¿necesitas saber química para ser un buen cirujano de … de los huesos... · · 2013-11-11en...

Professional Reflection-Oriented Focus on Inquiry-based Learning and Education through Science

Project funded within the EC FP7 Programme: 5.2.2.1 – SiS-2010-2.2.1 Grant Agreement No.:266589

Supporting and coordinating actions on innovative methods in science education: teacher training on inquiry based teaching methods on a large scale in Europe

Alumnos de últimos cursos de la ESO y alumnos de Bachillerato

Resumen

En este modulo se tratan las propiedades de los metales: la resistencia mecánica, la

toxicidad, la densidad, la estabilidad química y la serie electroquímica. Para ello se

presentan algunas actividades que pueden ayudarnos a desarrollar los objetivos y

contenidos de la unidad de oxidación-reducción, trabajando la construcción de la

serie electroquímica a partir de un ejemplo real que permite ver el uso de la química

en la sociedad actual.

Esta unidad está pensada para alumnos de los últimos cursos de ESO y para

Bachillerato. Las actividades a realizar pueden ser las mismas, pero profundizando

más o menos según el curso con el que estemos trabajando. En cualquier caso, es

importante trabajar este tema una vez que los alumnos han estudiado la estructura

electrónica de los átomos, ya que no se puede entender el tema sin esos

conocimientos previos.

¿Necesitas saber química para ser un buen cirujano de huesos?




Secciones que se incluyen

1. Actividades de los

estudiantes

(para los alumnos)

Describe el scenario en detalle y especifica las

actividades que los estudiantes deben llevar a

cabo.

2. Guía del profesor Sugiere las estrategias docentes a llevar a cabo

3. Evaluación Sugiere las estrategias de evaluación

Fuente: Este módulo ha sido adaptado a partir de su correspondiente análogo desarrollado en el proyecto

PARSEL (www.parsel.eu) como parte del proyecto EC FP6 (SAS6-CT-2006-042922-PARSEL) en pro de la

divulgación de la educación de ciencias por E. Charro, Universidad de Valladolid, España.

Objetivos globales de capacidades a conseguir: Se espera que los alumnos aprendan:

Realizar de forma virtual o en laboratorio reacciones de oxidación y reducción

y entender su significado.

Construir series electroquímicas.

Comprender la aportación y aplicación de la química en los avances de la

sociedad, en este caso en el campo médico.

Trabajar en grupo argumentando y debatiendo.

Tomar decisiones razonadas y argumentadas y saber responder a las

preguntas planteadas en relación a los conocimientos adquiridos.

Contenido curricular: Reacciones de oxidación reducción, series electroquímicas.

Tipo de actividad: Experimental, realizando reacciones de reactividad relativa de

distintos metales y aplicando estos conocimientos al cuerpo

humano para entender los distintos materiales utilizados en

medicina.

Tiempo estimado: 4 sesiones

Conocimiento previo: geometría, unidades de concentración, solubilidad.

http://www.parsel.eu/




Con este método de enseñanza-aprendizaje se persigue promover la alfabetización de los estudiantes mediante el reconocimiento científico de aprendizaje en cuatro ámbitos:

11.. el desarrollo intelectual

22.. el proceso científico

33.. el desarrollo personal

44.. el desarrollo social

El enfoque novedoso que se presenta está ligado al hecho de presentar los conocimientos teóricos en relación a su aplicabilidad, para contribuir a la motivación del alumnado y mostrar la presencia de fenómenos químicos en la vida real. Esta singularidad está reflejada en:

11.. Un título relacionado con la sociedad y basado en hechos reales.

22.. El estudio centrado en la resolución de problemas científicos, que abarca el

aprendizaje de una serie de objetivos educativos y científicos.

33.. La inclusión de toma de decisiones socio-científicas para relacionar la ciencia con las

necesidades de la sociedad, para ser así ciudadanos responsables.





Actividades para los estudiantes.

Escenario.

La siguiente noticia fue publicada en la secciones de deportes de un periódico: Durante un partido de fútbol, la rodilla de David, uno de los jugadores del equipo de Tel-Aviv, chocó con la cabeza de Eric, uno de los jugadores del equipo de Jerusalén, hiriéndole el rostro y causándole cuatro fracturas óseas en la mejilla. Como resultado, Eric tuvo que someterse a una cirugía de seis horas, en la que se fijaron los huesos rotos de la mejilla con cuatro clavos y una placa de metal.

Pregunta: Si hubieras acompañado al jugador herido al hospital, ¿qué preguntas le

hubieras planteado al cirujano con respecto a la colocación de los huesos?

Tus actividades

1. En grupos elaborar una serie de preguntas para el cirujano. Discutirlas con toda

la clase.

2. Entrar en la web

http://stwww.weizmann.ac.il/G-CHEM/animationsindex/Redox/home.html

Realizar la actividad número 1. Responder a las siguientes preguntas: Elije

uno de los metales e insértalo en las diferentes disoluciones.

Escribe tus observaciones.

¿En cuál de los vasos ocurre una reacción química?

Repite los pasos 1-3 para todos los metales. Resume todas tus

observaciones en la tabla.

Mg2+ (aq)

Zn2+ (aq) Cu2+ (aq)

Ag+ (aq)

Mg

Cu

Zn

Ag





Con el fin de observar las reacciones a nivel molecular, haz clic en

"Reacción a escala molecular" y sigue las instrucciones.

Escribe la ecuación química de dos reacciones que hayan tenido lugar.

3. Atendiendo a los resultados obtenidos discutir las siguientes preguntas:

¿Cómo se pueden explicar los resultados?¿Cuáles son las posibles

conclusiones? En todos los experimentos se utilizaron los metales y las

disoluciones de iones metálicos, ¿se pueden clasificar los metales por su

orden de reactividad?¿Cuál es el proceso químico a nivel molecular?

4. Tras lo discutido, responder a la pregunta: ¿Necesita la química con el fin de

ser un buen cirujano de huesos?





Guía para el profesor El objetivo de esta actividad es:

a) Aumentar las conexiones entre la química y la medicina.

b) crear en los estudiantes el interés por aprender qué metal es menos

reactivo.

Objetivos de aprendizaje por sesión.

Sesión 1.

Al final de esta sesión el alumno deberá:

- Descubrir el gran avance que se ha realizado en al colocación de los huesos en lo

últimos años gracias a la reacción del cuerpo humano frente a los diferentes

materiales.

- Ser capaz de realizar actividades de reacción relativa de los metales de forma

virtual o en el laboratorio.

Sesión 2.


- Interpretar los resultados obtenidos en la actividad de la lección 1,

clasificando los metales por su orden de reactividad.

- Introducirse en el proceso químico a nivel molecular.

- Entender y construir su propia serie electroquímica.

Sesión 3.


-Haber aprendido los conceptos de serie electroquímica, reacciones de reducción y

oxidación y entender el proceso químico que se lleva a cabo a nivel molecular.




Sesión 4.

Al final de esta sesión en alumno deberá:

- Ser capaz de contestar de forma razonada a la preguntas planteadas al

principio este módulo: ¿Necesita saber química un buen cirujano de huesos?

- Capacidad de debatir con la clase la pregunta del módulo: ¿es necesario

saber química para ser un buen cirujano de huesos?

Estrategia sugerida de enseñanza.

Sesión 1.

Trabajo en grupo. Cada alumno leerá el siguiente texto y lo discutirá con sus

compañeros de grupo.

La siguiente noticia fue publicada en la secciones de deportes de un periódico:

Durante un partido de fútbol, la rodilla de David, uno de los jugadores del equipo de

Tel-Aviv, chocó con la cabeza de Eric, uno de los jugadores del equipo de Jerusalén,

hiriéndole el rostro y causándole cuatro fracturas óseas en la mejilla. Como

resultado, Eric tuvo que someterse a una cirugía de seis horas, en la que se fijaron

los huesos rotos de la mejilla con cuatro clavos y una placa de metal.

Pregunta: Si hubieras acompañado al jugador herido al hospital, ¿qué preguntas le

hubieras planteado al cirujano con respecto a la colocación de los huesos?

El grupo elaborará una serie de preguntas que se pondrán en común, concluyendo

este trabajo con un debate en clase. El objetivo que se persigue es:

aumentar las conexiones entre la química y la medicina.

crear en los estudiantes el interés por aprender qué metal es menos reactivo.

A modo de ejemplo se presenta una serie de preguntas que podrían hacer los

alumnos:

1. ¿Qué tipo de materiales son adecuados para la colocación del hueso?

2. ¿Por qué los cirujanos utilizan metales?

3. ¿Se oxidarán los metales?




4. ¿Cómo influirán los metales implantados en la vida del paciente?

5. ¿Cuáles son los criterios para la elección de los metales?

6. ¿Por qué no utilizan yeso los cirujanos?

7. ¿El paciente que ha sufrido una cirugía será capaz de pasar por un

detector de metales?

8. Cuando el hueso se suelde, ¿será capaz de eliminar el metal?

9. ¿El cuerpo rechazará el metal?

Lo que queremos que aprendan es que se ha producido un gran avance con

respecto a la colocación de los huesos durante los años 60. Se empezaron a utilizar

nuevos materiales sintetizados para unir huesos e incluso para reemplazarlos.

Algunas aleaciones usadas eran: acero, cobalto y cromo y aleaciones de titanio. La

síntesis de esos materiales se ha ido desarrollando enormemente en los últimos

años: se han modificado y mejorado de acuerdo a las especificaciones y

necesidades, y además los médicos han comenzado a utilizar materiales cerámicos.

Esto fue posible gracias al descubrimiento de que el cuerpo humano no rechaza

estas aleaciones ni los materiales cerámicos, por lo que no hay peligro en su

utilización, siempre y cuando se mantengan en una sola pieza y no se rompan.

La última innovación es el uso de materiales cerámicos irrompibles es su

combinación con las aleaciones de titanio. Esta combinación permite, por un lado, el

uso de los materiales cerámicos para amoldarse a la fractura del hueso del paciente

(la unión, por ejemplo), y por otro su unión con la parte implantada (parte formada

por la aleación de titanio). Las aleaciones de titanio se fijan en el hueso, y de esta

manera, el hueso crece en su superficie.

La razón por la que se utiliza preferentemente el titanio es porque es un metal ligero

y resistente, con unas características que contribuyen a las necesidades

tecnológicas:

- Un alto cociente entre fuerza y peso. - Una buena resistencia a altas temperaturas. - Maleable. - Sus aleaciones resisten la corrosión debido a la capa protectora de óxido de

titanio que cubre su superficie.




Para terminar esta primera lección, pediremos a los estudiantes que entren en la

siguiente página web, en la que se pueden realizar experimentos virtuales e

informarse sobre la reactividad relativa de los metales:


También se puede llevar a cabo estos experimentos en el laboratorio, en lugar de

utilizar el sitio web, pero esto requiere más tiempo. En cualquier caso, el profesor

puede tomar la decisión que crea más conveniente.

Les diremos que hagan la actividad nº1 para que estudien el comportamiento de

algunos metales con el fin de elegir el mejor para su uso quirúrgico.

En la pantalla podrán ver una serie de vasos, cada uno con una disolución de iones

de un metal, y una lista de metales sólidos. Estas son las actividades que les

pediremos:

Elije uno de los metales e insértalo en las diferentes disoluciones.

Escribe tus observaciones.

¿En cuál de los vasos ocurre una reacción química?

Repite los pasos 1-3 para todos los metales. Resume todas tus

observaciones en la tabla.

Mg2+

(aq)

Zn2+ (aq) Cu2+

(aq)

Ag+ (aq)

Mg

Cu

Zn

Ag

Con el fin de observar las reacciones a nivel molecular, haz clic en "Reacción

a escala molecular" y sigue las instrucciones.

Escribe la ecuación química de dos reacciones que hayan tenido lugar.

Como es una actividad larga, podrán terminarla como tarea en casa.





Sesión 2

Discutir la actividad del día anterior atendiendo principalmente a los siguientes

interrogantes:

1. ¿Cómo se pueden explicar los resultados?

2. ¿Cuáles son las posibles conclusiones?

3. En todos los experimentos se utilizaron los metales y las disoluciones de

iones metálicos, ¿se pueden clasificar los metales por su orden de

reactividad?

4. ¿Cuál es el proceso químico a nivel molecular?

Tras esta discusión nos centramos en el concepto científico de oxidación-reducción.

Para ello cada profesor puede actuar como crea más conveniente y según el curso

para el que se imparta el tema. Al tratar la serie electroquímica se pedirá a los

alumnos que construyan la suya propia partiendo de los resultados de reactividad

observada en la actividad nº1.

Sesión 3.

Continuación de la explicación teórica iniciada en la sesión 2.

En el enlace:

http://stwww.weizmann.ac.il/G-CHEM/center/animationsindex/Redox/home.html

hay más actividades. Las actividades 2 y 3 se pueden utilizar con el fin de verificar

la serie electroquímica que fue construida por los estudiantes.

Sesión 4.

Sugerimos cerrar la última lección con las mismas preguntas con las que se abrió la

primera lección (¿Necesita la química con el fin de ser un buen cirujano de

huesos?).

Adaptación para 4º de la ESO

En este curso es probable que sea la primera vez que estudian en concreto este tipo

de reacciones. En una primera sesión deberemos explicar el concepto de oxidación

y reducción, así como el cálculo de números de oxidación. Una vez hecho esto

realizaremos ejercicios de ajuste de reacciones sencillas por tanteo.

http://stwww.weizmann.ac.il/G-CHEM/center/animationsindex/Redox/home.html




Para terminar, y aprovechando que se ha iniciado el tema mediante una aplicación

práctica de los metales, en otra sesión propondremos a los alumnos fabricar una pila

en el laboratorio. Propongo tres posibilidades, todas ellas parecidas:

- Pila de Daniell: necesitaremos un electrodo de zinc y otro de cobre, cables

eléctricos, pinzas de cocodrilo y 100

ml de los sulfatos del metal

correspondiente, con concentración

0,1M.

Tras montar el circuito como se indica

en la figura, se observará en el

voltímetro el valor de la diferencia de

potencial generado que, dado que la reacción que se produce es:

Zn(s) + CuSO4(aq) ZnSO4(aq) + Cu(s)

y dados los potenciales de las semirreaciones correspondientes:

Cu2+ + 2 e- → Cu: E0 = + 0.34 V

Zn2+ + 2 e- → Zn: E0 = - 0.76 V

el potencial estándar de la pila será:

0,34 V - (-0,76 V) = 1,10 V

- Fabricar una pila utilizando un sacapuntas

metálico, cables eléctricos, pinzas de cocodrilo,

electrodo de grafito, un vaso con agua del grifo a

la que le añadimos un par de cucharadas de sal

para mejorar la conductividad y aparatos que

funcionarán con la pila (reloj digital u otro

dispositivo que necesite poca intensidad de

corriente).

Básicamente el funcionamiento de la pila se explica porque el sacapuntas,

que actúa como electrodo junto con el grafito, está formado por una aleación

que contiene magnesio. Al introducir dicho sacapuntas en la disolución

comienza a observarse un burbujeo en el electrodo, y también se aprecia

cómo se va deteriorando el sacapuntas (se recubre de óxido). El flujo de

http://es.wikipedia.org/wiki/Zinc

http://es.wikipedia.org/wiki/Cobre

http://es.wikipedia.org/wiki/Sulfato

http://2.bp.blogspot.com/_ympgaXTRPZQ/S6khV3gryLI/AAAAAAAAADk/_hpm5LXgI8M/s1600-h/pila+sacapuntasbis.JPG




electrones producido por la reacción redox es capaz de hacer funcionar

dispositivos que necesiten una baja intensidad de corriente.

Se puede hacer una variación utilizando como electrolito vinagre, y como

electrodos el sacapuntas y un trozo de tubería de cobre.

- Pila casera: en este caso utilizamos un limón o una patata, una peseta “rubia”,

fabricada con aleación de cobre, y otra de color plateado fabricada con

aleación de aluminio (o electrodos de cobre y de cinc). Al emplear monedas

antiguas de peseta las reacciones son similares, los electrones son cedidos

por la peseta plateada (fabricada con una aleación de aluminio) y se dirigen

hacia la rubia (fabricada con una aleación de cobre). Un limón o una patata

pueden conducir la corriente eléctrica, pues poseen cargas móviles. En el

caso del limón el electrólito es el ácido cítrico, y en la patata, el ácido

ascórbico.

El potencial obtenido no es muy alto, pero conectando varios circuitos en

serie se puede conseguir suficiente potencial para encender un LED.

Adaptación para 2º de Bachillerato:

al tratarse de un nivel avanzado necesitaríamos más de dos sesiones para tratar la

parte teórica:

2 sesiones:

- explicación de los conceptos de oxidación, reducción, sustancia oxidante y

reductora - métodos de ajustes de reacciones redox y realización de ejercicios

Ejemplo:

A) Ajuste la siguiente reacción escribiendo las semirreacciones de oxido-

reducción que se producen:

HClO + NaCl NaClO + H2O + Cl2

B) Calcule el volumen de disolución de ácido hipocloroso 0,1 M que sería

necesario utilizar para obtener 10 gramos de cloro.

Datos: Masas atómicas: Cl=35,5 ; Na=23 ; 0=16 y H=1




3 ó 4 sesiones: aplicaciones de las reacciones redox:

- pilas galvánicas (componentes, fundamento, pila Daniell, representación

esquemática, tipos de electrodos, potenciales de reducción, espontaneidad de

las reacciones y pilas comerciales).

Realización de ejercicios para afianzar los conceptos aprendidos, como:

Dada la siguiente tabla de potenciales normales expresados en voltios:

a) Escriba el nombre de:

-La forma reducida del oxidante más fuerte.

-Un catión que pueda ser oxidante y reductor.

-La especie más reductora.

-Un anión que pueda ser oxidante y reductor.

b) Escriba y ajuste dos reacciones que sean espontaneas entre

especies de la tabla que correspondan a:

-Una oxidación de un catión por un anión.

-Una reducción de un catión por un anión.

Sería muy interesante poder realizar una pila en el laboratorio para que los

alumnos vean la aplicabilidad de la teoría. Por desgracia, en 2º de Bachillerato

el tiempo es un bien muy preciado y más cuando se llega a este tema, que se




suele impartir al final del tercer trimestre. Aun así se podría construir

rápidamente, a modo de práctica de cátedra, una pila con limones, un

electrodo de Zn y otro de Cu y unos cables. Como dispositivos se podría

utilizar, además del voltímetro que indicaría numéricamente el voltaje de la

corriente generada, un LED o un dispositivo musical como los que vienen en

las postales musicales y que solo consumen 1,5 V. Se deberían de poner al

menos tres pilas en serie.

Sería una práctica muy sencilla, que solo requeriría unos minutos y que

permitiría ver a los alumnos como es un electrodo y comprobar que realmente

se obtiene una corriente eléctrica.

- cubas electrolíticas: aplicaciones (electrólisis del cloruro de sodio, siderurgia y

obtención de metales, corrosión y protección catódica) y leyes de Faraday.

Realización de ejercicios de aplicación de las leyes de Faraday, del tipo:

Una corriente de 4 amperios circula durante 1 hora y 10 minutos a

través de dos células electrolíticas que contienen, respectivamente,

sulfato de cobre (II) y cloruro de aluminio:

a) Escriba las reacciones que se producen en el cátodo de ambas

células electrolíticas.

b) Calcule los gramos de cobre y aluminio metálicos que se

habrán depositado.

Datos: Masas atómicas: Cu = 63,5 y Al = 27,0. F = 96500 C·eq-1

2 ó 3 sesiones:

- Realización de ejercicios de selectividad y resolución de dudas.




Competencias a adquirir

Capacidad Conseguida mediante

1. Decisión basada en argumentos

sobre si necesita saber química

un buen cirujano de huesos

Participando en el debate con la clase

2. Cooperando como miembro del

grupo

Participando activamente en el grupo de

trabajo

3. Comunicación oral Discutiendo con el grupo





Evaluación sugerida

Para evaluar la primera sesión se propone tener en cuenta el número y calidad de

las preguntas elaboradas por los alumnos, con el fin de valorar su participación en la

actividad, ya que lo importante en esta parte de la lección es la participación de

todos los estudiantes en el trabajo en grupo.

El objetivo más importante en esta lección es comprendan la construcción de la serie electroquímica, lo que se puede evaluar según hayan hecho la actividad nº1. Para evaluar el aprendizaje de los conceptos implicados en el tema de reacciones

con transferencia de electrones se sugiere hacer a los estudiantes una prueba o

examen escrito relacionado con el tema, del tipo y nivel que cada profesor crea más

adecuado.

Para el grupo de 2º de Bachillerato sería adecuado presentar dos pruebas

diferentes, con cuestiones teóricas y ejercicios numéricos, para que elijan una de

ellas, al igual que se hace en selectividad. Esto les permitirá acostumbrarse al

modelo de examen y obligarles a tomar una decisión rápida y efectiva.

También se evaluará el cuaderno de laboratorio en el que deberán anotar el nombre

de la práctica, material utilizado, procedimiento seguido, qué han observado, y en la

medida de lo posible las reacciones que han tenido lugar.

Una posible herramienta de evaluación del trabajo en grupo puede ser una tabla del

tipo:




Grupo: _________________

Fecha: ____________________________

Dimensión

Criterios para la evaluación

El estudiante:

Nombre de los estudiantes del grupo

Funcionamiento

en el grupo

50%

Contribuye a la discusión en

el grupo durante el

aprendizaje de la materia

Tiene paciencia con los

miembros del grupo

Conoce y entiende los

objetivos de la actividad

Piensa de manera creativa y

expone su visión

Promedio

Presentación

oral de la

experiencia

50%

Presenta la actividad de una

manera clara y práctica

Adquiere el conocimiento y la

comprensión de la asignatura

Usa lenguaje científico

preciso y adecuado

Promedio

¿necesitas saber química para ser un buen cirujano de … de los huesos... · · 2013-11-11en...

Documents