Problemas químicos en el proceso de su formulación

Enviado por Mauricio Robinson Wilson

Resumen

El presente trabajo se enmarca en el estudio de las tipologías de problemas desde una perspectiva sistémica. Sus aportes están dirigidos al enriquecimiento de la plataforma teórica del proceso de formulación y el perfeccionamiento del proceso de enseñanza aprendizaje de la Química, al favorecer la creación de problemas químicos en el ambiente académico de la Enseñanza Superior.

Palabras claves

PROBLEMAS QUÍMICOS, TIPOLOGÍA, FORMULACIÓN.

Title

Study of chemical problems´ typology on the formulation process.

Abstract

The current work is about the study of problems´ typologies seen from a systemic perspective. Its achievements are intended to enrich the theoretical platform of the formulation process and the enhancement of the teaching process of Chemistry, by means of favoring the creation of chemical problems in an academic environment within Higher Education.

Key word

CHEMICAL PROBLEMS, TYPOLOGY, FORMULATION.

Introducción

Los problemas conforman la columna vertebral del proceso de enseñanza aprendizaje, por constituir las herramientas metodológicas esenciales para el buen desarrollo del pensamiento y la creatividad de los estudiantes. Sin embargo el texto básico de Química General para ingeniería corresponde a una edición de 1980, cuyas tareas docentes no se ajustan a las particularidades de las distintas carreras, ni están en correspondencia con la preparación de la actual generación de estudiantes, que es muy diferente a la de un cuarto de siglo atrás. Además, la variedad de problemas químicos que posee es insuficiente para un buen aprendizaje individualizado.

También es necesario elaborar nuevos problemas químicos sobre las temáticas de medio ambiental y materiales de ingeniería, que son temas no reflejados en los textos básicos. Por tanto, es una necesidad preparar a los profesores para que sean capaces de elaborar sus propios problemas y tareas docentes en general, y para lograrlo primero hay que aportar nuevas tipologías de problemas químicos que favorezcan su formulación.

En tal ambiente se inserta la presente investigación, cuyo objetivo principal es crear una tipología de problemas químicos que contribuya a la elaboración de los nuevos sistemas de problemas químicos que necesitan las carreras de ingeniería en la enseñanza superior.

Materiales y Métodos

Para el estudio de los problemas como sistemas fueron utilizados gráficos de Euler, que permiten llevar al plano perceptible los nexos entre contenidos para la caracterización de su estructura interna.

También fueron empleados diferentes métodos científicos. En la primera etapa se utilizaron los métodos teóricos de análisis crítico de fuentes en el proceso de interpretación conceptual de la información acumulada y el estudio de los datos empíricos en la etapa inicial de fundamentación del problema, con sus correspondientes procedimientos de análisis y síntesis, de lo abstracto a lo concreto, inducción y deducción, entre otros. También la modelación, con una participación importante en el estudio de la estructura interna de los problemas químicos.

Entre los métodos empíricos empleados están la encuesta y las entrevistas individuales, utilizadas para obtener información sobre el estado actual del proceso de formulación de problemas por parte de los profesores.

Resultados del trabajo

Los problemas químicos tienen una estructura de sistema, en la cual coexisten tres componentes básicos: datos, condiciones e incógnitas, que conforman la llamada estructura externa. Con el estudio de los gráficos fue posible distinguir la presencia de una gran diversidad de dichos componentes, así fueron identificados los siguientes tipos de datos según los criterios manejados:

En dependencia del tipo de información que representan, los datos pueden ser cualitativos o cuantitativos, bien reflejen cualidades de las sustancias involucradas o cantidades de las magnitudes químicas.
De acuerdo con su participación en la vía de solución, los datos pueden ser pasivos u operativos. Los pasivos están presentes de forma implícita, mientras que los operativos pueden ser identificados con facilidad por su función en las operaciones de solución.
Según su composición, pueden ser elementales por estar formados por un solo sistema de conocimientos o complejos por varios.
También están los datos variables y constantes. Los segundos son valores que generalmente no aparecen en el cuerpo del texto del problema.
Los datos en exceso, que son las cantidades o cualidades que estando presentes de forma explícita en el problema y no establecen vínculos con los demás elementos estructurales.

Por otro lado, las condiciones modelan la estructura del problema y desde este punto de vista se clasifican en externas o internas. Las condiciones externas están vinculadas con las fronteras que delimitan al sistema del medio externo, así por ejemplo, la temperatura, la presión y el tipo de sistema, ya sea abierto o cerrado, entre otros, son condiciones externas que condicionan la influencia recíproca de los contenidos que forman parte de los datos e incógnitas. Mientras que otras condiciones mucho más específicas, como el uso de catalizadores, una chispa eléctrica dentro del sistema cerrado o el grado de división de los sólidos, determinan el curso o la velocidad de alguna de las reacciones, que puede ser uno de los subsistemas de la estructura interna del problema.

De igual forma, se reconocen en esta investigación diferentes tipos de incógnitas y su diversidad permite tipificarlas en formas más específicas. En función de la cantidad de contenidos involucrados en su estructura y sus nexos, las incógnitas pueden ser subdivididas en simples o conjugados.

Las incógnitas simples están caracterizadas por una estructura interna elemental, formadas por un sistema de conocimientos único, que forman nexos sólo con los contenidos de los datos. Sin embargo, las relaciones preguntas-datos son variadas y dependen de sus particularidades, pudiéndose establecer relaciones dialécticas, causales, estructurales, funcionales, entre otras. De ellas las más importantes son las dos primeras.

Las incógnitas dialécticas están basadas en las contradicciones que se establecen entre los conocimientos involucrados, los cuales forman un par dialéctico cuyos conflictos generan en el sujeto situaciones problémicas que compulsan a la búsqueda de respuestas. Mientras que las incógnitas simples causales, las relaciones pregunta-datos están caracterizadas por nexos entre los conocimientos de tipo causa-efecto, que se manifiestan en la descripción de las propiedades externas del objeto o fenómeno. En ella los conocimientos están asociados a la habilidad explicación, con preguntas tales como: por qué, para qué y cuándo, entre otras.

Por otro lado, las incógnitas conjugadas, que son más complejas por poseer una estructura interna en cuya composición están presentes varios contenidos. En ellas los conocimientos pueden o no estar relacionadas entre sí por nexos externos, de solapamiento o inclusión.

En las relacionadas por solapamiento, la fortaleza de los vínculos se manifiestan en la formación de eslabones internos que contienen conocimientos comunes a las incógnitas, pudiéndose incrementar la variedad en dependencia del número, secuencia y forma de los solapamientos. En esta sólo se evidencian dos, pero la variedad puede ser mucho mayor. De igual forma, en las de inclusión, caracterizadas por un solapamiento total, donde unas aparecen atrapadas en el interior de otras, también la diversidad puede ser mostrada por subdivisiones que responden a la composición y forma de los nexos internos.

En resumen, sobre la base de las semejanzas y diferencias entre todas ellas se ha propuesto la siguiente tipología de problemas químicos, que utiliza como criterio de tipificación los nexos internos de los contenidos de las incógnitas de los problemas:

Fig. 1.- Tipología de problemas químicos según la estructura de las incógnitas

De forma general, tanto en las incógnitas simples como en las conjugadas, pueden coexistir subsistemas de orden inferior, cuyos contenidos establecen distintos tipos de nexos que aportan variedad en su estructura. La nueva tipología de problemas tiene la ventaja de ser compatible con las clasificaciones precedentes, puede ser aplicada en los diferentes tipos de enseñanzas y carreras de la Enseñanza Superior. Sobre todo, tiene la particularidad de contribuir, como herramienta metodológica, al perfeccionamiento del proceso de formulación, con magníficos resultados en la creación de sistemas de problemas para las carreras de ingeniería y los concursos de conocimientos de los estudiantes, al favorecer la creatividad en una amplia diversidad de tipos de problemas químicos.

Fig. 1.- Tipología de problemas químicos según la estructura de las incógnitas

A continuación se presentan ejemplos de los distintos tipos de problemas químicos:

A.- Problemas simples. Los problemas simples son aquellos que su incógnita es de igual nombre, caracterizada por la relación directa que establece el contenido de la pregunta con los contenidos de los datos. Las relaciones identificadas pueden ser dialécticas o causales, las cuales a su vez derivan en otras de menor jerarquía.

A.1-Problema de contradicción artificial. ¿Por qué el ozono, O3, de mayor masa molar se encuentra en las capas altas de la atmósfera, mientras que el oxígeno, O2, con sólo dos átomos se encuentra abundante en las capas bajas, muy cerca de la superficie de la tierra?

La contradicción es aparente puesto que el comportamiento de las moléculas frente a la gravedad es diferente al de los cuerpos del macro mundo. La representación simbólica de la interacción de los contenidos se expresa por una línea que une el círculo, indicativo de los datos, con el rectángulo, que simboliza a la incógnita:

Fig. 2.- Diagrama para incógnita simple de contradicción artificial

A.2.- Problema de contradicción natural o real: ¿Porqué el ozono en las capas altas de la atmósfera es vital para la supervivencia de la vida en nuestro planeta, mientras que cuando se obtiene en las capas bajas de la atmósfera durante las tormentas eléctricas es perjudicial?.

Los contrastes que se observan en su comportamiento son reales, es una sustancia que presenta diferentes propiedades y algunas de ellas contrarias. En las capas altas de la atmósfera absorbe las radiaciones ultravioleta procedentes del sol, evitando así la destrucción de las células, mientras sobre la superficie de la tierra al ponerse en contacto directo con las formas de vida, por ser una sustancia con un elevado poder oxidante las puede dañar. Su representación muy parecida a la anterior, sólo se diferencian en sus vínculos con los datos:

Fig. 3.- Diagrama de incógnita simple de contradicción natural

En los dos ejemplos anteriores los vínculos datos-incógnita puede tener carácter múltiple, aspecto que resulta frecuente en otros tipos de relaciones.

Los siguientes ejemplos de causa-efecto son representativos:

A.3.- Problema de relación causa-efecto monorelacionados: El monóxido de carbono, sustancia formada por moléculas covalentes de fórmula CO, es un contaminante de la atmósfera que se produce en los motores de combustión interna de los vehículos automotores. ¿Por qué es un gas tan peligroso para la salud del hombre?

El diagrama es semejante al presentado en el ejemplo A.1, por la relación directa entre la elevada reactividad del CO con la hemoglobina de la sangre (causa), y el daño que se produce en las células por la falta de dioxígeno dejado de transportar (efecto), que incluso puede provocar la muerte.

El diagrama de Euler de las incógnitas simples, todas son iguales porque en su estructura sólo hay un elemento, las diferencias están determinadas esencialmente por los nexos con los datos, y en este caso particular es idéntica a la A.1.

A.4.-Problema de relación causa-efecto multirrelacionado: El freón 12, es un compuesto orgánico denominado diclorodifúorcarbono, CCl2F2, de múltiples aplicaciones prácticas en la vida moderna. Explique la relación que existe entre la estructura de esta sustancia y su efecto destructor de la capa de ozono.

Es un problema complejo donde participan varios factores relacionados con las moléculas de ambas sustancias y las condiciones del sistema. Sin embargo la pregunta dirige la búsqueda de la causa del problema hacia el estudio de la estructura de las molécula de la sustancia, donde se establecen varias relaciones entre el contenido estructura del freón y sus propiedades.

Fig. 4.- Diagrama de la incógnita simple en su relación con los datos

B.- Problemas químicos conjugados. Los problemas conjugados están caracterizados por la presencia de incógnitas de igual nombre, caracterizadas por establecen relaciones internas entre los contenidos de dos o más preguntas. A continuación se relacionan algunos ejemplos que permiten esclarecer sus rasgos distintivos.

B.1.-Problema con incógnitas no relacionadas. En la planta "Pedro Soto Alba" , de Moa, se obtiene un mineral concentrado para la exportación que contiene un 60 % de sulfuro de níquel más cobalto. Si a la temperatura de 18 ºC las constantes del producto de solubilidad son: Kps (NiS) = 1,4.10-24 y Kps (CoS) = 3.10-26

a)¿Cuál de los dos sulfuros precipita primero cuando se le insufla sulfuro de hidrógeno a la disolución de sulfato de níquel más sulfato de cobalto lixiviada?

b)¿Por qué el producto final exportable tiene mayor contenido de sulfuro de níquel que de cobalto?.

Este ejemplo es el resultado de la integración de dos problemas auxiliares diferentes, elaborados a partir de datos y condiciones comunes. El diagrama se diferencia de los anteriores en que no hay nexos directos entre los contenidos que forman parte de las incógnitas, son independientes, aunque mantiene una relación entre el dato inicial y las dos incógnitas. Como puede apreciarse, la segunda incógnita está vinculada a un conjunto de datos que el estudiante debe investigar y no tienen relación alguna con lo inicial.

Fig. 5.- Diagrama de Euler para la incógnita conjugada no relacionadas

B.2.-Problema con nexos externos lineales o en cadena: En el laboratorio se dispone de dos vasos de precipitados A y B, que contienen 50 mL cada uno de disoluciones saturadas de los electrólitos fuertes y poco solubles: hidróxido de magnesio e hidróxido de calcio, respectivamente. Si las constantes del producto de solubilidad a 298 K son, Kps del Ca(OH)2 = 3,2 . 10-5 y la Kps del Mg(OH)2 = 8,9 . 10-12, responda:

a) ¿Qué cambios se producen en la concentración de los iones cuando se mezclan ambas disoluciones? ¿y cuando se le agrega MgCl2?

Las dos incógnitas están relacionadas con la interpretación de las constantes del producto de la solubilidad, cuyos valores constituyen los datos fundamentales en su solución. A su vez tienen en común el ion hidroxilo, por tanto el esquema puede ser representado de la siguiente forma:

Fig. 6.- Diagrama de incógnita conjugada con nexos externos en cadena

B.3.-Problema de nexos externos ramificados: En función del pH, diga cuál de las siguientes disoluciones es más ácida:

a) disolución de c(HCl) = 0,001 mol.L-1

b) disolución de c(HAc) = 0,001 mol.L-1

c) disolución de c(HAc) = 0,001 mol.L-1 y disolución de c(NaAc) = 0,001 mol.L-1

d) a) disolución de c(NaAc) = 0,001 mol.L-1

El diagrama de este tipo de incógnita, como su nombre lo indica, está determinado por la relación que se establece entre la incógnita general explícita del problema (disolución más ácida o disolución con menor valor de pH), con las incógnitas secundarias vinculadas al cálculo del pH en cada una de las disoluciones.

Fig. 7.- De incógnita conjugada con nexos externos ramificados

B.4.-Problema de solapamiento lateral: En el laboratorio fue analizada una disolución electrólitos fuertes y solubles que contiene los iones cobre I y cobre II en medio ácido, extraído del mineral calcopirita de las minas de Matahambre (nombre surgido de la cultura popular en la etapa prerrevolucionaria), cuyas concentraciones son 1.10-10 mol.L-1 para cada especie. Si a la disolución se le insufla una corriente de sulfuro de hidrógeno gaseosa, calcula la concentración de los iones sulfuro, c(S-2), cuando comience a precipitar el sulfuro más soluble. Kps (CuS) = 7,9.10-24 y Kps (Cu2S) = 2.10-47

En el problema hay dos incógnitas básicas que pueden ser extraídas del texto por estar expresadas en forma explícita: el sulfuro más soluble (Kps de mayor valor) y la concentración del ion sulfuro, c(S-2). Ambas incógnitas tienen un elemento común, los iones sulfuros, que forma parte de la zona de solapamiento por formar parte de las dos incógnitas. El diagrama de Euler para su representación simbólica puede ser:

Fig. 8.- Diagrama de incógnita conjugada de solapamiento lateral

B.5.-Problema de solapamiento multilateral: En la planta Cubanitro de Matanzas se obtiene amoníaco para la fabricación de fertilizantes, a partir de la reacción del hidrógeno y el dinitrógeno, por el proceso denominado síntesis de Haber.

a) ¿Cuántos moles de dinitrógeno deben reaccionar para obtener el amoníaco de un 50 ml disolución de concentración c(NH3) = 0,2 mol.L-1?

b) Calcule el pH de dicha disolución. Kb (NH3) = 1,8.10-5

c) ¿Qué cambios se producen en el pH de dicha disolución si se le añaden 50 mL de disolución de cloruro de amonio (F.S.) de concentración c(NH4Cl) = 0,1 mol.L-1?

En el problema hay tres incógnitas básicas declaradas, una para cada inciso, las cuales están relacionadas entre sí por la concentración del amoníaco, como conocimiento común, aunque pueden ser resueltas independientemente y el resultado no es imprescindible para la solución del siguiente. En las zonas de solapamiento de las incógnitas está presente la concentración del amoníaco como factor común, por tanto el gráfico de Euler es

Fig. 9.- Diagrama de incógnita conjugada de solapamiento multilateral

B.6.-Problema de inclusión simple: En una ánfora muy antigua se descubrió que contenía vinagre, demostrando con ello que los antiguos egipcios dominaban los rudimentos de la Química. Si un análisis aportó que el pOH del vinagre es aproximadamente 11, cuántos gramos de ácido acético puro contienen 100 mL de la disolución. M(HAc) = 60 g.mol-1 Ka = 1,8 .10-5.

Del texto del problema salta la vista a la presencia de una incógnita explícita, la m(HAc), pero hay otras en forma implícita que no se pueden apreciar por estar ocultas en su interior, cuya resolución tienen la función de aportar los datos necesarios para llegar a la meta. Así, detrás de la expresión de la suma de los potenciales está el pH, luego la c(H+) y finalmente la concentración del HAc. El diagrama puede ser representado de la siguiente forma:

Fig. 10.- Diagrama de incógnita conjugada de inclusión simple

B.7.-Problema de inclusión compleja: En un recipiente cerrado y de paredes resistentes que contiene 0,33 mol de H2, 0,15 mol de O2 y 0,03 mol de Cl2 se hace saltar una chispa eléctrica para que se produzcan las reacciones. Si la mezcla producto tiene una densidad de 1,135 g.cm-3, determine el pH de la disolución formada.

La única diferencia de este problema con el anterior es la existencia de una incógnita complementaria de solapamiento simple en su interior, como puede apreciarse, determinada por la superposición de las incógnitas en el cálculo del volumen de la disolución a partir de la densidad y la determinación de la concentración de la cantidad de sustancia del ion hidronio, incógnitas que tienen como eslabón común la presencia de la sustancia HCl en ambas expresiones. Las incógnitas que se incluyen unas dentro de otras, como en las muñecas rusas, pueden corresponder a cualquiera de las anteriores.

Conclusiones

Al profundizar en la estructura interna de los problemas químicos y estudiar los vínculos que se establecen entre los contenidos, fue posible sacar a la luz una variada gama de problemas químicos, cuya caracterización fue posible realizar, para dar lugar a una nueva tipología de problemas químicos, cuya principal ventaja consiste en favorecer el aprendizaje de la formulación de los problemas en la Enseñanza Superior.

No obstante, al concebir los problemas como sistemas, aún queda mucho avanzar en la comprensión de la diversidad de los problemas. En este trabajo sólo fueron estudiados los nexos que forman las incógnitas, aún quedan por investigar los vínculos que forman los contenidos del resto de los componentes de la estructura externa de los problemas, elementos que pueden contribuir al perfeccionamiento del proceso de formulación de los problemas químicos en el ambiente de la docencia.

Recomendaciones

El estudio de los gráficos de Euler, cuyo principal objetivo es llevar al plano perceptible los nexos internos entre los contenidos que conforman los problemas, constituye uno de los pasos esenciales para una mejor comprensión de la estructura interna de cada uno de los tipos de problemas químicos de la nueva propuesta. Por tanto, las metodologías para el aprendizaje de la formulación de los problemas, debe incluir entre sus procedimientos el uso de esta nueva tipología de problemas.

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LLAVES Y DIAGRAMAS

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