Recursos útiles para facilitar la experimentación en el aula de FQ

Siempre se ha hablado de la importancia del enfoque experimental en la enseñanza y aprendizaje de la Física y la Química, o al menos de hacer de la experimentación en el aula un complemento necesario para el desarrollo de los contenidos de esta asignatura. Muchos son los profesores que, convencidos de ello, se han empeñado en llevar este aspecto a su práctica diaria en el aula, pese a contar con un cúmulo de dificultades añadidas como el tiempo extra de dedicación que requiere la realización de estas actividades, la disposición de materiales y espacios adecuados o la limitación del horario lectivo para realizarlas. 

Pero el resultado siempre merece la pena. Con los experimentos en vivo y en directo se consigue que las clases sean más interesantes y divertidas, se favorece la participación de los alumnos y se mejora el aprendizaje significativo de los contenidos, pero sobre todo se refuerza la idea de que las ciencias experimentales, como la Física y la Química, van precisamente de observar y explicar lo que lo que sucede realmente en la naturaleza. Ese es su objetivo y a la vez el camino para avanzar en su conocimiento. 

Existen infinidad de recursos para integrar la experimentación a la actividad del aula de Física y Química. Los simuladores, laboratorios virtuales, videos y otros recursos TIC, son sin duda muy útiles y cómodos de utilizar, no ensucian y todo sale siempre como es de esperar. En este campo hay prácticamente de todo, pero recurrir únicamente a estos materiales nos privará de la magia de poder ver y manipular los fenómenos naturales sucediendo en directo ante nuestros ojos.   

Luego está la buena costumbre de acudir al laboratorio para hacer “prácticas” o mostrar experiencias que requieran una logística especial. Las sesiones prácticas en el laboratorio son necesarias, pero no basta. Es difícil llevar a todos los alumnos de un grupo a la vez, o  programar prácticas con una cierta frecuencia, y normalmente estas prácticas quedan desligadas en el espacio y en el tiempo, del desarrollo del currículo que se hace día a día en el aula, por no hablar ya de la dificultad de encajar la práctica a los 45 minutos de la sesión.

¿Cómo acercar entonces un poco más a los alumnos esta dimensión experimental de la asignatura, evitando estos problemas? La solución pasa en gran medida por llevar al aula materiales, experiencias u objetos que conecten con la realidad los contenidos teóricos que se estén explicando en ese preciso momento. Y también, cómo no, optimizando la disposición de espacios, materiales y tiempos cuando los alumnos acudan al laboratorio. De todo esto van los recursos que se comentan a continuación 

Este artículo no es un ensayo sobre didáctica de las ciencias experimentales. Sólo son algunos consejos prácticos para integrar más y mejor la experimentación en el aula de FQ de secundaria. Son recursos que funcionan, o por lo menos, que a mí me han funcionado. Ponerlos en práctica ha hecho que las clases fueran más amenas, mejor aprovechadas y mejor conectadas con la realidad del mundo físico y del entorno cotidiano de los alumnos. Ahí van pues esos consejos.

 

1.- La manipulación habitual de objetos y modelos

Cuando se está explicando en clase cualquier tema resulta muy útil tener a mano los objetos de los que se está hablando o bien modelos de los mismos, para que los alumnos puedan verlos o manipularlos simultáneamente y así reforzar los estímulos, lo que ameniza la explicación y favorece enormemente su aprendizaje. Así que parece una buena idea llevar a clase balanzas, termómetros, probetas para medir objetos mientras se explican las magnitudes y su medida; dinamómetros, cuerdas y bloques reales que arrastrar cuando se trata la dinámica; o también recipientes con moles de diferentes sustancias de distinto aspecto y propiedades cuando se habla de las sustancias químicas y su composición.

Requiere una mención aparte el empleo de modelos atómico-moleculares y de redes cristalinas para estudiar la estructura de la materia y otros temas relacionados como el enlace químico o incluso la formulación y nomenclatura químicas. Estos modelos de “lo que no se puede ver” son imprescindibles para entender bien la conexión entre la teoría atómico-molecular y la materia tal como se presenta realmente ante nuestros ojos. Es conveniente disponer de cajas de modelos didácticos para construir moléculas y redes cristalinas, como el de la foto. Pero también pueden improvisarse con bolas de porexpán, palillos y pegamento, disponibles en cualquier número y tamaño en cualquier bazar, o mismo con bolitas de plastilina de colores. Lo importante es que los alumnos estén viendo, tocando y, si es posible, armando estos modelos mientras se está explicando en clase. Yo particularmente prefiero los modelos que permiten acoplar directamente unos átomos en contacto con otros sin que se vean palillos entre ellos, por ofrecer una imagen más verosímil de las moléculas y especialmente las redes cristalinas, pues en este último caso las varillas resultan engañosas ya que nos pueden incitar a creer que representan enlaces entre átomos o iones y que éstos no están en contacto unos con otros.

 

 2.- Disponer de un espacio bien ordenado con reactivos y material básico.

Para hacer experimentos en clase no es necesario contar con uno o dos grandes laboratorios dotados de abundante y sofisticado material (aunque la verdad es que no viene nada mal). Si por desgracia el Centro no cuenta con un laboratorio escolar mínimamente equipado, no debemos renunciar a hacer experiencias en el aula. Para ello es preciso disponer al menos de un espacio donde poder almacenar el material imprescindible para que puedan trabajar los alumnos en el aula. Recipientes de vidrio, aparatos de medida, materiales de mecánica y electromagnetismo, etc. Lo importante no es que sean caros y sofisticados, sino que haya suficientes para toda la clase (individualmente o pequeños grupos); que tenga un fregadero y toma de corriente eléctrica. Habrá que contar también con un surtido de los reactivos químicos más habituales. Si procuramos que todo este material esté siempre recogido, limpio y bien ordenado, ahorraremos mucho tiempo y trabajo  en preparar nuestras experiencias.

 

 3.- “El carrito de llevar al aula”

Como decíamos antes, es una buena idea tener la costumbre de llevar al aula, casi a diario,  materiales y objetos con los que experimentar y ver de cerca las cosas que se estén explicando en clase en ese momento. Esto puede hacerlo el profesor a modo de exhibición, o experiencia de cátedra que se decía antes, pero también hacer que experimenten los alumnos en pequeños grupos en el momento y sin salir de su aula. Para hacer esto viene muy bien que el profesor tenga a su disposición un carrito auxiliar (como el de la foto) en el que pueda llevar fácilmente al aula el material de los experimentos y demostraciones que haya preparado previamente. Se puede acoplar también al carro algún soporte con varilla, una fuente de calor, una alargadera con enchufes, un recipiente con agua y otro para vertido, e incluso usarlo para transportar instrumental más sofisticado como un sistema de recogida y proceso de datos y un ordenador portátil. La bandeja de arriba puede servir como mesilla desde la que presentar las experiencias. ¡Ah! y no olvidarse de llevar paños y papel absorbente, por si acaso.

 

 4.- Presentar experiencias sucediendo en tiempo real con  LAO

El empleo de un dispositivo de laboratorio asistido por ordenador (LAO) es un recurso que resulta especialmente motivador y que da un valor añadido a la explicación del tema en el aula, ya que permite mostrar ante toda la clase la realidad del fenómeno que se está explicando mientras sucede en ese mismo lugar y momento, a la vez que se generan tablas de datos, gráficos dinámicos, o se induce la ley matemática que lo describe.

El dispositivo consta de una consola de toma de datos, sensores de medida de las magnitudes que se vayan a analizar y un ordenador portátil con el software necesario para presentar y analizar los datos tomados por la consola. Todo ello, junto con el recipiente o montaje donde tiene lugar el experimento, ocupa poco espacio y puede ser llevado al aula fácilmente montado en un carrito para hacer el experimento inmediatamente. Si además se conecta el portátil a un videoproyector frente a una pantalla grande, entonces el resultado es espectacular.

Queda de lujo, por ejemplo, explicar las leyes del calentamiento y cambio de fase mientras se calienta hasta hervir el agua de un vaso ante toda la clase y va apareciendo en tiempo real la curva de la temperatura frente al calor en una gran pantalla; o explicar la neutralización ácido-base con el profesor realizando una valoración volumétrica en medio del aula a la vez que en la pantalla se va desarrollando la gráfica del pH del ácido frente al volumen de base añadido. Esto sólo por citar dos ejemplos. Hay sensores para todo lo que se nos pueda ocurrir: temperatura, presión, luminosidad, pH, conductividad, intensidad de campo magnético, absorbancia, intensidad sonora, velocidad y aceleración, radioactividad, etc.

Foto: Modelo de dispositivo Data Harvest de Easysense con dos sensores de temperatura y uno de intensidad luminosa en un experimento para relacionar la temperatura de una habitación con la luz que recibe a través de la ventana y la temperatura del exterior, cuya evolución  con el tiempo se va registrando en la pantalla del ordenador.

 

 5.- Aparatos de medida y reactivos para todos

Es importante que los alumnos manejen con frecuencia los aparatos de medida y que se familiaricen con ellos. Igualmente sería deseable que medir una magnitud cualquiera como un tiempo, un volumen, las dimensiones de un objeto, un voltaje, una temperatura o el pH de una disolución no fuese un experimento en sí mismo, sino un procedimiento habitual (rutinario) para seguir cualquier experiencia, ya sea en el aula o en el laboratorio. Con la adquisición de estas destrezas instrumentales los alumnos se podrán centrar mejor en el objetivo de las experiencias que estén realizando y a la larga se ahorrará tiempo. Veamos los instrumentos de los que sería recomendable disponer, si no para todos, al menos para compartir en grupos de no más de cuatro individuos.

5.1. Instrumentos para medir longitudes, superficies, volúmenes y tiempos:

Reglas milimetradas de 40  cm y calibres para longitudes y, indirectamente, superficies y volúmenes regulares. Probetas de plástico transparente de 100 mL  para volúmenes. Los cronómetros no son necesarios actualmente, pues los alumnos pueden medir tiempos con sus propios relojes y móviles.

5.2. Instrumentos para medir masas y fuerzas:

Para hacer pesadas de forma rápida y sencilla conviene disponer de unas cuantas balanzas digitales como las de cocina. Con 1000 g y 0,1 g de precisión es suficiente y son resistentes y muy económicas. Para medir fuerzas en módulo y dirección conviene disponer de un buen número de dinamómetros de 1, 5 y 10 N.

5.3. Polímetro digital

El polímetro o multímetro, para medir voltaje, resistencias e intensidad de corriente eléctrica continua o alterna, es un dispositivo muy útil tanto para su uso didáctico como doméstico, que todos los alumnos deberían saber manejar con soltura. Disponer de un pequeño polímetro digital con las tres funciones básicas para cada tres o cuatro alumnos sería suficiente.

5.4. Pehachímetro – conductímetro – termómetro portátil

Este es otro instrumento que da mucho juego para usar en las prácticas de laboratorio o llevarlos al aula. Se trata de un medidor de pH de bolsillo que lleva integrado un medidor de conductividad eléctrica y termómetro para medidas de estas magnitudes en disolución. Aunque resulta un poco más caro que los instrumentos anteriores, y su buen uso y mantenimiento es un poco más delicado, es una buena inversión el disponer de 6 unidades de este  “3 en 1” para que los alumnos de toda una clase los usen en pequeños grupos. Resulta especialmente útil para experimentar y entender mejor el comportamiento ácido base, la disociación electrolítica y la estructura y enlace químico de las sustancias.

5.5. Botes y frascos individuales de reactivos

Un consejo que es clave para que en los 45 o 50 minutos escasos que dura una sesión lectiva dé tiempo suficiente para hacer una experiencia sin que se quede a medio terminar es que cada alumno o pequeño grupo participante en la misma tenga a su disposición todo el material y reactivos preparados en su puesto de trabajo en una bandeja, cesta, o en la misma mesa sobre un papel absorbente. De este modo no se perderá tiempo en ir a buscar estos materiales, en esperar a que otros terminen de servirse antes o en detectar y corregir equivocaciones. En este sentido resulta muy práctico disponer de un buen número de pequeños botes o recipientes donde se presenten, convenientemente etiquetados, los reactivos que se vayan a utilizar en esa sesión en el puesto de trabajo de cada uno. A veces incluso puede convenir presentarlos ya dosificados.

 

 Algunos instrumentos que conviene disponer para uso habitual de los alumnos: pequeños botes y frascos para tener los reactivos listos para utilizar en el momento, polímetro digital, pehachímetro portátil con conductímetro y termómetro incorporado.

 

 6.- Usar el smartphone como instrumento de medida

En muchos casos es posible prescindir del uso de sofisticados y a veces demasiado caros aparatos de laboratorio para hacer medidas en nuestras experiencias de aula. Podemos recurrir a los móviles o smartphones de que disponen la mayoría de los alumnos y que están deseando utilizar a la mínima ocasión.

Aparte de la calculadora y el cronómetro, muy útiles en la mayoría de los experimentos, existen algunas aplicaciones gratuitas que se pueden descargar en menos de un minuto y que agrupan una buena colección de dispositivos para medir diferentes magnitudes. Cito por ejemplo la aplicación Physics Toolbox, con la que podemos medir de forma instantánea y sencilla, entre otras cosas, aceleraciones con sus componentes; ángulos y pequeñas longitudes; intensidades, frecuencias, ondas y espectros de sonidos; intensidades y tonos luminosos; intensidad y dirección de campos magnéticos, etc.

Algunas experiencias típicas donde resulta especialmente útil este recurso para manejar todos pueden ser la medida del periodo de un péndulo y los factores que en él influyen, la exploración del campo magnético local o en torno a una bobina o imán, la medida de las características ondulatorias de un sonido, o la medida directa de la aceleración de un cuerpo que desliza por un plano inclinado.

Foto: Utilizando el osciloscopio de la app Physics Toolbox en un móvil para visualizar la onda sonora de una nota pulsada en una guitarra y medir su periodo y frecuencia.

 

 7.- Observar y experimentar en casa

Hasta ahora hemos hablado de llevar ocasionalmente al laboratorio a toda la clase para hacer alguna práctica y de tener la buena costumbre de llevar los materiales al aula para experimentar ahí mismo, bien como demostración, o bien con la participación activa de todos. Pero aun queda el recurso a otro escenario muy valioso para que cada alumno practique los experimentos sugeridos por el profesor: su entorno familiar, desde la cocina o el baño de su casa hasta el patio, la calle o el parque donde salen a jugar o a relacionarse con sus amigos. La cocina es, por ejemplo, un estupendo laboratorio de química donde, siguiendo las instrucciones del profesor, los alumnos pueden practicar técnicas de mezcla, separación e identificación de sustancias (filtraciones, cromatografías, decantaciones) o incluso reacciones químicas de todo tipo. La calle o el patio puede ser también un buen escenario para experimentos de cinemática y mecánica en general, o de acústica. En la bibliografía hay muchas sugerencias concretas en este sentido. Los experimentos en casa tienen la gran ventaja de que no consumen tiempo lectivo y de favorecer la autonomía e iniciativa del alumno, quien además debe presentar sus resultados y aprender a exponerlos. Eso sí, es muy importante que el profesor se preocupe de explicar claramente el objetivo y procedimiento del experimento y de evaluar y corregir los resultados.

 

 

Espectros y espectroscopios para todos

 

Acabo de volver del XXXV Congreso de la Asociación ENCIGA  (Ensinantes de Ciencias de Galicia) celebrado en la villa de Ponteceso (A Coruña). En esta ocasión he participado organizando un obradoiro titulado “Espectroscopia práctica low cost”. En este taller, después de resaltar la importancia que tiene la espectroscopía y su práctica en el currículo del Bachillerato, he compartido con los profesores asistentes algunas experiencias relacionadas con ese tema. Más concretamente, cómo hacer para que todos los alumnos puedan disponer de espectroscopios y materiales que suministren los espectros adecuados, y hacer algunas prácticas interesantes desde el punto de vista didáctico; todo ello con buena calidad y al mínimo coste.

Esta experiencia la hemos ido desarrollando hasta ahora el IES Tomás Mingot de Logroño (mi último destino como profesor en activo) y el objetivo principal de relatarla era animar a otros profesores a ponerla en práctica en sus Centros.

Abriendo en este mismo blog la pestaña de la página Mis Trabajos, en el capítulo de Espectroscopía podrás encontrar todos los documentos, materiales y experiencias elaborados para este tema, desde el desarrollo del taller, pasando por las instrucciones para confeccionar los espectroscopios, o los procedimientos para realizar algunas experiencias prácticas de espectroscopía.

 

Espectroscopía, espectros, espectroscopios… ¿de qué estamos hablando?

El espectro de una sustancia es un registro gráfico de la interacción entre la luz que desprende o recibe y la materia que la compone. Muestra la intensidad de la luz emitida o absorbida para cada una de las frecuencias o longitudes de onda (color) que abarca. El espectro de una sustancia revela información de su estructura a nivel atómico-molecular, y en cierto modo puede considerarse la “huella dactilar” que permite identificar su presencia en una muestra. Los espectroscopios son los dispositivos que permiten observar espectros. Si además cuantifican la intensidad de cada frecuencia se denominan espectrómetros o espectrofotómetros.

Todo espectroscopio consta de dos elementos esenciales: El colimador, rendija fina para estrechar el haz de luz que recibe de la muestra, y un prisma óptico o red de difracción, para separar el haz de luz, ya por dispersión o ya por difracción, en las frecuencias monocromáticas que lo componen. El conjunto debe estar aislado del resto de luz exterior y el espectro se registra entonces en la retina o en una placa fotográfica a través de una abertura u ocular.

      Espectro visible discontinuo de emisión característico del hidrógeno, producido por la luz emitida en el tubo de descarga de este gas al analizarlo con un espectroscopio clásico de prisma como el de la foto.

 Los espectros se pueden clasificar atendiendo a diferentes criterios:

• Visible, UV, IR, X, MW, etc. Según la radiación electromagnética que interaccione con la sustancia analizada. Los espectros atómicos que aquí tratamos son los espectros visibles originados en las transiciones entre niveles electrónicos de los átomos de la sustancia.
• De emisión o absorción. Según  se analice la  luz que emite la sustancia, excitada mediante calor o tensión eléctrica, o la que absorbe al incidir sobre ella luz de todas las frecuencias. Ambos espectros son complementarios para una misma sustancia, es decir, las frecuencias que emite son exactamente las mismas que absorbe.
• Continuos o discontinuos. Según aparezca una distribución continua de la frecuencia o bien discontinuidades que, según su grosor, pueden ser bandas o rayas espectrales. Sólidos y líquidos dan espectros continuos o de bandas, mientras que los discontinuos de rayas son propios de gases y plasmas.

 

Sobre la conveniencia de hacer experimentos con espectros

La naturaleza física de la luz en general y, más concretamente, su interacción con la materia en relación con la estructura atómico-molecular, que es el objeto de la espectroscopía, es un tema que está presente en todas las asignaturas de Física y Química del Bachillerato Científico y Tecnológico. Pero es sobre todo en la Química de 2º curso donde se aborda explícitamente el estudio de los espectros atómicos. Por otro lado se insiste en la conveniencia de que el alumnado experimente e investigue mediante la realización de trabajos prácticos en el laboratorio en todos los niveles. Haciendo clic en este enlace encontrarás una tabla con los contenidos del currículo actual del Bachillerato relacionados con la luz y los espectros y la importancia de su experimentación.

Así pues parece muy apropiado programar prácticas en las que los alumnos tengan la oportunidad de manejar espectroscopios  y obtener e interpretar espectros, pero ahora surge el problema de contar con el instrumental adecuado.

 

Cómo disponer de espectroscopios buenos, bonitos y  baratos

Pues ¡haciéndoselos uno mismo!

Los equipos de espectroscopía son caros y delicados, por lo que dotar a un laboratorio escolar con este instrumental para que los alumnos puedan realizar sus experiencias de forma individual requeriría un presupuesto difícil de asumir para muchos Centros. La solución consiste en confeccionar nuestros propios espectroscopios hechos a mano. En la web podemos encontrar algunas propuestas de modelos para este fin. Pero aquí vamos a presentar dos modelos optimizados para obtener unos espectros más que aceptables. En los enlaces que aparecen a continuación encontrarás las instrucciones detalladas para hacer estos espectroscopios.

Espectroscopio “marca ACME” 

Hecho con un tubo de cartón y una red de difracción tipo diapositiva de 500 L/mm disponible en catálogos de material didáctico. Recoge un espectro visible de notable calidad, es manejable, resistente y la red se puede quitar y poner fácilmente. Ideal para dotar al laboratorio con varias unidades. Para ver cómo montarlo, haz clic en este enlace.

Espectroscopio casero “BBB” 

 

Hecho con cartulina y un fragmento de un CD viejo a modo de red de difracción. Ideal para disponer de un espectroscopio individual sin gastar un duro. Cada alumno puede hacer fácilmente el suyo y es sorprende la calidad de los espectros que se pueden observar con él si se tiene un mínimo de cuidado en su confección. Las Instrucciones y plantilla están disponibles en este enlace .

 

En las figuras: fotos de los dos modelos de espectroscopio descritos y el espectro visible de emisión discontinuo de una lámpara fluorescente de bajo consumo tal como puede observarse en cada uno de ellos.

 

¿Y dónde podemos observar espectros interesantes?

Pues sin ir más lejos, utilizando fuentes luminosas y materiales que podemos encontrar normalmente a nuestro alrededor, como tubos de luz y bombillas de diferentes tipos, filtros,  pantallas, o mismamente la luz natural.

Por ejemplo, un tubo fluorescente o una lámpara de bajo consumo nos ofrece un espectro de emisión discontinuo en el que la posición de sus rayas nos informa de la presencia en su interior del elemento mercurio.

La luz solar muestra un espectro continuo de emisión sobre el que se superpone una serie de finas rayas negras de absorción correspondientes sobre todo al hidrógeno y al helio de su atmósfera menos caliente.

Una bombilla de filamento incandescente nos muestra un espectro de emisión perfectamente continuo, pero anteponiendo un filtro coloreado veremos cómo desaparece una parte de éste por una banda ancha y continua de absorción causada por el colorante del filtro.

Otros espectros interesantes de analizar son los que dan las bombillas LED, las pantallas o monitores RGB  y las lámparas de descarga de gases como las de sodio o neón, que dan espectros discontinuos de emisión de unas pocas rayas finas.

En este enlace se muestran los resultados de los espectros que se pueden observar con estos espectroscopios caseros para algunas de las fuentes luminosas citadas.

También es muy interesante experimentar con los diferentes colores que presentan algunos elementos  químicos en la llama de un mechero, colores que permiten identificarlos y que son el resultado de su espectro de emisión. En este enlace se describe el procedimiento para llevar a cabo esta experiencia.

 

 

 

Comparando un compuesto químico con los elementos que lo forman ¡La diferencia salta a la vista!

 

Uno empieza a entender la Química cuando es capaz de comprender en qué consiste la diferencia entre un compuesto químico y una mezcla de los elementos químicos  que lo componen.  Cuando tiene claro, por ejemplo, por qué no es lo mismo una mezcla de los gases oxígeno e hidrógeno que unas gotas de agua, aunque casualmente ambos sistemas puedan contener la misma cantidad de materia.

Con frecuencia oímos decir cosas como que  no es bueno usar dentífricos que contengan  flúor porque el flúor es un elemento muy tóxico y corrosivo, o que es peligroso el contacto con el PVC porque tiene cloro, que también es un elemento muy perjudicial para la salud. Son afirmaciones falaces que ignoran que los elementos químicos y los compuestos químicos que éstos forman son sustancias diferentes que poco o nada tienen que ver en cuanto a sus propiedades. De hecho, el PVC está  formado largas cadenas hidrocarbonadas en las que  los átomos de cloro están fuertemente anclados a ellas, haciendo de éste un material estable y químicamente inerte, y el flúor de la pasta de dientes se encuentra en forma de fluoruros, que son sales en las que el flúor aparece combinado como ion fluoruro, muy estables y de propiedades absolutamente distintas a las del flúor elemental.

Cuando se tratan de enseñar los fundamentos de la Química General, siempre hay un momento en que aparece esta dificultad para comprender la diferencia entre elemento químico y compuesto químico y, de forma paralela, entre mezcla y combinación química de sustancias. Para ayudar a entender esta diferencia, vamos a proponer una actividad que consiste en una  observación directa en el laboratorio, una representación de modelos atómico-moleculares  y las conclusiones generales que se pueden deducir.

Podemos, por ejemplo, comparar un par de elementos como el gas cloro y el  metal sodio con el compuesto que forman, el cloruro de sodio, que es la sal común.

 

ACTIVIDAD: ¿Qué diferencia hay entre el cloro, el sodio, una mezcla de cloro y sodio, y el cloruro de sodio? 

 

1.- Observación. Evidencia de las diferencias

Para empezar, se presentan estos sistemas materiales para su observación. Es recomendable hacerlo en un lugar ventilado y seguro del laboratorio y usar bata, guantes y gafas protectoras. La manipulación de las sustancias debe hacerlas exclusivamente el monitor de la actividad. En la imagen que se muestra más adelante aparecen las fotos del aspecto de estos cuatro sistemas materiales que se describen a continuación.

a) Sodio. Elemento químico. Se extrae un trozo de su recipiente y se deposita en la mesa sobre un papel limpio y seco, donde se puede cortar con un cutter o un cuchillo en trozos más pequeños para observar su aspecto y propiedades:  sólido maleable muy blando, de color plateado y  brillo metálico en el corte reciente, fácilmente oxidable al aire (forma rápidamente una pátina blanca mate de óxido de sodio), y reacciona violentamente con el agua (se puede comprobar añadiendo con cuidado un pequeño trocito de un par de milímetros sobre un recipiente con agua).

b) Cloro. Elemento químico. Se genera en el momento de la observación haciendo la experiencia en una campana de gases o con una ventilación al exterior.  Dentro de un balón de vidrio o un erlenmeyer que contiene unos pocos mililitros de lejía comercial se añade un chorrito de aguafuerte (ácido clorhídrico al 30%) y se tapa el recipiente unos segundos después mediante un tapón sin presionar. Casi de forma instantánea, se libera el elemento químico cloro, que es el gas amarillo verdoso que tras desalojar al aire ocupa ahora todo el recipiente. Aunque no lo vamos a experimentar, aprovechamos para indicar alguna propiedad más del cloro, como su carácter fuertemente oxidante y corrosivo, su olor por todos conocido y su toxicidad. Se puede aprovechar también para comentar el gran peligro que supone mezclar productos de limpieza en el hogar.

c) Cloruro de sodio. Compuesto químico. Formado por combinación química de los dos elementos anteriores. Se puede mostrar un fragmento del mineral halita y una muestra de sal fina común. Se puede observar su aspecto cristalino vítreo,incoloro y transparente (cristal) o blanco (microcristales), es frágil y más dura que el sodio. En el agua se disuelve sin reaccionar y presenta sabor salado. Su aspecto y propiedades en general no se parecen al de ninguno de los elementos que lo componen.

d) Mezcla de cloro y sodio. Se puede juntar algunos pequeños fragmentos de sodio con el cloro, en frío y en seco para evitar la reacción química. Por ejemplo, extrayendo gas cloro del recipiente donde se formó con ayuda de  una jeringuilla en la cual estarían ya depositados los trocitos de sodio. Se puede comprobar que en la mezcla sigue estando presente cada uno de los elementos manteniendo su aspecto y propiedades características. 

La experiencia en el laboratorio se puede completar realizando la reacción química de obtención del compuesto cloruro de sodio a partir de los elementos cloro y sodio. Introduciendo en un recipiente con cloro un pequeño fragmento de sodio previamente fundido al calor. Veremos cómo se forma una humareda formada por un polvo blanco de cloruro de sodio que se deposita en el fondo y las  paredes del recipiente,  tal como puede verse en este vídeo:https://www.youtube.com/watch?v=5kaVWccdTNQ. La reacción de formación del cloruro de sodio puede representarse como Na (s) + ½ Cl₂ (g) à  NaCl (s)

 

2.- Análisis de lo observado y justificación atómico-molecular

Los diagramas que muestran simplificadamente la estructura atómico-molecular de las sustancias son muy elocuentes a la hora de dar a entender la diferencia entre sustancias puras y mezclas de sustancias; entre elementos y compuestos químicos, entre sólidos, líquidos y gases; o entre moléculas y cristales. Veamos en la figura cómo se muestran para el caso que aquí nos ocupa.

a) Sodio (Na):  En un trozo de este metal sólo hay átomos de sodio juntos y ordenados que forman un cristal. Así se explica que se trata de un elemento químico puro en estado sólido. Su fórmula, Na, nos indica que sólo hay átomos de sodio.

b) Cloro (Cl₂): En una muestra de este gas verdoso sólo hay átomos de cloro, por lo que se trata de un elemento químico, los cuales están unidos de dos en dos formando moléculas diatómicas, por lo que su fórmula es Cl₂. Estas moléculas están desligadas unas de otras y en movimiento, llenando así todo el recipiente, pues se trata de un gas.

c) Cloruro de sodio (NaCl): en un trocito de esta sal se ve que hay átomos de Na y Cl, pero están unidos y en una proporción bien definida, 1:1 en este caso, por lo que se trata de un compuesto químico de cloro y sodio de fórmula NaCl. Como resultado de su enlace químico, iónico en este caso, forman un sólido cristalino (empaquetamiento ordenado de átomos). Comparando con los diagramas primero y segundo, que corresponden a los elemento sodio y cloro, se entiende que el aspecto y propiedades del cloruro de sodio no tengan nada que ver con las de ninguno de los dos elementos que lo componen.

d) Mezcla de cloro y sodio: A diferencia del cloruro de sodio, que es la sustancia química (compuesto) que han formado cloro y sodio al combinarse, representada en el tercer diagrama, aquí aparecen zonas (fases) del elemento sodio y zonas del elemento cloro, manteniendo en cada una la identidad, estructura y propiedades de cada elemento. No hay combinación ni unión entre los átomos de un elemento con los del otro. En consecuencia, no existe cloruro de sodio, sino una mezcla en proporción indefinida de ambos elementos, los cuales mantienen intacta su estructura y propiedades. Un mezcla, por definición, no tiene fórmula química.

En la tabla siguiente se resume el resultado de la interpretación de todas estas observaciones tanto a nivel macroscópico como microscópico. 

 

 

 3.- Conclusión: Generalización de la diferencia entre elemento, mezcla y compuesto químico

Como puede deducirse de la comparación anterior, existe una diferencia clara, que es consecuencia de su estructura atómico-molecular, entre un compuesto químico y los elementos químicos que lo componen, ya sean puros o mezclados unos con otros. La clave es que en el compuesto existe una combinación química en una proporción definida entre los elementos que lo han formado, que deriva de la unión mediante enlace químico de los átomos de dichos elementos. Esto hace que el compuesto sea una sustancia química nueva y diferente a cada uno de los elementos que la han originado, o a su simple mezcla. El tipo de enlace y la estructura en que se disponen los átomos determinará el aspecto y propiedades características de cada sustancia, ya sea ésta elemento o compuesto. Esta generalización se detalla en la siguiente tabla.

Elemento químico	Mezcla de elementos	Compuesto químico
Una sola sustancia química	Varias sustancias químicas	Una sola sustancia química
	Proporción indefinida, composición variable	Proporción definida entre sus elementos. Composición fija
	No hay combinación química entre los elementos componentes	Hay una combinación química entre los elementos componentes
Átomos iguales	átomos de varios elementos	átomos de varios elementos
Fórmula con un solo símbolo	No tiene fórmula química	Fórmula única que incluye varios símbolos
	No hay enlace químico entre los átomos de un elemento y los de otro	Sí hay enlace químico entre los átomos de un elemento y los de otro
Tiene unas propiedades características	Cada elemento mezclado mantiene sus propias propiedades	Tiene unas propiedades características que no tienen que ver con las de los elementos que lo forman
	Se pueden separar por medios físicos	para separar sus elementos es preciso una reacción química

 

Otros ejemplos para experimentar estas observaciones

Hay otros buenos ejemplos a los que recurrir a la hora de poner en evidencia  la diferencia entre elementos y compuesto o entre mezcla y combinación química. Todos son de fácil disposición en el laboratorio o en nuestro entorno cotidiano y además permiten hacer fácilmente la reacción de combinación entre los elementos para formar el compuesto. Se citan a continuación algunos de estos:

1.- Hierro (Fe), azufre(S) y sulfuro de hierro(II) (FeS).

El hierro se presenta en limaduras o pequeños clavos de aspecto metálico, denso y ferromagnético; el azufre como polvo amarillo muy ligero, y el sulfuro de hierro como polvo negro que no se deja atraer por un imán.

2.- Oxígeno (O₂), hidrógeno (H₂) y agua (H₂O)

La mezcla gaseosa incolora de hidrógeno y oxígeno puede observarse obteniéndola fácilmente en la electrolisis del agua líquida. También es sencillo disponer de los elementos por separado atacando un metal con ácido (desprende hidrógeno) y  calentando un perclorato (se descompone liberando oxígeno)

3.- Oxígeno (O₂), hierro (Fe) y óxido de hierro(III)  (Fe₂O₃)

Aquí tenemos la ventaja de tenar hecha de antemano la observación al disponer en nuestro entorno cotidiano tanto de los elementos libres  como de su combinación, ya que el óxido de hierro(III) es el ocre rojo que se puede apreciar en la herrumbre o en algunos minerales de hierro.

4.- Mercurio (Hg), oxígeno (O₂) y óxido de mercurio(II) (HgO)

Tiene el inconveniente de la manipulación del mercurio (es tóxico), pero la ventaja de poder comparar tres  sustancias de aspecto y propiedades muy diferentes, el mercurio es un líquido metálico plateado y muy denso, el oxígeno un gas incoloro y el óxido de mercurio un sólido en forma de polvo de intenso color rojo. En este caso es más práctico hacer la reacción de descomposición (calentando el óxido para liberar el oxígeno y el mercurio) que la de formación del compuesto.