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Ciencia General a través de la indagación

Guía del Maestro

Ciencia General a través de la indagación Escuela Secundaria

Guía del Maestro

Ciencia del siglo XXI

PASCO scientific 10101 Foothills Blvd.

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916-786-3800 Fax 916-786-8905

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La compra de la Guía del docente y del CD que la acompaña incluye una licencia para el aula que

autoriza a un docente en un centro educativo a reproducir desde los archivos de origen

(modificados o como se encuentran) las versiones del estudiante de los experimentos para ser

usados por sus estudiantes. Ninguna parte de esta publicación o del CD que la acompaña puede

ser utilizada ni reproducida de otra forma sin el previo permiso por escrito de PASCO scientific,

salvo en caso de citas breves utilizadas en revisiones o artículos de crítica.

SPARK Science Learning System, SPARKvue y otras marcas indicadas son marcas comerciales

registradas de PASCO scientific en los Estados Unidos. Todas las demás marcas que no sean

propiedad de PASCO scientific y aparezcan en el presente son propiedad de sus respectivos

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Publicado por

PASCO scientific

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www.pasco.com

ISBN 978-1-937492-14-4

Primera edición

Primera impresión

Impreso en los Estados Unidos

Número de pieza: 012-14081

Número de catálogo: PS-2947

v

Contendio

Introducción ......................................................................................................................................... vii Procedimientos de Seguridad de Laboratorio Habituales ................................................................ xv Lista Maestra de Materiales y Equipos ............................................................................................ xix Actividad por sensores PASCO ....................................................................................................... xxix

Biología

Fuentes de Energía para la Levadura ................................................................................................. 3 Acción Enzimática ............................................................................................................................... 15 Respiración de los Brotes .................................................................................................................... 31 Respiración Vegetal y Fotosíntesis .................................................................................................... 45 Ejercicio y Homeostasis ...................................................................................................................... 57 Ejercicio y Frecuencia Cardíaca ......................................................................................................... 71 Fatiga Muscular .................................................................................................................................. 81

Física

Aceleración........................................................................................................................................... 95 Primera Ley de Newton .................................................................................................................... 105 Segunda Ley de Newton ................................................................................................................... 115 Tercera Ley de Newton ..................................................................................................................... 129 Movimiento Armónico Simple .......................................................................................................... 145 La Temperatura Frente el Calor ...................................................................................................... 163 Ley de Hooke ..................................................................................................................................... 175 Ley de Inducción de Faraday ........................................................................................................... 185

Química

Conservación de la Materia .............................................................................................................. 199 Cambio de Estado .............................................................................................................................. 213 Porcentaje de Oxígeno en el Aire ..................................................................................................... 229 Calores de Reacción y Disolución ..................................................................................................... 243 Velocidades de Reacción ................................................................................................................... 267 El pH de los Productos Químicos Domésticos ................................................................................. 291 Valoración Ácido–Base ..................................................................................................................... 307

Ciencias Ambientales

Batería Electroquímica: Energía de los Electrones ........................................................................ 335 La Lluvia Ácida y el Crecimiento Vegetal ....................................................................................... 353 El pH del Suelo .................................................................................................................................. 367 La Luz Solar y la Fotosíntesis en Plantas Acuáticas ...................................................................... 381

Ciencia General

vii

Introducción

Las guías de ciencia de PASCO se centran en la ciencia a través de la indagación. Aprender

ciencia a través de actividades orientadas a la indagación reemplaza el enfoque de verificacion

tradicional por una investigación científica que involucra un eje de descubrimiento del

estudiante. Observando un gráfico que resume los datos durante una investigación, los

estudiantes no solo pueden conocer esa representación gráfica en particular, sino que también

pueden conectar esa representación en tiempo real con el contexto de la investigación, inspirando

preguntas que analizan el diseño experimental y los resultados.

Las actividades de laboratorio están estructuradas de forma tal que los estudiantes completen

las investigaciones con éxito y aprendan el proceso de la indagación científica a medida que

progresan, y, en definitiva, puedan diseñar y realizar amplias investigaciones de indagación. A

medida que llevan a cabo estas actividades, los estudiantes desarrollan habilidades que incluyen

el pensamiento crítico (formulando buenas preguntas, elaborando estrategias experimentales,

detectando y solucionando errores operativos), conocimiento sobre los procedimientos (calibración

de equipos, recopilación de datos), dominio del diseño y de la construcción (ensamblaje de

aparatos, seguimiento de los procedimientos de seguridad, soluciones combinadas) y habilidades

analíticas (gráficos, modelado, estadística). Incorporar la ciencia a través de la indagación

requiere un cambio en el programa general de ciencia y la introducción de nuevas herramientas y

materiales que cubran esas habilidades.

La información y las herramientas informáticas son esenciales para las actividades de

laboratorio orientadas a la indagación. El uso de sensores, herramientas de gráficos y análisis de

datos, modelos y simulaciones, y el trabajo con instrumentos sustentan la indagación científica y

se citan explícitamente en las normas científicas. Las actividades de laboratorio brindan a los

estudiantes experiencias de aprendizaje prácticas y teóricas, que posibilitan que dominen el

proceso de indagación científica y las herramientas que los preparan para realizar amplias

investigaciones científicas.

Acerca de las guías de ciencia de PASCO

Este manual presenta actividades de laboratorio ideadas por docentes usando tecnologías del

siglo XXI para permitir que usted y sus estudiantes exploren temas, desarrollen habilidades de

indagación científica y se preparen para exámenes estandarizados. El uso de los dispositivos de

recopilación, exhibición y análisis de datos del sensor en la clase ofrece varios beneficios:

Estudiantes

Observar fenómenos que ocurren con demasiada rapidez o son demasiado pequeños, se

producen en un período demasiado largo o trascienden el límite de observación de los sentidos

humanos al natural

Realizar mediciones usando equipos que pueden usarse repetidamente a lo largo de los años

Recolectar datos exactos con estampas exactas de tiempo o ubicación

Recolectar rápidamente, ilustrar con gráficos y analizar datos de forma tal que se aproveche el

tiempo en el aula

Practicar mediante el uso de equipos y la interpretación de datos producidos por equipos

similares a las herramientas que podrían usar en sus carreras y actividades personales

Introducción

viii PS-2947

Acerca de la guía de ciencia general

La guía de ciencia general consolida las actividades de cuatro disciplinas científicas. En las

actividades de cada una de las disciplinas, se destacan los siguientes temas:

Biología: Enzimas, ciclo de carbono, respiración, fisiología y el método científico

Química: Estados de la materia, ácidos y bases, gases, materia y cinética

Física: Mecánica, ondas, termodinámica, y electricidad y magnetismo

Ciencias ambientales: Lluvia ácida, pH del suelo, interacción de plantas y animales, voltaje

Las actividades preparan a los estudiantes para estudios científicos más exhaustivos. Los

estudiantes logran comprender las leyes y principios físicos que rigen el comportamiento de toda

la materia. De este modo, adquieren un conocimiento que los ayuda a abordar las cuestiones y los

problemas que enfrentan en su vida cotidiana.

Realizar con éxito actividades de laboratorio basadas en la indagación

1. Establecer las bases

Loes estudiantes necesitan una base en el desarrollo conceptual, habilidades en la mesa de

laboratorio, el uso de los equipos electrónicos de recopilación y exhibición de datos y la

interpretación de datos. Las siguientes estrategias permiten que los estudiantes establezcan las

bases para el aprendizaje basado en la indagación.

Comenzar con actividades sencillas que usen un solo sensor y no requieran calibración.

Demostrar las primeras actividades para ejemplificar el uso correcto de los equipos y los

materiales.

Trabajar con los estudiantes para completar todas las secciones de varias actividades de

laboratorio hasta que comprendan sus expectativas.

Fomentar el aprendizaje cooperativo. Los estudiantes aportan diferentes habilidades e

intereses cuando cooperan como equipo.

Crear equipos con responsabilidades definidas para los miembros. Diseñar un método para el

seguimiento de los papeles que haya desempeñado cada estudiante. Garantizar que cada

estudiante tenga varias oportunidades de desempeñar cada papel. Un líder de equipo podría

ser responsable de la conducción general y la generación de informes orales, y puede

asegurarse de que el equipo cuente con todos los materiales y los equipos necesarios. Un

registrador del equipo podría ser responsable de documentar la finalización de la actividad y de

asegurarse de que se hayan respondido todas las preguntas. Los técnicos del equipo podrían

ser responsables del funcionamiento de los equipos electrónicos y de laboratorio.

Crear oportunidades para que los estudiantes repitan las actividades que no hayan

comprendido en la primera ejecución, tal vez con modificaciones sugeridas por los estudiantes.

Verá mejoras sustanciales a medida que los estudiantes reciban más oportunidades de

trabajar con los equipos y de analizar los datos.

Ciencias generales

ix

2. Fomentar las habilidades de indagación

Fomentar el crecimiento y el desarrollo de las habilidades de indagación. Brindar varias

oportunidades para que los estudiantes trabajen con los equipos, analicen datos, y comuniquen y

examinen las conclusiones.

Invitar a los estudiantes a completar actividades de laboratorio más avanzadas.

Ejemplificar las tareas técnicas más complejas, como la calibración de sensores, el desarrollo

de diagramas de dispersión y cálculos matemáticos.

Brindar varias y distintas oportunidades para practicar con actividades prácticas usando

herramientas del siglo XXI.

Recopilar y comparar los datos de la clase cuando sea posible. Analizar las fuentes de variación

en los datos y la mejor interpretación de los datos.

Invitar a los estudiantes a usar sus datos recopilados como prueba para respaldar la hipótesis

y debatir problemas actuales.

Solicitar a los estudiantes que piensen y presenten preguntas relacionadas que deseen

explorar en sus propias investigaciones.

3. Cultivar la indagación dirigida por los estudiantes

A medida que los estudiantes completen las actividades dirigidas por el instructor en este

manual, sus intereses se estimularán con respecto a uno o más temas. Invitar a los estudiantes a

ser curiosos y brindarles oportunidades y orientación para la indagación dirigida por los

estudiantes.

Solicitar un plan escrito con procedimientos. Usar preguntas que destaquen la identificación

de variables independientes y dependientes para ayudar a los estudiantes a elaborar estos

planes. Examinar estos planes y orientar a los estudiantes según corresponda. Garantizar que

los estudiantes definan proyectos que sean prácticos en las condiciones del entorno del aula.

Proporcionar abundante tiempo, material y recursos de equipos.

Incorporar puntos de verificación para evaluar el progreso.

Para guiar a los estudiantes, formule preguntas, tales como: ¿Cómo la frecuencia de muestreo

afecta el resultado? ¿Qué esperan que suceda? ¿Cuáles son las posibles fuentes de error?

¿Puede eliminarse alguna de ellas en el procedimiento?

Solicitar a los estudiantes que generen sus propias preguntas. Facilitar una sesión de

intercambio de ideas o discusión grupal para que los estudiantes respondan las preguntas.

Introducción

x PS-2947

4. Comunicar los resultados de la indagación dirigida por los estudiantes

Brindar oportunidades a los estudiantes para que comuniquen los resultados de la indagación

dirigida por los estudiantes.

Los artículos de investigación formal, las presentaciones, las producciones de video y las

presentaciones en carteles son formas en que los estudiantes pueden compartir la ciencia que

han aprendido.

Las indagaciones dirigidas por los estudiantes vinculadas con recursos de la comunidad

pueden ser de interés para los grupos de conservación o noticias locales. Solicitar a los

estudiantes que informen sus hallazgos en un lugar de la comunidad, el sitio web de la escuela,

periódicos locales u otras publicaciones.

El sistema de recopilación de datos

El "sistema de recopilación de datos" se refiere a los dispositivos de recopilación, exhibición y

análisis de datos usados para realizar las diferentes actividades. Estos incluyen el SPARK

Science Learning System™ y el software SPARKvue™ de PASCO para computadoras de

escritorio, computadoras portátiles y tabletas.

Contenidos de la Guía del docente y del estudiante

Todos los materiales del docente y del estudiante están incluidos en el dispositivo de

almacenamiento que acompaña la Guía del docente. La versión impresa de la Guía del

estudiante: Las plantillas maestras se venden por separado.

Componentes de la actividad de laboratorio

Cada actividad posee dos componentes: Información del docente, Hojas de trabajo de indagación

del estudiante.

Información para el Docente se encuentra en la carpeta de la Guía del docente y contiene

información para seleccionar, planificar e implementar la actividad de laboratorio, así como la

sección de respuestas. Información del docente comprende todas las secciones de una actividad de

laboratorio, incluidos objetivos, descripción general de procedimientos, requisitos de tiempo y

breve descripción de materiales y equipos .

Las Hojas de Indagación del Estudiante comienzan con una pregunta clave, lo que ofrece a los

estudiantes un formato científico coherente que comienza formulando una pregunta para

responder en el proceso de realización de una investigación científica. Las Hojas de trabajo de

indagación del estudiante se incluyen en formato electrónico en el dispositivo de almacenamiento

que acompaña este manual.

Ciencias generales

xi

Información para el Docente y Hoja de Indagación del Estudiante incluyen las siguientes

secciones.

INFORMACIÓN PARA EL DOCENTE HOJA DE INDAGACIÓN DEL ESTUDIANTE

Objetivos Preguntas Clave

Descripción General del Procedimiento Antecedentes (versión del estudiante)

Requisitos de Tiempo

Materiales y Equipos Materiales y Equipos

Conceptos que los Alumnos ya Deben Conocer

Antecedentes

Debate y Actividad Previos al Laboratorio

Preparación del Laboratorio

Seguridad Seguridad

Desafío de Secuenciación Desafío de Secuenciación

Procedimiento con Preguntas de Indagación Procedimiento

Ejemplo de Datos

Análisis de Datos Análisis de Datos

Preguntas de Análisis Preguntas de Análisis

Preguntas de Síntesis Preguntas de Síntesis

Preguntas de Elección Múltiple Preguntas de Elección Múltiple

Desafío de la Palabra Clave Desafío de la Palabra Clave

Banco de Palabras de Desafío de la Palabra Clave

Otras Sugerencias de Investigación

Materiales electrónicos

El dispositivo de almacenamiento que acompaña este manual contiene lo siguiente:

Guía del docente y Guía del estudiante (con las Hojas de indagación del estudiante) completas

en formato PDF (compatibles con Acrobat™

5.0)

Hojas de indagación del estudiante de las actividades de laboratorio en un formato editable

(formato MS Word™ 97–2003). PASCO suministra archivos editables de las actividades de

laboratorio del estudiante para que los docentes puedan personalizar las actividades según sus

necesidades.

Guía del usuario de SPARK Science Learning System y SPARKvue.

Descripción general de los componentes de la actividad de laboratorio

La primera página de cada actividad de laboratorio presenta información para ayudar al docente

a elegir y planificar las actividades apropiadas para incluir en los planes de clase: 1) Objetivos, 2)

Descripción general del procedimiento, 3) Requisito de tiempo y 4) Lista de materiales y equipos.

Objetivos. Esta sección contiene una descripción general de la investigación. Las versiones del

estudiante de las actividades de laboratorio incluyen la pregunta o preguntas principal(es), las

preguntas clave, que se investigan, en lugar de los objetivos.

Descripción general del procedimiento. Esta sección incluye los procedimientos generales de

laboratorio o investigación que realizan los estudiantes.

Introducción

xii PS-2947

Requisitos de tiempo. Se definen tres plazos: la cantidad de tiempo necesaria para 1) la

preparación, 2) la discusión y la actividad previas a la actividad de laboratorio y 3) la actividad

de laboratorio. Si no se necesita preparación del laboratorio, se designan diez minutos. En este

caso, se tiene en cuenta el tiempo requerido para recopilar los materiales, hacer copias del

procedimiento y otras preparaciones habituales.

Materiales y equipos. Esta sección enumera todos los materiales y equipos necesarios para llevar

a cabo el procedimiento de la actividad. Si los elementos de esta lista deben crearse usando

materiales adicionales, se indican con una nota al pie, y se incluyen instrucciones para

prepararlos en la sección Preparación del laboratorio.

Conceptos que los alumnos ya deben conocer. Esta sección enumera los conceptos que los

estudiantes deberían comprender antes de realizar la actividad. Use esta sección para

determinar cuándo incluir esta actividad en los planes de clase, al evaluar requisitos para

aprendizaje previo y como guía para una revisión o debate antes de comenzar la actividad de

laboratorio.

Antecedentes. La información básica en la actividad del estudiante puede ser la misma

información que figura en la versión del docente, o bien puede ser más corta o simplificada. Los

antecedentes se limitan a la información que encuadrará adecuadamente la actividad en el

contexto de materiales curriculares relacionados. Para obtener información más amplia y

detallada sobre un tema, consulte otros materiales de referencia.

Debate y actividad previos al laboratorio. Las actividades previas a la actividad de laboratorio

logran algunos de los siguientes objetivos o todos ellos:

Captar la atención de los estudiantes

Acceder a conocimientos previos

Identificar conceptos erróneos

Ejemplificar la técnica de laboratorio correcta

Ejemplificar procedimientos para cálculos matemáticos requeridos en la actividad

Generar preguntas de los estudiantes

Preparación del laboratorio. Aquí se incluyen instrucciones para preparar el laboratorio, tales

como:

Encontrar equipos o materiales no enumerados en la lista de materiales y equipos. Se trata de

elementos que suelen usarse en una demostración previa a la actividad de laboratorio.

Concebir soluciones usadas en la actividad e ideas para reemplazar materiales

Instalar estaciones en el aula o preparar una excursión

Seguridad. Esta sección enumera los procedimientos de seguridad correspondientes para este

laboratorio. La sección Procedimientos de seguridad de laboratorio habituales de esta guía

enumera los procedimientos de seguridad estándares que siempre deben cumplirse. La versión

del docente de la sección de Seguridad puede incluir otras consideraciones de seguridad que el

docente siempre debe recordar.

Ciencias generales

xiii

Desafío de secuenciación. Esta actividad invita a los estudiantes a reflexionar sobre el

experimento que están por realizar. Las operaciones principales que ellos deberán realizar se

resumen, pero sin seguir el orden correspondiente. Entonces, se solicita a los estudiantes que

coloquen las tareas en la secuencia en que deben realizarse para que puedan formar un esquema

mental de la actividad.

Procedimiento con preguntas de indagación. Las tareas se enumeran con casillas de verificación

para ayudar a los estudiantes a seguir su progreso. Las preguntas incluidas en el procedimiento

alientan a los estudiantes a predecir los resultados de la actividad y a analizar y evaluar

determinados procedimientos y el diseño experimental. Esta sección figura en la versión del

estudiante como Procedimiento y no como Procedimiento con indagación. El contenido es el

mismo.

Ejemplo de datos. Esta sección contiene ejemplos de datos del sensor que podrían recopilarse y

exhibirse en el proceso de la actividad. Use los ejemplos de datos para determinar si los

estudiantes "van por el camino correcto" en sus exploraciones. Debido a las variaciones en el

método experimental, la calibración de equipos y otros factores, los diferentes estudiantes suelen

registrar amplias variaciones en los puntos de datos reales, pero las características de datos

deben ser similares.

Análisis de datos. Se invita a los estudiantes a analizar sus datos de varias formas, tales como:

completar un cuadro de datos, diseñar un gráfico de las variables dependientes en función del

tiempo como aparece en la pantalla del equipo o identificar partes clave de los gráficos de datos.

La Información del docente contiene ejemplos de datos en gráficos o cuadros para exhibir los

modelos previstos. Sin embargo, los datos del estudiante pueden variar y son útiles para analizar

la variación en los datos científicos.

Preguntas de análisis. Los estudiantes establecen comparaciones, resúmenes, cálculos y

conclusiones de acuerdo con sus datos, y se les puede solicitar que evalúen el diseño del

experimento para identificar las variables independientes, dependientes y controladas.

Preguntas de síntesis. Estas preguntas están destinadas a integrar información no cubierta en el

laboratorio. Esto requiere que los estudiantes logren comprender en mayor profundidad los

conceptos y pone a prueba si los estudiantes pueden transferir el conocimiento adquirido en el

laboratorio a otras situaciones. En el caso de algunas preguntas, es necesario que los estudiantes

consulten otras fuentes de información.

Preguntas de elección múltiple. Estas preguntas refuerzan la información clave adquirida de la

actividad o la información relacionada con el tema que va más allá de la actividad.

Desafío de la palabra clave. Esta sección constituye un buen desafío para ayudar a los estudiantes

a examinar la información básica y las palabras clave. Invite a los estudiantes a completar

primero el desafío sin consultar el Banco de palabras del desafío de la palabra clave. O complete

el desafío con toda la clase antes y después de la actividad de laboratorio para observar el

progreso del aprendizaje de los estudiantes.

Otras sugerencias de indagación. Estas sugerencias son extensiones naturales de la actividad y

pueden usarse para otras indagaciones de los estudiantes. Incluyen ideas para otros

experimentos y exploración práctica, discusiones en el aula, excursiones o artículos de

investigación.

Ciencia General

xv

Procedimientos de Seguridad de Laboratorio

Habituales

Descripción General

PASCO se preocupa por su seguridad y, debido a ello, ofrecemos algunos lineamientos y

precauciones para tener en cuenta al explorar las actividades de laboratorio en nuestra guía

Ciencias generales. Esta es solo una lista de lineamientos generales; no es totalmente inclusiva o

exhaustiva en absoluto. Por supuesto, es necesario aplicar el sentido común y seguir las prácticas

de seguridad de laboratorio estándares.

Con respecto a la seguridad química, algunas de las sustancias y productos químicos

mencionados en este manual se rigen por distintas leyes de seguridad (locales, estatales,

nacionales o internacionales). Siempre lea y siga las instrucciones de seguridad disponibles para

cada sustancia o producto químico a fin de determinar su almacenamiento, uso y desecho

apropiados.

Como los procedimientos de manipulación y desecho varían, nuestras precauciones de seguridad

y comentarios de desecho son genéricos. Según su laboratorio, indique a los estudiantes los

métodos de desecho apropiados. Cada una de las actividades de laboratorio también tiene una

sección de Seguridad para los procedimientos necesarios para esa actividad.

Procedimientos y Precauciones de Seguridad

de Laboratorio Generales

Cumpla con todos los procedimientos de laboratorio estándares

Queda absolutamente prohibido el consumo de alimentos, bebidas o goma de mascar en el

laboratorio.

Manténgase alejado de los tomacorrientes.

Use protección ocular (gafas a prueba de salpicaduras), delantal de laboratorio y guantes

protectores.

No se toque el rostro con las manos enguantadas. Si necesita estornudar o rascarse, quítese los

guantes, lávese las manos y luego ocúpese de la situación.

No salga del laboratorio con los guantes puestos.

Lávese las manos después de manipular productos químicos, contenedores de vidrio y equipos.

Tenga incorporadas las funciones de seguridad de su laboratorio, tales como las estaciones

para el lavado de ojos, extinguidor de incendios, equipos de primeros auxilios o uso del teléfono

de emergencia.

No olvide de sujetarse el cabello y la indumentaria en el laboratorio.

Manipule los contenedores de vidrio con cuidado.

Procedimientos de Seguridad de Laboratorio Habituales

xvi PS-2947

Asegúrese de tener un espacio libre adecuado alrededor de los equipos de laboratorio antes de

comenzar una actividad.

No use zapatos de punta abierta ni pantalones cortos en el laboratorio.

Permita que los objetos y líquidos calentados vuelvan a temperatura ambiente antes de

moverlos.

Nunca corra ni haga bromas alrededor del laboratorio.

No realice experimentos sin autorización.

Los estudiantes deben trabajar en equipos de dos o más en caso de que surjan problemas o se

necesite ayuda.

Mantenga el área de trabajo limpia y libre de objetos innecesarios.

Si tiene alguna alergia, padece alguna enfermedad o toma alguna medicación, debe

informárselo al instructor. Esta información podría ser importante en caso de emergencia.

Intente evitar el uso de lentes de contacto. Si se salpica una solución en los ojos, la presencia

de una lente de contacto dificulta los primeros auxilios y podría ocasionar un daño

permanente. Asimismo, los solventes orgánicos tienden a disolver las lentes de contacto

blandas, lo que genera irritación en los ojos.

Toda lesión debe informarse de inmediato al instructor; el estudiante o un testigo debe

completar un informe de accidente.

Precauciones y Procedimientos de Seguridad Relacionados

con el Agua


Mantenga el agua alejada de todos los equipos eléctricos.

Si se hierve agua para un experimento en que se use calor, asegúrese de supervisarla en todo

momento. Recuerde, también, que la placa caliente se mantendrá caliente después de

desenchufarla o apagarla.

Precauciones y Procedimientos de Seguridad Relacionados con los

Equipos Eléctricos


Mantenga el agua alejada de todos los equipos eléctricos.

Nunca ponga en cortocircuito un terminal en una fuente de alimentación, batería u otra fuente

de voltaje, a menos que reciba instrucciones al respecto.

Asegúrese de usar cables de alambre y cables de conexión que tengan un aislamiento

suficiente al crear circuitos eléctricos.

Evite usar corriente alta (más de 1 amperio) en aplicaciones en que no se indica corriente alta.

Ciencia General

xvii

Nunca pruebe el voltaje y la capacidad de la batería con un instrumento que no sea un sensor

de voltaje o voltímetro.

Precauciones y Procedimientos de Seguridad Química

Consulte las Hojas de datos de seguridad del material (MSDS, por su sigla en inglés) del

fabricante para obtener instrucciones sobre la manipulación, el almacenamiento y el desecho

de productos químicos. El docente debe entregar la MSDS de los productos químicos utilizados.

Conserve estas instrucciones disponibles en caso de accidentes.

Muchos productos químicos son peligrosos para el medio ambiente y no deben desecharse por

el drenaje. Siempre siga las instrucciones del docente para desechar los productos químicos.

El hidróxido de sodio, el ácido clorhídrico y el ácido acético son irritantes corrosivos. Evite el

contacto con los ojos y lávese las manos después de manipularlos. En caso de exposición de la

piel, lávese con abundante agua.

Siempre agregue ácidos y bases al agua, y no al revés, ya que las soluciones pueden hervir con

fuerza.

La disolución de ácidos y bases produce calor; tenga sumo cuidado cuando manipule soluciones

recién preparadas y contenedores de vidrio, dado que podrían estar muy calientes.

Manipule los ácidos y las bases concentrados en una campana extractora; los gases son

cáusticos y tóxicos.

Utilice protección ocular, un delantal de laboratorio y guantes protectores cuando manipule

ácidos. Se recomiendan anteojos a prueba de salpicaduras. Los guantes pueden ser de látex o

de nitrilo. Use guantes de nitrilo si tiene alergia al látex.

Lea las etiquetas de todos los productos químicos y preste especial atención a los iconos de

riesgo y s las advertencias de seguridad.

Cuando manipule especias bacterianas, siga técnicas asépticas.

Lávese las manos antes y después de la sesión de laboratorio.

Si las soluciones ácidas entran en contacto con la piel o los ojos, enjuáguelos inmediatamente

con abundante agua corriente durante, al menos, 15 minutos.

Consulte la etiqueta para verificar que sea la sustancia correcta antes de usarla.

Nunca apunte el extremo abierto de un tubo de ensayo que contenga una sustancia hacia usted

o hacia otras personas.

Use un movimiento ágil cuando huela productos químicos.

No devuelva productos químicos sin usar a su contenedor original.

Mantenga los productos químicos inflamables lejos de las llamas.

Procedimientos de Seguridad de Laboratorio Habituales

xviii PS-2947

Precauciones de Seguridad al Aire Libre

Proceda con el cuidado debido cerca de masas de agua, terrenos empinados y plantas o

animales peligrosos.

No permita que los estudiantes ingresen en arroyos.

No recolecte muestras de suelo de pastos contaminados con materia fecal de animales.

Lleve agua purificada o paños sanitarios a las excursiones para que los estudiantes se laven

las manos después de trabajar en arroyos o suelos.

Trate las plantas, los animales y el medio ambiente con respeto.

Inspeccione todos los equipos para detectar daños (rajaduras, defectos, etcétera).

Solicite a los estudiantes que usen un sistema de parejas y que especifiquen el procedimiento

para usar en caso de problemas.

Otras Precauciones de Seguridad

Los experimentos que involucran masas en movimiento pueden ser peligrosos. Considere las

masas en movimiento y evite el contacto.

Si se calienta agua u otros materiales para un experimento en que se use calor, asegúrese de

supervisarlos en todo momento. Recuerde, también, que la placa caliente se mantendrá

caliente después de desenchufarla o apagarla.

Mantenga los cables de extensión del sensor y los cables de la sonda de temperatura alejados

de las placas calientes.

Proceda con la precaución debida cuando manipule fósforos, quemadores, comidas calientes y

otros materiales calientes.

Tenga cuidado cuando use un cuchillo o un bisturí.

Recursos Adicionales

Flinn Scientific

The Laboratory Safety Institute (LSI)

National Science Education Leadership Association (NSELA)/Serie Safe Science

Ciencia General

xix

Lista Maestra de Materiales y Equipos

Los artículos sin itálicas sólo están disponibles a través de PASCO. La cantidad indicada es por

estudiante o grupo. Nota: Algunas actividades también requieren equipos de protección para

cada estudiante (por ejemplo, gafas de seguridad, guantes, delantal o bata de laboratorio).

Los docentes pueden realizar algunas actividades de laboratorio con sensores y sondas que no

figuren en la lista. Para obtener asistencia con el reemplazo de sensores y sondas compatibles

para una actividad de laboratorio, comuníquese con el Centro de Asistencia para Docentes de

PASCO (800-772-8700 dentro de los Estados Unidos o visite http://www.pasco.com/support).

Act Titulo Materiales y equipos Ctd

Biología

1 Fuentes de Energía para la

Levadura

Use un sensor de gas de dióxido de

carbono para medir la producción de

gas de dióxido de carbono por la

levadura en condiciones aeróbicas y

anaeróbicas. Determine si la alta

temperatura afecta la respiración de

la levadura.

Sistema de recolección de datos 1

Sensor PASPORT de temperatura

o termómetro

1

Sensor PASPORT de dióxido de

carbono

1

Cable de extensión del sensor

PASPORT*

1

Frasco de muestreo* 1

Probeta de 50 mL 1

Vasos de precipitado de 100 mL 3

Vaso de precipitado de 100 mL o

vaso de poliestireno

1

Varillas agitadoras 3

Cuchara de medición, 1/4 de

cucharadita

1

Solución de sacarosa, 30 mL 30 mL

Solución de almidón, 30 mL 30 mL

Levadura seca altamente activa ¾ de Cda

(más según

sea

necesario)

Agua tibia 60 mL

Agua a temperatura ambiente 30 mL

Almidón de maíz-maicena 50 g

Fuente adicional de energía, tal

como glucosa, maltosa, lactosa,

edulcorantes artificiales, leche,

jugos o bebidas energéticas

Según sea

necesario

2 Acción Enzimática

Use un sensor de gas de oxígeno para

comprender cómo las condiciones

ambientales óptimas, como la

temperatura, tienen un papel esencial

en la función enzimática.


Sensor PASPORT de oxígeno 1


Tubo de ensayo de 25 mL 1

Probeta de 25 mL 1

Peróxido de hidrógeno al 3% 30 mL

Baño María, entre 35 y 40 °C 1 por clase

Suspensión de levadura (fuente de

catalasa)

30 mL

http://www.pasco.com/support


xx PS-2947


3 Respiración de los Brotes


carbono para comprender las

velocidades comparativas de la

producción de gas de CO2 para

semillas latentes secas; para brotes

húmedos a temperatura ambiente; y

para brotes húmedos y fríos.



carbono

1


PASPORT*

1


Vaso de precipitado o taza de

250 mL

1

Frijoles secos 75 mL

Hielo 250 mL

El agua 250 mL

4 Respiración Vegetal y Fotosíntesis


carbono para comprender las

concentraciones comparativas de CO2

para una pequeña planta en la

oscuridad y en luz brillante, y qué dice

esto acerca de la fotosíntesis y el ciclo

de CO2.



carbono

1


PASPORT*

1


Papel de aluminio (30 cm de largo,

del expendedor)

1

Lámpara de 100 W (o equivalente),

fluorescente o con bombilla

halógena, de un tamaño

adecuado para un casquillo

estándar

1

Hojas de espinaca fresca 1 o 2

5 Ejercicio y Homeostasis

Use un sensor de pH y un sensor de

dióxido de carbono para medir el

efecto del CO2 en el pH, determinar

cómo el ejercicio afecta la producción

de CO2 y comprender cómo el cuerpo

mantiene la homeostasis cuando

cambian las condiciones internas.



carbono

1

Sensor PASPORT de pH 1


PASPORT*

1


Pipetas de plástico de 1 mL 2

Probeta de 100 mL 1

Bolsas de plástico de un litro con

cierre

2

Pajilla de plástico 1

Azul de bromotimol (ATB) 5 mL

Hidróxido de sodio diluido 10 gotas

Ácido clorhídrico diluido 10 gotas

Agua destilad 300 mL

6 Ejercicio y Frecuencia Cardíaca

Use un sensor de frecuencia cardíaca

para monitorear el efecto del esfuerzo

físico en relación con el estado físico.

Determine la frecuencia cardíaca

promedio antes, durante y después del

ejercicio.


Sensor PASPORT de frecuencia

cardíaca con empuñadura

1

Ciencia General

xxi


7 Fatiga Muscular

Use un sensor de fuerza para

determinar la fuerza de prensión y

comparar la fatiga muscular de los

músculos de la mano provocada por el

ejercicio isotónico ("misma tensión") y

el ejercicio isométrico ("misma

longitud").


Sensor PASPORT de fuerza 1

Temporizador (cronómetro o

equivalente)

1

Pelota de goma, pelota de tenis o

equivalente (de

aproximadamente 7 cm de

diámetro)

1

Física

8 Aceleración

Use un sensor de movimiento para

introducir el concepto de representar

el movimiento como un cambio de

posición de forma gráfica.


Sensor PASPORT de movimiento 1

Carrito Dinámico 1

Pista Dinámica 1

Pinza giratoria para pista

Dinámica

1

Tope fijo de pista Dinámica 1

Soporte de varilla 1

9 Primera Ley de Newton

Use un sensor de movimiento para

determinar la influencia de la fuerza

en el movimiento de un objeto, y que el

movimiento de un objeto no se

modifica en ausencia de una fuerza

externa.



Carrito Dinámico PAScar 1

Pista Dinámica con pies 1

Tope de pista Dinámica 1

Conjunto de masas y ganchos 1

Superpolea con abrazadera 1

Cuerda ~1 m

10 Segunda Ley de Newton

Use un sensor de fuerza y un sensor

de movimiento comprender la relación

entre la fuerza neta aplicada a un

objeto, la aceleración del objeto y la

masa del objeto.




Pinza de ángulo recto 1

Masa colgante 1

Resorte 1


Balanza 1 por clase

Varilla corta 1

11 Tercera Ley de Newton

Use dos sensores de fuerza para

observar la relación que existe entre

una fuerza de acción y la fuerza de

reacción resultante.

Accesorio para descubrir la

fricción

1


Carrito dinámico 2

Pista dinámica 1

Masa compacta para carrito, 250-g 1

Accesorio para Descubrir la

Fricción

1

Accesorios Soporte de Fuerza 1

Tope de resorte para sensor de

fuerza

1

Taza de colisión para sensor de

fuerza

1

Banda elástica 1

Balanza 1 por clase


xxii PS-2947


12 Movimiento Armónico Simple

Use un sensor de fuerza y un sensor

de movimiento para determinar la

constante del resorte midiendo la

extensión del resorte debido a cada

una de las tres masas diferentes que

se suspenden del resorte.




Metro 1



Varilla corta 1

Resorte 1

Masas varias al menos 3

Balanza 1 por clase

13 La Temperatura Contra el Calor

Use un sensor de temperatura para

explorar la relación entre la

transferencia de calor y el cambio de

temperatura en varias sustancias.


Sensor PASPORT de temperatura 2

Juego de Calorimetría Básica 1

Vaso calorímetro 2

Masa de cobre, 200 g 2

Masa de aluminio, 200 g 2

Vaso de precipitado de 600 mL 1

Placa calefactora 1

Balanza 1 por clase

Aceite vegetal 500 g

Agua 500 g

Cuerda, 15 cm 4

Clip para papeles 2

14 Ley de Hooke

Use un sensor de fuerza para observar

la relación que existe entre la

extensión de un resorte y la fuerza

resultante requerida para extender el

resorte.



Resorte 1

Metro 1

15 Ley de Inducción de Faraday

Use un sensor de voltaje para observar

la fuerza electromotriz generada

pasando un imán por una bobina.


Sensor PASPORT de voltaje 1

Bobinas de 200, 400 y 800 vueltas 1 de cada

uno

Imanes de diferente potencia 3


Pinza de tres dedos 1

Papel 1

Cinta Según sea

necesario

Bolígrafo o lápiz 1

Almohadilla antirrebote (opcional) 1

Ciencia General

xxiii


Química

16 Conservación de la Material

Ponga a prueba la ley de conservación

de la materia para los cambios físicos

y químicos encontrando la masa de los

reactivos antes de que los productos

químicos reaccionen y la masa de los

productos después de la reacción haya

ocurrido.

Balanza 1

Tubo de ensayo de 15 x 100 mm 2


Botella de refresco de plástico (con

tapa) de 500 mL 1

Nitrato de sodio 5 g

Sulfato de sodio de 0,1 M 5 mL

Cloruro de estroncio de 0,1 M 5 mL

Bicarbonato de sodio 8 g

Ácido acético al 5% 30 mL

Agua destilada (desionizada) 10 mL

17 Cambio de Estado

Use un sensor de temperatura de

respuesta rápida y un sensor de

temperatura de acero inoxidable para

determinar cómo agregar calor a una

sustancia sin que aumente su

temperatura.


Sensor PASPORT de temperatura

de acero inoxidable

1

Placa calefactora 1

Vaso de precipitado de 150 mL o

más

2

Probeta de 10 mL 1

Tubo de ensayo de 10 × 100 mm 1

Soporte para tubos de ensayo 1

Soporte universal de laboratorio 1

Pinza utilitaria 1

Varilla agitadora 1

Cuchara sopera 1


Hielo molido para llenar el vaso de

precipitado

1

Sal de roca 200 g

18 Porcentaje de Oxígeno en el Aire

Use un sensor de presión absoluta

para informarse sobre los

componentes del aire y cómo

determinar el porcentaje de oxígeno en

el aire.


Sensor PASPORT de presión

absoluta

1


PASPORT

1

Conector de liberación rápida* 1

Conector para tubos* 1

Tubos de entre 1 y 2 cm* 1



Tapón con un orificio que sea

adecuado para el tubo de ensayo

1

Varilla agitadora 1

Vinagre blanco (ácido acético al

~5%), 50 a 60 mL

50 a 60 mL

Lana de acero, tejido fino (#000) 1,0 g

Toallas de papel Según sea

necesario

Glicerina 2 gotas


xxiv PS-2947


19 Calores de Reacción y Disolución

Use una sensor de temperatura para

determinar el calor molar de

disolución del hidróxido de sodio y el

cloruro de amonio al disolverlos en

agua y el calor molar de reacción al

hacer reaccionar al magnesio con el

ácido clorhídrico.


Sensor PASPORT de temperatura 1


Probeta de 50 mL 1

Balanza en centigramos 1

Vaso de poliestireno 2

Espátula 1

Varilla agitadora 1


necesario

Papel para pesar 1

Lija o lana de acero 1 pieza

Piseta y recipiente para desechos 1

Lentejas de hidróxido de sodio 1 g

Cloruro de amonio 1 g

Cinta de magnesio 0,10 g

Ácido clorhídrico de 1,0 M 25 mL


20 Velocidades de Reacción

Use un sensor de presión absoluta

para determinar el efecto de la

temperatura, la concentración y la

superficie sobre la velocidad de una

reacción química midiendo cambios en

la presión absoluta a medida que

avanza la reacción.


Sensor PASPORT de presión

absoluta

1


PASPORT

1

Tubo de ensayo de 20 × 150 mm 3

Soporte de tubos de ensayo 1

Tapón con un orificio que sea

adecuado para los tubos de

ensayo

1

Conector de liberación rápida* 1

Conector para tubos* 1

Tubos de entre 1 y 2 cm* 1

Glicerina 2 gotas





Baños de agua tibia y fría Uno por

clase

Cinta de magnesio, piezas de 1 cm 18

Polvo de magnesio 0,05 g

Ciencia General

xxv


21 pH de los Productos Químicos

Domésticos

Use un sensor de pH y productos

químicos domésticos comunes para

relacionar el pH y la concentración del

ion de hidronio (H3O+) clasificando las

soluciones como ácidas, básicas o

neutras.




Probeta de 50 mL 1

Probeta de 10 mL 1


Soporte para tubos de ensayo 1


Solución amortiguadora de pH 4 25 mL


Vinagre blanco (ácido acético al

~5%)

5 mL

Jugo de limón 5 mL

Refresco 5 mL

Limpia vidrios 5 mL

Agua de la llave 5 mL

Leche 5 mL

Café 5 mL

Bicarbonato de sodio de 0,5 M 5 mL

Jabón liquid 5 mL

Blanqueador 5 mL

22 Valoración Ácido–Base

Use un cuentagotas y un sensor de pH

para determinar la concentración de

una solución de ácido clorhídrico y la

concentración de una solución de ácido

acético por valoración.


Cuentagotas PASPORT 1


Agitador magnético 1

Microimán de agitación 1



Probeta de 100 mL 1

Pipeta volumétrica o probeta de

10 mL

1

Bureta de 50 mL 1

Soporte universal de laboratorio 1


Pinza de bureta 1

Embudo 1

Pipeta de transferencia 1

Recipiente para desechos 1

Piseta con agua destilada

(desionizada)

1




Solución de ácido clorhídrico

(~0,1 M)

10 mL

Solución de ácido acetic (~0,1 M) 10 mL

Solución de hidróxido de sodio

estandarizada (~0,1 M)

120 mL


xxvi PS-2947


Ciencias ambientales

23 Batería Electroquímica: Energía

de los Electrones

Use un sensor de voltaje para colocar

reactivos metálicos en su orden

correcto en el cuadro de potenciales de

electrodos estándares.


Sensor PASPORT de voltaje 1

Probeta de 50 mL 1


Pinza de caimán, 1 negra y 1 roja 2


Cuerda o lana gruesas 20 cm

Cuchillo para cortar fruta 1


necesario

Cloruro de sodio de 0,1 M 5 a 10 mL


Tira de cobre 1

Tira de zinc 1

Tira de magnesio 1

Tira de níquel 1

Tira de hierro 1

Limón (u otras frutas cítricas) 1

Tomate (o manzana, kiwi o papa) 1

24 Lluvia Ácida y el Crecimiento

Vegetal

Use un sensor de pH para determinar

los efectos del nitrógeno y de los

contaminantes que contienen azufre

sobre el pH del agua. Observe cómo la

lluvia ácida afecta el crecimiento de

las plantas.



Probeta de 25 mL 1

Vaso de precipitado pequeño o vaso

descartable con NaHCO3

1 por clase


descartable con NaHSO3

1 por clase


de 100 mL

1


Recipientes de almacenamiento

para la "lluvia ácida" (Las

pisetas representan una buena

opción como recipientes de

almacenamiento)

2

Pipetas plásticas de 1 mL 2

Pipeta plástica de 1 mL, cortada 1

Ácido sulfúrico de 0,025 M 100 mL

Agua destilada 50 mL

Vinagre 10 mL

Plantas pequeñas (las margaritas,

petunias, filodendros, plantas de

frijoles y plantas pequeñas

similares son buenas opciones)

2

Ciencia General

xxvii


25 El pH del Suelo

Use un sensor de pH para determinar

el pH de tres muestras de suelo.





Probeta de 100 mL 1

Varilla agitadora 1

Piseta con agua destilada 1

Herramienta de excavación 1

Bolsa de plástico, pequeña que

pueda cerrarse

3



Agua destilada 400 mL

Marcador indeleble 1


necesario

Recipiente para desechos 1

Muestra de suelo 3

26 La Luz Solar y la Fotosíntesis en

Plantas Acuáticas

Use un sensor de pH para recopilar

datos a fin de demostrar la relación

entre la fotosíntesis y la luz.


Sensor de pH 2

Bolsas de plástico de 500 mL o 16

onzas, que puedan cerrarse

2

Probeta de 250 mL 1

Caracoles acuáticos (Si puede,

obténgalos de su entorno local.)

2

Plantas acuáticas, como por

ejemplo elodea

2

Lámpara fluorescente 1

Papel de aluminio de 15 x 15

pulgadas

1

Agua de arroyo o estanque 500 mL

Marcador 1

*Estos productos estén incluidos con el aparato específico o sensor utilizado en el experiment.

Ciencia General

xxix

Actividad por sensores PASCO

Esta lista muestra los sensores y otros equipos PASCO utilizados en las actividades

de laboratorio.

Productos disponibles de PASCO Ctd Actividad Dónde Se Usa

Sistema de recolección de datos 1 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12,

13, 14, 15, 17, 18, 19, 20, 21, 22,

23, 24, 25

Sensor PASPORT de presión absoluta 1 18, 20

Sensor PASPORT de dióxido de carbono 1 1, 3, 4

Sensor PASPORT de fuerza 1 7, 10, 12, 14

Sensor PASPORT de fuerza 2 11

Sensor PASPORT de frecuencia cardíaca con

empuñadura

1 6

Cuentagotas PASPORT 1 22

Sensor PASPORT de movimiento 1 8, 9, 10, 12

Sensor PASPORT de oxígeno 1 2

Sensor PASPORT de pH1 1 5, 21, 22, 24, 25

Sensor PASPORT de pH1 2 26

Sensor PASPORT de temperatura de acero

inoxidable

1 17

Sensor PASPORT de temperatura2 1 1, 19

Sensor PASPORT de temperatura2 2 13

Sensor PASPORT de voltaje 1 15, 23

Cable de extensión del sensor PASPORT 1 1, 3, 4, 5, 18, 20

1La sonda de pH puede conectarse a un sensor de química, de pH o de calidad del agua.

2Puede utilizar el sensor de temperatura de respuesta rápida o el de acero inoxidable.

1

Biología

Información para el Docente

3

Fuentes de Energía para la Levadura

Objetivos

En esta investigación, los alumnos aprenden y aplican la terminología y el concepto de un

experimento controlado. La actividad está diseñada para permitirles a los alumnos:

practicar la creación de un grupo de control y un grupo experimental e identificar las variables

independientes, dependientes y constantes;

experimentar que los seres vivos consumen alimentos para obtener energía y liberan dióxido

de carbono en el proceso.

Descripción General del Procedimiento

Los alumnos realizarán los siguientes procedimientos:

la utilización de un sensor de gas de dióxido de carbono para medir la producción de dióxido de

carbono que se genera del metabolismo de la levadura;

la prueba de la capacidad de la levadura de utilizar diferentes fuentes de energía al medir y

comparar la producción de dióxido de carbono de la levadura al suministrarle diferentes

sustancias, según lo determinen los alumnos.


Tiempo de preparación 20 minutos

Debate y actividad previos al laboratorio 15 minutos

Actividad en el laboratorio 80 minutos (40 minutos cada una, 2 días)


4 PS-2947

Materiales y Equipos

Para cada alumno o grupo:

Sistema de recolección de datos Cuchara de medición, 1/4 de cucharadita

Sensor de temperatura o termómetro Solución de sacarosa1, 30 mL

Sensor de dióxido de carbono Solución de almidón2, 30 mL

Cable de extensión del sensor Levadura seca altamente activa, ¾ de cucharadita

Frasco de muestreo más la cantidad necesaria para el experimento

Probeta de 50 mL diseñado por los alumnos

Vasos de precipitado (3) de 100 mL Fuentes adicionales de energía3

Vaso de precipitado de 100 mL o vaso de Agua tibia, 60 mL

poliestireno Agua a temperatura ambiente, 30 mL

Varillas agitadoras (3)

1 Para formular la solución de sacarosa con agua y azúcar granulada, consulte el apartado de Preparación

del laboratorio.

2 Para formular la solución de almidón utilizando agua y almidón de maíz "Maicena", consulte el apartado

de Preparación del laboratorio.

3 Consulte el apartado de Preparación del laboratorio para obtener sugerencias sobre otras fuentes de

energía.


Los alumnos deben estar familiarizados con los siguientes conceptos:

Los científicos realizan a menudo experimentos controlados para probar hipótesis.

Antecedentes

Los científicos no usan un único método para responder a las preguntas. Incluso en el campo de

la biología, los investigadores utilizan varios métodos. Los ecologistas que estudian las

poblaciones de ranas no abordarán su investigación de la misma manera que lo harán los

biólogos celulares que estudian los genes relacionados con el cáncer. Sin embargo, existe un tipo

de experimento común que generalmente se emplea en la investigación biológica. Se lo conoce

como "experimento controlado".

Los experimentos controlados se pueden usar para determinar las relaciones de causa y efecto. Si

bien es posible que haya muchos factores que afecten a un resultado, el científico se concentra

solo en uno, la variable independiente. El científico manipula esta variable durante el

experimento y observa y mide la manera en la que las variables dependientes responden al

cambio realizado en la variable independiente. Con estos datos, el científico evalúa en qué

medida la variable manipulada afecta al resultado. Para asegurarse de que la variable

independiente sea la causa del resultado, otras condiciones deben permanecer sin modificarse.

Estas condiciones se denominan constantes o variables controladas.

Un experimento controlado compara un grupo de control con un grupo experimental. Los sujetos

del grupo de control son tratados exactamente de la misma manera que los sujetos del grupo

experimental, con la excepción de que la variable independiente se modifica en los sujetos

experimentales. En esta investigación, mediante un experimento controlado se evalúa la

capacidad de la levadura de utilizar diferentes tipos de carbohidratos. La levadura es un

conjunto de organismos unicelulares. Probablemente sepa que la levadura generalmente se usa


5

para cocinar. Una receta básica de pan incluye azúcar y harina (almidón) como ingredientes.

Cuando la levadura usa uno o más ingredientes de la masa del pan para obtener energía, se

produce dióxido de carbono. La liberación de este gas provoca que el pan leude y crezca.


(El día anterior a trabajar en el laboratorio, coloque 100 mL de agua tibia, 1 cucharada de levadura seca

activa y 1 cucharada de azúcar en un matraz de 250 mL. Estire la abertura de un globo y colóquela por

encima del matraz para sellarlo. Durante las próximas veinticuatro horas, la levadura producirá dióxido

de carbono, lo cual provocará que el globo se infle).

Fomente el interés de los alumnos al mostrarles el matraz sellado con un globo inflado. Dígales a los

alumnos que el matraz contiene levadura. Luego, muéstreles una pieza de pan. Pídales que piensen

cómo se relacionan estos elementos al preguntarles:

1. ¿Cuál es la relación entre una pieza de pan y el globo inflado?

La levadura en el matraz liberó un gas que provocó que el globo se infle. La levadura, uno de los ingredientes

del pan, libera un gas que provoca que el pan leude antes de hornearlo.

Explíqueles a los alumnos que los orificios que se observan en el pan son resultado del gas (dióxido de

carbono) que produce la levadura. El gas forma burbujas dentro del pan. A medida que el pan se hornea,

el gas se dispersa y forma orificios en donde estaban las burbujas.

Muéstreles a los alumnos el sensor de dióxido de carbono. Explíqueles que en esta investigación

medirán la cantidad de dióxido de carbono que produce la levadura en determinadas condiciones.

Explíqueles que los factores tales como el tipo de levadura, la cantidad de levadura y la temperatura del

agua podrían afectar la producción de dióxido de carbono. Explíqueles que el experimento que

realizarán será un "experimento controlado". Será importante mantener constantes a todas las variables

controladas excepto una: la "variable independiente".


Estos son los materiales y los equipos que deben prepararse antes de trabajar en el laboratorio:

1. La forma más sencilla de que los alumnos obtengan agua tibia de al menos 45 °C es

suministrarles agua caliente que puedan mezclar con agua del grifo. Utilice una cafetera

grande o un hervidor de agua instantáneo. Asegúrese de que el agua esté caliente antes de

que los alumnos comiencen con el trabajo de laboratorio.

Consejo para el docente: Decida si los alumnos utilizarán un termómetro tradicional o un sensor

de temperatura para medir la temperatura del agua tibia.

2. Prepare 1000 mL de solución de sacarosa.

a. Mida 50 g de sacarosa (azúcar de mesa granulada).

b. Agregue la sacarosa a 950 mL de agua y revuelva hasta que se haya disuelto.

3. Prepare 1000 mL de solución de almidón.

a. Mida 50 g de almidón de maíz "maicena".

b. Agregue el almidón a 950 mL de agua y revuelva hasta que se haya mezclado de forma

uniforme.


6 PS-2947

4. Prepare estaciones en las que los alumnos puedan obtener la levadura necesaria para la

investigación. Para una clase, 3 paquetes de levadura deberían proporcionar la cantidad

suficiente para que todos los grupos realicen ambas partes del trabajo de laboratorio.

a. Abra 3 paquetes de levadura seca altamente activa y colóquelos en tres recipientes

pequeños.

b. Coloque un 1/4 de una cucharadita de una cuchara de medición para cada recipiente, de

forma tal que los alumnos puedan medir fácilmente la levadura necesaria para la

investigación.

Consejo para el docente: Se obtienen mejores resultados al utilizar levadura de paquetes nuevos

de levadura seca altamente activa.

5. Determine qué "fuentes de energía" adicionales se utilizarán en los experimentos diseñados

por los alumnos en la Parte 2 de la investigación. Las opciones posibles son: glucosa, maltosa,

lactosa, edulcorantes artificiales, leche, jugos y bebidas energizantes.

Seguridad

Incorpore las siguientes precauciones importantes de seguridad a sus procedimientos habituales de

laboratorio:

No permita que se moje el sensor de dióxido de carbono.

No coma ni beba ninguno de los materiales de laboratorio.

Utilice anteojos de seguridad.

Desafío de Secuenciación

Los pasos siguientes forman parte del Procedimiento para esta actividad de laboratorio. No están

ordenados correctamente. Determine el orden correcto y escriba los números en los círculos que

ordenan los pasos en la secuencia correcta.

Asegúrese de

que su

experimento

cumpla con los

requisitos de un

buen

experimento

controlado y

realice su

experimento.

5

Determine qué

sustancia

(sacarosa o

almidón)

proporcionó a la

levadura una

mayor energía.

3

Prepare tres

vasos de

precipitación con

levadura, agua y

sacarosa o

solución de

almidón.

Determine la

variable

independiente de

este

experimento.

1

Use el sensor de

gas de CO2 para

determinar cuál

mezcla produce

la mayor cantidad

de CO2.

Identifique la

variable

dependiente.

2

Cree su propio

procedimiento

para determinar

si la levadura

puede usar otras

sustancias como

fuente de

energía.

4


7

Procedimiento con Preguntas de Indagación

Después de completar un paso (o responder a una pregunta), coloque una marca de verificación en el

casillero () que se encuentra junto a ese paso.

Parte 1: ¿La levadura utiliza sacarosa y almidón para obtener energía?

Preparación

1. Coloque 60 mL de agua tibia (entre 40 y 45 °C) en un vaso de precipitado o vaso de

poliestireno.

Nota: Quizá sea necesario mezclar agua caliente con agua del grifo y monitorear la temperatura con

un termómetro hasta que se encuentre dentro del intervalo indicado.

2. Prepare tres vasos de precipitado para la investigación.

a. Reúna tres vasos de precipitado de 100 mL y colóqueles etiquetas con los números

"1", "2" y "3", respectivamente.

b. Agregue ¼ de cucharadita de levadura seca activa a cada vaso de precipitado.

c. Vierta 20 mL del agua tibia (entre 40 y 45 °C) en cada vaso de precipitado. Revuelva

la mezcla de levadura y agua para generar una suspensión uniforme.

El grupo experimental

3. Agregue 30 mL de solución de sacarosa a la mezcla de levadura y agua del Vaso de

precipitado 1. Revuelva la mezcla lentamente.

4. Agregue 30 mL de solución de almidón a la mezcla de levadura y agua del Vaso de

precipitado 2. Revuelva la mezcla lentamente.

El grupo de control

5. Agregue 30 mL de agua a temperatura ambiente a la mezcla de levadura y agua del Vaso

de precipitado 3. Revuelva la mezcla lentamente.

6. Deje los tres vasos de precipitado en reposo durante 5 minutos. Durante este tiempo,

realice los siguientes pasos (hasta el paso de "Crear una pantalla de comparación de

Dióxido de carbono (ppm) frente al Tiempo (s)").

7. Compare la composición de los dos grupos (experimental y de control). ¿Cuál es la

variable independiente de este experimento?

La variable independiente es el tipo de carbohidrato (la fuente de energía).


8 PS-2947

8. El Vaso de precipitado 3 es el "grupo de control". ¿Cuál es el propósito del grupo de

control en un experimento controlado?

El grupo de control es necesario para asegurarse de que todos los resultados obtenidos en el grupo

experimental se deban a la variable independiente y no a una variable no controlada. El grupo de control no

recibe el "tratamiento", por lo cual ofrece un valor de referencia con el cual pueden compararse los resultados

del grupo experimental (que sí reciben el "tratamiento").

9. Un experimento controlado tiene "constantes". Enumere las constantes (variables

controladas) de esta investigación.

Ejemplos de constantes en el laboratorio incluyen: la temperatura del agua tibia, la cantidad de agua tibia, la

cantidad de solución de carbohidratos agregada, el tipo y fuente de la levadura y la cantidad de levadura.

10. Comience un nuevo experimento en el sistema de recolección de datos.

11. Conecte el sensor de dióxido de carbono a su sistema de recolección de datos mediante el

cable de extensión del sensor.

12. Calibre el sensor de dióxido de carbono.

13. Crear una pantalla de comparación de Dióxido de carbono (ppm) frente al Tiempo (s).

Recolecte los Datos

14. Vierta la mezcla del Vaso de precipitado 1 en un frasco de

muestreo.

15. Conecte el sensor de dióxido de carbono al frasco de muestreo que

contiene la mezcla de sacarosa y levadura. Genere un cierre

hermético entre el tapón del sensor y el frasco.

Nota: Asegúrese de que el frasco no se vuelque durante el experimento.

16. Después de aproximadamente 15 segundos, comience con la

recolección de datos.

17. ¿Cuál es la variable dependiente de este experimento?

La variable dependiente del experimento es la concentración de dióxido de carbono

(ppm).

18. Registre los datos durante 4 minutos y luego detenga el registro de

datos.

19. Asigne el nombre "Sacarosa" a la serie de datos.

20. Retire el sensor de dióxido de carbono del frasco. Deseche la solución del frasco y luego

enjuáguelo en su totalidad al llenarlo con agua y volcar el agua.


9

21. ¿Por qué es importante enjuagar el frasco de muestreo en su totalidad?

Debe eliminarse del frasco todo el dióxido de carbono que se haya producido en la primera prueba. Para

mantener el control del experimento, el frasco debe estar en el mismo estado antes de cada prueba.

22. Vierta la mezcla de almidón y levadura del Vaso de precipitado 2 en el frasco de muestreo

limpio. Conecte el sensor de dióxido de carbono al frasco al igual que lo hizo

anteriormente.

23. Después de aproximadamente 15 segundos, comience con la recolección de datos.

24. Detenga la recolección de datos después de 4 minutos.

25. Asigne el nombre "Almidón" a la serie de datos.

26. Retire el sensor de dióxido de carbono del frasco. Deseche la solución del frasco y

enjuáguelo en su totalidad.

27. Vierta la mezcla del Vaso de precipitado 3 en el frasco de muestreo y conecte el sensor de

dióxido de carbono al frasco.

28. Después de aproximadamente 15 segundos, comience con la recolección de datos.

29. Registre los datos durante 4 minutos y luego detenga el registro de datos.

30. Asigne el nombre "Agua" a la serie de datos.

31. Retire el sensor de dióxido de carbono del frasco. Deseche la solución del frasco y

enjuáguelo en su totalidad.

32. Complete el Análisis del diseño y responda las Preguntas de análisis de la Parte 1 antes

de continuar con la Parte 2 del Procedimiento.

Parte 2: ¿La levadura puede utilizar otras sustancias como fuentes de energía?

Preparación

Diseñe su experimento

33. En una hoja aparte, confeccione un esquema o dibuje un diagrama (o ambos) en el que

describa el procedimiento que utilizará para determinar si la levadura puede utilizar

otras sustancias, que le suministrará el docente, como fuentes de energía. Asegúrese de

que su procedimiento sea un experimento controlado. Debe utilizar el sistema de

recolección de datos y el sensor de dióxido de carbono.


10 PS-2947

34. Identifique las variables de su experimento.

a. Variable independiente: Depende del experimento del alumno.

b. Variable dependiente: Depende del experimento del alumno.

c. Constantes: Dependen del experimento del alumno.

35. Muéstrele su plan de experimentación al docente para obtener su aprobación.

Recolecte los Datos

36. Lleve a cabo su experimento mediante el sistema de recolección de datos y el sensor de

dióxido de carbono.

37. Asigne a cada serie de datos un nombre adecuado.

Análisis de Datos

Parte 1: ¿La sacarosa representa una fuente de energía para la levadura?

1. Grafique los datos de la Parte 1. El gráfico debe comparar el Dióxido de carbono (ppm)

frente al Tiempo (s). Asigne una etiqueta al gráfico general y a cada eje. Indique las

unidades que correspondan en cada eje. Asigne una etiqueta a cada serie de datos.


11

Parte 2: ¿La levadura puede utilizar otros tipos de azúcar como fuentes

de energía?

2. Presente los datos de la Parte 2, el experimento que usted diseñó. Puede dibujar una

tabla de datos, un gráfico o ambos.

Los resultados variarán en función de las fuentes de energía que se les suministren a los alumnos y de los

métodos que los alumnos decidan utilizar para su experimento.

Preguntas de Análisis

Parte 1: ¿La sacarosa representa una fuente de energía para la levadura?

1. ¿Cuál es una mejor fuente de energía para la levadura, la sacarosa o el almidón?

Describa las pruebas que justifican su respuesta.

La sacarosa es una mejor fuente de energía para la levadura que el almidón. En los datos de las muestras, la

levadura que recibió sacarosa produjo mucho más dióxido de carbono (una concentración de dióxido de

carbono de más de 6000 ppm) que la levadura que recibió almidón (una concentración de dióxido de carbono de

1500 ppm).

2. ¿Cómo determinó que la sacarosa o el almidón se desempeñaron como fuentes de

energía para la levadura?

Todas las variables se controlaron atentamente. La única diferencia en la preparación fue la incorporación de

sacarosa, almidón o agua. Entonces, la diferencia en los resultados tiene que deberse a esta única diferencia en

la preparación. En los datos de las muestras, el grupo de control que contenía agua en lugar de una fuente de

energía (almidón o sacarosa) produjo mucho menos dióxido de carbono (una concentración de dióxido de

carbono de 772 ppm), en especial al compararlo con la levadura que recibió sacarosa.

Los alumnos pueden investigar sus resultados al observar cómo cambia la producción de dióxido de carbono en

el grupo experimental y de control durante un período más prolongado, ya que el grupo de control podría utilizar

azúcar almacenada con anticipación.

Parte 2: ¿La levadura puede utilizar otros tipos de azúcar como fuentes

de energía?

3. Resuma las conclusiones que puede sacar de los datos recolectados en la Parte 2 de

la investigación.

Los resultados y las conclusiones dependerán de la investigación en particular.

4. Justifique por qué el experimento que usted diseñó y realizó fue un buen

experimento controlado.

Las respuestas variarán. Los experimentos de los alumnos deben tener muchas variables controladas, una

variable independiente que se haya manipulado y una variable dependiente que se haya medido cada vez que

se modificaba la variable independiente.

5. Los datos que se recolectaron en el experimento ¿son datos cualitativos o

cuantitativos? Explique su respuesta.

Los datos son cuantitativos, ya que el sensor medía la cantidad de dióxido de carbono (concentración) presente

en el frasco en partes por millón (ppm). Los datos cualitativos son descriptivos.


12 PS-2947

Preguntas de Síntesis

Utilice los recursos disponibles para responder a las preguntas siguientes.

1. ¿Cuál es la importancia de contar con un grupo de control? Teniendo en cuenta el

experimento, describa el grupo de control y explique por qué se trataba de un grupo

de control.

El vaso de precipitado con agua en lugar de sacarosa o almidón era el grupo de control. Este ofrecía datos de

referencia sobre la cantidad de dióxido de carbono que produce la levadura en ausencia de un carbohidrato.

El grupo de control es el grupo que no recibe un "tratamiento" en particular; aquel en que no se manipula la

variable independiente.

2. ¿Por qué las células requieren energía?

Las células requieren energía para todo el "trabajo" que hacen: fabricar sustancias químicas, crecer, mantener

la homeostasis, transportar materiales, reproducirse, etc. Las células son estructuras altamente organizadas y

necesitan energía para mantener esta organización.

3. Supongamos que los científicos sospechan que la radiación ultravioleta (UV)

afecta la reproducción y la tasa de natalidad en una población de ranas. Describa un

experimento controlado que puedan llevar a cabo los científicos en un laboratorio

para probar esta hipótesis.

Las respuestas variarán.

Un ejemplo de respuesta: los científicos podrían exponer a una gran cantidad de ranas macho y hembra a

diferentes niveles de radiación UV. Un grupo de ranas macho y hembra no debe recibir ningún tratamiento UV

(el grupo de control). Las ranas macho y hembra del mismo grupo (que reciban el mismo nivel de radiación UV)

deben poder aparearse.

Luego, los científicos deben registrar la cantidad de hembras preñadas en cada grupo. En este caso, la variable

independiente es la cantidad de radiación UV que reciben las ranas y la variable dependiente es la cantidad de

ranas hembra que quedan preñadas. Otra variable dependiente es la cantidad de huevos que produce cada

rana hembra y otra es la cantidad de huevos de los que nacen crías en relación con la cantidad de huevos

producidos.

Otro conjunto de variables dependientes debe provenir de observar y registrar el desarrollo (normal y anormal)

de los renacuajos y ranas jóvenes.

Preguntas de Elección Múltiple

Elija la mejor respuesta o final de frase para cada una de las siguientes preguntas o enunciados

incompletos.

1. Las condiciones que son constantes y se mantienen así durante un experimento se

denominan

A. variables controladas

B. variables no controladas

C. variables dependientes

D. variables independientes


13

2. Un estudiante compara la cantidad de dióxido de carbono producido por la

levadura en presencia de almidón con la cantidad producida en presencia de

sacarosa. ¿Cuál es la variable independiente de la investigación del estudiante?

A. Cantidad de dióxido de carbono producido

B. Tipo de levadura usada

C. Tipo de carbohidrato usado

D. Temperatura de la mezcla

3. ¿Qué sustancia en la masa del pan es la principal fuente de energía para la

levadura?

A. agua

B. sacarosa

C. almidón

D. dióxido de carbono

4. En un experimento para probar si el consumo de una bebida deportiva de 16 onzas

permite que una persona se recupere más rápidamente después del ejercicio, ¿cuál

sería el grupo de control?

A. Un grupo de personas que toman una bebida deportiva, pero que no hacen

ejercicio.

B. Un grupo de personas que toman una bebida gaseosa en lugar de una bebida

deportiva.

C. Un grupo de personas que toman 8 onzas de la bebida deportiva.

D. Un grupo de personas que toman agua en lugar de una bebida deportiva.

Desafío de la Palabra Clave

Complete los espacios con los términos del listado que figura en el Banco de palabras del Desafío de la

palabra clave.

1. La levadura se usa para hacer la masa del pan porque el metabolismo de la levadura produce

un gas, dióxido de carbono, que hace que el pan suba. La levadura usa la sacarosa en la masa

como fuente de energía para realizar actividades en sus células.

2. Si bien no hay un método único que empleen los científicos para responder preguntas,

muchos biólogos usan experimentos controlados en su investigación. Estos tipos de

experimentos involucran un grupo de control y uno o más grupos experimentales. Los sujetos

de cada grupo son tratados exactamente igual, salvo que la variable independiente se modifica

para los sujetos experimentales. Los científicos observan y miden cómo una variable

dependiente responde al cambio realizado en la variable independiente.


14 PS-2947


Los alumnos pueden elegir otra fuente de energía y utilizarla para investigar el efecto de la

temperatura sobre el metabolismo de la levadura.


15

Acción Enzimática

Objetivos

Esta actividad refuerza el concepto de los alumnos de que las enzimas actúan como catalizadoras

y aceleran las reacciones químicas. Los alumnos también recolectan pruebas que demuestran

que la actividad enzimática se ve influenciada por la temperatura.



Uso de un sensor de oxígeno para medir la cantidad de oxígeno que se libera durante la

descomposición del peróxido de hidrógeno:

2 2 2 2

catalase2H O 2H O O (gas)

Variación de la temperatura de la solución enzimática y determinación de si el cambio de

temperatura influye sobre la tasa de producción de oxígeno.


Tiempo de preparación 24 horas antes: 30 minutos

Día de la actividad: 30 minutos


Actividad en el laboratorio 40 minutos



Sistema de recolección de datos Peróxido de hidrógeno2 al 1,5%; 60 mL

Sensor de oxígeno Baño María, entre 35 y 40 °C (1 por clase)

Frasco de muestreo1 Catalasa

3, temperatura ambiente, 20 mL

Tubo de ensayo de 25 mL Catalasa3, hervida, 10 mL

Probeta de 25 mL

1 Se incluye con el sensor de oxígeno.

2 Para formular peróxido de hidrógeno al 1,5% a partir de peróxido de hidrógeno al 3%, consulte el apartado

sobre Preparación del laboratorio. 3 La fuente de la catalasa es una suspensión de levadura. Consulte el apartado sobre Preparación del

laboratorio.

Consulte el apartado de Debate y actividad previos al laboratorio para conocer los materiales que se utilizan

en las demostraciones del debate previo al laboratorio.

Acción Enzimática

16 PS-2947



Funciones generales de las enzimas

El modelo enzimático de la "llave-cerradura"

Los seres vivos tienen rangos de temperatura óptima

La temperatura es una medida de la energía cinética promedio

La temperatura afecta la frecuencia de las colisiones entre partículas

Antecedentes

Las células deben llevar a cabo diversas reacciones químicas muy rápidamente para que

podamos vivir. Las proteínas llamadas "enzimas" son fundamentales para esta función. Las

enzimas actúan como catalizadoras. Esto significa que aumentan la velocidad de la reacción. El

metabolismo de un organismo depende de miles de enzimas diferentes que permiten llevar a cabo

miles de reacciones químicas que habitualmente se producen dentro de una célula.

Las enzimas no se consumen durante la reacción, pero se unen al sustrato (reactivo) y ayudan a

convertirlo en el producto final. Una vez que la enzima libera el producto final, esta puede unirse

a otro sustrato y catalizar otra reacción. Las enzimas son específicas de cada sustrato, lo cual

significa que solo un tipo de molécula puede encajar en el sitio activo de la enzima. A este modelo

de función enzimática se lo conoce como el "modelo de la llave-cerradura".

Este modelo demuestra la importancia que tiene la forma de una enzima para su capacidad de

acelerar una reacción. El sitio activo de la enzima debe poder alojar al sustrato y unirse a él.

Cada enzima tiene una temperatura y un pH óptimos para lograr su máxima funcionalidad.

Fuera de estos valores óptimos, la enzima cambia de forma y se torna menos funcional. (Los

pliegues y giros específicos de la cadena de aminoácidos se ven afectados por estas condiciones).

Un cambio en la forma de la enzima (denominado desnaturalización) da como resultado una

disminución en la actividad enzimática y, por lo tanto, una reacción más lenta.

Un ejemplo de enzima es la lactasa. La lactasa cataliza la descomposición del disacárido lactosa

(el azúcar de la leche) en los monosacáridos galactosa y glucosa. Para poder digerir la lactosa, la

lactasa debe estar presente y funcionar correctamente. Ninguna otra enzima puede cumplir esta

función. Las personas que tienen intolerancia a la lactosa no producen suficientes lactasas

funcionales y, por lo tanto, no pueden digerir la lactosa.

Otro ejemplo de enzima es la catalasa. (Muchas enzimas terminan con las letras "asa"). La

catalasa cataliza (acelera) la descomposición del peróxido de hidrógeno (H2O2). Se trata de una

Productos

Enzima

Sustrato


17

enzima importante debido a que el peróxido de hidrógeno es un producto del metabolismo normal

de las células, pero es tóxico para ellas. Por lo tanto, debe convertirse rápidamente en sustancias

inocuas. Este cambio ocurre de forma rápida en presencia de la enzima catalasa. La mayoría de

los seres vivos tienen catalasa en sus células. Las fuentes de catalasa que se utilizan

habitualmente en investigaciones de laboratorio son el hígado, la papa y la levadura.


Consejo para el docente: Los alumnos logran comprender mejor la primera demostración si

cuentan con cierto conocimiento previo sobre los disacáridos y monosacáridos. Si no tienen

experiencia previa en este tema, probablemente sea mejor pasar a la segunda demostración,

"Descomposición del peróxido de hidrógeno".

Digestión de la lactosa

Demuéstreles a los alumnos la reacción catalizada por la lactasa. Sostenga un vaso de precipitado

pequeño con leche.

1. ¿La leche contiene azúcar? Si es así, ¿cómo se llama el azúcar?

Sí, la leche contiene un azúcar que se llama lactosa.

2. ¿Qué moléculas de su organismo aceleran la digestión del azúcar y de las

moléculas de otros alimentos?

Las enzimas ayudan al organismo a digerir los alimentos.

3. Algunas personas son "intolerantes" a la lactosa. ¿Qué creen que esto significa?

Es probable que los alumnos respondan que esto significa que la persona no puede tomar leche; la persona no

puede digerir el azúcar lactosa. Quizá mencionen que si la persona toma leche, se sentirá mal.

Muéstreles a los alumnos una tira reactiva de glucosa y explique cómo funciona. Moje la tira en el vaso

de precipitado con leche. Muéstreles a los alumnos que el resultado es negativo (no tiene glucosa).

4. ¿Por qué el resultado es negativo?

La leche contiene solo el azúcar lactosa; no contiene el azúcar glucosa.

Muéstreles a los alumnos un envase de polvo Lactaid® (también puede utilizar cualquier marca

genérica). Explíqueles que una persona con intolerancia a la lactosa puede consumir lácteos si también

ingiere este polvo. Disuelva una cucharada de polvo Lactaid en el vaso de precipitado con leche.

Revuelva la muestra durante aproximadamente 5 minutos. Durante este tiempo, debata las siguientes

preguntas con los alumnos.

5. ¿Qué piensa que hace este polvo para permitir que una persona intolerante a la

lactosa pueda consumir lácteos?

Las respuestas variarán. Los alumnos pueden predecir correctamente que el polvo ayuda a descomponer la

lactosa, es decir que ayuda a la persona a digerir la lactosa presente en la leche.

Acción Enzimática

18 PS-2947

6. ¿La lactosa es un monosacárido, un disacárido o un polisacárido? ¿Cuál es la

estructura básica de una molécula de lactosa?

La lactosa es un disacárido. Se compone de dos azúcares unidos: la galactosa y la glucosa.

Dibuje o enséñeles una imagen de la lactosa a los alumnos para ayudar en el debate de la pregunta

anterior.

Después de revolver la leche y el Lactaid en el vaso de precipitado durante 5 minutos, moje una segunda

tira reactiva de glucosa en la leche. Muéstreles a los alumnos que el resultado es positivo (contiene

glucosa).

7. ¿Por qué el resultado es positivo? (Pista: Lactaid contiene la enzima lactasa).

La leche ahora contiene glucosa. Las lactasas del polvo ayudaron a descomponer una unión química en la

lactosa, lo cual dio como resultado dos productos separados: la glucosa y la galactosa. (Se produjo la digestión

de la lactosa).

Dibuje o muestre una imagen de la digestión de la lactosa, similar a la que figura a continuación. Esto

ayudará a los alumnos a visualizar la reacción que permite la digestión y a comprender los resultados

negativos y positivos para la presencia de glucosa que observaron en la demostración.

Descomposición del peróxido de hidrógeno

Muéstreles a los alumnos un frasco de peróxido de hidrógeno y pregúnteles si saben lo que es y para

qué se utiliza.

8. ¿Cuál es la sustancia que contiene el frasco? ¿Cuáles son algunos usos habituales

de esta sustancia?

Es probable que los alumnos sepan que el peróxido de hidrógeno se utiliza para limpiar y desinfectar cortes.

Quizá mencionen que hace burbujas al colocarlo sobre un corte. También es bueno para limpiar manchas, como

por ejemplo, manchas de sangre. Algunos alumnos quizás mencionen que aclara el cabello o blanquea los

dientes.

Vierta una pequeña cantidad de peróxido de hidrógeno en un vaso de precipitado. Explíqueles a los

alumnos que las moléculas se mueven y se chocan entre sí. Algunas veces, estas colisiones provocan

que las moléculas reaccionen y se rompan, por lo cual, en forma paulatina y con el transcurso del

tiempo, el frasco contendrá menos peróxido de hidrógeno. (Envasar el peróxido de hidrógeno en un

frasco marrón evita que la luz acelere esta reacción).

Agregue un pequeño trozo de hígado o papa al vaso de precipitado.

2

lactasalactosa + H O glucosa + galactosa


19

9. ¿Qué observa al agregar el trozo de hígado (o papa) al peróxido de hidrógeno?

Cuando se agrega el hígado al vaso de precipitado con peróxido de hidrógeno, se forman muchas burbujas y se

genera espuma dentro del envase.

10. ¿Por qué se forman estas burbujas?

Hay algo en el hígado (o en la papa) que debe provocar que el peróxido de hidrógeno se descomponga

rápidamente. Lo normal es que la reacción se produzca tan lentamente que no sea perceptible. Debido a que

ahora se observa la reacción con facilidad, esto significa que se produce mucho más rápido.

11. ¿Qué molécula presente en las células del hígado (o de la papa) produce la

descomposición rápida del peróxido de hidrógeno? ¿Por qué las células necesitan esta

molécula?

Las células hepáticas contienen enzimas (incluida la catalasa) que aceleran la reacción de descomposición. Las

células tienen catalasa porque producen peróxido de hidrógeno, pero esta sustancia es tóxica y debe

descomponerse rápidamente.

Muéstreles a los alumnos la siguiente ecuación:

2 2 2 2

catalasa2H O 2H O O (gas)

12. Con base en la ecuación, ¿qué contienen las burbujas que se observan en el vaso

de precipitado?

Las burbujas contienen oxígeno.

Refuerce el concepto de que el oxígeno es un producto de la reacción al realizar otra demostración con

un vaso de precipitado grande o una probeta. Agregue peróxido de hidrógeno al vaso de precipitado.

Agregue trozos de hígado hasta que se forme una gran cantidad de burbujas. Encienda una tablilla de

madera con un fósforo, permita que arda durante poco tiempo y luego apague la llama para que la

tablilla quede brillando. Sumerja la tablilla en las burbujas para que vuelva a encenderse la llama.

13. ¿Qué sucede cuando la tablilla de madera se coloca en las burbujas? ¿Por qué

sucede esto?

La tablilla de madera vuelve a encenderse; se produce una llama. El oxígeno de las burbujas provoca que la

tablilla vuelva a arder.

Demuestre el uso del sensor de oxígeno y del sistema de recolección de datos. Realice una

demostración con el peróxido de hidrógeno y el hígado en un matraz Erlenmeyer de 250 mL. Justo

después de agregar un trozo de hígado a una pequeña cantidad de peróxido de hidrógeno, conecte el

matraz al sensor de oxígeno y comience la recolección de datos. Si quiere relacionar esta reacción con

el concepto de reacciones exotérmicas, también puede colocar el sensor de temperatura de respuesta

rápida en el matraz y medir el aumento de temperatura a medida que se produce la reacción. Dígales a

los alumnos que utilizarán el sensor de oxígeno en su investigación.

Acción Enzimática

20 PS-2947

14. Si el desafío de esta investigación es observar cómo la temperatura afecta a las

enzimas, ¿por qué se mide el oxígeno presente en la sustancia?

El oxígeno es un producto de la reacción que se produce. La reacción ocurre rápidamente porque las enzimas

de las células (por ejemplo, de las células del hígado, de la papa y de la levadura) actúan como catalizadoras. Si

la capacidad de la enzima de llevar a cabo su función se ve afectada por la temperatura, se modificará la

velocidad de la reacción y la cantidad de oxígeno producido. Las enzimas, que son invisibles dentro de una

célula, no pueden observarse ni medirse en forma directa. Asimismo, la enzima no se modifica en la reacción,

por lo cual no puede medirse directamente, como sí puede hacerse con los reactivos y productos.



Consejo para el docente: Con las siguientes instrucciones fabricará una gran cantidad de

suspensión de levadura que será suficiente para varios períodos de clase.

1. Veinticuatro horas antes de la actividad, prepare una suspensión de levadura hervida.

a. Agregue aproximadamente 600 mL de agua a un vaso de precipitado de 1000 mL.

b. Agregue 2 paquetes de levadura seca activa al agua y revuelva para crear una

suspensión uniforme.

c. Coloque el vaso de precipitado con la suspensión de levadura sobre una placa calefactora.

Caliente la solución durante al menos 30 minutos a temperatura elevada y asegúrese de

que hierva. (Como alternativa, utilice un horno microondas para calentar la solución).

No permita que la solución hierva rápidamente. No deje la solución sin supervisión

mientras se esté calentando.

d. Utilice guantes resistentes al calor para retirar el vaso de precipitado de la placa

calefactora. Permita que la solución se aclimate a la temperatura ambiente. Coloque una

etiqueta en el vaso de precipitado con el nombre "catalasa hervida".

2. El día del trabajo de laboratorio, prepare la suspensión de levadura a temperatura ambiente

aproximadamente 30 minutos antes de comenzar la clase.

a. Agregue aproximadamente 600 mL de agua a temperatura ambiente a un vaso de

precipitado de 1000 mL.

b. Agregue 2 paquetes de levadura seca activa al agua y revuelva para crear una

suspensión uniforme.

Consejo para el docente: La suspensión de levadura puede generar espuma en la superficie. Si la

espuma no permite verter la suspensión para que los alumnos la utilicen, retire y deseche la

espuma con una cuchara.

3. Antes de comenzar la clase, prepare un baño María con una temperatura de entre 35 y 40 °C.

Coloque un bastidor de tubos de ensayo en el baño María. Inserte tubos de ensayo vacíos.

4. Prepare una solución de peróxido de hidrógeno al 1,5%: diluya 500 mL de peróxido de

hidrógeno al 3% en 500 mL de agua destilada. Repita este procedimiento a fin de preparar la

solución para cada período de clase.


21

5. El día del trabajo de laboratorio, prepare una o más estaciones en las que los alumnos

puedan obtener cada una de las soluciones necesarias: peróxido de hidrógeno al 1,5%,

levadura a temperatura ambiente y levadura hervida. Coloque una probeta de 25 mL en cada

estación y pídales a los alumnos que utilicen solo la probeta de esa estación para evitar la

contaminación cruzada.

Consejo para el docente: Con el tiempo, la levadura se asentará en el fondo del matraz. Utilice un

agitador magnético o revuelva la suspensión de levadura cada tanto para mantenerla uniforme.

Pídales a los alumnos que revuelvan la suspensión antes de extraer una muestra.

Seguridad

Cumpla con todos los procedimientos estándar de laboratorio.








Preparación


2. Conecte el sensor de oxígeno a su sistema de recolección de datos.

3. Calibre el sensor de oxígeno.

4. Confeccione una comparación de la Concentración de oxígeno (%) frente al Tiempo.

Mida la

concentración de

oxígeno en la

ausencia de una

enzima (en un

frasco de muestreo

que contenga

solamente peróxido

de hidrógeno).

2

Reúna los

materiales y el

equipo para

determinar 1) el

nivel de referencia

de O2, 2) el efecto

de la catalasa y 3)

cómo la

temperatura afecta

a la catalasa.

1

Analice los

resultados y

determine si la

temperatura afecta

a la función

enzimática.

5

Determine el efecto

de la catalasa a

temperatura

ambiente sobre la

velocidad de

descomposición del

peróxido de

hidrógeno.

3

Mida la producción

de O2 en las

reacciones

catalizadas por la

catalasa tibia y la

catalasa hervida.

4

Acción Enzimática

22 PS-2947

Recolecte los Datos

Parte 1: Descomposición del peróxido de hidrógeno en ausencia de la enzima

5. Mida y vierta 20 mL de peróxido de hidrógeno al 1,5% en el frasco de muestreo.

6. Conecte rápidamente el sensor de oxígeno al frasco de muestreo. NO genere un cierre

hermético entre el sensor y el frasco.

Nota: A medida que recolecta los datos, sostenga el frasco de muestreo y el sensor para evitar que se

vuelquen. Es posible que se acumule presión dentro del frasco de muestreo y que esto provoque que

se salga el sensor. Para evitar que esto suceda, el tapón del frasco debe estar flojo y usted debe

sostener tanto el frasco de muestreo como el sensor.

7. Comience con la recolección de datos.

8. ¿Qué sucede con la concentración de O2 en el frasco de muestreo? ¿Por qué cree que pasa

esto?

La concentración sigue siendo la misma (no aumenta ni disminuye). El peróxido de hidrógeno no se

descompone en presencia de agua y oxígeno (o la reacción se produce en forma demasiado lenta como para

percibirla) debido a que aún no se ha agregado la enzima.

9. Recolecte datos durante 180 segundos y luego detenga el registro de datos.

10. Retire el sensor de oxígeno del frasco de muestreo.

Nota: ¡NO deseche la solución del frasco de muestreo! Conserve el peróxido de hidrógeno para

utilizarlo en la próxima parte.

Parte 2: Descomposición del peróxido de hidrógeno con la catalasa a temperatura ambiente

11. ¿Qué piensa que le sucederá a la concentración de oxígeno en el frasco de muestreo una

vez que se agregue la catalasa al peróxido de hidrógeno? Explique su predicción.

Las respuestas variarán. Con base en lo que leyeron en los antecedentes y en las actividades previas al

laboratorio, los alumnos deberían saber que la catalasa en la suspensión de levadura es una enzima. Las

enzimas aceleran las reacciones, de forma tal que la cantidad de oxígeno en el frasco debe aumentar, ya que la

enzima ayuda a descomponer el peróxido de hidrógeno.

12. Agregue 10 mL de la suspensión de levadura a temperatura ambiente (fuente de

catalasa) al peróxido de hidrógeno que ya se encuentra en el frasco de muestreo (de la

Parte 1).

Nota: Revuelva la suspensión de levadura antes de extraer una muestra.


23







14. Comience con la recolección de datos. Ajuste la escala del gráfico para mostrar todos los

datos.



17. Deseche la solución del frasco de muestreo y enjuáguelo en su totalidad.

Parte 3: Descomposición del peróxido de hidrógeno con la catalasa tibia

18. Mida y vierta 10 mL de la solución de levadura a temperatura ambiente en un tubo de

ensayo limpio. Coloque el tubo de ensayo en un baño María (de entre 35 y 40 °C) durante

3 minutos.

Nota: Revuelva la suspensión de levadura antes de extraer una muestra.

19. ¿Cómo piensa que la concentración de oxígeno en el frasco de muestreo con la catalasa

tibia se comparará con la concentración de oxígeno del frasco que contiene la catalasa a

temperatura ambiente?

Las respuestas variarán. Los alumnos pueden predecir correctamente que la reacción se producirá más

rápidamente debido a que la enzima y el sustrato chocarán con mayor frecuencia si se mueven más rápido

debido a una temperatura más elevada.

20. Retire el tubo de ensayo con la suspensión de levadura tibia del baño María.

21. Mida y vierta 20 mL de peróxido de hidrógeno al 1,5% en un frasco de muestreo limpio.

22. Vierta la suspensión de levadura tibia del tubo de ensayo en el frasco de muestreo.







Acción Enzimática

24 PS-2947


datos.




Parte 4: Descomposición del peróxido de hidrógeno con la catalasa hervida

28. ¿Qué piensa que le sucederá a la concentración de oxígeno en el frasco de muestreo que

contiene la catalasa que se calentó a 100 °C?

Las respuestas variarán. Los alumnos pueden predecir correctamente que una temperatura de 100 °C

desnaturalizaría la enzima y le quitaría sus funciones, por lo cual esta no tendría ningún o casi ningún efecto

sobre la reacción.

29. Mida y vierta 20 mL de peróxido de hidrógeno al 1,5% en el frasco de muestreo limpio.

30. Vierta 10 mL de la suspensión de levadura hervida en el frasco de muestreo.








datos.




36. Guarde su experimento y limpie su lugar de trabajo.

Análisis de Datos

1. Utilice las herramientas disponibles en el sistema de recolección de datos para hallar los

valores de la concentración inicial y final del oxígeno. Registre estos valores en la

Tabla 1.


25

2. Determine el cambio en la concentración de oxígeno dentro del frasco de muestreo. Para

calcular la "Tasa de producción de O2", divida el cambio en la concentración de O2 por el

tiempo. Registre estos valores en la Tabla 1.

Tabla 1: Producción de oxígeno debido a la descomposición del peróxido de hidrógeno con y sin catalasa

Muestra de

catalasa

Concentración

inicial de O2

(%)

Concentración

final de O2 (%)

Cambio en la

concentración

de O2 (%)

Tiempo

(s)

Tasa de

producción

de O2 (%/s)

Ninguna 20,4 20,4 0,00 180 0,00

Temperatura

ambiente 20,3 34,0 13,7 180 0,08

Tibia (entre

35 y 40 °C) 20,4 40,9 20,5 180 0,11

Calentada a

100 °C 20,4 20,4 0,00 180 0,00

3. Grafique la Concentración de oxígeno (%) frente al Tiempo. Asigne una etiqueta al

gráfico general y a cada eje. Indique las unidades que correspondan en cada eje.

Represente gráficamente los datos de: catalasa a temperatura ambiente, catalasa tibia y

catalasa hervida. Asigne una etiqueta a cada curva de datos.


1. ¿Cuál de estos elementos es el que mejor describe al peróxido de hidrógeno en esta

reacción: sustrato, producto o enzima? Explique.

El peróxido de hidrógeno es el sustrato. Un sustrato es un reactivo sobre el cual actúa la enzima, convirtiéndolo

en productos.

Acción Enzimática

26 PS-2947

2. ¿Cuál de estos elementos es el que mejor describe a la catalasa (presente en la

suspensión de levadura): sustrato, producto o enzima? Explique.

La catalasa es la enzima. Ayuda a acelerar la descomposición del peróxido de hidrógeno. En su ausencia, no se

observó ninguna reacción perceptible.

3. ¿Qué sucedió con la cantidad de oxígeno en el frasco de muestreo al agregar la

suspensión de levadura a temperatura ambiente al peróxido de hidrógeno?

La cantidad de oxígeno dentro del frasco aumentó después de agregar la suspensión de levadura.

4. ¿Por qué la incorporación de la suspensión de levadura provocó un cambio en la

concentración de oxígeno dentro del frasco de muestreo?

Agregar la levadura al frasco de muestreo aumenta la cantidad de oxígeno debido a que la levadura contiene

una enzima llamada catalasa. La catalasa ayuda a acelerar la descomposición del peróxido de hidrógeno. El

oxígeno es un producto de esta reacción.

5. ¿La temperatura influye sobre la actividad enzimática? Utilice las pruebas de esta

investigación para justificar su respuesta.

La temperatura influye sobre la actividad enzimática. Después de haberla calentado a una temperatura elevada

de 100 °C, la enzima catalasa demostró ninguna o casi ninguna actividad. Al entibiarla a una temperatura de

entre 35 y 40 °C, se observó una mayor actividad que a temperatura ambiente.

Cuando se modificó la temperatura de la enzima, hubo una diferencia significativa en el oxígeno que se produjo

dentro del frasco. Cuando las enzimas se encuentran en su máxima funcionalidad, la reacción se producirá a su

máxima velocidad. Si las enzimas se tornan menos activas, la reacción es más lenta y se produce menos

oxígeno.

6. A nivel molecular, ¿cuál es la diferencia entre una solución a temperatura

ambiente (21 °C) y una solución tibia (35 a 40 °C)?

En una solución tibia, las moléculas presentan una mayor energía cinética promedio, lo cual significa que, en

promedio, estas moléculas se mueven más rápidamente en comparación con las moléculas de la solución a

temperatura ambiente.

7. ¿Por qué diferiría la actividad enzimática en las células de la levadura a

temperatura ambiente de la actividad enzimática de las células de la levadura tibia?

En las células de la levadura tibia, la mayor energía cinética de las moléculas provoca más colisiones entre la

enzima y el sustrato. La enzima puede unirse al sustrato con mayor frecuencia y provocar que la velocidad de la

reacción sea mayor.

8. Después de hervirla, la enzima catalasa pierde su función. Teniendo en cuenta el

modelo de la llave-cerradura, explique por qué las temperaturas extremas afectarían

la función de una enzima.

En el modelo de la llave-cerradura, la enzima y el sustrato se unen debido a que presentan formas

complementarias. Las temperaturas extremas provocan que la enzima cambie de forma. Esto le quita su

funcionalidad a la enzima y no le permite unirse a las moléculas del sustrato.


27



1. ¿Por qué las enzimas son importantes para los organismos? ¿Qué les sucedería a

las células si no hubiera enzimas?

Un organismo debe llevar a cabo miles de reacciones químicas para sostener la vida. Las enzimas catalizan

estas reacciones biológicas para que puedan producirse con gran velocidad. Si no hubiera enzimas, las

reacciones se producirían en forma demasiado lenta como para sostener la vida y el organismo moriría.

2. ¿Qué temperatura diría que es óptima para las enzimas del cuerpo humano?

Explique su razonamiento.

Las enzimas del cuerpo humano contarían con una temperatura óptima de 37 °C (98,6 °F), ya que esta es la

temperatura que se mantiene en el cuerpo humano gracias a la homeostasis.

3. Explique por qué la fiebre de más de 40,5 °C (105 °F) es tan peligrosa para los seres

humanos.

La enzima de este experimento se desnaturalizó al exponerla a una temperatura elevada. En los seres

humanos, una temperatura de 40,5 °C es el límite máximo de tolerancia que tienen las enzimas. A

temperaturas superiores a la mencionada, las enzimas de nuestras células se desnaturalizarían y dejarían de

funcionar. Si no hay enzimas que funcionen, las células no pueden trabajar correctamente y morirán.

4. ¿A qué hace referencia el término "desnaturalización"? ¿Por qué las enzimas dejan

de funcionar al desnaturalizarse?

La "desnaturalización" significa que una proteína pierde su forma. Las proteínas presentan complejas formas

tridimensionales como resultado de los pliegues y giros de las cadenas de aminoácidos. Las enzimas dejan de

funcionar al desnaturalizarse debido a que si no cuentan con su forma adecuada, no pueden unirse al sustrato

para catalizar la reacción.

5. ¿Piensa que el pH afecta la actividad enzimática? Explique. ¿Cómo podría

probarlo?

Las respuestas variarán. Algunos alumnos podrían relacionarlo con las enzimas de la saliva, el estómago y el

intestino delgado si saben que el pH varía en estas zonas. Los experimentos destinados a probar el efecto del

pH sobre la actividad enzimática deben agregar un ácido o una base a muestras de solución y modificar solo

esa variable. Los alumnos deben indicar que las demás variables, tales como la temperatura y la cantidad de

sustrato, se mantienen constantes.



incompletos.

1. ¿Cuál de las siguientes opciones describe una relación precisa entre una enzima y

un sustrato?

A. Lactosa-catalasa

B. Catalasa-peróxido de hidrógeno

C. Bilis-proteasa

D. Glucosa-polimerasa

Acción Enzimática

28 PS-2947

2. ¿Cuál de los siguientes enunciados es FALSO respecto de las enzimas y la función

enzimática?

A. Los cambios de temperatura influyen sobre las enzimas.

B. Una enzima puede utilizarse solo una vez.

C. Las enzimas son específicas y solo pueden catalizar una reacción específica.

D. La enzima "catalasa" se encuentra en muchos tipos de células.

3. ¿Qué tipo de macromoléculas son las enzimas?

A. Lípidos

B. Carbohidratos

C. Ácidos nucleicos

D. Proteínas

4. El siguiente gráfico muestra la actividad enzimática a diferentes temperaturas.

¿Cuál es la temperatura óptima para esta enzima?

A. 20 °C

B. 30 °C

C. 40 °C

D. 60 °C


29



palabra clave.

1. Las enzimas se encuentran en las células de organismos vivos. Su función principal es

catalizar, o acelerar, las reacciones químicas que se producen dentro de la célula. Las enzimas

no se consumen durante la reacción y, por lo tanto, pueden catalizar otra reacción de forma

inmediata. Cada enzima cumple una función diferente, y muchas de ellas trabajan en conjunto

para mantener a un organismo vivo y sano. Las enzimas tienen un/una temperatura y un rango

de pH óptimos en los cuales pueden funcionar correctamente. En su organismo, por ejemplo, las

enzimas funcionan mejor cuando la temperatura corporal es normal (aproximadamente 37 °C). Si

las condiciones ambientales se encuentran fuera del rango normal, las enzimas pierden su

capacidad de catalizar reacciones. Se desnaturalizan y no pueden funcionar si no tienen la

forma adecuada.

2. En el cuerpo humano, el hígado cuenta con varias enzimas que actúan sobre determinados

compuestos tóxicos al eliminar los átomos de hidrógeno de los venenos y transferirlos a moléculas

de oxígeno. Esto le quita la toxicidad al veneno, pero crea un nuevo compuesto, el peróxido de

hidrógeno (H2O2), que también es peligroso para el organismo. Afortunadamente, otra enzima

del hígado cataliza la descomposición del peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno. Esta enzima

es la catalasa. La mayoría de los organismos vivos tienen catalasa en sus células.

Acción Enzimática

30 PS-2947


Modifique otras condiciones ambientales, tales como la salinidad, el pH o la presencia de un

metal pesado, para determinar su efecto sobre la funcionalidad enzimática.

Investigue qué sucede al utilizar diferentes concentraciones de sustratos o enzimas.

Para consolidar el concepto de que las enzimas son reutilizables y que la reacción se detiene

cuando se ha utilizado todo el sustrato, permita que finalice la reacción (cuando ya no haya más

burbujas, aproximadamente a los cinco minutos) y luego agregue más suspensión de levadura y

recolecte los datos. Luego, agregue más peróxido de hidrógeno y continúe observando y

recolectando datos.

Investigue los efectos tóxicos del peróxido de hidrógeno en el cuerpo humano y analice por qué

existe tanta abundancia de catalasa producida por las células hepáticas (el hígado es el centro de

"desintoxicación" de nuestro organismo).

Investigue las enzimas que participan de la digestión y compare el pH óptimo para cada una de

ellas.

Investigue casos en los que las personas se han congelado, o han estado cerca de congelarse, y

han sobrevivido. Luego realice una investigación comparativa sobre casos en los que las personas

han estado expuestas a temperaturas excesivamente elevadas. Analice y explique, en términos

biológicos, qué grupo ha logrado una mejor tasa de supervivencia y por qué.


31

Respiración de los Brotes

Objetivos

Que los alumnos comprendan cómo los brotes obtienen energía para germinar y crecer a través

de la respiración celular. En esta investigación, los alumnos analizan la relación entre

la respiración y la producción de dióxido de carbono;

la respiración y los requisitos energéticos de las células;

la temperatura y la respiración.


Los alumnos utilizan un sensor de dióxido de carbono con un frasco de muestreo para medir y

comparar la producción de dióxido de carbono de

las semillas no germinantes;

los brotes a temperatura ambiente;

los brotes a una temperatura cercana a los 0 °C.


Tiempo de preparación 24 horas antes del trabajo de laboratorio: 10

minutos

Día del trabajo de laboratorio: 15 minutos





Sistema de recolección de datos Frijoles secos, 25 mL

Sensor de dióxido de carbono Frijoles húmedos, temperatura ambiente, 25 mL

Cable de extensión del sensor Frijoles húmedos, fríos, 25 mL

Frasco de muestreo1 Hielo

Vaso de precipitado o taza de 250 mL para baño de El agua

agua helada

1 Se incluye con el sensor de gas.


32 PS-2947



El proceso general (reactivos y productos) de respiración celular

La respiración celular es necesaria para suministrar energía a las células, en forma de ATP, ya

que la energía almacenada en los alimentos no se encuentra inmediatamente disponible para

la actividad celular. La respiración produce ATP.

Las enzimas desempeñan un papel fundamental en las vías bioquímicas, como por ejemplo, la

respiración celular. La actividad enzimática depende de la temperatura.

Antecedentes

La germinación se produce cuando una semilla latente comienza a brotar y crecer para

transformarse en una plántula. Algunos pasos del proceso de germinación incluyen:

El tegumento se ablanda y permite la absorción del agua.

La semilla se infla y el tegumento se quiebra y se abre, lo cual permite que el oxígeno esté

disponible para las células.

Las enzimas descomponen el almidón almacenado dentro de la semilla en moléculas de glucosa

que se trasladan a las células.

La respiración celular comienza cuando las moléculas de glucosa reaccionan con el oxígeno y

suministran energía a las células para el crecimiento y desarrollo de la semilla.

La respiración celular convierte a la glucosa (C6H12O6) y al oxígeno (O2) en dióxido de carbono

(CO2) y agua (H2O) y libera energía. La ecuación para la respiración celular, en donde "energía"

se refiere al ATP y al calor, es:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energía

Debido a que el dióxido de carbono es un producto de la reacción, el dióxido de carbono puede

medirse para determinar la tasa de respiración celular.


Fomente la participación de los alumnos en un debate sobre los cambios que se producen en las

semillas al regarlas y durante la germinación.

Consejo para el docente: Si el tiempo lo permite, pídales a los alumnos que coloquen los frijoles

secos en un recipiente con agua y los observen durante dos o más días. Esto hará que el proceso

de germinación sea más concreto para ellos.


33

Pídales a los alumnos que observen las diferencias entre los frijoles secos y los frijoles húmedos que

han sumergido en agua y están germinando. (Pueden ser los frijoles que sumergieron ellos mismos en

agua o los que usted preparó para esta investigación).

1. ¿Qué cambios experimenta una semilla durante la germinación?

Las semillas secas son duras, mientras que los brotes son blandos. Al sumergirlas en agua, las semillas se

ablandan y se inflan. Finalmente, el tegumento se rompe y surge una plántula (el término técnico es "radícula").

2. Las semillas latentes secas, ¿son semillas muertas? Explique su razonamiento.

Las semillas secas no están muertas, solo inactivas. Los alumnos deben poder llegar a esta conclusión sobre la

base de la prueba de que sumergir una semilla en agua provoca que esta cambie y crezca. Una vez que algo ha

muerto, no puede "activarse" para volver a vivir.

3. Una gran parte del volumen y de la masa de una semilla está compuesta por su

reserva de alimentos. ¿Por qué piensa que una semilla necesita esta reserva de

alimentos?

Las semillas necesitan una fuente de energía para que cuando comience la germinación, una plántula pueda

obtener la energía necesaria para crecer y desarrollarse. Le toma algún tiempo a la plántula desarrollar hojas

que puedan realizar fotosíntesis. Mientras tanto, necesita alimentarse.

4. ¿Qué proceso celular descompone los alimentos y libera energía?

La respiración celular

5. ¿Por qué mediremos el dióxido de carbono en esta investigación?

Debido a que la respiración celular produce dióxido de carbono, la tasa de producción de dióxido de carbono

nos indicará la tasa de respiración.



1. Al menos veinticuatro horas antes, coloque una bolsa de frijoles secos en un vaso de

precipitado grande. Cubra los frijoles con agua. Coloque el vaso de precipitado en un lugar

oscuro durante 1 o 2 días.

2. Asegúrese de que el sistema de recolección de datos tenga su carga completa. (Esto es

importante si no podrá utilizar un adaptador de corriente mientras recolecte los datos).

Nota: El sensor de dióxido de carbono requiere más energía que otros sensores a fin de recolectar mediciones

precisas. Un sistema de recolección de datos con carga completa puede recolectar datos durante treinta

minutos.

3. Drene toda el agua presente en el recipiente que contiene los frijoles. Al menos treinta

minutos antes de que lleguen los alumnos, coloque la mitad de los frijoles germinantes en un

vaso de precipitado limpio. Cubra los frijoles con agua helada.

Consejo para el docente: Cuanto más frío sea el baño helado, mejor. Siga incorporando hielo para

mantener frías las semillas durante toda la clase o a lo largo del día.


34 PS-2947

4. Prepare una estación con hielo y tazas o vasos de precipitado pequeños. Durante la

investigación, los alumnos utilizarán un baño helado para mantener frías las semillas.

5. Prepare estaciones en las que los alumnos puedan obtener cada tipo de semilla que necesiten:

semillas secas, brotes a temperatura ambiente y brotes fríos.

Consejo para el docente: Las semillas pueden estar húmedas al colocarlas en el frasco de muestreo

para la investigación. Sin embargo, NO debe haber excedentes de agua en el frasco. En los

procedimientos se indica un volumen a modo de guía para la cantidad de frijoles que debe colocar

en el frasco. El volumen NO indica un volumen líquido.

Seguridad









Parte 1: Semillas latentes secas

Preparación

Nota: Agitar o golpear el sensor de CO2 puede provocar una recolección de datos errónea. Mantenga quieto el

frasco de muestreo y el sensor durante la recolección de datos. Asimismo, asegúrese de que el extremo del

sensor de gas no entre en contacto con el agua.

Mida los niveles

de CO2 para las

semillas latentes

durante

3 minutos. Repita

para los brotes

tibios y fríos.

3

Compare los

resultados con

sus predicciones.

Limpie todos los

equipos y guarde

los materiales.

5

Prepare su

sistema de

recolección de

datos para medir

el CO2.

2

Analice sus datos

para determinar

la tasa de

producción de

CO2 y compare

las tasas para las

diferentes

condiciones.

4

Reúna todos los

materiales y el

equipo

necesarios para

llevar a cabo la

actividad, incluida

la preparación de

un baño simple

de agua helada.

1


35

1. Coloque un puñado de frijoles germinantes fríos en una taza o vaso de precipitado

pequeño. Cubra los frijoles con agua y agregue hielo para crear un baño de agua helada.

Déjelos reposar para utilizarlos en la Parte 3 de la investigación.


3. Conecte el sensor de dióxido de carbono al sistema de recolección de datos

mediante el cable de extensión.


5. Confeccione una pantalla gráfica de comparación de la Concentración de

dióxido de carbono (ppm) frente al Tiempo (s).

6. Coloque 25 mL de semillas secas en un frasco de muestreo vacío. (El volumen

es aproximado; utilice la línea de 25 mL que se encuentra en uno de los lados

del frasco de muestreo como guía).

7. Prediga lo que le sucederá a la cantidad de dióxido de carbono presente en el

frasco de muestreo que contiene semillas latentes. Explique su predicción.

Las respuestas variarán. Sobre la base del debate previo al laboratorio, los alumnos pueden

predecir correctamente que las semillas no están creciendo, por lo cual no utilizarán su fuente de alimentos. Por

lo tanto, se realizará muy poca (o ninguna) respiración celular y el nivel de dióxido de carbono deberá

permanecer estable.

Recolecte los Datos

8. Empuje suavemente el tapón del sensor de dióxido de carbono dentro del frasco de

muestreo.

Nota: No permita que el frasco de muestreo y el sensor se caigan durante el experimento.


datos.

10. Después de 3 minutos (180 segundos), comience con la recolección de datos.

11. Asigne el nombre "Semillas latentes" a la serie de datos.

12. Retire el sensor de dióxido de carbono del frasco de muestreo.

13. Retire las semillas secas del frasco de muestreo. Deséchelas conforme a las indicaciones

del docente.

14. Llene el frasco de muestreo vacío con agua y luego tire el agua. (Esto eliminará el

excedente de dióxido de carbono del frasco).


36 PS-2947

Parte 2: Brotes a temperatura ambiente

Preparación

15. Prediga lo que le sucederá a la cantidad de dióxido de carbono presente en el frasco de

muestreo que contiene brotes a temperatura ambiente. Explique su predicción.

Las respuestas variarán. Sobre la base del debate previo al laboratorio, los alumnos pueden predecir

correctamente que debido a que el brote está creciendo, realizará la respiración celular al consumir su fuente de

alimentos. Por lo tanto, debe aumentar la cantidad de dióxido de carbono en el frasco.

16. Coloque 25 mL de semillas a temperatura ambiente en un frasco de muestreo vacío. (El

volumen es aproximado; utilice la línea de 25 mL que se encuentra en uno de los lados

del frasco de muestreo como guía).

Recolecte los Datos


muestreo.


18. Espere 10 segundos y luego comience con la recolección de datos. Ajuste la escala del

gráfico para mostrar todos los datos.


20. Asigne el nombre "Brotes" a la serie de datos.


22. Retire los brotes del frasco de muestreo. Deséchelos conforme a las indicaciones del

docente.

23. Llene el frasco de muestreo vacío con agua y luego tire el agua. (Esto eliminará el

excedente de dióxido de carbono del frasco).

Parte 3: Brotes fríos

Preparación

24. Prediga lo que le sucederá a la cantidad de dióxido de carbono presente en el frasco de

muestreo que contiene brotes fríos. Explique su predicción.

Las respuestas variarán. Con base en la experiencia anterior, los alumnos pueden predecir correctamente que

las temperaturas más bajas retrasan las reacciones químicas, por lo cual las semillas realizarán la respiración

celular a menor velocidad. Por lo tanto, debería haber un aumento paulatino en la cantidad de dióxido de

carbono presente en el frasco.


37

25. Retire y pase los 25 mL de brotes fríos del baño de agua helada al frasco de muestreo

vacío. (El volumen es aproximado; utilice la línea de 25 mL que se encuentra en uno de

los lados del frasco de muestreo como guía).

Recolecte los Datos


muestreo.


27. Espere 10 segundos y luego comience con la recolección de datos. Ajuste la escala del

gráfico para mostrar todos los datos.


29. Asigne el nombre "Brotes fríos" a la serie de datos.

30. Guarde su experimento.


32. Retire los brotes fríos del frasco de muestreo. Deséchelos conforme a las indicaciones del

docente.

33. Llene el frasco de muestreo vacío con agua y luego tire el agua.

34. Limpie su lugar de trabajo y guarde el equipo y los materiales conforme a las

indicaciones del docente.

Análisis de Datos

1. Utilice las herramientas disponibles en el sistema de recolección de datos para hallar los

valores de la concentración inicial y final de CO2 (ppm). Registre estos en la Tabla 1.

Luego, calcule el cambio en las concentraciones de CO2.


38 PS-2947

2. Divida la Concentración de CO2 (en ppm) por el Tiempo (en segundos) para calcular la

tasa de cambio para cada serie de datos, o utilice las herramientas para graficar de su

sistema de recolección de datos para calcular la pendiente de la recta. Registre estos

valores en la Tabla 1.

Tabla 1: Comparación de la tasa de producción de dióxido de carbono en los brotes y en las semillas no

germinantes

Muestra Concentración

inicial de CO2

(ppm)

Concentración

final de CO2

(ppm)

Cambio en la

concentración

de CO2 1 (ppm)

Tiempo

(s)

Tasa de

producción

de CO2

(ppm/s)

Semillas

latentes secas 490 492 2

180 0,01

Brotes a

temperatura

ambiente 564 1108 544 180 3,02

Brotes fríos 418 780 362 180 2,01

1El sensor es preciso a ±40 ppm. Los cambios que se produzcan dentro de este rango son insignificantes.

3. Realice un gráfico con los datos de la Concentración de CO2 (en ppm) frente al Tiempo.

Asigne una etiqueta al gráfico en general y a los ejes X e Y. Asigne una etiqueta con las

unidades que correspondan a cada eje.


39


1. ¿Cómo se compara la tasa de producción de CO2 de los brotes con la tasa de

producción de CO2 de las semillas latentes secas?

En este ejemplo, la tasa de producción de gas de los brotes fue de 3,02 ppm/s frente a casi ningún cambio para

las semillas no germinantes.

2. ¿Cómo se compara la tasa de producción de CO2 de los brotes fríos con la tasa de

producción de CO2 de los brotes a temperatura ambiente?

En este ejemplo, la tasa de producción de gas de los brotes fríos fue significativamente menor a la tasa de los

brotes a temperatura ambiente.

3. Teniendo en cuenta las diferencias visuales entre las semillas no germinantes y los

brotes, ¿qué diferencias tendrían estos tipos de semillas en cuanto a sus requisitos

energéticos? Explique.

Las semillas latentes tienen muy poca actividad celular. No crecen, por lo cual no necesitan mucha energía

(ATP). Los brotes crecen y se desarrollan, por lo cual necesitan una gran cantidad de energía (ATP) para estas

actividades.

4. Utilice su conocimiento de los requisitos energéticos y la respiración celular para

explicar la diferencia en las tasas de producción de CO2 entre las semillas no

germinantes y los brotes.

Las semillas latentes no crecen y necesitan muy poco ATP, por lo cual tienen una tasa muy baja de respiración

y no producen una cantidad perceptible de dióxido de carbono. Los brotes crecen y necesitan ATP. Por lo tanto,

realizan la respiración celular y producen CO2.

5. Utilice su conocimiento de las enzimas y la respiración celular para explicar la

diferencia en las tasas de producción de CO2 entre los brotes a temperatura ambiente

y los brotes fríos.

A bajas temperaturas, las reacciones químicas de las que participan las enzimas se producen más lentamente

debido a una actividad enzimática reducida. La respiración celular consiste en muchas reacciones dentro de la

glucólisis, el ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones. Estas reacciones dependen de las enzimas.

Si las reacciones de las vías de respiración celular se producen de forma más lenta, se produce menos CO2 por

segundo.

6. Puede haber un pequeño cambio en la cantidad de CO2 presente en el frasco de

muestreo que contiene semillas latentes. ¿Este cambio es significativo? Explique.

El cambio no es significativo. Se espera que las concentraciones de CO2 oscilen en un envase cerrado. En

contraste con las diferencias obtenidas con los brotes a temperatura ambiente y los brotes fríos, el cambio para

las semillas latentes se debe a una oscilación en la muestra, no a la tasa de respiración.


40 PS-2947



1. En el Día 1 de un experimento de 3 días, se colocan 50 semillas secas en un frasco

de muestreo y se agrega una pequeña cantidad de agua al frasco. Se utiliza un sensor

de dióxido de carbono para sellar el frasco y registrar los niveles de dióxido de

carbono cada 1 hora durante tres días. Prediga lo que le sucederá al nivel de dióxido

de carbono durante los 3 días y bosqueje un gráfico para reflejar su predicción.

Explique su gráfico.

Los alumnos deben dibujar un gráfico que muestre una recta con una pendiente positiva; los niveles de dióxido

de carbono aumentarán en el frasco durante los tres días. Los alumnos deben explicar que las semillas

comenzarán a germinar y, a medida que comiencen a utilizar su fuente de alimentos, realizarán la respiración, lo

cual producirá CO2. Los alumnos pueden (de forma opcional) mostrar un cambio en la pendiente (tasa) durante

los 3 días. Si lo hacen, se esperaría que la tasa de producción de gas sea menor el Día 1 en comparación con el

Día 3.

2. El nivel de pH de los suelos puede variar significativamente. Algunos suelos son

ácidos, algunos son neutrales y algunos son alcalinos (básicos). Describa un

experimento que pueda realizar para probar si el pH del agua afecta la tasa de

producción de dióxido de carbono de los brotes.

Los alumnos deben describir un experimento en el que sumerjan semillas (del mismo tipo, como por ejemplo,

frijoles negros) en soluciones acuosas de diferente pH. Los alumnos deben indicar que cambiarían solo el pH (la

variable independiente) y que dejarían las demás variables constantes (tales como la cantidad de frijoles y el

tiempo que están en remojo).

3. ¿Qué otros factores podrían afectar la tasa de producción de dióxido de carbono de

los brotes?

Otros factores que podrían afectar la tasa de producción de CO2 de los brotes incluyen el tamaño y el tipo de las

semillas, la cantidad de días que están sumergidas en agua y la edad de las semillas. (Consulte el apartado

Otras sugerencias de investigación).



incompletos.

1. ¿Cuál de las siguientes descripciones es la que mejor se aplica a la respiración

celular?

A. Digestión de moléculas alimenticias complejas en moléculas más pequeñas.

B. Liberación de energía de azúcares simples para fabricar ATP.

C. Conversión de azúcares simples en azúcares complejos.

D. Síntesis de azúcares del dióxido de carbono.


41

2. ¿Cuál de los siguientes enunciados es correcto?

A. A medida que las semillas germinan, utilizan el dióxido de carbono rápidamente.

B. Las semillas latentes están muertas.

C. Las bajas temperaturas disminuyen la actividad enzimática que se lleva a

cabo en las vías de la respiración celular.

D. Los brotes fríos se convierten en latentes y no realizan respiración celular.

3. En las células, ¿la energía almacenada en la glucosa se utiliza para fabricar qué

compuesto rico en energía?

A. Agua

B. ATP

C. ADP

D. AND

4. Según el siguiente gráfico, ¿la tasa de producción de CO2 alcanzó su pico máximo

en qué momento?

A. Entre los 10 y los 20 segundos

B. Entre los 180 y los 240 segundos

C. Entre los 300 y los 600 segundos

D. Entre los 1200 y los 1800 segundos


42 PS-2947



palabra clave.

1. El proceso por el cual las células obtienen energía de la glucosa se llama respiración.

Durante este proceso, las células descomponen moléculas alimenticias simples y liberan la

energía almacenada en ellas. La tasa de respiración celular puede determinarse mediante la tasa

de producción de dióxido de carbono, la cual se puede monitorear en un sistema cerrado.

2. Debido a que los seres vivos necesitan un suministro de energía constante, las células de

todos los seres vivos llevan a cabo la respiración de forma continua. El término "respiración"

también se utiliza para referirse a la respiración pulmonar, es decir, la acción de inhalar y

exhalar el aire de los pulmones. Para evitar confusiones, al proceso de respiración que se produce

dentro de las mitocondrias se lo llama respiración celular. Los dos tipos de respiración están

relacionados. La respiración pulmonar aporta oxígeno a los pulmones, una molécula de la cual

dependen las células para llevar a cabo la respiración celular.

3. El proceso general de respiración puede resumirse en una sencilla ecuación química. Sin

embargo, la respiración es un proceso complejo de dos etapas. La primera etapa, llamada

glucólisis, se produce en el citoplasma de las células del organismo. Allí, las moléculas de

glucosa se descomponen en moléculas más pequeñas. El oxígeno no participa en esta etapa de la

respiración, y solo se libera una pequeña cantidad de energía. La segunda etapa de la

respiración se realiza en las mitocondrias. Allí, las pequeñas moléculas orgánicas se

descomponen en moléculas inorgánicas de estructura incluso más sencilla. Estas reacciones

químicas requieren oxígeno y se libera una gran cantidad de energía, lo cual produce una gran

cantidad de ATP. Otros dos productos de la respiración son el dióxido de carbono y el agua.


43


Recolecte los datos de la tasa de producción de CO2 de las semillas latentes, los brotes a

temperatura ambiente y los brotes fríos de todos los grupos de la clase. Calcule el valor y el rango

promedio para cada condición. Lleve a cabo un debate sobre las posibles causas de la variación en

los datos.

Continúe con la recolección de datos sobre el CO2 y la observación visual de las semillas durante

1 o 2 días más. Después de observar las semillas cada día, agregue agua fresca. Compare la

apariencia de las semillas y las tasas de producción de CO2 en cada día de observación.

Repita la actividad con diferentes tipos de frijoles u otras semillas, como por ejemplo, semillas de

girasol.

Analice el efecto de la cantidad de días de germinación sobre la tasa de producción de dióxido de

carbono, o del pH del agua utilizada para humedecer las semillas.

Los alumnos deben ser capaces de diseñar experimentos al tomar como modelo esta

investigación. Pídales a los alumnos que piensen en los detalles de los procedimientos para

reforzar un buen diseño experimental. Diferentes alumnos pueden realizar experimentos

distintos y presentar sus resultados ante la clase para facilitar el debate.


45

Respiración Vegetal y Fotosíntesis

Objetivos

Que los alumnos comprendan la relación entre el dióxido de carbono, la respiración y la

fotosíntesis en las plantas. Durante esta investigación, los alumnos determinan:

El cambio en la concentración de dióxido de carbono en un sistema cerrado mientras una

planta realiza la fotosíntesis.

El cambio en la concentración de dióxido de carbono en un sistema cerrado mientras una

planta realiza la respiración celular.



Utilizar un sensor de dióxido de carbono para monitorear la concentración de dióxido de

carbono mientras una planta realiza la fotosíntesis.

Monitorear el cambio en la concentración de dióxido de carbono mientras una planta realiza la

respiración celular.

Relacionar los cambios en la concentración de dióxido de carbono bajo cada una de las

condiciones con las actividades de fotosíntesis y respiración celular.







Sistema de recolección de datos Lámpara de 100 W (o equivalente), fluorescente

Sensor de dióxido de carbono o con bombilla halógena, de un tamaño adecuado

Cable de extensión del sensor1 para un casquillo estándar

Frasco de muestreo1 1 o 2 hojas de espinaca fresca2

Papel de aluminio (30 cm de largo, del expendedor)

1 Se incluye con el sensor de dióxido de carbono.

2 Consulte el apartado sobre Preparación del laboratorio para obtener más información.


46 PS-2947



Las plantas capturan la luz solar a fin de obtener la energía necesaria para producir su propio

alimento.

La fotosíntesis utiliza la energía de la luz para convertir el agua y el dióxido de carbono en

glucosa y oxígeno.

La respiración celular suministra energía utilizable para la célula en forma de ATP.

El agua y el dióxido de carbono son productos de la respiración celular.

Antecedentes

El dióxido de carbono es un reactivo en el proceso de fotosíntesis y un producto de la respiración

celular. Las plantas toman el dióxido de carbono de la atmósfera y lo utilizan como fuente de

carbono para los azúcares que fabrican, como por ejemplo, la glucosa (C6H12O6). La luz solar

que captura la planta durante la fotosíntesis se almacena como posible energía química dentro de

las moléculas de glucosa (y otros compuestos orgánicos) que fabrica la planta. Si bien la

fotosíntesis consiste en varias vías bioquímicas dentro de los cloroplastos, puede emplearse una

ecuación química para resumir el proceso general:

6CO2 + 6H2O + energía de la luz → C6H12O6 + 6O2

Todos los organismos utilizan moléculas alimentarias, como la glucosa, para producir trifosfato

de adenosina (ATP). El ATP, que se genera durante la respiración celular, les brinda a las células

la energía necesaria para llevar a cabo sus actividades. Algunos organismos son autótrofos, como

las plantas, y fabrican su propio alimento; otros son heterótrofos y consumen otros organismos

como alimento. En cualquiera de los dos casos, para liberar la energía almacenada dentro de las

moléculas alimentarias, el organismo realiza la respiración. La respiración celular se produce

dentro de las mitocondrias y, al igual que la fotosíntesis, el proceso consiste en múltiples vías

bioquímicas. El proceso general se resume de la siguiente forma:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + ATP

La fotosíntesis y la respiración celular son componentes importantes del ciclo del carbono. Como

resultado de estos procesos, el carbono se intercambia entre los seres vivos y el ambiente que los

rodea.


Si el tiempo lo permite, prepare la primera demostración para los alumnos unos días antes de comenzar

esta investigación. Si no va a realizar esta demostración, pase a la siguiente parte de este apartado.

El efecto de una planta sobre el dióxido de carbono disuelto en agua

Lleve a cabo los siguientes pasos frente a los alumnos.

a. Llene con agua la mitad de un tubo de ensayo. Agregue suficiente azul de bromotimol (BTB) al

agua para que tome un color azul oscuro.


47

b. Sople por una pajilla para generar burbujas dentro del tubo de ensayo hasta que la solución

adquiera un color amarillo brillante. Coloque un tapón de goma en el tubo de ensayo. Este es el control.

c. Llene con agua la mitad de un segundo tubo de ensayo y repita los pasos "a" y "b".

d. Coloque una pieza de 5 cm de Elodea en el segundo tubo de ensayo. Selle el tubo de ensayo con

un tapón de goma.

e. Coloque ambos tubos de ensayo cerca de una ventana o bajo una luz directa durante uno o dos

días. Pídales a los alumnos que observen los cambios de color que se producen.

Explíqueles a los alumnos que Joseph Priestly (1733–1804) ideó la hipótesis de que las plantas purifican

el aire. Priestly pensaba que el aire se contaminaba debido a la exhalación de los animales y que las

plantas podían "repararlo". Llevó a cabo una serie de experimentos para probar esta hipótesis.

1. ¿Qué contiene el aliento de una persona que provoca que el azul de bromotimol

(BTB) cambie de color azul a amarillo?

Las personas exhalan dióxido de carbono. Cuando el dióxido de carbono se disuelve en el agua, provoca que el

BTB adopte un color amarillo.

2. ¿De qué color está el agua del tubo de ensayo de control después de dos días? ¿Por

qué tiene este color?

El agua del tubo de ensayo de control está amarilla después de dos días. El dióxido de carbono disuelto en el

agua permanece en ella. El tubo se selló y el gas no pudo escapar.

3. ¿De qué color está el agua del tubo de ensayo que contiene Elodea después de dos

días? ¿Por qué tiene este color?

El agua del tubo de ensayo que contiene Elodea adquirió un color azul (o puede verse como azul verdoso). La

planta le quitó el dióxido de carbono al agua y le devolvió el color que tenía inicialmente antes de que la persona

respirara en ella.

Fotosíntesis, respiración y estructura celular

Muéstreles a los alumnos algunas hojas de espinaca fresca a fin de comenzar un debate abierto para

evocar el conocimiento previo de los alumnos.

4. ¿Qué sabe sobre las hojas?

Las respuestas variarán. Los alumnos pueden referirse al color de las hojas y decir que son verdes debido a la

clorofila. Es probable que los alumnos digan que las hojas son el lugar donde se produce la fotosíntesis, el

proceso que las plantas utilizan para fabricar alimentos.

Muéstreles a los alumnos un diagrama de las células que componen una hoja. Este podría ser una

imagen de un corte transversal de una hoja. Luego, muéstreles a los alumnos un diagrama de una sola

célula vegetal generalizada.

5. ¿Qué estructuras u organelas de la célula vegetal puede identificar?

Las respuestas variarán. Es probable que los alumnos identifiquen la pared celular, la membrana celular y el

núcleo. También pueden identificar los cloroplastos y la vacuola. Algunos alumnos quizá recuerden el retículo

endoplasmático u otras organelas.


48 PS-2947

6. ¿Qué organela es responsable de la fotosíntesis?

La fotosíntesis se lleva a cabo en los cloroplastos.

7. La fotosíntesis convierte la energía de la luz en posible energía química en la

glucosa. ¿Alguna otra organela de la célula tiene una función que incluya la

conversión de energía?

Las mitocondrias son el lugar donde se produce la respiración celular, en la cual el oxígeno se combina con la

glucosa para producir ATP, fuente principal fuente de energía para la célula.

Muéstreles a los alumnos el sensor de dióxido de carbono. Explíqueles que utilizarán este sensor y una

hoja de espinaca para investigar el efecto de una planta sobre los niveles de dióxido de carbono en un

sistema cerrado.

8. ¿El dióxido de carbono participa en la fotosíntesis? Explique su respuesta.

Sí; el dióxido de carbono es un reactivo en la fotosíntesis. Le suministra a la planta los átomos de carbono

necesarios para fabricar moléculas de azúcar. Esto se relaciona con la primera demostración, en la cual se

utilizó Elodea y azul de bromotimol (BTB). Los alumnos pueden relacionar el cambio de color del agua (de

amarillo a azul) con la absorción de dióxido de carbono por parte de la planta durante la fotosíntesis.

9. ¿El dióxido de carbono participa en la respiración celular? Explique su respuesta.

Sí; cuando el azúcar se descompone para liberar energía, el carbono almacenado en el azúcar se libera y se

utiliza en forma de moléculas de dióxido de carbono. El CO2 es un producto de la respiración. Esto se relaciona

con la primera demostración, en la cual una persona respira en un tubo de ensayo con agua y BTB y el color

cambia (de azul a amarillo) mientras se agrega dióxido de carbono al agua. El dióxido de carbono que exhala la

persona es un producto de la respiración celular.



1. Obtenga hojas de espinaca fresca, como las que se encuentran en la sección de venta a granel

de productos perecederos de una tienda. Si las hojas tienen tallos largos, retírelos para poder

meter las hojas en el frasco de muestreo de forma que queden tendidas y extendidas.

2. Adquiera bombillas fluorescentes o halógenas de 100 watts que pueda colocar en un casquillo

estándar. NO utilice una bombilla incandescente. Necesitará tener una lámpara por cada

grupo de alumnos.

3. Corte una pieza de 30 cm de papel de aluminio del expendedor para cada grupo de alumnos.

4. Si no es posible utilizar el adaptador de corriente del sistema de recolección de datos al

realizar el experimento, asegúrese de que el sistema esté completamente cargado.

Nota: El sensor de dióxido de carbono requiere más energía que otros sensores. Un sistema de recolección de

datos con carga completa puede recolectar datos durante aproximadamente 30 minutos.

Seguridad



49








Preparación

Nota: Durante la recolección de datos, evite golpear el equipo. Agitar o golpear el sensor de dióxido de carbono

puede provocar una recolección de datos errónea.


2. Conecte el sensor de dióxido de carbono a su sistema de recolección de datos mediante el

cable de extensión del sensor.


4. Confeccione una pantalla de comparación de dióxido de carbono (ppm) frente al

tiempo (s).

5. Tome una o dos hojas secas de espinaca fresca.

6. Coloque el frasco de muestreo sobre uno de sus

lados y coloque la hoja de forma tal que quede

tendida dentro del frasco. (Si utiliza dos hojas

pequeñas, no las superponga).

Nota: Utilice el extremo romo de un lápiz o bolígrafo para

empujar la hoja hasta la posición adecuada en el frasco.

Recolecte datos

sobre el CO2 en la

oscuridad, al

envolver el frasco

de muestreo con

papel de aluminio.

3

Conecte el sensor

de CO2 al frasco de

muestreo y mida la

concentración de

CO2 bajo luz

directa.

2

Retire las hojas de espinaca del frasco de muestreo y deséchelas.

4

Agregue una o dos

hojas de espinaca a

un frasco de

muestreo.

1

Finalmente, utilice

las herramientas de

análisis para

determinar el

cambio en la

concentración de

CO2 en el frasco de

muestreo.

5


50 PS-2947

7. ¿Por qué piensa que es importante que la hoja quede tendida y que el frasco se encuentre

de lado durante la recolección de datos?

Si la hoja está tendida y el frasco de lado, se maximiza el área de la superficie de la hoja que queda expuesta a

la luz para lograr una fotosíntesis óptima.

8. Coloque el sensor de dióxido de carbono en el frasco de muestreo para que el tapón de

goma genere un cierre hermético.

Recolecte los Datos

Parte 1: Bajo la luz

9. Obtenga una pieza de 30 cm de largo de papel de aluminio y coloque el frasco de

muestreo sobre uno de sus lados, encima del papel de aluminio.

10. Coloque la fuente luminosa directamente a 15 cm por sobre el frasco de muestreo.

11. ¿Qué piensa que le sucederá al nivel de dióxido de carbono en el frasco mientras la planta

está expuesta a la luz intensa? Explique su respuesta.

Las respuestas pueden variar. La mayoría de los alumnos predecirán que el nivel de CO2 disminuirá con el

tiempo debido a que las plantas utilizan este gas durante la fotosíntesis.

12. Encienda la fuente luminosa.


datos.


15. Asigne el nombre "Luz" a la serie de datos.

Parte 2: En la oscuridad

16. Con el frasco de muestreo tumbado sobre un lado, envuélvalo con el papel de aluminio y

cubra todos los lados para evitar que la luz ingrese en él.

17. ¿Qué piensa que le sucederá al nivel de dióxido de carbono en el frasco mientras la planta

está en la oscuridad? Explique su respuesta.

Las respuestas pueden variar. Los alumnos pueden predecir que el nivel de CO2 permanecerá estable debido a

que la planta no está realizando la fotosíntesis. Algunos pueden predecir que disminuirá debido a que la planta

está realizando la respiración celular.

18. Mantenga la fuente luminosa encendida.


datos.


51


21. Asigne el nombre "Oscuridad" a la serie de datos.


23. Limpie su espacio de trabajo y guarde el equipo y los materiales.

Análisis de Datos

1. Realice un gráfico con los datos de la Concentración de CO2 (ppm) frente al Tiempo (s).

Asigne una etiqueta al gráfico general y a cada eje. Indique las unidades que

correspondan en cada eje. Asigne una etiqueta a cada línea.

2. Mediante las herramientas disponibles en su sistema de recolección de datos, determine

el cambio en la concentración de CO2 en el frasco de muestreo durante los 8 minutos que

la planta estuvo expuesta a luz intensa y los 8 minutos que estuvo en la oscuridad.

Registre los cambios en la Tabla 1.

Nota: Al completar la Tabla 1, utilice un signo más (+) para indicar un cambio positivo y un signo

menos (–) para indicar un cambio negativo.


52 PS-2947

Tabla 1: Los cambios en la concentración de CO2 debido a la fotosíntesis y a la respiración celular

Condición de la

luz

Cambio en la concentración de

CO2 (ppm)

Luz –253

Oscuridad +142


1. ¿Qué le sucede a la concentración de dióxido de carbono cuando la hoja de

espinaca está expuesta a luz intensa? ¿Por qué sucede esto?

Mientras la luz se enfoca en la hoja, el proceso de fotosíntesis elimina el dióxido de carbono del aire en el frasco

de muestreo. (Si bien también se produce la respiración, la luz directa permite llevar a cabo una gran cantidad

de fotosíntesis, de forma tal que la absorción de dióxido de carbono debido a la fotosíntesis es mayor que la

producción de dióxido de carbono debido a la respiración).

2. ¿Qué le sucede a la concentración de dióxido de carbono cuando la hoja de

espinaca está en la oscuridad? ¿Por qué sucede esto?

El nivel de dióxido de carbono aumenta de forma equilibrada mientras la hoja está en la oscuridad. Las

mitocondrias de la planta producen dióxido de carbono como un producto derivado de la respiración celular (que

utiliza glucosa para fabricar ATP). Debido a que la planta no realiza fotosíntesis en la oscuridad, puede

detectarse la respiración que lleva a cabo la hoja.



1. Las plantas desempeñan un papel importante en el ciclo del carbono. ¿Qué

significa el término "ciclo del carbono"?

Los elementos tales como el carbono se mueven entre los componentes bióticos y abióticos de un ecosistema.

Los átomos de carbono pueden almacenarse durante un corto o largo plazo en los seres vivos, en el océano,

dentro de las rocas o en otras entidades. Las acciones de los seres vivos y los procesos físicos provocan que

los átomos de carbono se muevan de un lugar a otro. El ciclo del carbono incluye la conversión de CO2 en

carbohidratos como resultado de la fotosíntesis y la liberación de CO2 a la atmósfera debido a la

descomposición de los carbohidratos durante la respiración celular.


53

2. Dibuje un diagrama para ilustrar la forma en que las plantas y los animales

desempeñan un papel en el ciclo del carbono.

Los alumnos pueden dibujar un diagrama de flujo del ciclo del carbono parecido al siguiente (o similar al que se

muestra en su libro de texto):

3. Las células vegetales contienen cloroplastos y mitocondrias. Explique por qué una

célula vegetal debe contar con estas dos organelas para sobrevivir.

Los cloroplastos son el lugar donde se lleva a cabo la fotosíntesis y donde se fabrica el alimento (azúcares) para

la célula. Las mitocondrias son necesarias para que la planta pueda extraer la energía de los azúcares a fin de

fabricar ATP, la forma utilizable de energía para una célula.

4. El oxígeno es otro gas que se relaciona con la fotosíntesis. Si debiera repetir esta

investigación con un sensor de oxígeno, ¿esperaría obtener los mismos resultados?

Explique su respuesta.

Si se midiera el oxígeno, habría un aumento en su concentración cuando la hoja está bajo la luz, ya que la

fotosíntesis produce oxígeno. En la oscuridad, la concentración de oxígeno disminuiría, ya que la planta utiliza

oxígeno para la respiración.



incompletos.

1. ¿Cuál de los siguientes elementos se requiere para que se produzca la fotosíntesis?

A. Luz

B. Cloroplastos

C. CO2

D. Todos los anteriores

energía solar

CO2 de la combustión

CO2 de la respiración

CO2 de la descomposición

Fotosíntesis

Glucosa (C6H12O6)

Organismos del suelo

CO2 de la respiración


54 PS-2947

2. La respiración celular provocará que los niveles de dióxido de carbono en un

frasco de muestreo:

A. Aumenten

B. Disminuyan

C. Permanezcan estables

D. Oscilen de forma impredecible

3. Si la luz se mueve de 15 cm a 50 cm por sobre la hoja, ¿qué sucederá?

A. El nivel de dióxido de carbono aumentará con mayor velocidad

B. El nivel de dióxido de carbono disminuirá con mayor velocidad

C. El nivel de dióxido de carbono aumentará con menor velocidad

D. El nivel de dióxido de carbono disminuirá con menor velocidad

4. ¿Qué se muestra en el gráfico que compara la concentración de CO2 frente al

tiempo para una planta en un sistema cerrado?

A. Solo la respiración y luego la

fotosíntesis

B. La fotosíntesis y luego la respiración

C. Solo las reacciones que dependen de la

luz

D. Solo las reacciones que no dependen

de la luz



palabra clave.

1. Las plantas realizan la fotosíntesis y la respiración celular. Los reactivos de la fotosíntesis

son el agua y el dióxido de carbono. Los productos son la glucosa y el oxígeno. La luz

suministra la energía necesaria para convertir las moléculas inorgánicas en moléculas orgánicas

complejas. La respiración celular descompone las moléculas orgánicas complejas y libera la

energía almacenada en ellas. Los reactivos de la respiración celular son la glucosa y el oxígeno.

Los productos son el dióxido de carbono, el agua y el ATP.


55

2. En un sistema cerrado, la disminución en el nivel de dióxido de carbono es la prueba de la

fotosíntesis, mientras que el aumento es la prueba de la respiración celular. Una planta en la

oscuridad solo llevará a cabo la respiración, pero si se la expone a la luz, la planta puede

realizar tanto la respiración como la fotosíntesis. Las plantas toman el dióxido de carbono de la

atmósfera. También liberan dióxido de carbono a la atmósfera, además de oxígeno. Las plantas y

otros seres vivos desempeñan un papel en el ciclo de la materia, tales como el ciclo del

carbono.


Recolecte datos durante períodos más prolongados (varias horas) bajo las dos condiciones de luz.

Con base en los datos recolectados, analice qué podría suceder después de un período prolongado

bajo la luz y después de un período prolongado en la oscuridad.

Pídales a los alumnos que exploren la respiración vegetal y la fotosíntesis con el sensor de

oxígeno.

Pruebe factores tales como la distancia de la luz o la luz del ambiente. Utilice un filtro para

suministrar un espectro reducido de frecuencias luminosas a la planta.

Utilice flores u hojas que no sean verdes en el frasco de muestreo.

Utilice portaobjetos preparados para investigar los tejidos de una hoja y las funciones de las

células específicas, tales como las células de empalizada.


57

Ejercicio y Homeostasis

Objetivos

Los alumnos establecen la relación entre el pH de la sangre, el dióxido de carbono, el ejercicio y

la necesidad del organismo de mantener la homeostasis.


Los alumnos adquieren experiencia en la realización de los siguientes procedimientos:

Utilización de un sensor de pH para medir y comparar el cambio en el pH debido a la

incorporación de dióxido de carbono, una base y un ácido al agua.

Utilización de un sensor de dióxido de carbono para medir la concentración de dióxido de

carbono en el aire exhalado, antes y después del ejercicio.







Sistema de recolección de datos 2 bolsas de plástico de un litro con cierre

Sensor de dióxido de carbono Pajilla de plástico

Sensor de pH1 Azul de bromotimol (ATB), 5 mL

Cable de extensión del sensor2 Hidróxido de sodio (NaOH) diluido, 10 gotas

3

Vasos de precipitado (3) de 250 mL Ácido clorhídrico (HCl) diluido, 10 gotas3

Pipetas de plástico (2) de 1 mL Agua destilada, 300 mL

Probeta de 100 mL

1 La sonda de pH puede conectarse a un sensor de química, de pH o de calidad del agua.

2 Se incluye con la mayoría de los sensores de dióxido de carbono de PASCO.

3 Para formular las soluciones diluidas, consulte el apartado sobre Preparación del laboratorio.


58 PS-2947



El proceso general de respiración celular, incluidos los reactivos y productos.

Las células necesitan ATP como fuente de energía; el ATP se forma en la respiración celular.

El sistema circulatorio transporta sustancias hacia y desde las células.

El intercambio gaseoso de dióxido de carbono y oxígeno se produce en los pulmones durante la

inhalación y la exhalación.

Antecedentes

La homeostasis es la propiedad de una célula u organismo de mantener el equilibrio en su

entorno interno. Es la capacidad de responder al cambio de forma que se conserven las

condiciones internas dentro del pequeño rango que las células pueden tolerar. Algunos de los

parámetros que regula el cuerpo humano son: la temperatura corporal, el equilibrio del agua, la

volemia y el pH de la sangre. El pH de la sangre normalmente se encuentra entre 7,35 y 7,45.

Las convulsiones, el estado de coma y otras afecciones pueden ser resultado de un cambio en el

pH que supere estos valores. El sistema amortiguador de la sangre ayuda a contrarrestar los

cambios en el pH, pero aún es fundamental que el cuerpo humano elimine sustancias que pueden

modificar el pH, tales como el dióxido de carbono.

El dióxido de carbono es un producto de desecho de la respiración celular que suministra energía

a las células en forma de ATP. Los átomos de carbono de las moléculas de glucosa que participan

en la respiración celular terminan transformándose en moléculas de dióxido de carbono como

resultado de reacciones químicas en las mitocondrias. Las moléculas de dióxido de carbono se

dispersan desde las células al torrente sanguíneo. Los sistemas circulatorio y respiratorio se

coordinan para eliminar del organismo estas moléculas de desecho de dióxido de carbono. Las

funciones complementarias de estos y otros sistemas orgánicos se encargan de que los niveles de

dióxido de carbono permanezcan cercanos a los niveles óptimos y, por lo tanto, mantienen la

homeostasis.


Introduzca el concepto de homeostasis

Demuéstreles a los alumnos que los líquidos pueden tener gases disueltos en ellos. Vierta un poco de

agua carbonatada en un vaso de precipitado. Pregunte a los alumnos:

1. ¿Cómo saben que esta agua es "carbonatada"?

El agua tiene burbujas. Si la botella se hubiera abierto en ese momento, los alumnos podrían comentar que

escuchan el silbido que hace al abrirse.

2. Si algo es "carbonatado", ¿qué gas está presente en el líquido?

El dióxido de carbono es el gas presente en las bebidas carbonatadas.


PS-2947 59

Llene un vaso de precipitado con aproximadamente 200 mL de agua destilada. Agregue entre 10 y 20

gotas de ATB al agua e indíqueles a los alumnos que observen el color de la mezcla (verde). Luego,

agregue entre 10 y 20 gotas de ATB al agua carbonatada. Pregunte a los alumnos:

3. ¿Por qué el color del ATB y el agua destilada difieren del color del ATB y el agua

carbonatada?

El dióxido de carbono presente en el agua carbonatada provoca que el agua adquiera un color distinto con el

ATB en comparación con el agua destilada, la cual solo contiene moléculas de agua pero no dióxido de

carbono.

Explíqueles a los alumnos que las células de su organismo producen dióxido de carbono durante la

respiración celular. El dióxido de carbono se disuelve en la sangre, al igual que puede disolverse en

agua en una bebida carbonatada. El dióxido de carbono modifica las propiedades de la sangre. Una

analogía de este cambio en la sangre es el cambio de color que se observa cuando el dióxido de

carbono disuelto en el agua reaccionó al agregarle ATB.

Explique que el organismo trabaja para mantener la homeostasis (condiciones internas constantes).

Dígales a los alumnos que la mezcla verde de ATB y agua representa la sangre con un pH normal. Vierta

una pequeña cantidad de la mezcla amarilla de ATB y agua carbonatada en el vaso de precipitado con la

mezcla verde de ATB y agua y observe que el color verde cambia. Pregunte:

4. Si el organismo necesita mantener la homeostasis, ¿a qué color debe retornar esta

mezcla?

La mezcla debe retornar al color verde.

Muéstreles a los alumnos un vaso de precipitado con una solución que sea azul. (El vaso de precipitado

debe contener una base disuelta, como por ejemplo, 0,1 M de NaOH. Prepare el vaso de precipitado con

anticipación y agregue unas gotas de ATB para darle el color azul). Pídales a los alumnos que predigan

si la incorporación de la solución azul a la "sangre" que ahora es amarilla la regresará a su estado

normal (verde).

Agregue de a poco la solución azul a la "sangre" para que los alumnos puedan ver cómo cambia de

color amarillo a verde (brevemente) y luego a azul. Pregunte:

5. ¿La sangré volvió a su estado normal? ¿La homeostasis resultó exitosa?

No. Lo normal sería un color verde. No se ha logrado la homeostasis, ya que se agregó demasiada solución.

Agregue una parte del agua carbonatada amarilla a la "sangre". Continúe agregando pequeñas

cantidades de las soluciones amarilla o azul hasta que la "sangre" parezca estar cerca de lograr su color

verde original. Pídales a los alumnos que le digan cuando se haya logrado la homeostasis.

Analice junto a los alumnos cómo este procedimiento simula la homeostasis. Explique que el organismo

y sus componentes experimentan condiciones variables en forma constante. Si el nivel de alguna

sustancia disminuye a un nivel muy bajo o aumenta a un nivel muy alto, el organismo responde para

restaurar los niveles normales.


60 PS-2947



Consejo para el docente: No es necesario que el ácido disuelto y la base disuelta tengan una

concentración específica. Se brindan instrucciones para preparar una solución de 0,1 M, pero

cualquier concentración diluida servirá para este trabajo de laboratorio.

1. Prepare el ácido clorhídrico (HCl) diluido.

a. Mida 10 mL de 1 M de HCl y viértalos en un vaso de precipitado de 200 mL.

b. Agregue 90 mL de agua destilada para lograr un volumen total de 100 mL.

2. Prepare el hidróxido de sodio (NaOH) diluido.

a. Mida 10 mL de 1 M de NaOH y viértalos en un vaso de precipitado de 200 mL.

b. Agregue 90 mL de agua destilada para lograr un volumen total de 100 mL.

3. Prepare goteros con azul de bromotimol.

4. Compre bolsas de plástico de un litro con cierre y pajillas de plástico.

Consejo para el docente: Las bolsas con cierre funcionan mejor si con bolsas para congelador,

que son más gruesas que las bolsas para sándwiches.

5. Normalmente, no es necesario calibrar el sensor de pH para este trabajo de laboratorio.

Puede probar los sensores con anticipación para asegurarse de que le brindarán una

medición aceptable. La calibración del sensor de pH requiere una solución amortiguadora con

pH 4 y otra con pH 8.

Seguridad


laboratorio:

No comparta las pajillas ni las bolsas de plástico.

Utilice anteojos protectores al trabajar con químicos.


PS-2947 61








Parte 1: Disuelva el dióxido de carbono en agua

En el siguiente procedimiento se agrega dióxido de carbono al agua para simular la incorporación de

dióxido de carbono a la sangre y observar el cambio en el pH. Para comprender el efecto del dióxido de

carbono sobre la sangre, los resultados se compararán con los obtenidos de las distintas

incorporaciones de un ácido y una base al agua destilada.

Preparación

1. Prepare los tres vasos de precipitado necesarios para la actividad.

a. Reúna tres vasos de precipitado de 250 mL y colóqueles etiquetas con los números

"1", "2" y "3", respectivamente.

b. Agregue 100 mL de agua destilada a cada uno.

c. Agregue al menos 10 gotas de azul de bromotimol a cada vaso de precipitado.


3. Conecte el sensor de pH a su sistema de recolección de datos.

4. Si el docente así lo indica, calibre el sensor de pH.

5. Dibuje un gráfico en el que compare el pH frente al Tiempo.

Prepare otro

vaso de

precipitación con

agua, el sensor

de pH, y agregue

NaOH. Mida el

pH.

2

Exhale en una

bolsa antes y

después de

realizar ejercicio

y mida la

concentración de

CO2 de cada

una.

4

Prepare un vaso

de precipitación

con agua, un

sorbete y el

sensor de pH.

Mida el cambio

en el pH después

de exhalar aire

en el agua.

1

Relacione el

efecto del

ejercicio en la

concentración de

CO2 en la célula

y cómo afecta el

pH de la sangre.

5

Prepare un tercer

vaso de

precipitación con

agua, el sensor

de pH, y agregue

HCl. Mida el pH.

3


62 PS-2947

Recolecte los Datos

Respire en el agua destilada

6. Coloque el sensor de pH en el Vaso de precipitado 1.

Asegúrese de que la punta del sensor de pH se

encuentre completamente sumergida.

7. Después de aproximadamente 30 segundos, comience

con la recolección de datos.

8. Coloque la pajilla de plástico en el Vaso de precipitado 1

y sople para generar burbujas en la solución durante al

menos 60 segundos.

Nota: Mantenga la punta de la pajilla sumergida en el agua. Puede hacer

una pausa breve, según sea necesario, para recuperar el aire durante los 60 segundos de burbujeo.

9. Después de 60 segundos, detenga la recolección de datos y deseche la pajilla.

10. Ajuste la escala del gráfico para mostrar todos los datos.

11. Asigne el nombre "Respiración" a la serie de datos.

12. Sobre la base del gráfico, determine el pH inicial y el pH final. �(9.1) Registre estos valores

en la Tabla 1 del apartado de Análisis de datos. También registre el color final del ATB

en el vaso de precipitado.

13. Retire el sensor de pH de la solución y enjuáguelo en su totalidad con agua limpia.

Agregue una base al agua destilada

14. Coloque el sensor de pH en el Vaso de precipitado 2. Asegúrese de que la punta del

sensor de pH se encuentre completamente sumergida.

15. El hidróxido de sodio (NaOH) es una base. Prediga qué le sucederá al pH del agua

destilada al agregarle el hidróxido de sodio.

Las predicciones de los alumnos variarán. Los alumnos pueden predecir correctamente que el pH aumentará,

ya que las bases tienen un pH mayor a 7.

16. Aproximadamente 30 segundos después de colocar el sensor de pH en el Vaso de

precipitado 2, comience con la recolección de datos.

17. Lentamente, agregue 10 gotas de hidróxido de sodio (NaOH) disuelto al vaso de

precipitado.


PS-2947 63

18. Agite levemente el vaso de precipitado y espere a que la lectura del pH se estabilice.

19. Detenga la recolección de datos.


21. Asigne el nombre "NaOH" a la serie de datos.

22. Sobre la base del gráfico, determine el pH inicial y el pH final. Registre estos valores en

la Tabla 1 del apartado de Análisis de datos. También anote la sustancia agregada y

registre el color final del ATB en el vaso de precipitado.

Agregue un ácido al agua destilada

23. Coloque el sensor de pH en el Vaso de precipitado 3. Asegúrese de que la punta del


24. Prediga qué le sucederá al pH del agua destilada al agregarle el ácido clorhídrico (HCl).

Las predicciones de los alumnos variarán. Los alumnos pueden predecir correctamente que el pH disminuirá, ya

que los ácidos tienen un pH menor a 7.

25. Aproximadamente 30 segundos después de colocar el sensor de pH en el Vaso de

precipitado 3, comience con la recolección de datos.

26. Lentamente, agregue 10 gotas de ácido clorhídrico (HCl) disuelto al vaso de precipitado.

27. Agite levemente el vaso de precipitado y espere a que la lectura del pH se estabilice.



30. Asigne el nombre "HCl" a la serie de datos.

31. Sobre la base del gráfico, determine el pH inicial y el pH final. Registre estos valores en

la Tabla 1 del apartado de Análisis de datos. También anote la sustancia agregada y

registre el color final del ATB en el vaso de precipitado.

32. Desconecte el sensor de pH del sistema de recolección de datos.


64 PS-2947

Parte 2: Mida el dióxido de carbono antes y después del ejercicio

Preparación

33. Conecte el sensor de dióxido de carbono al sistema de recolección de datos mediante el

cable de extensión.


35. Genere una pantalla de dígitos que refleje la concentración de dióxido de carbono (ppm).

Recolecte los Datos

36. Tome una bolsa de plástico de un litro con cierre y ábrala solo lo suficiente como para que

una persona pueda exhalar en ella.

Nota: La misma persona debe exhalar el aire en la bolsa antes y después del ejercicio.

37. Colóquese la abertura de la bolsa sobre la boca. Inhale profundamente por la nariz y

luego exhale dentro de la bolsa para llenarla de aire. Cierre la bolsa rápidamente.

38. Abra la bolsa solo lo suficiente como para insertar la sonda del sensor de dióxido de

carbono en ella. Genere un cierre hermético con la mano entre la abertura de la bolsa y el

tapón del sensor.


40. Observe la pantalla de dígitos. Después de aproximadamente 1 minuto, cuando la lectura

se haya estabilizado, detenga la recolección de datos.

41. Registre la concentración de dióxido de carbono del aire exhalado antes del ejercicio en la

Tabla 2.

42. Deseche la bolsa de plástico usada y tome una bolsa nueva. Abra la bolsa solo lo

suficiente como para que una persona pueda exhalar en ella.

43. Prediga lo que le sucederá a la cantidad de dióxido de carbono presente en el aire

exhalado después de que una persona se haya ejercitado. Explique su predicción.

Las predicciones variarán. Los alumnos pueden predecir correctamente que la cantidad de dióxido de carbono

exhalado después del ejercicio será superior a la cantidad exhalada antes del ejercicio. Esto se debe a que la

mayor demanda de energía aumenta la respiración celular, lo cual produce más dióxido de carbono.

44. Encuentre un lugar del salón en donde pueda realizar un ejercicio sencillo, como por

ejemplo, saltos en tijera, trote en el lugar o flexiones de brazos.


PS-2947 65

45. Realice un ejercicio sencillo durante 60 segundos. Tan pronto como termine de

ejercitarse, exhale dentro de la bolsa. Cierre la bolsa rápidamente.

46. Abra la bolsa solo lo suficiente como para insertar la sonda del sensor de dióxido de

carbono en ella. Genere un cierre hermético con la mano entre la abertura de la bolsa y el

tapón del sensor.

47. Comience con la recolección de datos. Observe la pantalla de dígitos y espere

aproximadamente 1 minuto para que la lectura se estabilice.


49. Registre la concentración de dióxido de carbono del aire exhalado después del ejercicio en

la Tabla 2.

50. Compare sus resultados individuales con aquellos obtenidos por el resto de la clase.

51. ¿A qué podrían deberse las diferencias en los resultados?

Los alumnos podrían mencionar cosas tales como el sexo, el tamaño corporal o el volumen pulmonar. Podrían

destacar diferencias entre la intensidad de los ejercicios que realizaron las diferentes personas.

Análisis de Datos

1. Registre los datos de la Parte 1 de la investigación en la Tabla 1.

Tabla 1: Cambio en el pH

Vaso de

precipitado

Sustancia

agregada

pH inicial pH final Color final del

ATB

1 Respiración 7,4 6,1 Amarillo

2 Hidróxido de sodio 7,6 10,2 Azul

3 Ácido clorhídrico 7,5 4,2 Amarillo


66 PS-2947

2. Dibuje un gráfico de barras para representar la concentración de dióxido de carbono

antes y después del ejercicio. Asigne una etiqueta a cada eje según corresponda.


Tabla 2: Cambio en el dióxido de carbono del aire exhalado debido al ejercicio

Concentración de dióxido de carbono (ppm) Cambio en la

concentración de dióxido

de carbono (ppm) Antes del ejercicio Después del ejercicio

12 562 19 134 6581

Preguntas de análisis

1. ¿Qué efecto tuvo respirar en el Vaso de precipitado 1 sobre el pH del agua

destilada?

Respirar en el agua provocó que el pH de esta disminuyera.

2. ¿Qué efecto tuvo la incorporación de una base sobre el pH del agua destilada?

La base, el NaOH, provocó que el pH del agua aumentara.

3. ¿Qué efecto tuvo la incorporación de un ácido sobre el pH del agua destilada?

El ácido, el HCl, provocó que el pH del agua disminuyera.

4. De los Vasos de precipitado 1, 2 y 3, ¿cuáles dos vasos presentaron los resultados

más parecidos?

Los Vasos de precipitado 1 y 3 presentaron los resultados más parecidos.


PS-2947 67

5. Si las células del organismo liberan dióxido de carbono en la sangre, ¿el aumento

del dióxido de carbono provocará que la sangre se torne más ácida o más básica?

Explique su respuesta.

Un aumento en el dióxido de carbono provocaría que la sangre se torne más ácida. Cuando una persona

respiraba en el agua, su pH disminuía, lo cual indica que se estaba tornando más ácida. (Cuanto más ácida es

una solución, menor es su pH). Por lo tanto, cuando el dióxido de carbono produce la disminución del pH de la

sangre, provoca que esta se torne más ácida.

6. ¿Qué efecto tuvo el ejercicio sobre la concentración de dióxido de carbono en el

aire exhalado?

El ejercicio aumentó la cantidad de dióxido de carbono en el aire exhalado.

7. ¿Qué proceso celular genera dióxido de carbono como un producto de desecho?

¿Cuál es la importancia de este proceso para una célula?

La respiración celular genera dióxido de carbono como un producto de desecho. La respiración es importante

para una célula porque es el proceso que genera ATP para satisfacer las necesidades de energía de la célula.

8. Reflexione acerca de la conexión entre la energía y el ejercicio. ¿Por qué y cómo el

ejercicio afecta la cantidad de dióxido de carbono que se produce en las células del

organismo?

El ejercicio aumenta la necesidad de ATP (energía) en las células. Las células aumentan la velocidad de la

respiración celular durante el ejercicio a fin de producir más ATP. El aumento de la respiración provoca la

producción de una mayor cantidad de dióxido de carbono.



1. Utilice su conocimiento de la homeostasis y los resultados de este trabajo de

laboratorio para explicar por qué es importante que el dióxido de carbono se elimine

(exhale) del organismo.

La homeostasis significa que el entorno interno se mantiene dentro de los límites tolerables. El dióxido de

carbono disminuye el pH de la sangre. Las células fabrican CO2 de forma constante. Si no se eliminara

(exhalara), el pH de la sangre disminuiría cada vez más, y una persona podría morir si el pH se encontrara fuera

de los valores aceptables.

2. Durante el ejercicio, aumentan la frecuencia cardíaca y la respiratoria de una

persona. ¿Qué sistemas orgánicos son responsables de estos cambios? Explique

brevemente el papel que cumple cada sistema.

El sistema nervioso y el sistema respiratorio producen cambios en la frecuencia cardíaca y la respiratoria. El

sistema nervioso afecta tanto al corazón como al diafragma y provoca que los músculos se contraigan con

mayor frecuencia para suplir la necesidad de transportar sangre y gases. El sistema respiratorio trabaja para

suministrar oxígeno al organismo y eliminar el dióxido de carbono presente en el organismo.


68 PS-2947

3. El ejercicio afecta la velocidad de producción de dióxido de carbono en el

organismo de una persona. ¿Qué otro gas podría participar en los cambios fisiológicos

que se producen durante el ejercicio? Explique su respuesta.

El uso de oxígeno por parte del organismo también se ve afectado por el ejercicio. El aumento en la frecuencia

respiratoria aporta más oxígeno al organismo para utilizarlo en la respiración celular. El aumento en la

frecuencia cardíaca provoca que el oxígeno llegue rápidamente a las células mediante el torrente sanguíneo.

4. Explique por qué las moléculas de dióxido de carbono salen del torrente sanguíneo

y llegan a los alvéolos pulmonares cuando la sangre pasa por los capilares de los

pulmones.

El torrente sanguíneo presenta una mayor concentración de CO2 que el aire que se encuentra en los alvéolos

pulmonares. Las moléculas de dióxido de carbono se dispersan de un área de mayor concentración a un área

de menor concentración.

5. El sistema respiratorio tiene varios componentes. Describa los niveles de

organización presentes dentro de un sistema orgánico en orden de complejidad

decreciente.

Un sistema orgánico se compone de una serie de órganos. Los órganos se componen de tejidos que a su vez

están formados por células especializadas.

Preguntas de Elección Multiple


incompletos.

1. Cuando una persona realiza ejercicio, por lo general, el cambio en la producción de

dióxido de carbono hace que el pH de la sangre:

A. aumente y se vuelva más ácido.

B. se reduzca y se vuelva más ácido.

C. aumente y se vuelva más básico.

D. se reduzca y se vuelva más básico.

2. ¿Dónde se produce el intercambio de gas en el cuerpo humano?

A. boca

B. diafragma

C. alvéolos

D. vellosidades

3. La fuente del dióxido de carbono exhalado por una persona es:

A. digestión

B. síntesis de proteínas

C. fotosíntesis

D. respiración celular


PS-2947 69

4. Cuando una persona realiza ejercicio, sus células requieren más:

A. ATP

B. ácido láctico

C. dióxido de carbono

D. agua



palabra clave.

1. El agua destilada es neutra y tiene un pH cercano a 7. Cuando una persona exhala en el

agua, a través de un sorbete, el dióxido de carbono que exhala ocasiona una reducción en el

pH. La reducción en el pH indica que el agua se ha vuelto más ácida. El sistema de

amortiguación de la sangre permite contrarrestar los cambios en el pH para ayudar a mantener

la homeóstasis.

2. El dióxido de carbono es un producto de desecho de la respiración celular, un proceso que

requiere oxígeno. Cuando una persona realiza ejercicio, su frecuencia respiratoria aumenta

para que el intercambio de gases se produzca con mayor rapidez. Los sistemas respiratorio y

circulatorio funcionan en conjunto para lograr esta tarea. El intercambio de gases tiene lugar

en los pulmones por difusión, las moléculas se mueven desde un área de mayor concentración

hacia un área de menor concentración.

3. Después del ejercicio, una persona exhala más dióxido de carbono que antes del ejercicio. La

necesidad de energía del cuerpo, específicamente ATP, requiere que las células realicen una

mayor respiración celular. En las células, este proceso ocurre en la mitocondria.


Utilice un sensor para ECG o un sensor de frecuencia cardíaca con empuñadura para recolectar

datos adicionales sobre los cambios fisiológicos que acompañan al ejercicio.


71

Ejercicio y Frecuencia Cardíaca

Objetivos

Mediante un sensor de frecuencia cardíaca, los alumnos monitorean el efecto del esfuerzo físico

en relación con su estado físico. Los alumnos:

Determinarán su frecuencia cardíaca promedio antes, durante y después del ejercicio.

Determinarán, sobre la base de la frecuencia cardíaca, los niveles de ejercicio que produzcan el

mayor beneficio para la salud.



Preparar el sensor de frecuencia cardíaca para el ejercicio.

Determinar la frecuencia cardíaca antes del ejercicio.

Determinar la frecuencia cardíaca durante el ejercicio.

Determinar la frecuencia cardíaca después del ejercicio.

Determinar el rango esperado de la frecuencia cardíaca para el ejercicio.







Sistema de recolección de datos

Sensor de frecuencia cardíaca con empuñadura


72 PS-2947



El sistema circulatorio del ser humano se compone del corazón, los vasos sanguíneos y la

sangre que fluye por ellos.

El ejercicio provoca que el corazón lata más fuerte para cumplir con la demanda de los

músculos del cuerpo que requieren más sangre y oxígeno. Cuanto más intensa sea la actividad,

más rápido latirá el corazón. Monitorear la frecuencia cardíaca durante el ejercicio puede ser

una forma excelente de controlar la intensidad del ejercicio.

Hacer ejercicio, alimentarse de la manera adecuada y evitar el tabaco, el alcohol y el abuso de

otras drogas ayudan a prevenir enfermedades cardiovasculares y otras consecuencias

perjudiciales para la salud.

Antecedentes

La frecuencia cardíaca es un término que se utiliza para describir la frecuencia del ciclo cardíaco.

Generalmente, la frecuencia cardíaca se calcula como la cantidad de contracciones (latidos) del

corazón en un minuto. Por lo tanto, la frecuencia cardíaca se expresa habitualmente en latidos

por minuto (lpm). En reposo, el corazón humano de un adulto promedio late aproximadamente

70 lpm en los hombres y 75 lpm en las mujeres, si bien este índice varía en función de la persona.

El pulso es una forma de medir la frecuencia cardíaca.

El organismo aumenta la frecuencia cardíaca en respuesta a una amplia variedad de condiciones

a fin de aumentar el gasto cardíaco (la cantidad de sangre que expulsa el corazón por unidad de

tiempo). El ejercicio provoca que la frecuencia cardíaca de una persona aumente por encima de

su frecuencia cardíaca en reposo. A medida que la actividad física se torna más enérgica, la

frecuencia cardíaca sigue aumentando. Con un ejercicio lo suficientemente enérgico, la frecuencia

cardíaca alcanza su frecuencia máxima.

El valor de referencia para la frecuencia cardíaca en reposo oscila entre los 60 lpm y los 100 lpm.

Si se miden menos de 60 lpm, se denomina bradicardia. Si se miden más de 100 lpm, se

denomina taquicardia.

Frecuencia cardíaca máxima estimada

Se puede aplicar una fórmula matemática, sobre la base de su edad, para calcular su frecuencia

cardíaca máxima, tal como se muestra a continuación:

220 – edad = frecuencia cardíaca máxima estimada.

Rango esperado de frecuencia cardíaca

El rango esperado de frecuencia cardíaca (también conocido como el rango de frecuencia cardíaca

durante el entrenamiento o el ejercicio) es el rango de frecuencia cardíaca que se alcanza durante

el ejercicio aeróbico y que les permite al corazón y a los pulmones recibir el mayor beneficio de

una rutina de ejercicios. El método más común para calcular el rango esperado de frecuencia

cardíaca es multiplicar la frecuencia cardíaca máxima estimada por la intensidad porcentual que

produce los mayores beneficios cardiovasculares, que generalmente se considera que oscila entre

el 50% y el 85% de intensidad.


73

El siguiente ejemplo supone una frecuencia cardíaca máxima de 180:

50% de intensidad: 180 × 0,50 = 90 latidos por minuto

85% de intensidad: 180 × 0,85 = 153 latidos por minuto


Fomente el interés de los alumnos con las siguientes preguntas:

1. ¿Cómo cambiará la frecuencia cardíaca con el ejercicio?

La frecuencia cardíaca tiende a aumentar durante el ejercicio y a permanecer elevada durante algún tiempo

después del ejercicio.

2. ¿Cuán cerca estará su frecuencia cardíaca de recuperación de su frecuencia

cardíaca en reposo (frecuencia antes del ejercicio)?

Las respuestas variarán. La frecuencia cardíaca regresa a la frecuencia en reposo aproximadamente a los 7 a

10 minutos, y la frecuencia cardíaca de recuperación depende de muchos factores, como por ejemplo, el estado

físico general y la edad.

3. ¿Qué diferencias y similitudes habrá entre la frecuencia cardíaca de los hombres y

las mujeres antes, durante y después del ejercicio?

Las respuestas variarán en función de la experiencia del alumno.

Infórmeles a los alumnos que se ejercitarán al correr en el lugar, por lo cual deberán hallar un espacio

del salón de clases para poder hacer esto sin golpearse con nada y estar cerca del sistema de

recolección de datos al mismo tiempo. Destaque todas las precauciones que los alumnos podrían tener

que tomar en su entorno de clase en particular.


Nota: El sensor de frecuencia cardíaca con empuñadura está diseñado para ofrecer datos precisos y confiables

con fines educativos. No debe utilizarse como instrumento médico.

1. Pídales a los alumnos que hagan algunas carreras de prueba.

2. Una fuerza de prensión normal resulta adecuada para esta actividad. Apretar las manijas

demasiado fuerte puede generar datos incoherentes.

3. Diseñe un plan de administración de la clase para esta actividad destinado a minimizar las

posibles interrupciones.

Pregunte con anticipación (quizás al personal de enfermería de la escuela) si debe excluir

a algún alumno de la actividad debido a problemas médicos o de salud.

Comunique a los alumnos las expectativas de conducta en forma clara y con anticipación.

Contemple invitar a los alumnos a participar como sujetos de prueba solo en forma

voluntaria.


74 PS-2947

Seguridad

Incorpore esta precaución importante de seguridad a sus procedimientos habituales de laboratorio:

Observe a los alumnos atentamente. Si el ejercicio genera molestias o dolor, solicite al alumno

que detenga el ejercicio y la recolección de datos.








Preparación


2. Conecte el sensor al puerto del sistema de recolección de datos.

3. Represente en un gráfico la Frecuencia cardíaca en latidos por minuto en el eje Y frente

al Tiempo en segundos (s) en el eje X.

Registre la

frecuencia

cardíaca durante

el período de

recuperación.

Sostenga las manijas cómodamente con las manos.

Utilice

herramientas para

graficar a fin de

determinar la

frecuencia

cardíaca promedio

y el tiempo de

recuperación.

Registre la frecuencia cardíaca durante el ejercicio.

Registre la

frecuencia

cardíaca en

reposo.

3 4 2 1 5


75

Recolecte los Datos

El registro de datos se divide en tres partes.

Mida la frecuencia cardíaca en reposo durante 1 minuto.

Mida la frecuencia cardíaca durante 3 minutos de ejercicio.

Mida la frecuencia cardíaca de recuperación durante 2 minutos después del ejercicio.

Nota: Esta actividad es más sencilla de realizar si una persona se encarga de registrar los datos y de controlar

el tiempo mientras que otra se somete a la medición.

Nota: Una vez que comience con la recolección de datos, continúe recolectándolos hasta el final del

experimento. No deje de recolectar datos a medida que cambia de actividad.

Nota: Durante la recolección de datos, solo se registrará 1 punto de datos cada 5 segundos.

4. ¿Cuál es el punto de datos que se utilizará como control en este experimento?

El control es la frecuencia cardíaca promedio en reposo.

5. Tome los sensores con empuñaduras con ambas

manos. Recuérdele a la persona que

monitoreará que se relaje, que permanezca lo

más quieta posible y que no observe los datos

mientras se registran.


7. Ajuste la escala del gráfico para mostrar todos

los datos.

8. Describa su gráfico para los primeros 60 segundos.

El gráfico debe contar con lecturas medianamente estables de entre 60 y 80 lpm.

9. Después de 1 minuto, la persona que se somete a la medición se levanta y corre en el

lugar durante 3 minutos mientras continúa la recolección de datos.

10. Describa su gráfico para este intervalo de 180 segundos.

La respuesta variará en función del estado físico. Un aumento probable sería a entre 110 y 120 lpm.

11. Después del ejercicio, la persona que se somete a la medición se sienta durante 2 minutos

mientras continúa la recolección de datos.

12. ¿Cuál es la unidad de medida en la que se registran sus datos?

Latidos por minuto (lpm)


76 PS-2947

13. Recuérdele a la persona que monitoreará que se relaje, que permanezca lo más quieta

posible y que no observe los datos mientras se registran.

14. Describa su gráfico para este intervalo de 120 segundos.

La respuesta variará en función del estado físico. Una disminución probable sería a entre 80 y 90 lpm.

15. Continúe recolectando datos hasta que la frecuencia cardíaca del sujeto de prueba

regrese a la frecuencia cardíaca inicial en reposo de esa persona.

16. Si los resultados no son satisfactorios, repita el procedimiento para una segunda prueba.


18. Si el tiempo lo permite, cambie de roles y repita el procedimiento para poder monitorear

a otra persona de su grupo.

19. Guarde su experimento y limpie conforme a las instrucciones del docente.

Análisis de Datos

1. Mediante las herramientas disponibles en su sistema de recolección de datos, determine

su frecuencia cardíaca promedio en reposo y su frecuencia cardíaca promedio durante el

ejercicio, y su tiempo de recuperación de su frecuencia cardíaca. Registre estos datos en

la Tabla 1.

Tabla 1: Frecuencia cardíaca en reposo y durante el ejercicio más tiempo de recuperación

Elemento Valor

Frecuencia cardíaca en reposo

(promedio)

67 lpm

Frecuencia cardíaca durante el ejercicio

(máxima)

109 lpm

Tiempo de recuperación (tiempo

transcurrido desde el final del ejercicio

hasta la frecuencia cardíaca inicial en

reposo)

3,5 minutos


77

2. Realice un bosquejo de sus datos para comparar la Frecuencia cardíaca frente al Tiempo.

Asigne una etiqueta a cada uno de los puntos en los que el ejercicio comenzó y se detuvo.

Nota: Utilice una herramienta para graficar a fin de determinar la frecuencia cardíaca promedio durante

el ejercicio (109 lpm).


1. ¿Cómo se compara la frecuencia cardíaca durante el ejercicio con la frecuencia

cardíaca en reposo?

Las respuestas variarán. La frecuencia cardíaca durante este ejercicio puede ser superior en aproximadamente

un tercio a la frecuencia cardíaca en reposo.

2. ¿Cómo se compara la frecuencia cardíaca después del período de recuperación

designado de 2 minutos con la frecuencia cardíaca en reposo?

En teoría, la frecuencia cardíaca comenzará a retornar a la frecuencia cardíaca en reposo dentro de algunos

minutos durante el período de recuperación. Sin embargo, la frecuencia cardíaca de recuperación a solo

2 minutos después del ejercicio es generalmente superior que la frecuencia cardíaca en reposo.

3. Antes, durante y después del ejercicio, ¿cómo se compara la frecuencia cardíaca de

los hombres y las mujeres?


4. ¿Cómo se compara el cambio en la frecuencia cardíaca de personas que tienden a

realizar actividad física con el de las personas que llevan un estilo de vida más

sedentario?

Al realizar el mismo nivel de actividad, las personas que realizan actividad física deben experimentar menores

cambios en la frecuencia cardíaca que aquellos más sedentarios.


78 PS-2947



1. Calcule su propia frecuencia cardíaca durante el ejercicio (esperada).

Calcule su frecuencia cardíaca máxima estimada:

220 – (su edad) = _________________

Utilizando su frecuencia cardíaca máxima estimada, multiplíquela por 0,5 para

determinar el límite inferior de su rango esperado de frecuencia cardíaca: ___________

Multiplíquela por 0,85 para determinar el límite superior: ___________

2. ¿De qué forma se relacionan los datos recolectados con el estado físico? ¿Se

encuentra dentro del rango esperado de frecuencia cardíaca que calculó? Explique.

Las respuestas variarán. En función del estado físico, los alumnos podrían tener que ejercitarse de forma más

enérgica o hasta un máximo de 20 minutos para lograr estos valores. Otros alumnos podrían llegar rápidamente

a su rango esperado de frecuencia cardíaca y algunos otros podrían superarlo, lo cual indica que podrían tener

que ejercitarse de forma más moderada.

3. ¿Por qué motivo un atleta debe ejercitarse durante más tiempo o de forma más

enérgica para llegar a una frecuencia cardíaca máxima en comparación con una

persona con un estado físico no tan bueno?

Un cuerpo en buena condición física puede responder de forma más eficiente y eficaz a mayores demandas que

un cuerpo con un estado físico no tan bueno.

4. Utilizando su frecuencia cardíaca en reposo, calcule los latidos de un período de

vida de 80 años:

• Latidos/minuto = 70 (gasto cardíaco)

• Latidos/hora = 70 x 60 = 4200

• Latidos/día = 4200 x 24 = 100 800

• Latidos/año = 100 800 x 365 = 36 792 000

• Latidos/vida = 36 792 000 x 80 = 2 943 360 000


79



incompletos.

1. El límite superior de la frecuencia cardíaca esperada, en latidos por minuto, es del

85% de la frecuencia cardíaca máxima teórica. La frecuencia cardíaca máxima puede

estimarse al restar a 220 la edad de una persona, en años. ¿Cuál es el límite superior

de la frecuencia cardíaca esperada de una persona de 26 años, redondeándola al

número entero más cercano?

A. 134

B. 155

C. 165

D. 194.

2. ¿Cuál de los siguientes factores podría provocar un aumento en la frecuencia

cardíaca promedio en reposo?

A. La edad

B. El estrés

C. Los medicamentos


3. ¿Cómo podría predecir la frecuencia cardíaca máxima?

A. 220 menos la edad de una persona

B. 220 veces la intensidad porcentual

C. 220 menos la frecuencia cardíaca de reserva

D. Ninguna de las anteriores

4. En reposo, la frecuencia cardíaca promedio de una mujer es de aproximadamente:

A. 120, por encima de 80

B. 120

C. 75



80 PS-2947



palabra clave.

1. La frecuencia cardíaca máxima se relaciona con su edad. A medida que envejecemos, nuestra

frecuencia cardíaca máxima tiende a ser menor. Para calcular la frecuencia cardíaca máxima,

réstele a 220 la edad de la persona.

2. El rango esperado de frecuencia cardíaca es la cantidad de latidos por minuto (lpm) que

produce el mayor beneficio de salud durante el ejercicio aeróbico. Para la mayoría de las personas

sanas, este valor oscila entre el 50 y el 85 por ciento de la frecuencia cardíaca máxima. Entonces,

si su frecuencia cardíaca máxima estimada es de 180 lpm, el valor más bajo del rango sería

90 lpm y el más alto 153 lpm.

3. La frecuencia cardíaca es un término que se utiliza para describir la frecuencia del ciclo

cardíaco. Generalmente, se calcula como la cantidad de contracciones (latidos) del corazón

en un minuto. Por lo tanto, la frecuencia cardíaca se expresa habitualmente en latidos por

minuto. En reposo, el corazón humano de un adulto promedio late a aproximadamente 70 lpm

(hombres) y 75 lpm (mujeres), si bien este índice varía en función de la persona. El valor de

referencia para la frecuencia cardíaca en reposo oscila entre los 60 y los 100 lpm. El pulso es

una forma de medir la frecuencia cardíaca.


Compare las frecuencias cardíacas de diferentes especies de animales y determine si existe una

relación entre la frecuencia cardíaca y el tamaño del animal.

Investigue la longevidad de diferentes animales y compare esta información con sus frecuencias

cardíacas. ¿Existe una relación entre el ciclo vital de un animal y su frecuencia cardíaca?

Diseñe un experimento para probar los efectos de la cafeína sobre la frecuencia cardíaca

(participantes que toman café, té o Coca-Cola).

Desafíe a los alumnos a desarrollar un programa de ejercicios/actividades y tabular estas

actividades, incluidos el tipo de ejercicio y la duración. Sugiera un objetivo de al menos

30 minutos de actividad aeróbica entre tres y cuatro veces por semana. Después de varias

semanas, pídales a los alumnos que vuelvan a evaluar su frecuencia cardíaca esperada.


81

Fatiga Muscular

Objetivos

Los alumnos determinan su fuerza de prensión y comparan la fatiga muscular de los músculos de

la mano provocada por el ejercicio isotónico ("misma tensión") y el ejercicio isométrico ("misma

longitud"). Como parte de este proceso, harán lo siguiente:

Investigar la pérdida de fuerza a medida que se desarrolla la fatiga muscular durante una

contracción isotónica sostenida. Las contracciones isotónicas se producen al levantar objetos

pesados.

Investigar la pérdida de fuerza a medida que se desarrolla la fatiga muscular durante una

contracción isométrica sostenida. Las contracciones isométricas se producen cuando el músculo

no puede acortarse.


Los alumnos ejercitan los músculos de la mano de dos formas diferentes y después de cada tipo

de contracción muscular miden la fuerza de prensión de la mano con un sensor:

Medir el cambio en la fuerza que se ejerce al agarrar el sensor antes y después de realizar

contracciones musculares (isotónicas e isométricas) cronometradas.

Comparar las fuerzas medidas para determinar si los músculos se han fatigado de diferente

forma debido a los dos tipos de contracción muscular.

Comparar las fuerzas medidas para determinar si existe una diferencia en la forma en que se

ha fatigado la mano dominante y la no dominante.







Sistema de recolección de datos Pelota de goma, pelota de tenis o equivalente (de

Sensor de fuerza aproximadamente 7 cm de diámetro)

Temporizador (cronómetro o equivalente)

Fatiga Muscular

82 PS-2947



Las células musculares, al igual que todas las células, necesitan oxígeno y energía para

funcionar correctamente.

Los músculos realizan distintos tipos de tareas, incluidas la actividad isotónica y la isométrica.

Antecedentes

Todos conocemos la imagen de un cuerpo musculoso con los músculos que los fisicoculturistas

buscan perfeccionar, pero hay muchos músculos que no podemos ver. Los músculos cardíacos (del

corazón), al igual que las fibras musculares esqueléticas, son estriados. Sin embargo, estos

músculos se controlan de forma involuntaria, es decir que no existe un control consciente por

parte de la persona.

Los músculos lisos también son músculos involuntarios y están regulados por el sistema nervioso

autónomo. Se ubican en las paredes de los órganos internos, incluidos los bronquios de los

pulmones, la vejiga, el estómago, las paredes de los vasos sanguíneos, el iris y el útero.

Al igual que la mayoría de las funciones que tienen lugar dentro del cuerpo humano, la

contracción muscular requiere energía. La energía para mover los músculos proviene de la

molécula ATP (trifosfato de adenosina). La energía se libera cuando el ATP se hidroliza para

formar difosfato de adenosina (ADP) y un ion fosfato (Pi): ATP → ADP + Pi+

Los músculos se organizan en unidades motoras que se componen de un nervio y las uniones

neuromusculares que conectan al nervio con las células musculares. Esta organización permite

que una sola célula nerviosa emita una señal a todas las células musculares dentro de esa

unidad, lo cual produce una contracción simultánea de la unidad.

Un solo impulso nervioso produce un tirón muscular; el músculo recibe un estímulo y luego se

relaja antes de poder desarrollarse la máxima tensión. Si los impulsos continúan en sucesión, se

produce un tirón más intenso, ya que el músculo no descansa completamente entre cada tirón.

Sin las células musculares no tienen un período de descanso, se desarrolla una contracción

muscular continua llamada "tétanos". En esta situación, los niveles de ATP disminuyen y se

produce fatiga muscular.

Un aumento en el entrenamiento muscular enérgico puede provocar un aumento en la masa

muscular al incrementar el tamaño de las fibras. El entrenamiento de resistencia también puede

aumentar la cantidad de fibras. Por tal motivo, los ejercicios isotónicos e isométricos pueden

influir significativamente sobre la masa muscular.

El ejercicio sostenido puede agotar los niveles de oxígeno, lo cual resulta en una acumulación de

ácido láctico. Los factores que provocan fatiga pueden ser resultado de un nivel elevado de ácido

láctico en las fibras musculares. La gente asocia al ácido láctico con el dolor muscular, los

calambres y la fatiga. Sin embargo, el ácido láctico contribuye a la producción de energía durante

la actividad muscular. El ácido láctico ayuda en la utilización de carbohidratos y es una fuente de

energía para la producción de glucosa y glucógeno en el hígado, especialmente durante períodos

de estrés.

El ácido láctico comienza a formarse una vez que una persona supera su umbral anaeróbico.

Generalmente, esta intensidad representa entre el 85% y el 90% de la frecuencia cardíaca

máxima de una persona. Cuando se normalizan los niveles de oxígeno, el ácido láctico se

convierte rápidamente en ácido pirúvico y, en última instancia, en dióxido de carbono, agua y


83

ATP. El objetivo durante el acondicionamiento con ejercicios es mejorar la tolerancia al ácido

láctico al mejorar el suministro de oxígeno a las células musculares e incrementar nuestro nivel

de rendimiento.

Ejercicio isométrico

En el ejercicio isométrico, los músculos se contraen pero las articulaciones no se mueven, de

forma tal que las fibras musculares mantienen una longitud constante. Generalmente, los

ejercicios se realizan contra una superficie inmóvil, como por ejemplo, al presionar la palma de la

mano contra una pared.

El entrenamiento isométrico resulta eficaz para desarrollar la fuerza de un músculo o grupo

muscular en particular. A menudo se utiliza para rehabilitación porque puede aislarse el área

exacta en donde se presenta debilidad muscular y pueden administrarse ejercicios de

fortalecimiento en el ángulo articular adecuado. El entrenamiento de fuerza isométrica no es

ideal para el entrenamiento deportivo, el cual requiere acción muscular dinámica en lugar de

estática. Sin embargo, para este tipo de ejercicios no se necesitan equipos especiales y hay pocas

probabilidades de sufrir lesiones.

El ejercicio isométrico de esta actividad consiste en apretar los lados del sensor de fuerza durante

60 segundos.

Ejercicio isotónico

En el ejercicio isotónico, se mueve una parte del cuerpo y el músculo se acorta o se alarga. Si bien

los abdominales, las flexiones de brazos y las dominadas son ejercicios isotónicos, levantar pesos

libres, tales como mancuernas y halteras, se considera el ejercicio isotónico clásico.

El ejercicio isotónico de esta actividad consiste en apretar una pelota de tenis a una velocidad

moderada durante 60 segundos.


Fomente el interés de los alumnos con las siguientes preguntas:

1. ¿Cómo se comparará su fuerza de prensión después de 1 minuto de ejercicio

isotónico (apretar y soltar de forma repetida con la misma tensión) con su fuerza de

prensión después de 1 minuto de ejercicio isométrico (apretar de forma continua

contra un objeto inerte)?

En la mayoría de los casos, la disminución en la fuerza de prensión debe ser mayor con los ejercicios

isométricos.

2. ¿Cómo se comparará la fuerza de prensión de la mano dominante después del

ejercicio con la fuerza de prensión de la mano no dominante después del ejercicio?

En la mayoría de los casos, la disminución en la fuerza de prensión debe ser mayor en la mano no dominante.


Si bien esta actividad no requiere una preparación específica del laboratorio, asigne 10 minutos a

fin de reunir el equipo necesario para realizar el trabajo de laboratorio.

Fatiga Muscular

84 PS-2947

Seguridad

Incorpore esta precaución importante de seguridad a sus procedimientos habituales de laboratorio:

Detenga la actividad de recolección de datos si la acción de apretar se torna dolorosa o

particularmente incómoda.








Preparación


2. Conecte el sensor de fuerza al sistema de recolección de datos.

3. Dibuje un gráfico en el que compare la Fuerza en el eje Y frente al Tiempo en el eje X.

4. Atornille el recubrimiento de goma a la parte frontal del sensor de fuerza.

Parte 1: Antes del ejercicio (control)

Recolecte los Datos

5. ¿Cuál es su mano dominante?

Izquierda o derecha; las respuestas variarán.

Mida la fuerza de

prensión después

del ejercicio

isotónico e

isométrico.

2

Analice los datos

y compare sus

resultados con

sus compañeros

de clase.

4

Mida la fuerza de

prensión antes

del ejercicio.

1

Determine la

fuerza de

prensión

promedio

después del

ejercicio

isotónico.

3


85

6. Coloque los dedos mayor y anular de su mano dominante en los orificios que se

encuentran para tal fin en el extremo del sensor de fuerza.

7. Presione el botón "cero" del sensor de fuerza.

8. Coloque el pulgar en el recubrimiento de goma.

9. ¿Por qué es necesario pulsar el cero en el sensor de fuerza?

Esto reinicia el sensor en cero.

10. Comience con la recolección de datos. Intente mantener una fuerza de 40 N durante los

60 segundos. Si 40 N es una fuerza demasiado difícil de mantener, aplique una fuerza

menor (de 30 N, por ejemplo) durante todo el experimento.

Nota: En esta prueba, permita que el sujeto observe la pantalla para intentar mantener la fuerza de 40 N.

Nota: No apriete con el dedo índice ni con el meñique; apriete solo con el pulgar sobre el recubrimiento de

goma y los dos dedos del medio que se encuentran en los orificios del sensor.

Apriete el sensor de fuerza


12. Detenga la recolección de datos después de 60 segundos.

13. Asigne el nombre "Dominante" a la serie de datos 1.

14. ¿Cuál es su mano no dominante?

Izquierda o derecha; las respuestas variarán.

15. Cambie a su mano no dominante y repita los pasos anteriores.

16. Asigne el nombre "No dominante" a la serie de datos 2.

17. Guarde esta parte del experimento.

Fatiga Muscular

86 PS-2947

18. ¿Cuál es el propósito experimental de medir la fuerza de prensión antes del ejercicio?

Esto sirve como un control, un estándar de comparación.

Parte 2: Después del ejercicio isotónico

19. Mencione un ejemplo de ejercicio isotónico.

Levantar una haltera u otro objeto pesado.

20. Agarre una pelota de tenis entre el dedo mayor, el dedo anular y el pulgar de su mano

dominante.

Ejercicio isotónico

21. Después del ejercicio isotónico, ¿su fuerza de prensión seguirá siendo la misma,

disminuirá o aumentará?

Generalmente, la fuerza de prensión disminuirá.

22. Apriete y suelte cada 2 a 4 segundos con el pulgar y los dos dedos del medio. Realice este

ejercicio durante 60 segundos; intente volver a aplicar el mismo nivel de fuerza. No

apriete con el dedo índice ni con el meñique.

Nota: Aún no se recolectan datos.

23. Después de los 60 segundos, coloque rápidamente los dos dedos del medio de su mano

dominante en los orificios que se encuentran para tal fin en el extremo del sensor de

fuerza. Al igual que antes, presione el botón "cero" del sensor de fuerza y luego coloque el

pulgar sobre el recubrimiento de goma.

Nota: En esta prueba, no observe el gráfico. Intente mantener una fuerza de 40 N (o la misma fuerza que utilizó

anteriormente) durante todo el período de tiempo.

Nota: No apriete con el dedo índice ni con el meñique; apriete solo con el pulgar y los dos dedos del medio.

24. Comience la recolección de datos y ajuste la escala del gráfico para mostrar todos los

datos.

25. Mientras recolecta los datos, sin mirar la pantalla, apriete con el pulgar y los dos dedos

del medio durante 60 segundos e intente mantener una fuerza constante de 40 N.



87

27. Asigne el nombre "Isotónico dominante" a la serie de datos 3.

28. Cambie a su mano no dominante y repita el mismo procedimiento.

29. Asigne el nombre "Isotónico no dominante" a la serie de datos 4.

30. Guarde esta parte del experimento.

31. ¿Su predicción fue correcta? ¿Qué sucedió con su fuerza de prensión después de

60 segundos?

Generalmente, la fuerza de prensión disminuirá en comparación con el ejercicio de control.

Parte 3: Después del ejercicio isométrico

32. Mencione un ejemplo de ejercicio isométrico.

Empujar contra una pared u otro objeto inmóvil.

33. Agarre los lados del sensor de fuerza entre el dedo mayor, el dedo anular y el pulgar de

su mano dominante. No los coloque en los orificios para los dedos ni sobre el

recubrimiento de goma como lo hizo anteriormente.

Ejercicio isométrico

34. ¿En qué difiere el ejercicio isométrico del ejercicio isotónico?

Las respuestas pueden variar. El ejercicio isométrico significa que los músculos en contracción no se mueven.

No se alargan ni se acortan.

35. Después del ejercicio isométrico, ¿su fuerza de prensión seguirá siendo la misma,

disminuirá o aumentará?

Generalmente, la fuerza de prensión disminuirá.

36. Apriete con el pulgar y los dos dedos del medio durante 60 segundos e intente mantener

una fuerza constante de 40 N. No apriete con el dedo índice ni con el meñique para

"ayudarse" a apretar.

Nota: Aún no se recolectan datos.

Fatiga Muscular

88 PS-2947

37. Después de los 60 segundos, coloque rápidamente los dos dedos del medio de su mano

dominante en los orificios que se encuentran para tal fin en el extremo del sensor de

fuerza. Al igual que antes, presione el botón "cero" del sensor de fuerza y luego coloque el

pulgar sobre el recubrimiento de goma.

38. Comience la recolección de datos y ajuste la escala del gráfico para mostrar todos los

datos. Para recolectar los datos, esta vez sin mirar la pantalla, apriete con el pulgar y los

dos dedos del medio durante 60 segundos e intente mantener una fuerza constante de

40 N. No apriete con el dedo índice ni con el meñique.


40. Asigne el nombre "Isométrico dominante" a la serie de datos 5.

41. Cambie a su mano no dominante y repita el mismo procedimiento.

42. Asigne el nombre "Isométrico no dominante" a la serie de datos 6.

43. ¿Su predicción fue correcta? ¿Qué sucedió con su fuerza de prensión después de

60 segundos?

Generalmente, la fuerza de prensión disminuirá en comparación con su ejercicio de control.



89

Análisis de Datos

1. Realice un bosquejo de las 3 series de datos para comparar la Fuerza frente al Tiempo

para la mano dominante. Asigne una etiqueta al gráfico en general, al eje X, al eje Y e

incluya unidades en los ejes.

2. Realice un bosquejo de las 3 series de datos para comparar la Fuerza frente al Tiempo

para la mano no dominante. Asigne una etiqueta al gráfico en general, al eje X, al eje Y e


Fatiga Muscular

90 PS-2947

Tabla 1: Fuerza inicial, final y promedio con la mano dominante

Serie Fuerza de prensión: mano dominante Fuerza

inicial (N)

Fuerza

final (N)

Fuerza

promedio

(N)

1 Antes del ejercicio, mano dominante 41 38 40,1

3 Después del ejercicio isotónico, mano

dominante

42 34 39,6

5 Después del ejercicio isométrico, mano

dominante

44 31 40,6

Tabla 2: Fuerza inicial, final y promedio con la mano no dominante

Serie Fuerza de prensión: mano no

dominante

Fuerza

inicial

Fuerza

final

Fuerza

promedio

2 Antes del ejercicio, mano no dominante 42 37 39,4

4 Después del ejercicio isotónico, mano no

dominante

46 30 37,6

6 Después del ejercicio isométrico, mano no

dominante

55 25 32,5


1. ¿Qué sucedió con su fuerza de prensión después del ejercicio?

La fuerza de prensión disminuyó con el tiempo después del ejercicio en comparación con la fuerza de prensión

antes del ejercicio.

2. ¿Cómo cambió su fuerza de prensión al realizar el ejercicio isotónico en

comparación con el ejercicio isométrico?

La fuerza de prensión disminuyó más rápidamente durante el ejercicio isométrico en comparación con el

ejercicio isotónico.

3. ¿Hubo alguna diferencia entre los resultados de la mano dominante y de la no

dominante después de 60 segundos? Explique.

Sí. La mano no dominante mostró una disminución más rápida de la fuerza que la mano dominante.



1. Describa una actividad en la que el cuerpo pierda la capacidad de suministrar una

cantidad de oxígeno adecuada a los músculos.

Por ejemplo, perdemos esa capacidad si corremos muy rápido durante un tiempo prolongado.


91

2. Otro término para "sin oxígeno" es "anaeróbico". Durante este ciclo de falta de

oxígeno, ¿qué producto se acumula en los tejidos musculares? ¿Qué les sucede a los

músculos con la acumulación de este producto?

Se genera ácido láctico. Se siente como si los músculos "ardieran".

3. ¿Piensa que los músculos que se utilizan con frecuencia se cansarían más rápido o

más lento que los que no se utilizan tanto? Explique.

Los músculos que se utilizan con frecuencia se cansarían más lento. Estos músculos se agrandan y tienen más

energía de reserva.



incompletos.

1. ¿Qué tipo de contracción muscular no implica el acortamiento o alargamiento del

músculo?

A. Fatiga

B. Isotónica

C. Isométrica

D. Isométrica e isotónica

2. ¿Qué término se refiere a la mayor capacidad que un músculo puede lograr y es

directamente proporcional al tamaño del músculo?

A. Potencia

B. Resistencia

C. Fuerza

D. Rendimiento

3. ¿Qué tipo de contracción muscular se produce al levantar objetos pesados?

A. Isotónica

B. Isométrica

C. Isométrica e isotónica

D. Involuntaria

4. ¿Qué ácido común se forma cuando los músculos superan su umbral anaeróbico?

A. Ácido láctico

B. Ácido acético

C. Ácido cítrico

D. ATP

Fatiga Muscular

92 PS-2947



palabra clave.

1. Los músculos activos necesitan energía y, por lo tanto, requieren un suministro constante de

oxígeno y nutrientes. Para obtener energía, los músculos dependen de la glucosa del torrente

sanguíneo, el glucógeno almacenado en las fibras musculares o las moléculas de grasa durante el

ejercicio prolongado y enérgico. Cuando la disponibilidad energética no logra cumplir con las

demandas del músculo, este perderá su capacidad fisiológica de contraerse de forma controlada

debido a una escasez de ATP. Si bien el músculo aún podrá recibir la estimulación nerviosa para

moverse, se producirá la fatiga muscular.

2. La contracción isométrica es aquella en la que el músculo está activado, pero en lugar de

poder alargarse o acortarse, mantiene un/una longitud constante. Un ejemplo de contracción

isométrica sería cargar un objeto pesado por delante de usted.

3. Todos los ejercicios que implican levantar peso requieren contracciones isotónicas. Esto

sucede cuando el músculo se acorta al contraerse. Un ejemplo de contracción isotónica puede

observarse al flexionar el músculo bíceps.


Pídales a los alumnos que repitan el experimento después de sumergir las manos en agua helada

durante un tiempo determinado.

Compile los datos agrupados de la clase y compare los resultados de los hombres con los de las

mujeres.

Diseñe un experimento que incorpore otros factores que puedan alterar el índice de fatiga

muscular (por ejemplo, velocidad de movimiento, rango de movimiento, peso de la carga, posición

corporal o estado físico).

93

Física


95

Aceleración

Objetivos

Esta actividad presenta a los alumnos el concepto de la representación en forma gráfica de la

aceleración como un cambio de velocidad. Esta actividad les permite a los alumnos:

Comprender que la aceleración promedio durante un tiempo determinado es el cambio en la

velocidad dividido por el cambio en el tiempo.

Describir correctamente la aceleración como el cambio en la velocidad con respecto al tiempo.

Interpretar un gráfico de velocidad frente al tiempo.



Medir la velocidad de un objeto mediante un sensor de movimiento.

Dar seguimiento al cambio de velocidad de un objeto mediante una representación gráfica.

Interpretar una representación gráfica de la velocidad frente al tiempo.







Sistema de recolección de datos Pinza giratoria para pista Dinámica

Sensor de movimiento Tope fijo de pista Dinámica

Carrito Dinámico Soporte de varilla

Pista Dinámica

Aceleración

96 PS-2947



La velocidad se compone de rapidez y dirección

Interpretación de un gráfico de posición frente al tiempo para diferentes situaciones

Antecedentes

Las definiciones de velocidad y aceleración a menudo se presentan de forma muy similar y, por lo

tanto, se confunden con facilidad. Es fundamental que los alumnos recuerden que la velocidad

nos indica cuánto ha cambiado la posición de un objeto y que la aceleración nos indica cuánto ha

cambiado la velocidad del objeto. Se puede utilizar un gráfico de posición frente al tiempo para

un objeto a fin de determinar su velocidad: la pendiente de un gráfico de posición frente al tiempo

equivale a la velocidad. Se puede utilizar un gráfico de velocidad frente al tiempo para un objeto

a fin de determinar su aceleración: la pendiente de un gráfico de velocidad frente al tiempo

equivale a la aceleración. Esto resulta de especial importancia para que los alumnos observen la

dirección de la aceleración a medida que un objeto aumenta o disminuye su velocidad. Los

alumnos probablemente hayan oído hablar del concepto de "desaceleración", y usted debe

ayudarlos a darse cuenta de que este no difiere del concepto de aceleración. Solo se trata de la

aceleración en otra dirección.

La aceleración es la tasa a la cual cambia la velocidad de un objeto.

final inicialvelocidad velocidad

aceleraci nΔtiempo

ó

Debido a que la velocidad es la rapidez y la dirección del movimiento de un objeto, la aceleración

puede referirse al aumento de la velocidad, a la disminución de la velocidad o al cambio de

dirección.

Un automóvil puede tener una aceleración positiva al aumentar la velocidad y una aceleración

negativa al disminuirla, todo depende de la dirección en la que viaje.

Cuando un automóvil aumenta la velocidad, su aceleración se produce en la misma dirección que

su velocidad: tanto la aceleración como la velocidad son positivas o negativas. Cuando un

automóvil disminuye la velocidad, su aceleración se produce en la dirección opuesta a su

velocidad: la velocidad y la aceleración tienen signos opuestos.

La aceleración constante no nula implica que la velocidad de un objeto cambia a una tasa

uniforme.

Por ejemplo, cuando uno arroja una pelota al aire, esta experimenta un cambio de velocidad de

9,8 m/s cada 1 segundo. Debido a que la dirección de la aceleración apunta hacia la tierra, la

pelota desacelerará (disminuirá su velocidad) al moverse hacia arriba y acelerará (aumentará su

velocidad) al caer.

Nota: En este trabajo de laboratorio, la dirección que se aleja del sensor de movimiento es la dirección positiva,

por lo cual el desplazamiento hacia abajo por la pista será la dirección positiva. Este es un buen momento para

repasar el marco de referencia junto a sus alumnos.


97


Habitualmente empleamos el término aceleración cuando un objeto aumenta su velocidad. La

mayoría de nosotros probablemente ha experimentado esto cuando alguien pisa el pedal de

combustible del automóvil (que incluso se llama acelerador). Sin embargo, si queremos comparar

objetos que aceleran en diferentes condiciones, debemos tener una definición muy precisa del

término aceleración. Definiremos la aceleración con los datos que recolectemos como la pendiente

del gráfico de Velocidad frente al Tiempo. Esto nos permitirá determinar cuánto cambia la

velocidad del objeto en un segundo.

Para una estación de demostración:

Sistema de recolección de datos Sensor de movimiento (2)

Pista Dinámica (2) Carrito con ventilador

Carrito de velocidad constante Sistema de proyección

1. Coloque las pistas una al lado de la otra sobre una mesa plana.

2. Conecte un sensor de movimiento a cada pista apuntando en la misma dirección.

3. Coloque el carrito con ventilador y el carrito de velocidad constante, uno en cada pista, a un

poco más de 15 cm de distancia del sensor de movimiento y orientados de forma tal que se

alejen de él.

4.

Conecte los sensores de movimiento al sistema de recolección de datos.

5.

Genere un gráfico de Velocidad frente al Tiempo con ambos sensores en el mismo gráfico.

6. Pídale a un alumno que atrape los carritos en el extremo opuesto de la pista.

7. Comience a recolectar datos y empuje los carritos para que recorran la pista pendiente abajo.

8. Detenga la recolección de datos justo antes de que el alumno atrape los carritos.

Pídales a los alumnos que describan el movimiento de cada carrito e identifique cuál de ellos está

acelerando. Al mismo tiempo, puede mostrar un gráfico de Posición frente al Tiempo para relacionarlo

con los debates previos sobre posición y velocidad.



1. Recuérdeles a los alumnos que necesitan contar con una distancia suficiente entre el sensor

de movimiento y el carrito, tanto cuando el carrito se mueve hacia el sensor de movimiento

como cuando comienza a alejarse de él (más de 15 cm). El sensor de movimiento responderá a

la señal más potente que reciba.

2. Asegúrese de que los alumnos no tengan una pendiente muy pronunciada para la recolección

de datos con la pista dinámica. Esto permitirá lograr un movimiento más gradual y

recolectar más datos.

Aceleración

98 PS-2947

Seguridad









Preparación


2. Conecte un sensor de movimiento al sistema de recolección de datos.

3. Represente la Velocidad en el eje Y de un gráfico y el Tiempo en el eje X.

4. Cuando la aceleración de un carrito es negativa pero su velocidad es positiva, ¿qué está

haciendo el carrito?

Está disminuyendo su velocidad, o desacelerando.

5. Asegúrese de que su frecuencia de muestreo esté configurada en al menos 20 muestras

por segundo. Si su sensor de movimiento tiene un interruptor de selección,

asegúrese de que esté configurado en "en el carrito o cerca de él".

Repita el

procedimiento de

recolección de

datos, pero esta

vez empuje el

carrito pendiente

arriba del plano

inclinado lejos del

sensor de

movimiento.

1

Suelte el carrito

desde el extremo

elevado de la

pista para

generar un

gráfico de

Velocidad frente

al Tiempo.

3

Arme la pista

inclinada con el

tope fijo en un

extremo y el

sensor de

movimiento en el

extremo opuesto.

4

Determine la

aceleración de

cada prueba

sobre la base de

la pendiente de

los datos

graficados.

5


99

6. Conecte el tope fijo al extremo inferior de la pista dinámica.

7. Monte la pista al soporte de varilla con la pinza giratoria e inclínela levemente en uno de

sus extremos.

8. Conecte el sensor de movimiento al extremo elevado de la pista con el frente del sensor

orientado en dirección descendente hacia la pista inclinada.

Recolecte los Datos

9. Coloque el carrito en la parte superior del extremo inclinado de la pista y sosténgalo a un

poco más de 15 cm del sensor de movimiento.

10. Comience con la recolección de datos y suelte el carrito para que ruede hacia abajo por la

pista.

11. Atrape el carrito al final de la pista inclinada justo antes de que toque el tope fijo y

detenga la recolección de datos.

12. Coloque el carrito en la parte inferior del extremo inclinado de la pista.

13. Comience con la recolección de datos y dé un rápido empujón al carrito con la mano para

que recorra la pista hacia arriba.

14. Permita que el carrito ruede hacia abajo y hacia atrás por la pista y atrápelo al final de la

pista inclinada, justo antes de que toque el tope fijo, y detenga la recolección de datos.

Analice los Datos

15. Dibuje ambas series de datos en el gráfico de Velocidad frente al Tiempo en el apartado

de Análisis de datos.

16. Utilice su sistema de recolección de datos para aplicar un ajuste lineal a cada conjunto

(se aplica solo a los datos recolectados con el carrito en movimiento) y registre la

pendiente en la Tabla 1 del apartado de Análisis de datos.

Aceleración

100 PS-2947

17. Guarde sus datos conforme a las indicaciones del docente.

Análisis de Datos

Velocidad frente al Tiempo

Tabla 1: Pendiente de Velocidad frente al Tiempo

Serie Pendiente

Serie 1 0,778 m/s2

Serie 2 0,738 m/s2


1. Durante el período en que el carrito estaba en movimiento, ¿los gráficos de

Velocidad frente al Tiempo son líneas rectas? Consulte la página anterior si es

necesario. ¿Cómo cambia la aceleración del carrito si sus gráficos de Velocidad frente

al Tiempo son líneas rectas?

Las representaciones gráficas de datos de Velocidad frente al Tiempo son líneas rectas. Si la representación

gráfica de datos de Velocidad versus Tiempo es una línea recta, la aceleración es constante.

2. Si bien los caminos del carrito en ambas pruebas eran diferentes, las pendientes de

los gráficos de Velocidad frente al Tiempo para cada prueba son las mismas (durante

el período en el que el carrito estaba en movimiento). ¿Por qué esto es así? Justifique

su respuesta.

Las pendientes son las mismas porque el carrito está sujeto a la misma aceleración en ambos recorridos.


101

3. Si miramos el gráfico de Velocidad frente al Tiempo, ¿qué le diría una pendiente

negativa acerca de la aceleración del carrito? ¿Qué le diría una pendiente positiva?

Una pendiente negativa nos indica que la aceleración es negativa. Una pendiente positiva nos indica que la

aceleración es positiva. Debido a que alejarse del sensor de movimiento (recorrer la pista hacia abajo) es la

dirección positiva, la aceleración es positiva.

4. ¿Qué provocó que el carrito acelere después de soltarlo a partir del reposo desde la

parte superior de la pista? ¿Por qué esa aceleración fue constante?

La gravedad. La aceleración fue constante debido a que la pendiente de la velocidad frente al tiempo siguió

siendo la misma.

5. Describa el movimiento de un objeto que tenga un gráfico de velocidad frente al

tiempo que sea una línea horizontal recta (una pendiente igual a cero).

La velocidad del objeto es constante, o el objeto se mueve a una rapidez constante en una dirección constante.

Si no hay cambios en la velocidad no hay aceleración.



1. El término "aceleración" se utiliza en nuestras vidas y lenguaje cotidiano, pero a

menudo se utiliza en un contexto no físico. Ahora que ha desarrollado una definición

física de "aceleración", brinde un ejemplo en el cual la definición física coincida con la

definición "cotidiana". Brinde un ejemplo en el que difieran.

Un ejemplo en el que las definiciones son similares es la forma en que acelera un automóvil. El automóvil

experimenta un cambio en la velocidad debido a la aceleración.

Un ejemplo en el que las definiciones difieren es cuando un médico describe la frecuencia cardíaca acelerada

de un paciente. Si bien la frecuencia con la cual late el corazón ha aumentado, la posición real del corazón no

ha cambiado, por lo cual no hay ninguna velocidad real ni aceleración.

2. Los transportistas aéreos modernos utilizan un sistema de catapulta a vapor para

lanzar los aviones desde una distancia muy corta. Estas catapultas pueden lograr una

aceleración constante para que los aviones aceleren en solo 2 segundos. Si cada avión

requiere una velocidad mínima de despegue de 82,3 m/s, ¿qué aceleración debe

brindar la catapulta para que el avión pueda despegar?

2

Δ

82,3 m/s 0,00 m/s

2 s

41,2 m/s

f iv va

t

a

a

3. ¿Cuántos dispositivos diferentes en un automóvil ayudan a acelerar al vehículo?

¿Cuáles son?

Tres. El acelerador, los frenos y el volante producen un cambio en la velocidad.

Aceleración

102 PS-2947



incompletos.

1. Si la aceleración debido a la gravedad es de –9,8 m/s2, ¿cuál de las siguientes

opciones sería la que mejor describe la aceleración de un bloque de 0,5 kg sin fricción

deslizándose hacia abajo por la pista que se utilizó en nuestro experimento?

A. 3,5 m/s2 hacia abajo

B. 3,5 m/s2 hacia arriba

C. 0 m/s2

D. No puede definirse

2. ¿Cuál será la aceleración de un carrito con una velocidad inicial de cero y una

velocidad final de 12 m/s después de 2 segundos?

A. 4 m/s2

B. 6 m/s2

C. 8 m/s2

D. 12 m/s2

3. Un automóvil de carreras que está en reposo acelera de manera uniforme a una

velocidad de 5 m/s2. ¿Cuál es la velocidad del automóvil después de haber viajado

durante 5 segundos?

A. 5 m/s

B. 10 m/s

C. 20 m/s

D. 25 m/s



palabra clave.

1. La aceleración se define como el cambio en la velocidad con el tiempo. Si un objeto está en

reposo o en movimiento a una velocidad constante, tiene una aceleración de cero. Si un objeto

tiene una aceleración constante no nula, la velocidad del objeto cambia continuamente a la

misma tasa. En lenguaje común, se dice que un objeto con una velocidad positiva y una

aceleración negativa está desacelerando y que un objeto con una velocidad positiva y una

aceleración positiva está acelerando.


103


Pídales a los alumnos que midan el ángulo de su pista y utilicen la trigonometría para

determinar la aceleración debido a la gravedad sobre la base del componente que midan.

Revise la respuesta a la Pregunta de síntesis N.° 3. Describa el uso de un volante de automóvil

como medio para cambiar la velocidad. Este puede ser un concepto complejo para que los

alumnos comprendan y es un tema de introducción frecuente para analizar el movimiento

circular.

θ

D

h

mg


105

Primera Ley de Newton

Objetivos

Este experimento investiga los conceptos de la primera ley del movimiento de Newton. Los

alumnos observan un sistema simple de un carrito y una pista para determinar la influencia que

ejerce la fuerza sobre el movimiento de un objeto y cómo la ausencia de una fuerza externa

provoca que el movimiento de un objeto permanezca sin cambios.



Medición de la velocidad de un carrito mientras experimenta tres formas de movimiento:

velocidad constante nula, velocidad constante no nula, aceleración constante no nula.

Comparación de la velocidad asociada con cada forma de movimiento a fin de determinar si

una fuerza neta actúa sobre el carrito.







Sistema de recolección de datos Tope de pista Dinámica

Sensor de movimiento Conjunto de masas y ganchos

Carrito Dinámico PAScar Superpolea con abrazadera

Pista Dinámica con pies Cuerda, ~1 m



Cinemática/movimiento en 1 dimensión

Aceleración


106 PS-2947

Antecedentes

Aristóteles (384 a.C. – 322 a.C.) creía que el estado natural de un objeto era el reposo y, por lo

tanto, que todos los objetos en movimiento terminarían por detenerse. Hubo un gran debate

entre los antiguos filósofos y científicos respecto del movimiento de los objetos. En el siglo XVII,

Sir Isaac Newton formuló sus tres leyes del movimiento.

La primera ley del movimiento: Un objeto se mantendrá en reposo o conservará un movimiento

uniforme a menos que sobre él actúe una fuerza externa desequilibrada.

Esto se conoce como la ley de la inercia.

La Primera Ley de Newton indica que un objeto que se mueve a una velocidad constante

conservará esa velocidad constante a menos que sobre él actúe una fuerza neta. Asimismo, los

objetos en reposo (velocidad cero) permanecerán así a menos que sobre ellos actúe una fuerza

neta.

En otras palabras, si la fuerza neta sobre un objeto es cero, su aceleración también es cero.

Investigaremos este concepto al explorar las velocidades medidas que se asocian con los

diferentes tipos de movimiento de un carrito.


Para la estación de demostración:

Pelota de goma Trozo grande y plano de madera (u otro material

Libro de texto rígido), dimensiones ≈ 1 m × 1 m

Por ahora, es importante que los alumnos se concentren en la idea de que un objeto "continúa haciendo

lo que está haciendo a menos que sobre él actúe un agente externo".

Se aconseja no realizar un debate sobre la inercia junto con estos trabajos de laboratorio. Este debate

puede realizarse más tarde, a medida que los alumnos investigan el concepto de fuerza en mayor

profundidad.

Comience con el trozo de madera tendido sobre la mesa de demostración. Coloque la pelota sobre la

madera, cerca de un borde (la pelota debe permanecer inmóvil en su lugar). Pregunte a los alumnos:

1. ¿Cuál es la velocidad de la pelota?

Cero.

2. ¿Está cambiando la velocidad de la pelota?

No.

3. ¿Qué fuerzas actúan sobre la pelota?

La fuerza gravitacional y la normal.

4. ¿Había una fuerza neta "desequilibrada" que actuaba sobre la pelota?

No.


107

Ahora pídales a los alumnos que presten mucha atención mientras usted empuja levemente la pelota

para que ruede por el trozo de madera en línea recta. Detenga la pelota antes de que ruede fuera del

trozo de madera. Pregunte a los alumnos:

1. ¿La velocidad de la pelota era igual a cero mientras rodaba?

No.

2. Si ignoramos la fricción, ¿cambiaba la velocidad de la pelota?

No, su velocidad y dirección permanecieron constantes.

3. ¿Qué fuerzas actuaban sobre la pelota mientras rodaba?


4. ¿Había una fuerza neta "desequilibrada" que actuaba sobre la pelota mientras

rodaba?

No.

Coloque el libro de texto debajo de un extremo del trozo de madera para elevarlo levemente. Coloque la

pelota sobre la madera en su extremo elevado y manténgala allí. Pídales a los alumnos que

pronostiquen cómo cambiará el movimiento de la pelota al soltarla.

Suelte la pelota para que ruede hacia abajo por el trozo de madera y atrápela antes de que ruede hacia

afuera de la madera. Pregunte a los alumnos:


No.


Sí, su dirección permaneció constante, pero su velocidad aumentaba.




rodaba?

Sí, la fuerza gravitacional era mayor que la normal y, por lo tanto, era una fuerza neta.


108 PS-2947

Para la demostración final, deje el libro de texto debajo de un extremo del trozo de madera para elevarlo

levemente. Coloque la pelota en el centro de uno de los bordes en ángulo y sosténgala allí. Dígales a los

alumnos: "En esta demostración, le daré a la pelota un leve empujón horizontal, de la misma magnitud

que el de la primera demostración, hacia el otro borde en ángulo y dejaré que ruede libremente". Pídales

a los alumnos que pronostiquen en qué se diferenciará el movimiento de la pelota con el de la primera

demostración en la que le dio a la pelota un leve empujón sobre la tabla en posición plana.

Empuje levemente la pelota, de forma horizontal, hacia el otro borde en ángulo del trozo de madera y

deje que ruede libremente. Los alumnos deben observar que la pelota rueda con la misma velocidad

horizontal que en la primera demostración, pero que la dirección de la pelota debe cambiar a medida que

rueda por el trozo de madera. Atrape la pelota antes de que ruede fuera del trozo de madera. Pregunte a

los alumnos:


No.


Sí, cambiaba su velocidad y su dirección.




rodaba?

Sí, la fuerza gravitacional era mayor que la normal y, por lo tanto, era una fuerza neta.

5. Si estuviéramos en el espacio y la fuerza de la gravedad fuera insignificante, ¿en

qué diferiría el movimiento de la pelota del que acabamos de observar?

Su velocidad y dirección hubieran permanecido constantes.


Si bien esta actividad no requiere una preparación específica del laboratorio, asigne 10 minutos para

reunir el equipo necesario para realizar el trabajo de laboratorio.

Seguridad

Incorpore la siguiente importante de seguridad a sus procedimientos habituales de laboratorio:

Mantenga el agua alejada de cualquier equipo electrónico sensible.


109








Preparación

1. Inicie un nuevo experimento en su sistema de recolección de datos.

2. Conecte el sensor de movimiento al sistema de recolección de datos.

3. Represente la Velocidad en el eje Y de un gráfico y el Tiempo en el eje X.

4. Prepare la pista dinámica sobre la mesa de laboratorio con uno de sus extremos alineado

con el borde de la mesa (o colgando levemente sobre el borde de la mesa).

5. Conecte el tope del riel y la superpolea con abrazadera a la pista en el extremo cercano al

borde de la mesa.

Mida la velocidad

del carrito

mientras la masa

colgante jala el

carrito sobre el

pista dinámica.

3

Mida la velocidad

de un carrito en

reposo sobre una

pista plana antes

de que el carrito

comience a

moverse.

2

Utilice los datos

sobre la

velocidad para

determinar si hay

alguna fuerza

neta actuando

sobre el carrito.

4

Arme la pista dinámica con la superpolea en un extremo y el detector de movimiento en el otro.

1


110 PS-2947

6. Conecte el sensor de movimiento al extremo opuesto de la pista con el frente del sensor

orientado en dirección a la superpolea. Asegúrese de que el interruptor del sensor esté

orientado hacia la posición del carrito.

7. Conecte el sensor de movimiento a su sistema de recolección de datos.

8. Coloque el carrito sobre la pista y luego ajuste el nivel de la pista con sus pies ajustables,

de forma tal que el carrito permanezca inmóvil al dejarlo en reposo.

9. Corte un trozo de cuerda de aproximadamente 1 m de largo como preparación para la


10. ¿Qué le sucederá a un objeto en reposo si no se le aplica ninguna fuerza?

El objeto permanecerá en reposo en este marco de referencia.

11. ¿Qué se requiere para que un objeto mantenga un movimiento a una velocidad

constante?

Un objeto mantendrá una velocidad constante a menos que sobre él actúe una fuerza.

12. ¿Qué le sucederá a un objeto si se le aplica una fuerza neta constante?

La velocidad del objeto aumentará en la dirección de la fuerza.

Recolecte los Datos

13. Con el carrito inmóvil en el medio de la pista, comience la recolección de datos.

14. Después de aproximadamente 5 segundos, detenga la recolección de datos.

15. Ahora coloque el carrito dinámico sobre la pista, aproximadamente a 15 cm frente al

sensor de movimiento.


17. Empuje levemente el carrito hacia la superpolea y luego atrápelo justo antes de que

golpee contra la superpolea al final de la pista.


111


19. Para la serie final de datos, ate un extremo del trozo de cuerda de 1 m al frente del

carrito dinámico y ate el otro extremo al gancho de masas.

20. Pase la cuerda por sobre la polea con la masa colgante moviendose libremente por debajo

de la polea.

21. Sostenga el carrito en su lugar, aproximadamente a 15 cm frente al sensor de

movimiento, y luego añada 20 g al gancho de masas. Continúe sosteniendo el carrito.


23. Suelte el carrito y deje que ruede libremente por la pista hacia abajo.

24. Atrape el carrito justo antes de que golpee contra la superpolea al final de la pista.


Analice los Datos

26. Dibuje su gráfico de Velocidad contra el Tiempo en el apartado de Análisis de datos y

asigne una etiqueta a cada serie de datos.

Análisis de Datos


112 PS-2947


1. ¿Cómo cambiaba la velocidad del carrito en la Serie de datos n.° 1? ¿Había una

fuerza neta que actuaba sobre el carrito? Si la había, ¿cuál era el origen de dicha

fuerza?

La velocidad del carrito de la Serie de datos n.° 1 no cambiaba. No había ninguna fuerza neta que actuara sobre

el carrito.

2. Explique cómo podría determinar cómo cambiaba la posición del carrito sobre la

base de un gráfico de Velocidad contra el Tiempo en lugar de determinarlo

directamente mediante un gráfico de Posición contra el Tiempo.

Podemos determinar cómo cambiaba la posición del carrito mediante el gráfico de Velocidad contra el Tiempo

debido a que la velocidad era cero, lo cual significa que la posición del carrito no cambiaba.



fuerza?

La velocidad del carrito de la Serie de datos n.° 2 es constante. Además del empujón sobre el carrito, no había

ninguna fuerza neta actuando sobre él mientras rodaba. Algunos alumnos podrían observar una leve reducción

de la velocidad debido a la fricción.



fuerza?

La velocidad del carrito de la Serie de datos n.° 3 aumenta constantemente. Había una fuerza debido a la

gravedad que experimentaba la masa que a su vez tiraba del carrito.

5. ¿Qué prueba del gráfico de Velocidad contra el Tiempo para la Serie de datos n.° 3

indicaba que había una fuerza neta que actuaba sobre el carrito?

La pendiente de la curva de Velocidad contra el Tiempo era no nula, lo cual indicaba que había una fuerza neta

que actuaba sobre el carrito.



1. ¿Qué sucede con la velocidad de un objeto si este nunca experimenta una fuerza

desequilibrada?

La velocidad permanecerá constante e invariable en todo momento.

2. ¿De qué manera las fuerzas influyen sobre el movimiento de los objetos? (Piense en

una fuerza como un empujón o un tirón que actúa sobre un objeto).

Las fuerzas influyen sobre el movimiento al empujar o tirar de un objeto fuera de su movimiento constante, ya

sea al acelerar el objeto, al disminuir su velocidad o al cambiar su dirección.


113

3. ¿Es posible que un objeto experimente una fuerza neta sin tocar físicamente a otro

objeto? Si es así, brinde un ejemplo.

Sí, la gravedad es un ejemplo de una fuerza que actúa sobre objetos en caída libre, pero los objetos podrían no

estar en contacto físico con la superficie de la Tierra.

4. La resistencia de un objeto a experimentar un cambio en su movimiento se

denomina "inercia". ¿Qué propiedad de la materia hace que los objetos experimenten

la inercia? Brinde un ejemplo de algo con una cantidad relativamente grande de

inercia y de otra cosa con una inercia relativamente pequeña.

La inercia se relaciona con la masa de un objeto. Los ejemplos de los alumnos variarán. Un ejemplo de un

objeto con una gran inercia es una bola de demolición hecha de acero. Un ejemplo de un objeto con una inercia

pequeña es un globo.

5. ¿Qué le sucedería a una pelota si la arroja al espacio sideral en donde no haya

ninguna fuerza que actúe sobre ella? Describa su movimiento durante el tiempo que

usted esté en contacto con ella y después de soltarla.

Si arroja una pelota al espacio sideral, se aceleraría mientras está en su mano y dejaría de hacerlo después de

soltarla; además, mantendría una velocidad constante a partir de ese momento debido a que no hay fuerzas en

el espacio sideral que produzcan una fuerza neta sobre la pelota.



incompletos.

1. Desliza una caja por el piso a una velocidad constante. ¿Cuáles de los siguientes

enunciados es verdadero?

A. Su fuerza de empuje es exactamente igual a la fuerza de resistencia de la

fricción.

B. Su fuerza de empuje debe ser mayor que la fuerza de fricción.

C. Su fuerza de empuje es menor que la fuerza de fricción.

D. Una vez que suelte la caja, esta se detendrá automáticamente.

2. Si continúa empujando con la misma fuerza una vez que la caja se desliza sobre

una superficie con menor fricción, ¿cuál de los siguientes enunciados es verdadero?

A. La caja se acelerará hasta que alcance una velocidad mayor y luego continuará a esa

velocidad.

B. La caja se acelerará continuamente siempre que usted continúe

empujándola con la misma fuerza.

C. La caja continuará deslizándose a su velocidad original.

D. Si suelta la caja, esta continuará moviéndose indefinidamente.


114 PS-2947

3. Si un objeto experimenta una ___________ neta constante, tendrá una _________

constante. Sin embargo, si ninguna fuerza interactúa con un objeto, ese objeto

mantendrá una ___________ constante de forma indefinida.

A. Aceleración, fuerza, velocidad.

B. Velocidad, aceleración, fuerza.

C. Fuerza, aceleración, velocidad.

D. Fuerza, velocidad, aceleración.


Complete los espacios con los términos del listado ordenados al azar en el Banco de palabras del

Desafío de la palabra clave.

1. La inercia es un término que se refiere a la resistencia de un objeto a modificar su

movimiento. Los objetos que tienen mayor masa son más difíciles de acelerar. Si un objeto

experimenta una fuerza neta constante, tendrá una aceleración constante. Sin embargo, si

ninguna fuerza interactúa con un objeto, ese objeto mantendrá una velocidad constante de

forma indefinida. No se requiere nada para que un objeto mantenga una velocidad constante en

línea recta.


Además de ocuparse de la primera de las tres leyes del movimiento de Newton, este trabajo de

laboratorio se extiende a investigaciones sobre la fricción y continúa con debates sobre cómo

definir los marcos de referencia. Un objeto en reposo sobre la superficie terrestre se mueve

alrededor del eje de la Tierra a medida que esta gira y alrededor del Sol a medida que esta orbita.

Aristóteles observó que los objetos parecían disminuir su velocidad y frenarse, según podemos

concluir en la actualidad al tomar en cuenta sus experiencias. ¿Cuáles son las pistas que podría

haber utilizado Aristóteles para revisar sus ideas? Desafíe a sus alumnos a idear formas de

separar las ideas generales del movimiento (leyes de Newton) de los detalles específicos de

nuestra experiencia cotidiana (fricción).


115

Segunda Ley de Newton

Objetivos

Este trabajo de laboratorio ayuda a los alumnos a comprender la relación entre la fuerza neta

aplicada a un objeto, la aceleración del objeto y la masa del objeto.



medición de la fuerza aplicada y del movimiento que resulta de una masa oscilante y un

sistema de resorte mediante un sensor de fuerza y movimiento;

realización de diagramas de cuerpos libres que representan las fuerzas que se imparten sobre

la masa del sistema;

interpretación de gráficos de fuerza y movimiento para describir las relaciones que existen

entre la masa, la aceleración y la fuerza neta del sistema.







Sistema de recolección de datos Resorte

Sensor de fuerza Soporte de varilla

Sensor de movimiento Balanza (1 por clase)

Pinza de ángulo recto Varilla corta

Masa colgante


116 PS-2947



Ley de Hooke

Aceleración debido a la gravedad

Fuerzas

Antecedentes

A menudo, distintas fuerzas actúan sobre un objeto de forma simultánea. En esos casos, lo que

importa es la fuerza neta, o la suma vectorial de todas las fuerzas que se producen. La primera

ley de Newton sobre el movimiento establece que si ninguna fuerza neta actúa sobre un objeto, la

velocidad del objeto permanece inalterable. La Segunda Ley de Newton establece que la

aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre ese objeto

y en la misma dirección que la fuerza neta.

neta mF a

Al igual que Newton, observaremos un sistema simple para buscar una relación entre la fuerza

neta y el movimiento. Con base en estudios anteriores, sabemos que una masa que cuelga de un

resorte experimenta una fuerza debido a la gravedad y una fuerza restauradora desde el resorte.

En equilibrio, las dos fuerzas son iguales y opuestas. Al desplazarse la masa, una de las dos

fuerzas es mayor. Por lo tanto, provoca una fuerza neta no nula que apunta hacia la posición de

equilibrio. Investigaremos cómo esta fuerza neta se relaciona con el movimiento del sistema.


Comience con un breve repaso de una fuerza en forma de empuje o tirón. Asegure un sensor de fuerza a

un punto fijo (varilla y pinza o una base pesada) y muéstrele a la clase que, al empujar o tirar, la pantalla

digital registra los newtons de fuerza. Mueva el sensor de fuerza a la posición que ocupará durante el

experimento (colgando hacia abajo desde una varilla).

Consejo para el docente: Asegúrese de reiniciar el sensor en cero antes de proceder.

Consejo para el docente: Utilice una masa conocida que pueda dejarse caer al suelo sin dañarse,

como por ejemplo, una pelota blanda.

1. ¿Qué piensan que sucederá cuando cuelgue esta masa del sensor de fuerza?

Una vez que haya acuerdo, cuelgue la masa y muestre la fuerza resultante.


117

2. ¿Qué pasaría si el sensor de fuerza no estuviera aquí para sostener la masa

en su lugar?

Tómese un momento para recordarles a los alumnos acerca del experimento de aceleración. Luego, deje

caer la masa al suelo para que experimente una aceleración en la dirección en que se aplica la fuerza.

Esto coincide con nuestra experiencia. Sabemos que si aplicamos una fuerza pequeña, el objeto se

acelera solo un poco. Empuje un objeto sobre el escritorio, o a un alumno voluntario o un carrito sobre

una pista. Si aplicamos una fuerza mayor, el objeto se acelera más. Dele al mismo objeto un empujón

con más fuerza. Por lo tanto, decimos que la fuerza y la aceleración son proporcionales y que están

profundamente vinculadas con el movimiento de un objeto.



1. Recuérdeles a los alumnos que el sensor de movimiento tiene una distancia mínima que

puede medir (generalmente, 15 cm). El aparato debe colocarse de forma tal que el punto más

bajo de movimiento de la masa quede alejado de la distancia mínima del sensor de

movimiento.

2. Si su sensor de movimiento tiene un interruptor de sensibilidad, asegúrese de que esté en la

posición "carrito".

3. Asegúrese de que su sensor de movimiento esté colocado por debajo de la masa para que no

interfieran otros objetos tales como mesas o sillas.

4. Asegúrese de que su frecuencia de muestreo sea lo suficientemente alta como para capturar

el movimiento de la masa (al menos 20 muestras por segundo).

Consejo para el docente: Una masa de 200 g y un resorte de 5 N/m con una frecuencia de muestreo

de 20 muestras por segundo funcionan muy bien para este trabajo de laboratorio. Sin embargo,

existe una amplia variedad de combinaciones posibles en función de los recursos que tenga

disponibles.

Seguridad

Incorpore la siguiente importante de seguridad a sus procedimientos habituales de laboratorio:

Tenga cuidado al estirar y soltar el resorte. Asegúrese de que la masa esté sujeta de forma

segura.


118 PS-2947








Preparación

1. Inicie un nuevo experimento en el sistema de recolección de datos.

2. Conecte un sensor de fuerza y un sensor de movimiento al sistema de recolección de

datos.

3. Represente la Posición en el eje Y de un gráfico y el Tiempo en el eje X.

4. ¿Por qué se elige el gráfico de "Medición contra el Tiempo" para visualizar los datos? ¿De

qué otra forma podrían visualizarse los datos?

La fuerza y la aceleración cambian continuamente. Para comparar un valor coincidente de fuerza y aceleración,

estas deben estar alineadas en el tiempo. Debido a que nos interesa la fuerza y la posición, podemos graficar

una contra la otra.

5. Asegúrese de que su frecuencia de muestreo sea de al menos 20 muestras por segundo, y

si su sensor de movimiento tiene un interruptor de selección, colóquelo en la

posición "carrito o cerca de él".

6. Conecte el sensor de fuerza a la varilla corta y la varilla corta al soporte de varilla con la

pinza de ángulo recto.

Haga oscilar la

masa en el

resorte y

comience con la

recolección de

datos.

2

Grafique la

fuerza neta

medida por el

sensor de fuerza

contra la

aceleración.

3

Utilice el ajuste

de curvas lineal

para determinar

la pendiente de la

recta.

4

Conecte el

sensor de

movimiento y el

sensor de fuerza

a su interfaz.

1


119

7. Utilice un resorte para colgar la masa del sensor de fuerza y colóquelo por encima del

sensor de movimiento. Quizá deba colocar el sensor de

movimiento en el suelo para que la masa tenga

suficiente espacio para moverse.

8. Los objetos que se alejan del sensor de movimiento se

mueven en dirección positiva. Con base en la posición

del sensor de movimiento, ¿qué tipo de movimiento del

sensor de fuerza iría en dirección positiva? ¿Un

empujón o un tirón?

En esta configuración, el sensor de fuerza tira del sensor de

movimiento. Por lo tanto, un tirón iría en dirección positiva.

9. Si es necesario, cambie la medición de la fuerza para

que la dirección de esta se alinee con la dirección del

sensor de movimiento.

10. Con la masa colgando inmóvil del sensor de fuerza,

presione el botón cero del sensor de fuerza.

11. ¿Por qué es importante reiniciar en cero el sensor de fuerza en la posición de equilibrio

antes de comenzar a recolectar los datos?

Nos interesa la fuerza neta sobre el objeto. En la posición de equilibrio, la fuerza neta es cero.

12. En su trabajo anterior, aprendió que la fuerza ejercida por un resorte se relaciona con la

distancia hasta la cual se estira el resorte (F = –kx), y que la fuerza de gravedad equivale

a F = mg. Para cada diagrama, dibuje las fuerzas y la fuerza neta que experimenta la

masa.

Equilibrio

X0

X1

X2

Fneta

Fneta

mg

mg

mg

–kx0

–kx1

–kx2

M

M

M


120 PS-2947

Recolecte los Datos

13. Tire levemente de la masa y suéltela para que se mueva hacia arriba y hacia abajo.

Luego, comience con la recolección de datos.

14. Observe y compare el movimiento del objeto con el gráfico en tiempo real de la Posición

contra el Tiempo que se genera en el sistema de recolección de datos.

15. Detenga la recolección de datos después de tres a cuatro ciclos completos (5 a

10 segundos en función del resorte y de la masa que utilice).

16. Guarde su experimento conforme a las indicaciones del docente.

Analice los Datos: Posición y Fuerza

17. Muestre dos gráficos de forma simultánea. En un gráfico, refleje el Tiempo en el eje X y

la Posición en el eje Y. En el segundo gráfico, refleje el Tiempo en el eje X y la Fuerza en

el eje Y.

18. Asegúrese de que sus ejes de Tiempo estén alineados y describa la relación entre la

posición del objeto y la fuerza que este experimenta.

Las respuestas variarán, pero los alumnos deben poder identificar que cuando la posición es la mas alargada, la

fuerza es la menor. Los alumnos que conozcan el movimiento sinusoidal pueden decir que está 180 grados

( radianes) fuera de fase.

19. Bosqueje los gráficos en el apartado de Análisis de datos.

Analice los Datos: Velocidad y Fuerza


la Velocidad en el eje Y.

En el segundo gráfico, refleje el Tiempo en el eje X y la Fuerza en el eje Y.


velocidad del objeto y la fuerza que este experimenta.

Las respuestas variarán, pero los alumnos deben poder identificar que cuando la velocidad es mayor, la fuerza

es cercana a cero. Los alumnos que conozcan el movimiento sinusoidal pueden decir que está 90 grados (/2

radianes) fuera de fase.


Analice los Datos: Aceleración y Fuerza


la Aceleración en el eje Y.

En el segundo gráfico, refleje el Tiempo en el eje X y la Fuerza en el eje Y.


121


aceleración del objeto y la fuerza que este experimenta.

Las respuestas variarán, pero los alumnos deben poder identificar que la aceleración es mayor cuando la fuerza

es mayor. Los alumnos que conozcan el movimiento sinusoidal pueden decir que está en fase.


26. Refleje el Tiempo, la Fuerza y la Aceleración en una tabla.

27. Elija tres valores de tiempo distintos y regístrelos en la Tabla 1 del apartado de Análisis

de datos junto con los correspondientes valores de fuerza y aceleración.

Analice los Datos: Fuerza contra Aceleración

28. Represente la Fuerza en el eje Y de un gráfico y el Tiempo en el eje X.

29. Cambie la medición del eje X de Tiempo a Aceleración.

30. Bosqueje su gráfico en el apartado de Análisis de datos.

31. ¿Cómo describiría la forma de la representación gráfica de datos?

Lineal.

32. Aplique el ajuste de curvas lineal a la representación gráfica de los datos.

33. Agregue el ajuste lineal a su gráfico e incluya la pendiente de la recta.


122 PS-2947

Análisis de Datos

Dibujo del gráfico: Asegúrese de nombrar el gráfico en general, el eje X y el eje Y, incluidas las

unidades en los ejes.

Cree una forma o color para cada serie de datos en la Leyenda. Luego, dibuje gráficos de

sus datos para una sola serie de datos y compare la fuerza con la posición, la velocidad y

la aceleración a medida que cambian con el tiempo.

Asegúrese de nombrar el gráfico en general, el eje X y el eje Y. También incluya las


Fuerza y Posición


123

Fuerza y Velocidad

Fuerza y Aceleración


124 PS-2947

Tabla 1: Tres puntos de fuerza y aceleración

Tiempo (s) Fuerza (N) Aceleración (m/s2) Fuerza/aceleración

(kg)

2,50 0,0804 0,412 0,195

1,55 –0,134 –0,687 0,195

4,35 0,188 0,965 0,195

Promedio: 0,195

Fuerza contra Aceleración


1. Para cada valor de Tiempo en la Tabla 1, tome el correspondiente valor de Fuerza

y divídalo por el correspondiente valor de Aceleración. Luego, halle el promedio de los

resultados para completar la tabla. ¿Cómo se comparan los valores para cada Fuerza

divididos por una Aceleración? ¿Qué significa esto?

Los valores deben ser muy similares, lo cual significa que estos parámetros son proporcionales.

Consejo para el docente: Si la aceleración es negativa cuando la fuerza es positiva (o 180 grados

fuera de fase), verifique si comprendió las preguntas del apartado de Preparación. Es posible que

los alumnos no comprendan la dirección del sensor de movimiento contra el sensor de fuerza.


125

2. En la tabla de puntos seleccionados en el apartado de Análisis de datos, ¿el valor

promedio que calculó para las proporciones de Fuerza y Aceleración parece ser

similar a algún otro parámetro de su experimento?

Es notablemente cercano al valor de la masa.

3. ¿Cómo se compara la pendiente de la recta óptima aplicada al gráfico de Fuerza

contra Aceleración con el promedio de Fuerza/Aceleración que calculó en la Tabla 1?

Es muy cercana al promedio y, por lo tanto, muy cercana a la masa del objeto.

4. Utilice su conocimiento sobre creación de gráficos para determinar cómo

expresaría la ecuación de la recta óptima del gráfico de Fuerza contra la Aceleración

en términos de las variables de este experimento y en términos matemáticos.

Fuerza = masa × aceleración. La fuerza es proporcional a la aceleración y la constante de proporcionalidad es la

masa.

5. ¿Las unidades de la ecuación se equilibran?

Sí, N = kg × m/s2

6. Para esta preparación experimental, los valores calculados de la masa parecerán

ser mayores que la masa real del objeto. ¿Cuál piensa que es el error sistemático

aparente?

El resorte tiene masa, y una parte de esa masa está en movimiento junto con el objeto.



1. Sabemos por experiencia que cuanto más fuerte lanzamos una pelota (aplicamos

más fuerza), más rápido se moverá (mayor velocidad inicial debido a la aceleración).

Si lanza una pelota de softball de 1 kg lo más fuerte que pueda y viaja a 20 m/s al dejar

su mano, ¿cuán rápido cree que viajaría una bala de 5 kg lanzada con la misma

fuerza?

Si suponemos que "lanzada con la misma fuerza" implica que la fuerza aplicada es igual en ambos casos, la

bala debería viajar a 4 m/s o a 1/5 de la velocidad final de la pelota de softball.

2. Decimos que la fuerza es proporcional a la aceleración. Con base en nuestra

respuesta a la Pregunta 1, ¿cómo describiría la relación entre la aceleración y la

masa?

Son inversamente proporcionales.

3. Si lanzamos un cohete que se ha diseñado para producir una fuerza constante, ¿la

aceleración en el lanzamiento inicial será la misma que la aceleración justo antes de

agotarse completamente el combustible? Explique su respuesta.

Debido a que el combustible tiene masa, la aceleración será mayor al consumirse la mayor parte del

combustible.


126 PS-2947

4. Un experimento similar es aquel en que se utiliza un sensor de fuerza para

arrastrar un ladrillo de 1,5 kg por una mesa mientras se emplea un sensor de

movimiento para medir la aceleración. Se realizan distintas pruebas, pero la

pendiente del gráfico de Fuerza contra Aceleración está constantemente cerca del

número 2. ¿Qué podría explicar la diferencia? ¿Qué podría hacer para mejorar los

resultados?

El origen más probable de este error es la fricción entre el ladrillo y la mesa. La fuerza de fricción siempre se

opone a la dirección del movimiento, por lo cual la fuerza aplicada incluiría la fuerza que acelera el objeto y la

fuerza para superar la fricción. Si la fuerza aplicada es mayor para lograr una determinada aceleración, esto

significa que la masa parecería ser más grande de lo que es. Disminuir la fricción mejorará los resultados.

Utilizar un carrito de la misma masa con ruedas de baja fricción mejorará drásticamente los resultados.



incompletos.

1. ¿Qué enunciado es verdadero si dos papas de diferente masa se lanzan desde un

lanzador de papas que aplica la misma fuerza a cada una?

A. La papa más pesada viajará más rápido que la más liviana.

B. La papa más liviana viajará más rápido que la más pesada.

C. Independientemente de su masa, viajarán a la misma velocidad.

D. No cuento con la suficiente información como para llegar a una conclusión.

2. Una montaña rusa está diseñada para lograr una aceleración de 3 g en la parte

inferior de una caída. La masa del carrito es de 500 kg y el pasajero pesa 100 kg. En

este punto, la vía está diseñada para soportar 15 000 N de fuerza sin doblarse. ¿El

carrito y el pasajero lograrán realizar la caída sin problemas?

A. No, es probable que esta vuelta termine en un desastre.

B. Sí, el carrito y el pasajero lograrán realizar la caída fácilmente.

C. Sí, pero un segundo pasajero de igual tamaño no podría lograrlo.


3. Si se lanza un cohete de 1000 kg hacia arriba con un motor que produce una fuerza

de 39 240 N, ¿cuál es su aceleración?

A. 9,81 m/s2

B. 39,24 m/s2

C. 1000 m/s2

D. 29,43 m/s2


127

4. La aceleración de un objeto es

A. Proporcional a la masa del objeto y la fuerza que se aplica.

B. Proporcional a la masa del objeto e inversamente proporcional a la fuerza que se

aplica.

C. Proporcional a la fuerza neta que se aplica e inversamente proporcional a la

masa del objeto.

D. Siempre perpendicular a la fuerza de gravedad.

5. La fuerza neta de un objeto es

A. Proporcional a la fuerza de gravedad.

B. La suma vectorial de las fuerzas individuales que actúan sobre el objeto.

C. Siempre equilibrada por la fuerza normal.

D. A y C.




1. La Segunda Ley de Newton predice la siguiente relación entre la aceleración, la fuerza y

la masa: La aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza neta y siempre

irá en la misma dirección que la fuerza neta. La aceleración será inversamente proporcional a la

masa del objeto, lo cual significa que los objetos con mayor masa tendrán una aceleración menor

si están sujetos a la misma fuerza neta.


Pídales a los alumnos que repitan el experimento con diferentes masas y resortes para

determinar si la relación se sigue cumpliendo.

Este es un excelente momento para presentar las máquinas de Atwood.

Otra demostración para investigación, si desea tener la oportunidad de sacar a los alumnos de la

escuela y la institución lo permite, es cargar tantos alumnos como pueda dentro de un vehículo.

Luego, pídales a tres o cuatro alumnos fuertes que empujen el vehículo con el motor apagado y

los cambios quitados. Primero inténtelo con un vehículo vacío (por supuesto, con un conductor

que dirija y frene el vehículo). Observe la aceleración. Luego repita esto con el vehículo lleno de

alumnos. Es bastante evidente (y memorable) que los objetos con mayor masa aceleran mucho

menos que un objeto con una masa menor. También puede realizar esto en un carrito cinestésico

y un suelo nivelado con alumnos de diferentes tamaños.


129

Tercera Ley de Newton

Objetivos

Este experimento ilustra claramente la relación que existe entre una fuerza de acción y la fuerza

de reacción resultante. La actividad demuestra que:

las fuerzas se producen por pares, lo que habitualmente se conoce como "acción" y "reacción";

las fuerzas de acción y reacción nunca actúan sobre el mismo cuerpo;

las fuerzas de acción y reacción siempre tienen la misma magnitud pero las direcciones son

opuestas.


Determine la fuerza que dos carritos dinámicos ejercen entre ellos al chocar en una pista. A

medida que los alumnos exploran esta interacción, modificarán la masa de los carritos y también

cambiarán el carrito que permanece en movimiento antes del choque.

Determine la fuerza que se ejerce sobre un bloque de fricción y la fuerza de reacción a medida

que se aumenta la fuerza sobre un bloque inmóvil hasta lograr que se mueva con una velocidad

constante.







Sistema de recolección de datos Accesorio para Descubrir la Fricción

Sensor de fuerza (2) Tope de resorte para sensor de fuerza1

Carrito dinámico (2) Taza de colisión para sensor de fuerza1

Pista dinámica Banda elástica

Masa compacta para carrito, 250 g Balanza (1 por clase)

1 Parte del accesorios soporte de fuerza


130 PS-2947



Diagrama de cuerpo libre

Primera ley de Newton

Segunda ley de Newton

Antecedentes

Cuando un objeto ejerce una fuerza sobre otro objeto, el segundo objeto ejerce una fuerza de igual

magnitud y dirección opuesta sobre el primer objeto. Algunas veces esto se parafrasea de la

siguiente forma: "Por cada acción hay una reacción igual y opuesta". La Tercera Ley de Newton

puede ser muy clara y a la vez muy confusa para los alumnos, pero si logran comprenderla, les

será mucho más sencillo dibujar diagramas de cuerpo libre y analizar situaciones que requieran

comprender la segunda ley de Newton. Es importante reconocer que las fuerzas son como los

zapatos: vienen de a pares. Es imposible tener una sola fuerza, por ejemplo, tener una fuerza de

acción sin tener una fuerza de reacción. Los alumnos a menudo tienen dificultad para

comprender que los objetos inanimados, como los muros y los pisos, pueden ejercer fuerzas.

También es posible que les parezca ilógico que los muros y los pisos ejerzan una fuerza

gravitacional sobre la Tierra que tiene el mismo tamaño que la fuerza que la Tierra ejerce sobre

ellos. El debate y las actividades previos al laboratorio abordan algunas de estas cuestiones. Al

final de esta actividad, los alumnos deben darse cuenta de que por cada acción hay una reacción

igual y opuesta, sin excepciones.


Elija una cantidad de actividades para debatir aquí.

Las fuerzas ocurren de a pares: Suspenda una masa de 1 kg desde un soporte grande mediante una

cuerda y una abrazadera de péndulos. Empuje levemente la masa para que comience a balancearse.

Pregunte a los alumnos: "¿En qué dirección ejercí la fuerza sobre la masa?". Luego, pregúnteles: "¿La

masa ejerció una fuerza sobre mí? Si es así, ¿en qué dirección lo hizo? ¿Cómo determino que la masa

ejerció una fuerza sobre mí?".

Los objetos inanimados pueden ejercer fuerzas: Sostenga una varilla graduada con una masa pequeña

en su extremo y dóblela. Pregunte lo siguiente: "¿Cómo podemos saber si estoy ejerciendo una fuerza

sobre la varilla graduada?". Porque se distorsiona su forma. "¿La varilla graduada está ejerciendo una

fuerza sobre mí?". Suelte la varilla graduada al deslizar el dedo por el extremo para demostrar cómo la

masa, de escaso peso, sale proyectada por el aire.

Los objetos inanimados pueden ejercer fuerzas: Coloque un espejo pequeño en el suelo y apunte un

puntero láser hacia él para que el rayo reflejado se proyecte en el techo. Ahora pídale a un alumno que

pase por al lado del espejo, de forma tal que pise cerca de él. Pregunte: "¿Qué nos dice el

comportamiento del rayo reflejado acerca del suelo?". El hecho de que el punto en el techo se mueva

implica que el suelo se distorsionó levemente mientras el alumno caminaba al lado del espejo.

Los objetos ejercen fuerzas gravitacionales entre ellos: Pregunte lo siguiente: "¿Qué pruebas nos llevan

a creer que la tierra ejerce una fuerza gravitacional sobre la luna?". La luna orbita alrededor de la Tierra.

"¿Qué pruebas nos llevan a creer que la luna, a su vez, ejerce una fuerza gravitacional sobre la Tierra?".

La luna provoca mareas. Del lado de la Tierra que está más cercano a la luna, el agua se acumula en


131

dirección a la luna. "¿Por qué la fuerza gravitacional de la tierra sobre la luna ejerce un efecto mucho

mayor en el movimiento lunar que el efecto que ejerce la fuerza de la luna sobre la Tierra en el

movimiento terrestre?". La tierra tiene una cantidad de masa muy superior a la de la luna.


Si bien esta actividad no requiere una preparación específica del laboratorio, asigne 10 minutos a fin de


Seguridad









Parte 1: Fuerzas de acción y reacción cuando dos cuerpos se empujan entre sí

Preparación


2. Conecte los sensores de fuerza al sistema de recolección de datos.

Empuje

levemente los

carritos para que

choquen y

registre los

resultados para

analizarlos.

3

Compare el

volumen máximo

de la fuerza de

cada sensor.

4

Coloque en cero

los dos sensores

de fuerza.

2

Monte un sensor

de fuerza sobre

cada carrito y

coloque la

combinación del

carrito y el sensor

sobre la pista.

1


132 PS-2947

3. Muestre los dos gráficos de forma simultánea, cada uno con el Tiempo en el eje X y la

Fuerza en el eje Y, de forma tal que los ejes de Tiempo queden alineados y se puedan

comparar las mediciones de la fuerza.

4. Cambie el eje Y de uno de los dos gráficos a la medición de la fuerza opuesta. Por

ejemplo, si ambos sensores están midiendo la Fuerza con empuje positivo, cambie uno de

ellos a la Fuerza con tirón positivo.

5. ¿Por qué debe cambiar el eje Y de uno de los dos gráficos a la medición de la fuerza

opuesta?

Los sensores apuntan en direcciones opuestas. Entonces, si un tirón es positivo para un sensor, será negativo

para el otro.

6. Ajuste la frecuencia de muestreo a 250 Hz.

7. Monte un sensor de fuerza en cada carrito y conecte el tope de resorte a un sensor de

fuerza y la almohadilla de colisión al otro sensor de fuerza.

8. Decida cuál será el Carrito A y cuál será el Carrito B.

9. Coloque los carritos en la pista en cualquiera de los extremos para que, al chocar, el

impacto sea entre los dos sensores de fuerza.

10. Presione el botón "cero" de cada sensor de fuerza.


133

11. Examinará cuatro colisiones distintas, pero antes de registrar los datos, pronostique

cuáles serán las fuerzas asociadas con cada colisión. Complete la siguiente tabla para

resumir sus predicciones. (Sus predicciones deben indicar simplemente si espera que las

fuerzas sean iguales o diferentes. Si espera que las fuerzas difieran en cuanto a su

tamaño, especifique cuál espera que sea mayor).

Tabla 1: Predicciones: empuje

Colisión Masa Movimiento inicial Predicción de la

fuerza de interacción

Número Carrito A Carrito B Carrito A Carrito B Sensor de

fuerza A

Sensor de

fuerza B

1 Igual que B Igual que A Hacia B Hacia A Igual Igual

2 Igual que B Igual que A Reposo Hacia B Igual Igual

3 Pesada Liviana Hacia B Hacia A Igual Igual

4 Pesada Liviana Reposo Hacia A Igual igual

Recolecte los Datos

12. Comience la recolección de datos y luego empuje levemente los carritos en direcciones

opuestas, de manera tal que se dirijan uno hacia el otro.

13. Permita que los carritos choquen y luego detenga la recolección de datos.

14. Coloque un carrito al final de la pista y el otro en el medio de la pista.

15. Comience con la recolección de datos y luego empuje el carrito del final de la pista hacia

el carrito que se encuentra en el medio.


17. Coloque los carritos en cualquier extremo de la pista y la masa compacta en el carrito A.

18. Comience la recolección de datos y luego empuje los carritos en direcciones opuestas, de

manera tal que se dirijan uno hacia el otro.


20. Coloque un carrito al final de la pista y el otro en el medio de la pista.

21. Comience con la recolección de datos y luego empuje el carrito del final de la pista hacia

el carrito que se encuentra en el medio.


134 PS-2947


Analice los Datos

23. Ajuste la escala de sus gráficos para concentrarse en la primera colisión y asegúrese de

que los ejes de Tiempo de ambos gráficos estén alineados.

24. Bosqueje sus gráficos de Fuerza contra el Tiempo en los ejes en blanco del gráfico de

"Fuerza contra el Tiempo: empuje" que se encuentra en el apartado de Análisis de datos.

25. Encuentre la fuerza máxima para cada sensor de fuerza y registre el valor máximo en la

Tabla 3 del apartado de Análisis de datos.

26. Muestre y oculte las series de datos para hallar los valores máximos de la fuerza de cada

serie, y luego agregue estos valores a la Tabla 3 del apartado de Análisis de datos.

Parte 2: Fuerzas de acción y reacción cuando un cuerpo tira de otro

Preparación

27. Quite los sensores de fuerza de los carritos y estos de la pista.

28. Reemplace el tope de resorte y la taza de colisión con los ganchos de los sensores de

fuerza.

29. Coloque una bandeja del accesorio para descubrir la fricción lineal sobre la pista y la

masa compacta para el carrito dentro de la bandeja.

30. Conecte el primer sensor de fuerza a la bandeja del accesorio para descubrir la fricción

lineal, y luego conecte el gancho del segundo sensor de fuerza al gancho del primero

mediante una banda elástica.


135

31. A medida que la persona que sostiene el segundo sensor de fuerza se mueve lentamente

hacia la derecha, la banda elástica se estirará hasta que la fuerza ejercida sea tan grande

como para provocar que la bandeja comience a deslizarse por la pista. Complete la Tabla

2 para reflejar sus predicciones del tamaño de la fuerza registrada por el sensor de fuerza

que sostiene con la mano y el tamaño de la fuerza registrada por el sensor de fuerza

conectado a la bandeja.

Tabla 2: Predicciones: tirón

Etapa de movimiento Predicción sobre cómo se compararán las

dos fuerzas

Se ejerce una fuerza, pero la bandeja

permanece en reposo Igual

La bandeja comienza a moverse Igual

La bandeja se mueve a una velocidad

constante

Igual

Recolecte los Datos

32. Sostenga el segundo sensor de fuerza de forma paralela a la pista.

33. Comience con la recolección de datos y luego tire de la bandeja con el segundo sensor de

fuerza.

34. Continúe estirando la banda elástica hasta que la bandeja comience a moverse.

35. Arrastre la bandeja unos pocos centímetros y luego detenga la recolección de datos.

Analice los Datos

36. Ajuste la escala de sus gráficos para mostrar las tres partes del gráfico de Fuerza contra

el Tiempo y asegúrese de que los ejes de Tiempo estén alineados.

37. Bosqueje sus gráficos de Fuerza contra el Tiempo en los ejes en blanco del gráfico de

"Fuerza contra el Tiempo: tirón" que se encuentra en el apartado de Análisis de datos.

38. Compare la fuerza en cada parte de los gráficos de Fuerza contra el Tiempo para cada

sensor de fuerza en tres momentos distintos y registre estos valores en cada una de las

tres partes del gráfico en la Tabla 4 en el apartado de Análisis de datos.

39. ¿Cuán precisas fueron sus predicciones? ¿Cómo se compara la fuerza registrada por el

sensor que sostuvo con la mano con la fuerza registrada por el sensor conectado a la

bandeja cuando esta aún no había empezado a moverse, cuando comenzó a moverse y

cuando se movió a una velocidad constante?

En todos los casos, la fuerza era de la misma magnitud pero de dirección opuesta.


136 PS-2947

40. ¿Cómo se compara la dirección de la fuerza registrada por el sensor de fuerza que sostuvo

con la mano con la dirección de la fuerza registrada por el sensor de fuerza conectado a la

bandeja?

Las fuerzas apuntan en direcciones opuestas.


Análisis de Datos

Fuerza contra el Tiempo: Empuje

Tabla 3: Empuje: Fuerzas Máximas

Masa Movimiento inicial Fuerza máxima

Carrito A Carrito B Carrito A Carrito B Sensor de

fuerza A

Sensor de

fuerza B

Igual que B Igual que A Hacia B Hacia A 2,3 –2,3

Igual que B Igual que A Reposo Hacia B 1,7 –1,7

Pesada Liviana Hacia B Hacia A 2,9 –2,9

Pesada Liviana Reposo Hacia A 2,6 –2,6


137

Fuerza contra el Tiempo: Tirón

Tabla 4: Tirón

Etapa de movimiento Sensor de fuerza

conectado (N)

Sensor de fuerza

que ejerce un

tirón (N)

Se ejerce una fuerza, pero la bandeja

permanece en reposo 0,8

–0,8

La bandeja comienza a moverse 2,2 –2,2

La bandeja se mueve a una velocidad

constante 2,0 –2,0


1. Si observamos todas las interacciones que estudiamos en esta actividad, ¿cómo

resumiría los resultados en una sola oración?

Por cada acción hay una reacción igual y opuesta. O: cuando un objeto A ejerce una fuerza sobre un objeto B,

el objeto B ejerce una fuerza sobre el objeto A que es igual en tamaño pero opuesta en dirección.

2. En la Parte 1 de esta actividad, colocó topes de resorte en los sensores de fuerza.

¿Cuál fue la ventaja de utilizar esta modificación en lugar de utilizar el pequeño tope

de goma en el extremo de cada sensor de fuerza?

Utilizar los topes de resorte extiende el tiempo de interacción. Esto nos brinda más puntos de datos para

examinar. Si chocaran dos superficies sólidas, el tiempo de interacción sería muy corto y podría ser más difícil

observar la relación entre las fuerzas de acción y reacción.


138 PS-2947



1. Un clavadista olímpico de 65 kg realiza un salto desde una torre de 10 m. Piense en

el instante en que el clavadista está en el aire, a 1 m arriba de la plataforma. Dibuje un

diagrama de cuerpo libre que demuestre las fuerzas que actúan sobre este clavadista

en este instante. En la tabla a continuación, describa estas fuerzas en la columna

"Acción". Indique el tamaño y la dirección de la fuerza y mencione qué es lo que ejerce

la fuerza. En la columna "Reacción", brinde una descripción detallada similar de la

fuerza de reacción. Suponga que la fuerza del campo gravitacional es de 9,80 N/kg.

Acción Reacción

La tierra ejerce una fuerza gravitacional descendente

de 637 N sobre el clavadista.

El clavadista ejerce una fuerza gravitacional

ascendente de 637 N sobre la tierra.


139

2. Un turista de 65 kg se encuentra parado en la fila para ingresar a un teatro. Dibuje

un diagrama de cuerpo libre para reflejar las fuerzas que actúan sobre el turista. En

la tabla a continuación, describa estas fuerzas en la columna "Acción". En cada caso,

indique el tamaño de la fuerza, muestre su dirección y especifique qué es lo que ejerce

la fuerza. En la columna "Reacción", describa la reacción para cada una de las fuerzas

de acción y nuevamente indique el tamaño, la dirección y el objeto que ejerce la

fuerza.

Acción Reacción

La Tierra ejerce una fuerza gravitacional descendente

de 637 N sobre el turista.

El suelo ejerce una fuerza gravitacional ascendente

de 637 N sobre el turista.

El turista ejerce una fuerza gravitacional ascendente

de 637 N sobre la tierra.

El turista ejerce una fuerza gravitacional

descendente de 637 N sobre el suelo.


140 PS-2947

3. Un padre empuja un trineo con niños a una velocidad constante de 0,8 m/s a lo

largo de un jardín nivelado cubierto de nieve al ejercer una fuerza de 225 N hacia el

oeste. La masa del trineo y los niños es de 85 kg. Dibuje un diagrama de cuerpo libre

para reflejar las fuerzas que actúan sobre el trineo cargado de niños. En la tabla a

continuación, describa estas fuerzas en la columna "Acción". En la columna "Reacción",

indique el tamaño de la fuerza, muestre su dirección y especifique qué es lo que ejerce

la fuerza. Suponga que la fuerza del campo gravitacional es de 9,80 N/kg.

Acción Reacción

La Tierra ejerce una fuerza gravitacional descendente

de 833 N sobre el trineo.

El hombre ejerce una fuerza de 225 N hacia el oeste

sobre el trineo.

El jardín cubierto de nieve ejerce una fuerza de

fricción de 225 N hacia el este sobre el trineo.

El jardín cubierto de nieve ejerce una fuerza

ascendente de 833 N sobre el trineo.

El trineo ejerce una fuerza gravitacional ascendente

de 833 N sobre la tierra.

El trineo ejerce una fuerza de 225 N hacia el este

sobre el hombre.

El trineo ejerce una fuerza de fricción de 225 N hacia

el oeste sobre el jardín cubierto de nieve.

El trineo ejerce una fuerza descendente de 833 N

sobre el jardín cubierto de nieve.

4. Un caballo atado a un carro inmóvil comienza a tirar de él. Si la fuerza ejercida

por el carro sobre el caballo tiene siempre el mismo tamaño pero la dirección opuesta

que la fuerza ejercida por el caballo sobre el carro, ¿cómo es posible que el caballo

mueva el carro?

La fuerza ejercida por el caballo sobre el carro y la fuerza ejercida por el carro sobre el caballo actúan sobre dos

cuerpos diferentes, es decir, el carro y el caballo. Piense en el carro. Si el caballo ejerce una fuerza mayor que

la fuerza de fricción que actúa sobre el carro, entonces el carro comenzará a moverse.

5. Un alumno sostiene un sensor de fuerza del que cuelga una masa de 500 g. De

pronto, el sensor de fuerza cae de la mano del alumno al suelo. ¿Qué lecturas muestra

el sensor de fuerza al caer al suelo?

El sensor de fuerza mostraría un valor de 0 N. El campo gravitacional de la Tierra acelera el sensor hacia abajo

a la misma velocidad que la masa, por lo cual es imposible que la masa ejerza una fuerza descendente sobre el

sensor.

6. Una astronauta se encuentra aproximadamente a 20 m de su estación espacial

cuando los pequeños propulsores que utiliza para moverse se quedan sin combustible.

Si está cargando algunas herramientas y también puede retirar el propulsor, ¿qué

debe hacer para volver a la estación espacial? Explique su razonamiento.

Debe tomar el propulsor o alguna otra herramienta y arrojarlos en una dirección opuesta a la ubicación de la

estación espacial. La fuerza que ejerza sobre estos objetos resultará en una fuerza igual y opuesta sobre ella

que le dará una pequeña y breve aceleración hacia la estación espacial. Debido a que no hay ninguna fricción ni

resistencia de aire presentes, la astronauta se moverá a una velocidad constante hacia la estación espacial una

vez que complete su breve período de aceleración.

225 N

225 N

883 N 883 N


141

7. Un pequeño automóvil económico experimenta una colisión de frente con un

camión de gran tamaño. Si el automóvil económico y el camión ejercen fuerzas iguales

y opuestas uno sobre el otro, ¿por qué el conductor del automóvil económico es más

propenso a sufrir heridas graves que el conductor del camión?

El automóvil tiene una masa mucho más pequeña que el camión. Como resultado, la aceleración que

experimentará debido a la colisión es mucho mayor que la que experimentará el camión. Por ejemplo, si el

camión es diez veces más pesado que el automóvil, la aceleración que experimentará el automóvil será diez

veces mayor que la que experimentará el camión. Los dos conductores respectivos experimentarán la misma

aceleración que su vehículo. Si la masa del camión es diez veces mayor que la masa del automóvil, entonces el

conductor del automóvil experimentará una aceleración diez veces mayor que la del conductor del camión. La

segunda ley de Newton nos indica que una aceleración diez veces mayor implica que este conductor también

experimentará una fuerza diez veces mayor.

8. Dos equipos del juego del "Tirar de la cuerda" están bastante empatados. Cuando

tiran lo más fuerte que pueden, la soga que utilizan está a punto de romperse. Si su

objetivo era romper la soga, ¿cómo podría utilizar a los dos equipos para lograrlo?

Ate un extremo de la soga a un objeto sólido de gran tamaño, como por ejemplo el tronco de un enorme árbol.

Ahora pídales a los dos equipos que tiren de la cuerda en la misma dirección. Si los equipos tiran con la misma

fuerza que antes, la cuerda experimentará una fuerza dos veces mayor que en la competición de "estira y

afloja". El árbol tira hacia la otra dirección con la misma fuerza que los dos equipos ejercen sobre la cuerda.



incompletos.

1. Un alumno conecta un sensor de fuerza a un gran bloque sobre una superficie

nivelada. El alumno aumenta gradualmente la fuerza horizontal que ejerce el sensor

de fuerza sobre el bloque hasta que este comienza a moverse. Si el sensor de fuerza

registra un valor de 23,5 N en el instante en que el bloque comienza a moverse, ¿cuál

es el valor del tamaño de la fuerza que ejerce el bloque sobre el sensor de fuerza?

A. Menos de 23,5 N

B. 23,5 N

C. Más de 23,5 N

D. O más o menos de 23,5 N en función de la cantidad de fricción presente

2. La tierra ejerce una fuerza gravitacional descendente sobre un automóvil. La

reacción a esta fuerza es:

A. La fuerza ascendente del suelo sobre el automóvil

B. La fuerza descendente del automóvil sobre el suelo

C. La fuerza gravitacional ascendente del automóvil sobre la tierra



142 PS-2947

3. Un jugador de fútbol ejerce una fuerza de 86 N sobre una pelota de fútbol de 300 g

al patearla. La fuerza ejercida por la pelota de fútbol sobre el pie del jugador es de:

A. 0 N

B. 29,4 N

C. 43 N

D. 86 N

E. 170 N




1. Si un mariscal de campo ejerce una fuerza de 150 N [hacia el sur] sobre una pelota de

fútbol, entonces la fuerza de reacción es una fuerza de 150 N [hacia el norte] ejercida por la

pelota sobre el mariscal. Si el mariscal está en el aire al lanzar, la pelota se moverá hacia el sur y

el mariscal hacia el norte. El movimiento de la pelota será mucho más significativo debido a

que la masa de la pelota es mucho menor que la del mariscal.

2. La Tercera Ley de Newton habitualmente se expresa de la siguiente forma: Por cada

acción hay una reacción igual y opuesta. Estas fuerzas siempre ocurren de a pares que son

iguales en magnitud pero diferentes en dirección.


143


El siguiente diagrama muestra dos ensambles diferentes con un sistema dinámico, una

superpolea, un sensor de fuerza y una masa de 500 g. El propósito del carrito es sostener el

sensor de fuerza y asegurarse de que la fricción sea insignificante. Si suponemos que

g = 9,80 N/kg, prediga cuál será la lectura que el sensor de fuerza registrará en cada una de las

dos situaciones. Quizá los docentes deseen preparar primero el ensamble A y pedirles a los

alumnos que hagan una predicción. Luego, después de las predicciones, puede cambiar al

ensamble B. Nuevamente, pídales a los alumnos que hagan una predicción. En este momento,

algunos alumnos quizá deseen modificar su predicción del ensamble A. Después de ofrecer sus

predicciones y analizar los motivos de ellas, pueden realizarse las mediciones.

En cada caso, el sensor de fuerza registrará una lectura de 4,9 N. En la situación B, el soporte de

laboratorio tira hacia la izquierda del sensor de fuerza con una fuerza de 4,9 N, al igual que lo

hacía la masa de 500 g de la izquierda en la situación A.

500 g 500 g

500 g


145

Movimiento Armónico Simple

Objetivos

Este experimento examina un ejemplo de movimiento armónico simple. Una masa suspendida de

un resorte se tira hacia abajo, se la suelta y se la deja oscilar. Examinaremos lo siguiente:

Determinaremos la constante elástica al medir la extensión del resorte para cada una de las

tres masas distintas que se suspenden del resorte.

La relación entre la posición y el tiempo, la velocidad y el tiempo y la aceleración y el tiempo

para la masa en movimiento.

La relación entre el período de oscilación T, la constante elástica k y la masa oscilante m.


Los alumnos exploran el movimiento armónico simple al:

utilizar un sensor de fuerza y un metro para determinar la constante elástica de un resorte;

utilizar un sensor de movimiento y un sensor de fuerza para medir y registrar los datos de la

fuerza contra el tiempo, la posición contra el tiempo, la velocidad contra el tiempo y la

aceleración contra el tiempo para una masa que oscila en forma vertical;

comparar gráficos de fuerza contra el tiempo, posición contra el tiempo, velocidad contra el

tiempo y aceleración contra el tiempo para observar relaciones entre las cuatro medidas;

analizar un gráfico de posición contra el tiempo para determinar qué parámetros influyen

sobre el movimiento de un objeto oscilante.







Sistema de recolección de datos Pinza de ángulo recto

Sensor de fuerza Varilla corta

Sensor de movimiento Resorte

Metro Masas varias (al menos 3)

Soporte de varilla Balanza (una por clase)


146 PS-2947



Posición lineal, velocidad y aceleración

Fuerza

Determinación de la fuerza gravitacional sobre una masa en función del valor de la masa y la

fuerza del campo gravitacional

Constante elástica k y cómo determinarla al medir la fuerza y la extensión del resorte

Antecedentes

Generalmente, el movimiento armónico simple describe el movimiento ideal de un cuerpo o

sistema sujeto a una fuerza proporcional a la distancia desde alguna posición de equilibrio que

provoca que el cuerpo o el sistema se mueva de adelante hacia atrás a una sola frecuencia

natural alrededor de esa posición de equilibrio.

Contemple la masa m, suspendida en un resorte.

En reposo, o en su posición de equilibrio x0, la fuerza de gravedad descendente que actúa sobre la

masa está equilibrada por la fuerza ascendente que ejerce el resorte estirado.

Esta fuerza ascendente está dada por:

kxF Ecuación 1

Donde F es la fuerza, k es la constante elástica y x es la distancia que el resorte se estira desde

su posición de equilibrio x0. El signo negativo en la ecuación implica que la fuerza es una fuerza

restauradora que tira en la dirección opuesta a la fuerza que actúa sobre ella (en este caso, la

fuerza gravitacional sobre la masa conectada al resorte). Al tirar la masa hacia abajo una corta

distancia (o moverla una corta distancia hacia arriba) y soltarla, oscilará alrededor de su posición

de equilibrio. Hay tres formas de energía presentes: energía cinética, energía gravitacional

potencial y energía elástica potencial. En un sistema ideal perfecto en el que no hay resistencia

de aire ni fricción interna, la suma de estas tres energías sería constante. Asimismo, la teoría

pronostica que existe una relación entre la constante elástica k, el período de oscilación T y la

masa m:

Fk

Fg

x0 = 0

Resorte

m


147

k

mT 2 Ecuación 2

Si observamos los gráficos de fuerza neta, posición, velocidad y aceleración contra el tiempo para

la masa colgante, es sencillo observar relaciones entre las cuatro medidas. El gráfico de fuerza

neta contra el tiempo está en fase con el gráfico de aceleración contra el tiempo, lo cual

demuestra claramente la relación entre estas dos variables. Puede observarse fácilmente que el

gráfico de velocidad contra el tiempo está un cuarto de ciclo por detrás del gráfico de aceleración

contra el tiempo, y que el gráfico de posición contra el tiempo está un cuarto de ciclo por detrás

del gráfico de velocidad contra el tiempo.


Comience con la preparación que se muestra a continuación.

Las siguientes preguntas suponen que los alumnos ya conocen el hecho de que un gráfico de Fuerza

contra la Extensión para el resorte es lineal.

1. En esta actividad, se colocarán distintas masas en el extremo del resorte, una a la

vez, y se determinará el período de oscilación. ¿Cómo puede determinarse la constante

elástica k con estas masas?

Al medir la extensión del resorte para cada masa mientras está suspendida, como se muestra, y registrar la

fuerza que indica el sensor de fuerza. Luego, se grafica la extensión x en el eje horizontal y la fuerza f en el eje

vertical. La pendiente del gráfico resultante indicará la constante elástica k.

Ahora agregue un sensor de movimiento, tal como se muestra a continuación, y coloque la masa en

oscilación vertical.


148 PS-2947

2. ¿Qué dirección es positiva con respecto al sensor de movimiento?

Hacia arriba.

3. Si queremos que "hacia arriba" sea la dirección positiva también para el sensor de

fuerza, ¿qué dirección querríamos que sea positiva desde la perspectiva de agarrar el

sensor entrelazando sus bandas entre los dedos? ¿Empujar con el sensor o tirar con el

sensor?

Asegúrese de que el tirón sea positivo.

4. Si la masa en el extremo del resorte se reemplaza con una masa más pesada, ¿en

qué cambiaría la oscilación?

Después de obtener las predicciones de la clase, demuestre que la masa oscilante tendrá una menor

frecuencia (período más largo).

5. Si se utiliza un resorte más rígido, ¿en qué cambiaría la oscilación?

Después de obtener las predicciones de la clase, demuestre que un resorte más rígido provocaría una mayor

frecuencia (un período más corto).

6. ¿Cuál es la relación entre la frecuencia y el período de un objeto oscilante?

Son recíprocos.

Destaque que parece haber una relación entre el tamaño de la masa, la constante elástica del resorte y el

período de oscilación. Esta actividad explorará esta relación, además de otras características del

movimiento armónico simple.

k

mT 2



Nota para el docente: Si sus alumnos ya conocen la ley de Hooke y cuenta con resortes con valores conocidos

de k, puede omitir la primera parte de esta actividad de laboratorio.

Tenga suficientes masas disponibles como para que sus alumnos seleccionen al menos tres

masas por grupo, de forma tal que la más liviana estire el resorte al menos 10 cm. Evite que

las masas sean demasiado grandes, ya que estirarán el resorte en exceso hasta el punto en

que no regresará a su longitud original al retirar la masa. Se recomienda elegir una

combinación de resorte y masa que vibre con una frecuencia de entre 1 y 2 Hz.

Seguridad



149








Parte 1: Determinación de la constante elástica

Preparación



3. Conecte el sensor de fuerza al soporte de varilla con la varilla corta y la pinza de ángulo

recto.

Eleve la masa en

dirección recta y

luego quite

rápidamente la

mano para que la

masa comience a

oscilar.

3

Detenga la

recolección de

datos después de

registrar varios

ciclos completos.

4

Conecte el

sensor de fuerza

al soporte de

varilla con la

varilla corta y la

pinza de ángulo

recto.

1

Reinicie el sensor

de fuerza en cero

2

Compare el

gráfico de

Velocidad contra

el Tiempo y el

gráfico de Fuerza

contra el Tiempo

5


150 PS-2947

4. Suspenda el resorte desde el gancho del sensor de fuerza.

5. Presione el botón "cero" en el sensor de fuerza.

6. Coloque su sistema de recolección de datos en modo de muestreo manual con los datos

ingresados manualmente. Asigne el nombre "Extensión" a los datos ingresados

manualmente y asígneles el metro como unidad.

7. Coloque el metro cerca del resorte con la escala orientada para que los valores aumenten

en dirección descendente.

8. Suspenda la masa más liviana que haya elegido para esta actividad desde el extremo del

resorte y deje que se coloque en su posición de equilibrio.

Recolecte los Datos

9. Comience a registrar un conjunto de datos con muestras manuales.

10. Al comenzar con la primera masa, recolecte un valor de fuerza para cada valor de la

extensión ingresada por el usuario en unidades de metros (cambie de masa entre cada

valor que registra).

11. Una vez que haya registrado un valor de fuerza y extensión para cada masa, detenga la


Analice los Datos

12. Represente la Extensión en el eje X de un gráfico y la Fuerza en el eje Y.

13. Halle la pendiente de una recta óptima para los datos de Fuerza contra la Extensión. La

pendiente de la recta es la constante elástica k. Registre ese valor en el apartado de

Análisis de datos.


151

Parte 2: Masa oscilante con movimiento armónico simple en el extremo de un

resorte

Preparación

14. Coloque el sensor de movimiento debajo de la masa. En función de los materiales que

utilice, quizá deba colocar el soporte de varilla en el borde de una mesa y el sensor de

movimiento en el suelo.

15. Asegúrese de que el sensor de movimiento tiene el switch selector en la posición de

carrito.

16. Elija la masa más pequeña del grupo que ha elegido para esta actividad y cuélguela del

resorte. Ajuste la altura del sensor de fuerza para que la masa, en su punto más bajo

mientras oscila, esté al menos 15 cm por encima del sensor de movimiento.

17. Cambie la frecuencia de muestreo del sistema de recolección de datos a 25 Hz.

18. Represente la Fuerza (tirón positivo) y la Posición en el eje Y de un gráfico y el Tiempo en

el eje X.

Recolecte los Datos

19. Cuando la masa cuelgue inmóvil en su posición de equilibrio, presione el botón "cero" del

sensor de fuerza.

20. Eleve cuidadosamente la masa unos pocos centímetros y luego quite rápidamente la

mano para que la masa comience a oscilar en una línea vertical.

21. Comience con la recolección de datos y luego deténgala después de que la masa haya

realizado aproximadamente doce oscilaciones completas.


152 PS-2947

Analice los Datos

22. Bosqueje una copia de sus gráficos en los ejes gráficos en blanco de Posición contra el

Tiempo y Fuerza contra el Tiempo que se encuentran en el apartado de Análisis de datos.

23. Cambie la variable en el eje Y de Fuerza a Aceleración.


Tiempo y Aceleración contra el Tiempo que se encuentran en el apartado de Análisis de

datos.

25. En el sistema de recolección de datos, cambie la variable en el eje Y de Aceleración a

Velocidad.


Tiempo y Velocidad contra el Tiempo que se encuentran en el apartado de Análisis de

datos.

27. Con su gráfico de Posición contra el Tiempo y las herramientas de análisis de datos del

sistema de recolección de datos, determine el tiempo que le tomó al sistema de resorte y

masa para completar diez oscilaciones y luego registre ese valor en la Tabla 1 del

apartado de Análisis de datos.

28. Con su gráfico de Posición contra el Tiempo y las herramientas de análisis de datos del

sistema de recolección de datos, determine la amplitud de oscilación del sistema y luego

registre ese valor en la Tabla 1 del apartado de Análisis de datos.

Nota: La amplitud es el desplazamiento desde el punto de equilibrio, por lo cual deberá calcular la mitad de la

distancia desde un punto máximo hasta un punto mínimo.

29. Registre los datos para cada una de las masas que eligió y determine el tiempo que

requiere completar 10 oscilaciones y la amplitud de oscilación para cada masa.

30. Complete la Tabla 1 en el apartado de Recolección de datos.



153

Ejemplo de Datos

Parte 1: A continuación se muestra el gráfico de Fuerza contra la Extensión que se elaboró con

las masas de la actividad

Análisis de Datos

k = 12,8 N/m

Fuerza contra el Tiempo y Posición contra el Tiempo (500 g de masa)


154 PS-2947

Aceleración contra el Tiempo y Posición contra el Tiempo

Velocidad contra el Tiempo y Posición contra el Tiempo (500 g de masa)


155

Tabla 1: Masa y período medidos

Masa (kg) Tiempo para

completar

10 oscilaciones

(s)

Período de una

oscilación (s)

Frecuencia de

oscilación (Hz)

Amplitud de

oscilación (m)

0,500 12,6 1,26 0,79 0,102

0,700 14,8 1,48 0,68 0,122

1,000 17,6 1,76 0,57 0,146

1. La expresión que se muestra a continuación refleja la relación teórica entre la constante

elástica k, la masa m y el período de oscilación T.

k

mT 2

Para cada una de las masas utilizadas, calcule el período de oscilación teórico e ingrese

los valores en la Tabla 2. Luego, calcule el error porcentual en los valores medidos del

período para cada masa. Ingrese los valores de error porcentual en la Tabla 2.

0,500 kg2

12,8 N/m

1,24 s

Teor tico ExperimentalPorcentaje de error 100

Teor tico

1,24 s 1,26 sPorcentaje de error 100

1,24 s

Porcentaje de error 1,61%

T

T

é

é

Tabla 2: Masa y período teóricos

Masa (kg) k (N/m) Período teórico (s) Porcentaje de error

0,500 12,8 1,24 1,61%

0,700 12,8 1,47 0,680%

1,000 12,8 1,76 0,000%


156 PS-2947

2. La relación teórica supone que la masa del resorte es cero. En función de la masa y el

resorte que utilice, variará el tamaño de este error sistemático. Para corregir este error,

supondremos que la masa adicional que se agregó al sistema es aproximadamente igual a

1/3 de la masa del resorte.

3. Utilice una balanza para medir la masa del resorte y luego registre el valor a

continuación.

mresorte = 0,019 kg

4. Agregue un tercio de la masa del resorte a la masa total m que utilizó en sus cálculos

teóricos y luego vuelva a calcular nuevos valores teóricos corregidos para el período de

oscilación de cada masa, además del error porcentual asociado a sus valores medidos.

Registre los nuevos valores de masa y los resultados de sus cálculos en la Tabla 3.

T = 2p0,519 kg

12,8 N/m

T = 1,26 s

Porcentaje de error =Teorético - Experimental

Teorético´ 100

Porcentaje de error =1,26 s - 1,26 s

1,26 s´ 100

Porcentaje de error = 0,000%

Tabla 3: Masa y período

Masa + 1/3 de resorte

(kg)

k (N/m) Período teórico (s) Porcentaje de error

0,519 12,8 1,26 0,000%

0,719 12,8 1,49 0,676%

1,019 12,8 1,77 0,564%


157


1. Para determinar el período de oscilación del resorte, ¿por qué es mejor medir el

tiempo de 10 oscilaciones y luego dividir el valor por 10 en lugar de simplemente

medir el tiempo de una oscilación?

Es probable que la incertidumbre o el error en la medición reales sean los mismos en ambos casos. Como

porcentaje, este número será mucho mayor para una medida de oscilación que para las diez medidas de

oscilación.

2. ¿Por qué se aumentó la frecuencia de muestreo a 25 Hz para este experimento?

Las frecuencias de muestreo más elevadas nos brindan información más detallada en los gráficos resultantes.

Utilizar una frecuencia de muestreo más elevada garantiza que nuestro cálculo de dónde estarán los valores

máximos sea más preciso.

3. ¿Cuál de los gráficos de movimiento que resultó de las mediciones del sensor de

fuerza se relaciona de forma más estrecha con el gráfico de Fuerza contra el Tiempo?

El gráfico de Aceleración contra el Tiempo se relaciona de forma más estrecha con el gráfico de Fuerza contra

el Tiempo. Los dos gráficos están en fase. Debido a que se reinició el sensor de fuerza en cero cuando la masa

estaba en reposo en la posición de equilibrio, la lectura que brinde el sensor de fuerza indicará la fuerza neta

que actúa sobre la masa en cualquier instante. Debido a la segunda ley de Newton, sabemos que la aceleración

que experimenta un cuerpo es siempre en la misma dirección que la fuerza neta y es proporcional al tamaño de

la fuerza.

4. Describa la relación entre los gráficos de Posición contra el Tiempo, Velocidad

contra el Tiempo y Aceleración contra el Tiempo para la masa oscilante.

El gráfico de aceleración contra el tiempo está un cuarto de ciclo por delante del gráfico de velocidad contra el

tiempo, que a su vez está un cuarto de ciclo por delante del gráfico de posición contra el tiempo.

5. Las tres variables (posición, velocidad y aceleración) cambian constantemente;

pero debido a que el movimiento se repite una y otra vez, existen algunas relaciones

definidas.

a. ¿Cuál es el valor de la aceleración cuando la velocidad tiene su mayor

magnitud? ¿En qué momento sucede esto durante el ciclo de una oscilación?

Cero. Esto se produce mientras la masa se mueve a través de la posición de equilibrio o reposo (la posición que

ocupa cuando no está vibrando).

b. ¿Cuál es el valor de la velocidad cuando la aceleración tiene su mayor

magnitud? ¿En qué momento sucede esto durante el ciclo de una oscilación?

Cero. Esto se produce cuando la masa se encuentra en su punto más alto y en su punto más bajo en la

oscilación.

6. ¿En qué afectó la incorporación de un tercio de la masa del resorte al error

porcentual en sus valores medidos? ¿Cómo podría determinar o verificar un error

sistemático de esta naturaleza?

Las respuestas de los alumnos variarán, pero generalmente, el error debe reducirse al incorporar este cálculo

de la influencia de la masa del resorte. Una forma de determinar si el error es sistemático es hacer pruebas

repetidas para comparar la desviación estándar de las pruebas contra el error porcentual medido. Si la

desviación del error es mucho mayor que la desviación de la prueba, entonces esto indica un posible error

sistemático.


158 PS-2947



1. Si repitiera esta actividad sobre la superficie de la luna con los mismos equipos,

¿los resultados serían los mismos? Explique.

La fuerza de gravedad en la luna es de aproximadamente un sexto de la gravedad que hay en la Tierra. Por lo

tanto, la masa que se utilizó en esta actividad no extendería tanto el resorte. Sin embargo, el gráfico de Fuerza

contra la Extensión sería el mismo que en la Tierra, lo cual daría la misma constante elástica k. Como resultado,

esperaríamos obtener el mismo período de oscilación que en la Tierra y la misma relación entre T (el período),

m (la masa) y k (la constante elástica).

2. Si unos astronautas repitieran esta actividad en un transbordador espacial con los

mismos equipos, ¿los resultados serían los mismos? Explique.

Todo el contenido del transbordador, incluido el transbordador mismo, se encuentra en caída libre. Como

resultado, al colocar una masa en el extremo de un resorte, ya que el resorte no se extiende, es imposible que

la masa y el resorte ejerzan fuerzas uno sobre el otro. Por lo tanto, esta actividad no podría realizarse en un

transbordador espacial. Sin embargo, podría emplearse un resorte que permita que la masa quede firmemente

conectada y se mueva por extensión y compresión. Puede utilizarse una balanza inercial para determinar la

masa de un objeto en caída libre.

3. Los resortes desempeñan un papel importante en los sistemas de suspensión para

que los automóviles permitan viajar cómodamente a los pasajeros. Sin embargo, estos

sistemas de suspensión también incluyen amortiguadores. ¿Cuál es su función?

El resorte se comprime cuando una rueda se topa con un obstáculo en el camino. Esto mantiene a la rueda en

contacto con el camino y disminuye el impacto para los pasajeros. Sin embargo, si estos resortes siguen

oscilando, sería difícil controlar el vehículo. Los amortiguadores permiten que se produzca la oscilación, pero

que se extinga después de una oscilación o dos.



incompletos.


159

El gráfico anterior muestra la posición de una masa a medida que oscila de forma

vertical en el extremo de un resorte con un movimiento armónico simple. Cinco

puntos muestran distintas posiciones de la masa durante la oscilación. Suponga que

hacia arriba es la dirección positiva y hacia abajo la negativa.

1. ¿En qué posición la aceleración de la masa es igual a cero?

A. A

B. B

C. C

D. D

E. E

2. ¿En qué dos posiciones la aceleración de la masa es negativa o descendente?

A. A y B

B. B y D

C. D y E

D. A y E

E. B y E

3. ¿En qué dos posiciones la fuerza neta es positiva o ascendente?

A. A y B

B. B y C

C. C y D

D. D y E

E. A y E

4. ¿En qué posición la fuerza neta es igual a cero?

A. A

B. B

C. C

D. D

E. E

5. ¿En qué posición se produce la máxima magnitud de la velocidad de la masa

(cuando la masa se mueve con su mayor velocidad)?

A. A

B. B

C. C

D. D

E. E


160 PS-2947

6. ¿Qué punto representa el mayor desplazamiento desde la posición de reposo?

A. A

B. B

C. C

D. D

E. E

7. ¿Cuál de las siguientes acciones aumentaría el período de oscilación?

A. Aumentar la masa

B. Disminuir la masa

C. Utilizar un resorte con un valor k más bajo

D. Tanto A como C son correctas

E. Tanto B como C son correctas

8. ¿En qué posición la velocidad y la aceleración se producen en la misma dirección?

A. A

B. B

C. C

D. D

E. E




1. Para un sistema de masa oscilante y resorte, un gráfico de la fuerza neta que actúa sobre la

masa contra el tiempo estará en fase con un gráfico de aceleración contra el tiempo para la

misma masa. Los dos factores que afectan el período de oscilación de un sistema de masa y

resorte son la magnitud de la masa y la constante elástica del resorte. Si la masa de un

sistema de masa oscilante y resorte se aumenta a cuatro veces su masa original, el período de

oscilación cambiaría en un factor de dos.


161


Si el tiempo lo permite, los alumnos pueden repetir la actividad con un resorte que tenga otra

constante elástica.

Una segunda alternativa sería estudiar un péndulo simple compuesto por una masa suspendida

de una cuerda. Puede explorar la relación entre el tamaño de la masa, la longitud del resorte y el

período del péndulo.

Pídales a los alumnos que calculen la frecuencia angular de cada masa:

f 2


163

La Temperatura Frente el Calor

Objetivos

Los alumnos logran adquirir un conocimiento fundamental de la relación entre la transferencia

de calor y los cambios de temperatura en las sustancias. Esta actividad está diseñada para

brindarles a los alumnos un conocimiento sobre:

la forma en que objetos distintos tienen la capacidad de transferir distintas cantidades de calor

a una solución, si bien comienzan con la misma temperatura;

la forma en que la temperatura de soluciones distintas cambia con una cantidad idéntica de

calor transferida a cada solución;

la capacidad de una solución u objeto de transferir calor y cómo esa transferencia se relaciona

con aumentos/descensos de temperatura.


En esta investigación, sus alumnos adquirirán experiencia con las siguientes herramientas y

técnicas:

Identificación y control de las variables correctas en un experimento

Medición del cambio en la temperatura de un sistema con base en un gráfico

Definición de la relación entre la temperatura y el calor con base en los datos







Sistema de recolección de datos Placa calefactora

Sensor de temperatura (2) Balanza (1 por clase)

Vaso calorímetro1 (2) Aceite vegetal, 500 g

Masa de cobre1, 200 g (2) Agua, 500 g

Masa de aluminio1, 200 g (2) Cuerda, 15 cm (4)

Vaso de precipitado de 600 mL Clip para papeles (2)

1 Parte del Juego de Calorimetría Básica


164 PS-2947



Energía cinética

Conservación de la energía

Temperatura

Calor

Antecedentes

La materia, ya sea en estado líquido, sólido o gaseoso, se compone de partículas en movimiento.

La energía cinética promedio de estas partículas se relaciona con la temperatura. Debido a que

no puede medirse directamente la energía cinética de cada una de las partículas individuales, se

emplean escalas de temperatura, tales como las escalas Celsius y Fahrenheit, a nivel

macroscópico para medir la temperatura.

La energía térmica, o energía interna, de un material, incluye la energía cinética de los átomos o

moléculas y la energía potencial entre los átomos y las moléculas. El calor es una medida de la

energía que se transfiere desde un material más caliente a otro más frío. El calor continuará

fluyendo desde los materiales calientes hacia los fríos hasta que la temperatura de los materiales

sea la misma.


Anime a los alumnos a relacionar los conceptos de temperatura, energía térmica y calor con sus

experiencias en el mundo real.

Antes de comenzar la demostración, llene con agua un envase transparente de un galón y un envase

transparente del tamaño de un vaso y deje que alcancen la temperatura ambiente. Utilice un sensor de

temperatura para medir la temperatura ambiente. Luego, pregunte a los alumnos lo siguiente:

1. Al medir la temperatura ambiente, ¿qué estoy midiendo en verdad?

La energía cinética promedio de las partículas del aire.

2. ¿Es posible que un vaso de agua y un galón de agua tengan la misma temperatura?

Sí.

Utilice dos sensores de temperatura (si los tiene) para demostrar que tanto el galón como el vaso tienen

la misma temperatura (ambiente).

3. Si es así, ¿tienen la misma cantidad de energía térmica? ¿Por qué?

No, porque el galón de agua tiene más partículas con energía.

Nota: Una analogía de esto es la energía cinética. Dos objetos pueden tener la misma velocidad, pero el que

tiene más masa emitirá más energía cinética.


165

4. Si es así, ¿pueden transferir la misma cantidad de calor? ¿Por qué?

No, porque el galón de agua tiene más energía interna para transferir debido a que tiene más partículas con

energía.

5. ¿Qué tiene más energía térmica? ¿Un iceberg o un vaso de agua? ¿Por qué?

El iceberg tiene más energía térmica porque contiene una cantidad considerablemente mayor de partículas con

energía, a pesar de que en promedio tiene una menor cantidad de energía.

6. ¿Qué puede transferir más calor? ¿Un iceberg o un vaso de agua?

El iceberg puede transferir más calor porque contiene más energía térmica.

Genere tres pantallas digitales de temperatura, una para cada escala (Fahrenheit, Celsius y Kelvin).

7. ¿Qué escala ha estado utilizando hasta el momento?

Celsius.

8. En un salón como este (a una atmósfera de presión), ¿qué le sucede al agua a 0 °C y

a 100 °C?

El agua se transforma en hielo (en un sólido) o hierve (se convierte en gas).

9. Entonces, esta escala es empírica. ¿Qué supone que sucederá cuando la

temperatura llegue a cero K?

Esto es cuando las partículas tienen una energía cinética de cero.



1. Coloque agua y aceite vegetal en los envases, uno al lado del otro en la misma área del

laboratorio.

Nota: Algunos vasos aislantes permiten que el aceite se filtre. No utilice los vasos aislantes para

almacenamiento a largo plazo.

Seguridad


laboratorio:

No toque directamente los elementos calientes tales como la placa calefactora, el vaso de

precipitado y el agua.

Mantenga el agua en ebullición lejos de otros equipos eléctricos tales como las computadoras.

Utilice un delantal, anteojos y guantes según lo recomiende el docente.


166 PS-2947








Parte 1: Materiales diferentes en el mismo líquido

Preparación

1. Mida y registre la masa de una muestra de cobre y otra de aluminio en el apartado de

Análisis de datos.

2. ¿Por qué cree que es importante que la masa sea similar en las muestras de aluminio y

de cobre?

La masa de las muestras es una de las variables que se controlan.

3. Ate aproximadamente 15 cm de cuerda a cada una de las masas metálicas.

4. Coloque cuidadosamente las masas en el vaso de precipitado de 600 mL con la cuerda

colgando por encima del borde del vaso.

5. Corte el exceso de cuerda y deje solo lo suficiente para que pueda levantar las masas de

manera segura más adelante.

6. Vierta una cantidad de agua suficiente en el vaso de precipitado como para sumergir las

masas.

7. Coloque el vaso de precipitado en la placa calefactora y luego enchufe y encienda la placa.

Cree un gráfico

de Temperatura

contra Tiempo.

1

Detenga la

recolección de

datos una vez

que se nivele la

temperatura.

3

Halle la

diferencia entre

la temperatura

inicial y la final.

4

Saque la masa

del baño de agua

caliente y

colóquela en el

líquido a

temperatura

ambiente.

2


167

8. Coloque la misma cantidad de agua en cada vaso calorímetro.

Nota: El nivel del agua debe ser lo suficientemente alto como para que la muestra metálica se sumerja por

completo al colocarla en el vaso, pero no tan alto como para que el agua se derrame.

9. Utilice clips para papeles para conectar un sensor de temperatura a cada vaso

calorímetro de modo tal que la punta de cada sensor quede sumergida en el agua pero no

toque la pared del vaso.

10. ¿Por qué cree que es importante que la masa del agua sea la misma?

La masa del líquido es una de las variables que se controlan.

11. ¿Por qué cree que es importante utilizar vasos calorímetros de gomaespuma para este

experimento?

Intentamos minimizar (controlar) la cantidad de calor que se filtra al ambiente.


13. Conecte los sensores de temperatura al sistema de recolección de datos.

14. Represente las mediciones de temperatura en el eje Y de un gráfico y el Tiempo en el

eje X.

15. ¿Cuál es un buen método para asegurarse de que la temperatura del agua sea la misma

en todos los vasos?

Verter el agua de un vaso a otro.

16. Asegúrese de que la temperatura del agua en los vasos calorímetros sea la misma.

17. ¿Por qué cree que es importante que la temperatura del agua sea la misma?

La temperatura del líquido es una de las variables que se controlan.

Nota: Recuerde asegurarse de que la masa del agua en todos los vasos sea la misma.

Recolecte los Datos

18. Cuando el baño de agua comience a hervir, comience con la recolección de datos.

Nota: Mantenga caliente el baño de agua para la Parte 2.

19. Transfiera cuidadosamente las masas del baño de agua a los vasos calorímetros y coloque

una masa en cada vaso. Una masa en cada vaso

20. Después de algunos minutos, cuando se nivele el gráfico de Temperatura contra el

Tiempo, detenga la recolección de datos.


168 PS-2947

Analice los Datos

21. Para cada muestra metálica, halle la temperatura inicial (mínima) del agua y la

temperatura final (máxima) del agua y regístrelas en la Tabla 1 del apartado de Análisis

de datos.

Parte 2: Materiales similares en diferentes líquidos

Preparación

22. Mida y registre la masa de dos muestras del mismo metal en el apartado de Análisis de

datos.

23. ¿Por qué cree que es importante que las muestras sean del mismo material y tengan la

misma masa?

Para esta parte de la actividad de laboratorio, el tipo de material y la masa son variables que se controlan.

24. Ate aproximadamente 15 cm de cuerda a cada una de las masas metálicas.

25. Coloque cuidadosamente las masas en el vaso de precipitado de 600 mL con agua

caliente, con la cuerda colgando por encima del borde del vaso.

26. Corte el exceso de cuerda y deje solo lo suficiente para que pueda levantar las masas de

manera segura más adelante.

27. Encienda la placa calefactora para que el agua comience a hervir nuevamente.

28. Coloque el aceite vegetal en uno de los vasos calorímetros y la misma masa de agua que

el aceite vegetal en el otro vaso calorímetro.

Nota: El nivel del líquido debe ser lo suficientemente alto como para que la muestra se sumerja por completo al

colocarla en el vaso, pero no tan alto como para que el líquido se derrame.

29. Utilice clips para papeles para conectar un sensor de temperatura a cada vaso

calorímetro de modo tal que la punta de cada sensor quede sumergida en el líquido pero

no toque la pared del vaso.

30. Monitoree la temperatura de los vasos sin registrarla.

31. ¿Por qué cree que es importante que la masa de los líquidos sea la misma?

En esta parte de la actividad de laboratorio, la masa del líquido es una de las variables que se controlan.

32. ¿Cuál es un buen método para asegurarse de que la temperatura del líquido sea la misma

en todos los vasos?


169

Utilizar agua y aceite vegetal que hayan estado en el mismo lugar del salón durante varias horas, o agregar

pequeñas cantidades de agua caliente o fría hasta que el agua sea igual al aceite vegetal.

33. Ajuste la temperatura del agua para que sea igual a la del aceite vegetal.

34. ¿Por qué cree que es importante que la temperatura de los líquidos sea la misma?

La temperatura de los líquidos es una de las variables que se controlan.

35. Detenga el monitoreo de los datos en vivo y regrese a su pantalla de gráficos.

Recolecte los Datos

36. Cuando el baño de agua comience a hervir, comience con la recolección de datos.

37. Apague la placa calefactora.

38. Transfiera cuidadosamente las masas del baño de agua a los vasos calorímetros y coloque

una masa en cada vaso.

39. Después de algunos minutos, cuando se nivele el gráfico de Temperatura contra el

Tiempo, detenga la recolección de datos.

Analice los Datos

40. Para cada muestra líquida, halle la temperatura inicial (mínima) y la temperatura final

(máxima) y registre esos valores en la Tabla 3 del apartado de Análisis de datos.



170 PS-2947

Ejemplo de Datos


171

Análisis de Datos

Parte 1: Masa de las muestras metálicas

Masa de aluminio: 200 g Masa de cobre: 200 g

Tabla 1: Diferentes muestras metálicas

Muestra metálica Temperatura inicial (°C) Temperatura final (°C)

Agua con aluminio 21,2 32,9

Agua con cobre 21,3 25,2

1. Calcule el cambio de temperatura para cada muestra e ingrese el cambio en la Tabla 2.

Tabla 2: Cambio en la temperatura, Parte 1

Muestra Cambio en la

temperatura (°C)

Agua con aluminio 11,7

Agua con cobre 3,9

Parte 2: Masa de las muestras metálicas

Masa de la muestra 1: 200 g Masa de la muestra 2: 200 g

Tabla 3: Diferentes líquidos, Parte 2

Líquido Temperatura inicial (°C) Temperatura final (°C)

Aceite vegetal 21,8 29,8

El agua 21,1 25,3

2. Calcule el cambio de temperatura para cada muestra e ingrese el cambio en la Tabla 4.

Tabla 4: Cambio en la temperatura, Parte 2

Muestra Cambio en la

temperatura (°C)

Aceite vegetal 8,0

El agua 4,2


172 PS-2947


1. En cada caso, al comenzar con un metal que estaba caliente y un líquido a

temperatura ambiente, ¿qué le sucedió a la temperatura del líquido? ¿Qué indica esto

acerca del flujo de calor?

En cada caso, la temperatura del líquido aumentó, lo cual indica que había aumentado su energía interna. Por lo

tanto, el calor debe fluir desde la muestra metálica caliente hacia el líquido frío.

2. ¿Cómo se compara el cambio en la temperatura del agua para los diferentes

metales sumergidos en la misma cantidad de agua?

El cambio en la temperatura del agua con la muestra de aluminio es aproximadamente tres veces superior al

cambio de temperatura del agua con la muestra de cobre (con base en los datos de la muestra).

3. El cambio de temperatura del agua representa el cambio en la energía interna del

agua. Compare la cantidad de calor que emiten las diferentes muestras metálicas

sumergidas en agua. Explique su respuesta.

Debido a que el calor es la cantidad de energía transferida y la temperatura se relaciona con la cantidad de

energía en un material, se transfirió más energía en el sistema de agua y aluminio que en el sistema de agua y

cobre.

4. La temperatura inicial de las muestras metálicas y la temperatura inicial del agua

en los vasos era la misma. Debido a que la temperatura final del agua en los distintos

vasos es diferente, ¿qué le indica esto acerca de la energía interna de las muestras

metálicas cuando se encuentran a la misma temperatura en el baño de agua?

Explique.

El aluminio logró emitir más energía hacia el agua, por lo cual debe tener más energía interna que el cobre, si

bien ambos comenzaron con la misma temperatura.

5. ¿Qué le indica la respuesta de la pregunta anterior acerca de la temperatura y el

calor de dos metales distintos?

Dos metales distintos de la misma masa pueden tener la misma temperatura pero distintas energías internas y

distintas capacidades de emitir calor.

6. ¿Cómo se compara el cambio en la temperatura para el mismo metal sumergido en

diferentes líquidos?

El cambio en la temperatura del aceite vegetal es tres veces superior al cambio de temperatura del agua, pero

tardó mucho más en producirse (con base en los datos de la muestra).

7. Las muestras de cobre son del mismo material y tienen la misma temperatura

inicial. Por lo tanto, deben comenzar con la misma energía interna. Compare cómo el

calor de las muestras metálicas afecta los líquidos en los que se sumergen. Explique su

respuesta.

La misma cantidad de energía que emite el cobre provoca que el aceite aumente su temperatura más que el

agua, por lo cual diferentes líquidos tienen diferentes capacidades de absorber calor.


173



1. ¿Cuál es la diferencia entre el calor y la temperatura?

El calor es la cantidad de energía que emite un objeto caliente a un objeto frío, mientras que la temperatura es

una medida de la cantidad de calor en un objeto.

2. Imagine que tiene dos muestras de cobre, una de 100 g y otra de 200 g, cada una a

una temperatura de 85 °C. Si cada muestra se coloca en un vaso con agua a

temperatura ambiente, ¿qué vaso tendrá la mayor temperatura después de que ambos

lleguen a su punto de equilibrio? Explique.

La muestra de 200 g tendrá una mayor temperatura porque tiene dos veces más calor para emitir hacia el agua.

La muestra de 200 g tiene dos veces más masa. Por lo tanto, la cantidad de calor almacenado en la masa de

200 g será dos veces mayor que la almacenada en la muestra de 100 g.



incompletos.

1. Una masa de cobre de 200 g a 150 °C se coloca sobre una masa de aluminio de 400 g

a 20 °C. La energía interna del aluminio aumenta porque:

A. El calor se transfiere del aluminio al cobre.

B. El calor se transfiere del cobre al aluminio.

C. Aumenta la energía cinética promedio del cobre.

D. Comienza a derretirse.

2. ¿Cuál de las siguientes descripciones es la que mejor se aplica al calor?

A. La cantidad de energía cinética traslacional en un material.

B. La energía cinética promedio en un material.

C. La energía total en un material.

D. La transferencia de energía de un material a otro sin realizar ninguna

acción.


174 PS-2947




1. Dos escalas comunes de temperatura que se utilizan en la ciencia son las escalas de Kelvin y

Celsius. La temperatura se relaciona con la energía cinética promedio de las partículas de un

material. La energía cinética depende de la masa y la velocidad de las partículas. Las

partículas se mueven de distintas formas. Algunas partículas pueden tener un movimiento

traslacional o en línea recta, mientras que otras pueden vibrar o incluso girar.

2. El término "calor" se utiliza libremente en el lenguaje cotidiano. Sin embargo, en la ciencia,

se relaciona específicamente con la transferencia de energía de un material a otro. Algunas

veces, el término "calor" se utiliza indistintamente con el término "energía térmica". De hecho, la

energía térmica es la cantidad total de energía contenida en un material. El calor se transfiere

de forma espontánea de un objeto caliente a un objeto frío.


Contemple distintas variaciones de esta actividad de laboratorio:

Utilice masas de plomo en lugar de masas de cobre y aluminio.

Utilice diferentes cantidades de cada masa. Por ejemplo, masas de 100 g o 400 g en lugar de

masas de 200 g.

Utilice diferentes cantidades de cada líquido.


175

Ley de Hooke

Objetivos

Este experimento identifica la relación entre la extensión de un resorte y la fuerza resultante que

se requiere para extender el resorte, también conocida como la Ley de Hooke.



Medición y registro de la extensión de un resorte y la fuerza aplicada para extenderlo.

Dibujo de un gráfico de Fuerza frente a la Distancia (extensión del resorte).

Derivación de una relación entre la fuerza y la extensión.







Sistema de recolección de datos Resorte

Sensor de fuerza Metro



Conversiones métricas: específicamente de centímetros a metros

Fuerza, específicamente en forma de "empuje" o "tirón"

Ley de Hooke

176 PS-2947

Antecedentes

Los resortes son dispositivos muy útiles para las máquinas modernas, desde juguetes hasta

automóviles. Uno de los resortes más comunes es el resorte helicoidal, que generalmente está

hecho de metal. Los resortes helicoidales pueden comprimirse (acortarse), extenderse (alargarse)

o ambos. Limitaremos esta investigación en particular a los resortes de extensión. En este

trabajo de laboratorio, se derivará la Ley de Hooke sobre los resortes:

kxF

en la cual F es la fuerza del resorte, k es la constante elástica y x es la longitud de la extensión.

La longitud de la extensión x se mide desde la posición de equilibrio (sin extender) en la que

ninguna fuerza empuja ni tira del resorte.

Para muchos resortes, la Ley de Hooke no se aplica en los casos extremos: cuando el resorte se

extiende o se comprime muy poco y cuando se extiende o se comprime demasiado. En la región

entre estos dos extremos, los resortes generalmente cumplen con la Ley de Hooke. A un resorte

teórico que cumple con la Ley de Hooke se lo llama resorte "ideal". Asimismo, comparar la forma

en que distintos resortes helicoidales pueden extenderse o comprimirse debería ayudar a

determinar la constante elástica del resorte.


Fomente la participación de los alumnos al sostener un resorte de forma horizontal y estirarlo

repetidamente.

1. Observe qué sucede al estirar este resorte. ¿Qué se observa que pueda medirse?

El resorte se alarga.

Guíe a los alumnos para que concluyan que es necesario medir la extensión del resorte.

2. ¿Qué medimos? ¿Cuál debe ser nuestro instrumento de medición? ¿En qué

unidades realizaremos nuestras mediciones?

Medimos el desplazamiento y la distancia. Nuestro instrumento de medición es un metro. Utilizaremos

centímetros como unidad de medida.

Guíe a los alumnos la conversión de centímetros a metros.

3. ¿Cuál es la unidad de medición estándar para el desplazamiento y la distancia?

¿Cómo convertimos centímetros a metros?

Los metros son la unidad de medición estándar. Divida los metros por 100 cm/m para obtener centímetros.

Guíe a los alumnos para que concluyan que es necesario medir la fuerza aplicada al resorte.

4. ¿Qué debo hacer para estirar el resorte? ¿Qué instrumento utilizaría para medir

esto? ¿En qué unidades se realizará esta medición?

Tire del resorte. Utilice un sensor de fuerza para medirla en newtons.


177



Si bien esta actividad no requiere una preparación específica del laboratorio, asigne 10 minutos a

fin de reunir el equipo necesario para realizar el trabajo de laboratorio.

Seguridad

Incorpore estas precauciones importantes de seguridad a sus procedimientos habituales de laboratorio:

No deje que los alumnos tiren de los resortes hasta su extensión máxima, ya que estos podrían

volver bruscamente a su posición normal y golpear a los alumnos en los ojos.








Preparación



3. Sostenga el sensor de forma horizontal sin colocar nada en el gancho y pulse el botón

"cero" en la parte superior del sensor.

4. Ancle un extremo del resorte y conecte el otro extremo al gancho del sensor de fuerza.

Mida y registre la

extensión de un

resorte y la

fuerza requerida

para extenderlo.

2

Prepare el

dispositivo de

recolección de

datos para medir

la fuerza con el

sensor de fuerza.

1

Derive una

relación entre la

fuerza y la

extensión.

5

Convierta los

datos de la

extensión de

centímetros a

metros.

3

Dibuje un gráfico

de Fuerza frente

a la Distancia

expresado en

metros.

4

Ley de Hooke

178 PS-2947

5. Coloque el metro sobre la mesa de forma paralela al resorte, de tal manera que la parte

trasera del sensor de fuerza quede alineada con la línea de 0 m del metro.

6. Coloque su sistema de recolección de datos en modo de muestreo manual con los datos

ingresados manualmente. Asigne el nombre "Distancia" a los datos ingresados

manualmente y asígneles el metro como unidad.

7. Tire despacio del sensor de fuerza hasta que el resorte llegue cómodamente a su máxima

extensión. Mida cuánto se extiende el resorte desde su longitud original (sin extenderse).

Divida esta cifra por 10. Esta será la longitud incremental que logrará el resorte al

extenderse entre cada medición de fuerza. Por ejemplo: si el resorte se extiende 20 cm, al

dividirlo por 10 obtenemos 2 cm. Los valores de extensión colocados en la Tabla 1 serían:

2 cm, 4 cm, 6 cm, etc.

Recolecte los Datos

8. Comience a registrar el conjunto de datos con las muestras manuales.

9. Tire del sensor de fuerza para extender el resorte hasta la primera extensión intermedia

y luego registre el primer punto de datos de fuerza de muestra manual. Ingrese

manualmente la distancia correspondiente a la que se estiró el resorte.

10. Mientras mantiene el extremo anclado del resorte en su lugar, tire del sensor de fuerza

de forma paralela al metro y extienda el resorte a la extensión intermedia que calculó

anteriormente. Mantenga el sensor en su lugar.

11. Registre otro punto de datos con muestra manual con el resorte en su longitud extendida

actual.

Ingrese manualmente la longitud de extensión correspondiente que indica el metro.

12. Repita los pasos anteriores hasta que haya alcanzado la longitud de extensión máxima

del resorte.


Analice los Datos

14. Represente la Fuerza con tirón positivo en el eje Y de un gráfico y el Tiempo en el eje X.


179

15. ¿Por qué utilizamos el tirón positivo en lugar del empuje positivo como la dirección del

vector de fuerza?

El vector de desplazamiento aumenta (es positivo) en la dirección de la extensión del resorte. El uso de la

medición del tirón positivo alinea la dirección positiva del desplazamiento y los vectores de fuerza.

16. Cambie la variable del eje X a los datos de Distancia ingresados manualmente.

17. Bosqueje el gráfico de Fuerza frente a la Distancia en el apartado de Análisis de datos.

18. ¿La relación entre la fuerza y la distancia es lineal?

Sí, parece ser una relación lineal.

19. Con su sistema de recolección de datos, encuentre la pendiente de una recta óptima del

gráfico de Fuerza frente a la Distancia.


Análisis de Datos

Tabla 1: Fuerza y distancia

Distancia (m) Fuerza (N)

0,04 0,61

0,08 0,75

0,12 0,87

0,16 0,98

0,20 1,13

0,24 1,27

0,28 1,45

0,32 1,56

0,36 1,74

0,40 1,85

Ley de Hooke

180 PS-2947

Fuerza frente a la Distancia


1. Escriba bmxy la ecuación de la recta óptima de su gráfico.

Ejemplo de respuesta: F = 3,50x + 0,452

2. ¿Cuál es el significado físico de la pendiente?

La pendiente representa la constante elástica, o la cantidad de fuerza requerida para extender el resorte una

unidad de distancia.

3. ¿Cuáles son las unidades para la pendiente?

N/m

4. ¿Cuál es el significado físico de la intersección con el eje vertical? Si no hay

ninguna intersección con el eje vertical, explique por qué.

Se espera que la intersección con el eje vertical sea cero. Si no se aplica ninguna fuerza al resorte, no debe

haber ninguna extensión ni compresión. Esto sería verdadero para un resorte ideal, pero para los resortes

reales existe una parte no lineal de la extensión al comienzo; este punto le brinda una aproximación del punto

en que el resorte pasa de un comportamiento no lineal a uno lineal.

5. Si el sensor de fuerza tira en la dirección positiva, ¿en qué dirección tira el

resorte?

La fuerza ejercida por el resorte debe ser en la dirección opuesta (o negativa), o en oposición al cambio en el

desplazamiento.


181

6. Si observáramos un resorte de compresión para medir el desplazamiento como

positivo en la dirección de la compresión, y la fuerza como un empuje positivo, ¿en

qué dirección empuja el resorte?

El resorte empuja en dirección negativa, de nuevo en oposición al cambio en el desplazamiento.

7. Sobre la base de las respuestas anteriores, ¿puede escribir una ecuación que

describa generalmente la fuerza ejercida por un resorte ideal a medida que se

extiende o se comprime utilizando la k para representar la constante elástica?

kxF

8. Pídale al docente el valor teorético de la constante elástica. Encuentre el error

porcentual entre el valor aceptado y su valor experimental de la constante elástica.

Explique la diferencia, si la hubiera.

teor tico experimental

teor tico

Porcentaje de error 100

3,60 N/m 3,50 N/mPorcentaje de error 100 2,78%

3,60 N/m

é

é

k k

k

Además del error humano, las diferencias principales pueden surgir de la recolección de datos más allá de la

región de elasticidad lineal. Para los resortes más rígidos, se necesita una fuerza de carga para llevar el resorte

a la región de elasticidad lineal. Si los alumnos no reconocen esto y lo incluyen en sus cálculos, surgirá una

constante elástica mayor.



1. Para un resorte ideal como el que utilizó en su trabajo de laboratorio, ¿cuál sería

la constante elástica si se mide una fuerza de –5,0 N al tirar del resorte 4 cm?

x

Fk

5,0 N125 N/m

0,04 m

125 N/m

k

k

2. El mismo resorte (que en la pregunta anterior) se estira a 7 cm. ¿Qué fuerza

requiere esto?

kxF

125 N/m 0,07 m 8,75 NF

3. Sobre la base de las respuestas de las preguntas anteriores, ¿cuál es la relación

entre la fuerza elástica o la fuerza del resorte y la extensión?

Directamente proporcional o lineal.

Ley de Hooke

182 PS-2947

4. El sistema de suspensión de un automóvil contiene un resorte. ¿Cómo se

compararía la pendiente de un gráfico de Fuerza frente a la Distancia para este

resorte con la pendiente del gráfico de Fuerza frente a la Distancia en este

experimento? Explique.

La pendiente sería más pronunciada porque la constante elástica sería mayor.



incompletos.

1. Un resorte se estira a diferentes longitudes. Si la fuerza aplicada se grafica en el

eje vertical de un gráfico y la extensión se grafica en el eje horizontal, ¿qué representa

la pendiente?

A. Impulso total

B. Amplitud

C. Energía elástica potencial

D. Constante elástica

2. N/m es la unidad de...

A. Torsión

B. Amplitud

C. Constante elástica

D. Energía elástica potencial

3. Para esta pregunta, suponga que el resorte tiene una masa insignificante. Un

resorte está suspendido en forma vertical del techo de un elevador que se mueve hacia

arriba con velocidad constante. Cuando una masa de 200 g se conecta al extremo

inferior del resorte, este se estira 1 cm. ¿Qué valor es el más cercano a la constante

elástica?

A. 200 N/m

B. 20 N/m

C. 2 N/m

D. 2000 N/m

4. El mismo sistema de la pregunta anterior ahora acelera hacia arriba a 2 m/s2.

¿Cuál es el desplazamiento de la masa en el resorte con respecto a su longitud original

"sin estirarse"?

A. 0,012 m

B. 1,2 m

C. 0,120 m

D. 0,001 m


183




1. Se aplica una fuerza a un extremo de un resorte ideal mientras el otro extremo queda

anclado en el lugar. La fuerza aplicada provoca que el resorte se estire. A medida que aumenta

la fuerza, también lo hace la extensión del resorte. Un gráfico de esta fuerza aplicada frente a la

extensión correspondiente del resorte mostrará una relación lineal. La pendiente de una recta

óptima de estos datos representa la constante elástica del resorte. La intersección con el eje Y

de la recta óptima debe ser aproximadamente igual a cero. Esta relación entre la fuerza y la

extensión de un resorte es un ejemplo de la Ley de Hooke.


Una extensión natural de este trabajo de laboratorio incluye el estudio de:

El módulo de compresibilidad de los materiales y cómo estos reaccionan a la compresión

El módulo de Young y las propiedades de esfuerzo/tensión de los materiales lineales, tales

como los cables

Combinación de resortes: paralelos y en serie

Utilice un sensor de fuerza y un sensor de movimiento circular para observar la parte no lineal

del resorte al estirarse por primera vez


185

Ley de Inducción de Faraday

Objetivos

En este experimento, los alumnos observan la fuerza electromotriz que se genera al pasar un

imán por una bobina. Los alumnos explorarán la relación entre:

La cantidad de vueltas de la bobina y la magnitud de la fuerza electromotriz

La tasa de variación del flujo magnético en virtud del tamaño del campo magnético en

movimiento y la magnitud de la fuerza electromotriz

La tasa de variación del flujo magnético en virtud de la velocidad del campo magnético en

movimiento y la magnitud de la fuerza electromotriz


Los alumnos adquieren experiencia en la medición de un voltaje que varía continuamente

durante muy poco tiempo. Este trabajo de laboratorio se concentra especialmente en el método

científico para aislar una variable. En cada una de las tres partes, los alumnos aíslan y modifican

una única variable para determinar el efecto que tiene sobre el resultado.







Sistema de recolección de datos Pinza de tres dedos

Sensor de voltaje Papel

Bobinas de 200, 400 y 800 vueltas Cinta

Imanes de diferente potencia (3) Bolígrafo o lápiz

Soporte de varilla Almohadilla antirrebote (opcional)

Ley de inducción de Faraday

186 PS-2947



Voltaje o fuerza electromotriz

Corriente

Campos magnéticos

Aceleración debido a la gravedad

Antecedentes

Michael Faraday (1791 - 1867) descubrió una relación entre un flujo magnético variable Φ y el

potencial dentro de un conductor ε:

tN

Δ

ΔΦ Ecuación 1

Esta relación, conocida como ley de Faraday, se define mediante dos elementos clave: la cantidad

de vueltas de una bobina N y la variación en el flujo magnético Φ. El signo negativo indica que la

fuerza electromotriz inducida (fem) siempre es opuesta a la variación en el flujo magnético. El

flujo magnético se relaciona con la potencia del campo magnético B, el área comprendida por la

vuelta del alambre A y el ángulo entre ellos θ.

θcosΦ BA Ecuación 2

Debido a que el tamaño de la bobina que utilizaremos es fijo, y que dejaremos caer el imán a

través de la bobina perpendicular al plano de las vueltas de alambre en la bobina (el coseno θ es

igual a 1), podemos decir que el flujo es proporcional a la potencia del campo magnético.

Investigaremos la tasa de variación del flujo al utilizar imanes de diferente potencia y aumentar

la velocidad a la cual el imán pasa por la bobina. Utilizaremos tres bobinas diferentes para

observar el efecto que la diferente cantidad de vueltas en una bobina tiene sobre la fuerza

electromotriz inducida.


Para la estación de demostración:

Sistema de recolección de datos Imán

Sensor de voltaje Fuente de corriente continua

Bobina de 800 vueltas Sensor de campo magnético

Sistema de proyección recomendado Cable de red con conector tipo banana de 4 mm (2)


187

Conecte la fuente de corriente continua directamente a la bobina mediante los cables de red con

conector tipo banana. Demuestre con un sensor de campo magnético que, cuando la alimentación

eléctrica está "apagada", la potencia del campo magnético es cero, y que cuando la alimentación

eléctrica está "encendida" hay un campo y es estable. Utilice el sensor de campo magnético para

demostrar que también hay un campo estable alrededor del imán.

Conecte el sensor de voltaje directamente a la bobina. Coloque el imán en el centro de la bobina y

sosténgalo allí. Comience a recolectar o monitorear los datos de voltaje y muestre que el voltaje que

produce el campo magnético estático es cero. Esto también puede hacerlo con un multímetro o

voltímetro de demostración.

Pídales a los alumnos que predigan qué sucederá una vez que quite el imán de la bobina.

Consejo para el docente: Acepte todas las respuestas, anote las ideas en el pizarrón o en el retroproyector y

manténgalas allí durante la actividad.

Retire rápidamente el imán de la bobina y analice el resultado en relación con las predicciones de los

alumnos.




Seguridad


laboratorio:

Tenga cuidado con los imanes. Los imanes potentes pueden interferir con dispositivos

electrónicos y pellizcar gravemente la piel que quede atrapada entre ellos.

Especialmente, mantenga los imanes alejados de los discos duros de las computadoras, los

dispositivos USB o los reproductores de video.


188 PS-2947








Parte 1 — A medida que la bobina gira: mismo imán, diferentes bobinas

En la primera parte de este trabajo de laboratorio, determinamos si el hecho de pasar un imán por una

bobina de alambre produce un voltaje (o fuerza electromotriz) y si la cantidad de vueltas en la bobina N

ejerce algún efecto sobre la cantidad de voltaje, según predice la ecuación de Faraday.

Nota: Para lograr una mejor comparación, siempre asegúrese de utilizar la misma orientación del imán al dejarlo

caer por la bobina.

Preparación


2. Monte la bobina de 200 vueltas en el soporte de varilla con la pinza de tres dedos,

aproximadamente a 40 cm por encima de la mesa del laboratorio.

Conecte el

sensor de voltaje

al sistema de

recolección de

datos.

1

Deje caer el imán

por la bobina y

luego detenga la

recolección de

datos.

3

En el gráfico,

compare el

voltaje que

produjo la bobina

de 200 vueltas

con el que

produjo la bobina

de 400 vueltas.

5

Retire la bobina

de 200 vueltas y

reemplácela con

la de 400 vueltas.

4

Comience a

recolectar datos

con su sistema

de recolección de

datos.

2


189

3. Conecte el sensor de voltaje a la bobina. Si utiliza una almohadilla antirrebote, colóquela

debajo de la bobina.

4. Conecte el sensor de voltaje al sistema de recolección de datos.

5. En su sistema de recolección de datos, dibuje un gráfico que represente el Voltaje frente

al Tiempo.

6. Configure la frecuencia de muestreo de su sistema de recolección de datos en un mínimo

de 1000 muestras por segundo.

7. Debido a la naturaleza bipolar de un imán, intente predecir la forma de la curva de

Voltaje frente al Tiempo mediante el sistema de recolección de datos y bosqueje su

predicción en el eje definido que se encuentra a continuación.


190 PS-2947

8. Si un campo magnético variable produce que las cargas se muevan en un conductor, y las

cargas que se mueven dentro del conductor producen un campo magnético, ¿cuál piensa

que sería la orientación del campo magnético inducido en relación con el campo

magnético variable original?

El campo nuevo debe tener la orientación opuesta al campo magnético variable.

Consejo para el docente: Este concepto también podría expresarse como que debe resistirse u oponerse a la

variación del campo original.

Recolecte los Datos

9. Sostenga el imán justo por encima de la abertura de la bobina.

10. Comience a recolectar datos con el sistema de recolección de datos.

11. Deje caer el imán por la bobina y luego detenga rápidamente la recolección de datos.

12. Anote su serie de datos con la cantidad de vueltas que tiene la bobina que utilizó.

13. Reemplace la bobina con la próxima de la serie y repita los pasos de recolección de datos

para cada una de ellas.

Analice los Datos

14. Represente las tres series de datos en el gráfico de su sistema de recolección de datos.

15. Ajuste el eje de su gráfico para centrarse en las partes del gráfico en las que se produce la

mayor variación de voltaje.

16. Bosqueje su gráfico a continuación y asegúrese de indicar qué serie de datos corresponde

a cada bobina.


191

17. Describa una de las principales diferencias que hay entre las series de datos.

El voltaje máximo aumenta a medida que aumenta la cantidad de vueltas de la bobina.

18. Describa la relación entre la cantidad de vueltas de las bobinas y los voltajes máximos

observados.

El voltaje máximo parece ser proporcional a la cantidad de vueltas de la bobina.

Parte 2 — Más imanes: misma bobina, distintos imanes

La segunda parte de la ecuación de Faraday se refiere a la tasa de variación en el flujo magnético. Sobre

la base de nuestras observaciones de los imanes, diferentes tipos de material producen diferentes

potencias de campos magnéticos. Pruebe al menos tres imanes de diferentes potencias para determinar

si la potencia del imán produce alguna diferencia. Utilice solo una de las bobinas y deje caer los imanes

desde la misma altura todas las veces.

Preparación

19. Para esta parte, utilice la misma preparación que en la Parte 1, pero use solo la bobina

de 200 vueltas.

Recolecte los Datos

20. Sostenga el primer imán justo por encima de la abertura de la bobina.


22. Deje caer el primer imán por la bobina y luego detenga rápidamente la recolección de

datos.

23. Anote su serie de datos con la identificación del imán que utilizó.

24. Repita los pasos de recolección de datos para cada uno de los imanes y déjelos caer desde

la misma altura todas las veces.

Analice los Datos

25. Represente todas las series de datos en el gráfico de su sistema de recolección de datos.




192 PS-2947


a cada imán.


El voltaje máximo aumenta con los imanes más potentes.

29. Describa la relación entre la potencia de los imanes y los voltajes máximos observados.

¿Qué mediría para comprender mejor la relación?

El voltaje máximo parece ser proporcional a la potencia del imán utilizado, pero medir la potencia de los imanes

permitiría comprender mejor la relación.

Parte 3 — Cuanto más rápido es el flujo: un imán, una bobina y diferentes

velocidades

Si la potencia del imán afecta la variación en el flujo, ¿qué sucederá con la velocidad a la cual el imán

pasa por la bobina? Cuanto mayor es la distancia que recorre un objeto al caer en un campo

gravitacional, más rápida será su velocidad. Si el imán pasa rápidamente por la bobina, es razonable que

el flujo magnético en la bobina varíe con mayor velocidad. Utilice una de las bobinas para comprobarlo.

Preparación

30. Para esta parte, utilice la misma preparación que en la Parte 1, pero use solo la bobina

de 200 vueltas y un solo imán.

31. Enrolle un trozo de papel para formar un tubo y péguelo firmemente con cinta. El tubo

debe ser lo suficientemente ancho como para permitir que el imán lo atraviese

libremente, pero lo suficientemente estrecho como para meterlo dentro de la bobina.


193

32. Marque cuatro posiciones a la misma distancia en el tubo y deslícelo en la bobina hasta

que la primera marca quede justo por encima de la abertura de la bobina.

Recolecte los Datos

33. Sostenga el imán justo por encima de la abertura del tubo.


35. Deje caer el imán por el tubo/bobina y luego detenga rápidamente la recolección de datos.

36. Anote su serie de datos e indique la altura desde la cual dejó caer el imán (por ejemplo,

"Primera marca").

37. Deslice el tubo hacia abajo por la bobina hasta que se muestre la próxima marca del tubo

justo por encima de la abertura de la bobina.

38. Repita los pasos de la recolección de datos para cada marca que haya en el tubo.

Analice los Datos

39. Represente todas las series de datos en el gráfico de su sistema de recolección de datos.




194 PS-2947


a cada altura.


El voltaje máximo parece aumentar con la velocidad que adquiere el imán al pasar a través de la bobina.

43. Describa la relación entre la altura desde la cual dejó caer el imán por encima de la

bobina y los voltajes máximos observados. ¿Qué mediría para comprender mejor la

relación?

El voltaje máximo parece ser proporcional a la velocidad con la que el imán pasa a través de la bobina, pero

medir la velocidad del imán mientras pasa por la bobina permitiría comprender mejor la relación.


1. ¿Cómo se compara su predicción con el gráfico real de Voltaje frente al Tiempo?




1. Con base en sus observaciones en este trabajo de laboratorio, describa las

características de un generador eléctrico de bobina que usted optimizaría para lograr

la mayor fuerza electromotriz.

Para producir la mayor fuerza electromotriz, el generador debería tener la mayor cantidad de vueltas de bobina

posibles y los imanes más potentes, y estos deberían moverse lo más rápido posible.


195

2. Quizás haya notado que el segundo valor máximo de la curva de voltaje va siempre

en la dirección opuesta del primer valor máximo. Sin embargo, quizá no haya notado

que también se trata de un valor un poco más alto. ¿Puede describir una posible causa

de esto?

El valor máximo era más alto porque el imán se acelera a medida que cae y provoca que su parte superior viaje

a mayor velocidad a medida que atraviesa la bobina.



incompletos.

1. La fem producida al dejar caer un imán por una bobina es una forma de

transformación energética. ¿De qué tipo de transformación se trata?

A. La energía térmica se transforma en energía eléctrica.

B. La energía mecánica se transforma en energía térmica.

C. La energía cinética se transforma en energía eléctrica.

D. La energía eléctrica se transforma en energía térmica.

2. Si un generador con una bobina de 200 vueltas produjo 120 V de fuerza

electromotriz, ¿cuánta produciría si tuviera una bobina de 800 vueltas?

A. 40 V

B. 480 V

C. 220 V


3. La ecuación de la Ley de Faraday incluye un signo negativo en uno de los lados.

¿Qué representa?

A. Que el magnetismo es una fuerza intrínsecamente negativa.

B. Que los opuestos se atraen.

C. Que la FEM generada busca reforzar la variación en el campo magnético.

D. Que la FEM generada busca oponerse a la variación en el campo magnético.




1. La Ley de Faraday define la relación entre la cantidad N de vueltas de un/una bobina y la

tasa de variación en el flujo magnético Φ. El flujo magnético se relaciona con la potencia del

campo magnético, el área comprendida por la vuelta del alambre y el ángulo entre ellos. Debido a

la geometría del experimento, podemos decir que el flujo es proporcional a la potencia del campo

magnético.


196 PS-2947


Proyecto: Construcción de un generador

Entrégueles a los alumnos la materia prima (los imanes, el alambre, etc.) y pídales que

construyan un pequeño generador. En grupos de 3 a 5 alumnos, pídales que diseñen y

construyan un generador. Pídales que presenten su trabajo a la clase e incluyan una

demostración en vivo del dispositivo.

Presentación del área bajo la curva

Pídales a los alumnos que repitan el experimento con un imán y una bobina de su elección. En el

gráfico del Voltaje frente al Tiempo, pídales que utilicen su sistema de recolección de datos para

explorar el área bajo la curva.

¿Cuáles son las unidades para el área bajo la curva?

Voltio-segundo (v•s)

¿Qué representa esto?

El voltio-segundo también se conoce como weber y es una unidad de flujo magnético.

Demostración

Utilice un generador a manivela para demostrar cómo el movimiento físico puede utilizarse para

producir una fuerza electromotriz e inducir corriente para alimentar a un circuito.

Asimismo, aquí podría resultar útil un debate sobre transformadores eléctricos. Puede analizar

la red de energía eléctrica y cómo los voltajes se ajustan para su uso doméstico y la transmisión a

larga distancia. Una excelente demostración para mejorar este debate sería la "escalera de

Jacob", la cual transforma el voltaje de 120 V a un máximo de 10 000 V AC, una potencia lo

suficientemente elevada como para saltar una pequeña brecha y formar la infame "chispa

ascendente" que se ve a menudo en las películas viejas de ciencia ficción.

Otras aplicaciones relevantes que valen la pena destacar aquí son:

¿Cómo hace un automóvil "híbrido" para ahorrar tanto dinero en combustible?

La corriente inducida de los frenos mecánicos produce una corriente inducida que recarga las baterías

eléctricas, la cual se convierte en energía utilizable.

197

Química


199

Conservación de la Materia

Objetivos

En esta investigación, los alumnos ponen a prueba la Ley de Conservación de la Materia con

respecto a los cambios físicos y químicos.



Determinan la masa de los reactivos antes de hacer reaccionar a los químicos y la masa de los

productos después de producida la reacción (en una reacción química en la que se forma un

precipitado).

Miden la masa de un soluto y un solvente en forma independiente y la masa de la solución

después de combinar las dos sustancias.

Determinan la masa del gas producido durante una reacción química al calcular la diferencia

entre la masa de los reactivos iniciales y la masa de los productos finales (los productos finales

no incluyen el gas que se ha escapado).







Balanza Sulfato de sodio (Na2SO4) de 0,1 M; 5 mL1

Tubo de ensayo (2) de 15 x 100 mm Cloruro de estroncio (SrCl2) de 0,1 M; 5 mL2

Vaso de precipitado de 250 mL Bicarbonato de sodio (NaHCO3), 8 g3

Botella de refresco de plástico (con tapa) de 500 mL Ácido acético (HC2H3O2) al 5%, 30 mL4

Nitrato de sodio (NaNO3), 5 g Agua destilada (desionizada), 10 mL

1 Para formular con sulfato de sodio (Na2SO4) en estado sólido, consulte el apartado sobre Preparación del

laboratorio.

2 Para formular con cloruro de estroncio (SrCl2) en estado sólido, consulte el apartado sobre Preparación del

laboratorio.

3 El bicarbonato de sodio (NaHCO3) es el bicarbonato que se usa en el hogar para cocinar.

4 El vinagre de uso doméstico se puede utilizar para el ácido acético (HC2H3O2) al 5%.


200 PS-2947



Masa

Cambios químicos y físicos

Prueba de reacción química

Antecedentes

La Ley de Conservación de la Materia establece que la materia no se puede crear ni destruir

mediante un cambio físico o químico. En ambos casos, la cantidad de átomos sigue siendo la

misma antes y después del cambio. La Ley de Conservación de la Materia no se aplica a las

reacciones nucleares, en las que la materia puede convertirse en energía.

En un cambio físico, las sustancias antes y después del cambio siguen siendo las mismas a nivel

químico, si bien la organización de las moléculas y el movimiento promedio de las partículas

pueden ser diferentes. Durante una reacción química, se producen cambios químicos y los átomos

de una o más sustancias atraviesan un proceso de reorganización. El resultado de estas

reorganizaciones es la formación de sustancias nuevas y diferentes. Las sustancias se componen

de los mismos átomos, pero se combinan en una forma nueva. Todos los átomos originales siguen

estando presentes.

Gracias a la ley de conservación de la materia, podemos escribir ecuaciones químicas

equilibradas. Estas ecuaciones nos permiten predecir las masas de los reactivos y los productos

individuales que participan en una reacción química.

En la primera parte de este experimento, el sulfato de sodio (Na2SO4) reacciona de forma química

con el cloruro de estroncio (SrCl2) para formar cloruro de sodio (NaCl) y sulfato de estroncio

(SrSO4) disueltos. El sulfato de estroncio es un precipitado blanco y sólido. La ecuación química

equilibrada de esta reacción es:

Na2SO4(aq) + SrCl2(aq) → 2NaCl(aq) + SrSO4(s)

En la segunda parte de este experimento, se formula una solución al disolver físicamente el

nitrato de sodio en agua. Esta solución se torna fría al tacto y es un ejemplo de un proceso

endotérmico.

NaNO3(s) → NaNO3(aq)

En la tercera y la cuarta parte de este experimento, el bicarbonato de sodio (NaHCO3) reacciona

químicamente con el vinagre (ácido acético, HC2H3O2). Esta reacción produce acetato de sodio

(NaC2H3O2), agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2).

NaHCO3(s) + HC2H3O2(aq) → NaC2H3O2(aq) + H2O(l) + CO2(g)

Primero, se lleva a cabo la reacción en un sistema abierto. Luego se vuelve a realizar en un

sistema cerrado. En el sistema abierto, se permite que el dióxido de carbono escape hacia la

atmósfera. Se produce una pérdida de masa entre los reactivos y los productos, pero esto no

constituye una violación de la ley de conservación de la materia. Esto queda demostrado al

repetir la reacción en un sistema cerrado, en el cual se retiene el dióxido de carbono.


201


Cambios físicos y químicos

Coloque un vaso de precipitado pequeño con un cubo de hielo sobre la balanza. A medida que el cubo

de hielo se derrite, registre su masa en forma periódica mientras debate el cambio junto a los alumnos.

Analice las diferencias entre los cambios físicos y los químicos. Analice si las propiedades específicas

de la sustancia cambian cuando esta atraviesa un cambio físico o químico. Analice los efectos de los

cambios químicos y físicos sobre la masa total del sistema.

1. ¿Qué es un cambio físico? Brinde varios ejemplos.

Un cambio físico es aquel en el cual cambia la apariencia física de una sustancia pero su estructura química

sigue siendo la misma. El agua (H2O) es un ejemplo. El hielo que se derrite, el agua que hierve y el vapor que

se condensa son ejemplos de cambios físicos en los que una sustancia química específica se presenta en

diferentes formas físicas.

2. Cuando se derrite un cubo de hielo, ¿qué aspectos siguen siendo los mismos? ¿Qué

aspectos cambian?

El hielo está compuesto por moléculas de H2O al igual que el agua líquida. Por lo tanto, la sustancia química

sigue siendo la misma. La cantidad de moléculas de agua presentes tampoco cambia, lo cual significa que la

masa del cubo de hielo es la misma que la masa del agua líquida.

Se produce un cambio en la apariencia física del agua. Esto se debe a que cambia la velocidad de las

moléculas de agua y la distancia entre ellas.

3. ¿La masa sigue siendo la misma antes y después de un cambio físico?

Sí, durante el cambio físico, la cantidad de moléculas antes y después del cambio permanece estable. Por lo

tanto, la masa no cambia. Esto cumple con la ley de conservación de la materia. Esta establece que la materia

no puede crearse ni destruirse, solo puede transformarse.

4. ¿Qué es un cambio químico (o reacción química)? ¿Qué evidencias sugieren que ha

tenido lugar un cambio químico? Brinde varios ejemplos.

Un cambio químico es aquel en el que se forma una sustancia completamente nueva. La formación de un

producto sólido a partir de reactivos disueltos (precipitado), la evolución del gas, un cambio de color significativo

y un cambio en la temperatura indican que se ha producido una reacción química. Quemar papel, la oxidación y

la reacción de un ácido con una base son ejemplos de cambios químicos.

5. ¿La masa sigue siendo la misma durante un cambio químico?

Sí, los átomos de las sustancias que atraviesan una reacción pueden reorganizarse y formar nuevas moléculas.

Se forman nuevas sustancias, si bien la cantidad de átomos del sistema total sigue siendo la misma. A menudo

esto no es evidente. Por ejemplo, al quemar papel, la masa del papel parece disminuir. Sin embargo, la masa

faltante simplemente se transforma en los gases que se liberan durante la combustión. Esto cumple con la ley

de conservación de la materia, la cual establece que la materia no puede crearse ni destruirse.

Ley de Conservación de la Materia

Escriba la Ley de Conservación de la Materia en el pizarrón: "La materia no puede crearse ni destruirse,

solo puede cambiar de forma". Escriba en el pizarrón la ecuación de la composición del agua:

2H2 + O2 → 2H2O. Pregúnteles a los alumnos qué significa cada número. A medida que respondan,

construya cada modelo con un kit de modelado. Utilice una balanza de dos platillos para escuela

primaria y coloque los modelos sobre los platillos. Coloque los reactivos en un lado y los productos en


202 PS-2947

el otro. La mayoría de las balanzas para escuela primaria no son muy precisas, y los alumnos deben

poder observar que los reactivos y productos están equilibrados (incluso si hay variaciones mínimas en

la masa de los componentes individuales que forman los modelos).

Consejo para el docente:Si no tiene una balanza de dos platillos, simplemente mida la masa de los

modelos en una balanza electrónica o en una balanza de un solo platillo y registre los resultados.

Se recomienda una escala menos precisa.

Consejo para el docente:Si no tiene un kit de modelado, puede construir modelos de compuestos

con los bloques plásticos de encastre (de gran tamaño) que se utilizan en el preescolar. Escriba

los símbolos de los elementos comunes en los bloques de diferentes colores.

2H2 + O2 → 2H2O

6. La Ley de Conservación de la Materia establece que la materia no se puede crear

ni destruir. ¿Cómo puede explicar esto con sus propias palabras?

Debe justificar todas sus respuestas. Los átomos no pueden desaparecer ni aparecer de la nada. Solamente

pueden reorganizarse.

7. En la reacción de hidrógeno con oxígeno para producir agua, ¿qué significa cada

uno de los números de la ecuación? ¿Cómo podemos construir modelos de las

moléculas que participan en esta reacción?

Los números en superíndice se refieren a la cantidad de átomos de ese tipo presentes en cada molécula. El "2"

en subíndice de O2 significa que hay dos átomos de oxígeno en una molécula de oxígeno. El coeficiente (el

número que aparece delante de la fórmula molecular) se refiere a la cantidad de moléculas. El "2" delante de la

molécula de hidrógeno (2H2) significa que hay dos moléculas de hidrógeno.

8. Una reacción química diferente implica la descomposición del peróxido de

hidrógeno para formar agua y oxígeno. Si comenzamos con dos moléculas de peróxido

de hidrógeno (H2O2), ¿cuántas moléculas de agua y oxígeno se producen para

equilibrar los platillos?

La reacción química equilibrada es: 2H2O2 → 2H2O + O2. Dos moléculas de peróxido de hidrógeno se

descomponen en dos moléculas de agua y una molécula de oxígeno. En el lado del reactivo, observe que hay

un total de cuatro átomos de hidrógeno y cuatro átomos de oxígeno que componen dos moléculas de peróxido

de hidrógeno. En el lado del producto, se cumple la ley de conservación de la materia. Si bien los cuatro átomos

de hidrógeno y los cuatro átomos de oxígeno se reorganizan en diferentes moléculas, también están presentes

en el lado del producto.

Consejo para el docente:Construya dos moléculas de peróxido de hidrógeno. Luego, pídales a los

alumnos que utilicen la misma cantidad de cada tipo de bloque para construir las moléculas de

los productos. Coloque sus productos en la balanza y compárelos con las moléculas originales del

reactivo.


203


Estos son los materiales y los equipos que deben prepararse antes de trabajar en el laboratorio.

1. Prepare 100 mL de sulfato de sodio (Na2SO4) de 0,1 M. Esto será suficiente para 20 grupos de

laboratorio.

Disuelva 1,4 g de Na2SO4 anhidro en 100 mL de agua destilada.

Como alternativa, disuelva 3,2 g de sulfato de sodio decahidratado (Na2SO4·10H2O) en 100

mL de agua destilada.

2. Prepare 100 mL de cloruro de estroncio (SrCl2) de 0,1 M. Esto será suficiente para 20 grupos

de laboratorio.

Disuelva 1,6 g de SrCl2 anhidro en 100 mL de agua destilada.

Como alternativa, disuelva 2,7 g de cloruro de estroncio hexahidratado (SrCl2·6H2O) en

100 mL de agua destilada.

3. El bicarbonato de sodio (NaHCO3) es el bicarbonato que se usa en el hogar para cocinar.

4. El ácido acético (HC2H3O2) al 5% puede reemplazarse con vinagre de uso doméstico.

Seguridad






Determine la

masa total de las

sustancias

iniciales y los

recipientes de

vidrio que las

contienen.

2

Mida las

sustancias

iniciales y

colóquelas en un

vaso de

precipitado de

250 mL.

1

Compare la masa

de las sustancias

iniciales y las

sustancias

finales.

5

Mezcle las

sustancias

iniciales y

registre todas las

observaciones

pertinentes.

3

Mida la masa de

todas las

sustancias finales

y los recipientes

de vidrio.

4


204 PS-2947




Recolecte los Datos

Parte 1: Solución de sulfato de sodio y solución de cloruro de estroncio

1. Coloque 5,0 mL de la solución de sulfato de sodio (Na2SO4) en un tubo de ensayo y

colóquelo en un vaso de precipitado de 250 mL.

2. Coloque 5,0 mL de la solución de cloruro de estroncio (SrCl2) en otro tubo de ensayo y

colóquelo en el vaso de precipitado de 250 mL junto al otro tubo de ensayo que contiene

Na2SO4.

3. Determine la masa total de las soluciones, los tubos de ensayo y el vaso de precipitado al

colocarlos sobre una balanza. Registre esta masa inicial a continuación.

Masa inicial de Na2SO4, el SrCl2 y los recipientes

de vidrio (g):

__________135,10 g___ ___

4. Prediga la cantidad de producto que se produce a partir de estos reactivos.

Debe haber la misma masa de productos que de reactivos.

5. Vierta cuidadosamente la solución de cloruro de estroncio y la solución de sulfato de sodio

en el vaso de precipitado. Observe la reacción química y registre sus observaciones a

continuación.

Se forma un sólido blanco (un precipitado) que hace que la solución se vea turbia.

6. ¿Cómo sabe que se produjo una reacción química?

Al mezclarse, los reactivos formaron un precipitado. La solución combinada tiene un aspecto blanquecino. Es

posible que el fondo del vaso de precipitado se haya enfriado un poco.

7. Vuelva a colocar ambos tubos de ensayo en el vaso de precipitado y mida nuevamente la

masa de los tubos, el vaso y la solución. Registre la masa final a continuación.

Masa final de Na2SO4, SrCl2 y los recipientes de

vidrio (g):

__________135,08 g _______

8. ¿Por qué es importante medir la masa de todos los recipientes de vidrio juntos después de

producida la reacción?

La masa inicial también incluye la masa de todos los recipientes de vidrio. Si se retiran los tubos de ensayo y no

se miden después de la reacción, la masa final carecerá de la masa de los tubos de ensayo originales. Esto

distorsiona la comparación.


205

9. Deseche las soluciones conforme a las instrucciones del docente y luego limpie los

recipientes de vidrio para que pueda utilizarlos en la próxima parte de esta investigación.

Parte 2: Disolución del nitrato de sodio

10. Coloque aproximadamente 5 g de nitrato de sodio (NaNO3) sólido en un vaso de


11. Coloque 10 mL de agua destilada en un tubo de ensayo y coloque el tubo dentro del vaso

de precipitado de 250 mL que contiene los 5 g de NaNO3(s).

12. Determine la masa total del agua, el tubo de ensayo, el NaNO3(s) y el vaso de precipitado

al colocarlos sobre una balanza. Registre esta masa inicial a continuación.

Masa inicial de NaNO3, H2O y los recipientes de

vidrio (g):

__________133,71 g _______


Nuevamente, debe haber la misma masa de productos que de reactivos.

14. Vierta el agua en el vaso de precipitado que contiene el sólido y agite la mezcla hasta que

se haya disuelto todo el sólido. Registre sus observaciones a continuación.

El sólido se disuelve y se siente frío.

15. ¿Se produce una reacción química? Explique su razonamiento.

No se produce ninguna reacción química porque no se forma ninguna nueva sustancia. El calor que se absorbe

se emplea para romper la estructura de red, pero no se forman nuevas sustancias.

16. Vuelva a colocar el tubo de ensayo en el vaso de precipitado y mida nuevamente la masa

del tubo, el vaso y la solución. Registre la masa final a continuación.

Masa final de NaNO3, H2O y los recipientes de

vidrio (g):

__________133,70 g _______


recipientes de vidrio para que pueda utilizarlos en la próxima parte de esta investigación.

Parte 3: Bicarbonato de sodio y ácido acético (sistema abierto)

18. Coloque aproximadamente 5 g de bicarbonato de sodio (NaHCO3) sólido en un vaso de


19. Vierta 10 mL de ácido acético (HC2H3O2) al 5% en un tubo de ensayo y 10 mL adicionales

en un segundo tubo de ensayo. Coloque ambos tubos de ensayo dentro del vaso de

precipitado de 250 mL que contiene el NaHCO3(s).


206 PS-2947

20. Determine la masa total del HC2H3O2, los tubos de ensayo, el NaNO3(s) y el vaso de

precipitado al colocarlos sobre la balanza. Registre esta masa inicial a continuación.

Masa inicial de NaHCO3, HC2H3O2 y los recipientes

de vidrio (g):

__________153,23 g _______


La masa de los productos parecerá menor que lo esperado. Esto se debe a que la reacción se produce en un

sistema abierto. Uno de los productos de la reacción es un gas. El gas se escapa a la atmósfera y, por lo tanto,

no se mide. Esto no viola la ley de conservación de la materia. Por el contrario, es un ejemplo de cuando no se

miden todos los componentes juntos. (Esto es similar a no agregar los tubos de ensayo al medir la masa de los

productos).

22. Vierta el ácido acético de uno de los tubos de ensayo en el vaso de precipitado que

contiene el sólido y agite la mezcla hasta que la reacción se aquiete.

23. Vierta el ácido acético del segundo tubo de ensayo y agite la mezcla hasta que la reacción

se detenga. Registre sus observaciones a continuación.

Se forman burbujas.

24. ¿Se produce una reacción química? Explique.

Sí, se produce una reacción química. La presencia de burbujas indica que se formó una nueva sustancia (un

gas).

25. Vuelva a colocar los tubos de ensayo en el vaso de precipitado y mida nuevamente la

masa de los tubos, el vaso y la solución. Registre la masa final a continuación.

Masa final de NaHCO3, HC2H3O2 y los recipientes de

vidrio (g):

__________152,50 g ________


recipientes de vidrio para que pueda utilizarlos en la parte final del experimento.

Parte 4: Bicarbonato de sodio y ácido acético (sistema cerrado)

27. Coloque aproximadamente 3 g de bicarbonato de sodio (NaHCO3) sólido en una botella

plástica de refresco (limpia) de 500 mL.

28. Vierta 10 mL de ácido acético (HC2H3O2) al 5% en un tubo de ensayo.

29. Deslice cuidadosamente el tubo de ensayo dentro de la botella de plástico que contiene el

NaHCO3(s) y tenga cuidado de no derramar el ácido acético.

30. Cierre fuertemente la tapa de la botella de plástico.


207

31. Con cuidado de no derramar el ácido acético, coloque la botella y su contenido sobre una

balanza. Registre esta masa inicial a continuación.

Masa inicial de la botella de refresco y su

contenido (g):

__________46,48 g _______

32. ¿Por qué debe tener cuidado de no derramar el ácido acético en este punto del

experimento?

El objetivo de este experimento es comparar la masa del sistema antes y después de un cambio químico. Si

se mezcla incluso una pequeña cantidad de ácido acético y bicarbonato de sodio, las sustancias reaccionarán

parcialmente.

33. Incline levemente la botella hasta que el tubo de ensayo que se encuentra dentro de ella

derrame el ácido acético en el bicarbonato de sodio. Registre sus observaciones a

continuación.

Se forman burbujas y aumenta la presión dentro de la botella.

34. Una vez completa la reacción, y sin desenroscar la tapa, mida la masa de la botella y su

contenido. Registre la masa a continuación.

Masa final de la botella de refresco cerrada y su

contenido (g):

________46,45 g ______ _

35. Retire la tapa de la botella y permita que escape el gas.

36. ¿Por qué aumentó la presión dentro de la botella?

Uno de los productos de la reacción entre el bicarbonato de sodio y el ácido acético es un gas (dióxido de

carbono). Debido a que el gas no puede escapar, permanece atrapado dentro de la botella y provoca un

aumento de presión.

37. En comparación con la masa de la botella y su contenido antes de desenroscar la tapa,

¿espera que la masa sea mayor, menor o la misma después de que escape el gas?

El dióxido de carbono es materia. Tiene masa y ocupa espacio. Abrir la botella permite que el dióxido de

carbono escape. Esto produce que la masa del sistema sea menor que cuando el dióxido de carbono estaba

atrapado dentro de la botella.

38. Vuelva a enroscar la tapa y mida la masa de la botella y su contenido. Registre la masa

final a continuación.

Masa final de la botella de refresco abierta y

su contenido (g): 46.17

39. Deseche las soluciones y limpie conforme a las indicaciones del docente.


208 PS-2947

Análisis de Datos

1. Determine el cambio en la masa para cada proceso. Registre los resultados en la Tabla 1.

Tabla 1: Masa inicial, masa final y cambio en la masa

Experimento

Masa

inicial

(g)

Masa

final

(g)

Cambio en

la masa

(g)

Parte 1: Na2SO4 + SrCl2 135,10 135,08 0,02

Parte 2: Disolución del NaNO3 133,71 133,70 0,01

Parte 3: NaHCO3 + HC2H3O2 (sistema abierto) 153,23 152,50 0,73

Parte 4: NaHCO3 + HC2H3O2 (sistema cerrado antes

de abrir la botella) 46,48 46,45 0,03

Parte 4: NaHCO3 + HC2H3O2 (sistema cerrado

después de abrir la botella) 46,48 46,17 0,31

2. ¿Cuántos gramos de gas (CO2) se formaron en la parte 3 y 4 de esta investigación? ¿Cómo

lo sabe?

En la parte 3 de este experimento, se formaron 0,73 g de CO2. En la parte 4 de este experimento, se formaron

0,31 g de gas. La cantidad de gas liberado es igual a la diferencia entre la masa de los reactivos y los productos.


209

3. Calcule el cambio porcentual en la masa para cada parte del experimento y regístrelo en

la Tabla 2.

Cambio de masaPorcentaje de cambio

Masa inicial 100

Tabla 2: Cambio porcentual en la masa

Experimento Refleje su trabajo aquí Cambio porcentual

en la masa

Parte 1:

Na2SO4 + SrCl2 0,02 g

100 0,007%135,10 g

0,01%

Parte 2:

Disolución del NaNO3 0,01 g

100 0,007%133,71 g

0,007%

Parte 3:

NaHCO3 + HC2H3O2

(sistema abierto)

0,73 g100 0.48%

153,23 g 0,48%

Parte 4:

NaHCO3 + HC2H3O2

(sistema cerrado antes

de abrir la botella)

0,03 g

100 0,06%46,48 g

0,06%

Parte 4:

NaHCO3 + HC2H3O2

(sistema cerrado

después de abrir la

botella)

0,31 g

100 0,67%46,48 g

0,67%


1. ¿Por qué el cambio porcentual en la masa no siempre da exactamente 0%?

Las balanzas son equipos muy sensibles. Leves variaciones en el entorno de la balanza, además de las

pérdidas o aumentos inevitables en la masa durante el procedimiento experimental, pueden modificar los

resultados finales que se muestran.

2. ¿Qué sucede con la masa en la parte 3 y en la segunda parte de la 4? ¿Es este un

caso en el que no se cumple la ley de conservación de la materia? Explique.

Tanto en la parte 3 como en la segunda parte de la 4, la reacción está abierta a la atmósfera. Los productos

gaseosos pueden escapar del envase. La masa del gas que escapó no puede medirse. Representar la masa del

gas de la reacción ayuda a justificar la ley, no a refutarla.


210 PS-2947

3. ¿Sus resultados confirman la ley de conservación de la materia? ¿Por qué o por

qué no?

Sí, los resultados confirman la ley de conservación de la materia. En las partes 1, 2 y la primera parte de la 4,

las masas antes y después del cambio son básicamente las mismas (difieren en menos del 0,1%). En la parte 3

y en la segunda parte de la 4, la masa final es menor que la masa inicial, pero estas diferencias se deben al gas

que escapó.

4. ¿La Ley de Conservación de la Materia se aplica tanto a los cambios físicos como a

los químicos?

Sí. En este experimento, la parte 1 es un cambio químico y la parte 2 es un cambio físico. En ambos casos, se

conserva la materia.



1. En el proceso de electrolisis, la electricidad se utiliza para convertir el agua en sus

elementos gaseosos, hidrógeno (H2) y oxígeno (O2): 2H2O(l) → 2H2(g) + O2(g). Si la

electrolisis se realiza con 30 gramos de agua, ¿cuántos gramos de gas se producen?

Después de que reacciona toda el agua, se producen 30 gramos de gas. La Ley de Conservación de la Materia

establece que no se puede ganar ni perder masa durante la reacción.

2. La pirita es un mineral de color amarillo brillante también conocido como el "oro

de los tontos". Está compuesto por hierro y azufre. Si una muestra de 36,4 gramos de

pirita se descompone en sus componentes elementales y se forman 17,3 gramos de

hierro, ¿cuántos gramos de azufre se forman?

Se forman 19,1 gramos de azufre. Esa es la diferencia entre la pirita (36,4 gramos de hierro + azufre

combinados) y el hierro (17,3 g). La Ley de Conservación de la Materia establece que no puede ganarse ni

perderse masa durante la reacción.

3. Cuando se quema un tronco, las cenizas que se producen como resultado tienen

menos masa que el tronco. ¿Por qué esta pérdida de masa no viola la ley de

conservación de la materia?

Cuando se quema un tronco, se forman gases (principalmente dióxido de carbono y vapor de agua) que

escapan a la atmósfera. Las cenizas (carbono) que permanecen después de la quema tienen menos masa que

el tronco original.

Tronco(s) + O2(g) → CO2(g) + H2O(g) + C(s)


211



incompletos.

1. En una reacción química, ¿cómo se compara la masa de los productos con la masa

de los reactivos?

A. Mayor que

B. Menor que

C. Igual a

D. Depende de si la reacción es endotérmica o exotérmica

2. Si 7 gramos de sodio (Na) reaccionan con 12 gramos de cloro (Cl2), ¿cuánta sal de

mesa (cloruro de sodio, NaCl) se produce?

A. 5 gramos

B. 13 gramos

C. 19 gramos

D. 26 gramos

3. ¿Cuál es la masa del gas resultante al sublimar 3 gramos de hielo seco (dióxido de

carbono sólido, CO2) en CO2 en estado gaseoso?

A. 0 gramos

B. 2 gramos

C. 3 gramos

D. 5 gramos

4. Durante una reacción química, ¿cómo se compara la cantidad total de átomos de

los reactivos con la cantidad total de átomos de los productos?

A. Igual a

B. Mayor que

C. Menor que

D. Depende del tipo de reacción

5. ¿Cuáles de las siguientes teorías establece que la materia no se puede crear ni

destruir?

A. Teoría cinético-molecular

B. Teoría de la colisión

C. Teoría atómica

D. Ley de conservación de la materia


212 PS-2947



palabra clave.

1. La Ley de Conservación de la Materia establece que la materia no se puede crear ni

destruir, solo puede cambiar de forma. Esto significa que todos los átomos presentes al comienzo

de una reacción deben estar presentes al final de ella. La cantidad de átomos puede contarse en

el laboratorio mediante una balanza para medir la masa de los reactivos y los productos. La

masa antes de un cambio y después de él es la misma.

2. Durante los cambios físicos, los átomos no se reorganizan para formar nuevas sustancias

incluso si cambia la apariencia de la sustancia. Un ejemplo es el hielo que se derrite en agua

líquida. Durante los cambios químicos, los átomos sí se reorganizan para formar nuevas

sustancias. Si alguna de estas sustancias es gaseosa, puede escapar de una reacción. Esto ocurre

en sistemas abiertos. Los sistemas cerrados sellan las reacciones de sus entornos para que los

productos gaseosos queden atrapados y puedan medirse.


Realice un experimento en el cual el oxígeno o el dióxido de carbono sea uno de los productos.

Utilice un sensor de dióxido de carbono o un sensor de oxígeno para medir las ppm (partes por

millón) que se producen. Calcule la masa del gas junto con los otros productos para determinar si

la masa de los reactivos es la misma que la masa de los productos.

Determine el efecto del derretimiento o congelamiento sobre la masa de una sustancia.

Determine el efecto de múltiples derretimientos o congelamientos sobre la masa de una

sustancia.


213

Cambio de Estado

Objetivos

Determinar cómo agregar calor a una sustancia sin que aumente su temperatura. Mediante esta

investigación, los alumnos:

determinan el efecto de un cambio de estado sobre la temperatura de una sustancia;

explican la diferencia entre el calor y la temperatura;

determinan el punto de fusión y ebullición del agua pura.



recolección de datos de temperatura a medida que congelan el agua al insertarla en un baño de

sal/hielo hasta que se congele y la temperatura del hielo disminuya a –6,0 °C;

recolección de datos de temperatura a medida que agregan una cantidad constante de calor al

hielo hasta que este se derrita y la temperatura del agua aumente a 8 °C;

recolección de datos de temperatura a medida que agregan una cantidad constante de calor al

agua hasta que hierva durante 6 a 8 minutos.




Actividad en el laboratorio 90 minutos (45 minutos para cada parte)1

1 Consulte el apartado sobre Preparación del laboratorio para obtener consejos sobre las formas en que

puede adaptar este trabajo de laboratorio a una clase de 45 minutos.



Sistema de recolección de datos Soporte universal de laboratorio

Sensor de temperatura de acero inoxidable1 Pinza utilitaria

Placa calefactora Varilla agitadora

Vaso de precipitado (2) de 150 mL o más Cuchara sopera

Probeta de 10 mL Agua destilada (desionizada), 103 mL

Tubo de ensayo de 10 x 100 mm Hielo molido para llenar el vaso de precipitado

Soporte para tubos de ensayo Sal de roca, 200 g

1 Un sensor de temperatura de respuesta rápida no resulta adecuado para la Parte 2 de esta investigación.

Cambio de Estado

214 PS-2947



Estados de la materia

Teoría cinético-molecular

Energía

Antecedentes

La teoría cinético-molecular explica que toda la materia se compone de partículas en movimiento

constante. Las sustancias sólidas contienen partículas vibratorias firmemente ancladas en su

posición por fuerzas electrostáticas de atracción. Las partículas que componen un líquido están

muy cerca unas de otras, pero comparten atracciones electrostáticas más débiles que las

presentes en un sólido, lo cual les permite pasarse unas a otras. En forma gaseosa, las partículas

están más separadas entre sí, no exhiben ninguna atracción entre ellas y se mueven libremente.

Todas las sustancias puras pueden existir en forma de sólidos, líquidos o gases en función de la

temperatura y la presión. (A lo largo de este experimento supondremos que la presión es

constante). A fin de que una sustancia cambie de estado, debe agregarse o quitarse energía. Si la

sustancia se calienta, se absorbe energía calorífica y esto hace que las moléculas se muevan más

rápido o que se quiebren las atracciones entre las partículas. Si la sustancia se enfría, se elimina

energía calorífica al provocar que las moléculas se muevan más lentamente o al formar

atracciones entre las partículas vecinas.

Al agregar calor a una sustancia, generalmente se producirá un aumento de temperatura, pero

no en todos los casos. Calentar una sustancia en un estado específico provoca que la temperatura

de la sustancia aumente. Sin embargo, calentar una sustancia mientras atraviesa un cambio de

estado no produce un cambio de temperatura. Comprender la diferencia entre el calor y la

temperatura explica este suceso. El calor generalmente se define como el flujo o transferencia de

energía debido a una diferencia en la temperatura. Más específicamente, el calor es una medida

del cambio total en la energía interna de una sustancia. La energía total interna se refiere tanto

a la energía potencial (atracciones entre las moléculas) como a la energía cinética (movimiento de

las moléculas). La temperatura es una medida relacionada a la energía cinética promedio de las

moléculas únicamente Durante un cambio de estado, el calor agregado solo rompe las atracciones

entre las moléculas (un aumento en la energía potencial). No existe ningún cambio en la energía

cinética de las partículas, y, por lo tanto, no se produce ningún cambio de temperatura.

Para una sustancia pura, la temperatura a la cual se produce un cambio de estado puede ayudar

a identificar la sustancia. Los cuatro cambios de estado principales son la fusión (de sólido a

líquido), la solidificación (de líquido a sólido), la evaporación (de líquido a gaseoso) y la

condensación (de gaseoso a líquido).


215


Hervir diferentes volúmenes de agua

Sostenga dos vasos de precipitado pequeños con agua. El vaso de precipitado A debe estar lleno con

agua destilada hasta un cuarto de su capacidad y el vaso de precipitado B debe estar lleno con agua

destilada hasta la mitad. Pídales a los alumnos que pronostiquen qué vaso de precipitado con agua

hervirá a una mayor temperatura y pídales que expliquen su razonamiento. Coloque los vasos de

precipitado en una placa calefactora precalentada y proyecte los datos recolectados. Durante la

recolección de datos, analice lo que sucede a nivel molecular mediante la siguiente actividad con

moléculas magnéticas. Recuerde no descuidar los vasos de precipitado con agua hirviendo. Deberá

retirar el vaso de precipitado A si se evapora toda el agua.

1. ¿El agua del vaso de precipitado A hervirá a una temperatura menor, mayor o a la

misma temperatura que el agua del vaso de precipitado B?

El agua hierve a la misma temperatura independientemente de la cantidad de agua que se caliente.

2. ¿Cuáles son algunas similitudes y diferencias entre lo que sucede en el vaso de

precipitado A y el B?

Similitudes: Ambos contienen agua, reciben la misma cantidad de calor de la placa calefactora y se calientan

durante el mismo tiempo.

Diferencias: La cantidad de agua que se calienta y la velocidad con la que aumenta la temperatura del agua

(consulte la recolección de datos en vivo).

Sólido

Líquido

Te

mpera

tura

Energía calorífica

Se condensa

Hierve

Se derrite

Se congela

Se enfría

Se enfría

Se enfría

Se calienta

Se calienta

Se calienta

Cambios de estado

Cambio de Estado

216 PS-2947

Moléculas magnéticas

Utilice imanes para representar las moléculas del agua. Explíqueles a los alumnos que las fuerzas

atractivas entre las moléculas de agua las mantienen unidas, de forma similar a la atracción entre

imanes. Las moléculas de agua en el vaso de precipitado obtienen energía del calor que produce la

placa calefactora. De forma similar, la potencia muscular puede transferir energía a los imanes.

Con los imanes pegados, agítelos suavemente para representar la transferencia de energía al

movimiento de las partículas. Lo mismo sucede con las moléculas de agua en el vaso de precipitado. A

medida que se transfiere el calor, se "agitan" más rápidamente. La temperatura mide el cambio en el

movimiento molecular.

Anote la definición de temperatura en el pizarrón: la temperatura se relaciona con la energía cinética

promedio (movimiento) de las partículas.

A continuación, separe los imanes para representar la energía que se utiliza para provocar un cambio de

estado. Guíe a los alumnos para que comprendan que se requiere energía para separar las partículas

(romper las fuerzas de atracción). La energía utilizada para separar las partículas se denomina energía

potencial. Anote la definición de calor en el pizarrón: el calor es el cambio en la energía total interna que

incluye tanto la energía cinética (movimiento) como la energía potencial (rotura de atracciones) de una

sustancia. Dígales a los alumnos que, a diferencia de la temperatura, el calor no puede medirse

directamente.

Finalmente, agite los imanes separados con más fuerza para representar otro aumento de temperatura.

Pídales a los alumnos que lo ayuden a graficar una curva de "agitación" contra el "Tiempo" para

representar los datos que espera que los alumnos recolecten en este trabajo de laboratorio.

3. ¿La energía hace que las moléculas/imanes se agiten más rápidamente? ¿Qué tipo

de energía representa esto?

Sí. La energía del brazo del docente se transfiere a los imanes y hace que se muevan (se agiten). De forma

similar, la energía de la placa calefactora se transfiere a las moléculas de agua y provoca que se muevan más

rápidamente. Esta energía de movimiento se denomina energía cinética.

4. ¿Cuál es la relación entre el movimiento de las partículas y la temperatura?

Existe una relación directa entre el movimiento de las partículas y la temperatura. A medida que aumenta la

temperatura de las partículas, aumenta la velocidad del movimiento de las moléculas.

5. ¿Qué debe pasar para que las moléculas de agua en estado líquido se conviertan

en vapor de agua? ¿Por qué esto requiere energía?

Las moléculas de agua en estado líquido deben separarse para convertirse en vapor de agua. Esto requiere

energía para romper las atracciones que mantienen unidas a las partículas.

6. ¿Cuáles son los dos tipos de energía que componen el calor? ¿Cómo se relacionan

con las moléculas/imanes individuales?

El calor incluye la energía cinética y la potencial. La energía cinética hace que las moléculas se muevan más

rápidamente y la energía potencial las separa.


217

7. ¿Cómo luciría un gráfico de "Agitación" contra el "Tiempo"? ¿Por qué?

La energía del calor se utilizará para hacer que las moléculas se muevan más rápidamente. Cuando las

partículas se agitan con la suficiente energía como para superar las fuerzas de atracción que las mantienen

unidas, la energía agregada se utilizará para separar las partículas en lugar de hacer que se "agiten" más

rápidamente. Esto genera la recta horizontal. Una vez que se han separado todas las partículas, la energía

agregada se utilizará para aumentar nuevamente la "agitación" de las moléculas individuales.

Hervir diferentes volúmenes de agua: conclusiones

Con los datos recolectados en "Hervir diferentes volúmenes de agua", fomente la participación de los

alumnos en un debate sobre lo que significan los datos recolectados. Guíe a los alumnos para

comprender que independientemente del volumen de agua que tengamos, a una presión determinada, el

agua pura hierve a la misma temperatura. La temperatura a la cual hierve una sustancia se denomina

punto de ebullición.

8. ¿Qué sucedió en nuestra demostración al hervir diferentes volúmenes de agua? ¿El

agua del vaso de precipitado A hirvió a una temperatura menor, mayor o a la misma

temperatura que el agua del vaso de precipitado B? Explique los resultados.

Hirvieron a la misma temperatura, pero la velocidad de calentamiento, indicada por la pendiente de la recta, fue

mayor en el vaso de precipitado A que en el B. Por lo tanto, el agua en el vaso de precipitado B requirió más

tiempo para llegar al punto de ebullición. La diferencia en la cantidad de moléculas de agua explica este

fenómeno. El vaso de precipitado B contenía más agua, lo cual significa que hay más moléculas de agua que

necesitan acelerarse y distanciarse. Por lo tanto, requiere más calor y más tiempo para que el agua llegue a su

punto de ebullición.

Cambio de Estado

218 PS-2947

9. Describa la forma del gráfico durante la ebullición. ¿Por qué sucede esto?

Durante la ebullición, el gráfico formó una recta horizontal que demuestra que no cambió la temperatura, debido

a que la energía calorífica agregada solo rompe las atracciones entre partículas, lo cual solo cambia la energía

potencial. La temperatura solo mide los cambios en la energía cinética.

Los cambios de estado a nivel molecular

Muéstreles a los alumnos un video o una imagen de las moléculas de agua en sus tres estados.

10. Nombre los diferentes cambios de estado e indique si debe agregar o eliminar

calor para que se produzcan estos cambios.

El hielo sólido que se convierte en agua líquida es la "fusión" y requiere agregar calor. El agua líquida que se

convierte en hielo sólido es la "solidificación" y requiere eliminar calor. El agua líquida que se convierte en vapor

de agua en estado gaseoso es la "evaporación" y requiere agregar calor. El vapor de agua en estado gaseoso

que se convierte en agua líquida es la "condensación" y requiere eliminar calor.



Consejo para el docente:Para ahorrar tiempo, existen varias formas en las que los alumnos

pueden realizar este trabajo de laboratorio.

Realice la Parte 1 o la Parte 2 a modo de demostración (como por ejemplo en el Debate y

actividad previos al laboratorio) y pídales a los alumnos que realicen la otra parte.

Pídales a los alumnos que comiencen con la Parte 2 mientras esperan que el hielo se derrita.

Esto requerirá contar con dos sensores de temperatura por grupo.

Pídales a algunos grupos que realicen la Parte 1 y a otros la Parte 2, y luego compartan los

datos.

Pídales a los alumnos que preparen la Parte 1 y 2 al mismo tiempo y que luego recolecten los

datos de forma simultánea. Esto requerirá contar con dos sensores de temperatura por grupo.

Congele los sensores de temperatura en tubos de ensayo llenos con 3 mL de agua destilada la

noche anterior. Esto permitirá que los alumnos omitan el apartado de Preparación de la

Parte 1.

⇌

⇌


219

Seguridad


laboratorio:

No toque la placa calefactora ni los objetos de vidrio calientes.

Permita que todos los objetos de vidrio y los equipos se enfríen por completo antes de

manipularlos.





Parte 1: Congelar el agua y derretir el hielo

Parte 2: Hervir el agua

Coloque el tubo

de ensayo (con el

sensor de

temperatura

congelado

dentro) en un

soporte para

tubos de ensayo.

3

Registre los

datos de

temperatura y

agite

constantemente

a medida que el

hielo se derrite y

la temperatura

del agua

aumenta a 8 °C.

4

Mida 3 mL de

agua destilada y

viértalos en un

tubo de ensayo.

Coloque el

sensor de

temperatura en el

tubo de ensayo

con agua.

1

Recolecte los datos

de temperatura a

medida que

congela el agua en

el tubo de ensayo

al colocarlo en una

mezcla de agua y

sal hasta que

alcance los –6,0 °C

o menos.

2

Conecte el

soporte universal

de laboratorio, la

pinza utilitaria y

el sensor de

temperatura.

Llene el vaso de

precipitado con

agua destilada.

2

Coloque el vaso

de precipitado

con agua sobre

la placa

calefactora tibia y

coloque el sensor

de temperatura

en el agua.

3

Comience con la

recolección de

datos de

temperatura.

Continúe con la

recolección de

datos hasta que

el agua haya

hervido durante 8

a 10 minutos.

4

Encienda la placa

calefactora y deje

que se caliente

hasta su máxima

temperatura.

1

Cambio de Estado

220 PS-2947




Parte 1: Congelar el agua y derretir el hielo

Preparación


2. Conecte un sensor de temperatura de acero inoxidable al sistema de recolección de datos.

3. Genere un gráfico de Temperatura (°C) contra el Tiempo (s).

4. Pronostique cómo se verá el gráfico de temperatura contra el tiempo para el agua que se

congela.

La temperatura disminuirá hasta alcanzar los 0 °C y luego se nivelará y permanecerá horizontal hasta que se

haya congelado toda el agua. Después de que el agua se haya convertido en hielo, la temperatura disminuirá a

ritmo constante nuevamente.

5. Pronostique cómo se verá el gráfico de temperatura contra el tiempo para el hielo que se

derrite.

La temperatura aumentará hasta alcanzar los 0 °C y luego se nivelará y permanecerá horizontal hasta que se

haya derretido todo el hielo. Después de esto, la temperatura aumentará a ritmo constante.

6. Utilice una probeta para medir 3 mL de agua destilada y vierta el agua en el tubo de

ensayo.

7. Coloque el sensor de temperatura en el tubo de ensayo.

Recolecte los Datos

8. Recolecte los datos de temperatura contra el tiempo a medida que congela el agua en el

tubo de ensayo con una mezcla de agua y sal. Para hacerlo:

a. Llene un vaso de precipitado con hielo hasta la mitad.

b. Agregue dos cucharadas de sal de roca.

c. Utilice una varilla agitadora para mezclar la sal de roca con el hielo.

d. Coloque el tubo de ensayo que contiene el sensor de temperatura en la mezcla de

hielo y sal.

e. Comience con la recolección de datos de temperatura.

Nota: Quizá deba ajustar la escala de los ejes para observar cómo se producen los cambios.

f. Agregue cuidadosamente más hielo al tubo de ensayo y dos cucharadas más de sal.


221

g. Agite levemente la mezcla con el tubo de ensayo. Mantenga el sensor de temperatura

posicionado de forma tal que la punta se congele en el hielo.

Nota: Algunas veces, el agua en el tubo de ensayo de enfriará mucho (permanecerá líquida a menos

de 0 °C). Si esto sucede, retire rápidamente el tubo de ensayo de la mezcla de agua y sal y luego

colóquelo nuevamente en la mezcla.

h. Detenga la recolección de datos de temperatura cuando la temperatura del hielo

descienda a –6,0 °C o menos.

9. Asigne el nombre "Hielo solidificado" a la serie de datos.

10. Comience a registrar otra serie de datos.

11. Retire el tubo de ensayo de la mezcla de agua y sal y colóquelo en un soporte para tubos

de ensayo.

12. Permita que el hielo se derrita. Una vez que se haya derretido lo suficiente, gire el sensor

de temperatura para que el hielo del sensor de temperatura se mezcle constantemente

con el agua del hielo derretido.

13. Continúe registrando los datos y agitando constantemente hasta que se derrita todo el

hielo y la temperatura del agua aumente a 8 o 10 °C.

14. ¿Cuáles son las variables dependientes e independientes en este experimento?

La variable independiente es el tiempo en el que se agrega un calor constante al hielo.

La variable dependiente es la temperatura.

15. Registre la temperatura a la cual se congeló el agua y se derritió el hielo.

El hielo se derrite y se congela a (o cerca de) los 0 °C.

16. ¿De dónde proviene el calor que provoca que el hielo se derrita?

Proviene del entorno. En este caso, del aire a temperatura ambiente.

17. Detenga la recolección de datos cuando la temperatura del agua esté entre 8 y 10 °C.

18. Asigne el nombre "Hielo derretido" a la serie de datos.

Parte 2: Hervir el agua

Preparación

19. Asegúrese de que el sistema de recolección de datos esté encendido, que haya un sensor

de temperatura de acero inoxidable conectado y que se muestre un gráfico de

Temperatura (°C) contra el Tiempo (s).

Cambio de Estado

222 PS-2947

20. Encienda su placa calefactora a su máxima temperatura y deje que se caliente por

completo. Esto generalmente toma unos 5 minutos.

ADVERTENCIA: Asegúrese de que los papeles, cables, dedos, etc. no toquen la placa calefactora.

21. Permitir que la placa calefactora se caliente garantiza que se agregará una cantidad de

calor constante al vaso de precipitado con agua. Si no dejara que la placa calefactora se

caliente, ¿cómo cambiaría el calor liberado con el tiempo?

El calor liberado aumentaría lentamente hasta llegar a la temperatura máxima y luego permanecería constante.

22. ¿Por qué debe colocarse la placa calefactora a su temperatura máxima?

Puede emplearse cualquier temperatura siempre que siga siendo la misma durante todo el experimento

(cantidad de calor constante). Utilizar la máxima temperatura ahorra tiempo.

23. Conecte una pinza utilitaria a un soporte universal de laboratorio y ajuste firmemente un

sensor de temperatura de acero inoxidable a la pinza.

24. Llene el vaso de precipitado con aproximadamente 100 mL de agua destilada.

25. ¿Cómo cree que se verá el gráfico de temperatura contra el tiempo para el agua que

hierve?

La temperatura aumentará hasta los 100 °C y luego se nivelará. El agua permanecerá a 100 °C hasta que se

evapore por completo.

Recolecte los Datos

26. Coloque el vaso de precipitado con agua sobre la placa calefactora caliente.

27. Coloque el sensor de temperatura de acero inoxidable en el agua y posiciónelo en el

centro del agua. Asegúrese de que el sensor no toque el fondo ni los costados del vaso de

precipitado.



29. Continúe con la recolección de datos hasta que el agua haya hervido a borbotones (con

burbujas grandes) durante 8 a 10 minutos.

30. ¿Por qué es importante que el sensor de temperatura permanezca en el centro del agua?

Esto garantizará que se mida la temperatura del agua. Si el sensor de temperatura toca el fondo del vaso de

precipitado, medirá la temperatura de la placa calefactora, no del agua.

31. ¿Cuáles son las variables dependientes e independientes en este experimento?

La variable independiente es el tiempo en el que se agrega un calor constante al agua.

La variable dependiente es la temperatura del agua.


223

32. Registre la temperatura cuando observe que el agua hierve a borbotones.

El agua hierve a (o cerca de) los 100 °C.

33. ¿Por qué es necesario hervir el agua durante tanto tiempo?

Para determinar cómo cambia la temperatura mientras el agua pasa del estado líquido al gaseoso.

34. Detenga la recolección de datos hasta que el agua haya hervido a borbotones durante 8 a

10 minutos.

35. Asigne el nombre "Agua en ebullición" a la serie de datos.

36. Apague la placa calefactora y deje que se enfríe durante al menos 20 minutos.

37. Guarde su experimento y limpie su estación del laboratorio conforme a las indicaciones

del docente.

Análisis de Datos

1. Imprima o bosqueje un gráfico de Temperatura (°C) contra el Tiempo (s) en el cual se

elimine el calor para congelar el agua. Indique con una etiqueta dónde se produjo la

solidificación. También asigne una etiqueta al gráfico en general, al eje X, al eje Y e


Solidificación: recta horizontal cerca de los 0 °C.


agregue calor para derretir el hielo. Indique con una etiqueta dónde se produjo la fusión.

También asigne una etiqueta al gráfico en general, al eje X, al eje Y e incluya unidades

en los ejes.

Cambio de Estado

224 PS-2947

Fusión: recta horizontal cerca de los 0 °C.


agregue calor para hervir el agua. Indique con una etiqueta dónde se produjo la

ebullición. También asigne una etiqueta al gráfico en general, al eje X, al eje Y e incluya


Ebullición: recta horizontal cerca de los 100 °C.


225


1. Relacione la forma de sus gráficos con el comportamiento de las moléculas de

agua. Pista: Explique si el calor agregado provocó que las moléculas se movieran más

rápidamente o se rompieran las atracciones.

Las rectas con pendientes hacia arriba en los gráficos indican que las moléculas del agua se mueven más

rápidamente, lo cual provoca que la temperatura aumente.

La sección horizontal de los gráficos es donde se rompen las atracciones entre las moléculas. Esto provoca el

cambio de estado (de sólido a líquido en el primer gráfico y de líquido a gaseoso en el segundo). Esto solo

cambia la energía potencial y, por lo tanto, no cambia la temperatura.

2. Explique cómo es posible agregar calor a una sustancia sin que aumente su

temperatura.

Si se agrega calor a una sustancia durante un cambio de estado, la temperatura no aumentará. Esto es posible

gracias a que el calor agregado se emplea para romper las atracciones entre las partículas en lugar de

aumentar su velocidad promedio.

3. Según sus resultados de laboratorio, ¿cuál es el punto de fusión y el punto de

ebullición del agua destilada? ¿Cómo se comparan sus resultados con los del resto de

la clase?

El punto de fusión es cerca de 0 °C y el punto de ebullición es cerca de 100 °C. Los valores deben estar dentro

de uno o dos grados con respecto a los del resto de la clase.

4. Explique en qué difieren el calor y la temperatura.

La temperatura se relaciona directamente con el movimiento de las moléculas (energía cinética).

El calor es el cambio total en la energía interna de una sustancia. La energía interna proviene tanto del

movimiento de las moléculas (energía cinética) como de las fuerzas electrostáticas de atracción entre las

moléculas (energía potencial).



1. Al tomar un vaso de agua helada, observa gotas de agua que se forman fuera del

vaso. Explique de dónde proviene el agua que se formó y qué cambio de estado

implicó.

Las gotitas de agua provienen del vapor de agua en el aire. El cambio de estado es la condensación. El vapor

de agua en el aire se transformó en agua líquida en la parte exterior del vaso.

2. ¿Qué cambio de estado se produce cuando los humanos sudan? ¿Por qué esto hace

que nuestros cuerpos se enfríen?

El agua cambia de estado líquido a gaseoso (evaporación). La sudoración enfría el cuerpo al utilizar el calor

corporal para convertir las moléculas de agua (sudor) en vapor de agua. Las nuevas moléculas de vapor salen

del cuerpo y, al hacerlo, eliminan el calor corporal que absorbieron. Eliminar el calor de un elemento hace que

se enfríe.

Cambio de Estado

226 PS-2947

3. ¿Es posible calentar un metal sin aumentar su temperatura?

Sí, es posible si lo calentamos mientras se derrite. Al agregar calor, la temperatura del metal aumentará hasta

llegar a su punto de fusión. Una vez que se llega al punto de fusión, el calor adicional no provocará un aumento

en la temperatura hasta que se haya completado el cambio de estado.

4. ¿Es posible eliminar el calor de una sustancia sin disminuir su temperatura?

Utilice un ejemplo para explicar su respuesta.

Sí. Si se elimina calor de una sustancia durante un cambio de estado, la temperatura no disminuirá. Por

ejemplo, si se elimina calor del agua líquida a medida que se congela para formar hielo, no se produciría ningún

cambio de temperatura. También podría ponerse como ejemplo la condensación.



incompletos.

1. El agua que hierve a borbotones libera burbujas de gas. ¿Qué gas está presente en

estas burbujas?

A. Aire

B. Oxígeno

C. Nitrógeno

D. Vapor de agua

2. Al agregar calor a una sustancia durante un cambio de estado, ¿qué sucede con la

temperatura de la sustancia?

A. Aumenta

B. Disminuye

C. Permanece constante

D. Disminuye levemente y luego aumenta

3. ¿Qué sucederá al agregar calor al agua que se encuentra a temperatura ambiente?

A. La temperatura del agua aumentará

B. La temperatura del agua disminuirá

C. La temperatura del agua permanecerá constante

D. El agua cambiará inmediatamente al estado gaseoso

4. A nivel molecular, ¿qué sucede con las moléculas de agua al calentarse?

A. Las moléculas se mueven más rápidamente

B. Las moléculas de agua se separan entre sí

C. Los átomos de hidrógeno se separan de los átomos de oxígeno

D. Puede suceder o A o B


227

5. ¿Cómo se llama la temperatura a la cual una sustancia cambia del estado líquido al

gaseoso?

A. Punto de ebullición

B. Punto de fusión

C. Punto de solidificación

D. Punto de condensación



palabra clave.

1. La teoría cinético-molecular explica que toda la materia se compone de partículas en

movimiento constante. Agregar calor a una materia generalmente provoca que las partículas se

muevan a mayor velocidad. Por el contrario, al eliminar calor, las partículas se mueven a menor

velocidad. La temperatura se relaciona con el movimiento promedio (energía cinética) de las

partículas.

2. Toda la materia existe en estado sólido, líquido o gaseoso en función de la temperatura (y,

hasta cierto punto, de la presión). El proceso de cambiar de uno de estos estados a otro se

denomina cambio de estado. La temperatura a la cual se produce un cambio de estado puede

emplearse para identificar las sustancias puras. Existen cuatro cambios de estado principales.

La temperatura a la cual un sólido cambia a estado líquido se denomina punto de fusión. La

temperatura a la cual un líquido cambia a estado gaseoso se denomina punto de ebullición. La

fusión y la ebullición requieren la incorporación de calor. La temperatura a la cual un líquido

cambia a estado sólido se denomina punto de solidificación. La temperatura a la cual un gas

cambia a estado líquido se denomina punto de condensación. La solidificación y la

condensación requieren la eliminación de calor.

3. Durante un cambio de estado, la temperatura de la sustancia permanece constante. La

temperatura permanece constante debido a que el calor que se agrega o se elimina se utiliza para

romper o formar atracciones entre partículas en lugar de provocar que las partículas modifiquen

su velocidad. La energía almacenada en las atracciones entre las partículas es energía

potencial. Por lo tanto, el calor y la temperatura son dos cosas diferentes. El calor es energía

cinética y potencial de una sustancia, mientras que la temperatura se relaciona solamente con la

energía cinética de las partículas.

Cambio de Estado

228 PS-2947


Determine si diferentes cantidades de agua influyen sobre el punto de fusión o ebullición del

agua.

Determine el punto de fusión del ácido láurico.

Identifique sustancias desconocidas con base en el punto de fusión o ebullición.

Determine el efecto que produce agregar solutos sobre el punto de fusión o ebullición del agua.

Determine un método para aumentar o disminuir la temperatura a la cual hierve el agua.

Fabrique helado para explorar la depresión del punto de solidificación.

Determine los efectos del volumen sobre la temperatura del agua.

¿El agua se derrite a una temperatura mayor que la temperatura a la que se congela?


229

Porcentaje de Oxígeno en el Aire

Objetivos

Los alumnos aprenden acerca de los componentes del aire y cómo determinar el porcentaje de

oxígeno en él. Mediante esta investigación, los alumnos:

observan una reacción química que involucra diferentes estados de la materia;

describen la presión a nivel molecular;

explican cómo las variables de temperatura, volumen y concentración influyen sobre la presión

de los gases.



Uso de un sensor de presión absoluta para medir los cambios en la presión mientras el oxígeno

atmosférico reacciona con la lana de acero (hierro);

determinación del porcentaje de oxígeno en el aire con base en la diferencia de presión medida.







Sistema de recolección de datos Tapón con un orificio que sea adecuado para el

Sensor de presión absoluta tubo de ensayo

Cable de extensión del sensor Varilla agitadora

Conector de liberación rápida1 Vinagre blanco (ácido acético al ~5%), 50 a 60 mL

Conector para tubos1 Lana de acero, tejido fino (#000); 1,0 g

Tubos de entre 1 y 2 cm1 Toallas de papel

Vaso de precipitado de 150 mL Glicerina, 2 gotas

Tubo de ensayo de 25 x 150 mm

1 Se incluye con la mayoría de los sensores de presión absoluta de PASCO.


230 PS-2947



Naturaleza particular de la materia

Estados de la materia

Antecedentes

El aire es una mezcla compuesta de aproximadamente 78% de nitrógeno, 21% de oxígeno y 1% de

muchos otros gases, incluidos el argón, el dióxido de carbono y el vapor de agua. En este trabajo

de laboratorio, los alumnos calculan el porcentaje de oxígeno en el aire al medir la presión inicial

del aire y la presión del aire después de eliminar el oxígeno de él, y determinan la diferencia.

El oxígeno se elimina del aire mediante una reacción química. Se eligió la reacción entre el

oxígeno y el hierro debido a que el hierro reacciona con el oxígeno en el aire, pero no con el

nitrógeno. Las moléculas de nitrógeno simplemente rebotan del hierro, mientras que los átomos

de oxígeno chocan y se adhieren al hierro para formar una nueva sustancia: el óxido de

hierro (III).

3O2(g) + 4Fe(s) → 2Fe2O3(s)

La lana de acero actúa como la fuente de hierro. El acero es una aleación del hierro con una

cantidad muy pequeña de carbono. Las lanas de acero de la mayoría de las marcas están

levemente recubiertas con aceite o algún otro inhibidor del óxido. Los alumnos remueven el

inhibidor del óxido al enjuagar la lana de acero con vinagre. El "lavado" de vinagre también

genera un entorno húmedo y levemente ácido que aumenta la velocidad de la reacción.

Los sólidos, los líquidos y los gases ejercen presión sobre las superficies que los rodean. Debido a

que la presión es la variable dependiente en este experimento, es importante que los alumnos

comprendan la presión a nivel molecular. La presión es la fuerza aplicada sobre una superficie.

La presión se mide en unidades de pascales (Pa) o en newtons (N) por metro cuadrado, donde

1 Pa = 1 N/m2. El newton es la unidad estándar para medir la fuerza. A nivel molecular, la

presión del aire, al igual que todas las presiones en las que participan los gases, es el resultado

del choque de moléculas contra una superficie. Cuanto mayor es la cantidad de choques por

segundo, mayor es la presión del aire.

La temperatura, el volumen y la cantidad de gas presente influyen sobre la frecuencia de las

partículas de gas que chocan y, por lo tanto, sobre la presión del aire. Cuando el aire se calienta,

las partículas se mueven con mayor velocidad (mayor energía cinética) y provocan más choques

por segundo. Por lo tanto, aumenta la presión (ley de Gay-Lussac). Por el contrario, el

enfriamiento provoca que las moléculas de aire se muevan con menor velocidad, lo cual da como

resultado menos choques y menos presión.

Cuando aumenta el volumen de un envase que contiene una cantidad constante de partículas de

gas, disminuye la presión (ley de Boyle). Esto se debe a que las partículas tienen más espacio

para moverse y, por lo tanto, es menor la frecuencia con la que chocan con las paredes del envase.

También sucede lo opuesto: al haber menos volumen para que las partículas de gas se muevan,

se produce una mayor presión debido a que las moléculas tienen menos espacio para moverse y,

por lo tanto, se golpean contra las superficies con mayor frecuencia.

La presión del aire también depende de la cantidad de partículas de gas presentes (ley de

Avogadro). Cuantas más partículas hay en un envase, mayor es la frecuencia con la que


231

golpearán las paredes del envase, lo cual provocará una mayor presión. También sucede lo

opuesto: cuantas menos partículas hay, menor es la presión resultante.

El método que se utiliza en este experimento para determinar el porcentaje de oxígeno en el aire

funciona debido a la ley de Dalton sobre presiones parciales. La ley de Dalton sobre presiones

parciales establece que la presión total de una mezcla de gas es la suma de las presiones

parciales de cada gas individual de la mezcla. Por lo tanto, la presión del aire es igual a la

presión del nitrógeno más la presión del oxígeno más la presión de todos los demás gases

presentes en el aire. Al eliminar el oxígeno, la presión del aire disminuirá en una cantidad

directamente proporcional al porcentaje de oxígeno en el aire.

Cambiode presi nPorcentaje ox geno 100

Presi n inicial

óí

ó


El concepto de presión

Presente el concepto de presión al comparar la presión ejercida en zapatos de

tacón con la presión ejercida en calzado deportivo.

1. Si una mujer usa zapatos de tacón en una superficie de tierra blanda, se hundirá en

el suelo. Sin embargo, si la misma mujer usa calzado deportivo en la misma superficie,

no se hundirá en absoluto. ¿Por qué? ¿Cuál es la diferencia en los dos escenarios y

cómo explica esta diferencia el hecho de que la mujer se hunda o no?

La diferencia está en el calzado que usa la mujer. Más específicamente, la superficie que toca el suelo presenta

diferencias significativas. Cuando la mujer usa zapatos de tacón, su peso corporal ejerce una fuerza sobre el

suelo sobre una superficie muy pequeña. Esto genera mucha presión y provoca que la mujer se hunda. Cuando

la mujer usa calzado deportivo, ejerce la misma fuerza (su peso corporal) sobre una superficie mayor y, por lo

tanto, no se hunde (ejerce menos presión).

Cómo calcular la presión

Bríndeles a los alumnos una noción matemática de la presión al comparar la presión que ejerce un libro

de texto en dos posiciones diferentes. Coloque un libro de texto sobre una mesa frente a la clase, con el

lado más grande hacia abajo. Pare un segundo libro de texto sobre su borde. Anote las dimensiones y la

masa del libro de texto en el pizarrón. (Puede utilizar las siguientes dimensiones: dimensiones del libro

de texto: 10,0 in x 10,0 in x 2,0 in; peso del libro de texto —fuerza de gravedad sobre el libro—: 5,0 lb).

Explique la idea de que "la cantidad de fuerza sobre cada cuadrado" se denomina presión. Anote la

definición de presión en el pizarrón. La presión es la fuerza que actúa sobre una superficie específica.

2. ¿Qué libro ejerce mayor presión por unidad de superficie sobre la mesa? Explique.

El libro que se para sobre su borde ejerce mayor presión por unidad de superficie. Ambos libros tienen la misma

masa y, por lo tanto, ejercen la misma fuerza, pero el libro que se para sobre su borde soporta el peso sobre

una superficie más pequeña.

3. Si el libro yace de lado, ¿cuánta fuerza (peso) se siente sobre cada pulgada

cuadrada?

El peso de 5,0 lb se reparte en las 100 pulgadas cuadradas (la superficie que toca la mesa). Entonces, cada

pulgada cuadrada del libro soporta 0,05 lb.


232 PS-2947

4. ¿Cuánta fuerza (peso) soporta cada pulgada cuadrada cuando el libro se para sobre

su borde?

Hay menos pulgadas cuadradas (in.2) en contacto con la mesa, por lo cual cada pulgada cuadrada debe

soportar más peso. El libro aún pesa 5,0 lb, pero hay solo 20 in.2 que comparten el peso. Entonces, cada

pulgada cuadrada soporta 0,25 lb.

5. ¿Cuál es la ecuación de la presión? Calcule la presión que ejerce cada libro sobre la

mesa.

Fuerza

Presi nrea

óá

El libro que yace de lado:

25,0 lb= = 0,05 lb plg

(10 plg 10 plg)P

El libro que se para sobre su borde:

25,0 lb= = 0,25 lb plg

(10 plg 2 plg)P

6. ¿Cuáles son las unidades de presión del ejemplo anterior? ¿Cuáles son las

unidades en el sistema SI?

En el ejemplo anterior, la presión se medía en libras por pulgada cuadrada. En el sistema SI, la unidad de fuerza

es el newton (N) y la unidad de la superficie son los metros cuadrados (m2). Un newton ((kg·m)/s

2) es la unidad

estándar de fuerza que contiene las unidades de masa y de aceleración debido a la gravedad. Juntas, podemos

pensar en ellas como el "peso". Un N/m2 también se denomina pascal (Pa). Un pascal de presión es una unidad

muy pequeña, por lo cual es habitual medir la presión en kilopascales (kPa).

Presión a nivel molecular

Explique a los alumnos que, en los sólidos y líquidos, los átomos o moléculas están en contacto entre

ellos. Debido a esto, todas las moléculas contribuyen a la fuerza sobre la mesa. Apile dos libros de texto

pequeños uno encima de otro y sostenga un tercer libro en la mano. Explique que cada libro que está

sobre la mesa aporta su peso a la fuerza y la presión total que se ejerce, al igual que cada molécula en

un sólido o líquido aporta todo su peso a la presión que se ejerce.

Sin embargo, las moléculas que componen un gas son diferentes, ya que no están en contacto entre

ellas. Podemos pensar en una partícula de gas como un tercer libro que cae hacia la pila de libros. Deje

caer el tercer libro en la pila. El libro que cae no aporta ninguna fuerza a la superficie de la mesa hasta

que golpea la pila de libros. Para los gases, es la cantidad de choques lo que genera la presión. Finalice

el debate al mostrarles a los alumnos una imagen o un video de moléculas de gas que chocan con la

superficie de su envase.


233

Demostración de la diferencia entre la presión ejercida por los

sólidos contra la presión ejercida por los gases.

7. Utilice el ejemplo del libro de texto para explicar la presión a nivel molecular.

Las moléculas que componen el libro ejercen una fuerza (su peso) sobre la mesa.

8. ¿Cómo difiere la presión ejercida por las moléculas si están en estado sólido o

líquido en comparación con un estado gaseoso?

En los sólidos y líquidos, todas las moléculas se tocan entre sí todo el tiempo y, por lo tanto, siempre

contribuyen a una fuerza y presión constantes. Por otro lado, las moléculas en estado gaseoso rebotan por

todos lados. Contribuyen a la fuerza cuando se produce un choque. Los choques constituyen la forma en la que

las moléculas de gas generan presión.

Temperatura, volumen y presión del aire

Fomente la participación de los alumnos en un debate sobre la presión del aire y las formas en que

puede alterarse la presión al pedirles que modifiquen la temperatura y luego el volumen de aire dentro

de una jeringa.

Pídales a los alumnos que establezcan el volumen de una jeringa en aproximadamente 20 mL y que

luego la conecten a un sistema de recolección de datos. Mientras monitorean la presión en la pantalla

digital, pídales que observen lo que sucede al calentar el aire dentro de la jeringa si la sostienen en la

palma de la mano. Luego, pídales a los alumnos que modifiquen el volumen del aire en la jeringa al

presionar el émbolo y comprimir el gas. Ayude a los alumnos a analizar sus resultados al explicarles lo

que sucede a nivel molecular.

Conector de liberación rápida Tubos

Las moléculas de gas crean presión a través

de choques con las superficies de su envase.

El libro que cae ejerce presión de la misma manera que las moléculas de gas.

Los libros apilados demuestran cómo los sólidos ejercen presión a través de su masa y la fuerza de gravedad sobre la superficie de la mesa.


234 PS-2947

9. ¿Cuáles son algunas posibles formas de aumentar la presión del aire dentro de la

jeringa?

Aumentar la cantidad de choques: 1) al aumentar la temperatura, 2) al aumentar la cantidad de moléculas o 3) al

disminuir el tamaño del envase.

10. ¿Qué puede observar acerca de la presión al sostener la jeringa en la palma de la

mano? ¿Por qué?

La presión aumenta debido a que las moléculas de gas se entibian. Los elementos más tibios se mueven más

rápidamente, por lo cual las moléculas de gas golpean las paredes de la jeringa con mayor frecuencia y con

mayor fuerza, lo cual produce más presión.

11. ¿Por qué es posible comprimir el gas? ¿Cómo modifica la presión? ¿Por qué?

El gas puede comprimirse debido a que hay espacio entre las moléculas de gas. Las moléculas pueden

moverse en este espacio y, básicamente, se aprietan unas contra otras.

La presión aumentó debido a que las moléculas golpeaban las paredes con mayor frecuencia. Las moléculas

golpeaban las paredes con mayor frecuencia porque no debían recorrer tanta distancia para hacerlo.

Tipos de moléculas en el aire

Analice los diferentes tipos de moléculas que componen el aire y explique que cada tipo de molécula

contribuye a la presión que ejerce el aire. Esta observación se resume en la ley de Dalton sobre

presiones parciales, la cual establece que la presión total de una mezcla gaseosa es la suma de las

presiones individuales de cada tipo de gas.

Presente la idea de que la cantidad de moléculas en un envase cerrado puede aumentarse o disminuirse

a través de reacciones químicas. Explique la reacción química que se realizará en este trabajo de

laboratorio y finalice el debate al pedirles a los alumnos que realicen un cálculo de ejemplo con los

datos de presión que se proporcionan.

Anote la siguiente ecuación en el pizarrón.

oxígeno + hierro (lana de acero) → óxido

3O2(g) + 4Fe(s) → 2Fe2O3(s)

12. ¿Qué tipos de moléculas se encuentran en el aire de su jeringa?

El aire es una mezcla compuesta por moléculas de nitrógeno, moléculas de oxígeno y una cantidad muy

pequeña de otras moléculas tales como argón, dióxido de carbono, vapor de agua y otros.

13. Todas las moléculas del aire rebotan en las paredes y contribuyen a la presión

total de gas. Imagine que hay 100 moléculas de gas. Si 50 de ellas son de nitrógeno,

¿qué porcentaje de la presión observada se atribuye a las moléculas de nitrógeno?

La mitad (50%) de los choques serían moléculas de nitrógeno, entonces la mitad de la presión se atribuiría a

este elemento.

14. Hemos visto que alterar la temperatura provoca que la presión aumente o

disminuya debido a que cambia la cantidad de choques y la fuerza de ellos. También

hemos visto que disminuir el volumen del envase aumenta la presión al aumentar la

cantidad de choques. La variable final que afecta la presión es la cantidad real de


235

moléculas de gas. ¿Cómo puede cambiar la cantidad de moléculas de gas en un envase

cerrado?

La cantidad de moléculas de gas puede aumentarse o disminuirse mediante una reacción química.

15. En este trabajo de laboratorio, las moléculas de oxígeno del aire rebotarán en los

átomos de hierro de la lana de acero. Si el choque es correcto, el oxígeno reacciona

con el hierro y crea una nueva molécula (óxido). ¿Cómo se verá afectada la presión de

gas a medida que se produce la reacción? ¿Por qué?

La presión de gas debe disminuir debido a que debe disminuir la cantidad de moléculas de gas. Antes de la

reacción, las moléculas de oxígeno se movían con libertad en forma de gas. Después de la reacción, el oxígeno

estará ligado al hierro en un nuevo sólido (óxido).

16. ¿De qué forma medir un cambio en la presión lo ayudará a determinar el

porcentaje de oxígeno en el aire?

La cantidad en la que disminuye la presión es proporcional al porcentaje de oxígeno en el aire.

Cambiode presi nPorcentaje ox geno 100

Presi n inicial

óí

ó

17. Si la presión inicial del gas en un tubo de ensayo es de 100 kPa y la presión final es

de 75 kPa, ¿cuál fue el cambio en la presión? ¿Qué porcentaje de las moléculas de gas

se eliminó?

El cambio en la presión es de 25 kPa (100 kPa – 75 kPa).

25 kPaPorcentaje gas perdido = × 100 = 25%

100 kPa




Seguridad

Incorpore la siguiente precaución importante de seguridad a sus procedimientos habituales de

laboratorio:

El vinagre es un ácido débil. Evite el contacto con los ojos y lávese las manos después de

manipular los objetos de vidrio, la lana de acero y los equipos.


236 PS-2947








Preparación


2. Conecte el sensor de presión absoluta al sistema de recolección de datos mediante el cable

de extensión.

Cable de extensión

Mida y registre la

presión inicial.

3

Limpie la lana de

acero con

vinagre para que

el oxígeno pueda

reaccionar con el

hierro.

1

Cree un envase

cerrado con aire

y la lana de

acero.

2

Mida la presión

final.

4

Calcule el

porcentaje de

oxígeno en el

aire.

5


237

3. Conecte el conector de liberación rápida al tapón mediante el conector para tubos y el

tubo de 1 a 2 cm al seguir estos pasos. Utilice la imagen como guía.

a. Inserte el extremo más grueso del conector para tubos en el orificio del tapón. Si esto

se le dificulta, agregue una gota de glicerina.

b. Conecte el tubo de 1 a 2 cm al otro extremo (el más delgado) del conector para tubos.

c. Inserte el extremo punzante del conector de liberación rápida en el extremo abierto

del tubo de 1 a 2 cm. Si esto se le dificulta, agregue una gota de glicerina.

4. Inserte el conector de liberación rápida en el puerto del sensor de presión absoluta y

luego gire el conector en sentido de las agujas del reloj hasta que oiga un "clic" en el

sensor (aproximadamente un octavo de giro).

5. Cree una representación gráfica de Presión (kPa) contra el Tiempo.

6. ¿Cuáles son las variables dependientes e independientes en este experimento? ¿En qué

unidades se miden estas variables?

La variable dependiente es la presión en unidades de kilopascales (kPa).

La variable independiente es el tiempo en el que se produce la reacción y se mide en unidades de segundos (s).

7. Pronostique lo que sucederá con la presión a medida que se produce la reacción.

La presión disminuye a medida que el oxígeno se consume debido a la reacción con el hierro.

8. Obtenga suficiente cantidad de lana de acero de tejido fino como para llenar alrededor de

2/3 de un tubo de ensayo grande (aproximadamente 1,0 g).

9. Estire la lana de acero para exponer una gran cantidad de la superficie.

10. Limpie la lana de acero al sumergirla en un vaso de precipitado de 150 mL con

aproximadamente 60 mL de vinagre durante más o menos un minuto. Utilice una varilla

agitadora para enjuagar completamente la lana de acero en el vinagre.

11. ¿Por qué debemos enjuagar la lana de acero en vinagre?

El enjuague remueve la cubierta protectora del hierro para que las moléculas de oxígeno puedan chocar

directamente con los átomos de hierro. El vinagre también aporta un entorno húmedo y levemente ácido que

provocará que la reacción se produzca con mayor rapidez (aumenta la velocidad de la reacción).

Conector de liberación rápida

Tubos

Conector para tubos

Tapón con un orificio


238 PS-2947

12. Retire la lana de acero del vaso de precipitado con vinagre y escúrrala para drenar el

vinagre en el vaso de precipitado.

13. Estire la lana de acero y séquela por completo con las toallas de papel.

14. Cambie las toallas de papel y séquela nuevamente.

15. Estire la lana de acero y agítela en el aire para asegurarse de que esté seca.

16. Coloque la lana de acero en un tubo de ensayo grande y asegúrese de exponer una gran

parte de la superficie. No acumule la lana de acero en el fondo del tubo de ensayo.

Nota: Quizá deba golpetear suavemente el tubo de ensayo para que la lana de acero se deslice hacia abajo.

Recolecte los Datos

17. Coloque el tapón en la parte superior del tubo de ensayo y comience inmediatamente con

la recolección de datos.

Nota: Quizá deba ajustar la escala del gráfico para observar cómo se producen los cambios.

18. ¿Qué moléculas contribuyen a la presión que usted registra en su sistema de recolección

de datos? Sea específico.

La presión proviene del nitrógeno, del oxígeno y una parte muy pequeña de otras moléculas que componen el

aire dentro del tubo de ensayo.

19. Escriba una oración en la que explique la reacción que se produce en el tubo de ensayo.

Explique de dónde proviene cada sustancia y su estado físico (sólido, líquido o gaseoso).

El oxígeno del aire reacciona con el hierro sólido de la lana de acero para formar óxido, que es un nuevo sólido.

20. ¿Qué sucede con la presión a medida que se produce la reacción? ¿Por qué?

La presión disminuye porque el oxígeno se incorpora a un sólido y, por lo tanto, se elimina del aire.

21. Anote al menos tres cambios cuya aparición observe en el tubo de ensayo.

El agua se condensa en el costado del tubo de ensayo, el tubo se calienta y la lana de acero adquiere un color

marrón/naranja.

22. Cuando se haya estabilizado la presión (después de aproximadamente 20 a 30 minutos),

detenga la recolección de datos.

23. Guarde el archivo de datos y limpie su estación del laboratorio conforme a las



239

Análisis de Datos

1. Determine las presiones inicial y final y anótelas en la Tabla 1 a continuación.

Tabla 1: Presión inicial y final

Presión inicial (kPa) 105,21

Presión final (kPa) 83,31

2. Calcule el cambio en la presión.

Presión inicial (kPa) – presión final (kPa) = cambio en la presión (kPa)

105,21 kPa – 83,31 kPa = 21,9 kPa

3. Calcule el porcentaje de oxígeno en el aire.

Cambiode presi n (kPa)100 Porcentaje ox geno

Presi n inicial (kPa)

óí

ó

21,9 kPa× 100 = 20,8% oxygen

105,21 kPa

4. Dibuje o imprima una copia del gráfico de Presión (kPa) contra el Tiempo (s). Asigne una

etiqueta al gráfico en general, al eje X, al eje Y e incluya unidades en los ejes.


240 PS-2947


1. ¿Por qué el gráfico de presión se aplanó después de un tiempo? (Pista: Piense

acerca de lo que sucede con la cantidad de oxígeno en el tubo de ensayo).

Se estaba agotando el oxígeno en el tubo de ensayo. Cuando desapareció, el gráfico se aplanó.

2. ¿Por qué la presión no se redujo a cero?

La presión no llegó a cero debido a que aún había otras moléculas, incluidas las de nitrógeno, dióxido de

carbono, vapor de agua y argón, en el tubo de ensayo. Estas continuaron rebotando contra las paredes y

generando presión.



1. A menudo se dice que los gases no tienen una forma definida y que llenan el

envase que ocupan. Explique qué sucede a nivel molecular para que los gases tengan

estas propiedades.

Las moléculas de gas rebotan por el entorno y no se unen. Se mueven por el espacio en línea recta hasta que

chocan contra una pared, entonces ocupan el volumen total de un envase de cualquier tamaño.

2. Explique por qué los sólidos tienen una forma definida.

Las moléculas o átomos de un sólido se unen en un patrón definido. No pueden moverse para llenar el envase.

3. Las reacciones químicas se detienen cuando se agota uno de los reactivos. Este

reactivo se llama reactivo limitante, porque limita la cantidad de producto que se

forma. En este trabajo de laboratorio, el óxido era el producto. ¿Cuál era el reactivo

limitante?

La presión se mantuvo constante cuando se agotó por completo el oxígeno en el tubo de ensayo. Esto convierte

al oxígeno en el reactivo limitante.



incompletos.

1. ¿Cuál de las siguientes variables afecta la presión de un gas?

A. La cantidad de moléculas de gas

B. La temperatura de las moléculas de gas

C. El volumen del envase que contiene las moléculas de gas



241

2. Si aumenta la temperatura de un gas, ¿qué sucederá con la presión?

A. Permanecerá estable

B. Aumentará

C. Disminuirá

D. No hay suficiente información

3. Si aumenta la cantidad de moléculas de gas en un envase, ¿qué sucederá con la

presión?

A. Permanecerá estable

B. Aumentará

C. Disminuirá

D. No hay suficiente información

4. ¿Aproximadamente qué porcentaje del aire se compone de oxígeno?

A. Menos del 5%

B. 20%

C. 70%

D. Más del 80%

5. La mejor descripción de la presión es:

A. Una fuerza que se expande sobre una superficie

B. Movimiento de moléculas

C. El espacio entre las moléculas de un gas

D. Una fuerza potente



palabra clave.

1. La presión es una fuerza que se expande sobre un/una superficie. La presión de gas se

produce debido a las moléculas del gas que vuelan por el espacio y rebotan contra las

superficies. Si aumenta la velocidad de los choques, aumenta la presión. Un aumento en la

temperatura provoca una mayor presión debido a que las moléculas de gas se mueven con mayor

energía cinética y, por lo tanto, se mueven con mayor velocidad. Una disminución en el volumen

provoca un/una aumento en la presión debido a que las moléculas de gas están más cerca unas

de otras y tienen una menor distancia que recorrer para golpear las paredes del envase, por lo

cual los choques son más frecuentes. A una temperatura determinada, todas las moléculas de gas

contribuyen a la presión total. Si el 70% de las moléculas de gas en un envase son de nitrógeno,

entonces el 70% de la presión se deberá a las moléculas de nitrógeno.


242 PS-2947


Pídales a los alumnos que diseñen un experimento para determinar si otros metales se corroen

en presencia del oxígeno.

Pídales a los alumnos que determinen la cantidad ideal de lana de acero que se debe utilizar en

este trabajo de laboratorio.

Pídales a los alumnos que determinen el tamaño ideal del tubo de ensayo que se debe utilizar en

este experimento.

Pídales a los alumnos que determinen los efectos de la altitud sobre el porcentaje de oxígeno en

la atmósfera.

Analice las siguientes preguntas junto a los alumnos:

¿Cambiar la cantidad de lana de acero

cambia el porcentaje de oxígeno calculado?

¿Cambiar la cantidad de aire disponible (al

utilizar tubos de ensayo de distintos

tamaños) cambia el porcentaje de oxígeno

calculado?

Pídales a los alumnos que diseñen un

experimento para determinar la cantidad de

oxígeno en la atmósfera mediante un método

de desplazamiento del agua (vea la ilustración)

en lugar del sensor de presión absoluta. ¿Cómo

se comparan los resultados?

Prepare el método de desplazamiento

del agua para determinar el porcentaje

de oxígeno en el aire.

Lana de acero

Nivel de agua en la probeta


243

Calores de Reacción y Disolución

Objetivos

Determinar el calor molar de disolución del hidróxido de sodio y el cloruro de amonio al

disolverlos en agua y el calor molar de reacción al hacer reaccionar al magnesio con el ácido

clorhídrico. Mediante esta investigación, los alumnos:

calcularán los cambios en el calor molar H en procesos físicos y químicos;

repasarán los procesos exotérmicos y endotérmicos;

escribirán ecuaciones que demuestren los cambios en el calor molar en procesos físicos y

químicos.



registrarán los datos de temperatura contra el tiempo para el cloruro de amonio que se

disuelve en agua, para el hidróxido de sodio que se disuelve en agua y para el metal magnesio

que reacciona con ácido clorhídrico;

analizarán los datos de temperatura contra el tiempo para determinar el cambio en la

temperatura después de corregir para la pérdida de calor;

calcularán los cambios en el calor molar (entalpía) y los compararán con valores aceptados.






244 PS-2947



Sistema de recolección de datos Papel para pesar

Sensor de temperatura1 Lija o lana de acero, 1 pieza

Vaso de precipitado de 250 mL Piseta y recipiente para desechos

Probeta de 50 mL Lentejas de hidróxido de sodio (NaOH), 1 g

Balanza en centigramos Cloruro de amonio (NH4Cl), 1 g

Vaso de poliestireno (2) Cinta de magnesio; 0,10 g

Espátula Ácido clorhídrico (HCl) de 1,0 M; 25 mL2

Varilla agitadora Agua destilada (desionizada), 50 mL

Toallas de papel

1 Puede utilizar el sensor de temperatura de respuesta rápida o el de acero inoxidable.

2 Para preparar la solución con ácido clorhídrico (HCl) concentrado (12 M) o diluido (6 M), consulte el

apartado sobre Preparación del laboratorio.



Cómo escribir ecuaciones químicas

Procesos exotérmicos y endotérmicos

Calorimetría

Capacidad calorífica

Entalpía

Antecedentes

Tanto los cambios físicos como las reacciones químicas podrían ir acompañados de cambios en la

energía, a menudo en forma de calor. Los procesos químicos y físicos que absorben calor de su

entorno se denominan endotérmicos. Los que liberan calor a su entorno se denominan

exotérmicos. Debido a que la mayor parte de los cambios físicos y las reacciones químicas se

producen con una presión constante, los químicos pueden utilizar el término entalpía H para la

energía calorífica que libera o absorbe un sistema.

Los cambios de estado requieren la incorporación o eliminación de energía calorífica. Otro cambio

físico habitual que implica cambios caloríficos es la disolución, que es el proceso mediante el cual

una sustancia sólida se disuelve en un solvente para formar una solución. Cuando una sustancia

se disuelve, la energía debe "liberar" iones atrapados en su estructura de red cristalina.


245

El soluto se disuelve en agua.

La energía se libera cuando los iones "libres" forman enlaces con moléculas del solvente. Varias

moléculas de solvente rodean al ión libre y crean una "jaula de solvente" alrededor de cada ión de

la solución (solvatación).

Formación de jaulas de solvente.

El calor que se absorbe o libera como consecuencia del proceso de disolución se denomina "calor

de disolución" (o entalpía de disolución). Cuando la energía que se libera debido a la formación de

"jaulas de solvente" es mayor que la energía que se absorbe para romper los enlaces en la red

cristalina, el calor adicional se libera al entorno y se dice que el proceso es exotérmico. Cuando la

energía que absorbe la red cristalina es mayor que la energía que se libera debido a la formación

de "jaulas de solvente", el proceso absorbe la energía adicional del entorno y se dice que es

endotérmico.

Las sustancias que se disuelven de forma espontánea incluso cuando requieren energía de su

entorno (reacción endotérmica, ∆H > 0), lo hacen impulsadas por el aumento resultante en el

grado de desorden (entropía, ∆S > 0). Esto se observa al emplear la ecuación de la energía libre

de Gibbs (∆G = ∆H – T∆S, el proceso es espontáneo si ∆G < 0).

Moléculas de solvente

Partículas de soluto


246 PS-2947

El calor que se intercambia por cada mol de sustancia durante una reacción química se denomina

"calor molar de reacción" (o entalpía molar de reacción) para dicha sustancia. El calor de reacción

se produce debido a la diferencia de energía que surge cuando se rompen los enlaces (lo cual

requiere energía) en los reactivos y cuando se forman los enlaces (lo cual libera energía) en los

productos.

Las reacciones químicas exotérmicas liberan energía a su entorno debido a que los productos

contienen menos energía interna (tienen enlaces más estables) que los reactivos. Por otro lado,

las reacciones químicas endotérmicas absorben energía de su entorno debido a que los productos

contienen más energía interna (tienen enlaces menos estables) que los reactivos. Estas

diferencias se ilustran en los diagramas de entalpía a continuación.

Además de mostrar las diferencias energéticas entre los reactivos y los productos, los diagramas

de entalpía también muestran la energía de activación. La energía de activación es la cantidad

mínima de energía que las partículas deben tener al chocar a fin de reaccionar. Si las partículas

chocan con menos energía que la energía de activación, los enlaces no se romperán y los

productos no se formarán.

En este experimento, los alumnos calculan el calor molar de disolución para el hidróxido de sodio

(NaOH), el calor molar de disolución para el cloruro de amonio (NH4Cl) y el calor molar de

reacción para el metal magnesio que reacciona con el ácido clorhídrico (HCl). A fin de calcular

estos valores, los alumnos pesarán cuidadosamente los reactivos y luego recolectarán datos sobre

la temperatura a medida que los reactivos se convierten en productos en un calorímetro de vaso

de poliestireno simple. Luego se calcula el calor q del proceso al multiplicar la masa m de la

solución, la capacidad calorífica específica c del agua y el cambio en la temperatura ΔT.

q = m × c × ∆T

Debido a que la presión es constante, el calor liberado o absorbido puede reemplazarse con el

cambio en la entalpía ∆H. Debido a que la solución en el calorímetro es en verdad parte del

entorno de la reacción, se requiere un cambio de signo. Cualquier aumento de energía en la

solución (observado como un aumento de su temperatura) es resultado de una pérdida de energía

de la reacción que se estudia. A continuación se muestra la ecuación para ∆H.

∆H = –q

Productos

Enta

lpía

, H

(energ

ía)

Reactivos

ΔH

Energía de activación

Progresos de reacción

Enta

lpía

, H

(energ

ía)


ΔH


Productos

Reactivos

Diagrama entálpico para una reacción

química exotérmica

Diagrama entálpico para una reacción

química endotérmica


247

El vaso de poliestireno (al igual que sucede con todos los calorímetros) no es 100% eficiente y

permitirá que escape una parte del calor. Los alumnos compensarán la pérdida de calor del

calorímetro al extrapolar a la misma tasa de enfriamiento a fin de determinar la temperatura

final que se hubiera logrado si el calorímetro no hubiera dejado escapar el calor. El valor de ∆T

será la temperatura que se hubiera logrado (Tfinal), corregida menos la temperatura inicial (Tinicial).


Demostración del calor de disolución: disolución de nitrato de potasio en agua

Pídales a los alumnos que pronostiquen si habrá un cambio de temperatura o no al disolver el nitrato de

potasio (KNO3) en agua. Proyecte un gráfico de temperatura contra el tiempo mientras mezcla 5 g de

nitrato de potasio (KNO3) en 200 mL de agua. Analice los resultados y compare este proceso físico con

otros procesos físicos que liberan o absorben energía. Anote el proceso físico que ocurrió en forma de

ecuación utilizando el calor como producto o reactivo.

1. ¿Qué piensa que le sucederá a la temperatura a medida que la sal, el nitrato de

potasio (KNO3), se disuelve en agua? ¿Por qué?

Las respuestas variarán, pero la temperatura disminuirá.

2. ¿La disolución es un cambio físico o una reacción química? ¿Cómo lo sabe?

La disolución es un cambio físico porque no se forman nuevas sustancias.

3. ¿La disolución de KNO3 en agua fue un proceso exotérmico o endotérmico? ¿Cómo

lo sabe?

Es un proceso endotérmico porque disminuye la temperatura. Se absorbió energía del entorno.


248 PS-2947

4. ¿El calor irradia desde el KNO3 al agua o desde el agua al KNO3?

El KNO3 absorbe el calor del agua. El calor irradia desde el agua al KNO3.

El cambio entálpico es positivo porque se trata de una reacción endotérmica.

6. ¿Cómo puede resumir el cambio calorífico que se produce al disolver KNO3 en una

ecuación química? ¿El calor es un reactivo o un producto?

KNO3(s) + calor → K+(aq) + NO3–(aq)

El calor es un reactivo porque se absorbe.

7. ¿Qué otros procesos físicos liberan o absorben calor? Brinde un ejemplo de cómo

puede simbolizar en una ecuación química el cambio calorífico que se produce en el

proceso físico.

Los cambios de estado vienen acompañados de cambios caloríficos. Derretir y hervir son procesos

endotérmicos, mientras que congelar y condensar son procesos exotérmicos.

Por ejemplo, para derretir hielo: H2O(s) + calor → H2O(l)

Por ejemplo, la condensación del agua. H2O(g) → H2O(l) + calor

Disolución a nivel molecular

Fomente la participación de los alumnos en un debate acerca de por qué el calor cambia cuando una

sustancia se disuelve. Repase junto a sus alumnos la noción de que las estructuras de la red cristalina

deben romperse (requiriendo energía) y que se forman nuevas fuerzas de atracción entre las partículas

"libres" y las moléculas de solvente (liberando energía). Utilice las imágenes que se muestran en el

apartado de Antecedentes para ayudar a los alumnos a visualizar lo que ocurre a nivel molecular.

8. ¿Qué fuerzas de atracción mantienen al KNO3 en su red cristalina sólida?

Los enlaces iónicos entre los iones potasio y los iones nitrato mantienen la sal unida en estado sólido.

9. ¿Qué sucede a nivel molecular al colocar el KNO3 sólido en agua?

Las moléculas de agua rodean la estructura de la red cristalina del KNO3 y forman atracciones intermoleculares

entre las moléculas polares del agua y los iones que se encuentran en la superficie de la red cristalina del KNO3.

Los iones rodeados se transportan a la solución y el proceso continúa hasta que se haya disuelto todo el cristal

o se sature la solución.

10. ¿Se libera o se absorbe energía al formarse atracciones intermoleculares?

Cuando se forman atracciones intermoleculares, se libera energía.

11. ¿Se libera o se absorbe energía para que se rompan los enlaces iónicos en el KNO3?

Debe absorberse energía para romper los enlaces.

12. ¿Cuál es la fuente de la energía necesaria para romper los enlaces iónicos en el

KNO3?

La energía necesaria para romper los enlaces iónicos proviene del entorno (el agua que forma la solución).


249

13. Una vez que un ión se encuentra completamente libre de su red cristalina, ¿qué le

sucede?

Las moléculas de solvente rodean al ión y forman una jaula de solvente.

14. ¿Por qué disminuyó la temperatura al disolver el KNO3 en agua? ¿Qué sucede a

nivel molecular?

La cantidad de energía liberada por la formación de jaulas de solvente fue menor que la cantidad de energía

necesaria para romper los enlaces iónicos en la red cristalina. Se absorbió calor (energía) del entorno para

compensar la diferencia y, por lo tanto, se enfrió la solución.

Demostración del calor de reacción: polvo de zinc y solución de sulfato de cobre

Pídales a los alumnos que pronostiquen si se producirá o no un cambio de temperatura al agregar polvo

de zinc a una solución de sulfato de cobre (CuSO4). Proyecte un gráfico de temperatura contra el tiempo

mientras mezcla 2 g de polvo de zinc en 100 mL de solución de CuSO4 de 0,5 M. Asegúrese de registrar

la masa exacta del polvo de zinc y de la solución de sulfato de cobre para poder calcular el calor de

reacción. A medida que se produce la reacción (5 a 10 minutos), analice lo que sucede a nivel molecular.

Una vez que finalice la reacción, analice los resultados. Compare las similitudes y diferencias entre los

cambios caloríficos asociados con las reacciones químicas y los asociados con los cambios físicos.

15. ¿Qué piensa que sucederá con la solución de sulfato de cobre al agregar el polvo

de zinc? ¿Por qué?

Las respuestas variarán. El color azul de la solución de sulfato de cobre se desvanecerá a medida que los iones

de cobre se reducen a cobre sólido. El metal sólido en la solución mostrará un leve cambio de color a medida

que el cobre reemplaza al polvo de zinc.

16. ¿Qué productos se formarán al agregar polvo de zinc a la solución de sulfato de

cobre?

Se trata de una reacción de sustitución simple. El zinc tiene una mayor actividad y desplazará al cobre.

Zn(s) + CuSO4(aq) → ZnSO4(aq) + Cu(s)

17. ¿Qué tipo de enlace mantiene unidos a los átomos de zinc en estado sólido?

Los átomos de zinc se mantienen unidos mediante enlaces metálicos.

18. ¿Qué debe agregarse para romper los enlaces metálicos?

Debe agregarse energía.

19. ¿De dónde proviene el cobre sólido?

Los iones de cobre en la solución se reducen a cobre en estado sólido.

20. ¿Se libera o se absorbe energía al formarse el cobre sólido?

Al formarse el cobre se libera energía.


250 PS-2947

21. ¿La reacción general es endotérmica o exotérmica? Explique su razonamiento a

nivel molecular.

La reacción es exotérmica porque la energía requerida para romper los enlaces es menor que la energía

liberada al formarse nuevos enlaces.

22. ¿Qué contiene más energía? ¿Los reactivos o los productos? ¿Cómo lo sabe?

Los reactivos contienen más energía. A medida que se produce la reacción, se libera parte de la energía al

entorno y la solución se entibia.

23. Escriba la ecuación química para esta reacción y coloque al calor en su ubicación

adecuada (como reactivo o como producto).

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

24. Bosqueje un diagrama entálpico para esta reacción.

25. En una reacción endotérmica, ¿qué contiene más energía? ¿Los reactivos o los

productos? Explique su razonamiento a nivel molecular.

Los productos contienen más energía en una reacción endotérmica. La energía necesaria para romper los

enlaces en los reactivos es mayor que la energía liberada al formar los productos. La energía adicional

requerida se obtiene del entorno, lo cual produce una disminución de la temperatura de la solución.

Producto

Enta

lpía

, H

(energ

ía)

Reactivos

∆H




251

26. Bosqueje un diagrama entálpico generalizado para una reacción endotérmica.

Determinación del calor molar de reacción del experimento

Fomente la participación de sus alumnos en un debate acerca del grado hasta el cual el calorímetro

simple formado por el vaso de poliestireno impide que el calor se transfiera entre el sistema y el

entorno. Analice cómo la pérdida de calor hacia el ambiente afectará la cantidad de calor calculado.

Explique cómo utilizar la extrapolación de la curva de enfriamiento para corregir la pérdida de calor.

Utilice los datos de la demostración de zinc/sulfato de cobre como un ejemplo de cómo determinar

experimentalmente el calor molar de reacción del zinc y agregue la corrección para la pérdida de calor a

través del calorímetro.

27. ¿Por qué se utiliza un calorímetro al hacer cálculos sobre el calor?

Los calorímetros ayudan a minimizar la cantidad de calor que se transfiere entre el sistema y el entorno.

28. ¿Piensa que este calorímetro simple de poliestireno elimina completamente el

intercambio de calor entre el interior y el exterior del calorímetro? Explique su

razonamiento.

No, el calorímetro no previene el intercambio de calor. Sin una tapa, el calor puede pasar fácilmente por la parte

superior del calorímetro. También puede perderse calor a través de los lados del envase, algo que podemos

sentir al sostener una bebida caliente en un vaso de poliestireno.

29. ¿El gráfico de Temperatura (°C) contra el Tiempo (s) muestra alguna prueba de la

pérdida de calor? ¿Qué significa esto?

Después de llegar a la máxima temperatura, esta comienza a disminuir. Si el calor no pudiera escapar por el

calorímetro, entonces la temperatura hubiera permanecido constante en la máxima temperatura lograda. Esto

significa que la mayor temperatura observada es en verdad que menor de lo que debería ser, debido a que se

perdió parte del calor hacia el entorno exterior al calorímetro.


252 PS-2947

30. ¿Cómo puede utilizar la pendiente de la tasa de enfriamiento para corregir la

pérdida de calor?

Si suponemos que la pérdida de calor del calorímetro se produce a una velocidad constante, podemos

extrapolar la curva de enfriamiento al momento en que comenzó la reacción a fin de hallar la temperatura real

que se hubiera logrado si no se hubiera perdido calor (temperatura corregida).

31. Utilice esta temperatura corregida para hallar el cambio de temperatura, calcular

el calor molar de la reacción (entalpía de reacción) y el error porcentual.

Paso 1: Halle el valor de q con la ecuación: q = m × c × ∆T

Q significa pérdida o aumento de calor en la solución

m significa masa del solvente (solución de sulfato de cobre)

c significa el calor específico de la solución (utilice el calor específico del agua: 4,8 J/(g °C))

∆T significa Tfinal corregida – Tinicial

Paso 2: Halle el valor de ΔH mediante la ecuación ∆H = –q

Paso 3: Halle la cantidad de moles de zinc

Paso 4: Halle la entalpía molar del zinc: ∆H/mol Zn

Paso 5: Halle el error porcentual mediante el valor teórico para la entalpía molar del zinc: –218 kJ/mol

Valor aceptado Valor experimentalPorcentaje de error 100

Valor aceptado



Cumpla con los siguientes procedimientos de seguridad al comenzar sus preparativos:

Utilice protección ocular, una bata de laboratorio y guantes protectores al manipular ácidos. Se

recomiendan anteojos a prueba de salpicaduras. Los guantes pueden ser de látex o nitrilo.

Si las soluciones ácidas o básicas entran en contacto con la piel o los ojos, enjuáguelos

inmediatamente con abundante agua corriente durante al menos 15 minutos.

La disolución de ácidos y bases produce calor; tenga extremo cuidado al manipular soluciones

recién preparadas y objetos de vidrio, ya que podrían estar muy calientes.

Siempre agregue ácidos y bases al agua, no al revés, ya que las soluciones pueden hervir con

fuerza.

Manipule los ácidos y bases concentrados en una campana extractora; los gases son cáusticos y

tóxicos.

Prepare la siguiente solución:

Prepare 1000 mL de ácido clorhídrico de 1,0 M a partir de HCl concentrado (12 M) o diluido

(6 M). Esto será suficiente para 100 grupos de laboratorio.


253

A partir de HCl concentrado (12 M):

1. Agregue aproximadamente 500 mL de agua destilada a un vaso de precipitado de

1000 mL con una varilla agitadora.

2. Agregue lentamente 83,3 mL de HCl de 12 M al vaso de precipitado mientras lo agita

continuamente.

3. Deje que la solución se enfríe. Luego, vierta cuidadosamente la solución en un matraz

volumétrico de 1000 mL y diluya hasta la marca con agua destilada.

4. Tape el matraz e inviértalo tres veces con cuidado para que se mezcle por completo.

A partir de HCl diluido (6 M):

1. Agregue aproximadamente 500 mL de agua destilada a un matraz volumétrico de

1000 mL.

2. Agregue 166,7 mL de HCl de 6 M al agua y diluya hasta la marca con agua destilada.

3. Tape el matraz e inviértalo tres veces con cuidado para que se mezcle por completo.

Seguridad


laboratorio:

El hidróxido de sodio y el ácido clorhídrico son irritantes corrosivos. Evite el contacto con la

piel y los ojos.

Asegúrese de que todos los ácidos y bases estén neutralizados antes de desecharlos por el

drenaje.





Después de

registrar la masa

exacta de líquido

en el calorímetro,

coloque un sensor

de temperatura en

el líquido y

comience con la

recolección de

datos.

2

Anote la masa

exacta de cada

reactivo (el sólido y

el agua).

1

Corrija la pérdida

de calor y luego

calcule el calor de

reacción o

disolución.

5

Una vez que la

temperatura se

estabilice, agregue

el sólido al líquido

en el calorímetro y

mezcle

completamente.

3

Detenga la

recolección de

datos después de

que la temperatura

se haya revertido

durante al menos 1

minuto.

4


254 PS-2947




Parte 1: Disolución de hidróxido de sodio (NaOH) y cloruro de amonio (NH4Cl)

Preparación


2. Conecte un sensor de temperatura al sistema de recolección de datos.

3. Refleje la Temperatura (°C) contra el Tiempo (s) en un gráfico.

4. Pese aproximadamente 1,0 g de lentejas de hidróxido de sodio (NaOH).

5. Registre la masa exacta de NaOH en la tabla de datos a continuación.

Tabla 1: Datos recolectados para la disolución de hidróxido de sodio en agua

Masa del NaOH (g) 0,97

Volumen de ~25 mL de agua (mL) 24,5

Masa de agua (g) 25,07

6. Mida aproximadamente 25 mL de agua con una probeta y anote el volumen exacto en la

tabla de datos que se muestra anteriormente.

7. Coloque un vaso de poliestireno limpio y seco en otro vaso de poliestireno para crear un

calorímetro simple. Coloque el calorímetro en la balanza y tárela.

8. Vierta aproximadamente 25 mL de agua en el calorímetro.

9. Anote la masa del agua en la tabla de datos que se muestra anteriormente.

10. ¿Qué significa "tarar" una balanza? ¿Cómo determinaría la masa del agua si no "tara" la

balanza?

"Tarar" significa colocar el lector de la balanza en cero mientras el objeto se encuentra en ella. Si no ha "tarado"

la balanza, primero debe hallar la masa del vaso vacío y luego la masa del vaso lleno con agua. Para hallar la

masa del agua sola, reste la masa del vaso vacío a la masa del vaso y el agua.

vaso + agua

– vaso

El agua


255

11. Compare el volumen del agua con su masa. ¿Es el que esperaba? Explique.

El valor numérico del volumen y la masa del agua debe ser el mismo. Esperamos que sea así porque la

densidad del agua es de 1,0 g/mL a temperatura ambiente.

12. Coloque el calorímetro que contiene aproximadamente 25 mL de agua en un vaso de


Recolecte los Datos

13. Coloque el sensor de temperatura en el agua que está dentro del calorímetro.

14. Mientras observa el gráfico, comience con la recolección de datos.

Nota: Deje que se estabilice la temperatura (que permanezca constante durante al menos

30 segundos).

15. Agregue el NaOH sólido al agua y agite continuamente la mezcla hasta que el NaOH se

disuelva completamente. Esto podría tardar varios minutos.


16. Detenga la recolección de datos una vez que la temperatura haya descendido durante al

menos un minuto después de llegar a su temperatura máxima.

17. Asigne el nombre "NaOH" a la serie de datos.

18. Deseche la solución de NaOH conforme a las indicaciones del docente.

19. Limpie y seque completamente el calorímetro, el sensor de temperatura y la varilla

agitadora.

20. ¿Por qué es necesario que el calorímetro, el sensor de temperatura y la varilla agitadora

estén secos antes de utilizarlos en la próxima parte del experimento?

Los equipos deben estar secos porque todo el excedente de agua agregará una cantidad desconocida a la

cantidad de agua medida en la parte siguiente del experimento. Esta agua adicional que no se tenga en cuenta

absorberá o liberará calor y afectará los resultados del experimento (al brindar un valor impreciso para m en la

ecuación q = m × C × ∆T), lo cual reducirá la precisión del resultado final calculado.

21. Repita los pasos en los apartados de Preparación y Recolección de datos, pero esta vez

con el cloruro de amonio (NH4Cl). Tenga en cuenta las siguientes diferencias al repetir

los pasos:

Utilice aproximadamente 1,0 g de cloruro de amonio y aproximadamente 25 mL de

agua.

Registre los datos recolectados en la tabla a continuación.


256 PS-2947

Detenga la recolección de datos una vez que la temperatura haya aumentado durante

al menos un minuto o más después de llegar a su temperatura mínima.

Asigne el nombre "NH4Cl" a la serie de datos.

Tabla 2: Datos recolectados para la disolución de cloruro de amonio en agua

Masa del NH4Cl (g) 1,08

Volumen de ~25 mL de agua (mL) 24,9

Masa de agua (g) 25,17

22. Deseche la solución de NH4Cl conforme a las indicaciones del docente.

23. Limpie y seque completamente el calorímetro, el sensor de temperatura y la varilla

agitadora.

Parte 2: Reacción entre el metal magnesio y el ácido clorhídrico

Preparación

24. Corte una pieza de la cinta de magnesio de 7 a 8 cm de largo (aproximadamente 0,1 g).

Utilice la lija o la lana de acero para remover el óxido de magnesio que se haya formado

sobre la cinta de magnesio.

25. Corte la cinta de magnesio limpia en piezas de aproximadamente 1 cm.

26. Mida la masa de todas las piezas juntas y regístrela en la tabla de datos a continuación.

Tabla 3: Datos recolectados para la reacción entre el metal magnesio y el ácido clorhídrico

Masa de las piezas de metal magnesio (g) 0,10

Volumen de ~25 mL de HCl de 1,0 M (mL) 25,6

Masa de ~25 mL de HCl de 1,0 M (g) 26,19

27. ¿Por qué cortamos la cinta de magnesio en piezas?

Se corta la cinta de magnesio en piezas para que la reacción se produzca más rápidamente.

28. Mida aproximadamente 25 mL de ácido clorhídrico (HCl) de 1,0 M con una probeta.

Registre el volumen exacto en la tabla de datos que se muestra anteriormente.

29. Coloque un calorímetro limpio y seco en la balanza y tárela.

30. Vierta aproximadamente 25 mL de HCl de 1,0 M en el calorímetro.


257

31. Registre la masa del HCl en la tabla de datos que se muestra anteriormente.

32. ¿Por qué se utiliza un vaso de poliestireno como calorímetro en lugar de un vaso de

precipitado? ¿Por qué se coloca el vaso de poliestireno dentro del vaso de precipitado?

El poliestireno es un mejor aislante que el vidrio; el poliestireno funciona mejor para lograr que el calor quede

atrapado dentro del calorímetro. Colocamos el vaso de poliestireno dentro del vaso de precipitado porque el aire

atrapado entre las paredes del vaso de poliestireno y del vaso de precipitado ofrece un mayor aislamiento. El

vaso de precipitado también ofrecerá más estabilidad, por lo cual es menos probable que el vaso se vuelque.

Recolecte los Datos

33. Mientras observa el gráfico, comience con la recolección de datos.

Nota: Deje que se estabilice la temperatura (que permanezca constante durante al menos

30 segundos).

34. Agregue las piezas de la cinta de magnesio y agite hasta que el magnesio haya

reaccionado completamente. La reacción puede tomar algunos minutos.


35. Detenga la recolección de datos una vez que la temperatura haya descendido durante al

menos un minuto después de llegar a su temperatura máxima.

36. Registre todo lo que haya observado que sugiera que se ha producido una reacción

química.

El calor se liberó al entorno y se formó un gas (hidrógeno, H2) en forma de burbujas como resultado de la

reacción de sustitución simple:

Mg(s) + 2HCl(aq) → MgCl2(aq) + H2(g)

37. Asigne el nombre "Mg" a la serie de datos.

38. Guarde el archivo de datos y limpie la estación del laboratorio conforme a las



258 PS-2947

Análisis de Datos

1. Determine la temperatura inicial (Tinicial), la temperatura más alta que se logró (Tfinal real)

y la temperatura que se hubiera logrado si no se hubiera perdido calor al entorno

(Tfinal corregida) para cada serie de datos recolectada. Siga los pasos a continuación para

hacer esto en su sistema de recolección de datos.

a. Presente la serie de datos que desea analizar.

b. Halle la temperatura inicial y la temperatura más alta que se logró al hallar las

coordenadas en cada uno de estos puntos del gráfico.

c. Registre las temperaturas inicial y final (reales) en la Tabla 4 a continuación.

d. Seleccione todos los datos que se recolectaron después del más alto (incluida la

temperatura más alta).

e. Aplique un ajuste lineal a estos puntos de datos seleccionados.

f. Ajuste la escala del gráfico para poder hallar el punto en que la recta de ajuste lineal

cruza una línea vertical imaginaria que se extiende hacia arriba desde la

temperatura inicial.

Nota: Esto se ilustra en el gráfico de ejemplo a continuación.

g. Registre la temperatura final corregida en la Tabla 4.

Nota: La diferencia entre la temperatura final y la temperatura final corregida se debe a que la solución perdía

calor a medida que se producía la reacción. Cuanto más tiempo tarda en producirse la reacción, más grande es

la pérdida de calor.


259

Tabla 4: Valores de la temperatura inicial, final real y final corregida

Disolución de hidróxido

de sodio

Disolución de cloruro de

amonio

Reacción del metal

magnesio con el ácido

clorhídrico

Tinicial (˚C) 22,4 Tinicial (˚C) 23,1 Tinicial (˚C) 23,3

Tfinal real (°C) 29,0 Tfinal real (°C) 20,1 Tfinal real (°C) 39,8

Tfinal corregida (°C) 29,8 Tfinal corregida (°C) 20,1 Tfinal corregida (°C) 41,2

2. Determine el cambio en la temperatura para cada proceso al restar la temperatura inicial

de la temperatura final corregida. Refleje su trabajo y registre sus respuestas en la

Tabla 5 a continuación.

Tabla 5: Cambio en la temperatura

Proceso

Refleje su trabajo Tfinal corregida – Tinicial

(°C)

Cambio en la

temperatura ΔT

(°C)

Disolución de hidróxido de

sodio

29,8 – 22,4 7,4

Disolución de cloruro de

amonio

20,1– 23,1 –3,0

Reacción del metal magnesio

con el ácido clorhídrico

41,2– 23,3 17,9

3. Calcule el calor absorbido por la solución en cada proceso (q) al utilizar la fórmula a

continuación. Convierta joules a kilojoules en su respuesta final. Refleje todo su trabajo,

incluidas las unidades, y registre sus respuestas en la Tabla 6 a continuación.

q = m × c × ∆T, donde:

q = pérdida o aumento de calor en la solución

m = masa del solvente (agua en los procesos de disolución y HCl en la reacción)

c = el calor específico de la solución (utilice el calor específico del agua: 4,8 J/(g °C))

∆T = Tfinal corregida – Tinicial


260 PS-2947

Tabla 6: Calor absorbido por la solución en cada proceso

Proceso Refleje su trabajo aquí: Calor q

(kJ)

Disolución de hidróxido de sodio

4,18 J25,07 g 7,4 C 775,5 J

Cq

g 0,78

Disolución de cloruro de amonio

4,18 J25,17 g 3,0 C 315,6 J

g Cq –0,32

Reacción del metal magnesio con

el ácido clorhídrico

4,18 J26,19 g 17,9 C 1959,6 J

g Cq 1,96

4. Halle la entalpía molar para cada sustancia. Refleje su trabajo y registre sus respuestas

en la Tabla 7 a continuación.

Entalp amolar desoluci n / Reacci nMoles desustancia

Hí ó ó

Nota: La cantidad de calor absorbido o liberado por la solución es el opuesto a la cantidad de calor absorbido o

liberado por el proceso.

∆H = –q

Tabla 7: Entalpía molar para cada sustancia

Proceso Calcule la cantidad de moles

(Refleje su trabajo)

∆H

(kJ)

Calcule la entalpía

molar, ∆H/mol

(kJ/mol)


Hidróxido

de sodio

1 mol NaOH0,97g NaOH 0,02425 mol NaOH

40,00 g NaOH

0,024 mol NaOH

–0,78

0,78 kJ kJ32

0,02425 mol mol

Cloruro

de amonio

44 4

4

4

1 mol NH Cl1,08 g NH Cl 0,020191 mol NH Cl

53,49 g NH Cl

0,0202 mol NH Cl

0,32 0,32 kJ kJ

160,020191 mol mol

Magnesio

1 mol Mg0,10 g Mg 0,0041135 mol Mg

24,31 g Mg

0,0041mol Mg

–1,96

1,96 kJ

0,0041135 mol

kJ480

mol


261

5. Genere un gráfico con las tres series de datos que se muestran en su sistema de


Nota: No todos los sistemas de recolección de datos mostrarán las tres series de datos. Si esto no es

posible, genere un gráfico para la parte uno (disolución) y otro gráfico para la parte dos (reacción).

6. Bosqueje o imprima una copia de su gráfico de Temperatura (°C) contra el Tiempo (s)

con las tres series de datos en un solo conjunto de ejes. Nombre cada serie de datos y el gráfico en

general, el eje X, el eje Y e incluya las unidades en los ejes.


262 PS-2947


1. Determine el error porcentual para cada proceso mediante los siguientes valores

conocidos:

Valor aceptado Valor experimentalPorcentaje de error 100

Valor aceptado

Proceso ∆H/mol

aceptado

(kJ/mol)

Error porcentual


Calor molar de disolución para el hidróxido

de sodio

–44,5

44,5 32100 28%

44,5

Calor molar de disolución para el cloruro

de amonio

14,8

14,8 16100 8,1%

14,8

Calor molar de reacción para el metal

magnesio con el ácido clorhídrico

–462,0

462,0 480100 3,9%

462

2. Sugiera posibles cambios al procedimiento experimental que puedan mejorar la

precisión de los resultados.

Podría tomar medidas para reducir la pérdida calorífica a través del calorímetro, como por ejemplo, al agregar

una tapa, usar un vaso con una pared de poliestireno de mayor grosor o reemplazar el vaso de poliestireno por

un termo (como los que se utilizan para mantener calientes el café o la sopa). Asimismo, podría utilizar una

balanza más precisa a fin de obtener mejores valores para las masas de los sólidos y las soluciones que utiliza.

3. ¿Por qué era necesario corregir la temperatura final que se logró?

A medida que se produjo la reacción, se intercambiaba calor con el entorno. Corregir la temperatura final es una

forma de justificar este error.

4. Identifique cada proceso como exotérmico o endotérmico y mencione sus pruebas

en cada caso.

Proceso ¿Endotérmico o

exotérmico?

Pruebas

Disolución de hidróxido de sodio exotérmico se liberó calor, aumentó la

temperatura

Disolución de cloruro de amonio endotérmico se absorbió calor, disminuyó la

temperatura

Reacción del metal magnesio

con el ácido clorhídrico

exotérmico se liberó calor, aumentó la

temperatura


263

5. Anote la ecuación química que ilustra los cambios caloríficos que se produjeron

para cada proceso físico y químico que realizó en este experimento. En las ecuaciones,

utilice sus valores determinados de forma experimental para el calor molar de

reacción o disolución. Asegúrese de incluir los símbolos del estado para todos los

reactivos y productos.

NaOH(s) → Na+(aq) + OH

–(aq) + 32 kJ

NH4Cl(s) + 16 kJ → NH4+(aq) + Cl

–(aq)

Mg(s) + 2HCl(aq) → H2(g) + MgCl2(aq) + 480 kJ



1. Dibuje un diagrama que ilustre lo que sucede a nivel molecular con el hidróxido de

sodio al disolverlo en agua.

2. En los tres procesos se liberó o se absorbió calor, pero solo uno de los procesos era

una reacción química. Explique cómo es posible.

Se requiere energía para romper las atracciones y se libera al formarse las atracciones. Para las sustancias que

se disolvieron (NaOH y NH4Cl), se requirió energía para separar los iones y se liberó energía al formarse las

atracciones entre los iones y las moléculas de solvente. Para las sustancias que reaccionaron (Mg con HCl), se

requirió energía para separar los átomos unidos en los reactivos y se liberó energía cuando los átomos se

unieron para formar nuevos enlaces en los productos.

3. Describa qué hubiera sucedido si los procesos físicos y químicos se hubieran

realizado a 50 °C en lugar de a temperatura ambiente.

Las temperaturas inicial y final (Tinicial, Tfinal real y Tfinal corregida) hubieran sido superiores, pero la cantidad de calor

absorbido o liberado (q y ∆H) hubiera sido la misma.


264 PS-2947



incompletos.

1. El calor de reacción se refiere a

A. el calor liberado por una reacción química

B. el calor absorbido por una reacción química

C. la temperatura de la solución después de que se produce una reacción química

D. A y B

2. Mediante la siguiente ecuación química, determine la energía liberada al quemar

2 moles de propano (C3H8).

C3H8(g) + 5O2(g) → 3CO2(g) + 4H2O(l) + 2219,2 kJ

A. 2219,2 kJ

B. 4438,4 kJ

C. 1109,6 kJ

D. 11 096 kJ

Utilice el párrafo y la Tabla 8 a continuación para responder a las Preguntas de elección múltiple 3 a 5.

Se agregaron 2 gramos de la sal A a 50 mL de agua y se registraron las temperaturas inicial y

final en el lado izquierdo de la Tabla 8 a continuación. En otro experimento, se agregaron

2 gramos de la sal B a 50 mL de agua y se registraron las temperaturas inicial y final en el lado

derecho de la Tabla 8 a continuación.

Tabla 8: Datos de temperatura para la Sal A y la Sal B.

Sal A Sal B

Temperatura inicial 20 °C Temperatura inicial 20 °C

Temperatura final 35 °C Temperatura final 10 °C

3. ¿Qué puede decir sobre el flujo de energía en los dos experimentos?

A. Para la sal A, la energía fluye desde el agua hacia la sal. Para la sal B, la energía

fluye desde el agua hacia la sal.

B. Para la sal A, la energía fluye desde la sal hacia el agua. Para la sal B, la energía

fluye desde la sal hacia el agua.

C. Para la sal A, la energía fluye desde la sal hacia el agua. Para la sal B, la

energía fluye desde el agua hacia la sal.

D. Para la sal A, la energía fluye desde el agua hacia la sal. Para la sal B, la energía

fluye desde la sal hacia el agua.


265

4. ¿Qué tipo de proceso se produjo al disolver la sal A en agua?

A. Entalpía

B. Calor

C. Endotérmico

D. Exotérmico

5. ¿Qué ecuación ilustra el proceso que se produjo al disolver la sal B en agua?

A. sal B(s) → sal B(aq) + calor

B. sal B(aq) → sal B(aq) + calor

C. sal B(s) + calor → sal B(aq)

D. sal B(aq) + calor → sal B(aq)



palabra clave.

1. Tanto los cambios físicos como las reacciones químicas podrían ir acompañados de cambios

en la energía, a menudo en forma de calor o entalpía. Los procesos químicos o físicos que

absorben calor de su entorno son endotérmicos, mientras que aquellos que liberan calor a su

entorno son exotérmicos. La energía liberada o absorbida por diferentes procesos físicos y

químicos proviene de las diferentes energías internas de las sustancias iniciales y finales. En los

procesos exotérmicos, los materiales iniciales tienen más energía interna que los productos. En

los procesos endotérmicos, los reactivos tienen menos energía que las sustancias finales.

2. En las reacciones químicas, la cantidad de energía liberada por cada mol de material que

reacciona es el calor molar de reacción de ese material. Los diferentes procesos físicos tienen

diferentes nombres para el calor que se libera con base en el proceso que se produce. Por ejemplo,

la cantidad de energía liberada por cada mol de material que se derrite se denomina calor molar

de fusión. La cantidad de energía que se libera por cada mol de sustancia que se disuelve se

denomina calor molar de disolución. El calor molar de cualquier proceso físico o químico

puede calcularse al multiplicar el cambio en la temperatura, la masa de la/del solvente y la

capacidad calorífica específica del solvente, todos ellos divididos por los moles de sustancia que

se utilizaron. Los procesos exotérmicos tienen calores negativos de reacción/disolución, mientras

que los procesos endotérmicos tienen calores positivos de reacción/disolución.


266 PS-2947


Mejore el diseño del calorímetro y repita el experimento.

Determine el efecto de la temperatura inicial sobre el calor de reacción/disolución.

Determine los efectos de la cantidad de reactivos que se utilizó y el cambio que se observó en las

temperaturas, además de los calores molares de reacción/disolución resultantes.

Compare los calores de reacción experimentales con los calculados con los calores de formación.

Genere un debate sobre qué tipos de combustible producen un mayor calor de reacción al

quemarse.

Determine el efecto de la temperatura inicial sobre la velocidad a la cual una sustancia se

disuelve o reacciona al investigar procesos endotérmicos y exotérmicos a temperaturas altas y

bajas.


267

Velocidades de Reacción

Objetivos

Determinar el efecto de la temperatura, la concentración y la superficie sobre la velocidad de una

reacción química. Mediante esta investigación, los alumnos:

aprenden los efectos de la temperatura, la concentración y el tamaño de las partículas sobre la

velocidad a la cual se produce una reacción química;

miden los cambios en la presión absoluta a medida que se produce la reacción.


Los alumnos realizan los siguientes procedimientos:

registro de la presión absoluta a medida que la cinta de magnesio reacciona con el ácido

clorhídrico (HCl) a diferentes temperaturas;

registro de la presión absoluta a medida que el polvo de magnesio reacciona con el HCl;

registro de la presión absoluta a medida que la cinta de magnesio reacciona con diferentes

concentraciones de HCl;

determinación de las velocidades de la reacción entre el magnesio y el HCl para los diferentes

parámetros de reacción;

generación de conclusiones acerca de cómo la temperatura, la superficie y la concentración

influyen sobre la velocidad a la cual el magnesio reacciona con el HCl.






268 PS-2947



Sistema de recolección de datos Tubos de entre 1 y 2 cm1

Sensor de presión absoluta Glicerina, 2 gotas

Cable de extensión del sensor Ácido clorhídrico (HCl) de 4,0 M; 5 mL 2

Tubo de ensayo (3) de 20 x 150 mm Ácido clorhídrico (HCl) de 2,0 M; 5 mL3

Soporte de tubos de ensayo Ácido clorhídrico (HCl) de 1,0 M; 20 mL3

Tapón con un orificio que sea adecuado para los Ácido clorhídrico (HCl) de 0,1 M; 5 mL3

tubos de ensayo Baños de agua tibia y fría4 (uno por clase)

Conector de liberación rápida1 Cinta de magnesio (18), piezas de 1 cm

Conector para tubos1 Polvo de magnesio; 0,05 g

1 Se incluye con la mayoría de los sensores de presión absoluta de PASCO.

2 Para preparar la solución con ácido clorhídrico (HCl) concentrado (12 M) o diluido (6 M), consulte el

apartado sobre Preparación del laboratorio a continuación. 3

Para preparar la solución con una serie de disoluciones a partir de ácido clorhídrico (HCl) de 4,0 M,

consulte el apartado sobre Preparación del laboratorio a continuación. 4

Para obtener instrucciones sobre cómo preparar baños de agua tibia y fría, consulte el apartado sobre

Preparación del laboratorio a continuación.



Teoría cinético-molecular

Prueba de reacción química

Presión

Antecedentes

La cinética es la rama de la química que estudia la velocidad de las reacciones químicas. Algunas

reacciones, tales como encender un fósforo, cuentan con grandes velocidades de reacción y se

producen muy rápidamente. Otras reacciones, tales como la formación de óxido, cuentan con

bajas velocidades de reacción y se producen de forma más lenta.

A fin de que se produzca una reacción, las partículas que reaccionan deben chocar entre sí con

una cantidad de energía suficiente. Esto se conoce como teoría de las colisiones y se utiliza para

explicar las velocidades de reacción. La velocidad de una reacción química es proporcional a la

cantidad de veces que las partículas reaccionantes chocan con suficientes cantidades de energía.

La velocidad de una reacción química puede aumentarse al aumentar la cantidad de colisiones

entre las partículas reaccionantes. Esto puede lograrse al aumentar la temperatura de la

reacción, la concentración de los reactivos o la superficie de los reactivos.

Al aumentar la temperatura de la reacción, aumenta la energía cinética del sistema. Esto

produce que las partículas se muevan con mayor velocidad. Si aumenta la velocidad, aumenta la

cantidad de colisiones en un determinado tiempo. Asimismo, un aumento de la temperatura


269

también otorga una mayor proporción entre las partículas de reactivo y la energía requerida para

reaccionar, la cual supera la barrera de la energía de activación.

Al aumentar la concentración de uno o más de los reactivos, aumenta la probabilidad de que los

reactivos entren en contacto entre sí. Una mayor probabilidad de colisiones en un determinado

tiempo aumenta la velocidad de reacción.

Los reactivos deben entrar en contacto físico entre sí. Por lo tanto, aumentar la superficie de uno

o más reactivos aumenta la probabilidad de que una sustancia esté disponible para chocar con

otro reactivo.

En este experimento, los alumnos investigarán distintos factores que influyen sobre la reacción

del metal magnesio con el ácido clorhídrico. A continuación se muestra la ecuación química para

esta reacción.


Al incorporarse al ácido clorhídrico, el metal magnesio reacciona inmediatamente y genera

hidrógeno. El hidrógeno que evoluciona provoca que aumente la presión dentro del vaso de

reacción (un tubo de ensayo). La velocidad a la cual aumenta la presión se relaciona con la

velocidad de producción de hidrógeno, la cual, a su vez, es proporcional a la velocidad de la

reacción general. Los alumnos pueden evaluar la velocidad al aplicar un ajuste lineal a la porción

inicial lineal del gráfico de presión en cada experimento.


Fomente el interés de los alumnos con las siguientes actividades y preguntas.

Teoría de las colisiones y velocidades de reacción

Fomente la participación de los alumnos en un debate acerca de lo que sucede a nivel molecular durante

una reacción química. Repase la teoría cinético-molecular y presente la teoría de las colisiones. Explique

que las partículas de reactivo deben colisionar con la suficiente energía como para que se formen

productos. La velocidad de las colisiones entre los reactivos es lo que determina la velocidad de una

reacción. De forma opcional, pueden debatirse las ideas de energía de activación y los estados de

transición junto con este experimento. Quizás aporten profundidad a la actividad, pero no es obligatorio

a fin de comprender los factores que rigen las velocidades de las reacciones.

1. ¿Qué es la teoría cinético-molecular y cómo se relaciona con las reacciones

químicas?

La teoría cinético-molecular explica que la materia se compone de partículas en movimiento constante. En una

reacción química, las partículas reaccionantes deben colisionar entre sí a fin de que se formen los productos.

2. ¿Qué explica la teoría de las colisiones?

La teoría de las colisiones explica que la velocidad de una reacción química depende de la cantidad de

colisiones (con la energía suficiente) entre las partículas reaccionantes que se producen en un determinado

tiempo.


270 PS-2947

3. ¿Qué significa "velocidad de reacción"? ¿Qué otras velocidades conoce?

La velocidad de reacción es la velocidad a la cual se produce una reacción, o el tiempo necesario para que se

produzca la reacción. Otra velocidad que es posible que los alumnos conozcan es la velocidad automotriz (el

tiempo necesario para que un automóvil recorra una determinada distancia).

4. ¿Cuáles son algunos ejemplos de reacciones químicas que se producen

rápidamente o que tienen grandes velocidades de reacción?

Algunos posibles ejemplos son encender un fósforo, la incineración, la formación de precipitados, la reacción

entre el bicarbonato de sodio y el vinagre, la reacción del sodio y el agua, las explosiones y otras reacciones

similares.

5. ¿Cuáles son algunos ejemplos de reacciones químicas que se producen lentamente

o que tienen bajas velocidades de reacción?

Algunos posibles ejemplos son la descomposición de plantas y animales, la formación de combustibles fósiles a

partir de plantas y animales muertos, la formación de óxido y otras reacciones similares.

6. A nivel molecular, ¿qué debe suceder para que aumente la velocidad de una

reacción?

Debe aumentar la cantidad de colisiones (con la energía suficiente) entre los reactivos.

7. ¿Cómo puede aumentarse la cantidad de colisiones? ¿Por qué cree que esto

funcionará?

Aumentar la temperatura de los reactivos provoca un aumento en la cantidad de colisiones y, por lo tanto, en la

velocidad de la reacción. Aumentar la temperatura de los reactivos funciona porque la temperatura es una

medida del movimiento molecular promedio de las partículas. Si las partículas se mueven más rápidamente,

colisionan con mayor frecuencia y tienen más energía al colisionar.

Otras respuestas incluyen aumentar la superficie de los reactivos y aumentar la concentración de los reactivos.

Consejo para el docente:Utilice esta pregunta como introducción para el próximo apartado. Los

alumnos podrían o no ser capaces de responder la pregunta en este momento.

Influenciar las velocidades de reacción

Para demostrar los efectos de la concentración y la temperatura sobre la velocidad de reacción, prepare

estas dos soluciones con anticipación: 0,5 g de metabisulfito de sodio con 2 g de almidón en 200 mL de

agua destilada (preparada al disolver primero el almidón en agua tibia y luego dejarlo enfriar a

temperatura ambiente) y 1,28 g de yodato de potasio en 300 mL de agua destilada. Transfiera dos

alícuotas de 10 mL de la solución de almidón a dos tubos de ensayo grandes por separado (uno en un

baño de agua tibia y el otro en un baño de agua helada); repita para la solución de yodato de potasio.

Estos cuatro tubos de ensayo se utilizarán en la demostración de la temperatura. El resto de las

soluciones de almidón y yodato de potasio debe transferirse a frascos separados para utilizarlos en la

demostración de la concentración.

Demuestre los efectos de la temperatura sobre la velocidad de reacción al realizar una reacción de

Landolt (reloj de yodo). Retire los tubos de ensayo del baño de agua tibia y colóquelos en un soporte de

tubos de ensayo. Haga lo mismo con los tubos de ensayo en los baños de agua helada. De forma

simultánea, vierta la solución tibia de almidón en la solución tibia de yodato de potasio mientras vierte la

solución fría de almidón en la solución fría de yodato de potasio. Pídales a los alumnos que cuenten en

voz alta y registren en el pizarrón el tiempo que tardan en reaccionar. Los reactivos más fríos deben

tardar más tiempo en reaccionar.


271

8. A nivel molecular, ¿cuál es la diferencia entre las soluciones tibias y las frías?

Las energías cinéticas de las dos soluciones son diferentes. La solución tibia tiene mayor energía cinética; las

partículas se mueven con mayor velocidad. La solución fría tiene menor energía cinética; las partículas se

mueven con menor velocidad.

9. ¿Qué combinación de reactivos tiene la mayor velocidad de reacción? Explique

mediante la teoría de las colisiones.

Los reactivos más tibios tienen la mayor velocidad de reacción debido a que el color aparece primero en la

solución tibia. Esto se debe a que las partículas reaccionantes se mueven más rápidamente y experimentan

más colisiones. Por lo tanto, tienen más oportunidades de reaccionar y formar productos.

Demuestre los efectos de la concentración sobre la velocidad de la reacción. Muestre el frasco que

contiene la solución de almidón. Muestre el otro frasco que contiene la solución de yodato de potasio.

Frente a los alumnos, vierta 2/3 de la solución de yodato de potasio en un vaso de precipitado de 500 mL

y el 1/3 restante de la solución en otro vaso de precipitado de 500 mL. Agregue suficiente cantidad de

agua destilada al segundo vaso de precipitado para formar volúmenes equivalentes (básicamente al

diluir a la mitad la concentración del yodato de potasio del segundo vaso de precipitado). En otros dos

vasos de precipitado de 500 mL, divida la solución de almidón de forma equivalente. De forma

simultánea, vierta el contenido de cada vaso de precipitado que contiene las soluciones de almidón en

los diferentes vasos de precipitado que contienen las soluciones de yodato de potasio.

Pídales a los alumnos que cuenten en voz alta y registren en el pizarrón el tiempo que tardan en

reaccionar. El reactivo diluido (mitad de la concentración) debe tardar dos veces más en reaccionar.

10. A nivel molecular, ¿cuál es la diferencia entre las dos soluciones?

La solución a la que se agregó agua es menos concentrada que la otra. Cuanto más concentrada es la solución,

más juntas están las partículas.



Los reactivos más concentrados tienen la mayor velocidad de reacción debido a que el color aparece primero en

la solución concentrada. Esto se debe a que las partículas reaccionantes están más juntas y experimentan más

colisiones. Por lo tanto, tienen más oportunidades de reaccionar y formar productos.

Consejo para el docente: Una analogía útil es describir la dificultad que puede experimentar al

intentar cruzar una pista de baile repleta de gente en comparación con una sala vacía. La

probabilidad de chocarse contra alguien aumenta a medida que aumenta la concentración de

gente.

Demuestre el efecto de la superficie sobre la velocidad de la reacción. Asegúrese de retirar todos los

materiales combustibles dentro de un radio de dos metros del área de la demostración. Forme una

pequeña pila de polvo de licopodio sobre un vidrio de reloj e intente encenderla con un fósforo. La pila

no se encenderá. Cree una fina nube de partículas suspendidas de polvo de licopodio al apretar una

piseta que contenga polvo de licopodio y pulverice a través de un encendedor o de la llama de una vela.

La bola de fuego que se forma demuestra los efectos del aumento de la superficie para que se produzca

una combustión. Este es un ejemplo a baja escala de los peligros asociados con las explosiones en los

silos.

12. ¿Cuál es la diferencia entre la pila y el flujo de polvo?

En la pila, las partículas están juntas; en el flujo, las partículas tienen espacio entre ellas.


272 PS-2947



Las partículas que están separadas entre sí tienen una mayor velocidad de reacción debido a que el polvo arde

fácilmente. Esto se debe a que las partículas están expuestas al oxígeno y pueden reaccionar (arder) por todos

lados, lo cual básicamente aumenta la disponibilidad de lugares de reacción. Las superficies de las moléculas

separadas del polvo están más expuestas al oxígeno (reactivo) que aquellas de la pila y, por lo tanto, tienen

más oportunidades de reaccionar y formar productos.

Medición de las velocidades de reacción

Mientras deje caer una pieza de la cinta de magnesio en un tubo de ensayo con ácido clorhídrico de

1,0 M, sostiene otro tubo de ensayo pequeño en forma inversa sobre la apertura del tubo con el ácido

clorhídrico. Al hacerlo, explíqueles a los alumnos que esta es la reacción que realizarán en el laboratorio

(la ecuación se indica a continuación). Mientras el tubo de ensayo invertido se llena con el producto de

hidrógeno, fomente la participación de los alumnos en un repaso sobre la prueba de reacción química y

las reacciones de sustitución simple según se apliquen a esta situación.


Confirme la presencia del hidrógeno como producto de esta reacción al encender el contenido del tubo

de ensayo invertido con una tablilla encendida. Analice junto a los alumnos cómo será posible medir la

velocidad de reacción de esta reacción al supervisar la producción de hidrógeno. Ayude a los alumnos a

darse cuenta de que una velocidad implica la medición del grado hasta el cual se ha producido la

reacción y el tiempo que requiere la reacción para producirse. Finalice el debate con un repaso sobre

cómo puede determinarse una velocidad con base en un gráfico.

14. ¿Cuáles son los dos componentes que deben medirse en el laboratorio para

determinar la velocidad de una reacción?

La velocidad de una reacción química se determina al medir el tiempo que se requiere para lograr un aumento

medible en la formación de uno o más productos.

15. ¿Cómo puede medirse la formación de productos?

En esta reacción química, se forma un gas. La formación del gas puede registrarse al medir el cambio en la

presión de un vaso cerrado a medida que se produce la reacción o al medir el volumen del gas producido con el

método de desplazamiento del agua. En este trabajo de laboratorio, se utiliza un sensor de presión absoluta

para medir el aumento de presión a medida que se forma hidrógeno en un tubo de ensayo cerrado.


273

16. ¿Cómo puede determinarse la velocidad de reacción con base en un gráfico de

Presión absoluta (kPa) contra el Tiempo (s)?

La velocidad de reacción es el cambio en la cantidad de producto que se formó comparado con la cantidad de

tiempo que requirió la formación del producto. Al graficar la formación del producto medida como la presión del

sistema (en el eje Y) contra la cantidad de tiempo transcurrido (en el eje X), la pendiente resultante de la recta

óptima (cambio en Y dividido por cambio en X) brinda un valor proporcional a la velocidad de reacción (cantidad

de producto dividida por el tiempo que requirió la formación del producto).







con abundante agua corriente durante al menos 15 minutos.

Diluir ácidos genera calor. Tenga extremo cuidado al manipular soluciones recién preparadas y

objetos de vidrio, ya que podrían estar muy calientes.

Siempre agregue ácidos al agua, no al revés, ya que las soluciones pueden hervir con fuerza.

Manipule los ácidos concentrados en una campana extractora; los gases son cáusticos y tóxicos.

Prepare las siguientes soluciones:

1. Prepare 500 mL de ácido clorhídrico de 4,0 M a partir de HCl concentrado (12 M) o diluido

(6 M). La mitad de esta solución se utilizará para formular la solución de HCl de 2,0 M y los

250 mL restantes de solución serán suficientes para 50 grupos de laboratorio.


a. Agregue aproximadamente 300 mL de agua destilada a un vaso de precipitado de



274 PS-2947

b. Agregue lentamente 167 mL de HCl de 12 M al vaso de precipitado mientras lo agita

continuamente.

c. Deje que la solución se enfríe. Luego, viértala cuidadosamente en un matraz volumétrico

de 500 mL y diluya hasta la marca con agua destilada.

d. Tape el matraz e inviértalo tres veces con cuidado para que se mezcle por completo.




b. Agregue lentamente 333 mL de HCl de 6 M al vaso de precipitado con agua en constante

agitación y diluya hasta la marca con agua destilada.

c. Deje que la solución se enfríe. Luego, viértala cuidadosamente en un matraz volumétrico

de 500 mL y diluya hasta la marca con agua destilada.


2. Prepare 500 mL de ácido clorhídrico de 2,0 M a partir del HCl de 4,0 M que preparamos

recientemente. La mitad de esta solución se utilizará para formular la solución de HCl de

1,0 M y los 250 mL restantes de solución serán suficientes para 50 grupos de laboratorio.

a. Agregue aproximadamente 200 mL de agua destilada a un matraz volumétrico de

500 mL.

b. Agregue 250 mL de HCl de 4,0 M al matraz volumétrico.

c. Diluya hasta la marca con agua destilada.



recientemente. Diez mililitros de esta solución se utilizarán para formular la solución de HCl

de 0,1 M y los 490 mL restantes serán suficientes para 24 grupos de laboratorio.


500 mL.





recientemente. Esto será suficiente para 20 grupos de laboratorio.

a. Agregue aproximadamente 50 mL de agua destilada a un matraz volumétrico de 100

mL.





275

5. Prepare baños para todo el grupo con agua de la llave en el laboratorio al sumergir los

soportes para tubos de ensayo en agua tibia (que no supere los 50 °C) y fría (enfriada con

hielo). Los alumnos pueden dejar sus tubos de ensayo etiquetados con HCl en el baño que

corresponda durante varios minutos hasta obtener la temperatura deseada.

Consejo para el docente: El tiempo de trabajo de laboratorio se reduce en gran medida si la cinta

de magnesio se corta con anticipación en tiras de aproximadamente 1 a 2 cm. No es necesario que

las longitudes sean exactamente las mismas, pero deben ser similares para poder comparar las

velocidades entre los experimentos. Antes de cortar las tiras de magnesio, elimine la oxidación de

la superficie de la cinta con la lana de acero o la lija fina.

Seguridad


laboratorio:

No sostenga el tapón en el tubo con una presión mayor a los 125 kPa (1,2 atm).

No apunte el tubo de ensayo hacia usted ni hacia otros.

El ácido clorhídrico es un irritante corrosivo. Evite el contacto con la piel y los ojos.


drenaje.





Comience con la

recolección de

datos (antes de

mezclar los

reactivos).

2

Agregue la

solución de ácido

clorhídrico a un

tubo de ensayo.

1

Quite

cuidadosamente

el tapón cuando

la presión llegue

a los 125 kPa

(1,2 atm).

Detenga la

recolección de

datos.

4

Agregue el metal

magnesio al tubo

de ensayo que

contiene HCl y

selle rápidamente

el tubo de ensayo

con el tapón.

3

Analice los

resultados para

determinar los

distintos factores

que influyen

sobre las

velocidades de

reacción.

5


276 PS-2947




Preparación

1. Realice los siguientes pasos para conectar el tapón de un orificio al sensor de presión

absoluta:

a. Inserte el extremo más grueso del conector para tubos en el orificio del tapón de

goma. Si esto se le dificulta, agregue una gota de glicerina.

b. Conecte el tubo de 1 a 2 cm al otro extremo (el más delgado) del conector para tubos.

c. Inserte el extremo punzante de un conector de liberación rápida en el extremo abierto

del tubo de 1 a 2 cm. Si esto se le dificulta, agregue una gota de glicerina.

d. Inserte el conector de liberación rápida en el puerto del sensor de presión absoluta y

luego gire el conector en el sentido de las agujas del reloj hasta que oiga un "clic" en

el sensor (aproximadamente un octavo de giro).


3. Utilice el cable de extensión del sensor para conectar el sensor de presión absoluta al

sistema de recolección de datos.

4. Refleje la Presión absoluta (kPa) contra el Tiempo (s) en un gráfico.

5. Al mezclar la cinta de magnesio y el ácido clorhídrico dentro de un tubo de ensayo

cerrado, ¿qué espera que suceda con la presión? ¿Por qué?

La presión debe aumentar debido a que la reacción produce hidrógeno. Un aumento en la cantidad de

moléculas de gas en el tubo de ensayo aumenta la presión.

Conector de liberación rápida

Tubos

Conector para tubos

Tapón con un orificio


277

Parte 1: Determine una velocidad de reacción basal

Recolecte los Datos

6. Agregue 5 mL de HCl de 1,0 M a un tubo de ensayo etiquetado con el nombre "basal".


8. Agregue tres piezas de 1 cm (0,05 g) de cinta de magnesio al tubo de ensayo y coloque

rápidamente el tapón conectado al sensor de presión absoluta en el tubo de ensayo.

ADVERTENCIA: Aplique una presión leve para mantener el tapón en su lugar, pero no sostenga el tapón en el

tubo de ensayo con una presión superior a los 125 kPa.

ADVERTENCIA: No apunte el tubo de ensayo hacia usted ni hacia otros.


9. Retire cuidadosamente el tapón cuando la presión llegue a los 125 kPa y luego detenga la


10. ¿Por qué es importante no permitir que la presión en el tubo de ensayo supere los

125 kPa?

Si la presión en el tubo de ensayo es muy alta, el vidrio no podrá soportar la presión y podría romperse y

provocar lesiones graves.

11. Asigne un nuevo nombre, "basal", a la serie de datos.

12. ¿Por qué es importante asignar una etiqueta con un nombre claro a cada serie de datos?

Una vez completo el experimento, habrá al menos siete series de datos distintas que pueden confundirse

fácilmente. Para evitar confusiones, es una buena práctica científica nombrar claramente las series de datos.

13. ¿El magnesio se disuelve o reacciona con el HCl? Explique su razonamiento.

El magnesio reacciona con el HCl. Se produjo una reacción debido a que se formó un nuevo producto, un gas

(que se observa en forma de burbujas). Si el magnesio se hubiera disuelto simplemente, no se hubiera formado

un gas.

14. Deseche el contenido del tubo de ensayo conforme a las indicaciones del docente y luego

enjuague el tubo de ensayo con agua para volver a utilizarlo en la próxima parte de la

actividad.


278 PS-2947

Analice los Datos

15. Halle la pendiente (velocidad de reacción) de la porción inicial lineal de la serie de datos

al realizar los pasos a continuación.

a. Aplique un ajuste lineal a los primeros 10 a 20 segundos de la serie de datos después

de que se agregó el magnesio.

b. Determine la pendiente de la recta de ajuste lineal.

c.

Registre la pendiente a continuación.

Pendiente basal = 0,52 kPa/s

16. ¿Qué representa la pendiente de esta recta?

La pendiente es proporcional a la velocidad de la reacción. Cuando más rápido se forma el hidrógeno, más

rápido aumenta la presión en el tubo de ensayo. Cuando más rápido aumenta la presión, más pronunciada es la

pendiente de la recta óptima.

Parte 2: El efecto de la temperatura sobre la velocidad de reacción

Preparación

17. Agregue 5 mL de HCl de 1,0 M en cada uno de los dos tubos de ensayo (uno con el

nombre "caliente" y otro con el nombre "frío").

18. Coloque el tubo de ensayo con el nombre "caliente" en un baño de agua tibia (entre 40 y

50 °C) y el tubo de ensayo con el nombre "frío" en un baño de agua helada (entre 0 y

5 °C). Deje los tubos de ensayo en los baños de agua durante 5 a 10 minutos para que las

soluciones de HCl logren las temperaturas adecuadas.

19. Pronostique el efecto de la temperatura sobre la velocidad de la reacción. Explique su

predicción con base en su conocimiento de lo que sucede a nivel molecular.

La velocidad de reacción aumenta cuando la reacción se produce a temperaturas más elevadas. La velocidad

de reacción aumenta debido a que las moléculas se mueven más rápidamente y colisionan con mayor

frecuencia y con más energía.

20. ¿Cuál es la variable independiente en esta parte del experimento?

La variable independiente es la temperatura.

Recolecte los Datos

21. Complete los siguientes pasos para medir el cambio de presión a medida que el magnesio

reacciona con el HCl "caliente".

a. Retire el tubo de ensayo del baño de agua tibia.

b. Comience con la recolección de datos.

c. Agregue tres piezas de 1 cm (0,05 g) de cinta de magnesio al tubo de ensayo y coloque



279


d. Detenga la recolección de datos cuando la presión llegue a los 125 kPa.

e. Asigne un nuevo nombre, "caliente", a esta serie de datos.


reacciona con el HCl "frío".

a. Retire el tubo de ensayo del baño de agua fría.

b. Comience con la recolección de datos.

c. Agregue tres piezas de 1 cm (0,05 g) de cinta de magnesio al tubo de ensayo y coloque



d. Detenga la recolección de datos cuando la presión llegue a los 125 kPa.

e. Asigne un nuevo nombre, "frío", a esta serie de datos.

23. ¿Por qué se realizan las pruebas con HCl "caliente" y "frío" pero no con HCl a

temperatura ambiente?

Ya se realizó la misma reacción a temperatura ambiente en el apartado anterior como elemento basal con el

cual comparar las reacciones "calientes" y "frías".

24. Deseche el contenido de los tubos de ensayo conforme a las indicaciones del docente y

luego enjuague los tubos de ensayo con agua para volver a utilizarlos en la próxima parte

de la actividad.

Analice los Datos


para el HCl "caliente" y "frío" que reacciona con magnesio.


b. Aplique un ajuste lineal a los primeros 10 a 20 segundos de la serie de datos después


c. Determine la pendiente de la recta de ajuste lineal.

d. Registre las pendientes en la Tabla 1 a continuación.

Tabla 1: Pendientes de las series de datos de Mg que reacciona con HCl a diferentes temperaturas

Condiciones de reacción Pendiente (kPa/s)

HCl de 1,0 M a temperatura ambiente + cinta

de Mg (reacción basal de la Parte 1 anterior)

0,52

HCl "caliente" de 1,0 M + cinta de Mg 1,72

HCl "frío" de 1,0 M + cinta de Mg 0,20


280 PS-2947

26. Genere un gráfico con las tres series de datos que se muestran en su sistema de


Nota: No todos los sistemas de recolección de datos mostrarán las tres series de datos en un solo

conjunto de ejes.


281

27. Bosqueje o imprima una copia del gráfico de Presión absoluta (kPa) contra el Tiempo (s)

en el que se muestren los datos recolectados cuando se hizo reaccionar el HCl de 1,0 M

con la cinta de magnesio a tres temperaturas distintas (caliente, fría y temperatura

ambiente). Nombre cada serie de datos y el gráfico en general, el eje X, el eje Y e incluya

las unidades en los ejes.

Parte 3: El efecto de la superficie sobre la velocidad de reacción

Preparación

28. ¿Cuál de estos elementos tiene una mayor superficie? ¿El polvo de magnesio o las piezas

de 1 cm de cinta de magnesio?

El polvo de magnesio tiene una superficie mucho mayor que las piezas de 1 cm de cinta de magnesio.

29. Pronostique el efecto de la superficie sobre la velocidad de la reacción. Explique su

predicción con base en su conocimiento de lo que sucede a nivel molecular.

El polvo de magnesio reacciona con mayor velocidad que la cinta de magnesio debido a que tiene una mayor

superficie. Los átomos de magnesio y los átomos de HCl deben colisionar para que se produzca una reacción.

Estas dos partículas pueden colisionar solo a nivel de la superficie del magnesio. Por lo tanto, cuanto más

magnesio haya para entrar en contacto con las moléculas de HCl, más rápido se producirá la reacción.

30. Agregue 5 mL de HCl de 1,0 M a un tubo de ensayo etiquetado con el nombre "polvo de

Mg".

Recolecte los Datos



282 PS-2947

32. Agregue ~0,05 g de polvo de magnesio al HCl y coloque rápidamente el tapón conectado

al sensor de presión absoluta en el tubo de ensayo.


33. Detenga la recolección de datos cuando la presión llegue a los 125 kPa.

34. Asigne un nuevo nombre, "polvo de Mg", a esta serie de datos.

35. Deseche el contenido del tubo de ensayo conforme a las indicaciones del docente y luego

enjuague el tubo de ensayo con agua para volver a utilizarlo en la próxima parte de la

actividad.

Análisis de Datos


para la reacción entre el HCl de 1,0 M y el polvo de magnesio.





d. Registre la pendiente en la Tabla 2 a continuación.

Tabla 2: Pendientes de las series de datos para la cinta de Mg que reacciona con el HCl


HCl de 1,0 M + cinta de Mg (reacción basal de

la Parte 1 anterior)

0,52

HCl de 1,0 M + polvo de Mg 1,27

37. Genere un gráfico con las dos series de datos (cinta de Mg y polvo de Mg) que se

muestran en su sistema de recolección de datos.


283


en el que se muestre la reacción entre el HCl de 1,0 M y el polvo de magnesio y el HCl de

1,0 M y la cinta de magnesio. Nombre cada serie de datos y el gráfico en general, el eje X,

el eje Y e incluya las unidades en los ejes.

Parte 4: El efecto de la concentración sobre la velocidad de reacción

Preparación

39. ¿En qué difieren las soluciones de HCl de 1 M y 2 M? Utilice el término "concentración"

en su explicación.

Una solución de HCl de 1 M tiene 1 mol de moléculas de HCl por litro de solución, y una solución de HCl de 2 M

tiene 2 moles de moléculas de HCl por litro de solución. La solución de 2 M tiene dos veces la concentración de

la solución de 1 M. La solución de HCl de 2 M contiene más moléculas de HCl. Por lo tanto, es más concentrada

que la solución de HCl de 1 M.

40. Pronostique el efecto de la concentración sobre la velocidad de reacción. Explique su

predicción con base en su conocimiento de lo que sucede a nivel molecular durante una

reacción química.

Cuanto más concentrados son los reactivos, más rápido se produce la reacción. Para que se produzca una

reacción, las partículas reaccionantes deben colisionar con suficiente energía. Cuanto mayor sea la cantidad de

partículas que haya, mayor es la probabilidad de que las partículas colisionen y que la reacción se produzca

más rápidamente.

41. Mida 5 mL de HCl de 0,1 M; 2,0 M y 4,0 M en tres tubos de ensayo diferentes. Etiquete

cada tubo de ensayo con la concentración correspondiente.


284 PS-2947

Recolecte los Datos


reacciona con el HCl de 0,1 M.

a. Comience con la recolección de datos.

b. Agregue tres piezas de 1 cm (0,05 g) de cinta de magnesio al tubo de ensayo y coloque



c. Detenga la recolección de datos cuando la presión llegue a los 125 kPa.

d. Asigne un nuevo nombre, "HCl de 0,1 M", a esta serie de datos.








d. Asigne un nuevo nombre, "HCl de 2,0 M", a esta serie de datos.








d. Asigne un nuevo nombre, "HCl de 4,0 M" a esta serie de datos.

45. Guarde el archivo de datos y limpie conforme a las indicaciones del docente.

Analice los Datos

46. Halle la pendiente de la porción inicial lineal de la serie de datos para las reacciones

entre la cinta de magnesio y el HCl de 0,1 M; 2,0 M y 4,0 M.






285

d. Registre las pendientes en la Tabla 3 a continuación.

Tabla 3: Pendientes de las series de datos para el Mg que reacciona con diferentes concentraciones de HCl


HCl de 0,1 M + cinta de Mg 0,02

HCl de 1,0 M + cinta de Mg (reacción basal de

la Parte 1 anterior)

0,52



47. Genere un gráfico con las cuatro series de datos que se muestran en su sistema de


Nota: No todos los sistemas de recolección de datos mostrarán las cuatro series de datos en un solo

conjunto de ejes.


en el que se muestren los datos recolectados cuando la cinta de magnesio reaccionó con el

HCl de 0,1 M, 2,0 M y 4,0 M. Asigne una etiqueta a las series de datos y al gráfico en

general, el eje X, el eje Y e incluya las unidades en los ejes.


286 PS-2947

Análisis de Datos

1. Explique las diferencias entre la velocidad de la reacción basal y la velocidad de la

reacción con las soluciones de ácido clorhídrico a distintas temperaturas.

A medida que aumentó la temperatura, aumentaron las velocidades de las reacciones (pendientes de presión

contra el tiempo). El HCl frío tuvo la reacción más lenta con la pendiente menos pronunciada y el HCl caliente

tuvo la reacción más rápida con la pendiente más pronunciada. Esto se debe a que, a mayores temperaturas,

los iones hidrógeno del HCl se mueven con mayor velocidad y colisionan con más frecuencia con el magnesio.

Una mayor frecuencia de colisión resulta en una mayor velocidad de reacción.

2. Explique las diferencias entre la velocidad de la reacción basal y la velocidad de la

reacción con el polvo de magnesio.

Los datos deben indicar que el polvo de magnesio reaccionó más rápidamente que la cinta de magnesio. Esto

se debe a que el polvo de magnesio está finamente dividido y, por lo tanto, tiene una superficie mucho mayor

que la cinta de magnesio. Cuando hay una mayor superficie disponible para la reacción significa que más iones

hidrógeno pueden colisionar con el magnesio en el mismo período de tiempo en comparación con la cinta de

magnesio. Nuevamente, una mayor frecuencia de colisión produce una mayor velocidad.

3. Explique las diferencias entre la velocidad de la reacción basal y las velocidades de las

reacciones con las diferentes concentraciones de HCl.

A medida que aumentan las concentraciones, aumentan las velocidades de las reacciones. El HCl de 4,0 M tuvo

la reacción más rápida (y la pendiente más pronunciada), seguido por el HCl de 2,0 M y el de 1,0 M. El HCl de

0,1 M tuvo la reacción más lenta (y la pendiente menos pronunciada). Cuanto mayor es la concentración de HCl

más iones hidrógeno hay en la solución, lo cual produce una mayor cantidad de colisiones con el magnesio por

cada unidad de tiempo en comparación con las soluciones más diluidas. Nuevamente, cuanto mayor es la

frecuencia de colisión, más rápida es la velocidad de reacción.


1. ¿Por qué se utiliza el sensor de presión absoluta en este experimento?

Uno de los productos (hidrógeno) es un gas, por lo cual la cantidad relativa de hidrógeno presente se determina

fácilmente al medir la presión dentro del tubo de ensayo. Ninguno de los otros reactivos o productos se miden

tan fácilmente en tiempo real.

2. ¿Por qué es importante establecer una velocidad de reacción basal?

Se necesita una velocidad de reacción basal para propósitos comparativos, a fin de determinar qué reacciones

reaccionan con mayor y menor velocidad. Todas las escalas, de cualquier tipo, necesitan un valor basal o "punto

cero" para poder realizar comparaciones. Por ejemplo, las mediciones de altitud toman el nivel del mar como

"punto cero". Para determinar diferencias, no importa dónde se defina el punto cero, sino que exista uno y que

sea bien definido.

3. Explique por qué la pendiente del gráfico de presión contra el tiempo puede

emplearse para describir la velocidad de la reacción.

Cuanto mayor es la velocidad de la reacción, mayor es la velocidad con la que se forma el hidrógeno. Cuando

más rápido se forma el hidrógeno, más rápido aumenta la presión en el tubo de ensayo. Cuanto más rápido

aumenta la presión, más pronunciada será la pendiente (cambio en Y dividido por el cambio en X) de la recta

óptima para el gráfico de presión (eje Y) contra el tiempo (eje X).


287

4. ¿Qué combinación de tratamientos disponibles en el laboratorio crearía la mayor

velocidad de reacción entre el magnesio y el ácido clorhídrico?

Una combinación de polvo de magnesio que reaccione con HCl caliente de 4,0 M produciría la mayor velocidad

de reacción posible con los recursos disponibles en el laboratorio.



1. Enumere otras formas en las que puede determinarse de forma realista y en

tiempo real la cantidad de reactivos o productos presentes en las reacciones.

En función del tipo de reacción que se realice, puede medirse el pH, la absorción, la temperatura o la

conductividad para determinar un cambio en la cantidad de productos o reactivos a medida que se produzca la

reacción.

2. ¿Por qué es importante estudiar las velocidades de las reacciones?

Conocer la velocidad de una reacción permite determinar cuánto tardará en formarse una determinada cantidad

de producto. Esto es importante en la síntesis de químicos tales como los medicamentos, además de para

darles a los consumidores una idea de cuánto durará un producto, como por ejemplo los alimentos, o para

predecir combinaciones peligrosas tales como HCl caliente de 4,0 M con el polvo de magnesio.

3. Un catalizador es una sustancia que permite que se produzcan reacciones

químicas con menor energía de lo habitual. ¿De qué forma influyen los catalizadores

sobre las velocidades de reacción? ¿Por qué?

Los catalizadores aumentan las velocidades de reacción. Al disminuir la energía necesaria para que se formen

los productos, hay una mayor proporción de colisiones con suficiente energía y, por lo tanto, la reacción se

produce más rápidamente.



incompletos.

1. En general, cuanto más _____________ es la concentración de reactivos en una

reacción, más _________ será la velocidad de la reacción.

A. Alta; lenta

B. Alta; rápida

C. Baja; rápida

D. No existe relación

2. En general, cuanto más _____________ es la superficie disponible para la reacción,

más _________ será la velocidad de la reacción.

A. Grande; rápida

B. Grande; lenta

C. No existe relación

D. Pequeña; rápida


288 PS-2947

3. En general, cuanto más _____________ es la temperatura de una reacción, más

_________ será la velocidad de la reacción.

A. No existe relación

B. Baja; rápida

C. Alta; lenta

D. Alta; rápida

4. A nivel molecular, ¿qué debe suceder para que las partículas reaccionantes formen

productos?

A. Las partículas reaccionantes deben estar excitadas

B. Las partículas reaccionantes deben tener una masa molar mayor a 10 g/mol

C. Las partículas reaccionantes deben estar en estado gaseoso

D. Las partículas reaccionantes deben colisionar con suficiente energía

5. ¿Qué tipo de hierro formará óxido con mayor rapidez?

A. Un clavo galvanizado

B. Un bloque sólido de hierro

C. Limaduras de hierro

D. Todos los tipos de hierro forman óxido con la misma velocidad



palabra clave.

1. La rama de la química que se ocupa de las velocidades de las reacciones químicas se

denomina cinética. Las explosiones tienen velocidades de reacción muy altas, mientras que la

formación de óxido tiene una velocidad de reacción muy baja. La teoría de las colisiones

describe cómo los químicos reaccionan a nivel molecular. La teoría de las colisiones establece que

la frecuencia con la cual las partículas reaccionantes chocan entre sí determina la velocidad de la

reacción. Cuanto mayor es la cantidad de colisiones, más rápida es la velocidad de la reacción.

La cantidad de colisiones puede aumentarse al calentar los reactivos, aumentar la

concentración de los reactivos o al aumentar la superficie de las partículas. Por el contrario,

disminuir cualquiera o todos estos factores produce una menor velocidad de reacción.


289


Investigue factores que disminuyan la velocidad a la cual una manzana cortada adquiere un

color marrón.

Investigue factores que disminuyan la velocidad de la formación de óxido.

Investigue cómo se determinan las velocidades de reacción para reacciones extremadamente

rápidas (explosiones) y reacciones extremadamente lentas (descomposición).

Extrapole los datos de las velocidades iniciales a fin de calcular la cantidad de tiempo requerido

para consumir 1,0 g de cinta de magnesio en distintas concentraciones de ácido clorhídrico a

temperatura ambiente. Pruebe los resultados y compárelos con las predicciones.

Investigue los efectos de la temperatura sobre la reacción de un comprimido efervescente y el

agua.

Construya una curva de velocidades de reacción a distintas concentraciones para la reacción de

Landolt (reacción del reloj de yodo). Utilice estos datos para analizar en mayor profundidad las

reacciones de orden cero, de primer orden y de segundo orden.


291

El pH de los Productos Químicos Domésticos

Objetivos

Al trabajar con productos químicos domésticos comunes, los alumnos desarrollan una noción de

la relación entre el pH y la concentración de iones hidronio (H3O+). Mediante esta investigación,

los alumnos:

clasifican las soluciones en ácidas, básicas o neutras según su pH o su concentración de iones

hidronio (H3O+);

comparan las fuerzas relativas de los ácidos y las bases según su pH o su concentración de

H3O+.



Medición del pH de productos químicos domésticos comunes y su clasificación en ácidos o

bases.

Cálculo de la concentración de iones hidronio (H3O+) con base en los valores medidos de pH y

realización del gráfico del pH contra la concentración de H3O+.







Sistema de recolección de datos Vinagre blanco (ácido acético al ~5%), 5 mL

Sensor de pH Jugo de limón, 5 mL

Vaso de precipitado (2) de 50 mL Refresco, 5 mL

Probeta de 50 mL Limpia vidrios, 5 mL

Probeta de 10 mL Agua de la llave, 5 mL

Tubo de ensayo (10) de 15 x 100 mm Leche, 5 mL

Soporte para tubos de ensayo Café, 5 mL

Piseta y recipiente para desechos Bicarbonato de sodio de 0,5 M; 5 mL1

Solución amortiguadora de pH 4, 25 mL Jabón líquido, 5 mL

Solución amortiguadora de pH 10, 25 mL Blanqueador, 5 mL

1 Para formular con bicarbonato de sodio en estado sólido, consulte el apartado sobre Preparación del

laboratorio.


292 PS-2947



Propiedades de los ácidos y las bases

Concentración (molaridad)

Cálculos con logaritmos

Antecedentes

En la vida, estamos rodeados por ácidos y bases. Los ácidos están presentes en distintas

sustancias que incluyen refrescos, aderezos para ensaladas, el cuerpo humano, el agua de lluvia

y las pilas. Los ácidos tienen un sabor agrio, provocan que los indicadores cambien de color (el

papel litmus se torna rojo), reaccionan con determinados metales para formar hidrógeno gaseoso

y con las bases para formar agua y sal.

Las bases están presentes en el jabón, en los productos de limpieza, en el bicarbonato y en la

cerveza. Las bases tienen un sabor amargo, son resbaladizas o jabonosas al tacto, provocan que

los indicadores cambien de color (el papel litmus se torna azul), reaccionan con el aceite y la

grasa, y reaccionan con los ácidos para formar agua y sal.

A nivel molecular, un ácido puede donar un ión hidrógeno (ácido de Brønsted-Lowry). El ión

hidrógeno donado puede unirse a cualquier molécula de agua disponible para formar un ión

hidronio (H3O+). Los ácidos se clasifican conforme a la facilidad que tienen para donar sus iones

hidrógeno. Los términos "fuerte" y "débil" no se refieren a la concentración del ácido, sino al

grado en el cual el ácido se disocia (se separa en iones hidrógeno y en la base conjugada).

Un ácido fuerte es aquel que se disocia inmediatamente y por completo. En un ácido fuerte, cada

unidad de ácido se rompe en un ión hidrógeno y el ión negativo opuesto. Por ejemplo, en el ácido

clorhídrico, cada unidad de HCl se divide en H+ y Cl

–.

En contraste, un ácido débil es aquel que solo se disocia en forma parcial. En un ácido débil, solo

una fracción de las unidades de ácido disponibles se rompe en iones hidrógeno y en los iones

negativos opuestos. Por ejemplo, en el ácido acético de 100 unidades de HC2H3O2, solo una se

divide en H+ y C2H3O2

–, mientras que las 99 restantes permanecen combinadas en HC2H3O2.

Una base es el complemento de un ácido. Una base es una sustancia que acepta un ión hidrógeno

(base de Brønsted-Lowry). Cuanto más rápidamente una sustancia química se une a los iones

hidrógeno, más fuerte es la base.

La escala de pH brinda una medida numérica de la concentración ácida de una sustancia

química en solución. El término pH se refiere a la concentración de H3O+ en una solución de la

sustancia. La escala de pH se basa en la observación de que el agua tiene una leve tendencia a

autoionizarse en iones H+ e hidróxido (OH

–). Debido a que existe una proporción molar de uno a

uno, se forman cantidades iguales de iones H3O+ y OH–. A 25 °C, se forma 1,0 x 10–7 M de cada

ión.

H2O(l) + H2O(l) → H3O+(aq) + OH

– (aq)

Keq = Kw = [H3O+] [OH–] = (1,0 × 10

–7)(1,0 × 10

–7)

La constante de equilibrio para esta reacción es Kw = 1,0 × 10–14, también denominada constante

de producto iónico del agua.


293

La concentración de iones H3O+ y OH– se relaciona de forma inversa. Si aumenta la

concentración de iones H3O+, debe disminuir la concentración de iones OH– y viceversa. La

siguiente tabla muestra los dos extremos después de agregar un ácido fuerte o una base fuerte al

agua para formar una solución de 1,0 M.

Tabla: Concentraciones de H3O+

y OH– en soluciones de 1 M de un ácido fuerte y una base fuerte

Agregue un ácido fuerte para crear una

solución de 1,0 M:

Agregue una base fuerte para crear

una solución de 1,0 M:

+3

w

+3

H O , M

OHH O

K

0

14

1 0 10

1 10

+ w3H O

OH

OH , M

K

14

0

1 10

1 0 10

Por lo tanto, el rango de concentraciones de iones H3O+ será, generalmente, de entre 1 y 1 × 10–14

.

Debido al rango extremo de valores, la escala de pH simplifica estos números al tomar el

logaritmo negativo de la concentración de iones H3O+ para brindar un rango de 0 a 14.

pH = –log [H3O+]

Cuando existen concentraciones iguales de iones H3O+ y OH

–, se dice que la solución es neutra y

que tiene un valor de pH de 7. Cuando existe más cantidad de iones H3O+ que de iones OH–, se

dice que la solución es ácida y que tiene un pH inferior a 7. Cuanto menor es el valor de pH, más

ácida es la solución. Cuando existe menos cantidad de iones H3O+ que de iones OH–, se dice que

la solución es básica y que tiene un pH superior a 7. Cuanto mayor es el valor del pH, más

alcalina (básica) es la solución.


Analice los ácidos, las bases y el pH junto a sus alumnos mediante las siguientes actividades y

preguntas.

El pH y los productos de consumo

1. ¿En dónde ha oído los términos ácido, base o pH? ¿Qué tipo de productos de

consumo utiliza estos términos en sus etiquetas?

Ácidos: ácido de las pilas, ácidos en los alimentos, ácido estomacal, acumulación de ácido láctico durante el

ejercicio, fármacos, lluvia ácida, suelo ácido, aminoácidos para desarrollar el físico.

Bases: jabones, productos de limpieza, bicarbonato de sodio, antiácidos, cerveza.

pH: los productos de consumo tales como cosméticos, desodorantes y champús a menudo indican "con pH

equilibrado" en su etiqueta. Asimismo, el pH se menciona en el mantenimiento de piscinas, peceras y calidad

del agua.

2. ¿Cuáles son algunas de las propiedades de los ácidos y bases?

Los acidos con sabor agrio o citrico, viran el papel litmus a rojo, reaccionan con determinados metales para

formar hidrógeno y con las bases para formar agua y sal.

Las bases con un sabor amargo, son resbaladizas o jabonosas al tacto, tornan el papel litmus a azul, reaccionan

con el aceite y la grasa y con los ácidos para formar agua y sal.


294 PS-2947

3. ¿Qué es el pH y cómo se relaciona con los ácidos y las bases?

La escala de pH mide la acidez de una sustancia. Los ácidos tienen un pH inferior a 7 y las bases tienen un pH

superior a 7.

4. A nivel molecular, ¿qué hace que un elemento sea más o menos ácido?

A nivel molecular, la acidez es una medida de la concentración de iones H3O+ en una solución. Cuanto mayor es

la concentración de iones H3O+, más ácida es la solución.

Conductividad de las soluciones ácidas, básicas y neutras

Utilice un sensor de conductividad o un medidor de conductividad de bombilla para verificar la

conductividad de una solución de ácido clorhídrico (HCl) de 0,1 M, una solución de hidróxido de sodio

(NaOH) de 0,1 M y agua destilada.

Ayude a los alumnos a comprender que tanto los ácidos como las bases tienen una cantidad

significativa de iones, pero que el agua destilada tiene muy pocos. Anote la ecuación química de cada

reacción en el pizarrón y ayude a los alumnos a analizar la concentración de cada tipo de ión presente.

Anote la siguiente tabla en el pizarrón y pídales a los alumnos que lo ayuden a completarla.

Tabla: Conductividad de HCl de 0,1 M; del agua destilada y de NaOH de 0,1 M

HCl de 0,1 M H2O destilada NaOH de 0,1 M

Medidor de

conductividad

luz brillante sin luz luz brillante

Sensor de

conductividad (µs/cm)

32 227 15 16 658

5. ¿Qué nos indican estas lecturas de conductividad acerca del ácido clorhídrico, del

hidróxido de sodio (base) y del agua destilada?

La conductividad es una medida de la facilidad con la que puede fluir la corriente eléctrica. A fin de que la

corriente eléctrica fluya, los iones (partículas cargadas) deben estar presentes en la solución. Los buenos

conductores tienen una mayor concentración de iones en la solución. Tanto el ácido clorhídrico como el

hidróxido de sodio son buenos conductores. Por lo tanto, sabemos que sus soluciones contienen muchos iones.

Los malos conductores no contienen iones o la concentración de iones es extremadamente baja. Por lo tanto, el

agua destilada es un mal conductor.

6. ¿Qué iones participan en cada una de las soluciones que probamos? ¿Cuál es la

concentración de cada ión presente?

Ácido clorhídrico de 0,1 M: HCl(aq) + H2O(l) → H3O+(aq) + Cl

–(aq)

El ácido clorhídrico se disocia completamente para formar H3O+ de 0,1 M y Cl

– de 0,1 M.

Hidróxido de sodio de 0,1 M: NaOH(aq) → Na+(aq) + OH–(aq)

El hidróxido de sodio se disocia completamente para formar Na+ de 0,1 M y OH– de 0,1 M.

Agua destilada: H2O(l) + H2O(l) → H3O+(aq) + OH–(aq)

La autoionización del agua pura se produce a muy baja escala. A 25 °C, el agua pura contiene iones H3O+ de

1,00 x 10–7

M y OH– de 1,00 x 10

–7 M. El agua pura tiene una cantidad muy pequeña de cada ión

(0,0000001 M), lo cual explica por qué es tan mal conductor.


295

La concentración de iones hidronio y la escala de pH

Utilice un sensor de pH para verificar el pH del HCl de 0,1 M; del NaOH de 0,1 M y del agua destilada.

Analice junto a los alumnos de qué forma el pH es una medida de la concentración de iones H3O+

(acidez) de una solución y cómo la capacidad de una sustancia de donar iones H+ afecta la

concentración de iones H3O+ y el pH. Explique que los ácidos son sustancias que donan iones H

+ y que

las bases son sustancias que aceptan iones H+. La incorporación o eliminación de iones H

+ afecta el

equilibrio de iones H3O+ y OH

– que existe en el agua pura. Las concentraciones de H3O

+ y OH

– son

inversamente proporcionales. A medida que aumenta la concentración de iones H3O+, disminuye la

concentración de iones OH– . El producto de la concentración de iones H3O

+ y OH

– es una constante, y

se conoce como la constante de producto iónico del agua.

Kw = [H3O+][OH

–] = 1,0 x 10

–14

Cuando las concentraciones de iones H3O+ y OH

– son iguales, la solución es neutra (pH = 7). Si la

concentración de iones H3O+ es superior a la de OH

–, la solución es ácida (pH < 7). Si la concentración

de iones H3O+ es inferior a la de OH

–, la solución es alcalina o básica (pH > 7).

Agregue las siguientes filas a la tabla que anotó en el pizarrón en la actividad anterior y pídales a los

alumnos que lo ayuden a completarlas.

Tabla: Conductividad, pH y concentraciones de iones en el HCl de 0,1 M; el agua destilada y el NaOH de 0,1 M

HCl de 0,1 M H2O destilada NaOH de 0,1 M

Medidor de

conductividad

luz brillante sin luz luz brillante

Sensor de

conductividad

(µs/cm)

32 227 15 16 658

pH 1 7 13

Concentración de

H3O+ (M)

1 x 10–1

1 x 10–7

1 x 10–13

Concentración de

OH– (M)

1 x 10–13

1 x 10–7

1 x 10–1

¿Ácida, básica o

neutra? (M)

Ácida Neutra Básica

7. ¿Cómo se definen los ácidos y las bases en términos de iones H+?

Los ácidos son sustancias que donan iones H+ y las bases son sustancias que aceptan iones H+.

8. ¿Qué sucede con la concentración de H3O+ al agregar un ácido al agua? ¿Y al

agregar una base al agua?

Los ácidos donan iones H+ y, por lo tanto, provocan un aumento en la concentración de H3O

+.

Las bases aceptan iones H+ y, por lo tanto, provocan una disminución en la concentración de H3O

+.


296 PS-2947

9. Compare las concentraciones de iones H3O+ en los ácidos, las bases y las soluciones

neutras con sus valores de pH.

Las soluciones ácidas tienen mayores concentraciones de iones H3O+ y, por lo tanto, valores más bajos de pH.

Las bases tienen concentraciones bajas de iones H3O+ y, por lo tanto, valores altos de pH. Las soluciones

neutras tienen una cantidad equivalente de iones H3O+ y OH

– y, por lo tanto, un pH de 7.

Escalas logarítmicas y pH

Explique a los alumnos que el pH es una escala logarítmica y que las escalas logarítmicas se utilizan

cuando existe un amplio rango de valores implicados. La escala logarítmica simplifica las cifras

problemáticas al referirse al exponente al cual debe elevarse una base (en este caso, 10) para lograr la

cifra, en oposición a referirse a la cifra en sí misma.

Demuestre la diferencia entre una escala logarítmica y una escala lineal al cambiar los volúmenes del

agua según se explica a continuación. Finalice el debate con la definición del pH como el logaritmo

negativo de la concentración de iones H3O+.

Demostración de escala lineal: Comience con una probeta vacía de 100 mL. Agregue 10 mL. Registre el

volumen y repita el procedimiento 5 veces. Explique que las escalas lineales se basan en la suma y la

resta. Cada cambio implica una suma o resta de la misma cantidad.

Demostración de escala logarítmica: Agregue 10 mL de agua a una probeta vacía de 100 mL. Esta vez,

multiplique 10 mL por 10. Llene la probeta hasta el borde (100 mL). Multiplique 100 mL por 10, pase el

agua a una probeta de 1000 mL y llénela. Continúe el proceso al pedirles a los alumnos que sugieran

envases más grandes que puedan utilizar para contener la cantidad creciente de agua. Al hacerlo,

destaque el hecho de que el "logaritmo" es la potencia (exponente) a la cual se eleva el número 10 para

lograr el volumen de agua.

Pídales a los alumnos que lo ayuden a completar una tabla mientras realiza las demostraciones:

Tabla: Comparación de una escala lineal con una escala logarítmica

Cantidad de

cambios

Escala lineal Escala logarítmica

Aumente el volumen de a

10 mL por vez

Aumente el volumen al

multiplicarlo por 10

Log

1 10 10

101

1

2 10 + 10 = 20 10 ×10 =100

102

2

3 20 + 10 = 30 100 × 10 =1 000

103

3

4 30 + 10 = 40 1,000 × 10 =10 000

104

4

5 40 + 10 = 50 10 000 × 10 =100 000

105

5


297

10. ¿Por qué tenemos el concepto de pH si solo se trata de la concentración

(molaridad) de iones H3O+?

La molaridad de iones H3O+ oscila entre 1 x 10

–1 M y 1 x 10

–14 M. Este es un intervalo enorme de cifras, y las

cifras en sí mismas son problemáticas y difíciles de escribir. La escala de pH se implementó para simplificar el

análisis de ácidos y bases.

11. ¿En qué difiere una escala logarítmica de una escala lineal típica? ¿Cuándo se

prefiere una escala logarítmica a una escala lineal?

Una escala lineal se basa en la suma/resta. Cada paso de la escala es el mismo. Una escala logarítmica se

basa en potencias de 10. Cada paso aumenta o disminuye en tamaño. Las escalas logarítmicas resultan útiles

cuando existe un amplio intervalo de valores.

12. ¿Qué escala abarca un intervalo más amplio de valores? ¿La lineal o la

logarítmica?

La escala logarítmica abarca un intervalo más amplio de valores. En el ejemplo anterior, la escala lineal varió de

10 a 50. La escala logarítmica varió de 10 a 100 000, que es un rango mucho mayor.

13. ¿Qué es el pH? Relacione la concentración de iones H3O+ con el pH.

El pH se define mediante la siguiente ecuación: pH = –log [H3O+]

La concentración de iones H3O+ es generalmente inferior a 1 M. Por lo tanto, los exponentes son negativos.

Debido a que es más sencillo trabajar con números positivos, el pH se definió como el –log.

Tabla: Relación entre los iones H3O+ y el pH

Concentración de

H3O+ (M)

Notación

exponencial (M)

Log de [H3O+] –Log [H3O+] = pH

1 100

0 0

0,1 10–1

–1 1

0,01 10–2

–2 2

0,0000001 10–7

–7 7

0,0000000000001 10–13

–13 13

14. Una solución con pH 4, ¿tiene más o menos iones H3O+ que una solución con pH 7?

¿Cuántas veces más o menos?

Una solución con pH 4 tiene 1000 veces más iones H3O+ que una solución con pH 7. Un cambio en el pH

resulta en un aumento de 10 veces la cantidad de iones H3O+.


298 PS-2947

Cálculo de la concentración de iones H3O

+

con base en el pH

Guíe a los alumnos por un ejemplo del cálculo de la concentración de iones H3O+ a partir del pH y luego

permítales practicar antes de comenzar el trabajo de laboratorio.

15. Calcule la concentración de iones H3O+ de una solución desconocida que tiene un

pH de 10,6.

pH = –log [H3O+]

El logaritmo es la potencia (o exponente) a la que debe elevarse el número 10 (la base logarítmica) para brindar

la cifra original. Por lo tanto, 10–pH

= [H3O+]

10–10,6

= [H3O+]

2 x 10–11

= [H3O+]

16. Calcule la concentración de iones H3O+ de una solución desconocida que tiene un

pH de 2,2.

10–pH

= [H3O+]

10–2,2

= 6 x 10–3

= [H3O+]



Las siguientes instrucciones le permitirán elaborar 100 mL de solución de bicarbonato de sodio. Esto

será suficiente para 20 grupos de laboratorio.

Prepare 100 mL de solución de bicarbonato de sodio (NaHCO3) de 0,5 M al agregar 4,2 gramos de

bicarbonato en agua destilada suficiente para generar 100 mL de solución.

Consejos para el docente:

La calibración del sensor de pH se guarda en el archivo de datos en el que se realizó. Esto

requiere que se vuelva a calibrar el sensor de pH cada vez que se abre un nuevo archivo o se

utiliza un sistema de recolección de datos distinto.

Para ahorrar tiempo y materiales, prepare un conjunto de tubos de ensayo etiquetados para la

clase que ya estén 1/3 llenos con cada uno de los diez elementos domésticos. Reutilice los

mismos ejemplos para múltiples períodos de clase. Asegúrese de recordarles a los alumnos que

no contaminen sus soluciones.

Seguridad


Muchos productos químicos domésticos irritan la piel, los ojos y las vías respiratorias. Estos

incluyen el limpia vidrios, el vinagre, el jugo de limón y el blanqueador.


299








Preparación


2. Conecte un sensor de pH a su sistema de recolección de datos.

3. Coloque 25 mL de solución amortiguadora con pH 4 en un vaso de precipitado de 50 mL y

25 mL de solución amortiguadora de pH 10 en un segundo vaso de precipitado de 50 mL.

Utilice estas soluciones para calibrar el sensor de pH.

4. Con los términos "exactitud" y "precisión", explique por qué es necesario calibrar el

sensor de pH.

Un sensor de pH debe calibrarse para asegurar resultados exactos. Un sensor de pH sin calibrar arrojará

resultados precisos, pero podrían no ser exactos.

5. Configure el sistema de recolección de datos para recolectar manualmente los valores del

pH para los distintos productos químicos domésticos en una tabla. Defina los productos

químicos domésticos como datos de texto ingresados manualmente.

6. Obtenga 10 tubos de ensayo limpios y secos.

7. Etiquete cada tubo de ensayo con el nombre de un producto químico doméstico. Los

productos químicos domésticos se enumeran en la Tabla 1 del apartado de Análisis de

datos a continuación.

Grafique el pH

contra la

concentración de

iones hidronio

(H3O+).

4

Coloque 5 mL de

cada químico

doméstico en un

tubo de ensayo

claramente

etiquetado.

1

Calcule la

concentración de

iones hidronio

(H3O+) para cada

químico doméstico

mediante los

valores medidos de

pH.

3

Mida el pH de

cada químico

doméstico.

2


300 PS-2947

8. Agregue 5 mL de cada producto químico doméstico al tubo de ensayo con la etiqueta que

corresponda. Cada tubo de ensayo debe estar lleno en aproximadamente un tercio.

9. La cantidad de líquido que se utiliza en cada tubo de ensayo, ¿debe ser exacta? Explique.

No. El volumen requerido debe ser suficiente para que el sensor de pH quede completamente sumergido en la

solución, pero no tanto como para que se derrame al insertar el sensor de pH. La cantidad de solución que se

utiliza no afecta el pH.

Recolecte los Datos

10. Comience a registrar un nuevo conjunto de datos con muestras manuales.

11. Coloque el sensor de pH en la primera muestra. Asegúrese de que la punta bulbosa del


12. Deje el sensor de pH en la solución hasta que la lectura se estabilice (aproximadamente

1 minuto) y luego registre el punto de datos.

13. Retire el sensor de la muestra y enjuáguelo completamente con agua limpia.

14. Repita los pasos anteriores para determinar el pH de todas las muestras.

Nota: Recuerde enjuagar completamente el sensor de pH con agua limpia después de probar cada solución.

15. ¿Por qué es necesario enjuagar el sensor de pH después de probar cada muestra?

Para evitar contaminar la próxima muestra. Si alguna de las muestras se mezcla, los valores de pH cambiarán.

16. Una vez que haya registrado todos sus datos, detenga la recolección del conjunto de

datos.

17. Guarde su archivo de datos y limpie conforme a las indicaciones del docente.

Análisis de Datos

1. Calcule los iones hidronio (H3O+) para cada producto químico doméstico mediante el valor

medido de pH. Siga los pasos a continuación para hacer esto en su sistema de recolección

de datos.

a. Ingrese la siguiente ecuación en la calculadora de su sistema de recolección de datos.

concentración = 10^–(pH)

b. Agregue una columna a la tabla en su sistema de recolección de datos para mostrar

la concentración calculada de iones hidronio (H3O+).


301

2. Copie los datos del pH y de la concentración de iones H3O+ de su sistema de recolección

de datos en las columnas correspondientes de la Tabla 1 a continuación.

Tabla 1: Productos químicos domésticos, su pH y sus concentraciones de H3O+

Producto químico

doméstico

pH [H3O+]

(M)

1 Vinagre 2,6 3 x 10–3

2 Jugo de limón 2,5 3 x 10–3

3 Refresco 2,9 1 x 10–3

4 Limpia vidrios 8,6 3 x 10–9

5 Agua de la llave 8,0 1 x 10–8

6 Leche 6,9 1 x 10–7

7 Café 5,1 8 x 10–6

8 Bicarbonato de sodio 8,5 3 x 10–9

9 Jabón líquido 10,6 2 x 10–11

10 Blanqueador 11,8 1 x 10–12

Consejo para el docente: Observe que la concentración [H3O+] tiene solo una cifra significativa debido a

las normas de cifras significativas con logaritmos. La cantidad de lugares decimales en la lectura del pH

indica la cantidad de cifras significativas que tiene la concentración de [H3O+] en su coeficiente.

3. Refleje la concentración de H3O+ contra el pH en un gráfico.

Nota: Para graficar un diagrama de dispersión de los puntos de datos, oculte la función de líneas conectoras

entre los puntos datos. Si es necesario, ajuste la escala del gráfico para mostrar todos los puntos de datos.


302 PS-2947

4. Dibuje o imprima una copia del gráfico de la Concentración de H3O+ (M) contra el pH.

Asigne una etiqueta al gráfico en general, al eje X, al eje Y e incluya unidades en los ejes.

5. Dibuje un diagrama de dispersión de la concentración de iones H3O+ contra el pH en una

escala logarítmica.

Nota del docente: Este gráfico deberá dibujarse a mano, debido a que el sistema de recolección de datos no

puede crear una escala logarítmica en sus ejes.


303


1. ¿Qué es el pH y por qué se utiliza la escala de pH?

El pH es una medida de la concentración de iones H3O+ y se define matemáticamente como pH = –log [H3O

+].

La escala de pH se utiliza debido a que los números 0 a 14 son más sencillos de utilizar que los números del 1 a

1 x 10–14

.

2. Explique la relación entre el pH y la concentración de iones H3O+.

Existe una relación inversa entre el pH y la concentración de iones H3O+. A medida que aumenta el pH,

disminuye la concentración de iones H3O+.

3. Defina el término "ácido" y explique por qué existen ácidos fuertes y débiles.

Un ácido es una sustancia que dona iones H+. La potencia de un ácido depende de su grado de disociación. Los

ácidos fuertes se disocian completamente y producen una mayor cantidad de iones H3O+, mientras que los

ácidos débiles solo se disocian en forma parcial y producen una cantidad menor de iones H3O+.

4. Identifique cuáles de los productos químicos domésticos que está probando son

ácidos y enumérelos en orden de menor a mayor pH.

Jugo de limón, vinagre, refresco, café, leche.

5. Defina el término base y explique por qué existen bases de diferente fuerza.

Una base es una sustancia que acepta iones H+. La fuerza de una base depende del grado en el cual atrae

iones H+. Las bases fuertes se unen inmediatamente con todos los iones H

+ posibles y, por lo tanto, eliminan los

iones H3O+ de la solución. Por otro lado, las bases débiles no atraen iones H

+ de forma tan potente y, por lo

tanto, permiten que una parte de ellos permanezca en la solución.

6. Identifique cuáles de los productos químicos domésticos que está probando son

bases y enumérelos en orden de mayor a menor pH.

Blanqueador, jabón líquido, limpia vidrios, solución de bicarbonato de sodio, agua de la llave.



1. Una solución de ácido nítrico tiene pH 1 y una solución de ácido clorhídrico tiene

pH 3. ¿Qué solución ácida es más concentrada y por cuánto?

La solución de ácido nítrico es 100 veces más concentrada que la solución de ácido clorhídrico.

2. ¿Qué es el pOH y cómo se relaciona con el pH?

El pOH es una medida de la concentración de iones hidróxido. La expresión matemática es pOH = –log [OH–].

Existe una relación inversa entre el pH y el pOH. A medida que aumenta el valor del pH de una sustancia,

disminuye el valor del pOH.

[H+][OH

–] = Kw

–log[H+] + –log[OH–] = –log Kw = –log 1,0 x 10

–14

pH + pOH = 14


304 PS-2947

3. Si se agrega un ácido a una solución básica, ¿qué espera que suceda con el pH de la

solución básica? ¿Por qué?

El pH de la solución básica debe disminuir debido a que los iones hidrógeno agregados aumentan la

concentración de iones H3O+ en la solución y, por lo tanto, disminuyen el pH.



incompletos.

1. ¿Por qué una solución de ácido clorhídrico de 0,1 M es un ácido más fuerte que una

solución de ácido acético de 0,1 M?

A. Porque una mayor cantidad de iones H+ se disocia en la solución.

B. Porque una menor cantidad de iones H+ se disocia en la solución.

C. Porque existe igual cantidad de iones H+ en las dos soluciones.

D. Porque existe igual cantidad de iones OH– en las dos soluciones.

2. ¿En qué difiere una solución acuosa de una base de una solución acuosa de un

ácido?

A. Una solución básica conduce electricidad y una solución ácida no.

B. Una solución básica provocará que un indicador cambie de color y un ácido no.

C. Una solución básica tiene una mayor concentración de H3O+ que de OH–.

D. Una solución básica tiene una menor concentración de H3O+ que de OH–.

3. El agua pura tiene pH 7 y la pasta de dientes tiene pH 10. ¿El agua contiene

cuántas veces la cantidad de iones H3O+ de la pasta de dientes?

A. 1/100

B. 3

C. 10

D. 1000

4. Una solución desconocida tiene una concentración H3O+ de 6,0 x 10–10 M. Esta

solución es:

A. Ácida

B. Básica

C. Neutra

D. Concentrada


305

5. Una solución desconocida tiene un pH de 4,0. Esta solución es:

A. Ácida

B. Básica

C. Neutra

D. Concentrada



palabra clave.

1. Los ácidos están presentes en distintas sustancias tales como los refrescos, el aderezo para

ensaladas y el agua de lluvia. Los ácidos tienen un sabor agrio, provocan que los indicadores

cambien de color y reaccionan con determinados metales para formar hidrógeno en gas. A nivel

molecular, un ácido es una sustancia que dona iones hidrógeno (H+) que formarán una

concentración mayor de iones hidronio (H3O+) cuando el ácido se disuelva en agua. Los ácidos

fuertes se disocian por completo en el agua, mientras que los ácidos débiles solo se disocian en

forma parcial. Los ácidos tienen valores de pH inferiores a 7. Cuanto menor es el pH, más

ácida es la solución.

2. Quizá no esté familiarizado con las bases, pero son tan numerosas como los ácidos. Las

bases están presentes en los productos de higiene personal, en los productos de limpieza y en los

alimentos. Las bases tienen un sabor amargo, se sienten jabonosas al tacto y reaccionan con el

aceite y la grasa. A nivel molecular, una base es una sustancia que acepta o se une con un ión

hidrógeno (H+). Al unirse con el ión H+, una base provoca que la concentración del ión hidronio

(H3O+) disminuya. Las bases fuertes tienen una potente fuerza de atracción y se unen

inmediatamente con los iones H+, lo cual disminuye la concentración de iones H3O+ en la

solución. Las bases tienen valores de pH superiores a 7. Cuanto mayor es el pH, más básica es

la solución.


306 PS-2947


Pídales a los alumnos que lleven etiquetas de distintos productos químicos domésticos y que

utilicen la lista de ingredientes para pronosticar el pH de la sustancia. Si es posible, pídales a los

alumnos que pongan a prueba sus predicciones después de realizar sus hipótesis.

Investigue la conductividad de los ácidos y bases fuertes y débiles.

Determine el efecto de la concentración sobre el pH con diferentes concentraciones de productos

químicos domésticos.

Determine el efecto de la cantidad de una sustancia sobre su pH.

Determine el efecto de mezclar ácidos y bases sobre el pH de la solución nueva.

Compare las mediciones del pH que se realizaron con un sensor de pH contra las que se

realizaron con un papel tornasol u otros indicadores.


307

Valoración Ácido–Base

Objetivos

Utilizar una valoración para determinar la concentración de una solución de ácido clorhídrico y

la concentración de una solución de ácido acético. Mediante esta investigación, los alumnos:

determinan la diferencia entre la fuerza y la concentración de los ácidos y las bases;

llevan a cabo reacciones de neutralización;

describen y explican la forma de una curva de valoración.



Valoración de un ácido fuerte–base fuerte

Valoración de un ácido débil–base fuerte

Cálculo de la concentración de una solución desconocida de ácido clorhídrico y una solución

desconocida de ácido acético mediante los datos recolectados y cálculos estequiométricos






308 PS-2947



Sistema de recolección de datos Pinza de bureta

Cuentagotas Embudo

Sensor de pH Pipeta de transferencia

Agitador magnético Recipiente para desechos

Microimán de agitación Piseta con agua destilada (desionizada)

Vasos de precipitado (2) de 250 mL Solución amortiguadora de pH 4, 25 mL


Probeta de 100 mL Agua destilada (desionizada), 200 mL

Pipeta volumétrica o probeta de 10 mL Solución de ácido clorhídrico (HCl), 10mL1

Bureta de 50 mL Solución de ácido acético (HC2H3O2), 10 mL2

Soporte universal de laboratorio Solución de hidróxido de sodio (NaOH)

Pinza de ángulo recto estandarizada, 120 mL3

1 La solución de ácido clorhídrico (HCl) debe ser de aproximadamente 0,1 M. Para formular esta solución

con HCl concentrado (12 M) o diluido (6 M), consulte el apartado sobre Preparación del laboratorio. 2

La solución de ácido acético (HC2H3O2) debe ser de aproximadamente 0,1 M. Para formular esta solución

con ácido acético concentrado (glacial; 17,4 M) o ácido acético de 6 M, consulte el apartado sobre

Preparación del laboratorio.

3 La solución estandarizada de hidróxido de sodio (NaOH) debe ser de aproximadamente 0,1 M. Consulte el

apartado sobre Preparación del laboratorio para saber cómo crear y estandarizar la solución.



Ecuaciones químicas equilibradas

Concentración (molaridad)

Proporciones molares y cálculos estequiométricos

Propiedades de los ácidos y las bases

pH


309

Antecedentes

La valoración es un método cuantitativo que se utiliza frecuentemente en el laboratorio para

determinar la concentración de un reactivo. Se emplea un reactivo de concentración conocida,

llamado el valorante, para que reaccione con un volumen medido del otro reactivo, llamado el

analito. Debido a que las mediciones de volumen del analito y el valorante son factores clave en

este tipo de análisis, también se lo conoce como análisis volumétrico.

Al agregar una solución básica a una solución ácida de concentración desconocida, los iones

hidróxido de la solución básica reaccionan con los iones hidrógeno de la solución ácida para

formar agua neutra y una sal. El tipo de sal que se forma depende del ácido y de la base que se

utilicen. Este tipo de reacción se llama reacción de neutralización.

ácido + base → agua + sal

HY(aq) + XOH(aq) → H2O(l) + XY(aq)

HBr(aq) + KOH(aq) → H2O(l) + KBr(aq)

Debido a que el pH es una medida de la concentración de iones hidronio (H3O+), el pH cambiará a

medida que se agreguen más iones hidróxido (OH–). El punto en el cual la cantidad de moles de

iones hidróxido que se agregan es igual a la cantidad de moles de iones H3O+ presentes se

denomina punto de equivalencia. El punto de equivalencia puede determinarse sobre la base del

punto de mayor pendiente en una curva de valoración.

En este trabajo de laboratorio, los alumnos realizarán dos valoraciones. Una valoración incluye

un ácido fuerte y la otra un ácido débil. Es importante asegurarse de que los alumnos

comprendan que existe una diferencia entre la fuerza de un ácido y la concentración de un ácido.

La concentración de un ácido es simplemente la cantidad de moles de ácido por litro de solución.

Sin embargo, la fuerza de un ácido se refiere a la cantidad de disociación que se produce cuando

el ácido se coloca en agua. Dos ácidos pueden tener la misma concentración, por ejemplo 1 M,

pero el ácido fuerte tendrá un pH menor debido a que una mayor cantidad de sus moléculas se

disocian en iones en presencia de agua.

Los alumnos comienzan con la valoración de un ácido fuerte (ácido clorhídrico) con una base

fuerte (hidróxido de sodio) para formar agua y cloruro de sodio (sal común de mesa).

HCl(aq) + NaOH(aq) → H2O(l) + NaCl(aq)

Como segundo paso, los alumnos valoran un ácido débil (ácido acético) con una base fuerte

(hidróxido de sodio) para formar agua y acetato de sodio (una sal).

HC2H3O2(aq) + NaOH(aq) → H2O(l) + NaC2H3O2(aq)

Las curvas de valoración obtenidas (pH en comparación con el volumen de NaOH) muestran

distintos valores iniciales de pH entre el ácido fuerte y el débil, además de distintos valores de

pH en sus puntos de equivalencia. Los alumnos utilizan el volumen de la solución de NaOH en el

punto de equivalencia para determinar la cantidad de moles de NaOH necesarios para

neutralizar el ácido. Mediante la proporción de moles entre el NaOH y el ácido (en ambas

reacciones es de 1:1), los alumnos luego determinan la cantidad de moles de ácido. Al dividir los

moles de ácido por el volumen inicial de ácido, los alumnos pueden calcular la concentración

original del ácido.


310 PS-2947


La pecera y una concentración desconocida de HCl

Sostenga un matraz parcialmente lleno con una concentración desconocida de ácido clorhídrico (HCl).

El matraz debe estar etiquetado con el nombre HCl. Explíqueles a los alumnos que el docente de

biología vertió accidentalmente la mitad del contenido del matraz en la pecera de la clase y quiere saber

si los peces que están en ella podrán sobrevivir. Con este caso en mente, analicen los ácidos, las bases,

el pH y la concentración. En última instancia, el destino de los peces dependerá de la concentración de

HCl que se agregue y del grado hasta el cual el ácido disminuya el pH en la pecera. Pídales a los

alumnos que sugieran formas de garantizar la seguridad de los peces.

1. ¿Los peces sobrevivirán incluso al haber agregado ácido clorhídrico a la pecera?

Los peces podrían sobrevivir o no; depende del pH general que haya dentro de la pecera. El pH en la pecera

dependerá de la concentración de HCl que se haya agregado. El debate con los alumnos pueden incluir a la

lluvia ácida y si los peces pueden sobrevivir en condiciones acuáticas ácidas. Los alumnos deben llegar a la

conclusión de que los peces pueden vivir en condiciones levemente ácidas, pero morirán si el contenido ácido

supera un determinado límite.

2. ¿Qué sabe sobre los ácidos? ¿El HCl es un ácido fuerte o débil? ¿Esto tiene

importancia?

Los ácidos son sustancias que donan iones H+, lo cual provoca que la concentración de iones H3O

+ aumente al

disolverse en agua. El HCl es un ácido fuerte. Esto es importante porque los ácidos fuertes se disocian por

completo, lo cual produce una mayor cantidad de iones H3O+ y, por lo tanto, disminuye el pH.

3. ¿Qué es el pH y cómo se relaciona con los ácidos y los peces?

El pH es una medida de la concentración de iones H3O+. Los valores bajos de pH implican que existe una gran

concentración de iones H3O+. Los peces, al igual que la mayoría de los seres vivos, solo pueden sobrevivir con

determinados valores de pH. La mayoría de los peces puede sobrevivir cuando el pH del agua oscila entre 6 y 8.

Los peces tienden a morir en presencia de valores extremos (un pH superior a 10 o menor que 4).

4. ¿Hay algo que podamos hacer para contrarrestar el efecto del ácido y salvar a los

peces? ¿Por qué funcionaría su sugerencia?

Una opción sería agregar una base. Las bases son sustancias que aceptan iones H+. Estas sustancias reducen

la cantidad de iones H3O+ en una solución y aumentan el pH. Agregar una base neutralizaría el ácido y

mantendría el pH dentro de valores viables para la supervivencia de los peces. La cantidad de base que se

agrega es importante. Si se agrega demasiada base, el pH podría aumentar a un nivel que sería tan perjudicial

para los peces como un pH que se reduzca excesivamente al agregar un ácido.

Si bien agregar una base neutralizaría el ácido, toda reacción de neutralización siempre produce sal. Tanto los

peces de agua dulce como los de agua salada tienen limitaciones en cuanto a la cantidad de sal que pueden

soportar. Otra opción es diluir el ácido al incorporar agua dulce a la pecera. Agregar agua disminuiría la

concentración del ácido (misma cantidad de moles en un volumen mayor de agua) a un nivel en el que los

peces pueden sobrevivir, pero nunca lo neutralizaría por completo.

5. ¿Cómo podríamos determinar la concentración de iones H3O+ en esta (muestre el

matraz) solución de HCl? ¿Cómo ayudaría conocer la concentración?

La concentración de iones podría determinarse a partir del pH de la solución o al realizar una valoración (en este

trabajo se presenta la técnica cuantitativa de laboratorio). Conocer la concentración de ácido nos permitiría

determinar si debemos agregar una base para neutralizar la solución y, en ese caso, qué cantidad debemos

agregar.


311

Reacción de neutralización

Haga participar a los alumnos en un debate sobre las medidas de seguridad que se deben aplicar al

manipular y mezclar ácidos y bases fuertes. Explique que las propiedades de los ácidos y las bases se

anulan, o neutralizan, al mezclar las dos sustancias. Finalice el debate al pedirles a los alumnos que

expliquen una reacción de neutralización a nivel molecular. Luego, pídales que propongan ideas para

métodos que permitan saber si existe una misma cantidad de iones H3O+ y OH

–, si bien no podemos

observarlos.

6. ¿Qué sucede cuando un ácido HCl concentrado entra en contacto con la piel de

una persona? ¿Y cuando el hidróxido de sodio (NaOH) concentrado entra en contacto

con la piel?

Ambos ácidos y bases concentrados son corrosivos, por lo cual provocan quemaduras graves en la piel y daños

en la ropa.

7. ¿Qué sucedería al mezclar HCl y NaOH concentrados? ¿Qué productos se

formarían? ¿Sería seguro tocarlos?

HCl(aq) + NaOH(aq) → H2O(l) + NaCl(aq)

Mezclar soluciones concentradas produciría una gran cantidad de calor, posiblemente suficiente como para

hervir la solución. Hacer reaccionar al HCl con el NaOH produce agua y cloruro de sodio (sal común de mesa).

La sal de mesa y el agua son dos compuestos seguros que se consumen en forma diaria y pueden tocarse sin

problemas.

8. ¿Qué es una reacción de neutralización?

Una reacción de neutralización se produce cuando un ácido y una base reaccionan para formar agua y sal.

9. Describa una solución neutra a nivel molecular.

Una solución neutra tiene cantidades iguales de iones H3O+ y OH

–.

10. Al agregar NaOH al HCl, ¿cómo sabremos cuando se haya neutralizado la

solución?

Debido a que no podemos ver los iones H3O+ y OH

– individuales,

debemos agregar una sustancia de color (indicador) o utilizar algún

recurso tecnológico (sensor de pH) que nos ayude a determinar

cuándo las concentraciones son equivalentes.

Demostración de la valoración mediante fenolftaleína

Para realizar esta demostración con fenolftaleína, además de la

demostración adicional con el sensor de pH, prepare algunas

soluciones con anticipación. Asegúrese de adoptar las

precauciones que figuran en el siguiente apartado sobre

Preparación del laboratorio.

Prepare una solución de hidróxido de sodio con una

concentración aproximada de 1 M: Disuelva 4,0 g de hidróxido de

sodio en 100 mL de agua destilada.

Equipo tradicional de

valoración.

Analito: HCl

Valorante: NaOH


312 PS-2947

Prepare una solución de ácido clorhídrico con una concentración aproximada de 0,5 M: Diluya 4 mL de

12 M u 8 mL de 6 M de HCl para lograr un volumen final de 100 mL.

Obtenga una solución de fenolftaleína al 1% en etanol al 95% de un proveedor.

Demuestre una valoración tradicional ácido–base: Vierta 50,0 mL de la solución de HCl con una

concentración oculta en un vaso de precipitado. Agregue un imán de agitación y 2 o 3 gotas del

indicador fenolftaleína. Llene la bureta con la solución estandarizada de NaOH con la concentración

conocida. Registre la concentración de la solución estándar de NaOH y el volumen inicial. Abra la llave

de paso y permita que el líquido comience a gotear en el analito ácido. Explíqueles a los alumnos que la

fenolftaleína es incolora en condiciones ácidas y se vuelve fucsia brillante en condiciones básicas. Este

cambio de color ocurre en un pH cercano a 8.

Incolora Fucsia brillante

Color del indicador fenolftaleína en soluciones con los correspondientes valores de pH.

11. ¿Qué es una valoración y por qué se utiliza?

Una valoración es un método cuantitativo que se utiliza frecuentemente en el laboratorio para

determinar la concentración de un reactivo. Se emplea un reactivo de concentración conocida,

llamado el valorante, para que reaccione con un volumen medido del otro reactivo, llamado el

analito. Los volúmenes del valorante y del analito se registran cuidadosamente y se utilizan

junto con la concentración del valorante para determinar la concentración desconocida del

analito.

12. ¿Cuál es el punto de equivalencia en una valoración? ¿Cuál es su importancia?

El punto de equivalencia de una valoración es el punto en el cual se ha agregado suficiente solución estándar

como para que las concentraciones de iones H3O+ y OH

– sean iguales. El volumen de la solución estándar, la

concentración de la solución estándar, la proporción de moles de la ecuación química equilibrada y el volumen

del analito pueden utilizarse para calcular la concentración del analito.

13. Calcule la concentración de nuestra solución ácida desconocida.

Ejemplo de datos de una valoración

Concentración de la solución estándar de NaOH (M) 1,00

Volumen inicial de la solución de HCl (mL) 50,00

Volumen inicial de NaOH en la bureta (mL) 1,20

Volumen final de NaOH en la bureta (mL) 22,70


313

Ejemplos de cálculos para determinar la concentración

Volumen total de NaOH

utilizado (M) Volumen final de NaOH – Volumen inicial de NaOH = Volumen total

de NaOH

22,70 mL – 1,20 mL = 21,50 mL

Moles de NaOH en el

punto de equivalencia

(mol)

1,00 mol NaOH0,02150 L NaOH 0,02150 mol NaOH

1 L NaOH

Ecuación química

equilibrada

2NaOH(aq) + HCl(aq) NaCl(aq) + H O(l)

Moles de ácido en la

solución (mol)

1 mol HCl0.02150 mol NaOH 0,02150 mol HCl

1 mol NaOH

Concentración de la

solución ácida (mol/l) 0,02150 mol HCl

0,4300 M HCl0,05000 L HCl

14. ¿Qué es un indicador y por qué se utiliza?

Un indicador es una sustancia química que sufre un cambio de color distintivo con diferentes valores de pH. Los

indicadores se utilizan para ayudar a los químicos a "ver" los cambios que se producen a nivel molecular. En las

valoraciones, los indicadores se utilizan para identificar el punto de equivalencia (punto de valoración) de la

valoración.

Nota: En una valoración colorimétrica tradicional, algunas veces se utiliza el término punto de valoración en

lugar de punto de equivalencia. Los dos términos son similares, pero no quieren decir lo mismo. El punto de

valoración es el punto en el que la solución cambia de color e indica el fin de la valoración.

15. ¿Cuáles son algunas de las limitaciones de utilizar indicadores en las

valoraciones?

Es difícil saber exactamente cuándo se ha logrado el color rosa. Es fácil agregar demasiada solución estándar y

pasarse del punto de valoración. Cuando sucede esto, debe repetirse toda la valoración debido a que se ha

errado el punto de valoración y el volumen agregado de la solución estándar es incorrecto. Los indicadores no

pueden utilizarse con sustancias de color ni con reacciones que se produzcan en forma paulatina.


314 PS-2947

Demostración de la valoración con un sensor de pH

Muchas de las limitaciones de una valoración con un indicador pueden eliminarse al utilizar un

cuentagotas y un sensor de pH. (Consulte la imagen de la preparación en el apartado de Procedimiento).

Repita la valoración con un cuentagotas y un sensor de pH en lugar de fenolftaleína. Presente los datos

recolectados para que todos los alumnos puedan verlos. Una vez que la curva de valoración esté

completa, ayude a los alumnos a determinar el punto de equivalencia y analizar la forma de la curva de

valoración.

16. ¿Qué es un cuentagotas y por qué se utiliza en una valoración? ¿Cómo supera

algunas de las limitaciones de las valoraciones basadas en indicadores?

Un cuentagotas es exactamente lo que su nombre indica; cuenta la cantidad de gotas que pasan a través de él.

El volumen de cada gota puede determinarse al dividir el volumen del valorante utilizado por la cantidad total de

gotas que se utilizaron para llegar a ese volumen. Luego, puede emplearse un cálculo para convertir la cantidad

de gotas en el punto de equivalencia de una curva de valoración al volumen de valorante utilizado.

Este procedimiento elimina la necesidad de frenar la valoración exactamente en el punto de equivalencia, lo cual

puede ser complejo al utilizar un indicador. El procedimiento también puede llevarse a cabo para valoraciones

que no pueden emplear indicadores.

17. ¿Dónde se encuentra el punto de equivalencia en una curva de valoración?

El punto de equivalencia es donde la pendiente de la curva de valoración es más pronunciada. Para las

valoraciones ácido fuerte–base fuerte, esto tiene lugar en un pH igual a 7. Recuerde: un pH de 7 indica que las

concentraciones H3O+ y OH

– son iguales.

18. ¿Qué representa la pendiente de la curva de valoración?

La pendiente de la curva de valoración representa el cambio de pH por cada gota de NaOH (solución estándar).

19. Describa cómo cambia la pendiente de la curva de valoración a medida que

aumenta la cantidad de gotas (volumen).

Al principio, la pendiente de la curva de valoración es muy gradual. Se produce un cambio muy pequeño en el

pH con cada gota de NaOH que se agrega. En forma bastante repentina, la pendiente aumenta drásticamente,

lo cual indica que existe un gran cambio en el pH con cada gota de NaOH que se agrega. Luego, la pendiente

vuelve a decrecer y no se produce casi ningún cambio en el pH con cada gota de NaOH que se agrega.

20. Explique por qué existen cambios tan drásticos en la pendiente de una curva de

valoración.

Los cambios drásticos en la pendiente se deben a la naturaleza logarítmica de la escala de pH. Una escala

logarítmica abarca un amplio rango de valores (en este caso un amplio rango de concentraciones de iones

H3O+). Con valores bajos de pH, hay una gran cantidad de iones H3O

+; entonces, una gota cargada con una

cantidad fija de iones OH– produce un efecto muy leve sobre la cantidad total de iones H3O

+. Con valores más

altos de pH, hay menos iones H3O+. Al agregar una gota del mismo tamaño cargada con la misma cantidad fija

de iones OH–, se produce una diferencia mucho mayor en el pH.

Analogía de los minutos de telefonía celular

Utilice la siguiente analogía para ayudar a sus alumnos a comprender los cambios drásticos que se

producen en la pendiente de una curva de valoración:

Piensen en la forma en que muchas empresas de telefonía celular les cobran a sus clientes.

Generalmente, el cliente elige un programa que incluye una cantidad determinada de minutos por mes a

una tarifa plana. Si el cliente habla más minutos de los que le permite su plan, se le cobra cada minuto


315

adicional que habla. Por ejemplo, ustedes deciden comprar un plan de telefonía celular que les permite

utilizar 1000 minutos por mes. A los fines de esta analogía, supongan que cada llamada que ustedes

realizan dura 15 minutos. A principios del mes, realizar una llamada de 15 minutos no producirá casi

ningún cambio en la cantidad de minutos que les quedan porque tienen una gran cantidad de minutos

(15 ÷ 1000 × 100 = 1,5%). Sin embargo, hacia fin de mes, una llamada produce un impacto mucho mayor.

Si ustedes tienen 25 minutos restantes en su plan y realizan una llamada de 15 minutos, eso

repentinamente reduce sus minutos en más de la mitad (15 ÷ 25 × 100 = 60%).

En una valoración sucede lo mismo. Cada gota de solución de NaOH que se agrega agota (neutraliza) la

misma cantidad de H3O+, al igual que una llamada agota la misma cantidad de minutos. El efecto general

de una gota de NaOH depende del "banco" de iones H3O+ al que se agregue.

Utilice los siguientes gráficos para ilustrar la necesidad de utilizar la escala logarítmica de pH. El primer

gráfico es una representación lineal de la comparación de la concentración de iones H3O+ frente a las

gotas de NaOH; el segundo gráfico es una escala logarítmica (comparación del pH frente a las gotas de

NaOH).


316 PS-2947

21. Explique qué le sucede a la concentración de iones H3O+ al agregar gotas de NaOH.

La concentración de iones H3O+ disminuye a medida que se agregan gotas de NaOH.

22. ¿Por qué la concentración de iones H3O+ parece nivelarse a medida que se agregan

más y más gotas de NaOH? ¿Por qué esto es confuso?

La concentración de iones H3O+ es tan pequeña que parece ser igual a cero en esta escala. Esto es confuso

debido a que, a medida que se agregan las gotas, la concentración de iones H3O+ no es realmente cero y sigue

disminuyendo.

23. Explique cómo una escala logarítmica hace que sea mucho más sencillo distinguir

lo que sucede en concentraciones muy pequeñas de iones H3O+.

La escala logarítmica permite un rango de valores más amplio, lo cual facilita la comparación de números muy

pequeños, como por ejemplo cuando la cantidad de iones H3O+ e iones OH

– se vuelve la misma.



Cumpla con estos procedimientos de seguridad al comenzar sus preparativos:





Diluir ácidos genera calor. Tenga extremo cuidado al manipular soluciones recién preparadas y

objetos de vidrio, ya que podrían estar muy calientes.







a. Coloque un imán de agitación en un vaso de precipitado de 1000 mL y agregue

aproximadamente 500 mL de agua destilada.

b. Agregue lentamente 8,3 mL de HCl de 12 M al vaso de precipitado mientras lo agita

continuamente.

c. Deje enfriar la solución. Luego, vierta cuidadosamente la solución en un matraz




317



1000 mL.

b. Agregue 16,7 mL de HCl de 6 M al agua y diluya hasta la marca con agua destilada.

c. Tape el matraz e inviértalo tres veces con cuidado para que se mezcle por completo.

2. Prepare 1000 mL de ácido acético de 0,1 M a partir de ácido acético concentrado (glacial;

17,4 M) o diluido (6 M). Esto será suficiente para 100 grupos de laboratorio.

A partir de ácido acético concentrado (glacial; 17,4 M):



b. Agregue lentamente 5,7 mL de ácido acético de 17,4 M al vaso de precipitado

mientras lo agita continuamente.

c. Deje enfriar la solución. Luego, vierta cuidadosamente la solución en un matraz



A partir de ácido acético diluido (6 M):


1000 mL.

b. Agregue 16,7 mL de ácido acético de 6 M al agua y diluya hasta la marca con agua

destilada.


3. Prepare 1000 mL de hidróxido de sodio (NaOH) de 0,1 M. Esto será suficiente para 8 grupos

de laboratorio.



b. Agregue lentamente 4,0 g de NaOH sólido al vaso de precipitado; deje que se disuelva

por completo mientras lo agita continuamente.

c. Deje que la solución se enfríe. Luego, vierta cuidadosamente la solución en un matraz



e. La concentración exacta de solución de NaOH variará debido a la naturaleza

higroscópica (atrae agua del entorno circundante) del NaOH sólido. La solución de

NaOH absorberá dióxido de carbono del aire; esto producirá una pequeña cantidad de

ácido carbónico en la solución, lo cual neutralizará una pequeña parte del NaOH.

Para lograr mejores resultados, determine con precisión (estandarice) la

concentración de la solución de NaOH de 0,1 M al valorarla con bitartrato de potasio

(cremor tártaro), según se describe en el próximo paso. Indique a los alumnos la

molaridad real de la solución de NaOH.


318 PS-2947

4. Para estandarizar el NaOH con bitartrato de potasio (KHC4H4O6), siga los pasos a

continuación.

a. En un vaso de precipitado de 100 mL, disuelva una cantidad aproximada de 0,5 g de

bitartrato de potasio (registre la cantidad real) en exactamente 50 mL de agua

destilada.

b. Mediante un sensor de pH calibrado y un cuentagotas, encuentre el volumen de la

solución de NaOH de 0,1 M que se requiere para neutralizar la solución de bitartrato

de potasio.

c. Utilice el siguiente cálculo para hallar la concentración real de la solución de NaOH:

4 4 64 4 6 4 4 6

1 mol 1 mol NaOH 1gramos KHC H O

188,177 g KHC H O 1 mol KHC H O L NaOH anadido

Seguridad


El hidróxido de sodio, el ácido clorhídrico y el ácido acético son irritantes corrosivos. Evite el

contacto con los ojos y lávese las manos después de manipularlo.


drenaje.

Al mezclar ácidos con agua, siempre agregue el ácido al agua, no al revés, ya que las soluciones

pueden calentarse lo suficiente como para hervir.





Coloque 100 mL de

agua destilada y 10

mL de HCl en un

vaso de precipitado

de 250 mL y

colóquelo en el

agitador magnético

con el sensor de pH

en su lugar.

2

Arme el aparato de

valoración,

enjuáguelo y luego

llene la bureta con

la solución de

NaOH y calibre el

sensor de pH.

1

Escriba los

volúmenes iniciales

exactos de HCl y

NaOH y la

concentración

exacta de la

solución de NaOH.

Comience con la

recolección de

datos.

3

Limpie

completamente el

equipo y luego

repita el

procedimiento con

la solución de ácido

acético.

5

Deje que el NaOH

gotee en el vaso de

precipitado hasta

lograr un pH de 12.

Cierre la llave de

paso y detenga la

recolección de

datos. Registre el

volumen final de

NaOH.

4


319




Preparación


2. Conecte un sensor de pH al sistema de recolección de datos.




4. Con los términos "exactitud" y "precisión", explique por qué es necesario calibrar el

sensor de pH.

Un sensor de pH debe calibrarse para asegurar resultados exactos. Un sensor de pH sin calibrar arrojará

resultados precisos, pero podrían no ser exactos.

5. Conecte un cuentagotas al sistema de recolección de datos.

6. Represente la comparación del pH frente a la cantidad de gotas (gotas) en un gráfico.

7. Arme el aparato de valoración

siguiendo estos pasos y la

ilustración como guía.

a. Arme el soporte universal

de laboratorio.

b. Coloque el agitador

magnético sobre (o cerca

de) la base del soporte

universal de laboratorio.

c. Coloque un recipiente para

desechos sobre el agitador

magnético.

d. Utilice la pinza de bureta

para conectar la bureta al

soporte universal de

laboratorio.

e. Coloque el cuentagotas sobre el recipiente de desechos y sujételo al soporte universal

de laboratorio con la pinza de ángulo recto.

f. Pase el sensor de pH por uno de los orificios del cuentagotas.

Soporte universal de laboratorio

Bureta

Pinza de bureta

Agitador magnético

Sensor de pH

Cuentagotas


320 PS-2947

8. Enjuague la bureta con varios mililitros de la solución estandarizada de NaOH. Realice lo

siguiente para completar este paso.

a. Asegúrese de que la llave de paso esté cerrada y utilice una pipeta de transferencia

para enjuagar el interior de la bureta con varios mililitros de la solución

estandarizada de NaOH.

b. Abra la llave de paso de la bureta y drene el NaOH utilizado para enjuagar en el

recipiente para desechos.

c. Repita este proceso dos veces más.

9. ¿Por qué es necesario enjuagar la bureta con la solución estandarizada de NaOH?

Si queda algún residuo o acumulación de agua en la bureta, diluirá el NaOH y cambiará su concentración. Al

enjuagarla, se elimina dicha contaminación.

10. Asegúrese de que la llave de paso de la bureta esté en la posición de "cerrada" y luego

utilice un embudo para llenar la bureta con aproximadamente 50 mL de solución

estandarizada de NaOH (valorante).

11. Drene una pequeña cantidad del valorante en el vaso de desechos a través del

cuentagotas para eliminar el aire de la punta de la bureta.

12. ¿Por qué es importante eliminar el aire de la punta de la bureta?

El aire atrapado en la punta de la bureta se contabiliza como volumen de NaOH. Si esto sucede, la cantidad

final de valorante será inexacta.

13. Practique ajustar la llave de paso en la bureta para que el valorante pase a través del

cuentagotas en gotas perceptibles que caigan a una velocidad aproximada de 2 a 3 gotas

por segundo.

Nota: Es importante lograr un buen control de la llave de paso. Si por accidente abre demasiado la llave de

paso y el NaOH cae a chorros (y no en gotas), deberá comenzar de nuevo.

14. ¿Por qué será necesario comenzar la valoración de nuevo si accidentalmente deja que el

valorante caiga a chorros de la llave de paso en lugar de hacerlo en gotas?

El cuentagotas cuenta gotas perceptibles. Si las gotas no son lo suficientemente diferenciables entre sí, este no

funcionará de forma correcta y el volumen de líquido no será exacto.


321

15. Cierre la llave de paso y luego retire el recipiente de desechos.

Recolección de datos

Tabla 1: Datos de valoración

Medición Prueba con

ácido

clorhídrico

(HCl)

Prueba con

ácido acético

(HC2H3O2)

Concentración de la solución estándar de

NaOH (M)

0,098 0,098

Volumen de ácido utilizado (mL) 10,0 10,0

Volumen inicial de NaOH en la bureta (mL) 0,21 0,55

Volumen final de NaOH en la bureta (mL) 29,46 17,55

16. Registre la concentración de la solución estandarizada de NaOH en la Tabla 1 que figura

más arriba (Prueba con HCl).

17. Con la probeta de 100 mL, mida 100 mL de agua destilada y viértalos en un vaso de


18. Con la probeta de 10 mL o una pipeta volumétrica de 10 mL, mida 10 mL de HCl y

agréguelos a los 100 mL de agua destilada.

Advertencia:Siempre agregue el ácido al agua.

19. Registre el volumen exacto de ácido utilizado en la Tabla 1 que figura más arriba (Prueba

con HCl).

20. Conecte el microimán de agitación al extremo del sensor de pH.

21. Coloque el vaso de precipitado de 250 mL sobre el agitador magnético con el sensor de pH

sumergido en la solución ácida.

Sensor de pH

Microimán de agitación


322 PS-2947

22. Asegúrese de que el extremo bulboso del sensor de pH se encuentre completamente

sumergido; luego encienda el agitador magnético y comience a agitar a una velocidad

entre lenta y media.

23. ¿Por qué es necesario agitar la solución durante una valoración?

Agitar enérgicamente mezcla los iones de la solución para que el pH registrado sea el de toda la solución.

24. Determine el volumen inicial del valorante (solución de NaOH) en la bureta a una

precisión de 0,01 mL y registre esta información en la columna HCl de la Tabla 1.


26. Abra con cuidado la llave de paso de la bureta para que caigan 2 o 3 gotas por segundo.

27. Continúe con la recolección de datos hasta que el valor del pH llegue a 12. Si es

necesario, modifique la escala de los ejes para poder observar los cambios que se

producen.

28. ¿Qué sustancias se forman en el vaso de precipitado? ¿Qué tipo de reacción se produce?

Se forma una sal (cloruro de sodio, NaCl) y agua. La reacción es una reacción de neutralización.

29. Anote la reacción química que se produce en el vaso de precipitado.

NaOH(aq) + HCl(aq) → H2O(l) + NaCl(aq)

30. Cierre la llave de paso cuando el pH de la solución llegue a 12.


32. Asigne el nombre "HCl" a la serie de datos.

33. Determine el volumen final del valorante en la bureta y registre el volumen a 0,01 mL en

la columna HCl de la Tabla 1.

34. Apague el agitador magnético.

35. Retire el vaso de precipitado y deseche su contenido conforme a las indicaciones del

docente.

36. Coloque el recipiente para desechos debajo del sensor de pH y utilice la piseta para

limpiar completamente el microimán de agitación y el sensor de pH.

37. Deseche este contenido conforme a las indicaciones del docente.


323

38. Realice una valoración del ácido acético al repetir los pasos de los apartados de

Preparación y Recolección de datos, pero esta vez sustituya el ácido acético. Tenga en

cuenta las siguientes diferencias al repetir los pasos:

Registre los datos recolectados en la columna de ácido acético de la Tabla 1 más arriba.

Utilice 10 mL de ácido acético.

Asigne el nombre "Ácido acético" a la serie de datos.

39. Guarde su archivo de datos y limpie conforme a las indicaciones del docente.

Ejemplo de Datos

Prueba con Ácido Clorhídrico

Prueba con Ácido Acético


324 PS-2947

Análisis de Datos

1. Determine el volumen total de NaOH utilizado en cada valoración. Registre el volumen

total utilizado en la Tabla 2.

Volumen total de NaOH utilizado = Volumen final de NaOH – Volumen inicial de NaOH

Tabla 2: Volumen de NaOH utilizado en cada valoración

Prueba con HCl

(gotas)

Prueba con

HC2H3O2

(gotas)

Volumen final de NaOH (mL) 29,46 17,55

Volumen inicial de NaOH (mL) 0,21 0,55

Volumen total de NaOH utilizado (mL) 29,25 17,00

2. Utilice el gráfico de comparación del pH frente a la cantidad de gotas (gotas) para

determinar la cantidad total de gotas que utilizó en cada prueba. Siga los pasos a

continuación para completar esta información en su sistema de recolección de datos.


b. Determine la cantidad final de gotas al hallar las coordenadas del último punto de

datos recolectado.

c. Registre la cantidad final de gotas para cada prueba en la Tabla 3 a continuación.

Tabla 3: Cantidad final de gotas al final de cada valoración

Prueba con HCl Prueba con

HC2H3O2

Cantidad final de gotas 643 360

3. Genere un cálculo para convertir la cantidad de gotas a volumen (mL) para cada prueba.

Siga los pasos a continuación para hacer esto en su sistema de recolección de datos.

a. Anote la ecuación matemática que puede utilizar para convertir la cantidad de gotas

a volumen. A continuación se ofrece la ecuación general, pero debe reemplazar

"volumen total de valorante utilizado" y "cantidad final de gotas" con los valores

numéricos que determinó anteriormente. Anote la ecuación matemática para cada

prueba en la Tabla 4 a continuación.

Volumen total detitulante utilizadoVolumen calculado Recuento de Gotas

Recuento final de gotas

Nota: En la ecuación anterior, "volumencalc" significa volumen calculado. Tendrá un cálculo diferente para cada

prueba, por lo cual los dos volúmenes calculados deben tener diferentes nombres.


325

b. Ingrese en el sistema de recolección de datos las ecuaciones que generó

anteriormente.

Tabla 4: Cálculos para convertir la cantidad de gotas de NaOH a volúmenes

Ecuación matemática para la prueba con HCl:

Recuento de Gotas 29,25 / 643 volumencalchcl

Ecuación matemática para la prueba con HC2H3O2:

= Recuento de Gotas 17,00 / 360 volumencalcacético

4. Determine el pH y el volumen de NaOH en el punto de equivalencia para cada prueba.

Siga los pasos a continuación para hacer esto en su sistema de recolección de datos.

a. Cambie las unidades del eje X al volumen calculado para la serie de datos que desea

analizar.

b. Presente la serie de datos que desea analizar.

c. Halle las coordenadas del punto de equivalencia. El punto de equivalencia es el dato

que tiene la pendiente más pronunciada.

d. Registre el pH y el volumen de NaOH en el punto de equivalencia en la Tabla 5.

Tabla 5: pH en el punto de equivalencia y volumen de NaOH utilizado para llegar al punto de equivalencia

Prueba con HCl Prueba con

HC2H3O2

pH en el punto de equivalencia 6,1 7,6

Volumen de NaOH en el punto de equivalencia

(mL) 10,6 9,94

5. Calcule la concentración molar de cada una de las soluciones ácidas. Utilice los siguientes

pasos como guía y registre su trabajo para cada paso en las tablas que se ofrecen para tal

fin.

a. Con el volumen de NaOH en el punto de equivalencia y la molaridad de la solución

estandarizada de NaOH, determine la cantidad de moles de NaOH que se agregaron.

b. Convierta los moles de NaOH a moles de ácido utilizando la ecuación química

equilibrada.

c. Utilice los moles de ácido y el volumen inicial de ácido para determinar la molaridad

del ácido.


326 PS-2947

Tabla 6: Cálculo de la concentración molar de la solución de ácido clorhídrico (HCl)

Nombre del cálculo Prueba con HCl

Refleje su trabajo a continuación

Moles de NaOH en el punto

de equivalencia (mol)

0,098 mol NaOH0,0106 L NaOH 0,0010 mol

1 L NaOH

Ecuación química

equilibrada

2NaOH(aq) + HCl(aq) H O(l) + NaCl(aq)


solución (mol)

1 mol HCl0,0010 mol NaOH = 0,0010 mol HCl

1 mol NaOH


solución ácida (M)

0,0010 mol HCl0,10 M HCl

0,0100 L HCl

Tabla 7: Cálculo de la concentración molar de la solución de ácido acético (HC2H3O2)

Nombre del cálculo Prueba con ácido acético

Refleje su trabajo a continuación

Moles de NaOH en el punto

de equivalencia (mol) -40.098 mol NaOH(0.00994 L NaOH) = 9.7 x 10 mol

1 L NaOH

Ecuación química

equilibrada

2 3 2 2 2 3 2NaOH(aq) + HC H O (aq) H O(l) + NaC H O (aq)


solución (mol)

4 42 3 22 3 2

1mol HC H O(9,7 10 mol NaOH) 9,7 10 mol HC H O

1mol NaOH


solución ácida (M)

42 3 2

2 3 2

2 3 2

9,7 10 mol HC H O= 0,097 M HC H O

0,0100 L HC H O

6. En su sistema de recolección de datos, cree un gráfico de comparación del pH frente al

volumen de NaOH (mL) con ambas series de datos mostradas en el mismo conjunto de

ejes.

Nota: Utilice cualquiera de los volúmenes calculados en el eje Y. Este gráfico solo tiene fines comparativos.


327

7. Dibuje o imprima una copia del gráfico de comparación del pH frente al volumen de

NaOH (mL) con ambas series de datos mostradas en un conjunto de ejes. Asigne una

etiqueta a cada serie de datos y el gráfico en general, el eje X, el eje Y, e incluya números

en los ejes.


1. ¿Cuál es la importancia del punto de la curva de valoración en el que la pendiente

es más pronunciada?

El punto en el que la pendiente es más pronunciada marca el punto de equivalencia. El punto de equivalencia es

importante porque es el punto de la valoración en el que, en este caso, la cantidad de base agregada es igual (o

muy cercana) a la cantidad de ácido que estaba presente originalmente.

2. ¿Qué tendencia pudo observar, si la hubo, en la pendiente de la curva de

valoración entre el inicio de la valoración y el punto de equivalencia? Proponga una

explicación para cualquier tendencia que haya podido observar.

La pendiente comenzó siendo muy leve y se tornó más pronunciada a medida que la valoración se acercaba al

punto de equivalencia. Esto se debe a que cada gota de valorante que se agregó suministró una cantidad casi

equivalente de NaOH para reaccionar con el ácido en el vaso de precipitado. En las etapas iniciales de la

valoración, la cantidad de ácido que reaccionó con el NaOH en la gota era pequeña en comparación con la

cantidad total de ácido presente, por lo cual el pH no aumentó mucho. Sin embargo, a medida que nos

acercábamos al punto de equivalencia, cada cantidad de ácido que reaccionó con el NaOH de una gota era una

parte mucho mayor del ácido presente, por lo cual el pH aumentó más rápidamente y produjo una pendiente

más pronunciada.


328 PS-2947

3. ¿Qué tendencia pudo observar, si la hubo, en la pendiente de la curva de

valoración entre el punto de equivalencia y el punto en el que se detuvo la valoración?

Proponga una explicación para la tendencia que haya podido observar.

Nuevamente, cada gota agregaba (casi) la misma cantidad de NaOH al vaso de precipitado. Cerca del punto de

equivalencia, no había mucho NaOH presente, por lo cual cada gota que se agregaba aumentaba la cantidad de

NaOH presente en un grado mucho mayor que en las etapas finales de la valoración. Por lo tanto, el pH

aumentó rápidamente. A medida que se incorporaba más NaOH al vaso de precipitado, cada gota aportaba

menos NaOH con relación a la cantidad presente, entonces el pH no aumentó tan rápidamente. Por este motivo

la pendiente de la curva se niveló a medida que avanzaba la valoración.

4. ¿Cuál es la probabilidad de que la concentración de ácido y base sea exactamente

la misma en el punto de equivalencia que se determinó en el experimento? Explique

su razonamiento.

Es muy improbable que un punto de equivalencia determinado durante un experimento tenga exactamente la

misma cantidad de base que de ácido. Esto se debe a que la menor cantidad de base que puede agregarse al

ácido es una gota. Todo el NaOH en la gota que se agregó para llegar al punto con la pendiente más

pronunciada puede no haber sido necesario para reaccionar con la última cantidad de ácido necesaria para

lograr una cantidad equivalente de cada sustancia.

5. ¿Qué diferencia, si la hubo, observó entre el inicio de la valoración y el punto de

equivalencia en las curvas de valoración de los dos ácidos? Explique las diferencias

que pueda haber. (Puede suponer que las concentraciones de las dos soluciones ácidas

son las mismas).

El pH de la solución de ácido acético comienza siendo alto y permanece de esa forma durante la valoración

hasta llegar al punto de equivalencia. Esto se debe a que el ácido acético es un ácido débil y no se disocia

completamente en el agua. Por lo tanto, la cantidad de iones hidronio presente en la solución es más baja y, en

consecuencia, el pH es mayor.

6. ¿Cuál es la diferencia en el pH en los puntos de equivalencia entre los dos ácidos?

Explique.

El pH en el punto de equivalencia de la valoración del HCl es muy cercano a 7, mientras que el pH en el punto

de equivalencia de la valoración del ácido acético es mayor que 7. Esto se debe a que, al valorar el HCl con

NaOH, las únicas especies presentes en el punto de equivalencia son el agua y el cloruro de sodio, ninguna de

las cuales provocaría que el pH difiera del que tiene el agua pura.

Sin embargo, en el punto de equivalencia del ácido acético, las especies presentes en la solución son acetato

de sodio y agua. El ion acetato es una base y reacciona con el agua:

C2H3O2–(aq) + H2O(l) → HC2H3O2(aq) + OH

–(aq)

El ion hidróxido que se produce provoca que el pH sea mayor que 7.



1. ¿Cómo puede determinarse la concentración de una solución desconocida de

hidróxido de sodio?

Realice una valoración con una concentración conocida de un ácido conocido, p. ej. HCl de 0,1 M, como

valorante.


329

2. Dibuje a continuación las curvas de valoración para un ácido fuerte (HCl), un

ácido débil (ácido acético) y un ácido que sea más débil que el ácido acético. Asigne

una etiqueta a la curva para cada ácido y el gráfico en general, el eje X, el eje Y, e

incluya números en los ejes.

3. Explique la diferencia entre la fuerza y la concentración de una solución ácida.

La fuerza de una solución ácida se refiere al grado de disociación que experimenta el ion hidrógeno. Sin

embargo, la concentración se refiere a la cantidad total de moléculas de ácido, independientemente de si estas

se disocian o no.



incompletos.

1. Para la valoración de un ácido con una base, el pH comenzará siendo __________ y

terminará siendo _________.

A. bajo; bajo

B. alto; bajo

C. bajo; alto

D. alto; alto

2. En una curva de valoración, el punto de equivalencia es:

A. El punto con la menor pendiente

B. El punto con la mayor pendiente

C. El punto con una pendiente igual a cero

D. Cuando el pH es igual a cero


330 PS-2947

3. Si aumentara la concentración de iones hidronio en una solución acuosa, ¿qué

sucedería con la concentración de iones hidróxido y el pH de la solución?

A. Aumentaría la concentración de iones hidróxido; disminuiría el pH.

B. Disminuiría la concentración de iones hidróxido; aumentaría el pH.

C. Disminuiría la concentración de iones hidróxido; disminuiría el pH.

D. Aumentaría la concentración de iones hidróxido; aumentaría el pH.

4. ¿Cómo se llama la reacción entre un ácido y una base?

A. Reacción de pH

B. Reacción de valoración

C. Curva en forma de S

D. Reacción de neutralización

5. ¿Para qué se realizan las valoraciones?

A. Para determinar la concentración de soluciones conocidas.

B. Para determinar el pH de soluciones conocidas.

C. Para determinar el tipo de moléculas de una solución.

D. Para diferenciar un ácido de una base.



palabra clave.

1. Las reacciones entre un ácido y una base son extremadamente importantes y están presentes

en muchas áreas, desde la lluvia ácida hasta la composición química de la sangre. Un ácido es

una sustancia que, al disolverse en agua, provoca que aumente la concentración de iones

hidronio (H3O+) y disminuya la concentración de iones hidróxido (OH

–). Una base hace

exactamente lo contrario. Una solución con concentraciones iguales de iones H3O+ e iones OH

– se

denomina neutra. Una solución que contiene más iones H3O+ que iones OH

– se considera ácida

y tiene un pH menor que 7. Una solución que contiene menos iones H3O+ que iones OH

– se

considera básica y tiene un pH mayor que 7. Cuando un ácido y una base reaccionan, forman

agua y sal. Esto se denomina reacción de neutralización.


331

2. Una valoración es un método cuantitativo que se utiliza frecuentemente en el laboratorio

para determinar la concentración de un reactivo. Se agrega un reactivo de concentración

conocida, llamado el valorante, a un volumen conocido de un segundo reactivo, llamado el

analito. Durante la preparación de una valoración, se coloca el valorante en la bureta y el

analito en el vaso de precipitado. A medida que se agrega el valorante al analito, el pH de la

solución del vaso de precipitado cambia al mismo tiempo que lo hace la proporción de iones H3O+

e iones OH–. El punto de la valoración en el cual la cantidad de valorante agregado reacciona

exactamente con la misma cantidad de analito presente se conoce como punto de equivalencia.

En una curva de valoración, el punto de equivalencia puede identificarse como el punto que tiene

la pendiente más pronunciada. El volumen del valorante agregado se multiplica por la

molaridad del valorante para determinar la cantidad de moles presentes en el valorante. La

cantidad de moles del analito puede determinarse utilizando la proporción de moles entre los

reactivos, según lo indica la ecuación química equilibrada. Finalmente, la cantidad de moles del

analito se divide por el volumen inicial del analito para determinar la concentración del analito.


Determine el porcentaje de ácido acético en una muestra comercial de vinagre.

Pídales a los alumnos que bosquejen, o realicen, la valoración de un ácido poliprótico con una

base fuerte o de una base polibásica con un ácido fuerte.

Investigue las causas y efectos de la lluvia ácida.

Recolecte muestras de agua de los ríos o lagos locales y evalúe el contenido ácido/base.

Investigue la eficacia de distintos antiácidos para neutralizar el ácido estomacal mediante la

técnica de "valoración inversa".

Investigue el contenido ácido de distintos jugos de frutas.

333

Ciencias Ambientales


335

Batería Electroquímica: Energía de los Electrones

Objetivos

Colocar de forma experimental reactivos metálicos en su orden correcto en la tabla de potenciales

normales de electrodo. Mediante esta investigación, los alumnos:

describen la electricidad como el flujo de electrones;

aprenden que algunos metales forman iones de manera más sencilla que otros y que la

facilidad con la que se forman los iones determina la cantidad de energía que estos pueden

producir;

aprenden que las pilas electroquímicas (celdas fotovoltaicas, pilas) producen energía utilizable

al separar dos mitades de una reacción química espontánea en la que los productos tienen una

energía potencial menor que los reactivos;

aprenden que una pila electroquímica contiene dos metales diferentes, un camino para el

movimiento de iones y una solución de electrolitos.



Construcción de pilas electroquímicas con soluciones de electrolitos, cables y distintos

electrodos metálicos.

Medición del voltaje que se produce en una pila electroquímica al utilizar diferentes metales

como ánodo y cobre como cátodo.






336 PS-2947



Sistema de recolección de datos Cloruro de sodio (NaCl) de 0,1 M; 5 a 10 mL1

Sensor de voltaje Ácido clorhídrico (HCl)de 0,1 M; 50 mL2

Probeta de 50 mL Tira de cobre3

Vasos de precipitado (2) de 50 mL Tira de zinc3

Pinza de caimán (2), 1 negra y 1 roja Tira de magnesio3

Piseta y recipiente para desechos Tira de níquel3

Cuerda o lana gruesas, 20 cm Tira de hierro3

Cuchillo para cortar fruta Limón4

Toallas de papel Tomate5

1 Para formular la solución con sal de mesa (cloruro de sodio, NaCl), consulte el apartado sobre Preparación

del laboratorio. 2

Para formular la solución con ácido clorhídrico (HCl) concentrado (12 M) o diluido (6 M), consulte el

apartado sobre Preparación del laboratorio. 3

Consulte el apartado sobre Preparación del laboratorio para obtener ideas sobre dónde conseguir los

electrodos metálicos. 4

Cualquier fruta cítrica puede reemplazar al limón. 5

El tomate puede reemplazarse con una manzana, un kiwi o una papa.



Modelo atómico de Bohr

Energía cinética y potencial

Soluciones electrolíticas

Ley de conservación de la materia

Capas de valencia

Formación de iones

Antecedentes

Todos los tipos de trabajo requieren el aporte de algún tipo de energía. La energía puede

clasificarse como cinética o potencial. La energía cinética es energía en movimiento e incluye la

luz, el sonido, el movimiento, el calor y la electricidad. La energía potencial es energía

almacenada que aún no se ha liberado como energía cinética.

En química, la energía se almacena en las uniones entre los átomos. Estas uniones se forman

debido a las tendencias de los átomos de sumar o restar electrones. Los únicos átomos que no

tienden a unirse son los de los gases inertes. Estos átomos no se unen debido a que sus electrones

ya están organizados en una configuración con baja energía potencial y, por lo tanto, son muy

estables. La baja energía potencial, y la estabilidad resultante, proviene de la capa de energía

más externa (capa de valencia).


337

Todos los demás elementos pueden disminuir su energía potencial al completar los electrones de

su capa de valencia. Los átomos no metálicos pueden disminuir su energía potencial y tornarse

más estables al sumar electrones para completar su capa de valencia.

Por otro lado, los átomos metálicos deben restar electrones para contar con un nivel externo de

energía completo y, por lo tanto, disminuir su energía potencial para tornarse más estables.

Una pila electroquímica (celda fotovoltaica) está diseñada para sacar provecho de las tendencias

relativas de los metales a perder electrones. Estos electrones perdidos deben obedecer la ley de

conservación de la materia e irse a otro lado. Sin embargo, la transferencia de electrones de un

átomo a otro se conoce como reacción de "reducción–oxidación". Esta es una combinación de dos

"mitades de reacciones" distintas que siempre se producen juntas: la mitad de una reacción de

"oxidación" en la que un reactivo pierde electrones y la mitad de una reacción de "reducción" en

la que otro reactivo gana electrones. (Existen algunas reglas mnemotécnicas en inglés, entre

ellas "oil rig" [Oxidation Is a Loss of electrons] (la oxidación es una pérdida de electrones ,

[Reduction Is a Gain of electrons] la reducción es una ganancia de electrones ) y "Leo the Lion

goes ger" (la pérdida de electrones es la oxidación [Loss of Electrons is Oxidation], la ganancia de

electrones es la reducción [Gain of Electrons is Reduction]).

Zn(s) → Zn2+

(aq) + 2e– (mitad de reacción de oxidación)

Cu2+(aq) + 2e– → Cu(s) (mitad de reacción de reducción)

Zn(s) + Cu2+

(aq) → Zn2+

(aq) + Cu(s) (reacción general de reducción–oxidación)

El metal en una reacción de reducción–oxidación suma o resta electrones en función de su

potencial de oxidación relativo al otro reactivo. Un listado de potenciales de reducción de

electrodos clasifica los elementos con base en sus tendencias de sumar electrones; los primeros

del listado sumarán electrones de forma espontánea de los últimos del listado.

Átomo no metálico que forma un ión

Átomo Cl (17 e–) Ión Cl (18 e

–)

+ e– Cl Cl

–

Átomo Na (11 e–) Ión Na+ (10 e

–)

Átomo metálico que forma un ión

+ e– Na+ Na


338 PS-2947

Potenciales normales de reducción en una solución acuosa a 25 °C

Mitad de reacción de reducción Eɵ (V)

F2(g) + 2e– ⇌ 2F

–(aq) +2,87

Au3+

(aq) + 3e– ⇌ Au(s) +1,50

Ag+(aq) + e

– ⇌ Ag(s) +0,80

Cu2+

(aq) + 2e– ⇌ Cu(s) +0,34

2H3O+(aq) + 2e

– ⇌ H2(g) + 2H2O(l) 0,00

Sn2+

(aq) + 2e– ⇌ Sn (s) –0,14

Ni2+

(aq) + 2e– ⇌ Ni(s) –0,25

Fe2+

(aq) + 2e– ⇌ Fe(s) –0,44

Zn2+

(aq) + 2e– ⇌ Zn(s) –0,76

Al3+

(aq) + 3e– ⇌ Al(s) –1,66

Mg2+

(aq) + 2e– ⇌ Mg(s) –2,37

Na+(aq) + e

– ⇌ Na(s) –2,71

K+(aq) + e

– ⇌ K(s) –2,93

Por ejemplo, si comparamos el zinc y el cobre, este último tiene el mayor potencial de reducción

del listado y sumará electrones del zinc. Sin embargo, si comparamos el zinc y el magnesio, el

primero tiene el mayor potencial de reducción y, por lo tanto, sumará electrones del magnesio.

Una pila electroquímica fuerza a los electrones que se transfieren de un metal a otro a recorrer

un circuito. Luego, la pila electroquímica utiliza estos electrones en circulación (corriente

eléctrica) para realizar el trabajo; cuanto mayor es el flujo de electrones, mayor es el amperaje.

El voltaje que produce la pila electroquímica depende de los metales que se utilicen. Los metales

que se encuentran más alejados en la tabla de potenciales de reducción de electrodos tendrán

mayores diferencias en el potencial electroquímico. Este potencial electroquímico se mide como

voltaje (V).


339

Una pila electroquímica separa físicamente las dos mitades de reacciones y las une mediante un

cable conductor que permite que los electrones fluyan de un metal a otro. Las mitades de

reacciones también se unen mediante un puente salino que permite que los iones fluyan entre las

celdas para equilibrar las cargas y completar el circuito. En las pilas electroquímicas, la

reducción se produce en el polo positivo (el electrodo que suma electrones: cátodo) y la oxidación

se produce en el polo negativo (el electrodo que resta electrones: ánodo).

Una pila electroquímica (celda fotovoltaica) fabricada con electrodos de zinc y cobre.

En una pila seca, las dos celdas están divididas por un separador de membrana de papel no

conductor, semipermeable.

Zn2+

2e– restados

por cada átomo de Zn oxidado

Cu2+

2e– sumados

por cada ión Cu

2+

reducido

Ánodo (–) Cátodo (+)

Zn2+

Cu2+

Puente salino Na+ Cl

–

Voltímetro


340 PS-2947


Energía

Fomente la participación de sus alumnos en un debate sobre la importancia de la energía en sus vidas y

en nuestro mundo. Pídales que definan la energía, que diferencien la energía cinética de la energía

potencial, que brinden ejemplos de diferentes formas de energía y que expliquen la ley de conservación

de la energía.

1. ¿Qué es la energía? ¿Cuál es la importancia de la energía en su vida y en nuestro

mundo?

La energía es necesaria para efectuar acciones (empujar o tirar un objeto una determinada distancia). La

energía es necesaria para que los humanos puedan vivir y se utiliza para que la vida sea más sencilla

(transporte, luz, lavadoras) y más agradable (teléfonos celulares, reproductores de MP3, televisores).

2. ¿Cuáles son las dos clasificaciones principales de la energía y en qué se

diferencian?

Las dos clasificaciones de la energía son la energía cinética y la energía potencial. La energía cinética es

energía en movimiento. Es la energía que nos permite hacer las cosas. La energía potencial se relaciona con la

posición y es energía almacenada.

3. Nombre varios ejemplos de energía cinética.

Una pelota que vuela por el aire, un automóvil que se mueve por la calle y una persona que corre son ejemplos

de energía cinética. Los átomos y las moléculas también exhiben energía cinética al vibrar, rotar o moverse por

el espacio.

4. Nombre varios ejemplos de energía potencial.

Una pelota inmóvil en un estante, una roca al borde de un precipicio, una flecha que se retrae en un arco y un

resorte comprimido son ejemplos de energía potencial. A nivel molecular, la energía está almacenada en las

uniones químicas que mantienen unidos a los átomos.

5. ¿Qué establece la ley de conservación de la energía?

La ley de conservación de la energía establece que la energía no se puede crear ni destruir. Cuando se utiliza la

energía, esta cambia de una forma a otra.

6. ¿Cuáles son las diferentes formas de energía cinética?

La energía potencial puede liberarse como energía cinética y observarse en forma de luz, sonido, electricidad,

calor y movimiento.

Pilas

Muestre algunos ejemplos de pilas y baterías, tales como una batería de teléfono celular y una pila AA.

Fomente la participación de los alumnos en un debate sobre por qué utilizamos las pilas y de dónde

proviene la energía. Repase términos clave tales como la potencia, la energía y el voltaje. Muéstreles a

los alumnos cómo utilizar un sensor de voltaje para probar una pila al colocar los cables en cada

extremo de la pila. Finalice el debate al analizar los tipos de energía y las transformaciones energéticas

que se producen en las pilas.


341

7. ¿Por qué utilizamos las pilas?

Utilizamos las pilas para brindarle potencia a las cosas. La potencia es energía por unidad de tiempo y se mide

en watts (1 W = 1 J/s). Las pilas suministran energía eléctrica (electricidad) y esta realiza el trabajo que

deseamos, como hacer funcionar nuestros teléfonos celulares o encender un motor.

8. Existen muchos tipos de pilas distintos. ¿En qué difieren las pilas que ha utilizado?

Existen muchos tipos de pilas distintos; tienen distintos tamaños, formas, voltajes, vidas útiles y algunas son

reutilizables (recargables).

9. Existen muchos tipos y tamaños de pilas distintos, pero ¿qué tienen en común

todas las pilas?

Todas las pilas tienen un extremo "positivo" (cátodo) y otro "negativo" (ánodo) y producen electricidad al

conectar los polos.

10. ¿Cómo puedo determinar si la pila aún "sirve"?

Utilice un sensor de voltaje para medir el voltaje. Si el voltaje es igual a lo que se indica en la pila, entonces la

pila todavía tiene carga. Si el voltaje es menor que lo que se indica en la pila, entonces es posible que la pila ya

no sirva.

11. ¿Qué es el voltaje?

El voltaje mide la energía por unidad de carga. Proviene de la diferencia en el potencial entre un electrodo y el

otro. La diferencia es importante porque es la fuerza que mueve los electrones a través del circuito. Cuanta

mayor es la diferencia en el potencial, más "fuerte" es la fuerza que mueve los electrones.

12. ¿Qué tipos de energía participan? Explique cada tipo de energía.

Una pila contiene energía química potencial. La energía química potencial proviene de la atracción electrostática

que mantiene unidos a los átomos (uniones). Al utilizar una pila, la energía química cambia a electricidad (el

flujo de electrones) y la energía eléctrica cambia a la forma de energía requerida por el aparato en el que está

colocada la pila (luz, sonido o calor).

13. ¿De qué forma la energía química en las uniones se transforma en un flujo de

electrones?

Se produce una reacción química. Los electrones se transfieren de un reactivo a otro en una reacción de

reducción–oxidación (redox). La mitad de una celda electroquímica fuerza al reactivo que pierde electrones a

ubicarse en un lugar distinto que el reactivo que gana electrones. Por lo tanto, se fuerza a los electrones a pasar

por un cable antes de llegar a su receptor. Por lo tanto, puede aprovecharse la energía.

Reacción química: sulfato de cobre (II) y hierro

Demuestre la reacción de reducción–oxidación entre el cobre y el hierro al colocar una pieza de hierro

(p. ej., un clavo de hierro) en un tubo de ensayo con una solución de sulfato de cobre (II) de 0,1 M:

CuSO4(aq) + Fe(s) → Cu(s) + FeSO4(aq)

El cobre tiene un mayor potencial de reducción que el hierro, por lo cual los iones de cobre (II)

adoptarán electrones del metal hierro. Esto provoca que los iones de cobre (II) ganen electrones

(reducción) y se conviertan en cobre sólido (lo cual cubrirá el clavo de hierro con una fina capa de

cobre). El hierro se convertirá en iones de hierro (II) después de renunciar a algunos de sus electrones

(oxidación). El color de la solución cambiará de azul a verde a medida que se consuman los iones azules


342 PS-2947

de cobre (II) y se sustituyan por iones verdes de hierro (II). Si coloca el cobre en una solución de sulfato

de hierro (II), no sucede nada porque el cobre tiene una mayor afinidad para los electrones que el hierro.

Para que los iones de cobre (II) se conviertan en cobre, deben recibir electrones. Si puede forzar a los

electrones a circular por un cable en su camino hacia los iones de cobre (II), ha logrado generar una

corriente eléctrica. Así funciona una pila química. El voltaje, que algunas veces se denomina potencial

de celdas, es la medición del cambio en la energía potencial en la pila. Cuanto mayor es el cambio en la

energía potencial que se produce en la reacción química, mayor es el voltaje.

Química del interior de una pila: Celdas electroquímicas (fotovoltaicas)

En la demostración anterior, los electrones tenían libertad para transferirse directamente entre el cobre y

el hierro. Para forzar a los electrones a circular por un cable para producir una corriente de electricidad,

debe separarse la reacción en sus partes individuales. Demuéstrelo con un vaso de precipitado en el

que se produce una reducción y otro en el que se produce una oxidación. Nos referimos a cada vaso

como media celda, o media reacción, ya que solo se produce la mitad de la reacción general de

reducción–oxidación.

Construya la media celda de oxidación al colocar un electrodo de hierro en un vaso de precipitado con

sulfato de hierro (II); construya la media celda de reducción al colocar un electrodo de cobre en un vaso

de precipitado con sulfato de cobre (II). Conecte los dos electrodos utilizando conectores caimán a

sensor de voltaje en el medio. Observe la ausencia de una lectura de voltaje. A continuación, una los

dos vasos de precipitado con un trozo de lana o cuerda gruesa humedecida con una solución de cloruro

de sodio para completar el circuito. Observe la lectura del voltaje.

Reemplace el electrodo de hierro con uno fabricado con un metal diferente. Observe la nueva lectura del

voltaje. A medida que progresa la reacción, la solución electrolítica de la media celda de reducción

puede cambiar de color mientras los iones azules de cobre (II) se convierten en cobre al depositarse en

el electrodo de cobre y se reemplazan con los iones verdes de hierro (II) que viajan por el puente salino.

El color de la solución electrolítica en la media celda de oxidación no cambiará el color, ya que los iones

de hierro (II) se reemplazan a medida que el electrodo de hierro se oxida.

Voltaje

Electrodo de hierro

Electrodo de cobre

Puente salino (lana o cuerda humedecidos con NaCl)

Media celda de oxidación de la solución de sulfato de hierro (II)

Media celda de reducción de la solución de sulfato de cobre (II)


343

14. ¿Por qué se colocan los electrodos en vasos de precipitado separados?

Los vasos de precipitado separados evitan que el sistema entre en "cortocircuito". Al conectar los dos vasos de

precipitado mediante un cable entre los electrodos, los electrones se ven forzados a viajar de un electrodo a otro

a través del cable, lo cual produce una corriente eléctrica medida por el sensor de voltaje.

15. ¿En qué dirección fluyen los electrones en este sistema?

Los electrones se producen en la media celda de oxidación en el electrodo de hierro (polo –, ánodo) y fluyen

hacia la media celda de reducción que contiene el electrodo de cobre (polo +, cátodo).

16. ¿Por qué el sensor de voltaje no mostró una lectura antes de agregar el puente

salino?

El circuito estaba incompleto.

17. ¿Cuál es el objetivo del puente salino?

El puente salino completa el circuito y permite que los iones viajen de un vaso de precipitado a otro para

equilibrar las cargas acumuladas durante la reacción. A medida que los electrones salen de la media celda de

oxidación, se acumula una carga positiva a medida que el hierro se convierte en iones de hierro (II) en la

solución, lo cual requiere que los iones negativos fluyan al vaso de precipitado para contrarrestarlos. Asimismo,

a medida que los electrones ingresan en la media celda de reducción, se acumula una carga negativa a medida

que los iones de hierro (II) salen de la solución y se convierten en cobre, lo cual requiere que los iones positivos

fluyan al vaso de precipitado para reemplazarlos.

18. ¿Por qué cambió el voltaje cuando el electrodo de hierro se reemplazó con un

metal diferente?

Los diferentes metales tienen diferentes tendencias para sumar o restar electrones. El voltaje es una medición

de la diferencia entre las afinidades de los dos electrodos respecto de los electrones (potenciales de electrodos).

Cuanta mayor es la diferencia en los potenciales de electrodos, mayor es el voltaje medido.








La disolución de ácidos produce calor; tenga extremo cuidado al manipular soluciones recién

preparadas y objetos de vidrio, ya que podrían estar muy calientes.




344 PS-2947


1. Prepare 100 mL de solución de cloruro de sodio de 0,1 M: Disuelva 0,58 g de sal de mesa

(cloruro de sodio) en 100 mL de agua destilada. Esto será suficiente para 10 grupos de

laboratorio.



A partir de HCl concentrado (12 M)



b. Agregue lentamente 8,3 mL de HCl de 12 M al vaso de precipitado mientras lo agita

continuamente.

c. Deje que la solución se enfríe. Luego, viértala cuidadosamente en un matraz





1000 mL.

b. Agregue 16,7 mL de HCl de 6 M al agua y diluya hasta la marca con agua destilada.


3. Electrodos:

Las fuentes para obtener los metales pueden variar, según se realice un pedido directamente

en línea a proveedores de ciencias, o se visite un depósito de chatarra o un reciclador de

metales. Quizá ya tenga algunos de los metales a mano. Quíteles los bordes filosos.

El cobre está presente en los cables eléctricos, las tuberías de agua y las chapas disponibles

en las ferreterías.

El zinc está presente en los clavos galvanizados que se venden en las ferreterías.

El magnesio generalmente se consigue solo adquiriéndolo a proveedores de productos

químicos.

El hierro es bastante común y puede encontrarlo en los clavos, entre otras fuentes.

El níquel puede encontrarlo en los cables que se utilizan en la fabricación de joyería en

algunas tiendas de artesanías de especialidad.

Seguridad


laboratorio:

Tenga cuidado con los bordes filosos de los electrodos de metal.

No ingiera ninguno de los alimentos utilizados en esta investigación. Deseche las frutas

conforme a las indicaciones del docente.


345








Preparación


2. Conecte un sensor de voltaje al sistema de recolección de datos.

3. Conecte el conector caimán rojo al cable rojo del sensor de voltaje y el conector caimán

negro al cable negro del sensor de voltaje.

4. Vierta aproximadamente 25 mL de ácido clorhídrico (HCl) de 0,1 M en cada vaso de

precipitado de 50 mL. El HCl es la solución electrolítica.

5. ¿Qué es una solución electrolítica? ¿Qué hace que esta solución sea electrolítica?

Una solución electrolítica es una solución que conduce electricidad. Para que una solución conduzca

electricidad debe contener iones. Esta solución contiene iones hidrógeno (H+) e iones cloruro (Cl

–).

6. Coloque una tira de zinc en un vaso de precipitado y una tira de cobre en el otro.

Nota: El cobre se utilizará en todas las pilas electroquímicas como referencia para la comparación con

los otros metales.

Arme la pila

electroquímica

con HCl de 0,1 M

como el electrolito

y el cobre y el zinc

como los

electrodos.

1

Pruebe el voltaje

del zinc y luego

reemplácelo con

tres metales

diferentes y

pruebe el voltaje

de cada uno.

2

Reemplace el HCl

con un limón y

luego con un

tomate y halle el

voltaje producido

por cada metal.

3

Utilice los datos

recolectados para

ordenar los

metales por la

cantidad de voltaje

que produjeron al

utilizarse en una

pila.

4


346 PS-2947

7. ¿Es necesario tener un vaso de precipitado para la tira de cobre y otro para la tira de

zinc? Explique.

Para que se produzca la reacción, el cobre y el zinc no tienen que estar separados en dos vasos de precipitado.

No tienen que estar separados porque el electrolito en cada vaso de precipitado es el mismo. Debe asegurarse

de que los dos electrodos no se toquen entre sí.

8. Humedezca un pedazo de cuerda de 20 cm con la solución de cloruro de sodio de 0,1 M y

cuélguelo entre los dos vasos de precipitado con los extremos sumergidos en la solución

electrolítica. La cuerda se denomina puente salino y permite que los iones se muevan

entre los dos vasos de precipitado para mantener neutras las soluciones.

9. ¿Cuál es la variable dependiente y la variable independiente y las unidades que se

utilizan para cada una en este experimento?

La variable dependiente es el voltaje y se mide en voltios.

La variable independiente es el tipo de metal.

Recolecte los Datos

10. Monitoree los datos de voltaje en vivo en una pantalla de dígitos.

11. Conecte el cable negro del sensor de voltaje a la tira de zinc y el cable rojo a la tira de

cobre mediante los conectores caimán.

Puente salino (lana o cuerda humedecidos con NaCl)

Sensor de voltaje


347

12. Registre el voltaje del electrodo de zinc en la columna HCl de 0,1 M de la Tabla 1 a

continuación.

Tabla 1: Lecturas del voltaje de metales en diferentes pilas electroquímicas

Metal Pila de HCl de

0,1 M (V)

Pila de limón

(V)

Pila de tomate

(V)

Zinc (Zn) 0,90 0,81 0,79

Magnesio (Mg) 1,59 1,69 1,58

Níquel (Ni) 0,04 0,04 0,00

Hierro (Fe) 0,24 0,29 0,37

13. Desconecte el cable negro, quite la tira de zinc, reemplácela con una tira de magnesio y

reconecte el cable negro.

14. Registre el voltaje producido con el magnesio en la columna HCl de 0,1 M de la Tabla 1

que se encuentra más arriba.

15. Repita este proceso con una tira de níquel y una tira de hierro y registre los voltajes en la

columna HCl de 0,1 M de la Tabla 1 que se encuentra más arriba.

16. Cuando haya recolectado todos sus datos para el HCl de 0,1 M, desconecte los cables del

sensor de voltaje y quite ambos electrodos de los vasos de precipitado.

17. Limpie todas las tiras metálicas con agua y séquelas.

18. Haga rodar firmemente el limón por la mesa con la palma de la mano.

19. Utilice un cuchillo para realizar dos cortes lo suficientemente anchos como para insertar

los electrodos a 2 o 3 cm de distancia dentro del limón.

20. Inserte el electrodo de cobre profundamente dentro del limón a través de uno de los

cortes.

21. Inserte el electrodo de zinc en el otro corte.

Nota: Asegúrese de que los dos electrodos no se toquen.

22. ¿Qué elemento actúa como solución electrolítica en el limón?

El jugo de limón.

23. Conecte el cable negro del sensor de voltaje al electrodo de zinc y el cable rojo al electrodo

de cobre.


348 PS-2947

24. Registre el voltaje del zinc en la columna Limón de la Tabla 1 que se encuentra más

arriba.

25. Desconecte el cable negro, quite la tira de zinc, reemplácela con la tira de magnesio y

reconecte el cable negro.

26. Registre el voltaje producido con el magnesio en la columna Limón de la Tabla 1 que se

encuentra más arriba.

27. Repita este proceso con la tira de níquel y la tira de hierro y registre los voltajes en la

Tabla 1 que se encuentra más arriba.

28. ¿Qué mide el voltaje?

El voltaje mide la energía por unidad de carga. Es la diferencia en el potencial de electrodo entre los dos

metales. Esta diferencia en el potencial refleja la diferencia en la afinidad de electrones que existe entre los dos

metales.

29. Cuando haya recolectado todos sus datos, desconecte los cables del sensor de voltaje y

quite los electrodos del limón.

30. Limpie todos los electrodos con agua y séquelos.

31. Vuelva a armar la pila electroquímica con un tomate en lugar del limón y vuelva a probar

el voltaje producido con los cuatro metales.

32. Registre el voltaje para cada metal en la columna Tomate de la Tabla 1 que se encuentra

más arriba.

33. Limpie conforme a las indicaciones del docente.

Análisis de Datos

1. Ordene los metales según la cantidad de voltaje que producen al utilizarlos en una pila

con la solución electrolítica de HCl de 0,1 M (ordénelos de mayor a menor voltaje).

Mg > Zn > Fe > Ni


de limón (ordénelos de mayor a menor voltaje).

Mg > Zn > Fe > Ni


de tomate (ordénelos de mayor a menor voltaje).

Mg > Zn > Fe > Ni


349


1. ¿Qué componentes son necesarios para fabricar una pila?

Dos metales diferentes, un cable conductor, una solución electrolítica y un puente salino.

2. El tipo de pila electroquímica que se utilizó (HCl, limón, tomate), ¿influyó sobre la

clasificación de los metales? ¿Cuál fue el papel del limón y el tomate?

La pila electroquímica utilizada no influyó en la clasificación. El limón y el tomate actuaron como la solución

electrolítica que completó el circuito.

3. ¿Cuál era la fuente de los electrones de la pila?

El más activo de los dos metales; el que tenía el mayor potencial de oxidación (menor potencial de reducción).

4. ¿Qué par de electrodos generaría la pila más potente? ¿Cómo lo sabe?

El magnesio y el cobre generarían la pila más potente, ya que tienen la mayor diferencia en su potencial, lo cual

produce el mayor voltaje.



1. Hay pilas de todas las formas, tamaños y voltajes. Las baterías de automóviles, las

baterías de teléfono celular, las baterías de las computadoras y las pilas de las

linternas difieren unas de otras. Explique de qué forma cada una de estas pilas y

baterías son similares y sugiera un motivo que explique sus diferentes voltajes.

Todas estas pilas y baterías contienen dos tipos de metales, un cable por el que fluyen los electrones (cuando

está conectado) y una solución electrolítica separada por una membrana que actúa como puente salino. Los

diferentes tipos de pilas y baterías utilizan diferentes tipos de metales y diferentes soluciones electrolíticas.

2. ¿Por qué cree que las pilas se agotan?

Porque el electrodo metálico que produce electrones (el ánodo en el que se produce la oxidación) se consume

durante la reacción química.

3. ¿Por qué cree que muchos aparatos electrónicos requieren más de una pila?

Porque el circuito del sistema electrónico requiere más voltaje (o más corriente) de lo que una pila puede

suministrar o para extender la vida útil de las pilas.


350 PS-2947



incompletos.

1. En una celda química, la corriente eléctrica la genera:

A. La fruta

B. Los metales

C. Los protones

D. Los electrones

2. En la pila de frutas, la fruta aportó:

A. El metal

B. Los electrones

C. La solución electrolítica

D. El voltaje

3. El voltaje es la medición de:

A. La cantidad de electrones

B. La diferencia en la afinidad con respecto a los electrones

C. El tiempo que requiere que un electrón recorra un circuito

D. La concentración de sal en la fruta

4. En la pila de frutas, los electrones se generaron desde:

A. El electrodo metálico

B. La fruta

C. El cable

D. La solución electrolítica

5. En una pila electroquímica, la energía química se convierte en:

A. Energía potencial

B. Electricidad

C. Sonido

D. Luz


351



palabra clave.

1. Todos los tipos de trabajo requieren el aporte de algún tipo de energía. La energía cinética

es energía en movimiento e incluye la luz, el sonido, el movimiento, el calor y la electricidad. La

energía potencial es energía almacenada que aún no se ha liberado. En química, la energía

potencial se almacena en los enlaces entre los átomos. Estas uniones se forman a fin de

organizar los electrones en configuraciones con baja energía potencial.

2. Una pila electroquímica aprovecha las tendencias relativas de los metales a perder

electrones. La transferencia de electrones de un átomo a otro se conoce como reacción de

reducción–oxidación. Esta es una combinación de dos medias reacciones distintas en las que

se pierden electrones en la oxidación y se suman electrones en la reducción. Que un metal

sume o reste electrones en esta reacción al combinarlo con otro depende de su colocación relativa

en la lista de potenciales de electrodos. Los primeros metales de la lista sumarán electrones de

los otros metales. La diferencia en los potenciales de los dos metales se mide en forma de

voltaje.

3. Una pila electroquímica que contiene una solución electrolítica separa los dos metales y

permite la transferencia de electrones, la cual fluye por un cable que los conecta. A fin de

equilibrar las cargas y completar el circuito, un puente salino conecta las celdas que permiten

el flujo de iones. En la pila, la reducción se produce en el cátodo y la oxidación se produce en el

ánodo.


Determine si la concentración de la solución electrolítica influye sobre el voltaje de la celda.

Utilice la ecuación de Nernst para validar los resultados.

Reemplace el electrodo de cobre de referencia por distintos metales y observe si surgen nuevos

patrones.

Pruebe el efecto de cables y puentes salinos de distintos tamaños (hilo, cuerda, lana) sobre el

voltaje y la corriente medidos.

Determine el efecto de la superficie del electrodo sobre el voltaje de la celda.

Permita que la celda se "agote" mientras mide el voltaje contra el tiempo y grafique los

resultados. Asegúrese de que las dimensiones de los electrodos sean lo más similares posible.

¿Algunos metales duran más? ¿Existe una relación entre el voltaje y la duración del electrodo?


353

La Lluvia Ácida y el Crecimiento Vegetal

Objetivos

Los alumnos investigan las reacciones que se producen entre los gases en la atmósfera (CO2 y

SO2) y las gotas de agua y lo relacionan con la producción de lluvia ácida. Los alumnos crean

muestras de "lluvia ácida" y observan el efecto de esta sobre el crecimiento vegetal durante una

semana.



Utilización de un sensor de pH para medir y comparar el cambio en el pH debido a gases

efervescentes de dióxido de carbono y dióxido de azufre en el agua.

Utilización de un sensor de pH para preparar dos muestras de "lluvia ácida".

Observación del crecimiento vegetal y registro de las observaciones durante varios días.




Actividad en el laboratorio 45 minutos (Día 1)

10 minutos (Día 2 a 5)


354 PS-2947



Sistema de recolección de datos Recipientes de almacenamiento para la "lluvia

Sensor de pH1 ácida"3 (2)

Probeta de 25 mL Pipetas plásticas de 1 mL (2)

Vaso de precipitado pequeño o vaso descartable Pipeta plástica de 1 mL, cortada

con NaHCO3 2 Ácido sulfúrico (H2SO4) de 0,025 M; 100 mL

Vaso de precipitado pequeño o vaso descartable Agua destilada (50 mL)

con NaHSO3 2 Vinagre (10 mL)

Vaso de precipitado pequeño o vaso de 100 mL Plantas pequeñas4 (2)

Vaso de precipitado de 500 mL

1 La sonda de pH puede conectarse a un sensor químico, de pH o de calidad del agua.

2 Los recipientes de sustancias químicas sólidas pueden compartirse entre los miembros de la clase.

3 Las pisetas representan una buena opción como recipientes de almacenamiento.

4 Las margaritas, petunias, filodendros, plantas de frijoles y plantas pequeñas similares son buenas

opciones.



La escala del pH oscila entre el 1 y el 14. Los valores de pH por debajo de 7 son ácidos y por

encima de 7 son básicos.

Cuanto menor es el valor del pH, mayor es la cantidad de iones hidrógeno (H+) que tiene la

solución.

La atmósfera se compone de una mezcla de gases, principalmente nitrógeno (N2) y oxígeno

(O2). Otros gases, tales como el dióxido de carbono (CO2), están presentes en cantidades muy

bajas.

La quema de combustibles fósiles libera agentes contaminantes al aire.

Antecedentes

La lluvia ácida es un tipo de precipitación con un pH inferior al pH de la lluvia típica. La lluvia

normal no es neutra (pH 7), sino que tiene un pH típico de 5,6. La lluvia que tiene un pH menor

que 5,6 se considera "lluvia ácida". En distintas regiones geográficas, se ha detectado que la

lluvia ácida tiene un pH inferior a 3.

La escala de pH es logarítmica. Esto significa que un cambio de 1 en el pH (por ejemplo al pasar

de pH 5 a pH 4) es causa de un aumento de diez veces en la concentración de iones

hidrógeno [H+]. Una disminución de pH 5 a pH 3 significa que la solución ahora tiene 100 veces

(102) más iones H

+.

La acidez puede dañar el medio ambiente y los ecosistemas. Los gases que se producen durante

la quema de combustibles fósiles (en especial el carbón) son la principal causa de la lluvia ácida.


355

Los combustibles fósiles son la principal fuente para la generación de energía. Los gases emitidos

provenientes de la generación de energía incluyen SO2 y NO2, los cuales reaccionan con el agua

en el aire y forman gotas de agua ácida que caen en forma de precipitación.

Cuando las lluvias ácidas caen en lagos o arroyos, el pH de estos cuerpos de agua disminuye, lo

cual perjudica a algunos de los organismos en estos medioambientes. La lluvia ácida también

perjudica a las plantas y organismos terrestres al disminuir el pH del suelo. Los suelos ácidos

liberan iones metálicos, como por ejemplo iones aluminio, que pueden dañar a los organismos,

especialmente a las plantas.


Repase la escala de pH

Muéstreles a los alumnos 3 vasos de precipitado con líquidos transparentes: el vaso A (HCl diluido), el

vaso B (agua destilada) y el vaso C (HCl muy diluido). No les indique a los alumnos los nombres o

fórmulas de los líquidos; nómbrelos solo con las letras. Pruebe el pH de cada solución mediante un

sensor de pH. Pregunte a los alumnos:

1. ¿Qué pueden concluir acerca de estos tres líquidos?

Dos de los líquidos son ácidos, ya que el pH de estos líquidos es menor que 7. Uno de los líquidos es agua (u

otra sustancia neutra) debido a que tiene un pH de 7.

Dígales a los alumnos que el vaso A y el vaso C contienen ácido clorhídrico (HCl). Pregunte a los

alumnos:

2. ¿Por qué el pH del HCl no es el mismo en ambos vasos de precipitado?

Uno de los vasos de precipitado (vaso A) contiene HCl más concentrado; tiene más iones H+ y menor pH en

comparación con el otro vaso.

Analice lo que significa que la escala de pH sea "logarítmica". Por ejemplo, una solución de pH 3 tiene

diez veces más iones hidrógeno [H+] que una solución de pH 4.

Si recolectó muestras de cuerpos de agua locales, descríbales a los alumnos las fuentes de sus

muestras y pruebe el pH de cada muestra con un sensor de pH.



1. Prepare los recipientes para utilizarlos en la Actividad y debate previos al laboratorio.

a. En un vaso de precipitado, agregue entre 5 y 10 mL de ácido clorhídrico (HCl) diluido

(0,1 M o menos) a 300 mL de agua. Coloque una etiqueta en el vaso de precipitado con el

nombre "A".

b. Vierta aproximadamente 150 mL de HCl diluido (del paso anterior) en un nuevo vaso de

precipitado y llénelo hasta los 300 mL. Coloque una etiqueta en el vaso de precipitado con

el nombre "C".

c. Agregue 300 mL de agua destilada a un vaso de precipitado y colóquele una etiqueta con

el nombre "B".


356 PS-2947

2. Si planea mostrarles a los alumnos el pH de las muestras de agua extraídas de cuerpos de

agua locales, recolecte estas muestras y llévelas a la clase.

Consejo para el docente: Las sustancias químicas sólidas (NaHCO3 y NaHSO3) que se utilizan en

la Parte 1 de la investigación pueden colocarse en pequeños vasos o vasos de precipitado y

compartirlas entre los miembros de la clase en lugar de que cada grupo obtenga su propia

muestra de tamaño pequeño de los sólidos.

3. Vierta una pequeña cantidad de bicarbonato de sodio en un vaso pequeño o un vaso de

precipitado. Colóquele una etiqueta al recipiente con el nombre "NaHSO3".

4. Vierta una pequeña cantidad de bisulfito sódico en un vaso pequeño o un vaso de precipitado.

Colóquele una etiqueta al recipiente con el nombre "NaHSO3".

5. Prepare la solución "de reserva" de ácido sulfúrico (H2SO4) diluido de 0,025 M a partir de

ácido sulfúrico de 1,0 M.

a. Agregue 487,5 mL de agua destilada a un vaso de precipitado de 1000 mL.

b. Mida 12,5 mL de H2SO4 de 1,0 M y agregue el ácido al agua del vaso de precipitado.

c. Etiquete algunos vasos de precipitado pequeños con el nombre "H2SO4 para lluvia ácida"

y distribuya el ácido sulfúrico en estos vasos para que los alumnos lo utilicen durante la

actividad de laboratorio.

6. Prepare las pipetas que utilizarán los alumnos en la actividad de laboratorio.

a. Para cada grupo de alumnos, corte una pipeta plástica de 1 mL a aproximadamente 1 cm

por encima del extremo bulboso y utilice un marcador indeleble para escribirle el nombre

"1A".

b. Para cada grupo de alumnos, etiquete una pipeta plástica de 1 mL sin cortar con el

nombre "1B".

c. Para cada grupo de alumnos, etiquete una pipeta plástica de 1 mL sin cortar con el

nombre "1C".

d. Repita los pasos a–c, pero etiquete las pipetas con los nombres "2A", "2B" y "2C".

7. Adquiera plantas pequeñas en macetas. Si todos los grupos de alumnos observarán las

plantas bajo las tres condiciones (control, pH 2 a 3 y pH 3 a 4), deberá adquirir 3 plantas por

grupo.

Consejo para el docente: Pueden asignarse diferentes grupos de alumnos a diferentes partes

del procedimiento. Algunos grupos pueden observar las plantas de control y otros pueden

observar las plantas bajo las condiciones de lluvia ácida.

8. Haga lugar en el aula para poder observar las plantas durante al menos una semana.

Coloque las plantas bajo una luz para crecimiento o cerca de ventanas que les permitan

recibir suficiente luz.


357

Seguridad


laboratorio:

Utilice anteojos protectores al trabajar con químicos.

Asegúrese de que las sustancias sólidas y el vinagre se mezclen en pequeñas cantidades y

produzcan solo una pequeña cantidad de gas. Si se utiliza más cantidad, los gases que se

generen (como el NO2) pueden ser perjudiciales y la reacción debe realizarse en una campana

extractora de gases.








Parte 1: Creación de gases

El siguiente procedimiento genera dióxido de carbono (CO2) y dióxido de azufre (SO2), los gases que se

producen debido a la quema de combustibles fósiles y se emiten hacia el aire. Estos gases están

presentes de forma natural en cantidades muy pequeñas, pero las actividades humanas han aumentado

la cantidad de ellos en la atmósfera.

Preparación

1. Obtenga las pipetas plásticas necesarias para la actividad.

a. Dos pipetas cortadas justo por encima del extremo bulboso y etiquetadas con los

nombres "1A" y "2A".

Obtenga una o

más plantas.

Riegue cada una

con una solución

de "lluvia ácida" o

agua de la canilla

durante, al

menos, una

semana.

4

Primero, cree

gases de CO2 y

SO2. Use un

sensor de pH

para conocer el

efecto sobre el

pH cuando se

agregan gases al

agua.

1

Prepare otra

solución de

"lluvia ácida" con

un pH de entre

4,5 y 5,3.

3

Registre sus

observaciones de

las tres plantas.

5

Diluya una

solución de ácido

sulfúrico en agua

hasta que el pH

se encuentre

entre 3 y 4. Así

creará la primera

solución de

"lluvia ácida".

2


358 PS-2947

b. Cuatro pipetas plásticas estándar de 1 mL etiquetadas con los nombres "1B", "1C",

"2B" y "2C".


3. Conecte el sensor de pH a su sistema de recolección de datos. Enjuague el extremo del

sensor de pH con agua después de retirarlo de su recipiente de almacenamiento.

4. Dibuje un gráfico en el que compare el pH contra el Tiempo.

Recolecte los Datos

Produzca dióxido de carbono (CO2) y determine su efecto sobre el pH del agua.

NaHCO3(s) + vinagre → NaCl(aq) + H20(l) + CO2(g)

5. Apriete el extremo bulboso de la pipeta 1A, coloque el extremo

abierto en el recipiente de NaHCO3 y suelte el extremo bulboso.

Ahora la pipeta debe tener una pequeña cantidad de sustancia

sólida en su interior.

6. Apriete el extremo bulboso de la pipeta 1B y colóquela en un

recipiente con vinagre. Suelte el extremo bulboso para que el

vinagre ingrese a la pipeta.

7. Inserte la pipeta 1B en la abertura de la pipeta 1A. Agregue

lentamente 20 gotas de vinagre en el extremo bulboso de la pipeta

1A. Debe observar una reacción química entre el vinagre y el

NaHCO3.

8. Deje a un lado la pipeta 1B.

9. Apriete el extremo bulboso de la pipeta 1C e introdúzcala en la

abertura de la pipeta 1A. Suelte el extremo bulboso para recolectar

en la pipeta 1C parte del gas que se generó en la reacción. (Este gas

es dióxido de carbono).

10. Deje a un lado la pipeta 1A.


359

11. Agregue 25 mL de agua destilada a un pequeño vaso o vaso de precipitado. Coloque el

sensor de pH en el agua. Intente evitar que el vaso se vuelque al colocar el sensor dentro

de él.


13. Coloque la pipeta 1C en el agua destilada y

apriete lentamente el extremo bulboso de la

pipeta para introducir el gas recolectado en

forma de burbujas en el agua.

Nota: Agite suavemente el agua a medida que suelta el

gas en forma de burbujas en ella. Continúe agitando

durante la recolección de datos.

14. Ajuste la escala del gráfico para mostrar todos

los datos.

15. Detenga la recolección de datos cuando el pH del agua ya no cambie.

16. Asigne el nombre "CO2" a la serie de datos.

17. La lluvia normal es levemente ácida, con un pH inferior a 7. Con base en los resultados

de la recolección de datos, ¿la presencia de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera

contribuye a la acidez de la lluvia?

Sí, el dióxido de carbono contribuye al pH ácido de la lluvia. Agregar CO2 al agua provocó que el pH

disminuyera por debajo de 7.

18. Retire el sensor de pH de la solución y enjuáguelo con agua. Deseche la solución del vaso

o vaso de precipitado.

Recolecte los Datos

Produzca dióxido de azufre (SO2) y determine su efecto sobre el pH del agua.

NaHSO3(s) + vinagre → NaCl(aq) + H20(l) + SO2(g)

19. Deje a un lado las pipetas de la primera parte (1A y 1C) y utilice las pipetas "2A", "2B" y

"2C" para esta parte de la investigación.

20. Apriete el extremo bulboso de la pipeta 2A, coloque el extremo abierto en el recipiente de

NaHSO3 y suelte el extremo bulboso. Ahora la pipeta debe tener una pequeña cantidad

de sustancia sólida en su interior.

21. Al igual que antes, agregue 20 gotas de vinagre a la sustancia sólida con la pipeta 2B.

Nota: La reacción química podría no ser evidente, pero está sucediendo.


360 PS-2947

22. Deje a un lado la pipeta 2B.

23. Apriete el extremo bulboso de la pipeta 2C e introdúzcala en la abertura de la pipeta 2A.

Suelte el extremo bulboso para recolectar en la pipeta 2C parte del gas que se generó en

la reacción. (Este gas es dióxido de azufre).

24. Deje a un lado la pipeta 2A.

25. Agregue 25 mL de agua destilada a un pequeño vaso o vaso de precipitado. Coloque el

sensor de pH en el agua. Intente evitar que el vaso se vuelque al colocar el sensor dentro

de él.


27. Coloque la pipeta 2C en el agua destilada y apriete lentamente el extremo bulboso de la

pipeta para introducir el gas recolectado en forma de burbujas en el agua.

Nota: Agite suavemente el agua a medida que suelta el gas en forma de burbujas en ella. Continúe

agitando durante la recolección de datos.


29. Detenga la recolección de datos cuando el pH del agua ya no cambie.

30. Asigne el nombre "SO2" a la serie de datos.


32. Complete la Tabla 1 en el apartado de Análisis de datos.

33. Retire el sensor de pH de la solución y enjuáguelo con agua. Deseche la solución del vaso

o vaso de precipitado.

Parte 2: Creación de "lluvia ácida"

Las precipitaciones en los Estados Unidos tienen un pH de entre 5,7 y 4,1. Los valores de pH más bajos

se observaron en el noreste. Para la parte de esta investigación que se ocupa del crecimiento vegetal,

utilizaremos dos soluciones ácidas. El ácido será ácido sulfúrico (H2SO4). Cuando el dióxido de azufre

(SO2) que se emite al aire reacciona con el agua, se produce ácido sulfúrico.

34. Obtenga un vaso de precipitado de 500 mL y agregue 250 mL de agua y 5 mL de la

solución de ácido sulfúrico "de reserva" al vaso de precipitado. Coloque el sensor de pH en

el vaso de precipitado.



361

36. Agregue lentamente el agua destilada al vaso de precipitado hasta que el pH de la

solución sea de entre 3 y 4.

Nota: Si el pH se encuentra por encima de 4, agregue una cantidad muy pequeña de solución de

reserva para disminuir el pH a menos de 4.


38. Vierta la solución de "lluvia ácida" que acaba de formular en el recipiente de

almacenamiento que le entregue el docente. Etiquete el frasco de almacenamiento con la

fórmula y el pH de la solución. Asimismo, registre el pH de la solución en la Tabla 2 del

apartado de Análisis de datos.

Nota: Si tiene solución adicional de "lluvia ácida" que no cabe en el frasco de almacenamiento,

entregue al docente el exceso de solución.

Consejo para el docente: Guarde el exceso de las soluciones de los alumnos para poderles

brindar más "lluvia ácida" durante la semana si se les acaban sus soluciones iniciales al

regar las plantas.

39. En el vaso de precipitado vacío, repita los procedimientos anteriores para crear la

solución de "lluvia ácida", pero esta solución debe tener un pH de entre 4,5 y 5,3.

40. Vierta la solución de "lluvia ácida" que acaba de formular en un recipiente de

almacenamiento. Etiquete el frasco de almacenamiento con la fórmula y el pH de la

solución. Registre el valor del pH en la Tabla 2.

41. Mida y registre el pH del agua de la llave. Esta agua será el "control" que representa la

lluvia que no se considera lluvia ácida.

Parte 3: Monitoreo del crecimiento vegetal

42. En su grupo, o como clase, determine un método y un procedimiento para regar las

plantas durante una semana (o más).

Es posible que los alumnos sugieran regarlas desde cada frasco de almacenamiento de "lluvia ácida", vertiendo

la solución sobre la tierra que rodea a la planta. Algunos alumnos podrían sugerir la colocación de la "lluvia

ácida" en atomizadores y la simulación de las precipitaciones al rociar las hojas y la tierra. Cualquier método es

válido. Realice un debate con los alumnos acerca de las variables controladas, especialmente el control del

volumen del agua agregada o la cantidad de rocíos aplicados. Los alumnos también pueden decidir si regarán

las plantas todos los días o cada tercer dia.

43. Conforme a las instrucciones del docente, obtenga una o más plantas pequeñas. Etiquete

la maceta de cada planta con el nombre de los alumnos del grupo. Asimismo, etiquete la

maceta con el tipo de lluvia que recibirá (pH de 3 a 4, pH de 4,5 a 5,3 o agua de la llave).

44. Registre en la Tabla 2 del apartado de Análisis de datos sus observaciones iniciales de las

plantas.


362 PS-2947

45. Si la lluvia ácida afecta el crecimiento vegetal, ¿qué cambios pronostique que sufrirá la

planta?

Las respuestas variarán, pero los alumnos podrían pronosticar cambios en el color de las hojas, que las plantas

se marchitarán, etc.

46. Coloque las plantas en un lugar en el que reciban suficiente luz solar.

47. Durante al menos una semana, riegue las plantas con las distintas soluciones (pH 3 a 4,

pH 4,5 a 5,3 y agua de la llave). Registre las observaciones detalladas en la Tabla 2.

Análisis de Datos


Tabla 1: Mediciones del pH con las muestras de lluvia ácida

Gas pH máximo pH mínimo Cambio en el

pH

Dióxido de carbono

(CO2)

7,5 6,9 –0,6

Dióxido de azufre (SO2) 8,7 5,2 –3,5


363

2. Registre las observaciones de crecimiento vegetal durante el curso de 5 o más días en la

Tabla 2.

Tabla 2: Observaciones del crecimiento vegetal

Día del

experimento

Apariencia de las plantas

Control

(pH 6,8)

Lluvia ácida n.° 1

(pH 3,2)

Lluvia ácida n.° 2

(pH 4,9)

1 La planta parece estar

saludable

La planta parece estar

saludable

La planta parece estar

saludable

2 Sin cambios Sin cambios Sin cambios

3 Sin cambios

El follaje se ve marchito Sin cambios

4 Sin cambios

Follaje marchito, algunas

hojas marrones, tallos en

proceso de marchitarse

El follaje parece

marchito

5 Sin cambios La planta parece estar

muerta

Follaje marchito, algunas

hojas se están volviendo

marrones


364 PS-2947


1. ¿Qué efecto tuvieron los gases (CO2 y SO2) sobre el pH del agua? ¿Por qué sucedió

esto?

Ambos gases disminuyeron el pH del agua. El agua se tornó ácida debido a las reacciones entre las moléculas

de gas y las de agua. Las reacciones producen iones hidrógeno (H+) y provocan que el pH disminuya.

CO2(g) + H2O(l) → H2CO3(aq) ⇌ H+(aq) + HCO3

–(aq)

SO2(g) + H2O(l) → H2SO3(aq) → H+ + HSO3

–(aq)

2. Al comparar ambos gases, ¿cuál de ellos podría posiblemente provocar el mayor

daño a un ecosistema? Justifique su respuesta con pruebas.

El dióxido de azufre sería más propenso a provocar más daño que el dióxido de carbono. El dióxido de azufre

provocó un descenso mucho mayor del pH del agua y contribuiría de forma mucho más significativa a la

producción de lluvia ácida.

3. ¿Cuándo observó por primera vez un cambio en las plantas que trató con lluvia

ácida? Describa el cambio que notó primero.

El primer cambio se observó el Día 3 del experimento. Las hojas se veían un tanto marchitas.

4. Resuma los cambios que se observaron en las plantas durante el curso del

experimento. ¿Cómo se comparan los cambios reales con sus predicciones?

Las hojas se marchitaron y algunas de ellas tomaron un color marrón. Finalmente, toda la planta se marchitó y

parecía estar muerta. Las respuestas variarán cuando los alumnos comparen los resultados reales con sus

predicciones.

5. ¿Las muestras de "lluvia ácida" con diferentes pH afectaron a las plantas de

distinta forma?

Sí, el pH de la muestra de "lluvia ácida" afectó la tasa de disminución del crecimiento de la planta. La lluvia

ácida con menor pH provocó cambios que se observaron por primera vez el Día 3. La lluvia ácida más diluida

(con mayor pH) no provocó cambios perceptibles hasta el Día 4.



1. ¿Cuál de los gases, CO2 o SO2, está presente en la atmósfera principalmente debido

a la contaminación provocada por el hombre? Explique.

El dióxido de azufre proviene principalmente de las actividades humanas tales como la quema de combustibles

fósiles. Si bien la quema de combustibles fósiles también produce dióxido de carbono, este gas también lo

producen de forma natural los seres vivos durante la respiración celular.


365

2. El carbón del oeste de los Estados Unidos tiene un menor porcentaje de impurezas

de azufre que el carbón que se encuentra en el este de ese país. ¿Qué región diría que

experimenta más problemas relacionados con la lluvia ácida? Explique.

El este de los Estados Unidos sufre más efectos debido a la lluvia ácida que otras regiones. La producción de

energía en esta región utiliza carbón que tiene mayor cantidad de impurezas de azufre y la producción de

energía libera dióxido de azufre al aire. Esta contaminación provoca la formación de lluvia ácida, generalmente

las precipitaciones con el pH más bajo que se mide en Estados Unidos.

3. La lluvia ácida provoca la liberación de iones metálicos, tales como los iones

aluminio, en el suelo. ¿Por qué sucede esto?

Los ácidos pueden reaccionar con compuestos que contienen metales. Esto libera los iones metálicos del

compuesto.

4. Además de afectar el crecimiento vegetal en el suelo, la lluvia ácida también puede

afectar la vida vegetal y animal en lagos, estanques y otros cuerpos de agua.

Identifique al menos dos formas en las que la lluvia ácida podría llegar a estos cuerpos

de agua.

La lluvia ácida puede caer directamente en el agua en forma de precipitación. Además de esto, la lluvia ácida

puede ingresar en el agua debido a las escorrentías. La lluvia ácida puede quedar atrapada en la nieve y llegar

a los ríos cuando la nieve se derrite.



incompletos.

1. Debido al dióxido de carbono presente en la atmósfera de manera natural, la lluvia

suele ser levemente ácida. ¿Cuál de las siguientes opciones describe mejor el pH de la

lluvia normal?

A. 9.0

B. 7.2

C. 5.6

D. 1.8

2. ¿Cuál de los siguientes gases constituye la causa principal de lluvia ácida?

A. O2

B. SO2

C. H2O

D. N2


366 PS-2947

3. En un experimento para probar el efecto de la lluvia ácida en el crecimiento de las

plantas, ¿las plantas deben exponerse al agua con qué valor de pH?

A. pH 7

B. pH 6

C. pH 5

D. pH 3

4. ¿Qué actividad humana contribuye principalmente a la formación de la lluvia

ácida y genera así polución?

A. Combustión de combustibles fósiles, como el carbón.

B. Uso de aviones para el transporte.

C. Producción de envases de plástico.

D. Uso de aerosoles, como el aerosol para el cabello.



palabra clave.

1. La lluvia que tiene un pH inferior a 5,6 se considera “lluvia ácida” y puede ser perjudicial

para las plantas y los animales. Cuanto menor es el pH de la lluvia, mayor es el efecto negativo

sobre los organismos. El agua que tiene un valor de pH de 4 es diez veces más ácida que el agua

que tiene un valor de pH de 5.

2. La lluvia ácida se forma cuando los contaminantes de la atmósfera se combinan con el agua.

El ciclo del agua puede ocasionar que la lluvia ácida ingrese en ríos y lagos. En el suelo, la lluvia

ácida puede liberar iones de metal, tales como iones de aluminio, que son especialmente

perjudiciales para las plantas.


Utilice distintos tipos de plantas y compare la sensibilidad de estas al tratamiento con lluvia

ácida. Asimismo, puede agregar una tableta de antiácido que contenga aluminio a la muestra de

lluvia ácida para determinar el efecto de los iones metálicos sobre el crecimiento vegetal.


367

El pH del Suelo

Objetivos

Determine el pH de tres muestras distintas de suelo. Mediante esta investigación, los alumnos:

Explican cómo se utiliza la escala de pH para medir la acidez y alcalinidad de una muestra de

suelo

Analizan por qué el pH es un indicador de la salud del suelo



Recolección de muestras de suelo y su preparación para medir el pH del suelo

Utilización de un sensor de pH para medir el pH de las muestras de suelo

Generación de un gráfico de barras que represente el pH de cada una de las muestras de suelo




Actividad en el laboratorio 90 minutos (45 minutos para cada parte)1

1 Para obtener ideas sobre cómo realizar este trabajo de laboratorio en un período de clase de 45 minutos,

consulte el apartado sobre Preparación del laboratorio.

El pH del Suelo

368 PS-2947



Sistema de recolección de datos Bolsa de plástico, pequeña que pueda cerrarse

Sensor de pH (3)



Probeta de 100 mL Agua destilada, 400 mL

Varilla agitadora Marcador indeleble

Piseta con agua destilada Toallas de papel

Herramienta de excavación Recipiente para desechos

Muestra de suelo (3)1

1 En la Parte 1, los alumnos salen al exterior y recolectan tres muestras de suelo. Consulte el apartado

sobre Trabajos de laboratorio relacionados con esta guía para conocer otras actividades que requieren

muestras de suelo.



Componentes básicos del suelo

Las plantas absorben sus nutrientes del suelo

Antecedentes

Componentes del Suelo

El suelo se compone de minerales, agua, aire y materia orgánica modificados por el clima, el

viento, el agua y los organismos. Los minerales, el principal componente del suelo, actúan como

fijación de las plantas y aportan nutrientes esenciales. La parte orgánica del suelo proviene de

hojas muertas y ramas, estiércol animal, restos de plantas y animales y microorganismos. Los

suelos se forman a partir de rocas madre que se descomponen lentamente por causa de desgastes

biológicos, químicos y físicos.

La formación del suelo continúa a medida que las rocas madre que se encuentran debajo del

suelo ya formado se descomponen para seguir generando suelos. Los paisajes regionales y locales

influyen sobre los tipos de suelo y su formación. Por ejemplo, las pendientes pronunciadas a

menudo tienen poco o nada de suelo cubriéndolas porque el suelo y las rocas se encuentran en

constante movimiento debido a la gravedad. Durante la descomposición, parte del ciclo de los

nutrientes, las bacterias y los hongos descomponen moléculas orgánicas grandes y las convierten

en moléculas inorgánicas pequeñas, incluidos el dióxido de carbono, el agua y los nutrientes

minerales. El desgaste continuo de las rocas madre reemplaza algunos nutrientes minerales que

desaparecieron debido a la erosión o la agricultura.


369

El pH del Suelo

La mayoría de las plantas sobrevive en un estrecho rango de valores de pH del suelo. Los

cambios en el medio ambiente pueden alterar la composición química de las rocas y afectar la

salud del suelo, lo cual perjudica el crecimiento de la planta. El pH del suelo influye sobre el

crecimiento vegetal debido a que afecta la forma en que las plantas absorben nutrientes del

suelo. Esto tiene una implicancia directa para los cultivos agrícolas. Por lo tanto, el pH se ha

convertido en una herramienta invaluable para determinar la aptitud del suelo.

El rango de pH que los cultivos pueden tolerar es variado. Por ejemplo, un pH de 5,5 puede ser

aceptable para el maíz, los pepinos o el algodón, mientras que para los frijoles, la lechuga o las

cebollas el valor mínimo de pH tolerable es de 6,0. Debido a la escala logarítmica del pH, 5,5 es

cinco veces más ácido que 6,0. De forma similar, un pH de 7,0 es aceptable para el repollo, las

zanahorias o la espinaca, mientras que para el maní, los pimientos o las fresas el máximo valor

tolerable de pH es algo similar a 6,5. Mientras que un cultivo como la alfalfa puede tolerar

valores entre 5,2 y 7,8, un alimento básico como la papa solo tolera valores entre 5,0 y 5,25.

El pH del suelo depende de la naturaleza química del material madre, las plantas autóctonas, los

antecedentes agrícolas y las prácticas de manejo (fertilización y encalado).

Suelo Ácido

Los problemas surgen cuando el suelo se torna demasiado ácido. En la escala de pH, cualquier

valor inferior a siete se considera ácido. Un suelo se considera demasiado ácido cuando su pH es

menor que el valor mínimo del pH en el rango aceptable para una planta en particular. El suelo

ácido es el resultado de sucesos naturales y artificiales tales como el uso de algunos fertilizantes,

la extracción del calcio de parte de las plantas, la incorporación de dióxido de carbono durante la

respiración del suelo, la lluvia ácida y el uso excesivo de pastizales leguminosos, lo cual produce

una fijación excesiva de nitrógeno.

Los síntomas del suelo ácido incluyen plantas atrofiadas, hojas jóvenes deformes, hojas

amarillentas, raíces débiles, cortas y gruesas (en lugar de largas y resistentes a las sequías) y

cosechas pobres.

Suelo Alcalino

El suelo que es demasiado alcalino también genera inconvenientes. En la escala de pH, cualquier

valor superior a siete se considera alcalino. Un suelo se considera demasiado alcalino cuando su

pH es mayor que el valor máximo de pH en el rango aceptable para una planta en particular. El

suelo alcalino es principalmente un resultado del material madre del suelo (como por ejemplo, la

piedra caliza). La principal causa artificial del suelo alcalino se genera a través de la irrigación,

especialmente con agua que contiene bicarbonato de sodio. Los síntomas de la alcalinidad

elevada generalmente se asocian con deficiencias de nutrientes.

El pH del Suelo

370 PS-2947


Materiales y equipos para la demostración previa al laboratorio:

Sistema de recolección de datos Pequeñas muestras de roca, como por ejemplo,

Sensor de pH grava o roca pulverizada

Muestra de tierra en un recipiente transparente Materia orgánica (como por ejemplo, hojas y

(2 suelos diferentes) ramas)

Recipientes pequeños (2), uno con agua y otro con Organismos vivos tales como tijeretas o tijerillas,

nada más que aire bichos bolita o cochinillas, lombrices de tierra

Piseta con agua destilada o cualquier tipo de hongo

Composición del Suelo

Muéstreles a los alumnos una muestra de suelo en un recipiente transparente y guíelos en un debate

sobre los componentes del suelo. Cada vez que los alumnos mencionen un componente del suelo,

brinde un ejemplo de ese componente aislado de los demás.

1. ¿De qué se compone el suelo?

El suelo se compone de rocas (minerales) que se han roto en pequeños pedazos, materia orgánica, aire, agua y

organismos vivos. (Brinde ejemplos de todos los componentes a medida que los alumnos los vayan

mencionando).

2. ¿Por qué el suelo luce tan distinto en diferentes lugares? ¿Todos los suelos tienen

los mismos componentes?

Los suelos lucen tan distintos porque se componen de diferentes tipos de roca y minerales (diferentes

materiales madre) y debido a que tienen distintas cantidades de componentes. Algunos suelos pueden tener

gran cantidad de materia orgánica y otros pueden tener menos.

3. ¿Cuál es la importancia de la composición del suelo para las plantas?

Las plantas absorben del suelo todos los nutrientes que necesitan para crecer. Para que una planta esté sana,

necesita que el suelo cumpla con sus necesidades.

Salud del Suelo

Fomente la participación de los alumnos en un debate sobre la salud del suelo al pedirles que

pronostiquen la salud relativa de las dos muestras de suelo que recolectaron.

4. En su opinión, ¿qué hace que un suelo esté "sano"?

Acepte todas las respuestas y enumere sus criterios.

5. ¿Qué suelo cree que es el más sano?

Los alumnos deben pronosticar qué suelo es el más sano y justificar su respuesta.


371

6. ¿Qué características del suelo pueden evaluarse a fin de determinar su salud? ¿Por

qué?

La humedad del suelo, la salinidad del suelo, los niveles de nutrientes y el pH del suelo son algunas de las

características que pueden utilizarse para evaluar la salud de un suelo. Estos factores son importantes porque

influyen sobre la forma en que las plantas absorben los nutrientes que necesitan para crecer.

7. ¿Cómo se relaciona el tipo de planta que se cultiva con la "salud" de una muestra

de suelo?

Las diferentes plantas requieren condiciones distintas para crecer. Por lo tanto, el suelo que puede ser sano

para un tipo de planta puede no serlo para otro.

El pH del Suelo

En este trabajo de laboratorio, los alumnos determinarán el pH de tres muestras de suelo. Guíe a los

alumnos en un debate sobre el pH, la escala de pH y demuéstreles el uso del sensor de pH.

8. ¿Qué es el pH del suelo?

El pH del suelo es una medida de la acidez o alcalinidad de una muestra de suelo.

9. ¿Qué es la escala de pH y qué significa?

La escala de pH es una escala numérica que va de 0 a 14 y compara la acidez y la alcalinidad de soluciones

acuosas. Las sustancias con un pH de 7 se consideran neutras, un pH inferior a 7 es ácido y un pH superior a 7

es alcalino.

10. La escala de pH es una escala logarítmica. ¿Qué significa esto?

Una escala logarítmica se basa en la multiplicación y no en la suma. En una escala lineal típica, la diferencia

entre cada punto de la escala aumenta en la misma cantidad (generalmente 1). Entonces, en una escala lineal,

la diferencia entre 1 y 2 es uno y la diferencia entre 1 y 3 es dos (uno más uno). En una escala logarítmica, la

diferencia entre 1 y 2 es 10 y la diferencia entre 1 y 3 es 100 (10 veces 10). Entonces, un pH de 4 es 100 veces

más ácido que un pH de 6.

11. ¿Cómo puede determinarse el pH de una muestra de suelo?

El pH del suelo puede determinarse al mezclar una muestra de suelo con agua y luego medir el pH del agua con

un sensor de pH.

12. ¿Cómo considera que se compara el pH de estas dos muestras de suelo?

Los alumnos realizarán sus predicciones.

Demuestre el uso del sensor de pH al probar el pH de las dos muestras de suelo. Demuéstrelo al mezclar

por completo las soluciones de suelo: agítelas fuertemente durante 2 minutos y deje reposar la mezcla

durante 5 minutos. Limpie el sensor con el agua destilada entre cada prueba. Compare los resultados

con las predicciones de los alumnos.

El pH del Suelo

372 PS-2947


Si bien esta actividad no requiere una preparación específica del laboratorio, asigne 10 minutos para


Consejo para el docente: Para ahorrar tiempo, existen varias formas en las que los alumnos

pueden realizar este trabajo de laboratorio.

Recolecte las muestras de suelo (Parte 1) para los alumnos con anticipación y pídales a los

alumnos que utilicen estas muestras para realizar la Parte 2 del trabajo de laboratorio.

Pídales a los alumnos que recolecten las muestras de suelo (Parte 1) como tarea para el hogar

y luego pídales que utilicen las muestras de suelo para realizar la Parte 2 del trabajo de

laboratorio.

Pídales a los alumnos que recolecten las muestras de suelo (Parte 1) en un período de clase y

luego mida el pH (Parte 2) en el próximo período de clase.

Pídales a los alumnos que recolecten muestras adicionales de suelo y que luego las guarden

para utilizarlas en los dos trabajos adicionales de laboratorio que requieren muestras de suelo

(consulte el apartado Trabajos de laboratorio relacionados con esta guía).

Consejo para el docente: Los alumnos deben obtener un permiso antes de recolectar muestras de

suelo de una propiedad privada.

Seguridad


laboratorio:

Para evitar riesgos de salud, los alumnos no deben recolectar muestras de suelo en zonas que

contengan gran cantidad de desechos animales.

Los alumnos deben evitar recolectar muestras en las intersecciones de calles muy transitadas.





Quite todas las rocas, ramas u objetos extraños de las muestras de suelo y machaque el suelo en pedazos pequeños y uniformes.

2

Obtenga tres

muestras de

suelos distintos y

describa el

ambiente del que

se recolectó cada

muestra.

1

Determine el pH

de las otras dos

muestras de

suelo. Asegúrese

de limpiar el

sensor entre la

prueba de cada

muestra.

5

Combine 60 mL de

agua destilada con

60 mL de suelo y

mézclelos

completamente.

Repita este paso

para las otras dos

muestras de suelo.

3

Determine el pH

de la primera

muestra de suelo

y agua.

4


373




Parte 1: Obtención de las muestras y observaciones iniciales

1. Observe la zona a su alrededor y elija tres lugares de donde colectara muestras de suelo.

Elija tres zonas en las que piense que habrá una mayor variedad de pH. Registre las

zonas elegidas en la Tabla 1.

Tabla 1: Observaciones detalladas de los lugares de las muestras de suelo

Muestra

de suelo

Lugar de la muestra de suelo Observaciones

1 Estacionamiento de PASCO El suelo es seco y tiene una mínima vida

vegetal. La zona aledaña contiene hierbas

desperdigadas.

2 Estanque de patos Humedad, gran tránsito a pie

La zona aledaña contiene pasto.

3 Cerca de una entrada para autos Húmedo, marrón oscuro

La zona aledaña contiene arbustos y plantas

pequeñas al borde del pavimento y pasto.

2. ¿Por qué cree que estos lugares generarán distintas lecturas de pH?

El estacionamiento de PASCO, el estanque de patos y la zona cercana a una entrada para autos generarán

diferentes lecturas de pH debido a que el suelo luce diferente y hay diferentes plantas en cada zona.

3. Recolecte una muestra de suelo del primer lugar mediante la siguiente técnica:

a. Limpie la herramienta de excavación.

b. Quite las hojas u otros residuos.

c. Con la herramienta de excavación, remueva el suelo a unos ocho centímetros de

profundidad y extraiga una parte de este suelo removido.

d. Llene la bolsa de plástico hasta la mitad con el suelo.

e. Cierre la bolsa para conservar la humedad.

f. Etiquete la muestra. Por ejemplo, asígnele el nombre "Estacionamiento vacío" o

"Sendero para caminatas".

El pH del Suelo

374 PS-2947

4. Registre sus observaciones sobre el lugar de la muestra de suelo 1. Sus observaciones

deben incluir lo siguiente:

La apariencia del suelo y su composición, incluidas las condiciones tales como la aridez

o la humedad.

La apariencia y los tipos de plantas y otros organismos.

Huellas animales y la apariencia de los animales.

El terreno, los hoyos en el suelo y las características geológicas de las rocas.

Las construcciones cercanas y si los caminos cercanos son de asfalto, cemento, grava o

tierra.

Cualquier característica inusual de la zona.

5. Recolecte muestras de suelo de los otros dos lugares con la misma técnica descrita

anteriormente y registre sus observaciones de cada lugar en la Tabla 1.

6. ¿Por qué es necesario limpiar la herramienta de excavación antes de recolectar cada

muestra de suelo?

Es necesario limpiar la herramienta de excavación para evitar la contaminación del suelo de un lugar en el suelo

de otro lugar.

Parte 2: Medición del pH de las muestras

Preparación

7. Iniciar un nuevo experimento en el sistema de recolección de datos.

8. Conecte un sensor de pH al sistema de recolección de datos.

9. Muestre el pH en una pantalla de dígitos.




11. Etiquete un vaso de precipitado de 250 mL para cada muestra de suelo, tal como lo hizo

con las bolsas de las muestras.

12. Realice los siguientes pasos para cada muestra de suelo:

a. Quite todas las rocas, ramas u objetos extraños del suelo.

b. Sin quitar la muestra del suelo de la bolsa de plástico, machaque el suelo con una

herramienta de excavación limpia.

c. Mezcle bien las partículas machacadas.


375

d. Utilice una probeta limpia de 100 mL para medir 60 mL de la muestra de suelo.

e. Coloque los 60 mL de suelo en el vaso de precipitado debidamente etiquetado.

f. Agregue 60 mL de agua destilada al suelo.

g. Utilice una varilla agitadora para mezclar el suelo y el agua enérgicamente durante

2 minutos.

h. Deje reposar la mezcla de suelo y agua durante al menos 5 minutos.

i. Limpie la probeta y la varilla agitadora.

13. ¿Por qué debe machacar el suelo?

El suelo debe pulverizarse para aumentar la superficie disponible, de forma tal que al agregar el agua, se

disuelva una muestra representativa de los minerales del suelo.

14. ¿Por qué se agrega agua a la muestra?

No puede medirse el pH de un elemento sólido. Generalmente, debe agregarse agua para liberar los iones que

permiten la medición.

15. ¿Cuál es la variable independiente y la variable dependiente en este experimento?

La variable independiente es el lugar en el que se recolectó el suelo. La variable dependiente es el pH del suelo.

Recolecte los Datos

16. Enjuague el sensor de pH con el agua destilada.

17. ¿Por qué se enjuaga el sensor de pH con agua destilada antes de

probar cada muestra?

El agua destilada se utiliza para evitar la contaminación cruzada con las otras

muestras.

18. Coloque el sensor de pH en la primera muestra de suelo.

19. Monitoree los datos de pH en vivo en una pantalla de dígitos.

20. Agite suavemente la mezcla con el sensor de pH hasta que se estabilice la lectura.

21. Registre el lugar del suelo y el pH en la Tabla 2.

Tabla 2: Lecturas estabilizadas de pH para las muestras de suelo

Muestra de suelo 1 Muestra de suelo 2 Muestra de suelo 3

Lugar de la muestra

de suelo

Estacionamiento de

PASCO

Estanque de patos Cerca de una entrada

para autos

pH 6,7 6,4 7,0

El pH del Suelo

376 PS-2947

22. Retire el sensor de pH del vaso de precipitado y lávelo completamente con agua destilada.

23. Enjuague el sensor de pH con agua destilada y luego repita los pasos de la Recolección de

datos para las otras dos muestras de suelo. Registre los resultados en la Tabla 2.

24. Limpie conforme a las indicaciones del docente.

Análisis de Datos

1. Dibuje un gráfico de barras que represente el pH registrado en cada lugar. Asigne una

etiqueta a los ejes y el gráfico en general.

El pH del Suelo en Diferentes Lugares


1. ¿Qué factores (variables) intentó controlar en los tres ensayos?

Los factores que se controlaron fueron el método de recolección del suelo, el método de preparación del suelo,

la cantidad de suelo utilizado, el tipo de agua utilizada, la cantidad de agua utilizada, las variables de

instrumentación (ya que se utilizó el mismo instrumento para todas las mediciones y el procedimiento de

medición fue el mismo para todas las mediciones) y la temperatura durante la medición.

2. Ordene el lugar de las muestras de suelo del más ácido al más alcalino.

Las respuestas de los alumnos variarán. En esta muestra, el suelo del estanque de patos fue el más ácido,

seguido por el suelo del estacionamiento de PASCO, y el más alcalino fue el suelo recolectado cerca de la

entrada para autos.

3. ¿Qué muestra de suelo fue la más cercana a un valor neutro? ¿Cómo lo sabe?

Las respuestas de los alumnos variarán. El suelo recolectado al lado de la entrada para autos fue neutro porque

presentó un pH de 7, el cual se considera neutro.


377

4. Con base en los valores de pH medidos, ¿consideraría que los suelos analizados

están sanos? Explique.

Los tres suelos analizados presentaron valores de pH cercanos al valor neutro (de 6,4 a 7), lo cual significa que,

conforme al pH, los suelos están sanos y cumplirían con las necesidades de nutrientes de algunas plantas.



1. ¿Cuál de las muestras de suelo podría neutralizar eficazmente la lluvia ácida?

Explique por qué.

El suelo alcalino neutralizaría la lluvia ácida. Ninguno de los suelos analizados era alcalino, por lo cual estos

lugares no neutralizarían correctamente la lluvia ácida.

2. ¿Cómo puede evaluar la calidad general de una muestra de suelo?

La calidad general de una muestra de suelo puede evaluarse al determinar el pH del suelo, el contenido de

nutrientes del suelo, la humedad del suelo y la salinidad del suelo. Para conocer verdaderamente la salud de un

suelo, deben evaluarse todos estos componentes.

3. ¿Qué es la escala de pH y qué significa si mi suelo tiene un pH de 4,2?

La escala de pH es una escala cuantitativa que va de 0 a 14 y mide la acidez y la alcalinidad de una solución

acuosa. Un pH de 4,2 significa que el suelo es muy ácido y que muchas plantas no sobrevivirían en estas

condiciones. El suelo debería tratarse a fin de generar condiciones más propensas para el crecimiento vegetal.



incompletos.

1. ¿Qué mide el pH?

A. La acidez y la alcalinidad del suelo

B. El contenido de agua del suelo

C. El contenido de sal del suelo

D. El tamaño de las partículas del suelo

E. Todo lo anterior

2. Un suelo con un pH de 9,6 se considera __________________.

A. Ácido

B. Alcalino

C. Neutro

D. Húmedo

E. Salado

El pH del Suelo

378 PS-2947

3. Un pH del suelo de ______________ significa que el suelo es neutro.

A. 3

B. 5

C. 7

D. 10

E. 12

4. ¿Qué características deben evaluarse para determinar la salud del suelo?

A. El pH

B. La salinidad

C. El contenido de nutrientes

D. Los niveles de humedad

E. Todo lo anterior

5. ¿Cómo puede determinarse el pH del suelo?

A. Puede insertarse un sensor de pH directamente en el suelo para medir el pH.

B. Puede insertarse un sensor de pH en una solución de suelo y agua.

C. Puede insertarse un termómetro directamente en el suelo para medir el pH.

D. Puede determinarse el pH del suelo al frotar el suelo entre los dedos.

E. Todas las anteriores son formas correctas de medir el pH.



palabra clave.

1. El suelo se compone de minerales, agua, aire y materia orgánica. La parte mineral de los

suelos es el principal componente, ya que brinda fijación y nutrientes esenciales para las plantas.

Los minerales del suelo provienen de las rocas madre que se descomponen lentamente como

resultado de procesos de desgaste biológico, químico y físico en un proceso constante que implica

interacciones entre las esferas terrestres. La parte orgánica del suelo proviene de hojas muertas

y ramas, estiércol animal, restos de plantas y animales y microorganismos. Existen diferentes

tipos de suelo y algunos son sanos y promueven el crecimiento vegetal, mientras que otros lo

perjudican.


379

2. El pH del suelo influye sobre la capacidad de las plantas de absorber nutrientes. La

mayoría de las plantas sobrevive en un/una estrecho rango de valores de pH del suelo. Esto

significa que un pequeño cambio en el pH puede perjudicar seriamente la vida vegetal. El pH del

suelo puede determinarse al recolectar una muestra de suelo, machacarla y mezclarla con

agua. Se coloca un sensor de pH en la mezcla de suelo y agua y se mide el pH. En general, los

suelos neutros tienen un pH cercano a siete, mientras que los suelos ácidos tienen un pH

inferior a siete y los alcalinos un pH superior a siete. Sin embargo, decimos que un suelo será

demasiado ácido para una determinada planta si su pH es menor al valor aceptable para ese

tipo de planta, incluso si ese valor es superior a 7,0. El pH del suelo es solo uno de los diversos

factores que pueden emplearse para evaluar la salud del suelo.


¿Puede un determinado tipo de suelo neutralizar la lluvia ácida? Explique por qué o por qué no y

luego diseñe un experimento para determinar la respuesta.

¿Cómo influye el tipo de suelo (arenoso, franco y arcilloso) sobre su pH?

¿Cómo influye el pH del suelo sobre la tasa de crecimiento de las plantas?

¿De qué forma los agricultores ajustan el pH de su suelo según las diferentes cosechas?

¿Qué efecto tiene el fertilizante sobre el pH del suelo?


381

La Luz Solar y la Fotosíntesis en Plantas Acuáticas

Objetivos

Los alumnos investigan el proceso de fotosíntesis en un ecosistema acuático. Utilizan sus datos

del pH para demostrar la relación entre la fotosíntesis y la luz. Asimismo:

Comprenden que para los ecosistemas, la principal fuente de energía es la luz solar y que la

energía que ingresa a los ecosistemas en forma de luz solar la transforman los productores,

como las plantas, en energía química a través de la fotosíntesis.



Recolección de datos con el sensor de pH

Organización de los datos en tablas o gráficos simples para identificar patrones de pH

relacionados con la luz

Identificación de variables dependientes e independientes




Actividad en el laboratorio 30 minutos, Día 1

Actividad en el laboratorio 30 minutos, Día 2



Sistema de recolección de datos Plantas acuáticas (2), como por ejemplo elodea

Sensor de pH (2)1 Lámpara fluorescente

Bolsas de plástico (2) de 500 mL o 16 onzas, que Papel de aluminio de 15 x 15 pulgadas

puedan cerrarse Agua de arroyo o estanque, 500 mL

Probeta de 250 mL Marcador

Caracoles acuáticos (2)2

1 Para calibrar el sensor de pH, utilice 10 mL de cada una de las soluciones amortiguadoras estándar de

pH 4 y 10. 2 Si puede, obténgalos de su entorno local.


382 PS-2947



La fotosíntesis es la conversión de la energía de la luz en energía química mediante los

organismos vivos.

Un cloroplasto es una célula dentro de una hoja verde en donde se produce la fotosíntesis.

El azúcar es un tipo de molécula que almacena energía química.

La escala de pH tiene un rango de 0 a 14 en el que 7 es el valor neutro.

Una sustancia con un pH inferior a 7 se clasifica como un ácido, mientras que una sustancia

con un pH por encima de 7 se clasifica como una base.

Cuanto menor es el pH, más fuerte es el ácido y cuanto mayor es el pH, más fuerte es la base.

Antecedentes

En un entorno acuático, ya sea un estanque o un océano, la fotosíntesis en las plantas acuáticas

incorpora oxígeno (O2) al agua. Durante la fotosíntesis, la luz solar convierte el agua (H2O) y el

dióxido de carbono (CO2) en azúcar. C6H12O6. El azúcar contiene menos oxígeno por átomo de

hidrógeno y de carbono que el agua y el dióxido de carbono iniciales. Este exceso de oxígeno se

devuelve al agua en forma de oxígeno gaseoso (O2). La velocidad con la que el oxígeno se

incorpora al agua mediante la fotosíntesis depende de la cantidad de luz solar que llega a la

planta. El proceso de fotosíntesis puede escribirse como la siguiente ecuación:

6CO2 + 6H2O + energía de la luz → C6H12O6 + 6O2

El oxígeno se elimina del agua mediante la respiración vegetal y animal (los peces y otros

animales necesitan oxígeno para vivir). Las bacterias aeróbicas requieren oxígeno para

descomponer el material orgánico. Las plantas requieren oxígeno cuando convierten el azúcar

que han almacenado en energía para impulsar su crecimiento. El proceso de la respiración es el

siguiente:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energía

La respiración celular se produce las 24 horas al día en las plantas. Sin embargo, en condiciones

de luz también se produce la fotosíntesis, y el CO2 se utiliza más rápidamente de lo que se fabrica

en la respiración celular. El efecto neto en condiciones de luz es una disminución en la

concentración de CO2 en el agua. Sin embargo, en la oscuridad, la concentración de CO2 en el

agua aumenta, lo cual a su vez aumenta la concentración de ácido carbónico en el agua y

disminuye el pH.


Fomente la participación de los alumnos en el siguiente debate o actividad:

Inicie un debate con los alumnos acerca de los cambios que pueden haber observado o que

esperarían observar día a día o durante el día en un ambiente acuático. Probablemente

mencionen cambios tales como aquellos en la apariencia, debido a los cambios en la temperatura

y la luz.


383

Indique a los alumnos que trabajen en grupos a generar una lista de una variedad de ambientes

distintos cerca de su escuela y de sus hogares, tales como bosques, pantanos, desiertos y océanos.

En cuanto a su alcance, estos pueden ser grandes (tales como un océano, un bosque o una

pradera) o pequeños (tales como un patio o un parque del vecindario). Luego, enumere

componentes ambientales que afecten las condiciones de un ambiente, tales como el clima, la

vida silvestre nativa y la presencia o ausencia de agua. ¿De qué forma interactúan estos

componentes? Por ejemplo, ¿qué animales están presentes en un ambiente seco? ¿Cómo

sobreviven?

Pídales a los alumnos que compartan con la clase las listas que han generado dentro de sus

grupos.

Explique que las plantas son seres vivos únicos debido a que producen su propio alimento.

Durante el proceso de fotosíntesis —el cual requiere luz, agua y dióxido de carbono—, las hojas

de las plantas y de los árboles fabrican azúcar, que es importante para brindarles la energía

necesaria para crecer.

Pídales a los alumnos que respondan a las siguientes preguntas. ¿Qué prueba pudo observar de

que las plantas consumen dióxido de carbono? ¿Qué prueba pudo observar de que los animales

producen dióxido de carbono? ¿Qué prueba pudo observar de que la luz influye sobre la forma en

que las plantas producen dióxido de carbono? ¿Qué indica el pH de una solución acerca de la

cantidad de dióxido de carbono disuelto en el agua?

En este momento de la actividad, los alumnos probablemente tendrán muy pocas pruebas, si las tienen, sobre

estos procesos.

Analice brevemente la idea de variables independientes y dependientes. Una variable

independiente es un factor experimental que los científicos controlan y una variable dependiente

es un factor que cambia conforme a un cambio en la variable independiente. Para esta actividad,

la variable independiente es la luz (los alumnos controlan si las plantas están a la luz o en la

oscuridad) y la variable dependiente es el pH, el cual cambia conforme a la presencia o la

ausencia de luz.

Explique a los alumnus que en esta actividad, observan la relación entre una planta, un animal y

la luz en un ambiente acuático. Al colocar una planta acuática pequeña y un caracol en una bolsa

de plástico llena con agua de estanque, puede medir el pH para determinar el cambio en la tasa

de fotosíntesis. El caracol vivo produce dióxido de carbono, el cual se disuelve en el agua en forma

de ácido carbónico. La planta necesita el dióxido de carbono para la fotosíntesis. Sin embargo, la

fotosíntesis solo se produce en las plantas si estas cuentan con suficiente luz. Durante la noche o

a niveles de luz menores, el dióxido de carbono no utilizado aumenta en los ecosistemas acuáticos

y, como resultado, disminuye el pH.

Pídales a los alumnos que consideran cómo la luz afecta el pH de un sistema acuático. Deben

prepararse para hacer una predicción.



Realice un viaje a un estanque local y recolecte agua del estanque. Busque elodea, lentejas de

agua u otras plantas acuáticas con raíces.

Los caracoles y plantas acuáticas también se encuentran fácilmente en la tienda de un acuario

local, en caso de que no pueda encontrarlos en un estanque local.


384 PS-2947

Los datos se recolectan durante 24 horas, de forma tal que esta actividad puede realizarse

como una demostración que se realiza en segundo plano mientras la clase realiza otros

trabajos. Los datos se recolectan y se reflejan en un gráfico. Los alumnos pueden utilizar estos

datos al día siguiente para completar la actividad.

Como alternativa, los alumnos pueden agruparse en grupos más grandes si es necesario (se

necesitan 2 sensores de pH por grupo) y recolectan sus propios datos al día siguiente durante

la clase. Asegúrese de que los alumnos coloquen sus "ecosistemas" y lámparas en un lugar

seguro.

Calibre los sensores de pH para los alumnos con anticipación, a menos que los alumnos sepan

cómo hacerlo y haya suficiente tiempo.

Seguridad


laboratorio:

Trabajar con caracoles vivos requiere respeto y cuidado al manipularlos. Una vez que finalice

la actividad, regrese todos los organismos a su ambiente original o deséchelos de forma

compasiva. No libere a la naturaleza ningún organismo que no sea nativo.

Lávese bien las manos después de preparar los ecosistemas.





Determine qué

indican los datos

acerca de la

actividad de

fotosíntesis de la

planta en cada

ecosistema.

5

Coloque una bolsa

bajo una lámpara

fluorescente y

cubra la otra para

que no llegue luz a

la planta. Mida el

pH durante

24 horas.

4

Prepare el sistema

de recolección de

datos e inserte un

sensor de pH en

cada una de las

bolsas de

"ecosistema".

3

Genere dos

modelos idénticos

de un ecosistema

con agua de

estanque, una

planta acuática y un

caracol.

2

Asegúrese de que

cada miembro del

grupo de

laboratorio esté al

tanto de las normas

y procedimientos

de seguridad para

esta actividad.

1


385




Parte 1: Predicciones

1. Cada una de las dos bolsas de plástico contendrá un caracol, una planta acuática

pequeña y agua de estanque. Una de ellas se colocará bajo la luz y la otra se cubrirá para

que quede en la oscuridad.

Con base en su conocimiento de la fotosíntesis, pronostique cuál de las bolsas de plástico

tendrá el contenido más ácido (menor pH) después de 24 horas.

El pH de la bolsa que se mantiene en la oscuridad tendrá el contenido más ácido y el menor pH.

Parte 2: El efecto de la fotosíntesis en el pH de un ecosistema

2. Utilice la probeta para medir 250 mL de agua de estanque y vierta cuidadosamente el

agua en la bolsa de plástico.

Nota: Coloque la bolsa de forma segura para que el agua no se derrame.

3. Coloque un caracol y una planta acuática pequeña (casi del mismo tamaño) con sus raíces

dentro de cada bolsa de plástico pequeña llena con agua de estanque.

4. Ya que este experimento estudia la fotosíntesis, ¿por qué hay un caracol en la bolsa

además de la planta?

Las plantas necesitan CO2 para la fotosíntesis y el caracol lo suministra. Esto asegura que la planta no se quede

sin CO2.

5. Etiquete el ecosistema (bolsa de plástico) que se mantendrá a la luz con el nombre "N.° 1"

y el ecosistema que se mantendrá en la oscuridad con el nombre "N.° 2".


386 PS-2947

6. Introduzca el sensor de pH en cada bolsa para que la punta quede sumergida en el agua.

7. Coloque una bolsa dentro de medio metro de distancia de una lámpara fluorescente que

esté encendida.

8. Envuelva la otra bolsa en papel de aluminio para que no le llegue luz a la planta.


10. Conecte dos sensores de pH al sistema de recolección de datos.

11. Refleje el Tiempo en el eje X y el pH en el eje Y.


13. Refleje ambas series de datos.

14. Monitoree los datos en vivo sin registrarlos.

15. Registre el pH inicial de cada ecosistema en la Tabla 1.

16. Describa sus ecosistemas acuáticos.

Para este ejemplo, en ambas bolsas, las plantas tienen un color verde oscuro. En el ecosistema N.° 1, el caracol

se está moviendo. El ecosistema N.° 2 está tapado, por lo cual no hay forma de saber lo que está haciendo el

caracol. Al principio, cada bolsa tuvo un pH similar de 6,56 (bolsa N.° 1) y de 6,57 (bolsa N.° 2).

17. Configure la frecuencia de muestreo a una por hora.


1 2

Planta y caracol en agua de estanque, en la oscuridad.

Planta y caracol en agua de estanque, bajo la luz.


387

19. Mida el pH de sus ecosistemas acuáticos durante 24 horas.

20. Después de 24 horas, detenga la recolección de datos.

21. Registre los valores de pH de cada ecosistema en la Tabla 1.

Tabla 1: Comparación del pH del agua de estanque en ecosistemas con y sin luz

Hora

pH

(ecosistema

bajo la luz,

N.° 1)

pH

(ecosistema

en la

oscuridad,

N.° 2)

Hora

pH

(ecosistema

bajo la luz,

N.° 1)

pH

(ecosistema

en la

oscuridad,

N.° 2)

Inicial 8,31 8,05 13 7,34 7,07

1 8,00 7,75 14 7,31 7,09

2 7,64 7,37 15 7,31 7,09

3 7,45 7,32 16 7,32 7,10

4 7,44 7,28 17 7,33 7,10

5 7,40 7,19 18 7,34 7,10

6 7,38 7,17 19 7,34 7,10

7 7,37 7,10 20 7,34 7,11

8 7,36 7,09 21 7,32 7,10

9 7,35 7,06 22 7,31 7,05

10 7,34 7,07 23 7,31 7,03

11 7,35 7,07 24 7,31 7,03

12 7,34 7,06

22. ¿Cómo varió el pH de los dos ecosistemas con el transcurso del tiempo?

El ecosistema en la oscuridad tuvo un menor pH que el ecosistema bajo la luz después de 24 horas.



388 PS-2947

Análisis de Datos

1. Asigne una etiqueta a los ejes y bosqueje las curvas del gráfico de pH contra el

Tiempo.

2. ¿Cómo se comparan sus resultados con sus predicciones? ¿Sus resultados se

acercan a lo esperado? ¿Por qué o por qué no?

Las respuestas variarán. Conforme a un grupo de alumnos: "El pH aumentó levemente en la bolsa bajo la luz. El

pH disminuyó en la bolsa sin luz. El cambio no fue tan grande como esperaba. Estoy seguro de que el cambio

hubiera sido mayor si hubiera más plantas y caracoles en los ecosistemas".

3. ¿Cómo explica las diferencias en el pH? ¿Cómo se relaciona esto con la

fotosíntesis?

La diferencia en el pH se debe a la fotosíntesis de la planta que se produce bajo la luz, la cual agota el dióxido

de carbono. Cuando no hay luz, no se produce la fotosíntesis, por lo cual la planta no agotará el dióxido de

carbono. El CO2 permanece disuelto en el agua y forma ácido carbónico, lo cual disminuye el pH.


1. ¿Los resultados hubieran sido los mismos si se hubiera utilizado diferentes plantas

(por ejemplo, elodea, lentejas de agua, etc.)?

Hubiera sido un patrón similar.

2. Si una variable independiente es un factor experimental que controlan los

científicos y una variable dependiente es un factor que cambia conforme a un cambio

en la variable independiente, para esta actividad, ¿cuál es la variable independiente y

cuál la dependiente?

La variable independiente es la luz y la variable dependiente, que cambia conforme a la presencia o la ausencia

de luz, es el pH.


389

3. Describa lo que sucede durante la fotosíntesis.

Las plantas verdes utilizan la luz solar para sintetizar alimentos a partir del dióxido de carbono y el agua.



1. Predecir cómo el pH cambiaría en un ecosistema acuático durante un ciclo de día

y de noche. Explicar por qué el pH variaría de esta forma.

Ejemplo de respuesta: El pH se reduciría durante la noche y aumentaría durante el día. Por la noche, el CO2

aumentaría porque no puede producirse la fotosíntesis. El aumento en el CO2 reduciría el pH del agua. Durante

el día, el CO2 se reduciría, ya que el proceso de fotosíntesis eliminaría parte del CO2 del agua. Esto aumentaría

el pH del agua.

2. Determinar una regla que describa la dependencia de las plantas y los animales

entre sí en un ecosistema en lo relacionado con la fotosíntesis y la respiración celular.

Las plantas reciben CO2 de los animales, mientras que los animales usan el O2 y la energía de los azúcares

formados por plantas durante la fotosíntesis.

3. Planificar una experimento que ponga a prueba el impacto del CO2 producido por

animales acuáticos sobre la velocidad de la fotosíntesis dentro de un ecosistema

acuático. Incluir en su descripción la variable independiente, la variable dependiente

y las variables controladas.

Las respuestas variarán. Los planes elaborados por los estudiantes deben poner a prueba la presencia de

animales acuáticos y el efecto en la velocidad de la fotosíntesis, y, al mismo tiempo, enumerar una serie de

variables que se mantienen inalteradas. La variable independiente debe ser la presencia o la cantidad de

animales acuáticos. La variable dependiente es la velocidad de la fotosíntesis.

En relación con lo que los estudiantes aprendieron en esta actividad de laboratorio, ellos probablemente lo

medirán por el cambio de pH del agua. (La fotosíntesis también puede medirse directamente por la cantidad de

oxígeno disuelto en el agua o capturando y midiendo la cantidad de gas de oxígeno liberado del agua). Algunas

variables controladas pueden ser la cantidad y el tipo de plantas acuáticas, el tipo de animales acuáticos, la

cantidad de luz, la temperatura y otros factores relacionados con la calidad del agua.



incompletos.

1. La principal fuente de energía para la vida en la Tierra es:

A. El agua

B. El Sol

C. El petróleo


390 PS-2947

2. El CO2 que se utiliza para la fotosíntesis

A. Es necesario para brindar alimentos a la mayoría de los animales

B. Eventualmente resulta en el crecimiento de árboles y plantas

C. Ambos

3. Las características de un animal que podría sobrevivir en un desierto son:

A. Colores brillantes, vocalizaciones a gran volumen y una alimentación con gran

cantidad de frutas

B. Se esconde en una guarida durante el día y la cierra para mantener fuera el

aire seco y caliente

C. Se alimenta de hojas, flores, bayas, brotes, ramas y otros tipos de vegetación



palabra clave.

1. Una comunidad biológica de organismos que interactúan y su ambiente físico se denomina

un/una ecosistema .

2. Para la mayoría de los ecosistemas, la principal fuente de energía es la luz solar.

3. La fotosíntesis requiere luz y dióxido de carbono y agua y genera oxígeno como

subproducto. El caracol requiere oxígeno y libera dióxido de carbono como subproducto.

4. El agua era más ácida cuando el ecosistema del caracol y la planta estuvieron en la

oscuridad.


¿Cómo cambiaría el pH si la bolsa de plástico tuviera más caracoles o plantas?

Conserve uno de sus "ecosistemas" (bolsas de plástico) en el exterior. Mida el pH a cada hora

durante un período de 24 horas. ¿Existe alguna evidencia de la fotosíntesis?

Date post:	30-Jun-2020
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