representacion audivisual de celdas electroquimicas y construcción de electrodos sencillos
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Representación audiovisual de células electroquímicas y construcción de electrodos sencillos: propuesta para la enseñaza y mejoramiento de la aprehensión de los conceptos electroquímicos en la
educación básica y media.
Blanca Ceidy Clavijo Ortiz
Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de Ciencias y Educación
Proyecto Curricular de Licenciatura en Química Bogotá 2007
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Representación audiovisual de células electroquímicas y
construcción de electrodos sencillos: propuesta para la enseñaza y mejoramiento de la aprehensión de los conceptos electroquímicos en la
educación básica y media.
Blanca Ceidy Clavijo Ortiz
Trabajo de grado
Directora: María Victoria Ruiz Arandia, profesora de fisicoquímica
Codirector: Dr. Sc. Jesús Alberto Ágreda Bastidas, profesor de química analítica.
Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de Ciencias y Educación
Proyecto Curricular de Licenciatura en Química Bogotá 2007
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AGRADECIMIENTOS
A Dios y mi familia, por que han sido las piedras angulares de mi vida.
A mi directora, María Victoria Ruiz Arandia, profesora de fisicoquímica e
investigadora principal del observatorio pedagógico de la Universidad Distrital
Francisco José de Caldas, por su apoyo, conocimiento y experiencia, en el área
didáctica y química, por acompañarme desde el primer semestre y por amar el ser
educadora.
A mi codirector, Dr. Sc. Jesús Alberto Ágreda Bastidas, profesor de química
analítica de la Universidad Nacional de Colombia (sede Bogotá), por brindarme la
oportunidad de trabajar y aprender de él, en tan prestigiosa institución, por su
aporte económico y por su apoyo cognitivo durante el desarrollo del presente
trabajo.
A mis amigos y compañeros de la Universidad Distrital, Yenny Viviana Bernal
Rivera, Paula Carolina Briñez Alfonso, Fabio Aníbal Cristiano Benítez y Raúl Alberto
Arenas Carvajal, quienes me han acompañado durante este proceso.
A mis compañeros de laboratorio en la Universidad Nacional, John Sadat
Bernal Guerrero, Jorge Elihú Paternita y Juan Migel Árias, por compartir con migo
su espacio y conocimiento.
A Hernando Carvajal España, profesor de química de la Institución Educativa
Distrital Manuelita Sáenz y a los estudiantes de grado undécimo (jornada tarde,
promoción 2007) de la misma institución, por participar de las encuestas y de los
test de este proyecto.
Finalmente a la Universidad Nacional de Colombia (sede Bogotá), por su
aporte material y económico para el desarrollo del presente trabajo de grado y a la
Universidad Distrital Francisco José de Caldas a la que he pertenecido durante 6
años, por su soporte académico.
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TABLA DE CONTENIDO RESUMEN…………………………………………………………………………………………..6 INTRODUCCIÓN.........................................................................................7 1. ANTECEDENTES............................................................................8 1.1 El documento audiovisual en las aulas de clase.................................... 8 1.2 Enseñanza de la electroquímica......................................................... 9 1.3 Construcción de electrodos ............................................................. 12 2. JUSTIFICACIÓN .........................................................................15 3. OBJETIVOS ................................................................................17 4. MARCO REFERENCIAL.................................................................18 4.1 Enseñanza de la química ................................................................ 18 4.2 La unidad didáctica como propuesta de enseñanza-aprendizaje en las
aulas de clase…………………………………………………………………………………………….19 4.3 El documento audiovisual ............................................................... 21 4.3.1 Definición……….............................................................................. 21 4.3.2 Principios didácticos y funciones pedagógicas de los documentos
audiovisuales…. ............................................................................ 21 4.4 La informática en Colombia ............................................................ 25 4.5 La electroquímica .......................................................................... 27 4.5.1 Su historia……............................................................................... 27 4.5.2 Definición……….............................................................................. 30 4.5.3 Clases de electrodos..................................................................... 32 4.5.3.1 Electrodos de referencia................................................................. 32 4.5.3.2 Electrodos indicadores ................................................................... 33 5. DISEÑO METODOLÓGICO............................................................36 5.1 Hipótesis...................................................................................... 36 5.2 Variables ..................................................................................... 36 5.3 Instrumentos................................................................................ 37 5.4 Procedimiento .............................................................................. 38 5.4.1 Construcción de electrodos ............................................................. 38 5.4.2 Potencial, resistencia y estabilidad de los electrodos .......................... 43 5.4.3 Aplicabilidad de los potenciales de los electrodos............................... 44 5.4.4 Valoración diagnóstica ................................................................... 46 5.4.5 Construcción del documento audiovisual........................................... 47 6. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS………………….………….48 6.1 Resultados químicos ...................................................................... 48 6.1.1 Potencial, resistencia y estabilidad de los electrodos de referencia ........ 48 6.1.2 Potencial de los electrodos indicadores ............................................. 56 6.1.2.1 Activación de los electrodos de grafito …………………………………………………..…56 6.1.2.2 El electrodo de pirita como indicador de pH …………………………………………..…59 6.1.3 Aplicaciones de los potenciales de electrodos ..................................... 62 6.1.3.1 Titulaciones potenciométricas .......................................................... 62 6.1.3.2 Procesos electroquímicos................................................................ 71 6.2 Resultados didácticos..................................................................... 79
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6.2.1 Encuestas..................................................................................... 79 6.2.2 Test de ideas previas..................................................................... 86 6.2.3 Propuesta para la enseñanza y mejoramiento de los conceptos
electroquímicos en la educación básica y media desde un enfoque ambiental………………………………………………………………………………………………….…91 6.2.4 Documento audiovisual, “Hacia la electroquímica” .............................. 96 7. CONCLUSIONES……………………....……………………………..…....98 8. RECOMENDACIONES………………………………………………….100 9. BIBLIOGRAFÍA................................................................. ……..101 10. ANEXOS……………………………………………………………….…… ….....105
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RESUMEN
Para facilitar la enseñanza de la electroquímica en las aulas de clase, se ha
construido y evaluado la respuesta de electrodos de referencia (Cu/CuSO4 y
Ag/AgCl) y electrodos indicadores (grafito y pirita), los cuales pueden ser
ensamblados por estudiantes de educación básica y media, con materias primas
accesibles comercialmente como jeringas plásticas de 3 mililitros, alambre de
cobre, alambre de plata, pirita natural, cloruro de sodio (NaCl), grafito y gelatina
sin sabor. Adicionalmente se realizaron procesos electroquímicos, como el
funcionamiento de un bombillo “led” (proceso galvánico) y la degradación
electroquímica del fenol (proceso electrolítico) empleando los electrodos inertes
(Grafito) construidos. De igual forma se usaron sustancias que son relativamente
inocuas para la salud y seguridad de los estudiantes, como el empleo de sales en
lugar de ácidos fuertes en las células galvánicas y concentraciones bajas de fenol
en las celdas electrolíticas. También se efectuaron titulaciones potenciométricas
(ácido-base y rédox) para valorar la respuesta de los electrodos indicadores en
compañía de los electrodos de referencia, frente al punto de equivalencia. Estos
procedimientos se realizaron en el presente trabajo para asegurar el buen
funcionamiento de los electrodos construidos, antes de enseñar el ensamblaje y el
empleo de los mismos en las aulas de clase.
Adjuntamente se realizó un documento audiovisual en formato flash, que
tiene como principal finalidad ayudar al profesor en la ilustración de fenómenos
moleculares. Este documento particularmente muestra tres aspectos perentorios: la
representación de procesos electroquímicos, la construcción de electrodos y los
sucesos más importantes en la historia de la electroquímica.
Con los resultados obtenidos de la construcción de los electrodos y el
documento audiovisual, se diseñó una unidad didáctica basada en las tendencias
informáticas y las ideas previas de los estudiantes de grado undécimo de la
Institución Educativa Distrital Manuelita Sáenz, para la enseñanza y el
mejoramiento de los conceptos electroquímicos en la educación básica y media con
un enfoque ambiental.
Palabras clave: electrodos, potencial electroquímico, procesos
electroquímicos, documento audiovisual, ideas previas, unidad didáctica.
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INTRODUCCIÓN
En un principio, el objetivo primordial de los “educadores de la ciencia” fue la
simple difusión del conocimiento científico. Dicha difusión se llevaba a cabo por
medio de cátedras, generalmente dirigidas a comunidades privilegiadas, sin
embargo en el transcurrir de la historia, esta situación ha ido evolucionando gracias
a las políticas educativas y métodos de enseñanza-aprendizaje. Así, por un lado,
está la preocupación de dar a conocer y aplicar los avances científicos en función de
mejorar la calidad de vida y por otro lado, surge la necesidad de la búsqueda
indefinida por parte de los educadores, de la estrategia utópica de enseñanza de
los diferentes tipos de conocimiento en cualquier categoría formativa y en cualquier
campo de la educación. De esta forma en la actualidad se cuenta con grandes
avances informáticos, que no son indiferentes a la comunidad educativa y que
además permiten desarrollar nuevos instrumentos y métodos de enseñanza de las
ciencias; no obstante y a pesar de este avance, en la educación básica y media de
las Instituciones Educativas Distritales (I. E. D.), específicamente en la I. E. D.
Manuelita Sáenz, dichos recursos informáticos difícilmente son llevados al aula de
clase, cuando se trata del proceso de enseñanza–aprendizaje en el área de química.
Lo que se pretende en este trabajo, es dar una nueva visión dinámica de los
fenómenos moleculares, explícitamente en la rama de la electroquímica, articulando
conceptos tales como: iones, transporte de carga eléctrica, óxido–reducción,
potencial eléctrico, reacciones espontáneas, no espontáneas y soluciones,
empleando medios informáticos, como parte del diseño de una propuesta de
enseñanza frente a la electroquímica. Para presentar dichos fenómenos, se
construyó un documento audiovisual (animaciones computarizadas) empleando el
formato flash, ya que los documentos audiovisuales (aunque no precisamente las
animaciones computarizadas), cumplen desde hace varios años con la función de
motivación y al mismo tiempo de enseñanza, buscando con ello mejorar el
rendimiento escolar.
Además del documento audiovisual también se plantea la construcción de
electrodos sencillos, que permitan el desarrollo de los experimentos ilustrados en
las animaciones. Se busca que los electrodos sean de fácil construcción, que no
sean tóxicos, ni costosos y que la elaboración de los mismos ayude al estudiante en
el proceso del aprendizaje de la química, utilizando como eje articulador la
electroquímica.
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1. ANTECEDENTES
1.1 El documento audiovisual en las aulas de clase
Actualmente todos los docentes deben tener una formación profesional en el
ámbito de la didáctica, esto conlleva a que se implementen nuevas estrategias que
ayuden al estudiante y al docente en el proceso de enseñanza-aprendizaje; una
muestra de estas estrategias son los documentos audiovisuales.
Alexandre Claro Loff1, ha estudiado este aspecto expresando que los
profesores portugueses usaban en sus clases, entre tres y nueve documentos por
año escolar y que un gran porcentaje de estos profesores no preparaban una ficha
de evaluación o un guión de lectura del documento audiovisual. El hecho de que
ninguno de los docentes realizara montajes audiovisuales, contribuía
frecuentemente a que utilizaran películas que excedían el tiempo de clases; además
también creían que los alumnos tenían vivencias particulares por la imagen
televisiva, por lo cual proyectaban los documentos audiovisuales para motivarlos.
Frente a estas situaciones postuló la hipótesis, “el rendimiento escolar de los
alumnos es inversamente proporcional a la duración de la película exhibida” y
dividió el trabajo experimental en dos etapas: en la primera etapa de la experiencia
en las clases de literatura, los profesores utilizaron una película con una duración
de 72 minutos y para la segunda etapa proyectaron una película con una duración
de 77 minutos. Como alternativa a la proyección completa de los largometrajes, el
trabajo experimental proponía la utilización de las mismas películas fragmentadas
en documentos cortos de 10 minutos cada uno. El montaje corto incluía un
conjunto de preguntas que se indicaban al finalizar cada uno de los fragmentos de
la proyección y adicionalmente, en colaboración con los docentes, el investigador
elaboró un test de evaluación en cada una de las etapas. Sin embargo, se corría el
riesgo de que la clase en la escuela escogida no presentara la realidad portuguesa
(país donde se realizó la investigación), por lo cual se decidió ampliar el círculo de
acción para la comprobación y la verificación de los resultados a alcanzar. Para ello,
se optó por realizar la experiencia en dos escuelas con características similares y en
lo posible con el mismo número de alumnos de octavo grado. Cada sesión debía
1 CLARO LOFF, Alexandre. El documento audiovisual en la práctica pedagógica. Estrategia para mejorar el rendimiento escolar. Barcelona, 2002. Tesis doctoral. Universidad Autónoma de Barcelona. Facultad de ciencias de la educación. Departamento de comunicación audiovisual y publicidad.
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incluir una introducción a la película; luego de la proyección, se realizaba su
exploración y al final todos los alumnos respondían al mismo cuestionario. Los
documentos audiovisuales empleados en esta investigación, se exhibieron en un
ambiente natural de clase y se diferenciaban por la duración, su montaje y su
proyección, pero siempre trataban el mismo tema, para poder con esto, comparar
al final los resultados obtenidos en las dos etapas. Los resultados de la experiencia
también hacen referencia a la identificación de los alumnos, a las notas obtenidas
por ellos en la ficha de evaluación y a los registros de observación efectuados por el
investigador. La muestra fue de 252 alumnos entre las dos escuelas, de los cuales
235 participaron de una encuesta y gran parte de los encuestados eran
adolescentes entre 13 y 14 años. En la primera etapa participaron en el trabajo
experimental 151 alumnos entre ambas escuelas (EB 2-3 Vagos y EB 2-3 Gafanha
de Encarnaçao), y en la segunda etapa estuvieron implicados 145 alumnos. La
investigación arrojó como resultado en la primera etapa, una mejora cuando fue
utilizado el video corto, tanto en la escuela de ecuación básica 2-3 de Vagos (EB 2-
3 Vagos) como en la escuela de educación básica Gafanha de Encarnaçao (EB 2-3
Gafanha de Encarnaçao). Es decir, en cualquiera de las sesiones donde fue exhibida
la versión resumida de la película, se obtuvo en los test de evaluación puntajes
superiores respecto de aquellas donde se utilizó el video largo, por lo cual, se
infiere que, con el video corto los alumnos alcanzan mejor rendimiento escolar.
1.2 Enseñanza de la electroquímica
Respecto al proceso específico de enseñanza–aprendizaje de la
electroquímica, Sanger y Greenbowe2, reportaron los siguientes errores
conceptuales en estudiantes de primer año universitario:
• Los electrones se mueven a través de la solución al ser atraídos de un ión a
otro.
• Los electrones se mueven a través de la solución uniéndose primero a los
iones del cátodo y luego siendo transportados por estos (cationes) hacia el
ánodo.
• Los electrones entran en la solución por el cátodo, viajan a través de la
solución y el puente salino y emergen del ánodo para completar el circuito.
2 SANGER, Michael and GREENBOWE, Thomas. Students’ misconceptions in electrochemistry: current flow in electrolyte solutions and the salt bridge. En: Journal of Chemical Education. Vol. 74, No 7 (July 1997); p. 819-823.
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• Los aniones en el puente salino y en el electrolito transfieren los electrones
del cátodo al ánodo.
• Los cationes en el puente salino y en el electrolito aceptan electrones y los
transfieren del cátodo al ánodo.
• Los electrones pueden fluir a través de las soluciones acuosas sin
ayuda de los iones.
• Solo los iones de carga negativa constituyen un flujo de corriente en el
electrolito y el puente salino.
• El ánodo es de carga positiva porque pierde los electrones, mientras que el
cátodo es de carga negativa porque gana los electrones.
Con el fin de prevenir estos errores conceptuales se consideró necesario
emplear el documento visual (animaciones computarizadas) como herramienta en
las clases para reforzar en los estudiantes la habilidad de visualizar y entender
conceptos químicos moleculares3.
Adicionalmente Garnett y Treagust4 y Ogude y Bradley5, proponen las
siguientes fuentes de errores conceptuales:
• Los estudiantes interpretan la terminología usada en el libro de texto o por
el instructor de manera consistente con el uso cotidiano, pero incoherente
con el uso científico.
• Los estudiantes aplican la información generalizando los conceptos
científicos y aplicándolos en situaciones dónde es inapropiado.
• La referencia por los libros de texto o el instructor a la continuidad de la
corriente y el asentamiento de la creencia de la naturaleza electrónica de la
corriente, implican que la corriente es uniforme a lo largo de la célula
electroquímica.
• La discusión despreocupada de los procesos sobre los electrodos; por
ejemplo, libros de texto con errores obvios o declaraciones engañosas
producen los errores conceptuales en los estudiantes.
3 Ibid., p. 821-823. 4 GARNETT, P. J. and TREAGUST, D. F. J. Res. Sci. Teach. 1992, 29, p. 121-142, 1079-1099. Citado por: SANGER, Michael and GREENBOWE, Thomas. Students’ misconceptions in electrochemistry: current flow in electrolyte solutions and the salt bridge. En: Journal of Chemical Education. Vol. 74, No 7 (July 1997); p. 819-823. 5 OGUDE, A. N. and BRADLEY, J. D. J. Chem. Educ. 1994, 71, p. 29-34. Citado por: SANGER, Michael and GREENBOWE, Thomas. Students’ misconceptions in electrochemistry: current flow in electrolyte solutions and the salt bridge. En: Journal of Chemical Education. Vol. 74, No 7 (July 1997); p. 819-823.
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En el estudio realizado por Boulabiar et al.6, se revelan las deficiencias en la
enseñanza de la electroquímica y sugieren la explicación molecular como una
táctica para superar dichas insolvencias. Las conclusiones a las que llegaron son las
siguientes:
• El modelo de enseñanza de la célula de Daniell, con énfasis en las reacciones
rédox en cada mitad de la célula no ayuda a los estudiantes, para ver la
célula como un sistema completo. Además se descuida la conductividad
iónica en el puente salino, lo cual impide probablemente, la construcción del
concepto de corriente iónica.
• Aunque se haya empleado la enseñanza de la célula de Daniell con buenas
intenciones para ayudar a la comprensión de algunas reacciones
electroquímicas, aparentemente estos actos son la fuente principal de
conceptos erróneos sobre la conductividad iónica.
• Finalmente se considera que es importante explicar los fenómenos
electroquímicos molecularmente y ayudar a los estudiantes a establecer
conexiones entre los procesos macroscópicos y microscópicos. La
simulación y visualización microscópica y los mecanismos de las reacciones
pueden facilitar la asimilación de fenómenos electroquímicos en la celda.
De la Plaza et al.7, Plantean la integración de varios aspectos que han
estimado de gran interés, tales como la interrelación de la Física y la Química, la
introducción de nuevos contenidos recomendados por la Asociación Nacional de
Químicos de España y otras organizaciones para la enseñanza de estas materias en
educación secundaria, la motivación de los alumnos de distintos niveles educativos
en relación con el medio ambiente y la vida cotidiana, así, como el reto que supone
la utilización creciente de fuentes alternativas de energía con las que las nuevas
generaciones deberán estar cada vez más familiarizadas; sin olvidar la figura del
profesor, que debe promover una formación que evite que se produzca una
separación cada vez mayor entre la ciencia que se explica en el aula y la ciencia
presente en la vida cotidiana. Teniendo en cuenta lo anterior en el presente estudio
se discuten algunos aspectos de la enseñanza de la electroquímica, destacando su
carácter interdisciplinar entre la física y la química, sus numerosas aplicaciones
prácticas en la vida cotidiana y su proyección en el desarrollo de nuevas fuentes de
6 BOULABIAR, Ahlem et al. A historical analysis of the Daniell cell and electrochemistry teaching in French and Tunisian textbooks. En: Journal of Chemical Education. Vol. 81, No. 5 (May 2004); p. 754 – 757 7 De la Plaza, M. et al. Aspectos didácticos de la electroquímica en relación con el medio ambiente. Universidad de educación a distancia, departamento de ciencias y técnicas fisicoquímicas. Madrid (2001); p. 313-319.
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energía y procesos industriales respetuosos con el medio ambiente; concluyendo
que los más importante es concienciar al alumno sobre la incidencia que la ciencia y
la tecnología, en particular la electroquímica, tienen en la vida actual; siendo esta
la labor del profesorado, pues hoy más que nunca es necesario dar a los alumnos
una formación científica y tecnológica adecuada que les proporcione conocimientos
para intervenir con criterio frente a los problemas a los que se enfrenta la sociedad
actual.
1.3 Construcción de electrodos
East y Del Valle8, consideran que una de las razones por las cuales las
prácticas de laboratorio relacionadas con la electroquímica no se llevan a cabo, se
debe al alto costo de los electrodos o a la toxicidad y riesgo que estos representan
para la salud de los alumnos.
Ante estas dificultades Thomas9, con los estudiantes de la escuela secundaria
técnica de Milwaukee, ha desarrollado un electrodo de referencia de Ag/AgCl junto
con un electrodo inerte de platino/nicromo, basados en los protocolos de las
publicaciones de la revista de educación química (Journal of Chemical Education),
para uso en las titulaciones potenciométricas. El electrodo construido de Ag/AgCl se
probó con un electrodo comercial de calomel, encontrando diferencias de 42 a 50
mV frente al valor teórico de un electrodo de Ag/AgCl, que permite un margen de
error de 46mV para KCl saturado, además una de las ventajas que presenta la
construcción de este electrodo, es que el alambre de Ag puede pulirse y usarse
nuevamente para la reconstrucción del mismo electrodo en caso de que muestre
índices de deterioro.
Vazquez y Tobón10, también han desarrollado un electrodo de referencia de
Ag/AgCl empleando como cuerpo principal una jeringa desechable de 5ml, evitando
de esta forma el uso de vidrio y fuego, lo cual es recomendable para estudiantes de
educación básica secundaria. Para construir este electrodo se abre un pequeño
8 EAST, G. A. and DEL VALLE M. A. Easy to make Ag/AgCl reference electrode, En: Journal of Chemical Education. Vol. 77, No 1 (January 2002); p. 97
9 THOMAS J. M. Studen construction of a gel-filled Ag/AgCl reference electrode use in a potenciometric titration, En: Journal of Chemical Education. Vol. 76, No 1 (January 1999); p. 97-98 10 VAZQUEZ, M. V. y TOBÓN, D. A. Potenciometría con electrodos de referencia económicos “tipo-jeringa”. Electrodo de referencia Ag/AgCl(s), En: Educación Química. Vol. 7, No 1 (enero de 2002); p. 37-38
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agujero en la base del émbolo, donde se sostiene el alambre previamente tratado
de AgCl con la ayuda de un pegamento tipo epóxico. La parte superior del alambre
de Ag (la que no contiene el depósito de AgCl) se suelda a un alambre de Cu para
no emplear un alambre de Ag demasiado largo en la construcción del electrodo, lo
cual disminuye los costos. Una vez que el émbolo está listo, el extremo del alambre
que contiene el depósito de Ag/AgCl(s) se dobla en forma de resorte antes de
introducirlo en la jeringa. Posteriormente al ensamblaje del electrodo, se aspira
solución saturada de KCl con la jeringa modificada teniendo la precaución que no
quede aire en su interior. Si el montaje fue adecuado, no es necesario emplear
tapones porosos ya que la solución interna permanecerá sin gotear.
Riyazuddin P.11, describe el ensamblaje de un electrodo de grafito multiusos,
sencillo y económico que satisface las necesidades de las prácticas de laboratorios
enmarcados en la electroquímica, tomando como materia prima el grafito contenido
en las baterías secas de referencia AA.
Antonijević, Vukanović y Mihajlović12, en su investigación sobre la
construcción de un electrodo indicador usando pirita monocristalina, reportaron lo
siguiente:
• El potencial del electrodo de pirita en soluciones acuosas muestra una
pendiente sub-Nernstiana. En soluciones acuosas la pendiente (mV/pH)
tiene un valor absoluto de 33.9.
• El salto de potencial en el punto final de la titulación de HCl, H3PO4 y
CH3COOH, no tienen diferencias significativas, cuando se compara el
electrodo de pirita y uno de vidrio comercial.
• En las curvas de titulación, los saltos de potencial para los ácidos titulados
obtenidos con el electrodo de pirita son más pequeños que aquellos para
los mismos ácidos (de las mismas concentraciones) obtenidos, usando un
electrodo de vidrio.
• En el transcurso de la titulación el potencial fue establecido en menos de un
minuto, aclarando que, en las cercanías del punto final de la titulación, este
tiempo aumentó a valores entre 1 y 2 min.
11 RIYAZUDDIN, P. Fabrication of a multipurpose graphite electrode assembly, En: Journal of Chemical Education. P. 342 12 ANTONIJEVIĆ, M.M.; VUKANOVIĆ, B. and MIHAJLOVIĆ, R. Natural monocrystalline pyrite as electrode material for potenciometric titrations in water, En: Talanta. Vol. 39, No 7 (september 1991-january 1992); p. 809 – 814
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• Los resultados obtenidos muestran que el electrodo de pirita puede ser
aplicado con éxito como electrodo indicador en titulaciones
potenciométricas de ácidos con bases.
• El electrodo de pirita puede ser usado con éxito, en titulaciones de
precipitación, de complexiometría y de óxido-reducción en medio acuoso, al
igual que en titulaciones ácido–base en medios no acuosos (Carbonato de
propileno, tetrahidrofurano y piridina–N,N–dimetilamida).
En una segunda publicación Antonijević, Mihajlović y Vukanović13, presentan
las siguientes conclusiones respecto a los resultados obtenidos en las titulaciones
potenciométricas de Fe(II), Mn(II), Fe(CN)64 -, C2O4
2- y As(III) con una solución de
permanganato de potasio estándar usando como sensor la pirita monocristalina:
• El punto final de la titulación se detectó con un electrodo universal
cuyo sensor fue la pirita cristalina natural.
• Los resultados obtenidos usando el electrodo de pirita se compararon
con aquéllos obtenidos usando un electrodo de platino, y se obtuvo
buena concordancia tanto en reproducibilidad como en exactitud.
• Los potenciales en el transcurso de la titulación y en el punto final se
establecieron rápidamente.
• El desempeño de la pirita en todos los sistemas investigados estuvo de
acuerdo con lo esperado. Se obtuvieron saltos superiores con los sistemas
dónde la diferencia entre los valores de los potenciales estándares eran
mayores. También fueron registrados saltos superiores, en el punto
equivalente, en los casos dónde el medio puede influir en el equilibrio de la
reacción (titulación de Fe(II) en H3PO4 o Mn(II) en medio de pirofosfato a pH
6.0).
• La pirita como sensor es conveniente para la detección del punto final en las
titulaciones rédox potenciométricas en las que se usa una solución de
Mn(VII) estándar.
13 ANTONIJEVIĆ, M.; MIHAJLOVIĆ, R. and VUKANOVIĆ, B. Natural monocrystalline pyrite as sensor for potentiometric redox titrations. Part I. Titrations with permanganate, En: Sensors. No 2 (april 2002); p. 153-163.
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2. JUSTIFICACIÓN
A lo largo de la existencia del hombre se han explicado fenómenos químicos
tanto microscópica como macroscópicamente, empleando a menudo
representaciones y modelos matemáticos como estrategia de enseñanza, que
permiten realizar cálculos numéricos y predecir comportamientos.
Los profesores dentro de sus destrezas, han llevado gran parte del
conocimiento histórico de la química al aula de clase por medio de narraciones y
cortometrajes, usando vocabulario apto para estudiantes de educación básica y
media; otros, para una mejor aprehensión del conocimiento químico por parte de
los estudiantes han optado por reproducir los experimentos que realizaron los
autores de las teorías y las leyes más importantes. Igualmente, muchos profesores
se han limitado a la práctica exhaustiva de las clases magistrales y unos pocos han
seguido la línea del aprendizaje significativo, tratando de no desasir el conocimiento
científico del conocimiento cotidiano de los alumnos en formación.
Aunque son varias las innovaciones que se han desarrollado para mejorar
cada día la enseñanza de la química en el aula, como exigencia de un mundo en
continuo cambio donde profesores y alumnos se ven en la obligación de evolucionar
en todo aspecto, se sigue diagnosticando una posible falencia en los intentos por
tratar de ilustrar el comportamiento molecular de ciertos fenómenos químicos de
una forma no convencional y estática en la oratoria docente durante una clase
magistral.
De otro lado, las prácticas de laboratorio constituyen una herramienta
complementaria a las clases magistrales y son la oportunidad para que el
estudiante interactúe directamente con determinados fenómenos, que le permiten
comprender y explicar hechos reales. Sin embargo, ninguna de las dos partes
(clases magistrales y prácticas de laboratorio) suple la necesidad de una explicación
dinámica microscópica, y es aquí donde el desarrollo de este trabajo pretende
diseñar una propuesta, aprovechando el documento audiovisual, en el que se
ilustren los procesos electroquímicos moleculares fundamentales que explican los
fenómenos macroscópicos, vivenciados en las prácticas de laboratorio, teniendo en
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cuenta que el empleo de estrategias educativas, particularmente el uso del
documento audiovisual en el aula de clase, se ha convertido en una herramienta
importante para el mejoramiento del rendimiento escolar, pues este se suele
emplear como motivación y al mismo tiempo como método de enseñanza en
alumnos de cualquier edad, género, grado e institución.
Además, se pretende mostrar en este caso particular, la electroquímica como
eje articulador de los conceptos químicos básicos de: soluciones, iones, óxido-
reducción y espontaneidad de las reacciones, desde el uso del documento
audiovisual en las clases magistrales y las prácticas de laboratorio, puntualizando,
en que las prácticas de laboratorio de electroquímica no son usuales en el aula
escolar, debido a que los electrodos a emplear pueden ser poco accesibles, ya sea
por su toxicidad o su elevado costo. Teniendo en cuenta esta problemática
adicional, se ha planteado, para complementar el presente trabajo, la construcción
de electrodos no tóxicos y económicos, con los cuales los estudiantes podrán
experimentar.
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3. OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL:
• Diseñar una propuesta para la enseñanza y mejoramiento de la
aprehensión de los conceptos electroquímicos, trabajados como ejes
articuladores en las aulas de clase en la educación básica y media.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
• Diseñar animaciones en flash para ilustrar los procesos electroquímicos moleculares y la construcción de electrodos de referencia y electrodos indicadores.
• Construir electrodos de fácil ensamblaje y económicos para llevar a cabo las prácticas de laboratorio de electroquímica, requeridas para una adecuada aprehensión de la misma.
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4. MARCO REFERENCIAL
4.1 Enseñanza de la química
De acuerdo a BrocK14, en el siglo XVIII existían distintos métodos a través de
los cuales las personas con cierta formación podían recibir educación científica; sin
embargo poca ciencia llegaba a la clase trabajadora.
Uno de los primeros esfuerzos para popularizar la ciencia, fue el de:
“Benjamin Thompson (conde de Rumford), quien el 7 de marzo de 1799, fundó la
Royal Institution of Great Britain, cuyo propósito era difundir el conocimiento y
facilitar la introducción general de invenciones y mejoras mecánicas útiles, y
enseñar, mediante cursos de conferencias filosóficas y experimentos, la aplicación
de la ciencia a las finalidades comunes de la vida. Con todo y esto no había
escuelas nocturnas, ni cursos por correspondencia, ni bibliotecas públicas”15, que
facilitasen tal labor.
A principios del siglo XIX la industrialización y el desarrollo de escuelas
técnicas hizo posible una enseñanza más amplia de las ciencias, de esta forma en
1845 dos de los discípulos de Liebing fundaron y dirigieron el Royal College of
Chemistry, de carácter público, lo cual influenció para que en la década de 1860,
después de un entendimiento más profundo de la física, biología y química, la
naciente comunidad científica empezara a sumar un poderoso grupo de presión
para formar una enseñanza más sistemática.
El 15 de agosto de 1884 Armstrong, empezó a hacer pública su crítica a
cerca de la enseñanza de las ciencias y los métodos didácticos del aprendizaje
centrados en el profesor, siendo uno de los grandes exponentes del método
heurístico de aprendizaje, dedicando su vida a defender que la comprensión de las
ciencias se obtenía a través de la práctica.
14 BROCK, William. Historia de la Química. Madrid: Alianza Editorial, 1998. p. 327.
15 CARMONA, Gerardo y GOLDSTEIN, Patricia. Versión escrita de la contribución al Simposio Michael Faraday por los doscientos años de su nacimiento. Universidad Autónoma de México, Facultad de Ciencias, 18 de septiembre de 1991.
19
En 1895 en una reunión de la American Chemical Society referente a la
enseñanza de las ciencias, se recalcó la importancia de la existencia de laboratorios
y profesores calificados en las instituciones educativas.
En 1920 Ida Freund, mujer pionera en la enseñanza de las ciencias en el
Newnham College en Cambridge, contribuyó notablemente a reforzar la importancia
de los experimentos ilustrativos en el aprendizaje de las leyes fundamentales de la
química.
En 1930 la American Chemical Society estableció los mínimos conocimientos
químicos que debían enseñar las escuelas, implementando en 1939 el sistema de
créditos, aún vigente en algunas partes del mundo.
En 1970 las nuevas ideas sobre la psicología del aprendizaje, la filosofía, la
sociología y la didáctica de la ciencia colaboraron en la reconstrucción de los planes
de estudio, de las prácticas de clase y de laboratorio, tratando de crear una ciencia
para todo el mundo en lugar de una ciencia para unos pocos16, consigna que
fundamenta la enseñanza actual de la ciencia.
4.2 La unidad didáctica como propuesta de enseñanza-aprendizaje en las aulas de clase
Aun que no hay una definición universal del concepto de unidad didáctica, los
diferentes autores coinciden, en que la construcción o readaptación de las unidades
didácticas van a depender de cada profesor, del contexto familiar y sociocultural del
estudiante, así, como de los objetivos y los planes de estudio de cada una de las
instituciones. Además la mayoría de las unidades didácticas se muestran
enmarcadas en el modelo constructivista, como un diseño organizacional de las
actividades a desarrollar sustentadas a partir de los objetivos y la selección de
contenidos, sin dejar de lado los recursos disponibles y la evaluación de las metas
propuestas y alcanzadas, donde el alumno es el responsable de la construcción de
su conocimiento y el profesor se presenta como una guía en el proceso de
enseñanza-aprendizaje.
16 BROCK, Op cit. p. 325-397.
20
Para Fernández et al.17, la construcción de la unidad didáctica es una
concepción ligada al pensamiento del profesor y al modelo didáctico que cada uno
ejerce. Desde el modelo didáctico constructivista, muy influido por la psicología del
aprendizaje, el punto de partida es lo que los alumnos ya saben, es decir el
conocimiento de las teorías de los alumnos y de sus ideas previas determinará una
secuencia de actividades en la que dichos preconceptos se irán poniendo en
cuestión y reelaborando. Por tanto la unidad didáctica es un conjunto de ideas, que
incluye no solo los contenidos de la disciplina y los recursos necesarios para el
trabajo diario, sino unas metas de aprendizaje, una estrategia que ordene y regule
en la práctica escolar los diversos contenidos del aprendizaje, donde el trabajo
práctico avance en paralelo con el teórico, sin una separación definida y bajo la
guía del profesor.
Amparo Escamilla18, concibe la unidad didáctica como una forma de planear el
proceso de enseñanza-aprendizaje al rededor de un elemento de contenido que se
convierte en eje integrador del proceso, aportándole consistencia y significado. Esta
forma de organizar conocimientos y experiencias debe considerar la diversidad de
elementos que contextualizan el proceso (nivel de desarrollo del alumno, medio
sociocultural, medio familiar y recursos disponibles) para regular la práctica de los
contenidos, seleccionar los objetivos básicos que pretende conseguir, las pautas
metodológicas con las que trabajará, las experiencias de enseñanza-aprendizaje y
los mecanismo de control del proceso.
Adúriz et al. 19, muestran que cada diseño de unidad didáctica debe valorarse
en función de los objetivos que se persignan y del contexto concreto (para qué
alumnos, para qué escuela, para qué docente, para qué interacción profesor-
alumno, para qué comunidad, entre otros.) en el que se implemente. Desde las
nuevas visiones sobre el aprendizaje y sobre la enseñanza refuerza la idea de que
la creación o adaptación de las unidades didácticas de cada docente a su realidad
particular (objetivos, contexto, estilo y demás) debería considerarse una tarea
ineludible para los enseñantes, desde el paradigma constructivista, en el que se
considera que son los propios alumnos quienes construyen su conocimiento y donde
la función principal del profesorado es promover este proceso, que será contextual,
distinto para cada estudiante y para cada grupo-clase.
17 FERNÁNDEZ, José et al. ¿Cómo hacer unidades didácticas innovadoras? Sevilla: Diada editora, 1999. p. 9-20
18 ESCAMILLA, Amparo. Unidades didácticas. Una propuesta de trabajo en el aula. España: EDELVIVES, 1993. p. 39. 19 ADÚRIZ, Agustín et al. Unidades didácticas en ciencias y matemáticas. Bogotá: Cooperativa editorial magisterio, 2005. p. 15.
21
4.3 El documento audiovisual
“Aprovechando el hecho de que los jóvenes se sienten fuertemente atraídos
por la televisión; Porcher, Jacquinot, Matilla, Ferrés, Moderno, Pinto y muchos otros
investigadores son perentorios al afirmar, que la escuela debería preocuparse más
por el uso de los documentos audiovisuales en clase”20, sin embargo es necesario
aclarar que el documento audiovisual no se limita a la televisión, ya que algunos
programas de computador, videos, videos interactivos y películas cinematográficas,
también hacen parte de la categorización de este tipo de documentos. Es claro
entonces que además de la televisión, los estudiantes se sienten atraídos por las
herramientas que ofrecen los computadores y concernientes a estos como medio de
transmisión, por lo cual el profesor debe interesarse por el uso del documento
audiovisual, cualquiera que sea su presentación, como parte de la práctica
educativa, independientemente del área de conocimiento que se esté impartiendo.
4.3.1 Definición
El documento audiovisual se define según Rodríguez21, como aquel que en un
mismo soporte contiene imágenes en movimiento, información visual y sonido, sin
distinción de soporte físico ni de forma de grabación y que requiere un dispositivo
tecnológico para su grabación, transmisión, percepción y comprensión. Se
caracteriza por su dualidad o carácter mixto, su diacronía que le viene dada por el
canal audio, y su opacidad que le hace ser dependiente de la tecnología para el
acceso al contenido.
4.3.2 Principios didácticos y funciones pedagógicas de los documentos audiovisuales
Cabero22 ha establecido parámetros didácticos que deben cumplir los
documentos audiovisuales llevados al aula y Alejandra Caballero23 ha determinado
algunas de las funciones pedagógicas de los documentos audiovisuales.
20 CLARO LOFF, Op cit. p. 13 21 RODRÍGUEZ BRAVO, Blanca. El documento audiovisual en las emisoras de televisión: selección, conservación y tratamiento, En: Biblios. Año 5, No 20 (octubre-diciembre de 2004); p. 29-39. 22 CABERO ALMENARA, Julio. Propuestas para la utilización del Video en los Centros. Universidad de Sevilla (1995) 23 CABALLERO, Alejandra. El Audiovisual como herramienta pedagógica. Alejandría S.A.
22
Principios didácticos
• El aprendizaje no se encuentra en función del documento, sino
fundamentalmente con base en las estrategias y técnicas didácticas que se
aplique sobre él.
• El profesor es el elemento más significativo para concretar el documento
dentro de un contexto determinado de enseñanza-aprendizaje.
• Antes de pensar en términos de qué documento, debemos plantearnos para
quién, cómo lo vamos a utilizar y qué pretendemos con él.
• Todo documento no funciona en el vacío sino en un contexto complejo:
psicológico, físico, organizativo y didáctico, de manera que el documento se
verá condicionado por el contexto y simultáneamente condicionará a éste.
• Los documentos son transformadores vicariales de la realidad, nunca la
realidad misma.
• Los documentos por sus sistemas simbólicos y formas de estructurarlos,
determinan diversos efectos cognitivos en los receptores, propiciando el
desarrollo de habilidades cognitivas específicas.
• El alumno no es un procesador pasivo de información, por el contrario es un
receptor activo y consciente de la información mediada que le es
presentada, de manera que con sus actitudes y habilidades cognitivas
determinará la posible influencia cognitiva, afectiva, o psicomotora del
documento.
• Los documentos por sí solos no provocan cambios significativos ni en la
educación en general, ni en los procesos de enseñanza-aprendizaje en
particular, por lo cual siempre necesitarán ir de la mano del profesor en un
contexto escolar.
Funciones pedagógicas del documento audiovisual
Innovar: la utilización de un audiovisual significará para los estudiantes una
nueva situación y creará un entorno distinto con su incorporación. Si bien la
cualidad innovadora del audiovisual es indiscutible, habría que agregar que el
efecto novedad es relativo y que cuando se introduce cualquier nueva tecnología en
el aula, tiende a capturar la atención tanto del alumno como del profesor; sin
embargo, con el uso y la costumbre, esta eficacia disminuye naturalmente. El
medio comienza a desempeñar su verdadero significado, con lo que pierde los
valores que inicialmente se le conceden, si no se aplican con sentido y estrategias
23
didácticas. Aprovechar sólo esta “garantía” no dará los frutos necesarios si no va
acompañada de las estrategias didácticas necesarias.
Motivar: por las posibilidades que ofrecen para captar y capturar la atención
de los alumnos. Motivar con el video consiste en actuar sobre un grupo con el fin de
sensibilizarle con relación a un tema, aprovechando que la imagen suele ser más
eficaz que la palabra para provocar sensaciones y sentimientos. El poder motivador
y la capacidad para captar y mantener la atención de los receptores es una de las
ventajas que destacan la mayoría de los autores. Se le atribuyen cargas emotivas y
afectivas a la imagen en particular y a los medios audiovisuales en general, debido
a la semejanza con la realidad que suelen poseer. Uno de los factores más
importantes para que el aprendizaje significativo se produzca, es la motivación.
Introducir una temática: el audiovisual puede mostrar una visión general
acerca de un tema, en donde el profesor puede destacar los conceptos básicos
para luego profundizar en los contenidos más específicos.
Recordar requisitos o apelar a experiencias previas: con un audiovisual
podemos presentar información, reglas, principios, actitudes determinadas o
síntesis de algún tema que el alumno deba poseer antes de comenzar un
aprendizaje nuevo. Se entienden como las conductas de entrada que serán
necesarias para un aprendizaje posterior. Los aprendizajes nuevos se ensamblan de
alguna manera con las experiencias previas de los alumnos, las que pueden
permitir predisponer positivamente a los alumnos con un contenido en particular,
aunque también se corre el riesgo de que la predisposición sea negativa.
Presentar o transmitir información: transmite contenidos del currículum que
pueden servir de apoyo a las exposiciones del profesor o a otras lecturas. El
audiovisual posee la capacidad de comunicar de manera sintética grandes
cantidades de información, posibilitando la construcción de múltiples asociaciones y
relaciones.
Estructurar la realidad: al ser el audiovisual un elemento mediador, y gracias
a los diferentes sistemas simbólicos que moviliza, tiende a presentar la realidad de
formas específicas. Permite mostrar lugares, acontecimientos, seres vivos, partes
del cuerpo, actualidad internacional, entre otros, los cuales de otra manera no
podrían se conocidos por los alumnos.
24
Configurar el tipo de relación entre profesores y alumnos: la utilización de un
medio en particular y las estrategias didácticas que se inserten en una clase,
determinarán la relación que se establezca entre profesores y alumnos, como
también, el clima de aprendizaje que se produzca. Las relaciones que se
establezcan determinarán también la motivación de los estudiantes y la adquisición
de más o menos aprendizajes significativos.
Formar: ayudan a la adquisición de información, y a la formación de
habilidades y actitudes. Puede promover destrezas y habilidades cognitivas o
actitudinales. Un audiovisual puede mostrar dominios que apelen al uso de
determinadas destrezas y habilidades cognitivas, herramientas intelectuales y de
acción que permitan manipular y procesar información.
Confrontar o contrastar ideas y enfoques: un audiovisual puede apelar a la
capacidad de análisis y a la conformación de conceptos o teorías a través de la
confrontación de ideas. Ayuda a develar significados y concepciones ocultas y
difíciles de abordar.
Cerrar un tema: así como el medio nos permite introducir una temática,
también puede cumplir la función de cerrar una unidad o actividad de aprendizaje,
y no sólo porque permita sintetizar los contenidos trabajados; también puede dejar
abiertas las nuevas interrogantes para la unidad siguiente o para la reflexión
posterior, por ejemplo fuera del contexto pedagógico.
Reforzar: el material puede ser reutilizado para reforzar ideas, actitudes ó
procedimientos determinados. Puede que un medio tenga otra función potencial y
que en un momento determinado sea utilizado para reforzar un aprendizaje que ha
sido estimulado por otro medio.
Ejercitar: si un audiovisual presenta situaciones problemáticas referidas a una
disciplina en particular, además de indicar posibles caminos de solución de estos
problemas; puede ser utilizado como estímulo para la ejercitación y discusión por
parte del estudiante. Además de audiovisuales propiamente disciplinarios que
entregan métodos o procedimientos concretos de una disciplina, los que pueden
permitir servir de modelos en la ejercitación de habilidades y procedimientos.
Promover problemáticas o conflictos: un audiovisual puede presentar un
estudio de caso en donde se desarrolle un problema o conflicto no resuelto. El
25
alumno puede participar en la creación de las posibles soluciones o salidas al
conflicto. El conflicto cognitivo y su solución es una excelente estrategia
pedagógica, ya que requiere del desarrollo de múltiples habilidades y aprendizajes
adquiridos. Se recomienda para la finalización de una unidad y la evaluación final
de una unidad.
Evaluar: si se utiliza un audiovisual para estimular la comprobación del
aprendizaje del alumno, ya sea la retención de información, la aplicación de reglas
y principios, el nivel y calidad de interpretar situaciones. Se puede usar como medio
evaluador.
4.4 La informática en Colombia
Montes24 ostenta, que cuando el primer computador llegó al país, el 3 de
marzo de 1957, la informática era una disciplina desconocida, una verdadera
ciencia oculta en Colombia y en la mayor parte del mundo.
El gran IBM 650 fue traído por Bavaria, la empresa pionera en la
sistematización del país; para esa época no se había inventado entonces el
transistor, tampoco las pantallas electrónicas, los ratones, los discos duros, ni los
disquetes y mucho menos, las memorias portátiles, por lo cual la información se
almacenaba en tarjetas perforadas y la memoria era un tambor en forma cilíndrica
recubierto de una superficie magnética que permitía procesar la información
representada en las tarjetas.
En 1961 Fabricato adquirió un IBM 1401, el primer computador con
transistores que llegó al país, con el que Colombia entró en lo que se conoce como
la segunda generación de la industria informática.
En cuanto a la educación, las universidades fueron las primeras que
empezaron a recibir poco a poco los beneficios de la computación, en la mayoría de
los casos por donaciones de la empresa privada. De hecho, los dos primeros IBM
650 existentes en Colombia, fueron donados a las universidades Nacional y de los
24 MONTES, Álvaro. Llegaron los Computadores [en línea]. Colombia, © 2006 COLOMBIALINK.COM [citado en junio de 2006]. Disponible en Internet: http: // www. colombialink. Com / 01_INDEX/index_historia/07_ otros_ hechos_ historicos/0320_llegaron_computadores.html
26
Andes, en donde se crearon los primeros grupos de trabajo en sistemas
informáticos de la academia colombiana.
Aunque la adquisición del IBM 1401 y la incursión de la informática en los
campos académicos marcaron pautas importantes en la historia computacional del
país, el momento clave posiblemente se halla más adelante, a inicios de la década
de los 80, cuando un grupo de profesionales demostrando una gran visión
tecnológica, ejecuta la propuesta a escala internacional de comercializar
microcomputadores.
Manuel Dávila, ingeniero de sistemas de la Universidad de los Andes, junto
con el matemático Iván Obregón fundaron ese año Microtek, la primera compañía
formal de importación de microcomputadores establecida en el país, que obtuvo la
representación comercial de la marca RadioShack y aventajó en unos meses a
Apple, que también inició operaciones oficiales ese mismo año, por iniciativa de
Germán Arciniegas. También en esta década, cuando llegaron más computadores al
país, había una pequeña pero dinámica comunidad de desarrolladores de software,
que aspiraba desempeñar un papel en esa industria naciente. Pero las tendencias
internacionales y las políticas macroeconómicas sometieron al país en el papel de
consumidor de paquetes tecnológicos importados, a pesar de que, en palabras de
Manuel Dávila, creador del primer paquete de software administrativo hecho en
Colombia, "está demostrado que para desarrollar la industria del software
no se requiere ser un país desarrollado, lo que se necesitan son políticas y
decisiones".
Los años 90 trajeron nuevas tecnologías, especialmente la Internet, a la que
el país se conectó oficialmente desde 1995 gracias a gestiones del ingeniero Hugo
Sin y su equipo de trabajo de la Universidad de los Andes. A pesar de los grandes
provechos informáticos, en la actualidad colombiana, las tasas de adquisición de
computadores son muy bajas si se compara con las de países desarrollados.
27
4.5 La electroquímica
4.5.1 Su historia
Posiblemente Galvani fue el antecesor más notorio en la evolución histórica de
la electroquímica. Tathall25, cuenta que Galvani descubrió que los nervios de las
ranas constituían un electroscopio medidor de carga, de una sensibilidad cien veces
mayor que la de los aparatos más pequeños de construcción artesanal presentes en
dicha época.
De acuerdo a Aldaz26, sin más medios que un generador electrostático y una
botella de Leyden, Galvani comenzó en la década de 1780, el estudio de la
estimulación muscular mediante descargas eléctricas sobre ranas disecadas. En
cierta ocasión mientras Galvani experimentaba, uno de sus ayudantes, tocó por
azar el nervio crural de una de las ranas con la punta de un bisturí y se
sorprendieron al ver que las ancas se contraían bruscamente. Otro ayudante que
manipulaba el generador afirmó que el espasmo había coincidido con el salto de
una chispa en el aparato, lo que hizo que Galvani interpretara el fenómeno como
una consecuencia al estímulo externo provocado por la chispa, que a través del
bisturí incidía en el nervio de la rana y se descargaba sobre el músculo.
Después de un tiempo Galvani sacrificó y disecó una docena de ranas; la
médula espinal de cada una de ellas fue atravesada por un gancho de bronce y
fueron colgadas de una barandilla de hierro en la balaustrada de su casa para
secarlas. Un día sin nubes, Galvani observó que las ancas de aquellas ranas se
movían con torsiones y espasmos una y otra vez, pues un ligero viento era
suficiente para que los ganchos tocasen la barra de hierro, en cuyo instante se
producía el espasmo, de ahí que inicialmente concluyera que este fluido, tenía su
origen en la electricidad atmosférica que se acumulaba lentamente en el interior del
animal y se descargaba súbitamente como si se tratara de una botella de Leyden
cuando el gancho de bronce y la balaustrada de hierro cerraban el circuito a través
de las ranas. Posteriormente Galvani construyó con dos metales soldados arcos
metálicos que simplificaban sus experiencias, un extremo del arco tocaba la médula
y el otro, el músculo del anca de la rana. Los espasmos se verificaban cada vez que
los nervios y los músculos de las ancas se conectaban a los extremos del arco,
prescindiendo por tanto, del generador electrostático y de las barandillas de hierro,
25 TATHALL, Edgar. Historia de la electricidad. Madrid: Continente, 1965. p. 39–47 26 ALDAZ, Antonio. Electroquímica y pilas de combustible: de ataño a hogaño. Universidad de Alicante 1991.
28
además de otros artilugios. De esta forma publicó en 1791 su obra De viribus
electricitatis in motu musculari commentarius, donde explicaba que los animales
contenían una electricidad propia generada en el cerebro que pasaba a través de
los nervios hacia el centro de los músculos, cargándolos positivamente en relación a
la zona externa que era negativa.
El descubrimiento hecho en el laboratorio de Galvani despertó, entre los
investigadores, aún más el interés por el estudio de la electricidad. En efecto,
Alessandro Volta, profesor de Pavia, fue uno de los primeros científicos que trató de
confirmar la teoría de Galvani. Este personaje, comenzó por admitir la teoría,
aunque no veía las cosas muy claras, ya que si las patas de rana se agitaban, se
debía a una carga eléctrica exterior provocada por el contacto de dos metales
diferentes y no por la electricidad animal como lo afirmaba Galvani. Convencido de
que el simple contacto bastaba para producir la carga, Volta con el fin de obtener
una mejor conexión eléctrica acopló discos metálicos con almohadillas de cartón o
de telas humedecidas y para reforzar estas cargas insignificantes, construyó una
batería apilando pares unos sobre otros. De esta forma nació, en 1796, la pila de
Volta.
Después de Volta, muchos experimentadores trabajaron en sus laboratorios
para crear una pila mejor. Varios de los experimentos que se llevaron acabo con
ese fin se hicieron usando peligrosos ácidos como electrólitos. Por otra parte, su
utilidad práctica era bastante discutible, ya que se descargaban con mucha rapidez
por lo cual, las pilas sólo tenían alguna utilidad en experimentaciones de laboratorio
de física.
En 1836, John F. Daniell, un hombre inglés, logró fabricar una pila diferente
con una mayor utilidad. El primer invento de esta célula (la célula de Daniell) fue
exitosa puesto que había mejorado el rendimiento electroquímico evitando varios
problemas técnicos que presentaba la célula de Volta.
De acuerdo con Vinal27 la primera célula de Daniell fue hecha de un cuerno de
buey hueco que se llenó con ácido sulfúrico diluido, en el cual se sumergió una
varilla de cinc y se rodeó con un cilindro de cobre lleno de una solución saturada de
sulfato de cobre. En 1869, el ácido sulfúrico se reemplazó por el sulfato de zinc o
27 VINAL, G. W. Les piles électriques, En: Dunod, (1953). Citado por: BOULABIAR, Ahlem et al. A historical analysis of the Daniell cell and electrochemistry teaching in French and Tunisian textbooks. En: Journal of Chemical Education. Vol. 81, No. 5 (May 2004); p. 754
29
el cloruro de sodio. Como estos últimos materiales no eran peligrosos como los
ácidos, la pila resultante era más segura para su uso.
Por otro lado el descubrimiento inicial de la pila ayudó a Sir Humphrey Davy a
realizar diversos experimentos. Davy se ocupó de la descomposición de los cuerpos
compuestos, mediante el paso de una corriente eléctrica y finalmente inventó un
sistema para medir con exactitud la cantidad eléctrica, según la proporción de
hidrógeno y oxígeno liberados en la descomposición del agua. Tras los líquidos
Davy estudió los sólidos; en aquella época, la potasa eran una sustancia ordinaria
considerada como cuerpo simple, es decir, se creía que estaba formada por un solo
compuesto. Davy fundió potasa en una cuchara de platino, en seguida aplicó la
corriente de su batería y se vio recompensado con la aparición, en la masa
fundida, de pequeños glóbulos de un metal plateado, algunos de los cuales ardieron
inmediatamente. El extraño y nuevo metal era el potasio, al que nunca hasta
entonces se había visto en forma de elemento28.
El examen cuidadoso del fenómeno de descomposición electrolítica llevó a
Faraday a enunciar las leyes cuantitativas de la electroquímica. La primera ley de la
electroquímica establece que la masa liberada en un electrodo es proporcional a la
cantidad de electricidad que se hace pasar a través de la solución, y la segunda ley
nos dice que, para sustancias diferentes, el peso depositado para una cantidad de
electricidad igual, es proporcional a su correspondiente peso químico equivalente.
También hay que señalar que Faraday propuso dar el nombre de electrólisis a
la ruptura de moléculas por una corriente eléctrica. Llamó electrolito a la solución a
través de la cual fluía la corriente, electrodos a las varillas de metal introducidas en
la solución, y evitó llamarles polos opuestos, pues demostró que no eran polos de
fuerza. Al electrodo positivo le llamó ánodo y al negativo cátodo. A las cargas en
movimiento a través de la solución las llamó iones, que quiere decir viajero en
griego, llamando de esta forma a los iones que viajan en dirección al ánodo aniones
y a los que se dirigen al cátodo, cationes29.
Cerca de 1835 se abre una nueva etapa en la Química, Berzelius, un sabio
sueco introduce el concepto de catálisis. Según este concepto, ciertas reacciones se
28 TATHALL, Op cit. p. 41 29 Carmona y Goldstein, Op cit.
30
pueden producir más rápidamente en presencia de una sustancia extraña a la
reacción.
Posteriormente en 1839 Grove obtuvo corriente eléctrica empleando
electrodos de platino. Grove justifica esta obtención de corriente utilizando los
principios de la catálisis recientemente descubierta por Berzelius, pues el platino de
los electrodos actuaba como catalizador. Profundizando en su análisis, en 1842
llego a la conclusión de que el funcionamiento de la nueva pila, a la que dio el
nombre de pila voltaica a gas, sería tanto mejor cuanto mayor fuera la superficie de
contacto entre el catalizador, los gases y la disolución30.
En el año de 1859, un inventor francés de nombre Gaston Plante, desarrolló la
primera pila considerada de utilidad ya que se podía recargar varias veces. Sin
embargo fue Georges Leclanché quien desarrolló la primera pila seca segura de
transportar puesto que estaba recubierta con láminas de acero y fue él, quien abrió
el camino para que hoy se pueda tener a disposición todos aquellos objetos que
funcionan con energía almacenada debido a que fue el primero en pensar en hacer
electricidad portátil.
4.5.2 Definición
La electroquímica es la parte de la fisicoquímica que muestra “la asociación de
dos realizaciones del genio creativo del hombre mediante las cuales ha modificado
las condiciones de su existencia, la electricidad de una parte y la química de otra”31.
Según Nuñez y Pelaez32, la electroquímica además estudia la estructura,
propiedades y fenómenos que ocurren en los electrodos y en los conductores
electrolíticos, tanto cuando a través de ellos fluye una corriente eléctrica, como
cuando se encuentran en equilibrio. De acuerdo a esto, dicha rama de la
fisicoquímica está compuesta por dos grandes partes:
30 TATHALL, Op cit. p. 40 31 CLAVILIER, Jean Maurice. Discurso pronunciado con motivo de su investidura como doctor honoris causa por la universidad de alicante [en línea]. [España]: página mantenida por el Gabinete de Protocolo, jul. 2005 [citada en marzo de 2006]. Disponible en http://cervantes.cpd.ua.es/es/congresos/protocolo 32 NÚÑEZ VALDÉS, Carlos y PELAEZ ABELLÁN, Ernesto. Electroquímica Iónica: Estudio de los Electrolios en equilibrio. México: 1984. v.2, p. 34–64.
31
Los sistemas iónicos o teoría de los electrólitos: la cual estudia las
propiedades y estructura de los electrolitos, en estado de equilibrio y bajo el paso
de una corriente eléctrica.
Los sistemas electródicos: la cual estudia las propiedades y estructura de
los electrodos, también en estado de equilibrio (termodinámica electroquímica) y
bajo el paso de una corriente eléctrica (cinética electroquímica).
Con base en los sistemas anteriores, Skoog y Leary33 diferencia dos procesos
enmarcados en las células electroquímicas.
Los procesos galvánicos: se caracterizan contrario a los electrolíticos, por
la producción de energía eléctrica, es decir la energía química se convierte en
energía eléctrica y la energía libre de Gibbs para este tipo de células determinará
que las reacciones participantes serán espontáneas.
Los procesos electrolíticos: se caracterizan por consumir energía de una
fuente eléctrica externa, necesaria para llevar a cabo las reacciones, es decir, la
energía eléctrica se convierte en energía química, por lo cual, las reacciones serán
de tipo no espontáneo de acuerdo a la energía libre de Gibbs.
Cada uno de estos procesos está acompañado principalmente, del fenómeno
de óxido–reducción y el transporte de carga, en función de otros procesos como el
potencial eléctrico, el equilibrio químico, el pH y la energía libre de Gibbs entre
otros.
Clavijo34, Skoog y West35, coinciden en que independientemente del tipo de
célula electroquímica que se tenga, galvánica o electrolítica, esta debe consistir de
dos conductores llamados electrodos (cátodo y ánodo), sumergidos en la misma
solución electrolítica o en dos soluciones electrolíticas diferentes en recíproco
contacto a través de un puente salino o una membrana; además, debe existir un
detector o un elemento que muestre una señal gracias a la energía generada, en el
33 SKOOG, Douglas y LEARY, James. Análisis Intrumental. 4 ed. España: Mc Graw Hill, 1994. p. 522–528 34 CLAVIJO DÍAZ, Alfonso. Fundamentos de química analítica. Bogotá: Universidad Nacional de Colombia, 2002. p. 363–368. 35 SKOOG, Douglas y WEST, Donald. Química analítica. 6 ed. México: Mac Graw Hilll, 1995. p. 260-264
32
caso de las celdas galvánicas, o gracias a una fuente de energía externa requerida
en las celdas electrolíticas.
El cátodo de una célula electroquímica, está definido como el electrodo donde
se lleva a cabo la semi–reacción de reducción y el ánodo, es el electrodo donde se
lleva a cabo la semi–reacción de oxidación, donde la oxidación es la pérdida de
electrones y la reducción es la ganancia de los mismos.
4.5.3 Clases de electrodos
Esencialmente existen dos clases de electrodos: Los electrodos de referencia,
que se utilizan para determinar el potencial de media celda de uno de los electrodos
cuando este es desconocido y junto con esta clase de electrodos se emplea una
segunda, que son los electrodos indicadores cuya respuesta se hace
intencionalmente dependiente de la concentración del analito.
4.5.3.1 Electrodos de referencia
En muchas aplicaciones electroanalíticas es deseable que el potencial de
media celda de uno de los electrodos sea conocido, constante y completamente
insensible a la composición de la solución en estudio. Un electrodo con estas
características, se denomina electrodo de referencia, el cual debe ser fácil de
montar, proporcionar potenciales reproducibles y tener un potencial sin cambio con
el paso de pequeñas corrientes36, dentro de esta clasificación se puede encontrar
los electrodos de hidrógeno, los calomelanos y los electrodos de metal-ion del
metal.
• Electrodo de hidrógeno: el electrodo de hidrógeno puede ser utilizado como
electrodo de referencia para la obtención de los potenciales relativos de media
celda y como electrodo indicador de la concentración de hidrogeniones.
Cuando este electrodo trabaja a presión de una atmósfera y a una
concentración 1 M de [H+], se le asigna un valor arbitrario de 0.00 voltios a
cualquier temperatura. El presente electrodo está ensamblado con una lámina
de platino dentro de un tubo de vidrio al cual se le suministra un flujo de
hidrógeno37,38.
36 SKOOG y LEARY, Op cit. p. 553 37 Ibit. p. 535
33
• Electrodo de Calomel: un electrodo de calomelano está provisto de dos
tubos, el tubo interior, que tiene Hg, Hg2Cl2 en mutuo contacto con una
solución saturada de KCl que se halla en el tubo exterior. (figura 1)
Figura 1. Electrodo de referencia de calomel39
• Electrodo metal-ion del metal: en este tipo de electrodos se puede
encontrar los de Ag/AgCl y Cu/CuSO4, donde la plata y el cobre metálico
están en equilibrio con una disolución que contiene iones Ag+ y Cu++
respectivamente.
4.5.3.2 Electrodos indicadores
Los electrodos indicadores son fundamentalmente de dos tipos, denominados
metálicos y de membrana selectiva para iones.
38 BOCKRIS, O. M. y REDDY, K. N. Electroquímica Moderna, vol. 1. España: Reverté S. A., 1978. p. 4–33 39
Figura. 18-11. tomada de SKOOG y LEARY, Op cit. p. 556
34
Electrodos indicadores metálicos
• Electrodos de primer orden: se utilizan para la cuantificación del catión
proveniente del metal con que está construido el electrodo, como los de
mercurio, plomo, plata, cobre y cadmio.
• Los electrodos de segundo orden: responden de forma indirecta a los aniones
que forman precipitados escasamente solubles o complejos con su catión
• Electrodos para sistemas rédox: este tipo de electrodos es por sí mismo
inerte; el potencial que desarrolla depende únicamente del potencial del
sistema de óxido–reducción de la solución en la que está sumergido, ejemplo
de esta clase de electrodos son los de platino y oro40.
Electrodos indicadores de membrana selectiva de iones.
“Un electrodo de membrana selectiva de iones contiene una membrana de
vidrio, cristalina, polimérica o líquida, de naturaleza tal que la diferencia de
potencial entre la membrana y una disolución electrolítica, con la que está en
contacto, viene determinada por la diferencia de actividades de un ión en particular
a los dos lados de la membrana”41.
• Electrodos de vidrio: desde hace muchos años, el método más adecuado para
la medida del pH consiste en medir el potencial que se desarrolla a través de
una delgada membrana de vidrio que separa dos soluciones con diferentes
concentraciones de ión hidrógeno42. El vidrio contiene un red tridimensional
de átomos de Si y O enlazados covalentemente con una carga negativa neta,
a esto se suman iones positivos, por ejemplo de, Na+, Li+, Ca++, en los
espacios vacíos de la red de Si–O. Los iones positivos de los metales alcalinos
pueden moverse a través del vidrio, dándole una conductividad eléctrica muy
débil43.
40 Ibit. p. 562-565 41 LEVINE, Ira. Fisicoquímica. 5 ed. Vol. 2. España: Mc Graw Hill, 2004. p. 555 42 SKOOG y LEARY, Op cit. p. 563 43 LEVINE, Op cit. p. 555
35
• Electrodo de membrana líquida: estos deben su respuesta al potencial que se
produce a través de la interfase, entre la solución que se analiza y un líquido
no miscible que se une en forma selectiva con el ión que se va a cuantificar.
• Electrodos de estado sólido o precipitados: la selectividad de una membrana
de vidrio se debe a la presencia de sitios aniónicos en su superficie que
presentan especial afinidad hacia ciertos iones con carga positiva. Por
analogía, una membrana que tenga sitios catiónicos semejantes, podría
responder en forma selectiva a los aniones. Para explorar esta posibilidad, se
han realizado esfuerzos para fabricar membranas de sales que contengan el
ión de interés y un catión que precipite en forma específica dicho anión de las
soluciones acuosas.
• Electrodos detectores de gases: consisten en un electrodo de referencia, un
electrodo específico para un ión y una solución electrolítica ubicada en un tubo
de plástico cilíndrico. En un extremo del tubo se coloca una membrana
reemplazable, delgada y permeable a los gases, que sirve para separar la
solución del electrolito interno de la solución problema. La membrana puede
estar constituida por una película microporosa de un plástico hidrofóbico; el
agua y los electrolitos no pueden pasar a través de los poros de la película
por sus propiedades hidrofóbicas. De esta forma, los poros contienen
solamente aire u otros gases a los cuales la membrana está expuesta44.
44 SKOOG y LEARY, Op cit. p. 562-567
36
5. DISEÑO METODOLÓGICO
5.1 Hipótesis
La construcción de electrodos sencillos, no tóxicos y económicos, así, como la
representación audiovisual dinámica de los fenómenos moleculares, como
complemento de las prácticas de laboratorio y de las clases magistrales de
electroquímica, enmarcadas en una propuesta didáctica, mejora la enseñanza y
aprehensión de los conceptos electroquímicos en las aulas de clase en la educación
básica y media.
La hipótesis en el presente trabajo se plantea de forma teórica puesto que no
hay una aplicación total de la propuesta didáctica y para comprobarla en un futuro,
se sugiere la selección de dos grupos de grado undécimo con características
similares, con el fin de implementar en uno de ellos el uso del documento
audiovisual previamente diseñado y las prácticas de laboratorio donde se
emplearán los electrodos construidos por los mismos alumnos; mientras que en el
segundo grupo se propone que se supriman estas herramientas de la propuesta
didáctica y de esta forma inferir si hay un mejoramiento significativo en la
aprehensión con el empleo de las herramientas de la propuesta didáctica, frente a
la supresión de las mismas, comparando lo resultados obtenidos de los dos grupos.
5.2 Variables
Dependientes
• Estrategia de enseñanza
• Capacidad del estudiante de aprehensión
• Articulación de algunos conceptos básicos de la química,
empleando experimentos de electroquímica
Independientes
• Diseño del documento audiovisual
• Construcción de electrodos
37
5.3 Instrumentos
Pertenecientes al área química
Reactivos
• Grafito
• Plata
• Cobre
• Pirita
• Sulfato de cobre (CuSO4)
• Nitrato de potasio (KNO3)
• Yoduro de potasio (KI)
• Cloruro de potasio (KCl)
• Cloruro de sodio comercial
(NaCl)
• Fenol
• Gelatina sin sabor
• Agar
Materiales
• Tubos de Vidrio de Diferente
diámetro
• Tubos de Plástico (Jeringas
3mL)
• Tapones de caucho
• Tapas Gl14 Schott Duran
• Resistencia de 1500Ω
Equipos
• Multímetro ProteK 506
• Agitador Magnético
• Batería de 9 Voltios
• Espectrofotómetro UV-Vis,
Ocean Optics
• Equipo de titulación
Pertenecientes al área didáctica
• Encuesta para alumnos (anexo 1)
• Test de ideas previas (anexo 2)
• Documento Audiovisual “El Electrón”
• Test de evaluación sobre el documental “El Electrón” (anexo 3)
38
5.4 Procedimiento
El procedimiento está basado en: 1) la construcción, estudio de la estabilidad
y aplicabilidad de los electrodos; 2) la construcción del documento audiovisual y 3)
la valoración diagnóstica aplicada a estudiantes de grado undécimo de la I.E.D.
Manuelita Sáenz. Los resultados obtenidos del procedimiento, son los que permiten
construir el planteamiento de la propuesta didáctica para la enseñanza y
mejoramiento de los conceptos electroquímicos en la educación básica y media.
5.4.1 Construcción de electrodos
Los protocolos empleados en el presente trabajo, muestran una alternativa
económica y no tóxica para la construcción de electrodos de referencia (Ag/AgCl y
Cu/CuSO4) y electrodos indicadores (grafito y pirita) en aulas de educación básica
secundaria.
Construcción de electrodos de Referencia de Cu/CuSO4: para la
construcción de los electrodos de referencia de cobre sulfato de cobre (Cu/CuSO4)
se tuvieron en cuenta los siguientes pasos.
Preparación del alambre de cobre: un alambre de cobre aproximadamente de
una longitud de 9.5cm y un diámetro de 3mm se limpió durante un minuto con
ácido nítrico concentrado (HNO3) y se dejó secar al aire libre, puliéndolo
posteriormente con papel abrasivo fino.
Preparación de la mezcla de agar: se preparó una mezcla de agar al 5%
(p/p) con una solución saturada de nitrato de potasio (KNO3). Esta mezcla se
calentó hasta que se obtuvo una contextura espesa y transparente la cual se
mantuvo en caliente hasta que llegó la hora del ensamblaje del electrodo.
Ensamblaje del electrodo: en un tubo de vidrio de 8mm de diámetro interno,
12mm de diámetro externo en la parte superior y aproximadamente 9.5cm de
longitud incluyendo el fragmento capilar, se depositó un poco de mezcla de
Agar/KNO3, asegurándose que la parte capilar del tubo quedara completamente
llena y evitando la formación de burbujas de aire. Después de solidificada la
mezcla, el resto del tubo se llenó con una solución saturada de sulfato de cobre
(CuSO4) y se agregó cristales de CuSO4. Finalmente, parte del alambre de cobre
se introdujo al tubo de vidrio y se inmovilizó con el tapón de caucho previamente
39
taladrado y la tapa Gl 14 Schott Duran, quedando de esta forma una parte de
alambre sobresaliente la cual permite el contacto eléctrico (esquema a. de la
figura 2.)
Como alternativa para llevar a cabo ensamblajes de electrodos de referencia
de Cu/CuSO4 en las aulas de clase de educación básica y media, se ha diseñado el
electrodo del esquema b. (figura 2.), en el cual se reemplaza el tubo de vidrio por
un tubo de plástico obtenido de las jeringas comerciales de 3ml; de igual forma se
ha diseñado el electrodo del esquema c. (figura 2.), en el que se reemplaza
además del tubo de vidrio, el agar por gelatina sin sabor preparada al 50% (p/p)
con KNO3 saturado. Finalmente se diseñó el electrodo del esquema d. (figura 2.),
en donde se remplaza el tubo de vidrio por el tubo de plástico, el agar por gelatina
sin sabor y el KNO3 por NaCl comercial. El protocolo de ensamblaje es el mismo
tanto para los electrodos de tubo de vidrio como para los de tubo plástico.
Figura 2. Esquemas de electrodos de referencia de Cu/CuSO4
a. Ensamblaje de vidrio y agar/ KNO3; b. Ensamblaje de plástico y agar/ KNO3;
c. Ensamblaje de plástico y gelatina/ KNO3; d. Ensamblaje de plástico y gelatina/NaCl
40
Construcción de electrodos de referencia de Ag/AgCl: para la
construcción de los electrodos de referencia de plata cloruro de plata (Ag/AgCl) se
siguieron los pasos que se muestran a continuación.
Preparación del Alambre de Plata: se conectó un alambre de plata de 5cm de
longitud y 1mm de diámetro, a la terminal positiva de una batería de 9voltios. La
terminal negativa de la batería fue conectada en serie a una resistencia de
1500Ω45, un amperímetro y 10cm de alambre de cobre de calibre 12. El potencial
sobre el alambre de plata se midió respecto de un electrodo de referencia de
Ag/AgCl con un voltímetro (figura 3). Los dos alambres (Ag y Cu) y el electrodo
de referencia fueron sumergidos en 50ml de KCl 0.1M a una profundidad desde la
punta del alambre, de 3cm, dejando correr la reacción durante 20 minutos.
Posteriormente el Alambre de Ag recubierto de AgCl, se lavó suavemente con agua
destilada y se dejó secar durante 24 horas en la oscuridad.
Figura 3. Esquema del circuito empleado para la electrodeposición de AgCl
Preparación de la mezcla de agar: la mezcla de agar para el ensamblaje del
electrodo de plata cloruro de plata, se preparó de igual forma que la mezcla de
agar para el ensamblaje de los electrodos de cobre sulfato de cobre.
Ensamblaje del electrodo: como se muestra en el esquema a. de la figura 4,
para el ensamblaje del electrodo de plata cloruro de plata (Ag/AgCl) se siguió el
mismo protocolo usado en la construcción de los electrodos de cobre sulfato de
45 THOMAS, Op cit. p. 97-98
41
cobre (Cu/CuSO4) con ensamblaje en vidrio, cambiando la solución saturada de
sulfato de cobre (CuSO4) por una solución de cloruro de Potasio (KCl 3.5M), los
cristales de Cu/CuSO4 por cristales de nitrato de plata (AgNO3) como fuente de
iones Ag+ y el alambre de cobre por el alambre de Ag/AgCl. Los electrodos de
referencia de Ag/AgCl, de igual forma pueden ser ensamblados en plástico
(esquema b., figura 4).
Figura 4. Esquema de los electrodos de referencia de Ag/AgCl
a. Ensamblaje en vidrio y agar/ KNO3; b. Ensamblaje en plástico y agar/ KNO3
Construcción de electrodos indicadores de grafito: para el ensamblaje
de los electrodos de grafito tan solo se requiere barras de grafito de cualquier
diámetro y cualquier longitud, de igual forma se necesita tubos de vidrio con
diámetros internos similares o iguales al diámetro de las barras de grafito y de
longitudes menores a dichas barras (figura 5). Sin embargo para este caso en
particular se emplearon barras de grafito de 0.5cm de diámetro con 10 cm de
longitud, las cuales fueron soldadas a los tubos de vidrio con resina epóxica
comercial, evitando de esta forma que quedaran filtraciones o espacios entre el
tubo de vidrio y el grafito.
42
Activación de electrodos de grafito: se preparó una solución de
permanganato de potasio (KMnO4) 1M y fue acidificada con unas gotas de ácido
sulfúrico (H2SO4) concentrado46. Posteriormente, la superficie del grafito que se
predestinó para hacer contacto con los diferentes analitos, fue sumergida durante
20 minutos en esta solución.
Figura 5. Esquema de un electrodo de grafito
Construcción de electrodos indicadores de pirita: para construir el
electrodo de pirita se pulió una pequeña porción de mineral con ayuda de una
herramienta rotatoria para pulido, hasta que se obtuvo un cilindro
aproximadamente de 0.5cm de diámetro y 1cm de altura (figura 6). Posteriormente
0.3cm de longitud del cilindro de pirita se fijaron con resina epóxica a un tubo de
vidrio de 8cm de altura y un diámetro similar al de la pirita, el cual fue llenado con
una solución de KCl 3.5M. Finalmente se introdujo un alambre de cobre que se
acopló al tubo mediante un tapón de caucho.
46 RIYAZUDDIN, P. and DEVICA, D. Potentiometric acid–base titrations with activated graphite electrodes, En: Journal of Chemical Education, Vol. 74, No. 10 (October 1997); p. 1198–1199.
43
Figura 6. Esquema de un electrodo de pirita
5.4.2 Potencial, resistencia y estabilidad de los electrodos
Para determinar la estabilidad de los electrodos construidos, se midió la
variación del potencial de cada electrodo en el tiempo, haciendo un seguimiento de
la señal durante 1 hora a una celda de KCl 0.1M*,47empleando como referencia los
electrodos de Ag/AgCl construidos en el laboratorio (ensamblaje en vidrio y en
plástico) y un electrodo de Ag/AgCl comercial. Como electrodos de trabajo se
usaron los electrodos restantes construidos en el laboratorio (Cu/CuSO4 ensamblaje
en vidrio, Cu/CuSO4 ensamblaje en plástico-agar/KNO3, Cu/CuSO4 ensamblaje en
plástico-gelatina/KNO3, Cu/CuSO4 ensamblaje en plástico-gelatina/NaCl, grafito
activado y sin activar). También se hizo un seguimiento de la señal a la misma
celda durante el mismo tiempo, empleando electrodos de la misma especie en el
cátodo y el ánodo, esperando que el potencial medido fuera igual a cero (0). En el
caso del electrodo indicador de pirita se realizó un seguimiento de la señal durante
1 hora a una celda con diferentes soluciones de pH (2, 4, 6, 8, 10 y 12)
Posteriormente se midieron las resistencias (figura 7) de los electrodos de
referencia en una solución de KCl 0.1 M usando como electrodo de referencia un
electrodo de Ag/AgCl construido previamente en el laboratorio y aplicando un
potencial de 0.5 voltios entre ellos. Cada lectura se tomó después de 3 segundos de
aplicado el potencial. * La solución KCl 0.1M de la celda estuvo en constante agitación y fue cambiada cada cuatro ensayos, cada uno de una
hora.
44
Figura 7. Esquema del circuito empleado para medir resistencias
5.4.3 Aplicabilidad de los potenciales de los electrodos
Con los siguientes procedimientos se evalúa de forma experimental,
cualitativa y cuantitativamente, la respuesta de los electrodos indicadores
construidos en el laboratorio, realizando titulaciones potenciométricas y
construyendo una pila galvánica y una celda electrolítica, donde se valora la utilidad
de la energía que se produce o que se emplea dentro de los procesos
electroquímicos, articulando adicionalmente, conceptos como la concentración de
las soluciones, energía libre de Gibbs, transporte de electrones, potencial eléctrico y
fenómenos de óxdio-reducción.
Titulaciones potenciométricas
Para determinar la aplicabilidad en el aula de clase de los potenciales de
electrodos indicadores en compañía de los electrodos de referencia (ambos de fácil
construcción), se realizaron titulaciones potenciométricas ácido base y titulaciones
de óxido-reducción con un sistema de captura de datos como se muestra en la
figura 8. Para el primer caso se titularon alícuotas de 10ml de hidróxido de sodio
(NaOH) 0.1M con ácido clohídrico (HCl) 0.2M y para el segundo caso se titularon
alícuotas de 10ml de V4+ 0.1M y 0.003M con permanganato de potasio (KMnO4)
0.00165M.
45
Figura 8. Esquema de captura de datos para titulaciones potenciométricas
Procesos galvánicos y electrolíticos
Para ilustrar la aplicabilidad y la importancia de los procesos electroquímicos,
se han planteado los siguientes procedimientos que pretenden ser de fácil montaje
y contextualizados dentro de un marco ambiental en la propuesta didáctica.
Proceso galvánico: se construyó una pila con cinco celdas en serie
conectadas entre sí por medio de electrodos de grafito (figura 9), cada celda
contenía 20mL de yoduro de potasio (KI) 0.7M y 20mL de hipoclorito de sodio
comercial 0.7M en las respectivas semi-células, las cuales estuvieron en mutuo
contacto por medio de puentes salinos (tubos de vidrio en U con diámetros de
1.1cm y alturas de 4.1cm) a base de agar al 10%(p/p) con KNO3 saturado. Para ver
la aplicabilidad de los procesos galvánicos se conectó un bombillo “led” (Light
Emitting Diode) y se midió el potencial con un multímetro.
Figura 9. Esquema de una pila galvánica con 5 celdas en serie
46
Proceso electrolítico: se construyó una celda electrolítica (figura 10) con
dos electrodos de grafito (10cm de longitud y 0.5cm de diámetro), 50ml de una
solución de fenol de 26.7 ppm, KCl 0.01M como electrolito soporte y una fuente de
energía la cual proporcionó 4 voltios. Durante la degradación electroquímica de la
muestra de fenol, esta estuvo en continua agitación y se tomaron espectros UV-
Visibles cada 15 minutos durante 5 horas con un espectrofotómetro UV-Vis marca
Ocean Optics.
Figura 10. Esquema de una celda electrolítica
5.4.4 Valoración diagnóstica
Para la valoración diagnóstica se aplicó una encuesta y un test de ideas
previas, a estudiantes (mujeres y hombres) de grado undécimo entre 14 y 20 años,
de la jornada tarde de la I. E. D. Manuelita Sáenz.
La Institución Educativa Distrital Manuelita Sáenz ubicada entre la carrera 3
Este y la calle 18 Sur, con una trayectoria educativa de 27 años, hace parte de los
13 entes educativos oficiales de la localidad de San Cristóbal en Bogotá; cuenta
con 133 profesores en las dos jornadas (mañana y tarde) y ofrece los niveles de
básica primaria, secundaria y media técnica en las áreas de tecnología y química
ambiental48.
48 Institución Educativa Distrital Manuelita Sáenz. Manual de convivencia. Bogotá, 2006. p. 3-34
47
En esta institución, 119 estudiantes de los 5 cursos de grado undécimo
(jornada tarde) participaron de la encuesta para determinar las tendencias acerca
de la informática, los documentos audiovisuales en el proceso de enseñanza-
aprendizaje, así como la forma de enseñanza de los fenómenos moleculares que
ejerce el profesor el las clases de química.
Además de la encuesta, se realizó la estandarización del test de ideas previas
a un grupo de 32 estudiantes de la misma institución y una vez estandarizado el
test, se aplicó a dos grupos (grupo experimental con 27 estudiantes y grupo de
comparación con 31 estudiantes) paralelos al grupo de estandarización.
5.4.5 Construcción del documento audiovisual
El documento audiovisual se realizó bajo el formato de flash, en el cual se han
ilustrado tres aspectos importantes dentro de la electroquímica. 1) el
comportamiento molecular de los procesos electroquímicos (células electrolíticas y
células galvánicas), donde se abarca la representación de fenómenos de óxido–
reducción, movimiento iónico y transporte de electrones, potencial eléctrico, la
espontaneidad de las reacciones y el pH; 2) los protocolos empleados para la
construcción de electrodos de referencia (Cu/CuSO4 y Ag/AgCl) y electrodos
indicadores (grafito y pirita), y 3) los experimentos de Luigi Galvani y Alessandro
Volta como fuente del desarrollo histórico de la electroquímica.
48
6. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
6.1 Resultados químicos
Los resultados pertenecientes al área de química, fueron obtenidos para
asegurar la estabilidad y funcionalidad de los electrodos en procesos
electroquímicos y galvánicos, antes de la enseñanza de la construcción de los
mismos en las aulas de clase de educación básica y media.
6.1.1 Potencial, resistencia y estabilidad de los electrodos de referencia
Potencial: Petrucci49 concibe básicamente el potencial celular (E0Cel) ó la fuerza
electromotriz (fem) como una diferencia de potencial relativa entre dos electrodos
(electrodo de referencia y electrodo de trabajo), la cual genera un flujo de
electrones desde el electrodo con una mayor acumulación de densidad de carga
electrónica, hacia el electrodo con una densidad de carga eléctrica menor, en una
celda electroquímica que se calcula de acuerdo a la ecuación 1.
E0Cel = E0
Cátodo – E0Ánodo (1)
La gráfica 1 muestra la variación de este potencial celular, empleando en cada
caso, dos electrodos de referencia de la misma especie construidos en el
laboratorio, es decir, electrodos de Cu/CuSO4 como ánodo (electrodo de referencia)
y electrodos de Cu/CuSO4 como cátodo (electrodo de trabajo), o electrodos de
Ag/AgCl contra electrodos de Ag/AgCl.
49 PETRUCCI, Ralph y HARWOOD, William. Química General. Principios y aplicaciones modernas. 7 ed. España: Prentice Hall, 1999. p. 227-228.
49
Gráfica 1. Potencial de electrodos de referencia de la misma especie en función del tiempo
-0.025
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Tiempo (s)
E (V
)
________•________ Cu/CuSO4 (plástico–agar/KNO3) vs Cu/CuSO4 (vidrio–agar/KNO3) ________•________ Cu/CuSO4 (plástico–gelatina/KNO3) vs Cu/CuSO4 (vidrio–agar/KNO3) ________•________ Cu/CuSO4 (plástico–agar /KNO3) vs Cu/CuSO4 (plástico–gelatina/KNO3) ________•________ Ag/AgCl (plástico–agar/KNO3) vs Ag/AgCl (vidrio–agar/KNO3) ________•________ Ag/AgCl (vidrio–agar/KNO3) vs Ag/AgCl (comercial) ________•________ Ag/AgCl (plástico–agar/KNO3) vs Ag/AgCl (comercial)
Se esperaría que el potencial de cada sistema de electrodos fuera cero (0), ya
que en principio las parejas de electrodos son iguales; sin embargo la desviación
del potencial respecto del punto cero se debe entre otros al potencial de unión
líquida (Eul) y al potencial óhmico (IR) (ecuación 2).
E0Cel = (E0
Cátodo – E0Ánodo ) + Eul + IR (2)
Potencial de unión líquida: este potencial se produce al poner en contacto dos
soluciones distintas, debido a que en su interfaz se origina una redistribución de
especies por medio de la difusión y es esta redistribución la que provoca una
diferencia de voltaje llamada potencial de unión líquida, que genera medidas
inexactas50,51,52,53. Por ejemplo, en la tendencia de los datos del sistema Cu/CuSO4
(plástico-agar/KNO3) vs Cu/CuSO4 (plástico-gelatina/KNO3) de la primera gráfica, 50 NÚÑEZ y PELAEZ, Op cit. p. 646–673. 51 HARRIS, Daniel. Análisis Químico Cuantitativo. 2 ed., en español. Barcelona: Reverté S.A, 2001. p. 373-375 52 POSADAS, D. Introducción a la electroquímica. Waschington D.C: Secretaría General de la Organización de los Estados Americanos, Programa Regional de Desarrollo Científico y Tecnológico, 1980. p. 6-9 53 VASSOS, B. H. y EWING, G. W. Electroquímica Analítica. México: Limusa S.A., 1987. p. 57-59
50
para cada uno de los electrodos se generan dos interfases, una entre el agar/KNO3
o gelatina/KNO3 y la solución de sulfato de cobre saturada del electrodo y otra
entre el agar/KNO3 o gelatina/KNO3 y la solución de KCl 0,1M de la celda (figura
11).
Figura 11. Esquema de la movilidad de los iones que causa la formación del potencial de unión líquida en los
electrodos de referencia de Cu/CuSO4
En la primera interfaz, los iones Cu++ y SO4= de la solución saturada de CuSO4
se difundirán hacia el gel/KNO3 (gelatina o agar) y los iones de K+ y NO3¯ del gel se
difundirán hacia la solución de CuSO4. Como las dos soluciones para esta interfaz
están saturadas las cargas de los lados dependerán, de la movilidad de los iones
(tabla1) y no de la concentración.
Los iones K+ tienen mayor movilidad que los iones Cu++, de esta forma la
solución KNO3 se empobrece más rápidamente en iones K+, que la solución CuSO4
en iones Cu++, por lo cual el lado CuSO4 se carga positivamente y el lado KNO3 se
carga negativamente. Además, al comparar las movilidades por unidad de carga,
los iones SO4= muestran una menor movilidad frente a los iones NO3¯, esperando
de esta forma que los iones NO3¯ carguen negativamente el lado CuSO4, sin
embargo, los iones K+ tienen mayor movilidad que los iones NO3¯, de ahí que se
corrobore la carga positiva del lado CuSO4 y la carga negativa del lado KNO3.
51
En la segunda interfaz (KNO3–KCl) las cargas de los lados dependerá tanto de
la movilidad de los iones como de la concentración de los mismos, por lo cual, los
iones NO3¯, que están en mayor concentración en el gel se difunden más
rápidamente hacia el lado del KCl, que los iones Cl¯ en el lado gel/KNO3 (a pesar de
la mayor movilidad del Cl-, por efecto de mayor concentración); de esta forma se
esperaría que el lado del KCl quedara cargado negativamente y el lado del gel/KNO3
quedara cargado positivamente; sin embargo, los iones K+ del lado gel/KNO3 como
están en mayor concentración que los iones K+ de lado KCl pasarán más
rápidamente que los iones K+ del lado del KCl. Para determinar la carga de los lados
de la interfaz se compara la movilidad entre los iones K+ y NO3¯ que pasan al lado
del KCl, de acuerdo a esto se establece que el lado del KCl queda cargado
positivamente, puesto que la velocidad de los iones K+ es mayor que la velocidad
de los iones NO3¯ y en consecuencia el lado KNO3 queda cargado negativamente
además de los anterior, porque algunos iones Cl¯ pueden pasar a la región del
KNO3. Un análisis más preciso de la anterior situación, requiere cálculos que van
más allá del objetivo del presente escrito.
Tabla 1. Movilidades de los iones en agua a 25ºC54
Ion Movilidad [m2/(s·V)] x 10–8
H+ 36,30
K+ 7,62
Ag+ 6,42
Cu++ 5,56
Na+ 5,19
OH¯ 20,50
SO4= 8,27
Cl¯ 7,91
NO3¯ 7,40
La dinámica de difusión de los iones de los dos electrodos en el sistema que
inicialmente se nombró, Cu/CuSO4-plástico-agar (cátodo) vs Cu/CuSO4 plástico-
gelatina (ánodo) es igual; no obstante, la cantidad de iones que se difunden
difiere dependiendo del uso de agar o gelatina, lo cual es evidenciado por los
+5mV que se obtuvieron de diferencia entre los dos geles. Este potencial
52 Valores tomados de la tabla 15.1 movilidades de los iones en agua a 25 ºC, HARRIS. Op cit. p. 374
52
resultante indica de igual forma que el cátodo es positivo respecto del ánodo debido
a una acumulación de carga positiva sobre la superficie del cátodo, generada por un
mayor flujo de la misma carga hacia dicho electrodo.
Otro punto que ayuda a explicar este potencial positivo generado, es la
resistencia eléctrica de cada electrodo, la cual depende particularmente del empleo
de agar o gelatina.
Resistencia eléctrica: la resistencia de los electrodos, genera en el circuito, un
potencial adicional al de unión líquida, conocido como potencial óhmico o caída IR,
el cual es la fuerza necesaria para vencer la resistencia de los iones al movimiento
hacia el ánodo ó el cátodo respectivamente55. Este potencial es igual al producto de
la corriente (A) y la resistencia (Ω).
Para ver el efecto de la caída IR de los electrodos sobre el potencial de la
celda del sistema en mención, se determinaron experimentalmente las resistencias
de los diferentes electrodos (tabla 2), donde los resultados obtenidos muestran que
el electrodo de Cu/CuSO4 (Gelatina/KNO3) presenta una mayor resistencia frente al
electrodo de Cu/CuSO4 (Agar/KNO3), de ahí que el primer electrodo en cuestión
usado como ánodo implica un menor paso de especies positivas hacia el, lo cual
fundamenta de manera adicional y cualitativa el potencial positivo observado. Esto
busca aportar elementos que expliquen el mecanismo del funcionamiento del
electrodo, para entender y simplificar las situaciones experimentales. Además en
este punto con el seguimiento de la señal de las celdas representadas por lo
potenciales ilustrados en cada gráfica, se pretende demostrar la estabilidad de los
electrodos de referencia construidos en el laboratorio.
Tabla 2. Resistencias de los electrodos de referencia
Electrodo Potencial aplicado (V)
Corriente medida (A x 10¯
6) Resistencia calculada
(KΩ) Cu/CuSO4 plástico-agar/KNO3 0.248 19.82 12.51
Cu/CuSO4 plástico-Gelatina/KNO3 0.240 18.98 12.64 Cu/CuSO4 plástico-Gelatina /NaCl 0.253 19.45 13.01
Cu/CuSO4 vidrio-agar/KNO3 0.280 17.14 16.34 Ag/AgCl plástico-agar/KNO3 0.197 23.85 8.26 Ag/AgCl vidrio-agar/KNO3 0.293 16.98 17.26
55 Skoog y Leary, Op cit. p. 549-550
53
Estabilidad de los electrodos: un electrodo de referencia ideal se caracteriza
principalmente por tener un potencial constante al paso de pequeñas corrientes
eléctricas56. Las tendencias de los datos de todos los sistemas de electrodos
(gráficas 1 a 5) presentan una variación promedio del potencial de 2mV en una
hora, demostrando así, la gran estabilidad de los electrodos de referencia
construidos en el laboratorio en comparación con un electrodo de Ag/AgCl
comercial.
Por otro lado, si se comparan los sistemas de las gráficas 2 a 5 en los cuales
se ha empleado el electrodo de referencia de Ag/AgCl comercial (Cu/CuSO4 vidrio–
agar/KNO3 vs Ag/AgCl comercial, Cu/CuSO4 plástico–agar/KNO3 vs Ag/AgCl
comercial y Cu/CuSO4 plástico–gelatina/KNO3 vs Ag/AgCl comercial), el sistema
Cu/CuSO4 (vidrio–agar/KNO3) vs Ag/AgCl (comercial) de la gráfica 2 muestra una
mejor correspondencia frente al valor esperado (valor experimental Ecel =0.084,
Valor esperado Ecel =0.113V), por lo que el vidrio y el agar/KNO3, serán los
materiales recomendados para la construcción de los electrodos. No obstante, los
otros electrodos siguen siendo útiles para fines didácticos, teniendo en cuenta que
van a existir diferencias sistemáticas, pero constantes, respecto de otros electrodos
como los comerciales.
Gráfica 2. Electrodo de Cu/CuSO4 vidrio-Agar/KNO3 (electrodo de trabajo) vs electrodos de Ag/AgCl (electrodos de referencia)
0.065
0.07
0.075
0.08
0.085
0.09
0.095
0.1
0.105
0.11
0.115
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Tiempo (s)
E (V
)
________•________ Ag/AgCl (plástico–agar/KNO3) ________•________ Ag/AgCl (vidrio–agar/KNO3) ________•________ Ag/AgCl (comercial)
56 Ibit. p. 553
54
Gráfica 3. Electrodo de Cu/CuSO4 plástico-Agar/KNO3 (electrodo de trabajo) vs electrodos de Ag/AgCl (electrodos de referencia)
0.015
0.025
0.035
0.045
0.055
0.065
0.075
0.085
0.095
0.105
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Tiempo (s)
E (V
)
________•________ Ag/AgCl (plástico–agar/KNO3) ________•________ Ag/AgCl (vidrio–agar/KNO3) ________•________ Ag/AgCl (comercial)
Gráfica 4. Electrodo de Cu/CuSO4 plástico-gelatina/KNO3 (electrodo de trabajo)
vs electrodos de Ag/AgCl (electrodos de referencia)
0.07
0.075
0.08
0.085
0.09
0.095
0.1
0.105
0.11
0.115
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Tiempo (s)
E (V
)
________•________ Ag/AgCl (plástico–agar/KNO3) ________•________ Ag/AgCl (vidrio–agar/KNO3) ________•________ Ag/AgCl (comercial)
55
Gráfica 5. Electrodo de Cu/CuSO4 plástico-gelatina/NaCl (electrodo de trabajo) vs electrodos de Ag/AgCl (electrodos de referencia)
0.07
0.075
0.08
0.085
0.09
0.095
0.1
0.105
0.11
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Tiempo (s)
E (V
)
________•________ Ag/AgCl (plástico–agar/KNO3) ________•________ Ag/AgCl (vidrio–agar/KNO3) ________•________ Ag/AgCl (comercial)
Se debe tener en cuenta que el electrodo comercial, se toma como referencia
frente a los otros electrodos de Ag/AgCl ensamblados en el laboratorio, puesto que
se asume que este tiene mayor estabilidad de su señal en el tiempo, menor
resistencia al paso de los iones y menor potencial de unión líquida.
Finalmente en el cuadro 1, se presentan las principales ventajas y
desventajas que los electrodos de referencia construidos en el laboratorio pueden
llegar a presentar a la hora de ser ensamblados por estudiantes de educación
básica y media, con base en los resultados y los análisis anteriores.
Cuadro 1. Ventajas y desventajas de los electrodos de referencia construidos en el laboratorio, como elementos didácticos en el aula de clase
Electrodo Ventajas Desventajas
Cu/CuSO4 Vidrio
Agar/KNO3
Al tener la parte capilar, la solución
de relleno se filtra menos lo que
hace que tenga un tiempo de vida
útil más largo
El potencial generado por el sistema
Cu/CuSO4 Vidrio vs Ag/AgCl
comercial es más próximo al valor
esperado. (Gráfica 2)
El tuvo de vidrio con las características capilares
es más difícil de adquirir y es más costoso para
estudiantes de colegio
56
Cu/CuSO4 Plástico
Agar/KNO3
El tubo de plástico es de fácil
adquisición y es más económico
Al no poseer un capilar, la solución de relleno se
filtra más, por lo cual tiene un tiempo de vida
útil menor en comparación con el electrodo
ensamblado en vidrio
Cu/CuSO4 Plástico
Gelatina/KNO3
La gelatina es más fácil de adquirir y
más económica que el agar.
La gelatina permite menos filtración
de la solución de relleno que el agar
La gelificación de la mezcla gelatina/ KNO3 es
más lenta que la gelificación de la mezcla agar/
KNO3.
Cu/CuSO4 Plástico
Gelatina/NaCl
La gelatina y el NaCl son de fácil
adquisición.
Su tiempo de vida útil es más
prolongado que el tiempo de vida
del electrodo Cu/CuSO4 Plástico
Agar/KNO3
La mezcla gelatina/NaCl dura en gelificarse a
temperatura ambiente, alrededor de 8 días
Ag/AgCl Plástico
Agar/KNO3 Es más económico
El potencial en el sistema Ag/AgCl Plástico vs
Ag/AgCl comercial se aleja más del punto cero
(Gráfica 1), es decir genera mayores potenciales
óhmicos y de unión líquida, lo que genera un
error sistemático en la medida del potencial.
Ag/AgCl Vidrio
Agar/KNO3
El potencial en el sistema Ag/AgCl
Vidrio vs Ag/AgCl comercial es más
cercano a cero (Gráfica 1), lo que
implica un menor error sistemático
en el potencial leido.
Es más costoso
6.1.2 Potencial de los electrodos indicadores
Frente a la construcción de los electrodos indicadores, se evalúa el potencial
generado por los electrodos de grafito cuando estos son sometidos a una activación
y de otro lado se valora la respuesta de los electrodos de pirita a diferentes pH.
6.1.2.1 Activación de los electrodos de grafito
En los grafitos, los átomos de carbono se agrupan creando estructuras
hexagonales planas unidas por fuertes enlaces covalentes, para formar diferentes
capas que permanecen acopladas entre si, por medio de fuerzas de Van der
Waals57. La secuencia de empaquetamientos de estas capas de átomos de carbono
permite diferenciar varios tipos de grafito: grafito hexagonal o Bernal, grafito
rombohedral y grafito hexagonal simple58.
57 SALAZAR, A., PASTOR, J. y LLORCA, J. Propiedades mecánicas y mecanismos de rotura de grafito y compuestos C/C a 77K y 300K. En: Anales de mecánica de la fractura, vol. 18, (2001), p. 247. 58 VILLAQUIRÁN, C., GÓMEZ, M. y LUIGGI, N. Cálculo de parámetros electrónicos para el grafito Bernal. En: Materials research. Vol. 5, No. 2, (agosto 2001-marzo 2002), p. 155.
57
Consecuentemente, el grafito suele exponerse como un electrodo idealmente
inerte, ya que generalmente no reacciona con las sustancias químicas. Sin embargo
cuando este es activado sumergiéndolo en una solución de KMnO4, el potencial que
genera en una celda electroquímica es mayor, frente al valor generado por un
electrodo de grafito sin activar (gráficas 6 y 7). Berkic y Carkt59, muestra este
suceso como resultado de la formación de un sistema rédox de quinona-
hidroquinona en la superficie del electrodo durante el proceso de activación, que
responde a cambios de concentración de los analitos en titulaciones
potenciométricas ácido-base y rédox, como se muestra más adelante.
Gráfica 6. Electrodo de grafito no activado
0.125
0.145
0.165
0.185
0.205
0.225
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Tiempo (s)
E (V
)
________•________ Grafito vs Ag/AgCl (vidrio-agar/KNO3) ________•________ Grafito vs Ag/AgCl (comercial) ________•________ Grafito vs Cu/CuSO4 (plástico-agar/KNO3) ________•________ Grafito vs Cu/CuSO4 (vidrio-agar/KNO3)
59 BERCIK, J. and CARKT, M. En: Anal. Chem. 261. 113 (1972) citado por: SELIG, Walter. Potenciometric titrations using pencil and graphite sensors. En: Journal of chemical education, vol. 61, No. 1, (January 1984), p. 81.
58
Gráfica 7. Electrodo de grafito activado
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Tiempo (s)
E (V
)
________•________ Grafito vs Ag/AgCl (vidrio-agar/KNO3) ________•________ Grafito vs Ag/AgCl (comercial) ________•________ Grafito vs Cu/CuSO4 (plástico-Agar/KNO3) ________•________ Grafito vs Cu/CuSO4 (vidrio-agar/KNO3)
Por otro lado si se observa el esquema de la figura 12, la diferencia entre el
electrodo de Cu/CuSO4 y el electrodo de grafito (activado y sin activar), es menor
en comparación con la diferencia entre el electrodo de Ag/AgCl y el electrodo de
grafito (activado y sin activar), lo cual justifica que en las gráficas 6 y 7 los
potenciales de celda con los electrodos de Cu/CuSO4 sean menores, que los
potenciales de celda generados por los electrodos de Ag/AgCl.
El potencial de grafito que se muestra en la figura 12 se determinó
experimentalmente, empleando en la celda una solución de KCl 0.1M con los
electrodos de referencia de Cu/CuSO4 y Ag/AgCl por medio de la ecuación 1.
59
Figura 12. Potencial de un electrodo de grafito
6.1.2.2 El electrodo de pirita como indicador de pH
La gráfica 9 muestra una caída de potencial significativa hasta los 500
segundos para pH 4, 6, 8 y 10, también muestra que a medida que decrece la
acidez de las soluciones los potenciales se vuelven más bajos.
60
Gráfica 8. Seguimiento de la señal del potencial de una celda a diferente pH con el electrodo de pirita y un electrodo
de referencia de Ag/AgCl vidrio-agar/KNO3
-0.35
-0.3
-0.25
-0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Tiempo (S)
E (V
)
________•________ pH 2 ________•________ pH 4 ________•________ pH 6
________•________ pH 8 ________•________ pH 10 ________•________ pH 12
Para analizar la respuesta del electrodo de pirita en función del pH es preciso
recordar el funcionamiento de un electrodo de vidrio, el cual está provisto de un
electrodo de referencia de Ag/AgCl interno no sensible al pH en una solución de HCl
y una delgada membrana de vidrio externa que es la que responde a cambios de
pH, ajustando el potencial a la siguiente ecuación60, 61.
E=Eref(int)-Eref(ext)+Easimetría+0.0592(pHint-pHext) (3)62
Como los términos de esta ecuación pueden ser asumidos como constantes a
excepción del pH exterior (pHext), la ecuación se puede simplificar de la siguiente
manera:
E = (Const) – 0.0592pH (4) 62
60 Skoog y Leary, Op cit., p. 264-570 61 VASSOS y EWING, Op cit., p. 62-64 62 Ibid, p. 63-64
61
Para efectuar mediciones de pH con este tipo de electrodos, se puede usar el
método de una sola solución reguladora de pH, de acuerdo a la siguiente ecuación:
Eamort – Edesc
pHdesc = pHamort + _________________ (5) 62
0.0592
El factor 0.0592V por unidad de pH representa la pendiente de la ecuación de
Nernst, es decir, todos los electrodos comerciales indicadores de pH están sujetos a
este valor. No obstante para los datos de la gráfica 9**63 se encontró una
pendiente sub–Nernstiana de un valor absoluto de 0.0374 lo que significa que el
electrodo de pirita no se ajusta al modelo propuesto.
Gráfica 9. Efecto del pH sobre el potencial del electrodo de pirita
y = -0.0374x + 0.1432R2 = 0.9957
-0.35
-0.3
-0.25
-0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
pH
E (V
)
Buffer de Glicina Buffer de Citrato Buffer de Fosfato Buffer de Glicina
Sin embargo la pendiente de la ecuación 4 puede ser reemplazada
teóricamente por la pendiente determinada en la gráfica 9; además, dado que en
una titulación no es importante el valor absoluto del potencial, sino la diferencia del
mismo en el punto equivalente, el electrodo de pirita se puede utilizar en
titulaciones potenciométricas ácido-base como electrodo indicador, ya que como se
ve en las gráficas 8 y 9, el potencial de este electrodo cambia en función del pH.
** Los datos de la gráfica 9 fueron tomados a los 30 minutos de la tendencia de los datos para cada pH de la gráfica 8
62
6.1.3 Aplicaciones de los potenciales de electrodos
Un potencial de electrodo se define de acuerdo a Skoog y West64 , como el
potencial de una celda formada por el electrodo en cuestión, que actúa como
cátodo (electrodo de trabajo) y el electrodo estándar de hidrógeno que actúa como
ánodo. A pesar de su nombre, un potencial de electrodo es en realidad, el potencial
de una celda electroquímica, que implica un electrodo de referencia de voltaje 0.00.
6.1.3.1 Titulaciones potenciométricas
Como resultado, los potenciales de las celdas electroquímicas, se emplean
regularmente para elaborar las curvas de titulaciones potenciométricas, debido a
que los electrodos indicadores responden a cambios de potencial en función de la
concentración de los analitos o titulantes.
Titulaciones ácido–base: las gráficas 10, 12 y 14 muestran el registro del
potencial cada segundo para titulaciones de 10mL de NaOH 0.1M con HCl 0.2M,
empleando electrodos de pirita, grafito sin activar y grafito activado.
La pirita y el grafito no activado generan potenciales bajos cuando son
sometidos a pH básico, a medida que la titulación va ocurriendo el potencial de la
celda aumenta hasta obtener un salto significativo cuando se llega al punto de
equivalencia.
Si se analiza el caso particular de la pirita, esta es ligeramente soluble en
soluciones acuosas dando como resultado iones Fe++ de acuerdo a la siguiente
ecuación65.
64 SKOOG y WEST., Op cit., p. 269, 285-293. 65 ANTONIJEVIĆ, VUKANOVIĆ, and MIHAJLOVIĆ., Op cit. p. 811-812
63
FeS + 8H2O → Fe++ + 2SO4= + 16 H+ + 14e¯
Consecuentemente el ión Fe++ es oxidado a Fe+++ utilizando el oxígeno
disuelto como aceptor final de electrones y consumiendo protones; de ahí que el
aumento del potencial esté ligado con el aumento de la concentración del ion
férrico, como efecto de la siguiente reacción66.
Fe++ + ¼O2 + H+ → Fe+++ + ½H2O
Por otro lado las respuestas de las titulaciones empleando los diferentes
electrodos de referencia de Cu/CuSO4 y Ag/AgCl son similares entre sí. Los
diferentes sistemas coinciden en el salto de potencial cuando se llega al punto de
equivalencia (4.5mL), aunque existen diferencias de potencial entre uno y otro
sistema propias de las diferentes resistencias de los electrodos y de los potenciales
de unión particulares.
Los rangos de los saltos de potencial cuando se alcanza el punto de
equivalencia para las titulaciones ácido-base se muestran en la tabla 3.
Adicionalmente y para tener una mayor certidumbre del volumen del punto de
equivalencia, se determinó el punto de inflexión de las titulaciones empleando el
método de la primera derivada teniendo en cuenta el potencial registrado cada 60 ó
30 segundos (gráficas 11, 13, 15 y 17)
66 MERUANE, Gabriel. Oxidación bacteriana de sulfato ferroso con acidithiobacillus ferrooxidans. Santiago de Chile 2002. Tesis doctoral. Universidad de Chile. Facultad de ciencias físicas y matemáticas. Departamento de ingeniería química. P. 50-92
64
Gráfica 10. Medición del potencial cada segundo de la titulación de NaOH con HCl 0.2M empleando un electrodo de pirita y electrodos de referencia de Cu/CuSO4
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960 1020
Tiempo (S)
E (V
)
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.50
mL de HCl agregados
________•________ Cu/CuSO4 plástico-agar/KNO3 ________•________ Cu/CuSO4 plástico-gelatina/NaCl
________•________ Cu/CuSO4 plástico-gelatina/KNO3 ________•________ Cu/CuSO4 vidrio-agar/KNO3
Gráfica 11. Medición del potencial cada minuto de la titulación de NaOH con HCl 0.2M empleando un electrodo de pirita y electrodos de referencia de Cu/CuSO4
________•________ Cu/CuSO4 plástico-agar/KNO3 ________•________ Cu/CuSO4 plástico-gelatina/NaCl
________•________ Cu/CuSO4 plástico-gelatina/KNO3 ________•________ Cu/CuSO4 vidrio-agar/KNO3
-0.9
-0.7
-0.5
-0.3
-0.1
0.1
0.3
0.5
0.7
0.9
1.1
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960 1020
Tiempo (s)
E (V
)
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.50
mL de HCl agregados
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960 1020
1.5 3 4.5 6 7.50
65
Gráfica 12. Medición del potencial cada segundo de la titulación de NaOH
con HCl 0.2M empleando un electrodo de grafito sin activar y electrodos de referencia de Ag/AgCl
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tiempo (s)
E (V
)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8
mL de HCl agregados
________•________ Ag/AgCl vidrio-agar/KNO3 ________•________ Ag/AgCl comercial
Gráfica 13. Medición del potencial cada 30 segundos de la titulación de NaOH con HCl 0.2M empleando un electrodo de grafito sin activar y
electrodos de referencia de Ag/AgCl
________•________ Ag/AgCl vidrio-agar/KNO3 ________•________ Ag/AgCl comercial
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tiempo (s)
E (V
)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8
mL de HCl agregados
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
0 1.5 3 4.5 6 7.5
66
Gráfica 14. Medición del potencial cada segundo de la titulación de NaOH con HCl 0.2M empleando un electrodo de grafito activado y Electrodos
de referencia de Ag/AgCl
0.6
0.66
0.72
0.78
0.84
0.9
0.96
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tiempo (s)
E (V
)
0
mL de HCl agregados
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8
________•________ Ag/AgCl vidrio-agar/KNO3 ________•________ Ag/AgCl comercial
Gráfica 15. Medición del potencial cada 30 segundos de la titulación de NaOH con HCl 0.2M empleando un electrodo de grafito activado y electrodos
de referencia de Ag/AgCl
________•________ Ag/AgCl vidrio-agar/KNO3 ________•________ Ag/AgCl comercial
0.6
0.66
0.72
0.78
0.84
0.9
0.96
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tiempo (s)
E (V
)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8
mL de HCl agregados
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
0 1.5 3 4.5 6 7.5
67
Tabla 3. Saltos de potencial para las titulaciones ácido–base
Electrodo de Referencia Electrodo indicador Intervalo (E) ∆E Cu/CuSO4 Plástico-Agar/KNO3 Pirita -0.11—0.598 0.708
Cu/CuSO4 Plástico-Gelatina/KNO3 Pirita -0.102—0.46 0.562 Cu/CuSO4 Plástico-Gelatina/NaCl Pirita -0.233—0.348 0.581
Cu/CuSO4 Vidrio-Agar/KNO3 Pirita -0.333—0.221 0.554 Ag/AgCl Vidrio-Agar/KNO3 Grafito grueso sin activar -0.0264—0.3349 0.3613
Ag/AgC comercial Grafito grueso sin activar -0.0035—0.368 0.3715 Ag/AgCl Vidrio-Agar/KNO3 Grafito grueso activado 0.686—0.82 0.134
Ag/AgC comercial Grafito grueso activado 0.631—0.807 0.176
Titulaciones rédox: las gráficas 16, 18 y 20 muestran titulaciones rédox de 10mL
de V4+ con KMnO4 0.00165M, empleando en un caso, el electrodo de pirita como
indicador y los electrodos de Ag/AgCl como referencia y en otro caso, empleando
como indicador los electrodos de grafito activado y sin activar y como referencia el
electrodo de Cu/CuSO4 ensamblado en vidrio-agar/KNO3.
Para estas titulaciones, es importante destacar el comportamiento observado,
ya que en cada adición de agente titulante se presenta un aumento significativo en
el potencial, el cual posteriormente desciende. Esto se debe a que la velocidad de la
reacción rédox es más lenta que la velocidad de respuesta del electrodo, de manera
que la cinética de la reacción queda registrada luego de la adición del titulante.
Dicha observación, no esperada, puede ser usada para realizar futuros estudios
cinéticos de esta u otras reacciones, mostrando la utilidad de los electrodos
construidos.
Además es necesario precisar, que el punto equivalente de la titulación es
claro, aunque el mismo queda inmerso en la complejidad de la curva de titulación,
mostrándose como la disminución de las oscilaciones.
68
Gráfica 16. Medición del potencial cada segundo de la titulación de V4+ con KMnO4 0.00165M empleando un electrodo de pirita y electrodos de
referencia de Ag/AgCl
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750
Tiempo (s)
E (V
)0 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 80.5 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12 12.5
mL de KMnO4 agregados
________•________ Ag/AgCl plástico-agar/KNO3 _______•________ Ag/AgCl vidrio-agar/KNO3 ________•________ Ag/AgCl Comercial
No obstante, si se quiere aplicar el método de la primera derivada, para
calcular el punto de inflexión, es necesario realizar alguna manipulación razonable a
los datos originales (gráficas 16, 18 y 20); por ejemplo, si se tienen en cuenta solo
los puntos mínimos en el potencial durante cada adición, lo que corresponde a 30
segundos de estabilización de la señal, se obtienen las gráficas 17, 19 y 21, cuya
forma es la usual.
69
Gráfica 17. Medición del potencial cada 30 segundos de la titulación de V4+ con
KMnO4 0.00165M empleando un electrodo de pirita y electrodos de referencia de Ag/AgCl
________•________ Ag/AgCl plástico-agar/KNO3 _______•________ Ag/AgCl vidrio-agar/KNO3 ________•________ Ag/AgCl Comercial
Gráfica 18. Medición del potencial cada segundo de la titulación de V4+ con KMnO4
0.00165M, empleando un electrodo de grafito sin activar y el electrodo de referencia de Cu/CuSO4 vidrio-agar/KNO3
-0,012
-0,002
0,008
0,018
0,028
0,038
0,048
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tiempo (s)
E (V
)
mL de KMnO4 agregados
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750
Tiempo (s)
E (V
)0 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 80.5 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12 12.5
mL de KMnO4 agregados
0 90 180 270 360 450 540 630 720
0 1.5 3 4.5 6 7.5 9 10.5 12
70
Gráfica 19. Medición del potencial cada 30 segundos de la titulación de V4+ con KMnO4
0.00165M, empleando un electrodo de grafito sin activar y el electrodo de referencia de Cu/CuSO4 vidrio-agar/KNO3
Gráfica 20. Medición del potencial cada segundo de la titulación de V4+ con KMnO4 0.00165M, empleando un electrodo de grafito activado y el electrodo
de referencia de Cu/CuSO4 vidrio-agar/KNO3
0.13
0.23
0.33
0.43
0.53
0.63
0.73
0.83
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tiempo (s)
E (V
)
mL de KMNO4 agregados 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8
-0,015
-0,01
-0,005
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,035
0,04
0,045
0,05
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tiempo (s)
E (V
)
mL de KMnO4 agregados
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
0 1.5 3 4.5 6 7.5
71
Gráfica 21. Medición del potencial cada 30 segundos de la titulación de V4+ con KMnO4 0.00165M, empleando un electrodo de grafito activado y el electrodo
de referencia de Cu/CuSO4 vidrio-agar/KNO3
Respecto a los intervalos de los saltos de potencial cuando se alcanza el punto
de equivalencia para las titulaciones rédox, estos se pueden observar y comparar
en la tabla 4.
Tabla 4. Saltos de potencial para las titulaciones rédox Electrodo de referencia Electrodo indicador Rango ∆E
Ag/AgCl Plástico Pirita -0.088—0.143 0.231 Ag/AgCl Vidrio- Agar/KNO3 Pirita -0.109—0.0272 0.1362
Ag/AgCl Comercial Pirita -0.144—0.0322 0.1762 Cu/CuSO4 Vidrio-Agar/KNO3 Grafito delgado sin activar 0.01656—0.03481 0.01825 Cu/CuSO4 Vidrio-Agar/KNO3 Grafito delgado activado 0.288—0.523 0.235
6.1.3.2 Procesos electroquímicos
Con los potenciales de los electrodos y la ecuación de Nernst es posible
calcular el potencial que tendría una celda galvánica o el potencial necesario para
que funcione una celda electrolítica.
0,13
0,23
0,33
0,43
0,53
0,63
0,73
0,83
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
Tiempo (s)
E (V
)
mL de KMnO4 agregados 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480
0 1.5 3 4.5 6 7.5
72
Proceso Galvánico: se calculó teóricamente y a condiciones estándar, el
potencial y la energía libre de Gibbs de una celda galvánica de yoduro de potasio e
hipoclorito de sodio, usando como electrodos, grafito:
Grafito(s) | I¯(ac) | KNO3 | HClO | Grafito(S)
Para ello se tuvieron en cuenta las siguientes ecuaciones de disociación, de
reacciones y de semi–reacciones:
Ecuaciones de disociación
KI + H2O → K+ + I¯
NaClO + H2O → HClO + NaOH
Reacción total ocurrida en la celda
HOCl + 2I¯ + H+ → I2 + Cl¯ + H2O
Semi-reacción de oxidación (ánodo):
I2 + 2 e¯ → 2I¯ Eº +0.620
Semi-reacción de reducción (cátodo):
HClO + H+ + 2e¯ → Cl¯ + H2O Eº +1.49
Cálculo del potencial estándar de la célula
Eºcel = Eºred cátodo – Eºred ánodo Eºcel = 1.49V– 0,620V Eºcel = 0.870V
Cálculo de la energía libre de Gibbs
∆Gº = -nFEº (6) ∆Gº = -2 (96485 C mol-1) 0,870V ∆Gº = -167883.99 J ≈ -167.884 kJ
El signo negativo de la energía libre de Gibbs indica que la reacción se lleva a
cabo espontáneamente, por lo cual hay una producción de energía eléctrica a partir
de la energía química de dicha reacción.
73
La producción de energía eléctrica para este proceso puede verse afectada
principalmente por 4 aspectos: la concentración de las sustancias electrolíticas, el
potencial de interfase entre electrodo-solución (doble capa eléctrica), el potencial
de unión (solución electrolítica–puente salino) y la resistencia de los puentes
salinos.
Concentración de las sustancias electrolíticas: el potencial para la celda
galvánica en mención es proporcional a las concentraciones de la sustancias
electrolíticas. De acuerdo a esto, cuando se aumenta la concentración de los
reactivos, el potencial generado en la celda es mayor como se muestra en los
siguientes cálculos, donde se ha empleado la ecuación 7, que permite determinar
el potencial de una celda en función de la concentración.
RT [C]c [D]d
E = Eº - ______ ln _______________ (7) nF [A]a [B]b
E cuando la concentración de las semi-células es 0,1M
(8.31J k-1 mol-1)(273+19)K [I2][Cl¯] E = 0.870V - __________________________________ ln __________________
(2)(96485 C mol-1) [HOCl] [I¯]2
E = 0.841V
E cuando la concentración de las semi-células es 0,7M
(8.31J k-1 mol-1)(273+19)K [I2][Cl¯] E = 0.870V - __________________________________ ln __________________
(2)(96485 C mol-1) [HOCl] [I¯]2
E = 0.866V
Experimentalmente para la celda Grafito(s) |I¯(ac)|KNO3|HClO|Grafito(S) a una
concentración 0.7M el potencial alcanzado fue de 0.739V, la diferencia frente al
valor teórico se debe esencialmente a la doble capa eléctrica y al potencial de
unión.
74
Doble capa eléctrica: los electrodos de grafito de la celda contribuyen a
generar una diferencia de potencial, cada vez que se pone en contacto un
electrodo de grafito con las sustancias electroquímicas de cada semi-célula. En la
interfase se genera una redistribución de cargas eléctricas. Esta redistribución
espacial, que provoca una diferencia de potencial en la zona límite que separa las
fases del electrodo de grafito y la solución acuosa, se llama doble capa eléctrica, en
la cual se forman dos zonas iónicas, 1) Plano interior de Helmholtz (IHP), que para
el caso del ánodo, pasa por el centro de los iones K+(ac) que tocan la superficie del
electrodo de grafito y 2) Plano exterior de Helmholtz (OHP), que para el mismo
caso, es la zona donde se encuentran la mayoría de los aniones I ¯(ac). La unión
entre los dos planos constituye la capa compacta, mientras que la capa después del
plano exterior, donde se encuentran cationes y aniones propios del cuerpo de la
solución, se llama capa difusa67, 68, 69. La figura 13 muestra la distribución de las
cargas en la interfaz generada entre el electrodo de grafito y la solución acuosa de
la semi-célula descrita.
Figura 13. Doble capa eléctrica
67 POSADAS, Op cit., p. 14-24 68 BOCKRIS y REDDY, Op cit., p. 661-695 69 ATKINS. Fisicoquímica. 3 ed. México: Addison-Wesley Iberoamericana, 1985. p. 285-288.
75
Potencial de unión: generalmente las células galvánicas están provistas de un
puente salino para evitar una reacción inmediata entre las dos soluciones
electrolíticas de las semi-células (ánodo y cátodo). El empleo de los puentes salinos
genera dos potenciales de unión, uno en la interfaz de la sustancia electrolítica del
ánodo y un extremo del puente y el otro potencial en la interfaz de la sustancia
electrolítica del cátodo y el segundo extremo del puente. Estos dos potenciales
contribuyen al potencial total de la celda.
Resistencia de los puentes salinos: el ampere (A) es la unidad de corriente,
que corresponde al flujo de un coulomb por segundo70. La carga eléctrica de un
electrón corresponde a 1.602x10-19C, de manera que 1 mol de electrones tiene una
carga de 9.649x104C (constante de Faraday), por tanto el amperaje se verá
directamente afectado por el transporte de electrones a través de los conductores
eléctricos (electrodos y cables) y es de notar que esta conducción de electrones no
es posible si no hay un transporte de iones entre las soluciones de las dos semi-
células que se efectúa por medio de los puentes salinos y viceversa. De acuerdo a
lo anterior el diámetro y la longitud de los puentes salinos afecta el transporte de
iones y por tanto el posterior transporte de electrones que a su vez afecta el
amperaje producido por una celda galvánica, es decir cuando se usan puentes
salinos con diámetros grandes y alturas pequeñas el transporte de iones será
mayor que cuando se usan puentes salinos de diámetros pequeños y alturas
grandes y si hay mayor transporte de iones habrá mayor transporte de electrones,
lo que conlleva a una producción mayor de amperaje. Por otro lado los puentes
salinos con diámetros menores constituyen una mayor resistencia que los puentes
salinos con diámetros grandes (tabla 5), por lo que los primeros y de acuerdo a la
ecuación 2, aportan una mayor caída del potencial óhmico a la celda.
Tabla 5. Resistencias de puentes salinos (agar/KNO3)
Puente No
Altura (cm)
Diámetro Interno
(cm)
Potencial aplicado
(V)
Corriente medida
(Ax10-6)
Resistencia calculada
(KΩ) 1 4.1 1.1 0.203 28 7.25 2 3.7 0.2 0.219 4.5 48.67 3 3.4 0.1 0.222 4.3 51.63 4 3.7 0.1 0.239 4.1 58.29 5 3.9 <0.1 0.364 3.8 95.79
70 WILCHES, Julio. Módulos de clase de electroquímica. Cali: corporación universitaria autónoma de occidente, 1996.p. 7-8
76
Lo anterior se refleja cuando se quiere encender un “led” ya que el voltaje
necesario para que este funcione es de 2V y como los potenciales son aditivos se
esperaría que aritméticamente con tres celdas en serie, se genere un potencial
suficiente (0.739V x 3 = 2.217V), sin embargo experimentalmente se necesitó de 5
celdas para generar un potencial de 2.119V. Es evidente entonces, que la
resistencia al paso de corriente es la causante del valor experimental más bajo de
lo esperado.
Proceso electrolítico: el fenol se degrada electroquímicamente hasta CO2
pasando por productos intermedios como las quinonas, hidroquinonas y algunos
ácidos orgánicos como el ácido maleico y el ácido succínico entre otros71. El cálculo
teórico a condiciones estándar del potencial y la energía libre de Gibbs para este
proceso se muestra a continuación de acuerdo a las siguientes ecuaciones:
Reacción total C6H6O + 11H2O → 6CO2 + 14H2
Semi-reacción de oxidación (Ánodo) 6CO2 + 28e¯ + 28H+ → C6H6O + 11H2O
Semi-reacción de reducción (Cátodo) 2H3O+ + 2e¯ → 2H2O + H2
Cálculo de la energía libre de Gibbs a condiciones estándar para la semi-reacción del cátodo
∆Gº = -nFEº ∆Gº = -2 ( 96485 C / mol e¯ ) 0.00V ∆Gº = 0.00 kJ - Por convención.
Cálculo de la energía libre de Gibbs a condiciones estándar de la semi-reacción del ánodo
71 XIAO-YAN, Li et al. Reaction pathways and mechanisms of the electrochemical degradation of phenol on different electrodes. En: Elsevier water research 39 (2005), p. 1972–1981
77
Como no se tiene el valor teórico del potencial estándar del fenol y teniendo
en cuenta que la energía libre de Gibbs para los iones hidronio y el hidrógeno
molecular es cero (0) se asume la semi-reacción de oxidación como una reacción
total para realizar el cálculo, como se muestra a continuación.
C6H6O + 11H2O → 6CO2 + 28e¯ + 28H+
C6H6O + 11H2O → 6CO2 + 14H2
∆Gº = ∆Gº productos - ∆Gº reactivos (8)
∆Gº = [∆Gº CO2 + ∆Gº H2]-[ ∆Gº C6H6O +∆Gº H2O] ∆Gº = [(-394.36kJ /mol x 6mol)+ (0.0 kJ/mol x 14mol)] - [(-46.124kJ /mol x 1mol) + (- 273.13kJ/mol x 11mol)]
∆Gº = 288.394 kJ
Por supuesto al sumar esta energía libre de Gibbs de la semi-celda, con la de
la otra semi-celda en cuestión, la cual es cero, obtenemos para la reacción global,
un valor con signo positivo que corrobora la no espontaneidad de la celda, por lo
cual es necesario convertir la energía eléctrica en energía química para generar el
proceso de degradación del fenol.
Degradación electroquímica del fenol: la gráfica 22 muestra los espectros
UV-visible del fenol, quinona e hidroquinona consultados en la literatura y la gráfica
23 muestra los espectros UV-visible tomados experimentalmente cada 15 minutos
durante 5 horas, mientras ocurría la degradación electroquímica del fenol en la
celda electrolítica antes descrita.
A medida que el fenol se degrada, se van formando nuevos compuestos que
presentan mayor absorbancia, de esta forma se puede observar en la gráfica 23
que el valle del espectro del fenol durante la oxidación, progresivamente se
convierte en un pico perteneciente a otro compuesto. Al comparar los resultados
de las gráficas 22 y 23, se encuentra correspondencia entre el valle del fenol y el
pico de mayor absorbancia de la quinona.
78
Gráfica 22. Espectros UV-Visible consultados en la literatura72
UV/VIS SPECTRUM
1.7
2.2
2.7
3.2
3.7
4.2
210 230 250 270 290 310 330 350 370 390
Wavelength (nm)
Loga
rithm
eps
ilon
____•____ Fenol ____•____ Quinona ____•____ Hidroquinona
Gráfica 23. Espectros UV-Visible experimentales de la degradación electroquímica del fenol con electrodos de grafito
0,1
0,3
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
1,5
200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350
Abs
orba
ncia
λ (nm)
0h
0,5h
5h
1h
3h
72 Espectros tomados de UV/Visible Spectrum in Nists Chemistry Web Book, V. Talrose, E. B. Stern, A.A. Goncharova, N.A. Messineva, N. V. Trusova, M. V. Efimkna, A. N. Yermakov, A. A. Usov y A. A. Leskin, NIST Standard Reference Database Number 69, Eds. P. J. Listrom and W. G. Mallaerd, June 2005, Nacional Institute of Standards and
Technology, Gaitherburg MD, 20899 (http://webbook.nist.gov)
79
A pesar del potencial aplicado y del tiempo, no se pudo tener un rendimiento
del 100% en la degradación del fenol. Los 50ml de fenol no se degradan en su
totalidad a quinona, por lo cual posiblemente se tenga una mezcla de fenol,
hidroquinonas y quinonas, con bandas de absorbancias solapadas entre sí. Por otro
lado la solución al final del proceso presentó una coloración café, que corresponde a
productos intermedios, quizá polímeros de la quinona, los cuales aparentemente,
están en mayor concentración hasta este punto de la degradación.
6.2 Resultados didácticos
Los resultados didácticos respecto a la encuesta aplicada, ayuda a ubicar y a
caracterizar a los estudiantes dentro de un contexto social, familiar y educativo
frente a las tendencias informáticas y audiovisuales, permitiendo concluir de esta
forma el para quién de la propuesta de enseñanza-aprendizaje, mientras que el test
de ideas previas particularmente determina los conceptos que los alumnos
posiblemente ya han adquirido y frente a los resultados deja ver las falencias o
fortalezas que estos presentan, a partir de las cuales y en compañía de los
resultados químicos, se plantean las actividades que enmarcan el como de la
propuesta de enseñanza-aprendizaje de conceptos electroquímicos.
6.2.1 Encuestas
Con los resultados obtenidos de la encuesta aplicada a los estudiantes (anexo
7) se pretende estudiar someramente tres aspectos principales: el contexto
informático familiar, el contexto informático y audiovisual educativo y los
escenarios propios de la química respecto a la enseñanza de fenómenos
moleculares y prácticas de laboratorio, así como la posible ilustración de algunos
temas relacionados con la electroquímica en el aula de clase.
Frente al primer aspecto se realizaron preguntas de información personal y de
contexto social para inferir de este modo en los resultados obtenidos en el contexto
informático familiar del estudiante (tablas 6 a 13).
80
La tabla 6 indica el número de alumnos de ambos géneros que se encuentran
entre los 14 y 20 años. La tabla 7 describe el porcentaje de estudiantes de la
institución pertenecientes a cuatro de las 20 localidades que conforman Bogotá. Las
tablas 8 a 13 detallan la edad en la que los alumnos comenzaron a utilizar un
computador, el número de computadores que se tienen en la casa, el número de
horas semanales de manejo del computador, su uso, el lugar y las personas que
con mayor frecuencia lo utilizan.
Tabla 6. Edad y género
Género Edad Número de alumnos % Femenino % Masculino
14 1 0 0.84 15 21 10.10 7.56 16 50 25.21 16.81 17 33 15.97 11.78 18 10 2.52 5.88 19 2 0.84 0.84 20 2 1.68 0 Σ 119 56.83 43.71
Tabla 7. ¿En qué parte de Bogotá vive?
Localidad Estrato Barrio Número de estudiantes
% por localidad
1-Usaquén 2 Unicerros 1 0.84
1
Juan Rey Aguas Claras
Ramajal Manila
Triangulo Alto El manantial
1 3 4 1 2 1
2
Granda Sur San Blas Amapola
La Mercedes Santa Rita Quindío
San Cristóbal La Castaña
La Sagrada Familia San Pedro
Otros
8 26 3 4 3 5 4 8 4 3 21
4-San Cristóbal
3
Santa Inés Buenos Aires Santa Ana
Quinta Ramos 20 de Julio
4 1 2 1 2
93.29
7-Bosa 2 Danuvio Azul Patio Bonito
2 1 2.52
8-Kenndy 2 Giraldilla
Carimagua Atanasio Girardot
1 2 1
3.36
Σ 119 100
81
Tabla 8. ¿A qué edad Utilizó por primera vez un computador, para qué y en qué lugar? Motivo
Clase de informática Juego Consulta
Edad Lugar
5-7
8-10
11-13
14-15
5-7
8-10
11-13
14-15
5-7
8-10
11-13
14-15
Σ %
Colegio 28 45 13 0 6 0 0 0 0 7 0 0 99 83.19 Casa 0 0 0 0 3 4 1 0 0 5 0 2 15 12.61
Centros de Internet 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 3 0 5 4.20 Σ 28 45 13 0 9 4 1 0 0 14 3 2 119 0.00 % 72.27 11.76 15.97 0.00 100
Tabla 9. ¿Cuántos computadores Tabla 10. ¿Cuántas horas a la semana hay en su casa? usa el computador?
Tabla 11. ¿Para qué usa más frecuentemente Tabla 12 Actualmente utiliza el el computador? computador en:
Tabla 13. ¿Además de usted, en su casa qué otras personas usan el computador?
Ocupación
Persona Estudiantes Técnico Profesional Independiente Trabajador
Ama de
casa
Σ Parcial %
Hermanos 84 1 3 0 11 0 99 83.19 Mamá 0 1 2 2 4 2 11 9.24 Papa 0 3 4 2 9 0 18 15.13 Otros 7 0 1 1 3 1 13 10.92
Ninguna 37 31.09
Tiempo en horas Número
de estudiantes %
estudiantes 1 a 5 77 64.71 6 a 10 21 17.65 10 a 15 13 10.92 15 a 20 6 5.04
Más de 20 2 1.68 Σ 119 100
Número de Computadores
Número de estudiantes
% de estudiantes
0 64 53.78 1 49 41.18 2 6 5.04 3 0 0.00
Más de 3 0 0.00 Σ 119 100
Lugar Número de estudiantes
% estudiantes
Colegio 27 22.69 Casa 38 31.93
Centros de Internet
49 41.18
Otro 5 4.20 Σ 119 100
Uso Número de estudiantes
% estudiantes
Estudio 64 53.78 Juego 16 13.45 Otro 13 10.92
Estudio y juego 15 12.61 Estudio y otro 8 6.72 Estudio, juego
y otro 3 2.52
Σ 119 100
82
De a cuerdo a los resultados ilustrados en la tablas anteriores, los alumnos
del grado undécimo presentan una edad promedio de 16 años, donde el porcentaje
femenino supera levemente al porcentaje masculino. De otro lado la distribución de
instituciones educativas por localidades hace que el 93.29% de los estudiantes de
la I. E. D. Manuelita Sáenz pertenezcan a la localidad cuarta (San Cristóbal), de
estratos 1 y 3, lo cual ayuda a comprender que el 53.78% de estudiantes no tenga
computador, de ahí que el 72.27% de los mismos halla interactuado con el
computador por primera vez en el colegio durante las clases de informática
especialmente entre los 8 y 10 años, y adicionalmente que la intervención de los
padres respecto al manejo del computador sea tan solo de un 9.24 y 15.13%. El
hecho de que un bajo porcentaje de los padres haga uso del computador, sugiere
que hay ínfima supervisión, frente al aprendizaje y uso del estudiante en cuanto al
área informática, convirtiendo esta herramienta en una fuente de información
unidireccional. Bajo estas circunstancias el 41.8% de los estudiantes usa el
computador en los centros de Internet entre 1 y 5 horas semanales principalmente
para el estudio, probablemente como forma de consulta.
Respecto al segundo aspecto, con el siguiente grupo de preguntas se
pretende determinar los hábitos informáticos, el manejo de los mismos, y el posible
uso de los documentos audiovisuales, dentro de un ámbito escolar (tablas 14 a 21).
Las tablas 14 a 16, muestran las clases de documentos audiovisuales que
conocen los estudiantes, con las que cuenta el colegio y las áreas y asignaturas
donde frecuentemente son empleados; mientras que las tablas 17 a 21 infieren en
el uso de los computadores en las diferentes asignaturas, el conocimiento de
programas computacionales propios de la química, si los estudiantes consideran la
informática como una herramienta que puede llegar a mejorar su rendimiento
escolar, la forma en que se puede usar los computadores en la clase de química y
las principales dificultades que se presentan al hacer uso de los computadores en el
aula escolar.
83
Tabla 14. ¿Qué clase de documentos Tabla 15. ¿Con qué clase de documentos documentos audiovisuales audiovisuales cuenta el colegio? conoce? Documento audiovisual Σ parcial %
Documentales 73 61.35 Películas 67 56.30 Novelas 56 47.06
Noticieros 49 41.18 Videos 46 38.66
Seriados 18 15.13 Realities 8 6.72 Deportes 7 5.88
Comerciales 2 1.68
Tabla 16. En qué asignatura, con qué frecuencia y qué clase de documento audiovisual ha empleado los profesores en el presente año
Documento Audiovisual Video-Documental Película
Área Frecuencia
Asignatura
1 vez
2 veces
3 o más veces
1 vez
2 veces
3 o más veces
Σ parcial Asignatura
% Área
Arte 24 0 0 0 4 5 33 Ética 7 0 0 0 7 15 29
Filosofía 3 0 0 0 8 2 13 Humanidades
política 0 0 0 1 0 0 1
79.17
Química 6 3 0 1 3 0 13 Ciencias Física 4 2 0 1 0 0 7
20.83
Tabla 17. Además de la clase de sistemas, ¿en qué otra clase usan los computadores?
Asignatura Número de estudiantes % Estudiantes Ninguna 71 59.66 Inglés 35 29.41
Tecnología 5 4.20 Español 3 2.52
Ciencias políticas 2 1.68 Química 2 1.68
Matemática 1 0.84 Σ 119 100
Tabla 18. ¿Conoce programas computacionales Tabla 19. ¿Considera usted, que empleando específicos de química? la informática en las clases de química se aprende más y de mejor forma?
Documento audiovisual Σ parcial % Documentales 56 47.06
Películas 55 46.22 Videos 33 27.73
Opción Número de estudiantes
% estudiantes
Si 94 78.99 No 25 21.01 Σ 119 100
Opción Número de estudiantes
% estudiantes
Si 0 0.00 No 119 100 Σ 119 100
84
Tabla 20. ¿De qué forma considera, se pueden usar los computadores en la clase de química?
Posible forma de uso Número de estudiantes % estudiantes fuente de información 46 38.66
Herramienta de exposiciones 15 12.61 Simuladores de reacciones 11 9.24
Software de ejercicios químicos 7 5.88 Laboratorios virtuales 6 5.04
Repaso del tema 6 5.04 De ninguna forma 28 23.53
Σ 119 100
Tabla 21. ¿Cuáles considera usted, que son las principales dificultades que se presentan al utilizar los computadores en las diferentes clases exceptuando la de informática?
Dificultad Número de estudiantes
(parcial)
% estudiantes
Falta de conocimiento de los programas 42 35.29 Falta de salas adecuadas 37 31.09
Falta de interacción con el profesor durante las clase en la sala de sistemas
32 26.89
Dispersión de los alumnos frente a la clase 24 20.17 Manejo de los computadores 15 12.61
Conocimiento de inglés 4 3.36 Ninguna 12 10.08
En la tabla 14 se muestra una lista de los documentos audiovisuales que los
alumnos manifestaron conocer y de esa lista el colegio cuenta con documentales,
videos y películas. Estas clases de documentos son empleados en un 79.17% en el
área de humanidades, superando en un 58.64 % al área de ciencias, de igual forma
el área de ciencias es superado en cuanto a frecuencia, es decir, los documentos
audiovisuales son presentados en el área de humanidades 1, 2, 3 o más de 3 veces
al año, mientras que en el área de ciencias son presentados entre 1 y 2 veces.
De igual forma cuando se les preguntó a los estudiantes que además de la
clase de informática en cual otra clase hacían uso de la sala de sistemas, el 71%
coincidió que en ninguna, lo cual deja ver que no solo los estudiantes y las familias
a las que pertenecen los estudiantes usan poco los sistemas, sino, que existe cierta
apatía o falta de conocimiento por parte de los profesores. Esto conlleva a que un
porcentaje superior de estudiantes no tenga conocimiento de programas
específicamente hablando de la asignatura de química, bien sea por falta de interés
o por falta de conocimiento de programas por parte del profesor.
Para seguir encaminando la encuesta hacia el estudio de la informática en el
aula de clase de química se preguntó a los estudiantes si ellos consideraban que la
85
informática mejoraba o no el aprendizaje de ellos mismos frente a la química, de lo
cual se obtuvo un sí de un 78%, justificando que era una forma de motivación y al
mismo una herramienta que les permitía obtener más información de una forma
inmediata y sencilla. El 25% que respondió no, manifestaron que un ordenador no
podría solventar dudas como lo hace regularmente el profesor, es decir revelaron el
temor a la falta de interacción humana entre el profesor y los estudiantes. De ahí
que los estudiantes superficialmente vean la informática como una fuente de
información antes de verla como una herramienta interactiva dentro de su proceso
de enseñanza-aprendizaje, encontrando que las principales dificultades que se
tienen a la hora de usar la informática como herramienta en este proceso, de
acuerdo a las respuestas emitidas por los alumnos son: la falta de conocimiento de
los programas específicos de cada asignatura, seguido de la falta de espacios
adecuados y el temor de la extinción de la interacción profesor-alumno.
Finalmente de acuerdo al tercer aspecto, el siguiente grupo de preguntas en
la encuesta pretender visualizar el desempeño del profesor frente a las
explicaciones de interacción molecular (tabla 22), los procesos que se llevan a cabo
para el desarrollo de las prácticas de laboratorio (tabla23), y de igual forma se
pretende indagar si a los estudiantes se les ha impartido algún tipo de conocimiento
referente a la electroquímica (tabla 24).
Tabla 22. ¿Cómo representa el profesor de química
un fenómeno molecular? Opción Número de
estudiantes %
estudiantes Lo dibuja en el tablero 74 62.19
Lo describe pero no lo dibuja 32 26.89 Muestra un video 8 6.72
Hace un prototipo a escala 2 1.68 Otro 3 2.52 Σ 119 100
Tabla 23. ¿Explique brevemente cómo se llevan a cabo las prácticas de laboratorio de química?
Forma en que se llevan a cabo las prácticas de laboratorio
Número de estudiantes
% estudiantes
Por medio de una guía 12 10.08 Por medio de la explicación del profesor 25 21.01
Estudiantes que no respondieron 82 68.91 Σ 119 100
86
Tabla 24. Mencione los principales temas de química que ha visto durante su vida escolar
Tema Número de estudiantes
% estudiantes
Nomenclatura 61 51.26 Reacciones 56 47.06
Átomos 39 32.77 Balance de ecuaciones 15 12.61
Estequiometría 14 11.77 Materia 14 11.77 Medidas 12 10.08
Mezclas y soluciones 10 8.40 Enlaces químicos 8 6.72
Otros 4 3.36
Los estudiantes respecto a estas tres últimas tablas manifestaron que el
profesor la mayoría de veces dibujaba un fenómeno molecular en el tablero, o que
lo describía pero no lo dibujaba. Esto hace que durante el proceso probablemente
se obvie información o simplemente que el estudiante no desarrolle la habilidad de
interpretación de fenómenos microscópicos. En cuanto al desarrollo de las prácticas
de laboratorio los alumnos dejaron ver dos tendencias: una donde el profesor limita
las prácticas a una guía y otra donde el profesor es el encargado de dar
instrucciones antes de iniciar el laboratorio sin la necesidad de dicha guía.
Por otro lado en la lista de temas visto por los estudiantes durante su vida
escolar no se encontraron temas explícitos de la electroquímica, sin embargo con el
desarrollo futuro de la propuesta didáctica se pretende que el estudiante con el
listado de la tabla 24 pueda articular y profundizar en los temas de reacciones,
balance de ecuaciones, soluciones, átomos y medidas, implementando nuevos
conceptos como la energía libre de Gibbs, proceso galvánico, proceso electrolítico y
concernientes a estos, en función del documento audiovisual, la construcción de
electrodos y la construcción de celdas electroquímicas.
6. Test de ideas previas
El test de ideas previas (anexo 2) hace referencia explícitamente a fenómenos
de óxido-reducción que conllevan a una transferencia de carga basada en los
electrones de valencia, dichos fenómenos son aspectos fundamentales en los
procesos electroquímicos que no son claramente expuestos en el presente
cuestionario, puesto que de acuerdo a la tabla 24, los alumnos no tienen una
formación académica frente a este tema específico en la signatura de química, por
ello se ve la necesidad de emplear una serie de interrogantes que evalúen la
aproximación de los conceptos que los alumnos tienen frente a la electroquímica.
87
Con la primera pregunta del test se pretende determinar el grado de
apropiación, que tiene el alumno frente a las partículas subatómicas, en cuanto a
su carga y función dentro de un proceso electroquímico. Si la respuesta por parte
del alumno es correcta, se asume que diferencia y ubica dentro del átomo las
subpartículas básicas (neutrón, protón y electrón) y que las puede caracterizar de
acuerdo a su carga, dicha pregunta resulta de importancia en la medida que los
electrones son las subpartículas fundamentales en los procesos electroquímicos.
Con el interrogante dos, se espera determinar la capacidad del alumno de
interpretar que en todas las clases de reacciones químicas, hay una redistribución
de carga y masa que conducen a una transformación y por tanto este
acontecimiento no implica que haya una descompensación de masa o carga neta.
La pregunta 3 hace referencia a la posible carga atómica o molecular
adquirida cuando se pierden o ganan electrones, de ahí que si el alumno tiene
claro el concepto de ion en cuanto a la estructuración y carga del mismo, estará en
la capacidad de inferir en los procesos de óxido-reducción, ionización y disociación
que podrían llevarse a cabo dentro de un proceso electroquímico.
Con base en los puntos 4 y 5 se espera valorar la habilidad de identificación y
aplicación, que presentan los alumnos frente a las reacciones de óxido-reducción,
las implicaciones que se tienen cuando un átomo cede electrones y otro los acepta,
además, de cual es el papel que juegan los estados de oxidación y los electrones de
valencia en este proceso. Si el alumno maneja los aspectos concernientes, es de
esperar que posteriormente esté en la capacidad de articular los fenómenos de
óxido-reducción con la electroquímica y contextualizarlos con su entorno.
La pretensión de la pregunta 6 es la de identificar las representaciones que
pueden llegar a hacer los alumnos sobre la transferencia de cargas en una reacción,
si en realidad están en la capacidad de exponer cómo, posiblemente, ocurre este
fenómeno y como es la estructura posterior de los átomos o iones que
intervinieron en el proceso de óxido-reducción.
Estandarización: la estandarización del test de ideas previas (anexo 8) se
llevó a cabo en un grupo de 32 estudiantes de la misma institución paralelo a los
dos grupos en estudio (grupo experimental y grupo de comparación). Los
resultados obtenidos se exponen en la tabla 25, donde los datos en rojo muestran
88
la cantidad de estudiantes y el porcentaje de los mismos que respondieron
acertadamente las preguntas y el HR que hace referencia al número de alumnos
que no alcanzaron el ítem y por tanto no trataron de resolverlo ó a las respuestas
que fueron anuladas por escoger más de una opción.
Tabla 25. Resultados de la estandarización
Pregunta 1 2 3 4 5
Opciones a b c d e a b c d e a b c d e a b c d e a b c d e
n 4 1 22 3 1 9 18 1 1 3 9 5 9 2 6 10 13 4 5 0 3 1 6 19 3
% 13 3 69 9 3 41 44 3 3 9 28 16 28 6 19 31 41 13 16 0 9.4 3.1 19 59 9.4
HR 1 0 0 0 0
Para calcular el índice de dificultad (ID), de cada pregunta de opción múltiple
con única respuesta se empleó la ecuación 9, con el fin de determinar que
preguntas debían ser reemplazadas o eliminadas del test. Teniendo en cuenta los
resultados, la cantidad de preguntas muy difíciles, difíciles, de dificultad media,
fáciles o muy fáciles, están dentro del porcentaje ideal para pruebas objetivas73
como se muestra en la tabla 26.
E A – __________
ID = n – 1 .
(9) N – HR
Donde: ID = Índice de dificultad A = Número de aciertos E = Número de errores n = Número de opciones de los ítems N = Número de alumnos evaluados
Tabla 26. Índices De Dificultad
Preguntas Ítems Índices %
Ideal 1 2 3 4 5 Muy Fáciles > 0.74 10
Fáciles 0.55 a 0.74 20 0.637 Dificultad Media 0.45 a 0.54 40 0.453 0.492
Difícil 0.25 a 0.44 20 0.258 Muy Difícil < 0.25 10 0.109
73 LA TORRE, A. y SANÍS, A. Técnicas de investigación en ciencias sociales. Madrid 1995. Anal No 7. p. 142-176
89
La pregunta número 6 del anexo 2, no se incluye en la anterior estadística puesto que es de tipo abierto.
Aplicación: los resultados obtenidos de la aplicación del test de ideas previas
(anexo I) al grupo experimental con 27 estudiantes y el grupo de comparación con
31 estudiantes se muestran en las tablas 27 y 28 respectivamente.
Tabla 27. Grupo experimental
Pregunta 1 2 3 4 5
Opciones a b c d e a B c d e a b c d e a b c d e a b c d e
n 1 1 18 4 2 10 9 1 0 7 15 3 3 4 1 2 7 8 8 2 3 3 4 14 3
% 4 4 67 15 7 37 33 4 0 26 56 11 11 15 4 7.4 26 30 30 7.4 11 11 15 52 11
HR 1 0 1 0 0
Tabla 28. Grupo de comparación
Pregunta 1 2 3 4 5
Opciones a b c d e a b c d e a b c d e a b C d e a b c d e
n 3 0 27 1 0 9 8 9 1 4 13 4 5 5 1 6 13 3 8 1 6 4 3 14 3
% 10 0 87 3 0 29 26 29 3 13 42 13 16 16 3 19 42 9.7 26 3.2 19 13 9.7 45 9.7
HR 0 0 3 0 1
De acuerdo a dichos resultados, se identificaron tres grandes falencias en los
alumnos de los dos grupos:
1. En la pregunta 2 el 29% y el 37% de estudiantes de ambos grupos
(grupo experimental y grupo de comparación, respectivamente) relacionó el
balance de ecuaciones con la formación de enlaces. Este resultado, muestra
que el estudiante no tiene claro el fundamento tanto del balance de masa y carga
(que es lo que nos permite realizar el balance de las ecuaciones), como el concepto
de enlace químico, que aunque relacionado no es indispensable para realizar el
balance de una ecuación química. Se requiere por tanto que el estudiante precise
estos conceptos y conozca para que sirve cada uno y en que contexto se deben
aplicar, sin llegar a intercambiarlos.
2. Respecto a la pregunta número 3, se concluye, que los alumnos no
identifican la estructura atómica de los iones, ya que el 56% y el 42% de
90
estudiantes seleccionó la opción a., que muestra los átomo neutros de litio y cloro;
es decir, los alumnos pueden conocer la carga de los cationes o de los aniones,
pero son incapaces de inferir en el porqué de la carga otorgada, de ahí que no
estén en la capacidad de representar gráficamente en un modelo atómico, dicha
carga. Una posible causa de este hecho, es que los profesores quizá omitan este
aspecto a la hora de enseñar la aplicación y el concepto de óxido-reducción.
3. Como consecuencia de la falencia anterior los alumnos en la pregunta 4
presentan dificultad al relacionar la pérdida o ganancia de electrones con la
carga posterior del átomo. A pesar de que los alumnos pueden llegar a
memorizar que la oxidación es la pérdida de electrones y que la reducción es la
ganancia de los mismos, no interpretan el fenómeno de óxido-reducción en
términos de cargas o simplemente no tienen conocimiento de su aplicación.
El 52% y el 45% de estudiantes de los dos grupos respondieron
acertadamente la pregunta número 5 (opción d), mientras que el 26% y 42%
respondieron correctamente la pregunta 4 (opción b.), lo que confirma que los
alumnos pueden llevar a cabo exitosamente ciertos procesos como el balance de
ecuaciones sin tener en cuenta la influencia del concepto de óxido-reducción en la
carga del átomo. A partir de los resultados anteriores se encontró que 3 personas
del grupo experimental y 6 del grupo de comparación respondieron correctamente
las dos preguntas 4 y 5, es decir, de las 58 personas que participaron del test de
ideas previas, 9 relacionan la carga de un átomo con la ganancia o pérdida de
electrones y este fenómeno, con el balance de ecuaciones de reacciones de óxido-
reducción; 11 relacionan la carga del átomo con el fenómeno de óxido-reducción
pero no con el balance de la ecuaciones y 19 realizan el balance de ecuaciones
exitosamente, pero no lo relacionan con el concepto de óxido-reducción y la carga
del átomo.
En cuanto a la pregunta número 6 de tipo abierta, tan solo 8 personas, entre
los dos grupos intentaron interpretar la transferencia de electrones de la ecuación
HI + HclO → I2 + HCl + H2O. Lo que se pretendía era que el alumno mostrara
explícitamente los electrones de valencia de cada uno de los átomos que intervenía
en este proceso de óxido-reducción así como la cantidad de electrones que se
transferían y el posible modelo de la estructura posterior al fenómeno de
transferencia de electrones. Sin embargo los estudiantes no identificaron los
átomos que se reducen o que se oxidan, no mostraron explícitamente los
91
electrones de valencia y no tuvieron en cuenta la cantidad de electrones
transferidos, ni la estructura atómica final del proceso.
6.2.3 Propuesta para la enseñanza y mejoramiento de los conceptos electroquímicos en la educación básica y media desde un enfoque ambiental
Para este punto es necesario precisar, que los criterios y las formas de
elaborar las unidades didácticas van a depender de las personas implicadas en el
proceso y de la gestión del mismo74. Consecuentemente, cualquier propuesta de
modelo de enseñanza debe ser valorada como un marco orientador a partir del cual
cada profesor o profesora, en función de cada situación concreta de enseñanza,
reelabora y reinventa según su criterio para adaptarse a sus contextos75.
La unidad didáctica se diseñó como propuesta para la enseñanza y
mejoramiento de los conceptos electroquímicos, para estudiantes de estratos 1 a 3
de grado undécimo, pertenecientes a una institución que desarrolla en su media
técnica programas educativos ambientales. Adicionalmente se hace la observación
de que esta propuesta no ha sido aplicada en el presente trabajo, a acepción de
una de las actividades de iniciación (observación del documental El Electrón) de
primer núcleo problémico.
Teniendo en cuenta lo anterior, a continuación, se presenta la Propuesta para
la enseñanza y mejoramiento de los conceptos electroquímicos en la educación
básica y media desde un enfoque ambiental.
74 FERNÁNDEZ. et al., Op cit., p. 18. 75 ADÚRIZ. et al., Op cit., p. 15
Problema de la unidad didáctica
¿Cómo los procesos electroquímicos se convierten en un eje articulador de temas como,
reacciones químicas, balance de ecuaciones, medidas de concentración, energía libre de Gibbs y
transporte de carga?
Tema: PROCESOS ELECTROQUÍMICOS
92
Objetivos de la unidad didáctica
Objetivo General
Enseñar, profundizar y articular los conceptos básicos de la electroquímica a partir de la
contextualización de la misma
Objetivos Específicos
• Implementar en el aula de clase la construcción de instrumentos fundamentales como los
electrodos, para llevar a cabo prácticas de laboratorio básicas referentes a los procesos
electroquímicos.
• Promover en los alumnos habilidades de crítica y proposición frente a los efectos de los
procesos electroquímicos
Ideas fuerza de la unidad didáctica
• De forma controlada la producción o gasto de energía de las reacciones químicas es
empleada en sistemas tecnológicos.
• Nuestro ambiente se ve afectado positiva y negativamente por el empleo y desarrollo de
los procesos electroquímicos.
Principios, objetivos, intenciones y/o finalidades de la unidad didáctica.
• Conocer la función de los electrodos dentro de un proceso electroquímico.
• Promover destrezas cognoscitivas frente a la caracterización y divergencias entre los
procesos galvánicos y los procesos electrolíticos.
• Lograr una perspectiva general de la implementación de los procesos electroquímicos en la
vida diaria.
• Desarrollar actitudes críticas frente al beneficio y perjuicio de los procesos electroquímicos
en el ambiente.
• Promover actitudes de proposición de alternativas frente a los detrimentos del ambiente
causados por los procesos electroquímicos.
93
Recursos didácticos
Relacionados con las fuentes de información
• Libros de química básica Lecturas relacionadas con el tema central
• Páginas electrónicas especializadas
• Documentos audiovisuales
Relacionados con la dinámica de trabajo
• Instrumentos de evaluación diagnóstica (encuestas y test de ideas previas), metodologías
de debate y socialización de documentos audiovisuales, consultas y resultados
• Materiales específicos referentes a la construcción de electrodos y a la aplicación de
procesos electroquímicos (voltímetros, fuentes de poder, agar, tubos plásticos, alambre de
cobre, pirita, entre otros.)
Contenidos a desarrollar y profundizar en los estudiantes con el desarrollo de la
unidad didáctica.
Conceptuales
• Estructura Atómica ° Partículas subatómicas ° Estados de oxidación ° Estructuras iónicas
• Ecuaciones químicas
° Ionización ° Disociación ° Reacciones de neutralización ° Reacciones de óxido-reducción ° Transporte de carga en reacciones de óxido-reducción ° Balance de ecuaciones
• Procesos electroquímicos
° Componentes de una celda ° Clases de electrodos ° Proceso galvánico ° Proceso electrolítico ° Trasporte de carga y masa en un circuito electroquímico ° Voltaje y amperaje ° Potenciales estándar ° Energía libre de Gibbs ° Titulaciones potenciométricas
94
Procedimentales
• Construcción de electrodos indicadores y electrodos de referencia.
• Generación y consumo de energía para el beneficio de la humanidad.
• Titulaciones potenciométricas para el análisis de acidez y basicidad en aguas.
• Consulta, socialización y debate del uso de procesos electroquímicos en nuestro entorno.
• Presunción de los fenómenos químicos que se llevan a cado dentro de los procesos
electroquímicos.
Actitudinales
• Crítica frente a beneficios y perjuicios de los procesos electroquímicos en el ambiente. • Sensibilización frente a los prejuicios ocasionados por los procesos electroquímicos.
• Formulación de procesos electroquímicos alternativos que conserven el equilibrio entre el
desarrollo industrial y el ambiente.
Situaciones problémicas y temporalización, de la unidad didáctica
Problema 1
¿Por qué al dejar una carrocería a la intemperie esta se oxida?
9 horas
Problema 2
¿Cómo y para qué se emplea la energía que producen las reacciones químicas?
9 horas
Problema 3
El fenol es un contaminante proveniente de la mayoría de las industrias, ¿Cómo eliminar el fenol del
agua empleando la corriente eléctrica?
21 horas
Problema 4
¿Por qué las pilas se descargan?
5 horas
Secuencia de actividades de la unidad didáctica
AI actividades de iniciación, AD actividades de desarrollo, AA actividades de acabado,
AP actividades de profundización y AE actividades de evaluación.
AE Test de ideas previas sobre la aproximación al concepto de electroquímica.
95
Problema 1: ¿Por qué al dejar una carrocería a la intemperie esta se oxida? AI Observación del documental EL ELECTRÓN. AI subproblema: ¿Cuánta energía gasta o produce un proceso de óxido-reducción? AD Elaboración de una lista de reacciones de óxido-reducción que se presenten con frecuencia en
nuestro entorno. AD Cálculo de la energía que gastan o producen las reacciones de óxido-reducción que se presentan
frecuentemente en nuestro entorno. AD Subproblema: ¿Qué métodos se pueden emplear para evitar la corrosión de las carrocerías? AA Análisis de técnicas de recubrimiento. AA Crítica sobre los beneficios y perjuicios de las técnicas de recubrimiento. AE Cuestionario sobre fenómenos de óxido-reducción. Problema 2: ¿Cómo y para qué se emplea la energía que producen las reacciones químicas?
AI Observación de una animación sobre la historia de la electroquímica. AI Identificación de las partes de una celda galvánica. AI El grafito como conductor de electrones. Observación de una animación sobre la construcción de
electrodos de grafito. AD Exploración: construcción de electrodos de grafito (anexo 4). AD Exploración: construcción de puentes salinos AD Exploración: produciendo energía eléctrica a través de la energía química. ¿Cómo a partir de una
reacción entre el yoduro de potasio y el hipoclorito de sodio comercial (blanqueador) se puede prender un bombillo led? (anexo 5)
AA Caracterización del proceso electroquímico correspondiente a una celda galvánica. AA Análisis y crítica de los procesos galvánicos en nuestro entrono. AP Observación de una animación sobre procesos galvánicos. AE Informe: produciendo energía eléctrica a través de la energía química. Problema 3: El fenol es un contaminante proveniente de la mayoría de las industrias, ¿Cómo
eliminar el fenol del agua empleando la corriente eléctrica? AI Análisis de los efectos contaminantes del fenol en el agua. AI Consulta, socialización y crítica de las principales fuentes de emisión del fenol como agente
contaminante del agua. AI Principales procedimientos para la remoción del fenol de las aguas. AD Exploración ¿Qué sucede con el fenol cuando electrizamos el agua? (anexo 5) AA Observación de una animación de procesos electrolíticos. AP Elaboración de una lista de procesos electrolíticos que emplea el hombre en su vida diaria. AI Sudproblema: ¿Qué tan ácida o básica es el agua de nuestro entorno? AI Consulta y socialización sobre los parámetros físicos del agua. AI Observación de una animación sobre la construcción de electrodos de referencia y electrodos
indicadores. AD Exploración: construcción de electrodos de referencia y electrodos indicadores (anexo 4). AD Exploración: determinación de la acidez y alcalinidad de una muestra de agua por el método Potenciométrico (anexo 6) AA Sensibilización sobre las consecuencias de la contaminación del agua. AP Planteamiento de alternativas en los procesos industriales para disminuir la contaminación del
agua. AE Informe sobre acidez y alcalinidad del agua. AE Cuestionario: divergencias entre procesos galvánicos y electrolíticos. Problema 4: ¿Por qué las pilas se descargan? AI Lectura sobre la importancia de las pilas en la vida diaria. AI Subproblema: ¿Por qué unas pilas son recargables y otras no? AD Crítica y sensibilización sobre el empleo de las pilas. AA Subproblema: ¿Cómo se recicla una pila? AE Formulación de alternativas frente a la contaminación ocasionada por el empleo de pilas en la
vida diaria.
96
7. Documento audiovisual, “Hacia la electroquímica”
El documento audiovisual construido bajo el formato flash, muestra 3
contenidos principales (figura 14): los procesos electroquímicos, la construcción
fácil de electrodos y parte de la historia de la electroquímica; donde no se superan
los 15 minutos de proyección entre uno y otro contenido, con el fin de promover
dinamismo en un contexto escolar respecto al documento.
Figura 14. Temporalización del documento audiovisual
Conjuntamente el diseño en flash y el medio de proyección (los
computadores) del documento, permite al usuario tomar la decisión de manipular el
orden de la proyección a su conveniencia, generando de esta forma mayor
interactividad entre el documento y el usuario, dejando de lado la linealidad de los
documentos audiovisuales clásicos.
Adicionalmente con el fin de dar una visión general del posible uso correcto de
los documentos audiovisuales particularmente en las aulas de química, se ha
desarrollado el primer núcleo problémico y de esta forma justificar el diseño
fragmentado del documento audiovisual “Hacia la electroquímica”, que se construyó
en el presente trabajo para hacer parte de las actividades de la unidad didáctica.
Para esta actividad de iniciación, se presentó un documental obtenido
comercialmente llamado “El Electrón” que tiene una duración de 30 minutos y trata
el portento de la óxido-reducción en el contexto ambiental e industrial. El
documental fue proyectado a los mismos grupos donde se aplicó el test de ideas
previas; para esta sesión el número de estudiantes aumentó en 7 en el grupo
experimental. En el grupo experimental se realizaron pausas durante la
presentación del documental, con el fin de aclarar dudas respecto a la información
97
proporcionada por el video, mientras que en el grupo de comparación el video fue
visto sin interrupciones (anexo 10). Al final de cada sesión se realizó un test (anexo
11) a los dos grupos donde participaron 34 alumnos en el grupo experimental y 31
en el grupo de comparación. Los resultados obtenidos se muestran en las tablas 29
y 30.
Tabla 29. Grupo experimental
Pregunta 1 2 3 4 5 6
Opciones a b c a b c a B c a b c a b c d a b c d
n 2 8 23 18 11 5 18 8 8 12 16 6 4 19 10 1 2 9 4 6
% 6 24 68 53 32 15 53 24 24 35 47 18 12 56 29 2.9 5.9 26 12 18
HR 1 0 0 0 0 13
Tabla 30. Grupo de comparación
Pregunta 1 2 3 4 5 6
Opciones a b c a b c a b c a b c a b c d a b c d
n 5 12 14 15 13 2 18 8 4 2 26 3 13 9 5 3 8 2 7 7
% 16 39 45 48 42 6.5 58 26 13 6.5 84 9.7 42 29 16 9.7 26 6.5 23 23
HR 0 1 1 0 1 7
La tabla 29. muestra que el grupo experimental tuvo un mayor porcentaje de
alumnos que respondieron correctamente las preguntas del test, frente al grupo de
comparación (tabla 30) , lo que confirma la hipótesis de Alexandre Claro Loff76 que
hace referencia a una mejora en el rendimiento escolar cuando se presentan
documentos audiovisuales cortos, pues se debe enfatizar en uno de los principios
didácticos de los documentos audiovisuales, hace referencia a que los documentos
por sí solos no provocan cambios significativos ni en la educación en general, ni en
los procesos de enseñanza-aprendizaje en particular77, por lo cual siempre
necesitarán ir de la mano del profesor en un contexto escolar.
De otro lado, los dos grupos frente a las preguntas 1 y 2 del test de
evaluación del documento audiovisual, en comparación a las preguntas 3 y 4 del
test de ideas previas, que tratan sobre las estructuras y cargas atómicas cuando se
han perdido o ganado electrones, han mejorado la interpretación, sin embargo en
el primer grupo (grupo experimental) este rendimiento es más significativo.
76 CLARO LOFF. Op cit. p. 330 y 332 77 CABERO. Op cit.
98
8. CONCLUSIONES
• La propuesta de aprehensión y mejoramiento de los conceptos
electroquímicos desde un enfoque ambiental en la educación básica y media, se
fundamentó en el modelo de unidad didáctica de Fernández et al. 78, en la cual se
plantean las actividades a partir de las ideas previas de los estudiantes. En este
caso particular se diseñó con forme a los resultados obtenidos en el campo químico
y el campo didáctico, sustentando tres ejes centrales: 1. la construcción de
electrodos de referencia y electrodos indicadores de fácil ensamblaje, económicos y
no tóxicos, con el fin de superar uno de los principales inconvenientes a la hora de
realizar prácticas electroquímicas, que se basa en la difícil adquisición de los
electrodos; 2. el documento audiovisual como herramienta en la práctica
pedagógica con tres objetivos principales: el ayudar al profesor en la ilustración de
fenómenos moleculares, el de motivar y al mismo tiempo, el de mejorar el
rendimiento escolar de los estudiantes a través del correcto uso del documento
audiovisual y 3. La valoración diagnóstica respecto a la caracterización de los
estudiantes y las ideas previas de los mismos, siendo necesario aclarar que esta
última condición puede cambiar, frente a la clase de institución educativa, contexto
social de los estudiantes y características de cada grupo de estudiantes.
• El documento audiovisual diseñado para la unidad didáctica ayuda a los
profesores en la ilustración de fenómenos moleculares dentro de la práctica
pedagógica, así como propone una pequeña guía animada y sencilla para la
construcción de electrodos de referencia (Cu/CuSO4 y Ag/AgCl) e indicadores
(grafito y pirita), que pueden ser adaptados a las necesidades y recursos de los
diferentes entes educativos. Además, este documento audiovisual se formula como
herramienta para el mejoramiento de la aprehensión de conceptos electroquímicos
con base en los resultados obtenidos con el desarrollo de la actividad de iniciación
del primer núcleo problémico, donde se demuestra que debe existir una
intervención por parte de los profesores frente a la proyección de documentos
audiovisuales y de esta forma suscitar en los estudiantes la participación e
interacción entre la información y el estudiante, usando como canal los documentos
audiovisuales fragmentados siempre en compañía de los enseñantes, para que se
produzcan cambios significativos en el contexto escolar respecto a las diferentes
78 FERNÁNDEZ, et al. Op cit.
99
asignaturas particularmente la de química, independientemente del formato de
proyección y la información incluida.
• Los electrodos de referencia ensamblados en plástico proporcionan economía
frente a los electrodos ensamblados en vidrio, sin embargo los electrodos
ensamblados en vidrio tienen una mejor respuesta frente al valor del potencial
estándar; no obstante todos los electrodos de referencia construidos en el
laboratorio tiene una variación de potencial entre 1 y 3mV, lo que hace que sean
confiables para las medidas potenciométricas en el aula de clase, auque muestren
valores de potenciales celulares diferentes entre si.
En cuanto a los electrodos indicadores, la activación del electrodo de grafito
genera un potencial mayor frente a aquellos que no han sido activados. Por otro
lado los electrodos de pirita son estables frente a los cambios de pH, demostrando
su eventual empleo como sensor, aunque no cumple con el modelo propuesto para
un electrodo de esta clase, debido a la pendiente sub-Nerstiana.
En las titulaciones potenciométricas, los electrodos tanto de referencia como
indicadores mostraron repuestas satisfactorias, en procedimientos de neutralización
y en los procedimientos de óxido-reducción.
Los materiales de ensamblaje de los diferentes electrodos permiten que sean
de fácil construcción, económicos y de mínima toxicidad para estudiantes de
educación básica y media.
Adicionalmente, en compañía del documento audiovisual que se construyó, los
procesos galvánicos y electrolíticos, pueden llegar a ser útiles a la hora de explicar
y articular la energía libre de Gibs y la influencia de esta en las reacciones
espontáneas y no espontáneas, así como los fenómenos moleculares de óxido-
reducción, concentración, transporte de carga y masa, que se presentan en los
diferentes procesos electroquímicos.
100
8. RECOMENDACIONES
Si se decide optar por el ensamblaje de los electrodos de referencia de
Cu/CuSO4 plástico-gelatina/KNO3 o NaCl, se debe tener en cuenta que éstos tienen
un proceso de gelificación más prologado que los electrodos que contienen agar, de
ahí que se hace necesario usar una fuente de refrigeración externa que acelere el
proceso de gelificación.
En la construcción de los electrodos de pirita se sugiere que sea pulida con
una forma definida, como un cubo o una pirámide con el objetivo de que resulte
más fácil para los estudiantes de secundaria dar esta forma al mineral; igualmente
si se pule con la forma indicada anteriormente, se recomienda que el electrodo se
construya de forma plana para que su geometría no interfiera de forma significativa
en la señal de los potenciales.
A modo de reflexión para los docentes, se propone, que los documentos
audiovisuales deben ser presentados de forma fragmentada, ya que está
demostrado por los resultados obtenidos en la investigación de Alexandre Claro Loff
en el área de español con alumnos de octavo grado en Portugal y por los resultados
obtenidos en el presente trabajo en la signatura de química con alumnos de grado
undécimo de una institución pública de Bogotá, que el rendimiento escolar mejora
cuando se reduce el tiempo de la proyecciones audiovisuales.
101
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105
10. ANEXOS
Anexo 1. Formato de encuestas para alumnos
Anexo 2. Formato de test de ideas previas
Anexo 3. Formato del test de evaluación del documental “El Electrón”
Anexo 4. Protocolo para la construcción de electrodos de referencia y electrodos
indicadores
Anexo 5. Protocolo para la ilustración de procesos electroquímicos
Anexo 6. Protocolo para titulaciones potenciométricas ácido-base
Anexo 7. Aplicación de encuestas para alumnos
Anexo 8. Estandarización del test de ideas previas
Anexo 9. Aplicación del test de ideas previas
Anexo 10. Bitácora del desarrollo del primer núcleo problémico
Anexo 11. Aplicación del test de evaluación del documental “El Electrón”
Los anexos 7, 8, 9, 10 y 11 están incluidos en el CD adjunto al presente
trabajo escrito.
La construcción de los electrodos, se realizó en paralelo al estudio
“Construcción y caracterización mínima de electrodos para estudios
potenciométricos” realizado por John Sadat Bernal Guerrero, químico puro de la
Universidad Nacional De Colombia (sede Bogotá).
106
Anexo 1. Formato de encuesta para alumnos
107
108
109
Anexo 2. Formato del test de ideas previas
110
111
Anexo 3. Formato del test de evaluación del documental “El Electrón”
112
79
***Esta pregunta fue formulada con base en la pregunta número 1 del test de ideas previas realizado por SANGER, and GREENBOWE, Op. cit. p. 821
113
Los protocolos del los anexos 4, 5 y 6 pretender ser una guía para el profesor
en las prácticas de electroquímica, sujetas a modificaciones de acuerdo a las
necesidades y a los planes de estudio de las instituciones educativas.
Anexo 4. Protocolo para la construcción de electrodos de referencia y
electrodos indicadores
Objetivo
Implementar en el aula de clase de educación básica y media la construcción de electrodos de referencia y electrodos indicadores como estrategia para enseñar electroquímica a partir de la aplicabilidad y manejo conceptual de los mismos. Introducción
El papel que juegan los electrodos en una celda electroquímica, corresponde fundamentalmente a la de conductores de la carga eléctrica. Los electrodos se clasifican en dos grandes grupos, los electrodos de referencia y los electrodos indicadores, que a su vez pueden subdividirse en otras categorías.
Electrodos de referencia
Los electrodos de referencia se utilizan para fijar el potencial de media celda de una pila electroquímica. Esto junto con el potencial medido de la pila, nos permite determinar un potencial desconocido en la otra semi-célula, en la cual se usa un electrodo indicador cuya respuesta depende de la concentración del analito. Un electrodo de referencia está constituido por dos sustancias que contienen una misma especie química en dos estados de oxidación diferentes. Para la elección de las sustancias que conforman un electrodo de referencia se debe tener en cuenta que en la solución en la cual se produce la transferencia de cargas no se modifique la concentración de la misma, algunos ejemplos de este tipo de electrodos son:
• Electrodo de hidrógeno • Electrodo de Calomel o de amalgama • Electrodo de plata- cloruro de plata • Electrodo de cobre- sulfato de cobre
Electrodos indicadores
Un electrodo indicador es en algunas veces un elemento conductor prácticamente inerte
frente a los cambios en estado de oxidación que se producen en el analito y frente a la solución de trabajo. (Núñez y Peláez, 1997)( Skoog y Leary, 1994) (Posadas 1980). Los electrodos indicadores son de dos tipos, denominados metálicos y de membrana selectiva para iones.
114
Electrodos indicadores metálicos • Electrodos de primer orden: Se utilizan para la cuantificación del catión proveniente del metal con que está construido el electrodo, como los de mercurio, plomo, plata, cobre y cadmio. • Electrodos de segundo orden: Responden de forma indirecta a los aniones que forman precipitados escasamente solubles o complejos con su catión • Electrodos para sistemas rédox: Este tipo de electrodos es por sí mismo inerte; el potencial que desarrolla depende únicamente del potencial del sistema de óxido–reducción de la solución en la que está sumergido, ejemplo de esta clase de electrodos son los de platino, oro, grafito y pirita, aunque estos dos últimos no son específicamente electrodos metálicos. Electrodos indicadores de membrana selectivos de iones
Un electrodo de membrana selectivo de iones contiene una membrana de vidrio, cristalina, polimérica o líquida, de naturaleza tal que la diferencia de potencial entre la membrana y una disolución electrolítica, con la que está en contacto, viene determinada por la actividad de un ión en particular (Levine, 2004), ejemplos de este tipo de electrodos son:
• Electrodos de vidrio • Electrodo de membrana líquida • Electrodos de estados sólidos o precipitados • Electrodos detectores de gases.
De otro lado, el potencial de un electrodo indicador puede usarse para establecer el punto de
equivalencia en una titulación (titulación potenciométrica), el cual puede ser determinado directamente del potencial en función del volumen en forma visual cuando se denote un salto significativo de potencial. (Skoog y Leary, 1994)
Materiales
• Jeringas de 3ml con tapón de caucho • Tapones de caucho de 1cm de diámetro • Tubos de vidrio de 3mm de diámetro y 6cm de longitud • Tubos de vidrio de 1cm de diámetro y 7cm de longitud • Conectores caimán-caimán • Conectores caimán-banana • Hojas de papel abrasivo fino • Resistencia de 1500 Ω • Mecheros o planchas de calentamiento • Vasos de precipitado de 250mL • Vasos de precipitado de 40mL • Balón aforado de 100mL • Balón aforado de 500ml • Espátulas • Agitadores manuales • Resina epóxica
115
Reactivos
• Alambres de cobre de 3mm de diámetro y 10cm de longitud • Alambres de plata de 2mm de diámetro y 5cm de longitud • Barras de grafito de 3mm de diámetro y 10cm de longitud • Cubos de pirita • Agua destilada • Agar o gelatina sin sabor • Solución de sulfato de cobre (CuSO4) saturada • Solución de nitrato de potasio (KNO3) saturada o cloruro de sodio (NaCl) • Solución de cloruro de potasio (KCl) 0.1M • Solución de cloruro de potasio (KCl) 3.5M
Equipos
• Voltímetro • Amperímetro • Fuente de 9 voltios • Balanza
Procedimiento
Construcción de electrodos de referencia de cobre-sulfato de cobre (Cu/CuSO4)
Preparar una solución saturada de sulfato de cobre (CuSO4) Preparar una solución saturada de Nitrato de potasio (KNO3)
Limpiar con papel abrasivo fino un alambre de cobre aproximadamente de una longitud de
10cm y un diámetro de 3mm. Preparar una mezcla de agar al 5% (p/p) con una solución saturada de nitrato de potasio
(KNO3). Calentar esta mezcla hasta que se obtenga una contextura espesa y transparente (la mezcla se bebe mantener en baño María hasta que llegue la hora del ensamblaje del electrodo).
Llenar 1mL de un tubo de plástico obtenido de las jeringas de 3ml con mezcla de Agar/KNO3,
evitando la formación de burbujas de aire. Dejar solidificar la mezcla durante 20minutos y después llenar el resto del tubo con la solución
saturada de sulfato de cobre. Introducir el alambre de cobre dentro del tubo inmovilizándolo con un tapón de caucho
previamente perforado, dejando una parte del alambre sobresaliente y evitando la remoción del agar.
Construcción de electrodos de referencia de plata cloruro de plata (Ag/AgCl)
• Preparar una solución de cloruro de potasio (KCl) 0.1M • Preparar una solución de cloruro de potasio (KCl) 3.5M • Pesar y conectar un alambre de plata de 5cm de longitud y 1mm de diámetro, a la terminal
positiva de una batería de 9voltios para la electrodeposición de Ag/Cl. • Conectar en serie a la terminal negativa de la batería, una resistencia de 1500 Ω, un
amperímetro y 10cm de alambre de cobre de calibre 12.
116
• Medir el potencial sobre el alambre de plata respecto de un electrodo de referencia con un
voltímetro, como se muestra en el esquema de la figura 1. • Sumergir durante 10 minutos, los dos alambres (Ag y Cu) y el electrodo de referencia en 50ml
de KCl 0.1M a una profundidad de 3cm (figura 1.)
Figura 1 Esquema del circuito empleado para la electrodeposición de AgCl
• Lavar suavemente con agua destilada y dejar secar durante 24 horas en la oscuridad el
alambre de plata ahora recubierto de AgCl. • Preparar de igual forma una mezcla de agar/KNO3 empleada para el ensamblaje de los
electrodos de referencia de cobre sulfato de cobre. • Llenar 1mL con mezcla de Agar/KNO3, un tubo de plástico obtenido de las jeringas de 3ml,
evitando la formación de burbujas de aire. • Dejar solidificar la mezcla durante 20minutos y después llenar el resto del tubo con la solución
de cloruro de potasio (KCl) 3.5M. • Introducir el alambre de Ag recubierto de AgCl dentro del tubo inmovilizándolo con un tapón
de caucho previamente perforado, dejando sobresaliente la parte no recubierta del alambre, evitando la remoción del AgCl y el agar (figura 2.)
Figura 2. Esquema general de electrodos de referencia de Cu/CuSO4 y Ag/AgCl
117
Construcción de electrodos indicadores de grafito
• Fijar con resina epóxica una barra de grafito de cualquier diámetro y 10cm de longitud a un
tuvo de vidrio de diámetro similar, pero de menor longitud. • Dejar secar durante una hora Construcción de electrodos indicadores de pirita
• Preparar una solución de KCl 3.5M • Pulir una pequeña porción de pirita hasta obtener una superficie lisa, que se pueda introducir
en un tubo de vidrio de 1cm de diámetro. • Fijar la pirita al tubo de vidrio con resina epóxica, cuidando de no dejar pirita sobresaliente y
evitando huecos entre la pirita y el tubo de vidrio. • Dejar secar durante una hora • Llenar el tubo con la solución saturada de cloruro de potasio (KCl) 3.5M • Introducir e inmovilizar un alambre de cobre de 3mm de diámetro y 10cm de longitud con un
tapón de caucho previamente perforado, dejando parte del alambre sobresaliente (figura 3).
Figura 3 Esquema de electrodos indicadores
a. Electrodo de grafito b. Electrodo de pirita
Nota: el agar puede ser reemplazado por gelatina y el KNO3 puede sustituirse por NaCl Comercial teniendo en cuenta que el proceso de gelificación de la gelatina es más lento, por lo cual es necesario refrigerar el tuvo de plástico con la mezcla Gelatina/ KNO3 o gelatina/NaCl. Adicionalmente se recomienda que los electrodos de Ag/AgCl sean almacenados en la oscuridad para evitar la oxidación del recubrimiento de AgCl.
118
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119
Anexo 5. Protocolo para la ilustración de procesos electroquímicos
Procesos Electroquímicos
Objetivo
Contextualizar y articular los conceptos referentes a la óxido-reducción, circuito eléctrico, energía libre de Gibbs, transporte de carga y energía eléctrica, a través de la aplicabilidad de los procesos electroquímicos. Introducción
Independientemente, del tipo de célula electroquímica que se tenga, esencialmente debe consistir de dos conductores llamados electrodos (cátodo y ánodo), sumergidos en la misma solución electrolítica o en dos soluciones electrolíticas diferentes en recíproco contacto a través de un puente salino o una membrana, además de un detector. El cátodo de una célula electroquímica, está definido como el electrodo donde se lleva a cabo la semi–reacción de reducción y el ánodo, es el electrodo donde se lleva a cabo la semi–reacción de oxidación. (Clavijo 2002) (Skoog y Leary 1994), donde la oxidación es la pérdida de electrones y la reducción es la ganancia de los mismos. Las células electroquímicas son esencialmente de dos clases, la células galvánicas y células electrolíticas.
Procesos galvánicos: las pilas o células galvánicas se caracterizan por la producción de energía eléctrica, es decir la energía química se convierte en energía eléctrica, por lo cual las reacciones participantes será espontáneas.
Procesos electrolíticos: Las células electrolíticas contrario a las galvánicas se caracterizan
por consumir energía de una fuente eléctrica externa, necesaria para llevar a cabo las reacciones, es decir la energía eléctrica se convierte en energía química, presentando reacciones de tipo no espontáneo.
Cada uno de estos procesos está acompañado principalmente, del fenómeno de la óxido–
reducción y el transporte de carga, en función de otros procesos como el potencial eléctrico, el equilibrio químico, el pH y la energía libre de Gibbs entre otros.
Materiales
• Tubos en U de 1cm de diámetro y 4cm de altura • Vasos desechables • Electrodos de grafito • Conectores caimán-caimán • Conectores caimán-banana • 1 bombillo “led” (Light Emitting diode) • Balones aforados de 200mL ó 250mL • Vasos de precipitado de 40mL • Espátulas
Reactivos
• Agua destilada • Agar o gelatina sin sabor • Solución de nitrato de potasio KNO3 saturada o cloruro de sodio (NaCl) • Hipoclorito de sodio comercial (5.6%) • Yoduro de potasio (KI) 0.7M • Solución de fenol (26ppm)
120
Equipos
• Fuentes que generen un potencial de 4 voltios • Agitadores magnéticos • Amperímetro • Voltímetro • Balanza
Procedimiento Proceso Galvánico: produciendo energía eléctrica a través de la energía química
• Preparar una solución de yoduro de potasio 0.7M
• Preparar una mezcla de agar al 5% con una solución saturada de nitrato de potasio
• Calentar la mezcla hasta ebullición
• Llenar los tubos en U con la mezcla anteriormente preparada y dejar gelificar durante 20
minutos • Construir una celda con 20mL de KI 0.7M y 20mL de NaClO 0.7 en las respectivas semi-células.
Las semi-células deben estar en mutuo contacto por medio del puente salino • Medir el potencial de la celda usando electrodos de grafito como se muestra en la figura 1
• Construir una pila con 4celdas en serie conectadas entre si, solamente con puentes salinos
como se muestra en la figura 2 • Medir el potencial de la anterior pila
• Construir una pila con 5 celdas en serie con base en el esquema de la figura 3. Conectando las
células con los electrodos de grafito y las semi-células con puentes salinos. • Medir el potencial de la pila anterior
• Conectar a los electrodos de los extremos de la pila un bombillo “led”
Figura 1 Esquema de una celda galvánica
121
Figura 2. Esquema de una pila con cuatro celdas en serie conectadas por medio de puentes salinos
Figura 3. Esquema de una pila con cinco celdas en serie conectadas por medio de puentes salinos y electrodos de
grafito
Proceso Electrolítico: ¿Qué sucede con el fenol cuando electrizamos el agua? • Conectar dos electrodos de grafito a las terminales respectivas de la fuente de 4 voltios • Sumergir los electrodos en la solución de fenol • Mantener en continua agitación la muestra de fenol • Observar los cambios de coloración al cabo de 5 horas Cuestiones a resolver • Describa la reacción que sucede en la celda galvánica • Diga que sustancia se reduce y que sustancia se oxida en el proceso galvánico • Qué función tienen los electrodos de grafito y los puentes salinos en el proceso galvánico • Por qué el potencial generado en la pila de 4celdas en serie (figura 2) es igual o similar al
potencial generado en la pila de una celda (figura 1) • Qué sucedería si los puentes salinos de la pila con 5 celdas en serie (figura 3), tuvieran un
diámetro de 0.5cm • A qué se debe el cambio de color en la solución de fenol (proceso electrolítico)
Nota: los tubos en U puede ser obtenidos a partir de los bombillos ahorradores desechados, de la siguiente manera (figura 4). • Retirar la base metálica del bombillo • Cortar la base plástica o de porcelana del bombillo • Retirar el sistema de circuitos y desgasificar el bombillo • Cortar los tubos del bombillo
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Figura 4. Obtención de tubos en U
Base metálica
Base plástica o de porcelana
Tubo en U
Literatura Citada
CLAVIJO DÍAZ, Alfonso. Fundamentos de química analítica. Bogotá: Universidad Nacional de
Colombia, 2002.
NÚÑEZ VALDÉS, Carlos y PELAEZ ABELLÁN, Ernesto. Electroquímica Iónica: Estudio de los
Electrolios en equilibrio. México: 1984. v.2.
PETRUCCI, Ralph y HARWOOD, William. Química General. Principios y aplicaciones modernas. 7 ed.
España: Prentice Hall, 1999.
SKOOG, Douglas y LEARY, James. Análisis Instrumental. 4 ed. España: Mc Graw Hill, 1994.
SKOOG, Douglas y WEST, Donald. Química analítica. 6 ed. México: Mac Graw Hilll, 1995.
XIAO-YAN, Li et al. Reaction pathways and mechanisms of the electrochemical degradation of
phenol on different electrodes. En: Elsevier water research 39 (2005).
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Anexo 6. Protocolo para titulaciones potenciométricas ácido-base
Determinación de acidez o alcalinidad en aguas por medio del método potenciométrico
Objetivo
Determinar la acidez o alcalinidad de una muestra de agua por medio de titulaciones potenciométricas, empleando electrodos indicadores de pirita y grafito y electrodos de referencia de Ag/AgCl y Cu/CuSO4
Introducción
Alcalinidad: de acuerdo a Romero (1996) la alcalinidad del agua puede definirse como su capacidad para neutralizar los ácidos, como su capacidad para reaccionar con los iones hidrógeno, como su capacidad para aceptar protones o como la medida de su contenido total de sustancias alcalinas (OH)¯. La determinación de la alcalinidad total y de las distintas formas de alcalinidad es importante en los procesos de coagulación química, ablandamiento, control de corrosión y evaluación tampona del agua.
En aguas naturales la alcalinidad es debida generalmente a la presencia de tres clases de compuestos
• Bicarbonatos • Carbonatos • Hidróxidos
En algunas aguas es posible encontrar otras clases de compuestos (boratos, silicatos fosfatos y
demás) que contribuyen a su alcalinidad; sin embargo, en la práctica la contribución de estos es insignificante y puede ignorarse. La alcalinidad del agua se determina por titulación con ácido sulfúrico 0.02N y se expresa como mg/L de carbonato de calcio equivalente a la alcalinidad determinada. Los iones H+ procedentes de la solución 0.02N de H2SO4 neutralizan los iones OH¯ libres y los disociados por concepto de la hidrólisis de carbonatos y bicarbonatos.
La titulación se efectúa en dos etapas sucesivas, definidas por los puntos de equivalencia para los bicarbonatos y el ácido carbónico. El método clásico para el cálculo de la alcalinidad total y de las distintas formas de alcalinidad (hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos) consiste en la observación de las curvas de titulación para estos compuestos, suponiendo que las alcalinidades por hidróxidos y carbonatos no pueden coexistir en la misma muestra.
La fenolftaleína y el metil de naranja o el metacresol púrpura y el bromocresol verde son los indicadores usados para la determinación de la alcalinidad. La fenolftaleína da un color rosado a pH mayores de 8.3 y vira a incolora por valores de pH menores de 8.3; el metil de naranja es de color amarillo en presencia de las formas de alcalinidad, es decir, a pH mayos de 4.5, y vira a color naranja en condiciones ácidas; el metacresol púrpura cambia de color a pH 8.3 y el bromocresol verde a pH 4.5
Para calcular la alcalinidad de se emplea la siguiente ecuación, frete a la titulación usando como indicador la fenolftaleína o metacresol púrpura y frente a la titulación usando como indicador naranja de metilo o el bromocresol verde
mg/dm3 CaCO3 = Va * Na * Eqg CaCO3 * (1000/Vm) Donde: Va = Volumen en mililitros gastado del ácido Na = Concentración del ácido Eqg CaCO3 = equivalente–gramo del carbonato de calcio Vm = Volumen en mililitros de la muestra
Con base en las ecuaciones siguientes y el razonamiento hecho sobre las curvas de titulación, se deduce las ecuaciones para las cinco condiciones posibles de alcalinidad incluidas en la tabla 1.
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F = OH¯ + (1/2) CO3
= M = OH¯ + CO3= + HCO3¯
Donde F = volumen del reactivo necesario para hacer virar la fenolftaleína de rosado a incoloro, pH 8.3 M = Volumen de reactivo necesario para hacer virar el metil naranja de amarillo a naranja, pH 4.5.
Tabla 1. Relaciones de alcalinidad
Resultado de la titulación OH CO3= CaCO3 , HCO3¯
F = 0 0 0 M F < ½ M 0 2F M – 2F F = ½ M 0 2F 0 F > ½ M 2F – M 2 (M – F) 0 F = M M 0 0
Acidez: la acidez de un agua puede definirse como su capacidad para neutralizar bases, como su capacidad para reaccionar con iones hidroxilo, como su capacidad para ceder protones o como medida de su contenido de sustancias ácidas.
La determinación de la acidez es de importancia en ingeniería sanitaria debido a las características corrosivas de las aguas ácidas y el costo que supone la remoción y el control de las sustancias que producen corrosión. El factor de corrosión en la mayoría de las aguas es el CO2
especialmente cuando está acompañado de oxígeno, pero en residuos industriales es la acidez industrial. En aguas naturales la acidez puede ser producida por el CO2 por la presencia de iones H+ libres, por la presencia de acidez mineral proveniente de ácidos fuertes como el nítrico, sulfúrico, clorhídrico y demás. El CO2 se combina con el agua para formar un ácido débil el cual se descompone fácilmente.
La acidez se titula mediante adición de iones OH¯ provenientes de una solución de NaOH 0.02N. Para calcular el valor de acidez en muestras de agua se emplea la siguiente ecuación
mg/dm3 CaCO3 = Vb * Nb * Eqg CaCO3 * (1000/Vm) Donde: Vb = Volumen en mililitros gastado de la base Na = Concentración de la base Eqg CaCO3 = equivalente–gramo del carbonato de calcio Vm = Volumen en mililitros de la muestra Materiales
Bureta Matraz de 100ml Balón aforado de 200ml Soporte universal Pipeta de 10ml Pinza Nuez doble Papel indicador universal ó pH-metro Electrodos indicadores y de referencia
Reactivos
Fenolftaleína Metil Naranja Vaselina Hidróxido de sodio (NaOH) 0.02N Ácido sulfúrico (H2SO4) 0.02 N Blanco (agua destilada) Muestra (agua recolectada)
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Procedimiento para la determinación de alcalinidad • Obtenga el valor del pH de la muestra con papel indicador universal ó con un pH-metro.
• Llene la bureta con H2SO4.
• Transfiera con una pipeta 20mL de la muestra de agua a un matraz de 100ml
• Agregue 5 gotas de fenolftaleína, si no aparece coloración, la alcalinidad es igual a cero (0),
si por el contrario aparece un color rosa, titule la muestra con el ácido contenido en la bureta.
• Conecte el electrodo de referencia y el electrodo indicador al voltímetro (figura 1) • Sumerja los dos electrodos en la muestra de agua • Cada vez que se agregue 0.5mL de H2SO4 deje estabilizar la señal 30 segundos y anote la
lectura del potencial registrada por el voltímetro. Repita el procedimiento hasta la desaparición del color, agitando continuamente.
• En seguida agregue 4 gotas de metil naranja y titule con ácido hasta el cambio de color de
amarillo a color naranja, registrando la señal del voltímetro de igual forma que en el paso anterior.
• Realice el mismo procedimiento con el blanco y anote los mL de H2SO4 gastados en cada
titulación. Procedimiento para la determinación de acidez • Obtenga el valor del pH de la muestra con papel indicador universal o con el pH-metro.
• Llene la bureta con NaOH.
• Transfiera con una pipeta 20ml de la muestra de agua a un matraz de 100ml,
• Agregue 5 gotas de fenolftaleína
• Conecte el electrodo de referencia y el electrodo indicador al voltímetro • Sumerja los dos electrodos en la muestra de agua
• Titule con NaOH. Cada vez que agregue 0.5mL de NaOH deje estabilizar la señal 30 segundos
y anote la lectura del potencial registrada en el voltímetro. Repita este procedimiento hasta que la muestra de agua vire a color rosa agitando continuamente.
• Realice el mismo procedimiento con el blanco y anote los mL de NaOH gastados en cada
titulación.
Figura 1. Esquema de una titulación potenciométrica
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Literatura citada
CLAVIJO DÍAZ, Alfonso. Fundamentos de química analítica. Bogotá: Universidad Nacional de
Colombia, 2002.
NÚÑEZ VALDÉS, Carlos y PELAEZ ABELLÁN, Ernesto. Electroquímica Iónica: Estudio de los Electrolios
en equilibrio. México: 1984. v.2.
PETRUCCI, Ralph y HARWOOD, William. Química General. Principios y aplicaciones modernas. 7 ed.
España: Prentice Hall, 1999.
ROMERO ROJAS, Jairo Alberto. Acuiquímica. Bogotá: Escuela colombiana de ingeniería. SKOOG, Douglas y LEARY, James. Análisis Instrumental. 4 ed. España: Mc Graw Hill, 1994.