¿necesitas saber química para ser un buen cirujano de … de los huesos... · · 2013-11-11en...
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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?
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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.
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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.
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¿Necesitas saber química para ser un buen cirujano de huesos?
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
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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?
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¿Necesitas saber química para 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.
Al final de esta sesión el alumno deberá:
- 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.
Al final de esta sesión el alumno deberá:
-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.
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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?
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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.
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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:
http://stwww.weizmann.ac.il/G-CHEM/animationsindex/Redox/home.html
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.
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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.
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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
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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
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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
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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.
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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
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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:
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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
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