CINETICA, ORDENES DE REACCIÓN, LEYES DE VELOCIDAD Y SU RELACIÓN A LOS MECANISMOS: UNA INTRODUCCIÓN PRACTICA PARA ESTUDIANTES DE SECUNDARIA USANDO ESPECTROFOTÓMETRO PORTÁTIL.

CINETICA, ORDENES DE REACCIÓN, LEYES DE VELOCIDAD Y SU RELACIÓN A LOS MECANISMOS: UNA INTRODUCCIÓN PRACTICA PARA ESTUDIANTES DE SECUNDARIA USANDO ESPECTROFOTÓMETRO PORTÁTIL

Introducción:

Enseñar cinética química a los estudiantes de secundaria ofrece una excelente oportunidad a los estudiantes para combinar los experimentos prácticos con el pensamiento matemático y computacional. Las habilidades experimentales de los estudiantes van mejorando ya que ellos necesitan medir cuidadosamente los volúmenes de los reactivos y los tiempos de reacción. Además, ellos entienden los efectos de la concentración y la temperatura en las velocidades de reacción, proponen y demuestran predicciones, adquieren y modelan la información, revisan sus hipótesis basadas en evidencia experimental, y eventualmente identifican las leyes que gobiernan la reacción estudiada. Estudiar cinetica química también brinda a los profesores de secundaria una oportunidad nica de cubrir amplio rango de conceptos científicos y de ingeniería que son esenciales para la Próxima Generación de Estándares Científicos. Aun así, enseñar cinética química en la secundaría es particularmente desafiante. Los experimentos que están mostrados en la literatura son diseñados más que todo para cursos de licenciatura. A menudo requieren equipos muy costosos, software complejo, habilidades experimentales y matemáticas avanzadas, y requieren múltiples periodos de clase. Muchos laboratorios de química cinética son adaptados para estudiantes de secundaria pero estos solo consisten en demostraciones a través de un proyector o en experimentos relativamente básicos, que no permiten a los estudiantes ir a través de todos los pasos que involucran el razonamiento científico. Una investigación reciente también determino que los profesores de ciencias muestran conceptos erróneos significantes debido al poco entrenamiento en esta temática. Dentro de estos conceptos erróneos esta como las velocidades de reacción cambian como una función del tiempo. Para dirigirse a estos desafíos, diseñamos un laboratorio de cinetica junto a un profesor de química desde el principio. Nuestra meta para este laboratorio era enganchar a los estudiantes a través de la experimentación práctica, exponerlos a técnicas de caracterización in situ, desarrollar sus habilidades de razonamiento científico usando técnicas de aprendizajes basadas en la indagación, y brindarles fundamentos fuertes de química cinética. Al mismo tiempo, este laboratorio tiene en cuenta restricciones de tiempo dineros relacionadas a la enseñanza en secundaria

PANORAMA EXPERIMENTAL

Los experimentos de laboratorio se desarrollan en las escuelas de secundaria típicamente apuntando a situaciones del mundo real exponiendo a los estudiantes a la investigación de vanguardia como parte de este esfuerzo. La motivación de estos laboratorios es generar entusiasmo entre los estudiantes y alentarlos a considerar una carrera en los campos de STEM. Aunque tremendamente importante, estos experimentos normalmente requieren de múltiples periodos de clases (a menudo 3 o 5) y práctica, profesores que se puedan acomodar en estos laboratorios por semestre debido a las limitaciones en el tiempo y la dificultad de agregaron en el currículo. Nuestra interacción con los profesores de ciencias de secundaria revelaron la necesidad de laboratorios más pequeños, de 50 a 100 minutos, que pueden dirigirse a varios Estándares de ciencias de la próxima generación (NGSS) y exponer a los estudiantes l razonamiento científico a través del aprendizaje basado en la investigación.

El laboratorio descrito ofrece una explicación introductoria de la cinética y un pregunta guía será planteada para ayudar  los estudiantes a hacer conexión entre los estudios de cinética y los mecanismos de reacción, Empieza con una típica explicación de las velocidades de reacción, el orden de la reacción, y leyes de velocidad y luego introduce el concepto de crecimiento y así la información mecanistica se puede unir de las velocidades constantes observadas. En la siguiente parte experimental, los estudiantes re investiga el trabajo de Liebhafsky y Mohammad en la cinética de la oxidación del yoduro (I-) por peróxido de hidrogeno (H2O2)11 Los autores estudiaron el efecto acelerante del ácido  (eq 1) y propusieron caminos paralelos por los cuales esta reacción ocurre.

H2O2 +  31-  +   2H+  -> I3-  + 2H20  kobs                       (1)

Aquí, el experimento de los estudiantes ha sido modernizado a través de monitoreo de los cambios colorimétricos en su mismo lugar debido a la información del producto de triyoduro amarillo (I3-). El ejercicio está diseñado alrededor del espectrofotómetro portátil Vernier SpectroVis Plus, que está disponible para comprar a un costo razonable para la mayoría de escuelas secundarias. Luego, la información es tabulada y trazada en Excel, y se obtiene con el mecanismo propuesto una ley de velocidad consistente. Este experimento fue adaptado para dirigirse a varios estándares NGS en un solo experimento: Los estudiantes estudian los efectos de los cambios en concentración que tienen las velocidades de reacción (HS-PS1-5), ellos entienden que un “balance dinámico y de condición dependiente entre una reacción y la reacción inversa determina el número que todas las moléculas presentan” (HS-PS1-6), ellos analizan la información en su lugar de reacción monitoriando y desarrollando simples modelos matemáticos para identificar y soportar reclamos en el orden de las reacciones (HS-PS1-4 y HS-PS1-7)

EXPERIMENTO

Este ejercicio de laboratorio requiere que los profesores preparen una variedad de soluciones de 0.75 M KI (CAS # 768-11-0) 1.2 mm h2o2 (cas # 7722-84-1) Y 0.6 m hno3 (cas 3 7697-37-2) antes de impartir la lección. En la información de apoyo están las instrucciones detalladas para preparar estas soluciones. La cinética para la reacción entre I- y H2O2 es monitoreada in situ usando Vernier Software y tecnologías LabQuest unidades equipadas con accesorio de espectrofotómetro SpectroVis Plus. Estos espectrómetros portátiles fueron desarrollados especialmente para actividades educativas. Son simples de usar y tienen un costo parecido a una tableta, que las hacen asequibles para la mayoría de escuelas. Idealmente, debe ser un espectrofotómetro para cada grupo de estudiantes. De todos modos, la recolección de datos es rápida, y nosotros nos dimos cuenta que una o dos unidades de SpectroVis Plus son suficientes para la clase. Los estudiantes también necesitaran estándares desechables o cubetas de cuarzo, aparatos de medición de líquidos (preferiblemente jeringas plásticas, pero cuentagotas también funcionarán) y acceso a computadores equipados con Microsoft Excel

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