambiente. A pesar de que este cambio climático afecta de manera global al planeta, no se aprecia de igual manera en todas las regiones. España, por sus características particulares (multitud de climas, variedad de ecosistemas, zonas en riesgo de desertización o singularidades económicas) es una región especialmente vulnerable, que se analizará en esta actividad. El objetivo principal de esta actividad es que los alumnos tomen conciencia de las implicaciones de sus actividades en la producción de CO2 y comprendan la importancia de generar un sistema de producción y consumo sostenible. Esta actividad les permitirá mejorar sus conocimientos sobre el uso de las TICs y la búsqueda de información. Además de familiarizarse con el uso de herramientas para el tratamiento de datos y su representación. DESCRIPCIÓN DE LA ACTIVIDAD Esta actividad está planteada para llevarse a cabo en varias sesiones, tanto en el aula como en una sala de ordenadores, ya que los alumnos trabajarán mediante el uso de las TICs el cambio climático, centrándose en la producción de dióxido de carbono y la huella de carbono. La actividad será dividida en varias tareas, que los alumnos realizarán de manera individual inicialmente (búsqueda de información), un trabajo por parejas en el aula de informática (cuadernillo y cálculo de huella de carbono) y que finalizará con un trabajo en grupo de exposición (mural y exposición). La primera tarea consistirá en la recopilación de información de sus hábitos de consumo y datos sobre las emisiones de CO2. Los alumnos serán avisados varias sesiones antes de llevar a cabo la tarea (2 o 3 sesiones antes), para que dispongan del tiempo necesario para investigar sobre sus datos de consumo. Esta información les permitirá calcular en el aula de informática la huella de carbono de cada estudiante. Para ello recopilarán información sobre su consumo eléctrico, fuentes de energía, tipo de vehículo que emplean sus familias, etc. El manejo de las tecnologías y el desarrollo de criterios de selección a través del pensamiento crítico son competencias claves que el alumno debe desarrollar; por ello, para ayudar a los alumnos a fomentar buenas prácticas de búsqueda, se han elaborado una serie de consejos para lograr una buena documentación. Estos consejos están incluidos en el anexo 5, donde se dan indicaciones sobre la importancia de seleccionar un buen buscador, aplicar filtros para mejorar la búsqueda, contrastar la información que se encuentra y ser selectivos con ella. Combustión en contexto PROPUESTA EDUCATIVA 45 Figura 14. Secuenciación y división de tareas de la actividad “Contaminación atmosférica” La metodología seguida en todo momento en esta actividad de la indagación guiada. Se pretende que los estudiantes participen de manera activa en su aprendizaje y, a partir de la información obtenida, reflexionen sobre la experiencia. Este proceso se lleva a cabo de manera secuencial: Focalización, Exploración, Reflexión y Aplicación. EVALUACIÓN Para la evaluación de la actividad se pedirá a los alumnos que entreguen el cuadernillo de actividades sobre el que se ha trabajado durante las sesiones de trabajo. Además, se considerará el mural y la exposición que realizarán al finalizar la actividad. La valoración de esta actividad se llevará a cabo mediante el uso de rúbricas. La rúbrica es una herramienta para facilitar la evaluación de una actividad que se ha de emplear cuando no sólo se quieran evaluar los contenidos teóricos de una materia; sino también dar cierto valor a otros factores que puedan influir en el aprendizaje, como pueden ser el trabajo en equipo o la capacidad argumentativa del alumno. Se diseña para esta actividad una rúbrica, que hace referencia a la exposición oral apoyada en una herramienta visual (en este caso un mural). Se presenta una rúbrica preparada con cuatro niveles, a saber: Desempeño inadecuado, suficiente, alto y excelente. Cada nivel superado otorgará al alumno 2,5 puntos, siendo la puntuación disponible entre 2,5 y 10 puntos. Cada indicador será evaluado de forma individual para cada alumno mediante la observación en el laboratorio y la corrección del guion de prácticas presentado por el alumno. De este modo, se calculará la nota media global considerando el desempeño del alumno en cada uno de los indicadores. Para considerar que se ha aprobado la actividad, se deberá obtener al menos 5 puntos en la nota global. La rúbrica se encuentra disponible en el Anexo 3 en la tabla 3.2 Combustión en contexto PROPUESTA EDUCATIVA 46 5.2. CONTENIDOS DE COMBUSTIÓN PARA 1º DE BACHILLERATO El alumno de primero de bachillerato ya está familiarizado con el concepto de la combustión. Como se ha observado anteriormente, el concepto de combustión ya ha sido introducido en 3º y explicado en 4º de la ESO. A pesar de ello, se dedicará una primera sesión a repasar las nociones fundamentales de la combustión. Estos conceptos aparecen detallados en este mismo documento en el apartado “5.1.1. INTRODUCCIÓN: Combustión en la vida cotidiana” para 4º de la ESO Las actividades que se proponen en este apartado han sido diseñadas para tratar el contenido de “Reacción química”, “Ecuaciones químicas y su ajuste”, “Reactivo limitante y rendimiento” del “Bloque 3: Reacciones químicas” y “Calor de reacción” y “Reacciones de combustión, medioambiente, desarrollo y sostenibilidad” del “Bloque 4: Transformaciones energéticas” de la asignatura de primero de bachillerato de Física y Química. A continuación, siguiendo una estructura similar a la presenta en el caso de 4º de la ESO, se describen tres actividades: Una introductoria, que a través de un texto y sus actividades permitirá a los alumnos recordar conceptos ya explicados con anterioridad y relacionará la combustión con diferentes hitos de la humanidad; la segunda consistirá en una experiencia de laboratorio que permitirá a los alumnos ampliar conocimientos sobre calor de reacción y sumergirse en la metodología científica; y la última actividad, llevada a cabo como un trabajo de investigación, hará que los alumnos indaguen no sólo en las reacciones de combustión que tienen lugar para obtener energía, sino que también dará una visión global de alternativas energéticas a través de exposiciones en el aula. 5.2.1. INTRODUCCCIÓN: “La combustión y el nacimiento de la química moderna” La ciencia es una creación humana que sirve a los hombres para explicar fenómenos reales de manera lógica, mediante la aplicación de leyes generales aplicables en determinadas circunstancias. Como resultado del pensamiento humano, se trata de una disciplina limitada a la amplitud de la visión de los individuos y la sociedad y, por lo tanto, no está libre de errores que se van modificando con el tiempo al surgir nuevas preguntas o replanteamientos. Algunos ejemplos de esta volatilidad científica se encuentran en las teorías de Copérnico, la evolución de teorías atómicas o la propia interpretación de la mecánica. Lo primero que se pretende al introducir el tema es que los alumnos cobren conciencia de lo extendido que está el uso de las reacciones de combustión. Sin abandonar la química del entorno que conoce el alumno, las reacciones de combustión se encuentran presentes en multitud de procesos, tal como se pudo observar en la “Tabla 1 Resumen de situaciones cotidianas de combustión y sus reacciones", incluida en la propuesta para 4º de la ESO. Combustión en contexto PROPUESTA EDUCATIVA 47 En esta actividad introductoria se trabajará la volatilidad de la ciencia y su evolución a través de un concepto relacionado con la combustión. Para ello se ha seleccionado un texto que introduce a los alumnos en el tema de la combustión mediante la lectura “La teoría del flogisto”, disponible en el Anexo 8 de este documento. Posteriormente en el aula en la primera sesión, se trabajarán los elementos de la combustión y ejemplos cotidianos de reacciones, así como el ajuste de reacciones cotidianas a través de problemas. Los objetivos que se persiguen en esta tarea son: Comprender que las ciencias, como la física y la química, están sujetas a cambios; diferenciar entre teoría y ley; identificar los elementos que participan de la combustión y mejorar la capacidad de los alumnos para analizar textos y extraer información de carácter científico. DESCRIPCIÓN DE LA ACTIVIDAD Esta tarea consistirá en la lectura del texto “La teoría del flogisto” y la resolución posterior de una serie de cuestiones sobre él. El texto se presenta como una ampliación del bloque de reacción, que puede servir a los alumnos para analizar la mutabilidad de la ciencia y cómo los conceptos científicos se encuentran en continuo cambio y evolución gracias al espíritu crítico. Las preguntas incluidas tras la lectura pretenden, no sólo medir la comprensión del texto del alumno, sino también impulsar la curiosidad y fomentar la actitud crítica respecto al contenido. Las cuestiones propuestas son: CUESTIONES 1. ¿Por qué fue tan importante la teoría del flogisto? 2. ¿Cuál es la aportación de Lavoisier en la teoría de la combustión? 3. Indica de forma esquemática cómo sería la oxidación del magnesio según la teoría del flogisto, según Lavoisier y según una reacción actual 4. ¿Por qué se considera a Lavoisier el padre de la química moderna? SECUENCIACIÓN Y METODOLOGIA Esta primera tarea de introducción, consistente en una breve lectura y la resolución de unas cuestiones, está pensada para ser llevada a cabo como TPC. Esta actividad será corregida en la siguiente sesión en el aula. EVALUACIÓN Esta actividad será propuesta como una tarea sencilla para llevar a cabo en casa, TPC. Debido a su simplicidad será considerada como una de las actividades complementarias de la evaluación y por tanto su valor representará, junto con otras actividades, el 10% de la nota final. Combustión en contexto PROPUESTA EDUCATIVA 48 5.2.2. EXPERIMENTACIÓN: “Determinación de entalpías de combustión” La rama de la Química que estudia las manifestaciones de la energía en forma de calor que se producen cuando tienen lugar reacciones químicas se denomina Termoquímica. Las reacciones químicas producen siempre un intercambio de energía al que se denomina calor de reacción. Cuando tiene lugar la reacción y se desprende energía, se trata de una reacción exotérmica y, si se requiere un aporte de energía para que la reacción tenga lugar, de una reacción endotérmica. Las reacciones de combustión, tema vehicular de este documento, pertenecen siempre al grupo de reacciones exotérmicas. La cantidad de calor que se desprende en una reacción depende de las condiciones de presión y volumen en las que tiene lugar la reacción, la cantidad de materia involucrada, el estado de agregación de las sustancias y la temperatura a la que tiene lugar la reacción. Cuando una reacción tiene lugar a presión constante, el calor intercambiado en el proceso es igual a la variación de entalpía, ΔH, que acompaña a la reacción. Esta variación de entalpía, calculada como entalpía de productos menos entalpía de reactivos, se conoce habitualmente como entalpía de reacción y se puede determinar experimentalmente o calcular a partir de datos de entalpía de formación tomados de tablas termodinámicas. El calor desprendido en la reacción será característico de cada combustible y su cálculo por unidad de masa servirá para comparar la eficiencia de unos combustibles con otros. Iguales masas de distintos combustibles desprenderán diferentes cantidades de calor, Q. En la experiencia que se va a realizar, se calentará una cantidad determinada de agua empleando un mechero de etanol y después un mechero de butano. Si se asume que el calor desprendido será completamente absorbido por el agua, este calor puede ser determinado teniendo en cuenta que: Q desprendido + Q absorbido = 0 Y si se asume que la reacción tiene lugar a presión constante, el calor desprendido corresponde con la entalpía de combustión. Por lo que el calor absorbido puede expresarse de manera simplificada como: Q absorbido = m Cp ΔT Donde m es la masa del agua medida en kg, Cp el calor específico del agua (4.187 kJ kg-1 °C-1) y ΔT es el incremento de temperatura medido en el agua en °C. Combustión en contexto PROPUESTA EDUCATIVA 49 Tras explicar estos contenidos en el aula, y realizar ejercicios que permitan a los alumnos familiarizarse con ellos, se procederá a la realización de una experiencia de laboratorio que permita determinar calores de combustión y profundizar en su comparación. El objetivo de esta actividad es que los alumnos se familiaricen con una metodología experimental y sencilla para determinar calores de reacción de un alcohol y de un hidrocarburo. Debido a las condiciones en que tiene lugar la experiencia, se incluyen errores, por lo que esta experiencia permitirá también considerar y comparar los valores obtenidos con valores tabulados de entalpía de combustión. Por último, dada la utilización de estas sustancias como combustibles en las últimas décadas, resulta interesante para que los alumnos sean capaces de comparar la eficacia y la sostenibilidad de estas sustancias. DESCRIPCIÓN DE LA ACTIVIDAD Antes de entrar al laboratorio para realizar esta experiencia, los alumnos habrán recibido una explicación teórica sobre la energía de reacción y la entalpía, haciendo especial hincapié en la diferenciación de las reacciones dependiendo si estas desprenden energía o requieren de un aporte de energía. La realización de esta práctica será llevada a cabo en el laboratorio. Para medir la entalpía de combustión es necesario suponer que la reacción se produce a presión constante y que el calor desprendido en la combustión es totalmente absorbido por el agua. El experimento mostrado en la figura 14, ha sido realizado en casa con materiales cotidianos; sin embargo, por seguridad, dado que se trabajará con sustancias inflamables y con materiales que pueden causar quemaduras, se recomienda la realización de esta práctica en el centro. Combustión en contexto PROPUESTA EDUCATIVA 50 Figura 15. Visualización del experimento “Determinación de entalpia de combustión”. (a) Materiales. (b) y (c) Montaje experimental casero para la comprobación de la experiencia. (Elaboración propia). En primer lugar, se dividirán los alumnos en parejas y recibirán información sobre la seguridad en el laboratorio, disponible en el Anexo 4 “Normas de seguridad en el laboratorio”, haciendo hincapié en el etiquetado de las sustancias químicas peligrosas. Los riesgos que implica el uso de un producto vendrán determinados por los pictogramas de seguridad que se identifican en el etiquetado de su recipiente. Estos pictogramas proporcionan una percepción instantánea del tipo de peligro que conlleva el uso, manipulación, almacenamiento o transporte de un compuesto químico. En las normas proporcionadas, aparecen los pictogramas más comunes, así como su descripción. En el caso del etanol, los pictogramas que aparecen en su botella se muestran en la figura 16. Indicando la peligrosidad por inflamabilidad y otros posibles riesgos, como pueden ser irritación en ojos, garganta y nariz y piel, alergias cutáneas o somnolencia. Figura 16. Pictogramas de peligro del etiquetado del recipiente de etanol. Para la realización de la práctica, se dotará a los alumnos de un cuaderno de prácticas basado en el siguiente guion, en el que se incluyen los objetivos de la práctica, materiales necesarios, un procedimiento detallado y una serie de cuestiones. Combustión en contexto PROPUESTA EDUCATIVA 51 PRÁCTICA: COMPARACIÓN DE COMBUSTIBLES OBJETIVOS - Mostrar una reacción de combustión. - Determinar experimentalmente el poder calorífico de sustancias de uso común, a través del calentamiento de una masa conocida de agua. - Comparar los datos experimentales con las entalpías de combustión tabuladas y determinar el error cometido. - Comparar diferentes combustibles a partir de su eficiencia y emisiones de carbono. MATERIALES - Mechero de alcohol - Mechero de butano - Agua (Aprox. 100 mL) - Soporte con rejilla - Termómetro - Lata de refresco - Balanza - Probeta PROCEDIMIENTO 1. Pesar los mecheros antes de comenzar el experimento y tomar nota. 2. Medir 150 mL de agua y colocarlo en la lata de refresco. 3. Colocar una tapa de corcho y el termómetro. 4. Medir la temperatura del agua al inicio del experimento y colocar el vaso sobre el mechero, dejando un pequeño espacio entre el vaso y el mechero 5. Encender el mechero y esperar a que la temperatura aumente 20 o 30 °C. Precaución: Al encender el fuego hay superficies y sustancias calientes, evita tocarlas. 6. Determinar el aumento de temperatura exacto del agua usando el termómetro. 7. Pesar la masa final del mechero y determinar el combustible consumido. 8. Repetir el proceso con el otro mechero. CALCULOS Y CUESTIONES 1. Calcula el calor desprendido en la reacción de combustión y completa la tabla. Los resultados serán mostrados en la siguiente tabla: Q desprendido = Q absorbido ΔHcomb= - m Cp ΔT Mechero Masa inicial (kg) Masa final (kg) Calor de combustión (kJ) Etanol Butano - Combustión en contexto PROPUESTA EDUCATIVA 52 2. ¿Qué cantidad energía por mol se produce en cada caso? 3. Si se considera la generación de energía, ¿cuál es el combustible más eficiente? Razona tu respuesta. 4. Compara los resultados con datos tabulados. ¿Qué error absoluto y relativo se está cometiendo? Datos teóricos disponibles en: https://www.engineeringtoolbox.com/ 9 5. ¿Cuáles pueden ser las fuentes del error? ¿Se te ocurre cómo se podría mejorar este experimento? 6. Determina la masa de dióxido de carbono emitida por cada gramo de combustible quemado y comparar los combustibles seleccionados. Para llevar a cabo este apartado es necesario que los alumnos escriban y ajusten las reacciones que tienen lugar en la experimentación. Los combustibles seleccionados son etanol y butano, de modo que formularán: C4H10 + 13/2 O2  4 CO2 + 5 H2O C2H6O + 3 O2  2 CO2 + 3 H2O 7. De acuerdo con las emisiones de dióxido de carbono calculadas, ¿Cuál de los combustibles probados es mejor? Razona tu respuesta. Como se indicó anteriormente, la realización de este experimento fue llevada a cabo de manera casera. Se comprobó, tanto para el etanol como para el butano, que se puede realizar la determinación del poder calorífico; sin embargo, esta determinación produce un error relativo de entre el 35% y el 50%. Algunas de las causas de estos errores son: ▪ Resolución de la balanza y cifras decimales. Este experimento casero ha sido llevado a cabo con una balanza de cocina que no permitía obtener decimales (Resolución: 1g); por lo que esta es una fuente muy importante de error que afecta de manera determinante al cálculo del poder calorífico. Este error se vería subsanado al emplear una balanza de precisión, disponible en la mayoría de los laboratorios. ▪ Fugas de calor: Como se observa en el montaje experimental, la falta de aislamiento, el montaje expuesto a las corrientes y factores similares, afectan de manera inevitable a las pérdidas de calor. 9 https://www.engineeringtoolbox.com/standard-heat-of-combustion-energy-contentd_1987.html Combustión en contexto PROPUESTA EDUCATIVA 53 A pesar de este error, considero que se trata de una buena experiencia, ya que se pueden emplear estas fuentes de error como herramientas para mejorar la creatividad y capacidad de análisis de los alumnos. Además, permite a los alumnos reflexionar sobre la importancia de minimizar los errores, realizar buenos diseños de experiencias y valorar la labor investigadora. SECUENCIACIÓN Y METODOLOGIA La realización de esta actividad se llevará a cabo en una sesión en el laboratorio. El montaje experimental incluirá la preparación del soporte y de la lámpara de etanol. El experimento a realizar se estima que puede durar aproximadamente 30 minutos. Tras la actividad se propone la resolución de una serie de cuestiones y cálculos relativos a la experimentación. Se recomienda, para que los alumnos se familiaricen con la metodología científica, la realización de un cuaderno de laboratorio, que será entregado al final de la práctica como instrumento de evaluación. En una hoja a parte cada alumno entregará, de manera individual, las cuestiones y cálculos planteados en el guion de prácticas. Esta actividad podrá llevarse a cabo en el laboratorio al finalizar la práctica, para favorecer la resolución de dudas y el aprendizaje guiado, y finalizarla como TPC. EVALUACIÓN La evaluación de esta actividad se llevará a cabo considerando la actividad llevada a cabo en el laboratorio, para lo que se considerará el trabajo experimental realizado por los alumnos, se recogerán la libreta de laboratorio, y las actividades a entregar. La evaluación se llevará a cabo empleando una rúbrica; teniendo en cuenta que en esta experiencia el informe escrito tomará la formad de una ficha en la que se contestará el apartado cálculos y cuestiones del informe de prácticas. La rúbrica se encuentra disponible en el Anexo 3 en la tabla 3.1. COSTES ESTIMADOS A continuación, la tabla 5 resume los gastos que esta práctica requerirá para llevarla a cabo con materiales cotidianos en el laboratorio del centro. Tabla 4. Costes estimados de la práctica “Entalpia de combustión” Equivalente/Sustituto Coste, € Mechero de cocina con butano 1,50 Alcohol para las heridas 0,69 Lata de refresco 0,57 Tela para mecha 2,00 Total 4,76 Combustión en contexto PROPUESTA EDUCATIVA 54 5.2.3. TRABAJO DE INVESTIGACIÓN: “Energía y emisiones de CO2 a la atmósfera” La energía tiene un rol fundamental en nuestras vidas. La combustión no es una operación de uso reciente; sino que se lleva empleando de manera consciente para el beneficio de los hombres desde hace miles de años. El uso de combustibles; sin embargo, ha variado a lo largo de los siglos. Cuando el hombre consiguió controlar, producir y utilizar el fuego se empleaba madera y huesos como combustibles y, desde entonces, se han buscado formas más eficientes de producir energía. Para ello se han empleado gran variedad de combustibles, desde la madera, pasando por el carbón y el petróleo; hasta llegar a energías más amigables con el medio ambiente como la energía eólica o el hidrógeno de producción verde. Sin embargo, el uso de algunos combustibles ha resultado en detrimento del medio ambiente y en muchos casos hasta de la propia salud de los seres vivos. Tras la realización de la tarea experimental sobre la determinación de la entalpia de combustión de dos combustibles distintos, es interesante que los alumnos indaguen sobre la variedad de combustibles disponibles, usos, eficiencias, ventajas y desventajas, así como la presencia en nuestra región o país de cada uno de ellos. Según el informe de Brundtland (Comisión Mundial de Medio Ambiente y Desarrollo, 1988) el desarrollo sostenible hace referencia a “Satisfacer las necesidades de las generaciones presentes, sin comprometer las posibilidades de las generaciones del futuro para atender sus propias necesidades”. Por lo que el desperdicio de recursos naturales, el agotamiento energético y los daños al medio ambiente no tienen cabida en este modelo. Esta necesidad se ha traducido en una creciente preocupación en la sociedad por solucionar problemas energéticos (reducir el consumo y la huella humana, buscar fuentes alternativas de energía, etc.), pero la realidad humana es que aún queda un largo camino por recorrer. En este camino, surgen nuevas fuentes de energía y otras, hasta ahora de uso cotidiano, tienden a desaparecer. Como puede verse en la figura 17, la situación energética en España es un mosaico integrado por petróleo y derivados, gas natural, biocombustibles y renovables, energía nuclear, combustibles fósiles sólidos y residuos no renovables. Combustión en contexto CONCLUSIONES 61 6. CONCLUSIONES Gracias a la propuesta educativa de este Trabajo de Fin de Máster se ha diseñado una serie de actividades que relacionan los contenidos de la asignatura de Física y Química con el mundo que rodea a los estudiantes. Este acercamiento permite que conceptos, a priori, carentes de interés para los alumnos puedan despertar su inquietud al estar relacionados con fenómenos cotidianos, fácilmente observables en su entorno. Esta propuesta ha mostrado como la combustión puede servir de tema vehicular para abordar contenidos en diferentes niveles educativos y, a través del uso de la química cotidiana en las actividades propuestas, permite a los alumnos relacionar los contenidos estudiados con fenómenos familiares. Este hecho, acerca los contenidos teóricos de la asignatura de Física y Química a un entorno cotidiano y doméstico; lo que permite que los alumnos sean capaces de atribuir una mayor utilidad a estos contenidos. El extenso número de recursos utilizados en este documento, como la píldora desarrollada sobre la combustión de las cerillas y el gran número de recursos digitales (prensa, páginas web, etc.), así como el planteamiento de un debate sobre los combustibles y sus alternativas, son herramientas que el docente tiene a su disposición para captar la atención de los alumnos. De este modo, se puede concluir, que haciendo uso de estos recursos es posible desarrollar con éxito una metodología de educación en contexto, cumpliendo con los contenidos, objetivos y competencias claves marcados en el currículo de los cursos 4º de la ESO y 1º de Bachillerato, respectivamente. Además, la realización de los experimentos cotidianos del estudio de la vela y la velocidad de reacción, los procesos colaborativos de brainstroming y los trabajos de investigación relacionados con medioambiente y sostenibilidad mostrados en la memoria, contribuyen a mejorar la actitud de los alumnos hacia la asignatura por su carácter integrador y novedoso. Es posible concluir que estas actividades permiten una participación activa del alumnado en lugar de la enseñanza tradicional centrada en el docente. Las actividades enmarcadas en la metodología de indagación y experimentación, como son las experiencias prácticas o los proyectos de investigación sobre los combustibles y la huella de carbono, permiten que los alumnos tomen conciencia de su influencia en la sociedad. De este modo, la evidencia de que forman parte de una sociedad que espera su participación y colaboración, invita a los alumnos a emplear Combustión en contexto CONCLUSIONES 62 mecanismos y herramientas que mejoren su pensamiento crítico y su capacidad de aprender a aprender. Por último, cabe resaltar la importancia de la realización de experimentos simples y con materiales cotidianos. Esta propuesta proporciona experiencias sencillas y económicas que pueden llevarse a cabo en todo tipo de centros. Además, teniendo en cuenta la situación sanitaria vivida durante el año 2020 u otros sucesos que puedan impedir la disponibilidad de un laboratorio en el centro, el hecho de que estos experimentos puedan llevarse a cabo en un hogar con elementos cotidianos, tal como se ha hecho para este proyecto, resulta un planteamiento útil y beneficioso. Combustión en contexto BIBLIOGRAFÍA 63 7. BIBLIOGRAFÍA REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Álvarez Herrero, J. F., & Valls Bautista, C. (2019). Utilización de la contextualización mediante el uso de demostraciones experimentales para mejorar la percepción y la actitud hacía la Química de los futuros maestros. Enseñanza de las ciencias, 37(3), pp. 7388. https://doi.org/10.5565/rev/ensciencias.2674 Arango, N., Chaves, M.E., & Feinsinger. P. (2009). Principios y práctica de la enseñanza de ecología en el patio de la escuela. Santiago, Chile. Instituto de Ecología y Biodiversidad – Fundación Senda Darwin. Santiago, Chile. 136 pp. De Manuel Torres, E. (2004). 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Razonar cómo se altera la velocidad de una reacción al modificar alguno de los factores que influyen sobre la misma, utilizando el modelo cinético-molecular y la teoría de colisiones para justificar esta predicción. 2.1. Predice el efecto que sobre la velocidad de reacción tienen: la concentración de los reactivos, la temperatura, el grado de división de los reactivos sólidos y los catalizadores. 2.2. Analiza el efecto de los distintos factores que afectan a la velocidad de una reacción química ya sea a través de experiencias de laboratorio o mediante aplicaciones virtuales interactivas en las que la manipulación de las distintas variables permita extraer conclusiones. Calor de reacción. Reacciones endotérmicas y exotérmicas. 3. Interpretar ecuaciones termoquímicas y distinguir entre reacciones endotérmicas y exotérmicas. 3.1. Determina el carácter endotérmico o exotérmico de una reacción química analizando el signo del calor de reacción asociado. Ecuaciones químicas y su ajuste. 4. Realiza cálculos estequiométricos con reactivo puros suponiendo un rendimiento completo de la reacción, partiendo del ajuste de la ecuación química correspondiente 4.1. Interpreta los coeficientes de una ecuación química en términos de partículas, moles y en caso de reacciones entre gases, en términos de volúmenes. Planificación y realización de una experiencia de laboratorio en la que tengan lugar reacciones de combustión 5. Realizar experiencias de laboratorio en las que tengan lugar reacciones de síntesis, combustión y neutralización, interpretando los fenómenos observados. 7.2. Planifica una experiencia, y describe el procedimiento a seguir en el laboratorio, que demuestre que en las reacciones de combustión se produce dióxido de carbono mediante la detección de este gas. Relación entre la química, la industria, la sociedad y el medioambiente BLOQUE 1: La actividad científica Tecnologías de la Información y la Comunicación en el trabajo científico. 1. Realizar e interpretar representaciones gráficas de procesos físicos o químicos a partir de tablas de datos y de las leyes o principios involucrados. 1.1. Representa gráficamente los resultados obtenidos de la medida de dos magnitudes relacionadas infiriendo, en su caso, si se trata de una relación lineal, cuadrática o de proporcionalidad inversa, y deduciendo la fórmula. CMCT CD CPAA El informe científico. Proyecto de investigación. 2. Elaborar y defender un proyecto de investigación, aplicando las TIC. 2.1Elabora y defiende un proyecto de investigación, sobre un tema de interés científico, utilizando las Tecnologías de la información y la comunicación BLOQUE 4: La materia Descripción de hidrocarburos y aplicaciones de especial interés 1. Identifica y representa hidrocarburos sencillos mediante distintas fórmulas y conoce algunas aplicaciones de especial interés 1.1. Identifica y representa hidrocarburos sencillos mediante su fórmula. 1.2. Describe aplicaciones de hidrocarburos sencillos. CMCT CCL CD CEC II ANEXO 2: TABLA RESUMEN DE CONTENIDOS, EVALUACIÓN Y COMPETENCIAS CLAVE (1°BACH.). CONTENIDOS, CRITERIOS DE EVALUACIÓN, ESTÁNDARES DE ARENDIZAJE Y COMPETENCIAS CLAVE PARA 1º DE BACHILLER Contenidos Criterios de evaluación Estándares de aprendizaje CC BLOQUE 1: Proyecto de investigación Proyecto de investigación. 1. Conocer, utilizar y aplicar las Tecnologías de la Información y la Comunicación en el estudio de los fenómenos físicos y químicos. 1.1. A partir de un texto científico, extrae e interpreta la información, argumenta con rigor y precisión utilizando la terminología adecuada. 1.2. Establece los elementos esenciales para el diseño, la elaboración y defensa de un proyecto de investigación, sobre un tema de actualidad científica, vinculado con la Física o la Química, utilizando preferentemente las TIC. CMCT CSC CD BLOQUE 3: Reacciones Químicas Concepto de reacción y ecuación químicas. Estequiometría de las reacciones. Ajuste de ecuaciones químicas. 1. Formular y nombrar correctamente las sustancias que intervienen en una reacción química dada y ajustar la reacción. 1.1. Escribe y ajusta ecuaciones químicas sencillas de combustión. CMCT CCL CD CPAA CSC SIE CEC Reactivo limitante y rendimiento de una reacción. 2. Interpretar las reacciones químicas y resolver problemas en los que intervengan reactivos limitantes, reactivos impuros y cuyo rendimiento no sea completo. 2.1. Interpreta una ecuación química en términos de cantidad de materia, masa, número de partículas o volumen para realizar cálculos estequiométricos en la misma. 2.2. Realiza los cálculos estequiométricos aplicando la ley de conservación de la masa a distintas reacciones. 2.3. estequiométricos en los que intervengan compuestos en estado sólido, líquido o gaseoso, o en disolución en presencia de un reactivo limitante o un reactivo impuro. 2.4. Considera el rendimiento de una reacción en la realización de cálculos estequiométricos. 3.1. Describe el proceso BLOQUE 4: La materia Calor de reacción. Entalpía. Diagramas entálpicos. Ecuaciones termoquímicas. Entalpía de formación estándar y entalpía de enlace. 1. Conocer las posibles formas de calcular la entalpía de una reacción química. 1.1. Calcula la variación de entalpía de una reacción aplicando la ley de Hess, conociendo las entalpías de formación o las energías de enlace asociadas a una transformación química dada e interpreta su signo. CMCT CCL CD CPAA CSC SIE CEC Reacciones de combustión. Reacciones químicas y medio ambiente: efecto invernadero, agujero en la capa de ozono, lluvia ácida. Consecuencias sociales y medioambientales de las reacciones químicas de combustión y otras. Desarrollo y sostenibilidad. 2. Analizar la influencia de las reacciones de combustión a nivel social, industrial y medioambiental y sus aplicaciones. 2.1. A partir de distintas fuentes de información, analiza las consecuencias del uso de combustibles fósiles, relacionando las emisiones de CO2, con su efecto en la calidad de vida, el efecto invernadero, el calentamiento global, la reducción de los recursos naturales, y otros y propone actitudes sostenibles para minorar estos efectos. III ANEXO 3: RÚBRICAS DE EVALUACIÓN Tabla 3.1. Rúbrica de evaluación para actividad de laboratorio con informe/hoja de actividades. (Elaboración propia) INDICADOR GRADO DE DESEMPEÑO INADECUADO GRADO DE DESEMPEÑO SUFICIENTE GRADO DE DESEMPEÑO ALTO GRADO DE DESEMPEÑO EXCELENTE MATERIAL Los materiales están descritos sin precisión o no están descritos. Describe claramente algunos de los materiales empleados. Identifica y describe casi todos los materiales usados para la experimentación. Identifica y describe todo el material a emplear claramente y con precisión. PROCEDIMIENTO Los procedimientos no aparecen en un listado. Los procedimientos están enlistados, pero no están en un orden lógico, son difíciles de seguir y/o no están descritos detalladamente. Los procedimientos aparecen listados y enumerados, pero el procedimiento no está descrito detalladamente. Los procedimientos aparecen claramente listados y enumerados. El procedimiento está descrito detalladamente. COMPORTAMIEN TO, SEGURIDAD E HIGIENE Se muestra desorden durante la práctica, descuido en el uso del material y/o se incumplen las normas del laboratorio. Se muestra orden durante la práctica, pero descuido en el uso del material y/o se incumple algunas de las normas del laboratorio. Se muestra orden durante la práctica, cuidado en el uso del material y se cumplen algunas de las normas del laboratorio. Se muestra perfecto orden durante la práctica, cuidado en el uso del material y se cumplen las normas del laboratorio estrictamente. REPORTE ESCRITO/HOJA DE ACTIVIDADES No realiza informe y/o se realiza menos del 50% de la actividad propuesta que muestra el procedimiento, cálculos y conclusiones de acuerdo a lo observado en la experiencia de laboratorio. El informe contiene la mayoría de la información requerida (procedimiento, cálculos y conclusiones); sin embargo, se presenta de manera desorganizad y/o insuficiente. No emplea tablas y/o el lenguaje es genérico. El informe contiene la mayoría de la información requerida (procedimiento, cálculos y conclusiones) de manera organizada en tablas y empleando el lenguaje científico adecuado. No hay interpretación de resultados o se dan de forma subjetiva. El informe contiene de manera ordenada los resultados obtenidos empleando tablas y lenguaje científico adecuado. Es capaz de analizar los resultados y proponer interpretaciones objetivas acorde a sus conocimientos científicos. CÁLCULOS No realiza los cálculos y/o existen errores en el procedimiento de cálculo. Realiza los cálculos, aunque hay un error al operar y no indica las unidades. Realiza los cálculos, pero no indica las unidades en el resultado. Realiza los cálculos perfectamente e indica las unidades en el resultado. TRABAJO GRUPAL No tiene una actitud participativa y rara vez escucha y/o comparte ideas con sus compañeros. Dificulta las propuestas de otros para alcanzar los objetivos del grupo. Participa en las tareas proponiendo ideas, aunque no facilita la integración de las de otros compañeros Se muestra positivo ante las propuestas para alcanzar los objetivos del grupo. Participa activamente en las tareas la mayoría de las veces, aunque no comparte ideas con sus compañeros. Se muestra positivo ante las propuestas para alcanzar los objetivos del grupo. Participa, comparte ideas para realizar la experimentación, escucha e intenta integrar ideas de otros compañeros. Se esfuerza para alcanzar los objetivos del grupo. X XI XII 6.2 Cuadernillo del profesor XIII XIV XV XVI ANEXO 7: RESUMEN DEL ARTÍCULO “¿Cuánto contamina internet?” Subir tu foto del día a Instagram, almacenar archivos en la nube o tener tu bandeja de entrada del email llena genera una huella ecológica que demanda el 7% de la energía mundial y cada minuto se envían en el mundo 38 millones de mensajes de WhatsApp, se visualizan 266.000 horas de Netflix, 4,3 millones de vídeos en YouTube. Esto convertiría según el informe Clicking Clean de Greenpeace, a Internet en el sexto más contaminante del mundo. Cada minuto se envían y se realizan 3,7 millones de búsquedas en Google y, a pesar de que el llamado Internet de las Cosas (IoT, por sus siglas en inglés), es decir, los dispositivos interconectados, evitan la utilización de multitud de recursos y materias primas, es sorprendente que el imaginario social ignora a menudo el impacto de la gran cantidad de tecnología que nos rodea y de los datos que almacenamos en la nube, que requieren cuantías inmensas de energía. Además del propio uso de las instalaciones y la fabricación de dispositivos, la refrigeración constante es uno de los puntos sobre los que más investigan los gigantes tecnológicos. La huella ecológica de este frenético tráfico de datos crecerá exponencialmente debido al mayor acceso de la población mundial a las nuevas tecnologías y a que los centros de datos son cada vez más y más grandes. La consultora McKensey, calculaba que, en 2020, el mercado de las tecnologías de la información producirá en torno al 4% de las emisiones de CO2 en el mundo. ¿Cuál es mi contaminación digital? No hace mucho, despejar una duda significaba viajar hasta la biblioteca y rebuscar entre los libros hasta dar con la información. Hoy, sin salir de casa, podemos tener una reunión o leer un artículo publicado en la otra punta del mundo. El beneficio es más que evidente pero, tras esta aparente inocuidad, se esconde una huella ambiental que es difícil de rastrear y calcular. Cada búsqueda en internet libera al medio ambiente 0.2 gramos de CO2, lo que, según el propio Google, significa que el efecto invernadero provocado por mil búsquedas equivaldría a conducir un coche durante un kilómetro. El streaming de vídeos, en pleno auge como demandante de datos, representaba en 2015 el 63% del tráfico global de internet, y se espera que llegue al 80% en 2020, según Cliking Clean. Los buenos hábitos y gestos cotidianos en lo que a energía se refiere es lo que puede marcar la gran diferencia en nuestra huella digital, según un informe francés que afirma que el 43% de las personas nunca apaga la caja de su televisión o el router. Son detalles que pueden marcar la diferencia a nivel global, como apagar los interruptores, no dejar la televisión, la impresora o la consola en stand by, no dejar el ordenador suspendido, así como colocar regletas con interruptor de apagado, ya que, si el equipo está conectado directamente a la red, advierten que seguirá consumiendo. En el uso diario de tu ordenador, gestos como cerrar aquellas pestañas y ventanas que no utilices, vaciar la bandeja de entrada de tu email o reciclar todos esos objetos tecnológicos como móviles o portátiles que acumulamos en casa cuando ya están obsoletos son pequeños gestos que pueden generar un gran cambio en el impacto individual de cada usuario de internet y de las tecnologías. XVII ANEXO 8: LECTURA “La teoría del flogisto” LA TEORÍA DEL FLOGISTO El químico alemán Georg Ernest Stahl (1660-1734) con su teoría del flogisto (palabra griega que significa prender fuego) logra crear en 1697 una doctrina unificada del fenómeno de la combustión y obtiene una aceptación casi general de la misma al principio del siglo XVIII. La teoría del flogisto admite que el principio de la combustión está en el combustible y no en el aire y afirma que todas las sustancias combustibles poseen un componente común que escapa en el acto de la combustión, el llamado «flogisto», considerado por Stahl como un componente químico, el cual fue la guía de su trabajo en el laboratorio. La teoría del flogisto es una teoría falsa, no obstante, coordinó la generalidad de los hechos conocidos por los químicos de la época y permitió a éstos emplear sus conocimientos en la solución de nuevos problemas. Los mayores defectos de la teoría del flogisto son tres: a) En primer lugar, nadie había visto el flogisto, por tanto, era una sustancia hipotética, pero que a nadie le importaba o preocupaba encontrar o analizar. b) El inconveniente de la necesidad del aire para la combustión se solucionó diciendo que éste sólo era necesario como un auxiliar mecánico. El flogisto se combina con el aire, o una parte de él durante la combustión. Si no hay aire, el fuego se apaga porque entonces el flogisto no tiene con quien combinarse. c) Al quemar los metales, sus residuos u óxidos pesan más que el metal. Según la teoría del flogisto debe ocurrir lo contrario, pues al arder pierden flogisto y deben pesar menos. Esta dificultad es insuperable para la teoría, pero mereció poca atención al principio del siglo XVI, donde el análisis químico cuantitativo estaba poco extendido. No obstante, la teoría del flogisto proporcionó una explicación coherente de los hechos conocidos de la combustión y hacia 1750 era ya muy aceptada. Si bien es cierto que hay que decir que es justamente opuesta a la teoría de la oxidación reducción, pues donde hoy se admite que se incorpora una sustancia, el oxígeno, Stahl afirmó que se desprende otra, el flogisto. En cualquier caso, el concepto fundamental de la teoría del flogisto es la transferencia de algo de una sustancia a otra. Este concepto de transferencia del flogisto fue el primer gran principio unificador de la Química y por eso, la teoría del flogisto tuvo una gran aceptación e incluyó una enorme cantidad de ejemplos. La aportación de Lavoisier en la teoría de la combustión Es el francés Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) quien entierra la teoría del flogisto, al cambiarla por la teoría de la combustión, basada en la combinación de las sustancias químicas con el oxígeno del aire. Pero ello requirió un camino previo en el conocimiento de los distintos gases que forman parte del aire atmosférico. XVIII Así, el estudio del escoces Joseph Black (1728-1799) sobre magnesia blanca (MgCO3 probó que al calentarla se producía un residuo (MgO) que tenía una masa inferior a la magnesia blanca. Black admitió que en dicho proceso se liberaba aire de su estado fijo, en la magnesia blanca. Luego comprobó que este “aire fijo” era un aire con propiedades químicas muy especiales, pues en su seno no podía haber vida y era un producto de la respiración, de la fermentación alcohólica y de las combustiones con carbón vegetal. Por tanto, el aire fijo de Black (CO2) es un aire particular, distinto del aire atmosférico. Una vez alertados sobre la posibilidad de que existieran aires diferentes con distintas propiedades, los químicos británicos se pusieron a buscarlos Así, en 1766 Henry Cavendish (1731-1810) aisló el “aire inflamable” (H2) y Daniel Rutherford (1749-1819) identifico el “aire flogisticado” (N2) en 1774. En 1775 Joseph Priestley (1733-1804) obtuvo el oxígeno a partir del HgO y lo llamó “aire desflogisticado” (O2), al creer que este era el componente de la atmósfera al que se unía el flogisto cuando se escapaba de una sustancia en ignición. En 1778, Lavoisier afirma que el aire natural es una mezcla de dos gases, uno es el que se consume en la respiración y en la calcinación de los metales, al que Lavoisier llama oxígeno, y el otro gas, inerte, lo llama azoe, aunque posteriormente acabó denominándose nitrógeno. Lo más importante es que sus estudios le llevan a admitir que toda combustión es una combinación con el oxígeno y a sustituir al flogisto por el oxígeno, de forma que en la combustión se consume el oxígeno v el aumento de masa de la sustancia quemada es igual a la pérdida de masa que experimenta el aire (Ley de conservación de la masa). Libro de 2º de bachillerato de Química. San Sebastián, GipuzkoaDulce María Andrés Cabrerizo/Juan Luis Antón Bozal/Javier Barrio Pérez Editorial EDITEX S.A. 20003 ISBN: 8497710665 XIX ANEXO 9: PAUTAS PARA PARTICIPAR EN UN DEBATE PAUTAS PARA PARTICIPAR EN EL DEBATE 1. Prepara el debate: busca información y desarrolla tus argumentos. ▪ Redactad conjuntamente un borrador que contenga una introducción al tema. ▪ Desarrollad los argumentos para defender vuestra postura, pensad posibles contraargumentos 2. Ensaya antes del debate frente a amigos, familia o frente al espejo. 3. Durante el debate mantén una buena postura corporal, tus manos y gestos pueden ayudarte a transmitir lo que piensas. 4. Expón tus argumentos de manera ordenada y usando conectores. 5. Mantén el contacto visual con tus “oponentes”. 6. Defiende tus argumentos con convicción, sin temor a críticas, pero mostrando respeto por las opiniones de los demás. 7. Escucha activamente. 8. Respeta el turno de palabra. 9. Mantén las formas durante el debate. Las faltas de respeto son motivo de expulsión. 10. No te pongas nervioso y recuerda que cuantas más veces te pongas delante de un público mejor lo harás. EXTRA: Recuerda que en esta situación estás “haciendo un papel” y no importa si tus argumentos coinciden con tus opiniones personales. Se trata de aprender a argumentar y expresarse en público para defender una postura, intentando convencer con argumentos bien fundamentados.