secuencia didáctica: de los equivalentes a la...

De los equivalentes a la nanoquímica.

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Secuencia Didáctica: De los equivalentes a la nanoquímica

Kira Padilla, José Antonio Chamizo

Sesión 1. Richter y Proust

Nombres_______________________________________________________________

A.1.1 INVESTIGACIÓN PREVIA (20 PUNTOS) Antes de empezar formalmente con la química del siglo XVII, ubiquémonos dentro del contexto socio-histórico, tanto de Richter y Proust como de nuestro país. a) Identifiquen las cinco principales características (en no mas de tres renglones cada una) de la situación socio-política que se vivía en lo que hoy es México entre 1895 y 1820. b) Identifiquen las cinco principales características (en no mas de tres renglones cada una) de la situación socio-política que se vivía en Europa por las mismas fechas. c) Investiguen cinco hechos fundamentales en la vida de J.B. Richter y de J.L. Proust dos de ellos de su contexto histórico-social

La palabra estequiometría tiene una etimología griega en las palabras stoicheon, que significa elemento, y metron, que significa medida, por lo que el significado del término estequiometría es medida de los elementos. Esta nueva forma de estudiar a la química fue planteada por Benjamín Richter (1762-1807) en lo que hoy es Alemania, cuando trataba de hacer más cuantificable nuestra ciencia. A. 1. 2 DEBATE (20 puntos) “Para su mejor desarrollo la ciencia requiere largos procesos de paz, por lo tanto no pudo desarrollarse en México en las primeras dos décadas del siglo XIX” En la época de Richter solamente se estudiaban un tipo de reacciones y las sustancias se conocían por un nombre que ahora ya no es utilizado, por ejemplo: al óxido de calcio se le conocía como cal, la soda era el carbonato de sodio, la barita era el óxido de bario. En este caso utilizaremos los mismos nombres que utilizó Richter. Sin embargo, es importante comprender que todavía en esa época no se había definido el concepto de ‘compuesto químico’ tal y como lo conocemos ahora, es por ello que había algunas “sustancias” alcalinas como la “tierra de magnesio” de la cual no se conocía su composición, pero que ahora se sabe que es 4MgCO3

.Mg(OH)2.5H2O.

A finales del siglo XVIII se estudiaban principalmente las reacciones de neutralización, es decir aquellas que se podían representar de la siguiente manera:


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ácido + base (alcali, tierra o metal) �sal pero siempre de forma cualitativa. Este tipo de reacciones eran importantes para los procesos mineros, cuando se trataba de disolver minerales. La mayoría de los minerales conocidos en esa época eran básicos como la “tierra de magnesio”. Richter tenía la idea de que las proporciones con que las sustancias se combinaban formaban series aritméticas o series geométricas y asi investigó como el peso fijo y constante de un ácido se neutralizaba con diferentes pesos de bases. Determinaba que la reacción se había completado cuando se dejaban de observar cambios. Por ejemplo, cuando colocaba 1000 partes de ácido muriático (que hoy conocemos como clorhídrico) necesitaba 738 partes de alúmina para completar la reacción. Esa misma cantidad de ácido necesitaba 864 partes de magnesia, 1866 partes de estronia, 1114 partes de cal, ó 3119 partes de barita. Para sistematizar la información la colocamos en orden creciente en una tabla.

Ahora bien, en aquella época las condiciones experimentales no eran buenas, por lo tanto los datos no son muy precisos y algo que es muy importante y hay que tomar en cuenta es que para la realización de estos experimentos los químicos de la época, no sólo Richter, tenían que considerar la conservación de la masa en las reacciones químicas; la cual, aunque era totalmente desconocida, la manejaban de forma intuitiva.

A.1.3. POE. PREDICE OBSERVA EXPLICA (20 PUNTOS)

Reacciones químicas con equivalentes

En 1802 el berlinés Ernst Fisher (1754-1831) señala que los datos obtenidos por Richter se pueden tabular de una forma diferente, referidos, tanto los ácidos como las bases, a 1000 partes del ácido Vitriolo (al que hoy llamamos sulfúrico) como se muestra en la siguiente tabla.

Bases Ácidos Alumina 525 Vitriolo 1000 Magnesia 615 Fluórico 427

Cal 793 Carbónico 577 Estronia 1329 Muriático 927 Barita 2222 Nítrico 1405

Fisher explicó el significado de ésta diciendo que “si se toma una sustancia de una de

las dos columnas, digamos magnesia, que corresponde al número 615, los números de la otra columna indican la cantidad necesaria de cada uno de los ácidos para neutralizar esas 615 partes de magnesia. Esta tabla de 10 números da, al unirlos por pares, la composición de 25 sales.

Bases Para neutralizar 1000 partes de ácido muriático se necesitan

Alumina 738 partes

Magnesia 864 partes

Cal 1114 partes

Estronia 1866 partes

Barita 3119 partes


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A.1.4 ANALISIS DE DATOS (10 PUNTOS) Indiquen cuantas partes de cada una de las bases de la tabla anterior reaccionan con: a) 1000 partes de ácido vitriolo b) 927 partes de ácido muriático c) 500 partes de ácido carbónico d) 100 partes de ácido nítrico e) 1000 partes de ácido fluórico

Por las mismas fechas, en 1802, el francés Joseph Proust (1754-1826) realizaba investigaciones con diversas sustancias tanto naturales como artificiales (obtenidas en el laboratorio). Lo que Proust quería demostrar era que no importaba de dónde provenían las sustancias, si era la misma sustancia fuera natural o artificial, su composición era constante.

Proust analizó los carbonatos de cobre “natural y artificial”, el primero es mejor conocido como malaquita, y realizó el siguiente procedimiento: Tomó 180 partes de malaquita y la calentó, de tal forma que obtuvo 125 partes de óxido de cobre, 46 partes de dióxido de carbono y 10 partes de agua. De óxido de cobre comenta: “Este óxido se disuelve en ácido nítrico en caliente […y] en ácido muriático […además] el cobre es imposible combinarlo con más de 25 partes de oxígeno por 100 de cobre.” Lo que significa que para obtener este óxido se requieren estas proporciones de oxígeno y cobre. En la siguiente tabla se muestran los datos obtenidos por Proust para la descomposición de malaquita, en la segunda columna y los datos según las masas que se obtienen actualmente:

Componentes del carbonato de cobre, natural y artificial

Proust Actual

Cobre 100 127

Oxigeno 25 32

Ácido carbónico 46 44

Agua 10 18

TOTAL 180 221

A.1.5 ANALISIS DE DATOS (10 PUNTOS) Escriban las reacciones químicas que hizo Proust para obtener estos datos. La conclusión a la que Proust llegó fue la siguiente: “Debemos concluir que la naturaleza opera, tanto en sus profundidades como en la superficie o en las manos del hombre, de la misma manera. Estas proporciones invariables, estos atributos constantes, los cuales caracterizan a los verdaderos compuestos ya sean de arte o naturales, en el mundo, este pondus naturae… No es mas que el poder de la química en la ley de la elección la cual preside a todas las combinaciones” Esta es la mejor conocida como ley de las proporciones constantes o ley de las proporciones definidas.

Calificación estimada: ______puntos / 80 puntos en total


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Sesión 2. LAVOISIER

Nombres_______________________________________________________________

A.2.1 INVESTIGACIÓN PREVIA (20 PUNTOS) Investiga cinco hechos fundamentales en la vida de A. Lavoisier, dos de ellos de su contexto histórico-social. Investiga que se requiere para decir que alguien descubrió algo

En el siglo XVII muchos filósofos de la naturaleza y que hoy llamaríamos científicos creían que el aire (junto con el agua, la tierra y el fuego) era uno de los cuatro elementos con los que Aristóteles, más de dos mil años atrás explicaba las transformaciones de la materia. Sin embargo en esa época se realizaron diversos experimentos que no podían explicarse asumiendo que el aire era un elemento. El inglés Robert Boyle repitiendo experimentos anteriores realizados en Francia (y antes por los árabes) calentó estaño (un metal bien conocido en esa época y empleado actualmente para soldar) en un recipiente de vidrio cerrado. Encontró que el peso de la sustancia resultante (llamada en aquel tiempo cal y que se refería a un material diferente a lo que hoy conocemos como cal) era mayor que el del estaño original. Para explicar este proceso, con el consecuente incremento en el peso de la cal, Boyle indicó que algunas partículas de fuego se intercalaban entre las del estaño. A.2.2 DEFINICION (10 pts) A las explicaciones que los científicos dan sobre un determinado fenómeno las llamaremos modelos. La palabra modelo es tiene múltiples significados, y éstos dependen del contexto en el que se use. Por un lado es ejemplar, es decir indica aquellas cosas, actitudes o personas que se propone imitar. La valentía de un guerrero, la inteligencia de un sabio, la solidaridad de un médico, la velocidad de un corredor o la belleza de una mujer son ejemplos de modelos en este sentido. A través de los modelos conocemos el mundo real. En este sentido una definición de modelo es: “Los modelos (m) son representaciones, basadas generalmente en analogías, que se construyen contextualizando cierta porción del mundo (M), con un objetivo específico.” Indiquen cinco modelos de algo, tres de ellos que se usen en química Otra explicación para el mismo proceso provino del químico alemán Georg Stahl. El modelo que propuso llamado Modelo del flogisto (de la palabra griega phlox = flama) indicaba que en toda sustancia que se quema hay flogisto y cal. Cuanto más flogisto más fácilmente se quemaba el material. La cal que resultaba de quemar el metal tenía un aspecto terroso y ninguna de las características del metal que provenía (brillo, maleabilidad, ductibilidad). Una manera de representar lo anterior es:


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Metal Φ + ”cal” (Proceso 1) ( símbolo del flogisto) Aquellos materiales que al quemarse dejaban menos “cal” tenían más flogisto, por ello algunos como el carbón fueron muchas veces identificados como el mismo flogisto. Así se podía interpretar la obtención de metales al quemar una “cal” en presencia de carbón (rico en flogisto) “Cal” + Φ metal (Proceso 2) ( proveniente del carbón) A. 2.3. ANALISIS (10 pto) Con lo que acabas de leer completa la cuarta columna indicando si con los resultados expresados en la columna 3 apoyarías o rechazarías el modelo, justifica tu respuesta:

Proceso Predicción de acuerdo con el modelo del flogisto

Resultado experimental

Interpretación que apoya o rechaza el modelo del flogisto

1 Se formará un polvo (la cal) La masa del producto disminuirá

Se forma un polvo La masa del producto aumenta

2 Se formará un metal La masa del producto debe aumentar

Se obtiene un metal La masa del producto disminuye

a) Compara tus argumentos con los elaborados por tus compañeros de equipo. Analicen similitudes y diferencias y lleguen a una conclusión común. Para el año 1750 era claro que la única manera de hacer coincidir los resultados experimentales con el modelo del flogisto era que este tuviera peso negativo (por ello cuando se eliminaba del metal, el peso de la cal resultante aumentaba o cuando se adicionaba a la cal el peso resultante disminuía). Por extraño que hoy nos parezca suponer que una sustancia tenga peso negativo en aquella época la idea no era tan audaz. Se sabía de la existencia de otras especies “incorpóreas” como el calor, la electricidad o el magnetismo. Así, lo que había que hacer era pesar lo más cuidadosamente que se pudiera, tanto los metales que se quemaban como las cales que interactuaban con el flogisto proveniente del carbón. Como en todos estos procesos se estaba en presencia de aire (por ejemplo se sabía muy bien que sin aire no se podía sostener la llama de una vela), había también que estudiar la composición del aire, es decir si era un elemento o una mezcla. A partir de ese momento los químicos empezaron a trabajar más cuidadosamente con el aire y a pesar con mayor precisión y exactitud. Así se hicieron los siguientes descubrimientos importantes:

• En 1756, Joseph Black descubre el aire fijado (lo que hoy conocemos como dióxido de carbono, el producto de quemar carbón).

• En 1766, Henry Cavendish descubre el hidrógeno, un gas muy ligero y que por ello se confundió con el mismo flogisto. Como se quemaba muy fácilmente fue llamado aire inflamable.

• En 1772, Ernst Rutherford descubre el aire flogistado (aire saturado de flogisto, por lo que no permite la combustión) lo que hoy conocemos como nitrógeno.

• En 1771 y 1775, Carl Scheele y Joseph Priestley descubren de manera independiente el aire deflogistado (que al no tener flogisto lo “buscaba” afanosamente) y que hoy sabemos es el oxígeno.


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A. 2.4. INVESTIGACION-ANALISIS (10 pts) Priestley relata en 1775 su descubrimiento del aire deflogistado de la siguiente manera: “Para convencerme todavía más, me procuré otro ratón y, poniéndolo dentro de no menos de dos onzas de aire extraído de mercurio calcinado, y de aire extraído del precipitado rojo (los cuales mezclé entre si, por haber hallado que eran de la misma cualidad), vivió tres cuartos de hora. Pero no tomé la precaución de poner el recipiente en sitio abrigado, me figuro que el ratón murió de frío. Con todo, vivió tres veces más de lo que hubiera vivido, probablemente, de estar metido dentro de igual cantidad de aire ordinario […] Convencido ya enteramente de la bondad superior de este aire, me puse a medir ese grado de pureza con la mayor exactitud que me era posible[…]Según se verá más adelante, después he obtenido aire mejor que éste, como que es cinco o seis veces más bueno que el aire ordinario que conozco.” INSERTAR IMAGENES a) Muchas personas indican que Priestley descubrió el oxígeno, pero él nunca lo supo ni le llamó así. ¿Se puede descubrir algo si no se es consciente de que se ha descubierto? Justifiquen su respuesta. b) ¿Cuál es la diferencia entre descubrir e inventar? ¿América se descubrió o se invento? Justifiquen su respuesta De los descubrimientos anteriores lo que quedó claro es que el aire no era un elemento, como suponían los antiguos griegos, sino una mezcla de gases (la palabra gas en griego quiere decir caos) algunos de los cuales se podían quemar fácilmente (como el aire inflamable), otros impedían la combustión (como el aire flogistado) y otros la favorecían (como el aire deflogistado). El químico francés A. Lavoisier repitió el experimento de Prietsley y encontró que el aire deflogistado era uno de los componentes de la mezcla de gases, que ya para entonces todos los científicos de la época estaban de acuerdo, y le llamaban aire. Le cambió el nombre y lo llamó oxígeno. Su explicación del proceso 2 fue completamente diferente a la propuesta por el modelo del flogisto como se indica a continuación (donde el metal es mercurio): “Cal” ⎯→ metal + oxígeno (Proceso 2 de acuerdo con el modelo de Lavoisier) Descubrió que los metales se combinaban con el oxígeno para producir un polvo (la cal) que al disolverse en agua era alcalino. Utilizando las mejores balanzas que se podían tener en aquella época y sellando cuidadosamente todos los aparatos (para que no escapara ningún gas) encontró que el incremento de peso de un metal, cuando se calienta en aire (al formar la cal) correspondía al peso perdido de oxígeno del aire. Así su explicación del proceso 1 (la combustión de un metal) fue también completamente diferente a la propuesta por el modelo del flogisto como se indica a continuación: Metal + oxígeno ⎯→ ”cal” (Proceso 1 de acuerdo con el modelo de Lavoisier) El modelo de la combustión de Lavoisier indicaba que lo que la producía era una reacción con oxígeno, en la cual siempre había una ganancia de peso (como se reconoce en los resultados experimentales de la Tabla. Por lo mismo cuando se calentaba la “cal” (que para Lavoisier era un óxido metálico) se obtenía el metal (que pesaba menos que el óxido original) y oxígeno. Para Lavoisier no existía el flogisto y una vez que su modelo de combustión explicaba completamente los resultados experimentales fue poco a poco aceptado por la totalidad de los químicos de la época.


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A.2.5 CONCLUSION (30 pts) Con lo leído anteriormente completen la siguiente tabla

Fenómeno Modelo del flogisto Modelo del oxígeno Experimento de Tarea

Combustión

Incremento de peso con la combustión

Extracción de metales de su mena

Como el carbón, las sustancias que se queman bien dejan pocos residuos

El agua es

Como resultado de sus cuidadosos experimentos, pesando con precisión y exactitud en sistemas aislados y bien sellados pudo establecer la ley de conservación de la materia que indica que la materia no se crea ni se destruye sólo se transforma de una forma a otra. Lavoisier hizo otra importantísima aportación a la química. En su libro Tratado elemental de química publicado en 1789 indico una primera lista de 35 elementos y además estableció las bases de la moderna nomenclatura química. Allí dice: La imposibilidad de separar la nomenclatura de la ciencia, y esta de aquella, depende de que toda ciencia… se compone necesariamente de tres cosas: de la serie de los hechos que la constituyen: de las ideas que los representan; y de las ideas que los expresan. La palabra debe excitar la idea, y esta pintar el hecho, pues son tres impresiones de un mismo sello; y como las palabras son las que conservan y transmiten las ideas, resulta que no se puede perfeccionar el lenguaje sin perfeccionar la ciencia, ni esta sin el lenguaje, y que por muy ciertos que sean los hechos y exactas las ideas que originen, no transmitirán mas que impresiones falsas, si no tenemos términos propios con que expresarlos.

A.2.6 (CONCLUSION 20 pts)

Expliquen brevemente porqué ambas aportaciones se pueden considerar lo anterior como muy importantes para el desarrollo de la química.



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Sesión 3. DALTON

Nombres_______________________________________________________________ A.3.1 INVESTIGACIÓN PREVIA (20 PUNTOS) Investiga cinco hechos fundamentales en la vida de J, Dalton dos de ellos de su contexto histórico-social. Investiga en que consiste la ley de las proporciones múltiples

Dalton pocos años después de la muerte de Lavoisier retomó las propuestas de Richter y Proust para su modelo atómico, el cual se resume en los siguientes nueve puntos: i) La materia se compone de átomos. ii) Los átomos son indivisibles y no pueden ser creados o destruidos. iii) Todos los átomos o ‘átomos compuestos’ de una sustancia pura son idénticos y su masa es

idéntica. iv) Los átomos de diferentes elementos tienen diferentes masas. v) Un átomo compuesto (partícula más pequeña de un compuesto) está formada por un número

fijo de átomos de sus elementos componentes (con esta hipótesis y las anteriores se explica la ley de proporciones constantes).

vi) La masa de un átomo compuesto será la suma de las masas de sus átomos constituyentes. vii) Cuando un elemento se une con otro para formar más de un compuesto dando lugar así a

sustancias con distintas proporciones ponderales (por ejemplo, 2:1 ó 3:1), estas proporciones guardan entre sí una relación muy simple de números enteros sencillos (ley de proporciones múltiples).

viii) La masa atómica de un elemento en todos sus compuestos es la misma. La composición de un compuesto formada por dos elementos A y B puede ser derivada de las composiciones de compuestos de cada elemento con un tercero C (ley de las proporciones recíprocas).

ix) Si sólo es conocido un compuesto formado por dos tipos de elementos A y B, a menos que haya una razón para pensar lo contrario sus partículas (átomos compuestos) serán del tipo binario AB. Si hay más de un compuesto uno será binario AB y el otro ternario A2B ó AB2 y así sucesivamente (regla de la máxima simplicidad).

A continuación se muestran los símbolos que propuso Dalton para identificar las partículas simples y compuestas. A.3.2 (20 puntos) Identifiquen las formulas del monóxido y del dióxido de carbono, agua, amoniaco y ácido sulfúrico (como se conocían entonces) y compárenlas con las actuales. ¿Cuál es su opinión de la regla de la máxima simplicidad?


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A.3.2. (20 puntos) Utilicen el modelo atómico de Dalton para deducir la fórmula de los compuestos I, II, III y IV de la tabla. Anoten allí mismo sus resultados

Oxígeno

(a)

Azogue

(b)

Relación entre a y b

Relación entre a y b

simplificada

Fórmula

Compuesto I 8 7

Compuesto II 32 28

Compuesto III 8 14

Compuesto IV 16 28

A.3.3 (15 puntos) Uno de los experimentos de Dalton consistió en mezclar hidrógeno con oxígeno. Encontró las relaciones que se muestran a continuación. Utiliza la información para determinar la fórmula de cada compuesto y anótala en la tabla.

Cantidad de hidrógeno

Cantidad de oxígeno Fórmula química

Compuesto I 2 8

Compuesto II 2 16

Compuesto III 1 8


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Una idea importante en ese momento fue establecer las masas relativas de los átomos. Como se puede ver en la figura Dalton decidió referirlo todo al átomo más pequeño, el hidrógeno. Se sabía que era el más pequeño porque siempre reaccionaba menos cantidad de hidrógeno que de cualquier otra cosa. Otros químicos utilizaron átomos diferentes, por ejemplo el gran químico sueco J.J. Berzelius tomó oxígeno como 100. La siguiente es una tabla de equivalentes

Se combinan con 1 parte de hidrógeno 8 partes de oxígeno 35.5 partes de cloro

8 o 16 partes de oxígeno 35.5 de cloro 12 de magnesio 35.5 partes de cloro 12 de magnesio 23 de sodio

16 de azufre 23 de sodio 18.66 o 28 de hierro Las cifras de esta tabla están de acuerdo con la ley de las proporciones equivalentes y muestran los pesos de varios elementos que se combinan entre si. NOTAR QUE YA SE ESTÁ HABLANDO DE ELEMENTOS Y ESTOS ESTAN FORMADOS POR ÁTOMOS A. 3.4 (15 puntos) Con cuantas partes de hidrógeno reaccionan: 16 de azufre; 50 de cloro; 100 de oxígeno. Con cuántas partes de oxígeno reaccionan: 71 partes de cloro, 1 de magnesio, 100 de sodio Con cuántas partes de cloro reaccionan: 46 partes de sodio, 10 de oxígeno, 100 de hidrógeno

Si se fijan bien, hemos utilizado, al igual que Dalton, a la masa atómica del hidrógeno

igual a 1 como referencia. Si se dedicaran a determinar masas atómicas relativas es necesario que utilicen a una de ellas como referencia. En este caso Dalton utilizó a la del hidrógeno; sin embargo, había otros químicos que estaban en contra del uso de los átomos y las moléculas, como William H. Wollaston quien popularizó el término de ‘equivalente químico’, que no era exactamente el mismo al que utilizaba Richter, aunque estaba basado tanto su ley (la de Richter) como en la teoría de Dalton.

A.3.5. (10 puntos) Escriban un pequeño texto, de no más de una cuartilla, que empiece con la siguiente frase: “se necesita utilizar masas relativas”



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Sesión 4. Gay-Lussac y Avogadro.

Nombres_______________________________________________________________ Una parte importante en la historia de la ciencia fue el desarrollo de la química neumática, es decir el estudio de los gases, su química y sus propiedades físicas. El estudio de las propiedades de los gases empieza a ser de fundamental importancia ya que abre las puertas a una serie de experimentos que son el parte aguas de la química moderna. Algunos de los principales exponentes de la química neumática son: Robert Boyle (1627-1691), Edme Mariotte (1620-1684), Joseph Louis Gay Lussac (1778-1850) y Jaques Charles (1746-1823). A partir de los trabajos de Wollaston el modelo equivalentista adquiere bastante fuerza y sentido para muchos investigadores de la época. Sin embargo, al mismo tiempo, la hipótesis atómica va adquiriendo la fundamentación teórica que requiere. Investigadores como Gay-Lussac y Avogadro le dan un nuevo sentido a esta hipótesis. En esta sesión estudiaremos el trabajo realizado por estos dos grandes investigadores, así como el impacto que sus aportaciones tuvieron al desarrollo de la Química como ciencia moderna.

A.4.1 INVESTIGACIÓN PREVIA (20 PUNTOS) Investiga cinco hechos fundamentales en la vida de Joseph-Louis Gay-Lussac y en la vida de Amadeo Avogadro; dos de ellos de su contexto histórico-social. Gay Lussac trabajó en la combinación de los gases, partiendo de la hipótesis de Dalton sobre las combinaciones más simples. A.4.2. POE (PREDICE, OBSERVA, EXPLICA) (20 puntos) Electrólisis de agua. Experimento realizado por el profesor. A.4.3. (25 puntos) Considerando tus predicciones y observaciones del experimento de la electrólisis, y la propuesta de Dalton para la fórmula del agua, plantea junto con tus compañeros: a) ¿Cuáles debieron ser los resultados según la fórmula del agua propuesta por Dalton? b) ¿Cuál pudo haber sido la hipótesis que propuso Gay-Lussac para explicar sus resultados.

Los resultados obtenidos por Gay Lussac fueron muy controvertidos, debido a que no concordaban con el modelo de moléculas vigente. Sin embargo, el químico italiano Amadeo Avogadro sugirió que los resultados experimentales de Gay Lussac serían correctos si se utilizaba un modelo de moléculas distinto al que existía en ese momento. La idea de moléculas formadas por átomos de un mismo elemento era inconcebible para los químicos de la época. Hay que tener presente que en aquel momento y de acuerdo con la teoría electroquímica de Berzelius la formación de ‘átomos compuestos’ se explicaba sobre la base de la atracción de átomos diferentes que estaban cargados con electricidades de signo opuesto (+ y -,


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respectivamente). Por tanto, dos átomos iguales, como por ejemplo de hidrógeno, tendrían que repelerse entre sí y no deberían formar moléculas. A.4.4. (20 puntos) Con los resultados experimentales obtenidos del experimento anterior y la sugerencia de Avogadro, propón un posible modelo de moléculas que sirva para explicar los resultados experimentales obtenidos por Gay Lussac. 1. ¿En qué se diferencia tu modelo del modelo vigente en la época de Avogadro? 2. Tarea para casa: Busca en algún libro de Química cuáles fueron las hipótesis que planteó Avogadro y compáralo con las conclusiones obtenidas por tu equipo para explicar los resultados experimentales de Gay Lussac. A.4.5. (15 puntos) Describe, ¿cómo se puede saber la fórmula de un gas que se produce haciendo reaccionar un volumen de etano (C2H4) con un volumen de cloro (Cl2) y sabiendo que se forma un volumen de un único gas? Escribe el razonamiento que seguiste para llegar al resultado.



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Sesión 5. El congreso de Karlsruhe

Nombres_______________________________________________________________

Como ya hemos estudiado, investigaciones como las realizadas por Gay-Lussac y Avogadro le dan un nuevo sentido a la hipótesis atómica; aunque en un principio las hipótesis de Avogadro (las cuales se fundamentan en los experimentos de Gay-Lussac) fueron rechazadas por la comunidad científica, éstas sugieren la existencia de moléculas formadas por átomos iguales, algo que no es aceptado por la mayoría de los químicos, sobre todo franceses y alemanes debido a los conocimientos sobre las cargas que se tenía hasta entonces.

A.5.1 INVESTIGACIÓN PREVIA (20 PUNTOS) Investiga cinco hechos fundamentales en la vida de Stalislao Cannizzaro y en la vida de Friedrich August Kekulé; dos de ellos de su contexto histórico-social. La idea de que se llevara a cabo una convención internacional para discutir temas contemporáneos de química fue originalmente propuesta por Kekulé, quien quería que se discutieran los siguientes temas: se alcanzara un acuerdo para tener una terminología uniforme, así como una misma nomenclatura y simbolismos referentes a conceptos como átomos, moléculas, equivalentes, atomicidad, basicidad, etc. Un segundo objetivo de Kekulé era que se iniciara un debate sobre las teorías existentes y las concepciones relacionadas con las magnitudes moleculares. Cannizzaro llevó la discusión a la “necesidad” de la química de distinguir entre la molécula física y la molécula química. Cannizzaro dijo “todo lo que necesitamos distinguir son las moléculas físicas de los gases, cuyas masas relativas están dadas directamente por la densidad del vapor de los átomos químicos que forman esas moléculas gaseosas y que definen la composición de los compuestos” A.5.2. (10 puntos) Escribe lo que crees que está defendiendo Cannizzaro. Comparen sus respuestas y lleguen a un consenso.

Kekulé y Cannizzaro defendieron sus posiciones y fue Wurtz quien dijo que esa discusión era sólo semántica y que la verdadera interrogante era, sin duda, dar el significado químico de los términos átomos y moléculas.

A.5.3. (10 puntos) Con base en lo que se discutió en la sesión 4 y en lo que propuso Wurtz, discutan cuál podría ser el acuerdo al que se llegó en cuanto al significado de átomos y moléculas.


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Por su parte la escuela equivalentista de Gmelin y la escuela “unitaria” de Gerhardt compartían la visión de Kekulé sobre las mediciones en química. Gerhardt y Laurent abogaban por la consistencia en el uso de magnitudes moleculares, construidas no con base en la teoría de gases de Avogadro- Ampere, sino a través del uso de los volúmenes iguales. Todos ellos compartían la visión de que los datos físicos estaban en un mismo “nivel” que los datos químicos.

Cannizzaro sin embargo estaba convencido de la importancia de las hipótesis de Avogadro. Esta convicción se vio reforzada con los incipientes trabajos sobre la teoría cinética. Es decir, Cannizzaro fue capaz de demostrar que las “anomalías” presentadas por la hipótesis de Avogadro eran eliminadas si se suponía la disociación de ciertos compuestos lábiles y la submolecularidad variable de algunos elementos (O2, O3).

A.5.4. (10 puntos) Cómo interpretarías en términos modernos la siguiente frase dicha por Cannizzaro “cada elemento tiene un valor numérico especial a través del cual y de los coeficientes integrales la composición en peso de volúmenes iguales de las diferentes substancias en las cuales están contenidas podrían ser expresadas”

Como resultado importante de este congreso se reconoce, gracias a los trabajos de Cannizzaro, la importancia de la hipótesis de Avogadro, aceptándose que las moléculas, incluso en una sustancia simple gaseosa, pueden estar formadas por varios átomos iguales, haciendo hincapié en que algunas como las del oxígeno, el hidrógeno y los halógenos eran diatómicas. Kekulé plantea la existencia de dos tipos de notaciones principales: la atómico-molecular y la notación en equivalentes, en donde en el primer caso la fórmula representa a la molécula; en el segundo, a la equivalencia. A.5.5. (20 puntos) Analiza la siguiente tabla y haz una descripción de cuáles son las diferencias fundamentales entre estos dos tipos de notaciones.

Se plantea la necesidad de adoptar sólo un tipo de notación y se opta por la notación atómica, pero no hubo ningún acuerdo sobre el mejor método para determinar masas atómicas. A pesar de esto, se siguieron utilizando las diferentes notaciones (con base en los equivalentes, de tipos o atómica). Además los compuestos químicos se clasificaban como ‘perfectos’ (aquellos que cumplían la ley de proporciones constantes de Proust) e ‘imperfectos’ (aquellos que tenían una composición variable dentro de ciertos límites como sugería Berthollet).



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6. De Wilhelm Ostwald al Stoffmenge

Nombres_____________________________________________________________________ En los años siguientes se manifestó abiertamente la polémica en la comunidad científica sobre el uso de los equivalentes y de los átomos y moléculas. Muchos químicos analistas prefirieron, por su mayor sencillez, el uso de los pesos equivalentes ya que consideraron que se llegaba a los mismos resultados sin suponer la existencia de átomos, sólo teniendo en cuenta las proporciones en peso o los equivalentes. No obstante, con el desarrollo de la teoría atómica y las investigaciones de la física sobre las radiaciones de los cuerpos calientes o de los gases a elevado potencial a principios del siglo XX, ya se puede considerar aceptada esta teoría, llegándose a diversas técnicas para cuantificar el número de átomos y moléculas. La aceptación progresiva de la teoría atómico-molecular a finales del siglo XIX no significó la desaparición del paradigma equivalentista, que se refugió en la termodinámica, ciencia emergente que tiene como concepto estructurante el de la energía y que surgió como opuesta al atomismo. A.6.1 INVESTIGACIÓN PREVIA (20 PUNTOS) Investiga cinco hechos fundamentales en la vida de Wilhelm Ostwald; dos de ellos de su contexto histórico-social. En 1900, Wilhelm Ostwald el fisicoquímico equivalentista alemán, propone el uso de un nuevo concepto que se contrapone al concepto de molécula y al que denomina ‘mol’ que etimológicamente se define como ‘masa grande’. Ostwald define al mol como “la masa molar en gramos numéricamente igual a su masa molecular relativa”, que es una definición muy cercana a lo que Wollaston definió como peso equivalente. A.6.2 (10 puntos) Propón 5 hipótesis razonadas con respecto a los factores macroscópicos de que depende la mayor o menor proporción en masa con que se combinan dos sustancias químicas. Toma como ejemplo la reacción entre el cobre (Cu) y el azufre (S) para formar el sulfuro cúprico (CuS). El número de equivalentes o ‘equivalente químico’ era considerado por el paradigma equivalentista una de las cuatro formas de expresar o medir una ‘cantidad de materia’ (la masa, el volumen y el “número de moles” eran los otros tres). Algunos químicos consideraban importante el concepto de equivalente químico por ser dependiente del tipo de proceso químico en el que se combinan partícula a partícula y no gramo a gramo. En 1961, el término ‘mol’ representa, en el marco atomista, la ‘cantidad de sustancia que contiene el mismo número de entidades elementales (átomos, iones, o moléculas) como átomos hay en 12 gramos de 12C’. Guggenheim define a la cantidad de sustancia como una magnitud diferente a la masa y al número de partículas, pero proporcional a ambas.


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A.6.2.1 (5 puntos) Describe el procedimiento que seguirías para saber si en dos montones iguales de azufre (S) y cobre (Cu), respectivamente, hay o no el mismo número de átomos. A.6.2.2 (5 puntos) ¿Cómo se podría saber si en dos sustancias sólidas moleculares hay o no el mismo número de moléculas? La discusión sobre el problema del mol surgió en la década de los 50’s en Alemania, tanto los fisicoquímicos como los físicos se preguntaban si era necesario la introducción de una nueva magnitud a la que denominaron “stoffmenge” (porción de sustancia en alemán, cantidad de sustancia en español) de la cual el mol era su unidad. Con las sucesivas definiciones que dio la IUPAP desde 1957 hasta la definitiva en 1967 surgieron una serie de discusiones en la comunidad científica internacional sobre si era o no necesario el uso de esta magnitud y qué utilidad tenía. A.6.3 (15 puntos) Desarrolla un procedimiento matemático para determinar la siguiente cuestión: si se tienen dos muestras de masas iguales de magnesio y carbono, ¿en cuál habrá mayor cantidad de sustancia? Finalmente, de la polémica surgida durante la primera mitad del siglo, una nueva magnitud, la cantidad de sustancia, es reconocida por la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada (I.U.P.A.P) como una de las siete magnitudes fundamentales, recomendando como su unidad básica al mol y aceptándola como una magnitud fundamental diferente a la masa y al número de partículas. A.6.4. (15 puntos) Elige de entre las masas de las siguientes sustancias aquellas que consideres contienen la misma ‘cantidad de sustancia’: agua, cloruro de sodio, hierro y oxígeno.

Masas que contienen la misma cantidad de partículas (en gramos)

Sustancia Masa atómica Masa molecular Masa fórmula relativa

Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3

H2O 18 18 9 30 NaCl 58.5 58.5 29.25 30 Fe 55.8 55.8 27.9 30 O2 32 32 16 30

‘cantidad de sustancia’ n1 n2 n3 Explica tu selección. A.6.5. (10 puntos) a) Conociendo la ‘masa molar’ (M) de una sustancia, ¿cómo se podría determinar la ‘cantidad de sustancia’ (n) a partir de la masa de una sustancia (m)? b) conociendo el número de partículas de una sustancia contenidas en 1 mol ¿Cómo se podría calcular la ‘cantidad de sustancia’ (n) a partir del número de partículas (N) de dicha sustancia? A.6.6. (15 puntos) Con base en lo que hemos estudiado hasta ahora y utilizando el siguiente diagrama propón tres ecuaciones que relacionen a la cantidad de sustancia con las siguientes variables: número de partículas, volumen y masa. Explica el porqué de cada ecuación


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A. 6. 7. (20 puntos) Completa los huecos que aparecen en la tabla, a partir de la información que se indica para cada sustancia. Describe el proceso que seguiste para hacerlo.

sustancia Masa (g) Volumen Nº total de moléculas

Nº total de átomos

Cantidad de sustancia (n)

agua 0.75 g etanol 100 mL CaCO3 0.5 mol

Fe 6.022 x 1023 amoniaco 30 x 1023

Datos: Masas atómicas relativas (H: 1; O: 16; Ca: 40; C: 12; Fe: 55.8; N: 14) Densidades (agua 1g/cm3; etanol: 0.8 g/ cm3; CaCO3: 2.71 g/cm3; Fe: 7.87 g/cm3; amoniaco 0.77g/L) Otro aspecto importante de la notación atómica es la forma en que se hace referencia a una sustancia, por ejemplo cuando hablamos de carbono nunca especificamos el alótropo al que nos referimos y en la notación atómica esto es fundamental.

A. 6.8 (5puntos) El elemento oxígeno se presenta habitualmente en la naturaleza con dos estructuras moleculares que corresponden a dos sustancias simples diferentes: dióxigeno [O2 (g)] y trioxígeno (ozono) [O3 (g)]. ¿Sería correcto preguntar qué masa tiene o cuántos átomos contiene un mol de oxígeno?

Recapitulación La cantidad de sustancia es una magnitud macroscópica que permite contar, con números pequeños: las partículas que conforman una determinada sustancia (lo que permite escribir las fórmulas), aquellas que intervienen en una reacción química (lo que permite balancear las ecuaciones químicas).

Nm

n

V

NA M

Vm


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Esta magnitud permite contabilizar macroscópicamente las partículas de forma indirecta, a través de otras magnitudes como la masa, el volumen o el número de entidades químicas. La cantidad de sustancia (simbolizada como n) es proporcional a la masa (m) y la constante de proporcionalidad depende de la sustancia ya que es el inverso de la masa molar (1/M) de ésta; es proporcional al volumen (V) y su constante de proporcionalidad es el inverso del volumen molar (1/Vm); es proporcional a número de entidades químicas (N) y su constante de proporcionalidad es el inverso de la constante de Avogadro (1/NA), de esta forma resulta en la única magnitud macroscópica que permite contar partículas. Sin embargo, no se debe identificar con ninguno de estos términos.

Una vez dicho esto se deberá aclarar que así como otras magnitudes tiene su unidad de medida (la longitud el metro, el tiempo el segundo, la masa el kilogramo, etc.), la cantidad de sustancia también tiene su unidad de medida y es el mol el cual se ha definido, según la I.U.P.A.C., de la siguiente forma:

1. El mol es la cantidad se sustancia de un sistema el cual contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0.012 kilogramos de carbono 12; su símbolo es “mol”.

2. Cuando se use el mol, las entidades elementales deben ser especificadas y pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones, otras partículas, o grupos específicos de partículas



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Sesión 7. Kroto

Nombres_______________________________________________________________

A 7.1 (30 puntos). Investiga cinco hechos fundamentales en la vida de H. Kroto, dos de ellos de su contexto histórico-social. ¿Quién lo otorga, desde cuando y cuantos tipos diferentes hay de Premios Nobel?¿Cómo se decide quién lo merece?

En los años 80’s Gerd Binnig (de Alemania) y Heinrich Rohrer (de Suiza) que trabajaban en la compañía IBM de Zurich desarrollaron el microscopio de tunelaje de barrido (STM por sus siglas en inglés). A través de esta técnica se tomaron las primeras imágenes de átomos aislados en 1985 y sus inventores ganaron el Premio Nobel de Física un año después.

El microscopio utiliza una punta de prueba que no es otra cosa que una aguja finísima que termina en un átomo. A través de la aguja se puede hacer pasar una diminuta corriente eléctrica que permite tomar un átomo y desplazarlo al lugar deseado como se muestra en la figura. Hay que hacer notar que las imágenes obtenidas con átomos de xenón se tomaron a temperaturas cercanas al cero absoluto. Es también muy importante reconocer que la distancia entre la


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extremidad y la superficie debe ser controlada y por lo tanto el microscopio está aislado de cualquier tipo de vibración.

A.7.2. (10 puntos) Un átomo de xenón tiene un diámetro de 218pm? ¿Cuál es la longitud (en pm, m, mm, µm y nm) de la I en el logotipo?

A.7.3. (20 puntos) La siguiente figura formada por átomos de Fe sobre una superficie de cobre representa el carácter Kanji para la palabra átomo. ¿Cuántos átomos hay en ésta imagen? Un átomo de Fe tiene un diámetro de 248 pm ¿cuál es la longitud del trazo superior en la imagen en nanometros?


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Una de las formas alotrópicas del C es el futboleno (una molécula esférica de fórmula C60). Uno de sus descubridores fue H. Kroto y junto con R. Smalley y R. Curl, ganaron del premio Nobel de Química en 1996. Todos ellos, pero en particular Kroto son reconocidos como los fundadores de la nanoquímica.

Para que se den una idea de los tamaños relativos de los átomos y las moléculas con objetos cotidianos hay que saber que el diámetro del futboleno (que es un polvo negro, inolororo y soluble en muchos disolventes orgánicos) es de 70 nm, el de una pelota de futbol es de 22 cm y el de la Tierra es de 12.7 km. Si el futboleno fuera del tamaño de una pelota de futbol, la pelota de futbol seria del tamaño de la Tierra.


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La nanoquímica permite la manipulación de átomos para producir no solo logotipos o caracteres en chino-japonés sino para muchas otras cosas que afectan y afectarán su vida; en la medicina, los nuevos materiales, nuevos armamentos, robots o máquinas, como el nanoauto que se muestra en la siguiente figura.


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A. 7.4 (20 puntos) Como ya conoces el tamaño del C60 que en el nanoauto es cada una de sus ruedas, estimen el tamaño de todo el nanoauto y hagan una comparación semejante a la que se mostró con el tamaño de la Tierra

Después de revisar esta serie de actividades sobre los átomos esperamos que les haya quedado claro como se paso de un modelo equivalentista a otro atomista (con la incorporación del concepto de cantidad de sustancia es decir con la manipulación de números de Avogadro de átomos) y cómo de allí, con nuevas técnicas, se está en la posibilidad de manipular a los átomos de uno en uno.

A. 7.5 (20 puntos) Escriban en una cuartilla cómo sabemos que los átomos existen

¡Bienvenidos al mundo de la nueva química!



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Resumen de Actividades

Sesión

Nombre Objetivos

Instrumento de evaluación

Tarea previa

1. Richter y Proust

a) aplicar el modelo de Richter para encontrar la relación entre las partes que reaccionan de un ácido con una base.

b) entender las dificultades que se presentaban cuando se quería cuantificar la reacción química, sin poder utilizar el concepto de átomo.

c) definir la forma en que identifican que la reacción se lleva a cabo y el momento en el que deciden que ya se ha completado.

d)definir los factores que afectan las reacciones químicas.

e) reconocer las “partes” y trabajar con ellas. - realizar dos tipos de reacciones, uno con sustancias y otro con mezclas, para reconocer la importancia de saber la identidad de las sustancias que están reaccionando con el fin de poder explicar lo que sucede.

f) aplicará otro modelo y entender que un mismo fenómeno se puede explicar con distintos modelos, pero comprenderá que unos son mejores que otros porque permiten obtener mejores explicaciones, o dar la pauta para que eso ocurra

A.3.1 llena

A.3..2 llena

Autoevaluación con Rejilla de aprendizaje

Buscar cinco hechos fundamentales en las vidas de Proust y Richter, dos de ellos relacionados a su contexto histórico-social.

2 Lavoisier ley de la conservación de la masa

a) identificar la química que se conocía en la época de Lavoisier, lo que permitirá reconocer las condiciones en las que se trabajaba y las dificultades con las que se enfrentaban los científicos de la época. Flogisto.

Explicar con el modelo del flogisto y del oxígeno diversas reacciones

Investiga cinco hechos fundamentales en la vida de A. Lavoisier, dos de ellos de su contexto histórico-social.


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b) aplicar otro modelo y entender que un mismo fenómeno se puede explicar con distintos modelos, pero comprenderá que unos son mejores que otros porque permiten obtener mejores explicaciones, o dar la pauta para que eso ocurra

RAT-3 cuya conclusión sea que el modelo del oxígeno es una mejor explicación que el modelo del flogisto


Investiga que se requiere para decir que alguien descubrió algo

3 Dalton composición porcentual y fórmulas mínima y molecular

a) reconocer y aplicar el modelo de Dalton para encontrar la fórmula química y explicar la relación en masa que Dalton encontró en sus experimentos

b) calcular las masas relativas de los átomos

c) transitar de un modelo donde se consideran “partes” a un modelo atómico

d) deducir las fórmulas mínimas y moleculares de compuestos simples a partir de experimentos similares a los que hizo Dalton

Ejercicio específico Investiga cinco hechos fundamentales en la vida de J, Dalton dos de ellos de su contexto histórico-social Investiga en que consiste la ley de las proporciones múltiples

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Gay-Lussac y Avogadro

a) Reconocer que el modelo vigente no explicaba la existencia de moléculas formadas por átomos iguales.

b) Reconocer la necesidad de un nuevo modelo que explique este hecho.

Investiga cinco hechos fundamentales en la vida de Joseph-Louis Gay-Lussac y en la vida de Amadeo Avogadro; dos de ellos de su contexto histórico-social.

5 El congreso de Karlsruhe

a) reflexionar sobre el momento histórico de la química. Argumentar sobre la importancia de los nuevos modelos de explicación que mejoren las explicaciones a los

Actividades de argumentación y debate.

Investiga cinco hechos fundamentales en la vida de Stalislao Cannizzaro y en la vida de Friedrich August Kekulé; dos de ellos de su contexto histórico-social.


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fenómenos observados.

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De Wilhelm Ostwald al Stoffmenge

Reflexionar sobre la importancia de la magnitud cantidad de sustancia como una medida macroscópica para contar partículas atómicas y sub-atómicas. Reflexionar sobre el uso de la magnitud y cómo determinarla de forma indirecta.

Resolución de problemas sobre cantidad de sustancia.

Investiga cinco hechos fundamentales en la vida de Wilhelm Ostwald; dos de ellos de su contexto histórico-social.

7

Kroto

Nanotecnología

Nanoquímica (átomos-moléculas)

Manipulaciones a nivel nano

Aplicaciones

Ejercicios de contar átomos, moléculas, tamaños etc.

RAT-3 completo sobre nanoquímica


Investiga cinco hechos fundamentales en la vida de H. Kroto, dos de ellos de su contexto histórico-social. ¿Quién lo otorga, desde cuando y cuantos tipos diferentes hay de Premios Nobel?¿Cómo se decide quién lo merece?

Referencias bibliográficas:

Chamizo, J.A. (1992). El maestro de lo infinitamente pequeño. John Dalton. CNCA-Pangea. México.

Chamizo, J.A.; Franco-García, A. (2010). Modelos y modelaje en la enseñanza de las ciencias naturales. UNAM-Facultad de Química.

Padilla, K., & Furió, C. (2008). The importance of history and philosophy of science in correcting distorted views of ‘Amount of substance’ and ‘Mole’ concepts in chemistry teaching. Science& Education, 17(4), 403–424.

secuencia didáctica: de los equivalentes a la...

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