Resumen de: "ERRORES CONCEPTUALES EN EL ESTUDIO DEL EQUILIBRIO QUÍMICO: NUEVAS APORTACIONES RELACIONADAS CON LA INCORRECTA APLICACION DEL PRINCIPIO DE LE CHATELIER" de J. Quílez Pardo y V. Sanjosé López.

INTRODUCCION

Ha sido grande el estudio en torno a la existencia de errores conceptuales en estudiantes y profesores. Estos estudios buscan dar respuesta a preguntas como: cuáles son estos errores, por qué se originan, cómo deben ser tratados y como evitarlos o superarlos.

En este trabajo intentará dársele respuesta a algunas de las preguntas que surgen en torno al principio de Le Chatelier.

ERRORES CONCEPTUALES Y DIFICULTADES DE APRENDIZAJE RELACIONADOS CON EL CONCEPTO DE EQUILIBRIO QUÍMICO

Las principales dificultades de aprendizaje y de errores conceptuales se deben s los siguientes aspectos:

El concepto de equilibrio químico es uno de los más difíciles de enseñar. Esto, debido a la naturaleza abstracta del mismo, y a que se requiere el conocimiento previo de un gran numero de conceptos relacionados con él.

a) Incorrecta interpretación de la doble flecha. b) Errores relacionados con el carácter dinámico del equilibrio. c) Compartimentación del equilibrio. d) Confusiones debido a la estequiometría.

h) Errores en la predicción de la evolución de un sistema en equilibrio por un cambio de las magnitudes que lo definen: principio de Le Chatelier.

e) Errores en el estudio de equilibrios heterogéneos: dificultades masa-concentración y aplicación incorrecta del principio de Le Chatelier. f) Dificultades con la constante de equilibrio.

g) Errores acerca del efecto de los catalizadores sobre el equilibrio.

Estos errores conceptuales se deben en su mayoría por ideas inducidas a través de la enseñanza, es decir, que no surgen de manera espontánea. Puede deberse a errores en analogías que tanto los profesores como los libros que se utilizan para enseñar el concepto de equilibrio químico usan o por problemas en el lenguaje.

Otra dificultad se relaciona con la deficiente resolución de problemas, que puede deberse a un tratamiento superficial del problema al que no se le realiza el correcto control de las variables y además, se emplean estrategias de resolucion de tipo al algorítmico que no cuestionan su validez y otorga resultados pocas veces analizados.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Los aspectos más problemáticos a los que se enfrentan los investigadores al estudiar el equilibrio químico son: realizar la correcta comprensión del principio de Le Chatelier y su correcta utilización.

El principio de Le Chatelier es limitado, vago y ambiguo. Por lo que se ha empleado un tratamiento termodinámico mediante la utilización de una constante de equilibrio que evita los inconvenientes. Aún así, algunos libros de química general ignoran las deficiencias.

Al hecho del deficiente planteamiento didáctico que realizan muchos libros de química general y al tratamiento superficial y algorítmico en la resolución de problemas, hay que sumarle la importancia que se le otorga al momento de evaluar a los alumnos. En gran parte de las evaluaciones que se realizan no se consideran todas las variables, por lo que genera ambigüedad en la respuesta correcta.

Hay que recalcar que la utilización del principio de Le Chatelier es incorrecta para el caso de adición o eliminación de un sólido en equilibrios heterogéneos. Demás está decir que este principio sólo se utiliza sobre sistemas que se encuentran en equilibrio. sin embargo, hay libros que piden que se utilice esta regla sobre sistemas que no se encuentran en equilibrio químico.

OBJETIVOS E HIPÓTESIS

A pesar de que se discute la validez del principio de Le Chatelier, sigue siendo presentado de forma simplificada, por lo que se considera como infalible. Ésto, sumado al aprendizaje memorístico y algorítmico con el que se enseña para resolver problemas de equilibrio químico, genera errores conceptuales al momento de estudiar el tema señalado.

Este estudio se centrará en aquellos errores que pueden surgir por la incorrecta aplicación o comprensión del principio de Le Chatelier.

DISEÑO EXPERIMENTAL

Un cuestionario de cinco problemas se le administró a 3 grupos de estudiantes ya familiarizados con los conceptos de equilibrio químico. Estas cuestiones plantean situaciones en las que el principio de Le Chatelier no tiene aplicación, se encuentra limitado o da lugar a predicciones incorrectas del sentido de evolución de un sistema en equilibrio que ha podido ser perturbado.

Realizaremos el estudio de dos de los cinco problemas planteados en el paper de investigación.

ÍTEM 1

Supone la adición a un sistema en equilibrio químico, a presión y temperatura constantes, de uno de los reactivos que participan en la reacción.

Al aplicar el principio de Le Chatelier se obtienen dos respuestas contradictorias. Por un lado, si bien la presión total se mantiene constante, la adición de N2(g) produce un aumento en su presión parcial, mientras que la del H2 disminuye, produciéndose dos efectos contrapuestos. A una conclusión idéntica puede llegarse si se tiene en cuenta la variación del volumen del reactor.

ÍTEM 2

Consta de dos apartados:

a) Adición de una pequeña cantidad de sólido a un equilibrio heterogéneo.

b) Adición a ese sistema de un gas inerte a volumen y temperatura constantes.

Un error conceptual muy extendido es la aplicación del principio de Le Chatelier a equilibrios heterogéneos por la variación en la cantidad de una de las sustancias sólidas.

Un estudiante puede tratar de utilizar el principio de Le Chatelier de la siguiente forma (Driscoll 1960): "La adición de un gas inerte, a volumen y temperatura constantes, incrementará la presión del sistema. El principio de Le Chatelier indica que el sistema se acomodará para lograr disminuir ese incremento de presión. Para lograrlo, se supone la formación de un menor número de moléculas en una mayor extensión que en el equilibrio inicial" .Para resolver correctamente la b), basta con considerar inicialmente la expresión de la constante de equilibrio y realizar los razonamientos que se deben en función de la misma.

En el ítem 1, un 79% de los estudiantes predice un aumento en la cantidad de amoniaco. Todas esas respuestas se apoyan en el principio de Le Chatelier y entre éstas, un 10% utiliza la constante de equilibrio para apoyar su argumentación. ninguna de las respuestas presentó una discusión adecuada. Algunas contestaciones mostraron dificultades a la hora de expresar la constante de equilibrio y en otras (11%) se indicó que el nitrógeno añadido permanecería en exceso, sin producir desplazamiento, al no existir suficiente hidrógeno para reaccionar.

En el ítem 2, un 73 % utilizó el principio de Le Chatelier para responder la 2a. En algunas respuestas se encontraron confusiones relacionadas con el error conceptual masa-concentración y la incorrecta expresión de la constante de equilibrio. Un 24% realiza una predicción acertada, aunque sólo el 19% es capaz de explicarla correctamente, basando su argumentación en la constante de equilibrio. El otro 5% indica que un cambio en la cantidad de sólido no afecta a equilibrios heterogéneos.

Para la 2b, un 22% de los estudiantes utilizó el razonamiento de Driscoll. Un 65% señaló que ningún cambio ocurriría, aunque sólo un 8% proporcionó una explicación adecuada, aunque ninguna aludió de manera específica a la constante de equilibrio. El otro 57% indicó que no se produciría ninguna variación sobre el equilibrio, ya que no reacciona con ninguna de las sustancias químicas que participan en el mismo.

CONCLUSIONES

Si bien se ha discutido en un gran número de trabajos y libros sobre la existencia de errores conceptuales y de resolución de problemas al momento de enseñar el concepto de equilibrio químico, existe una gran disociación entre la investigación educativa y la realidad escolar. Tal como se analizó en este trabajo, los conceptos sen enseñados y aprendidos de manera memorística, utilizando algoritmos, los que carecen de significado para los estudiantes.

Resumen de las dificultades y errores conceptuales encontrados en este trabajo:

a) El principio de Le Chatelier se utiliza como principio infalible tanto en situaciones donde no tiene aplicación como en aquellas en las que se encuentra limitado.

b) Escaso conocimiento del rango de aplicación de las leyes y principios, así como dificultad de un control riguroso de variables.

c) Uso limitado de la ley de equilibrio químico.

d)Dificultad de transferir los principios de equilibrio químico a nuevas situaciones.

-Isidora

Concepto de equilibrio químico. Historia y controversia

Introducción:

El equilibrio demostró ser crucial en los razonamientos que condujeron al matemático Arquímedes hasta la ley de la palanca. Posiblemente la primera ley mecánica juega un papel fundamental para la condición del equilibrio. Arquímedes establece que una palanca en equilibrio horizontal permanece así mientras no cambien los pesos de sus posiciones respectivas.

La importancia que para el tratamiento Arquimediano de palancas y balanzas, reside en los rasgos generales del procedimiento.

                                         
                                       La química y sus orígenes 
Lavoisier, además de proponer un sistema lógico de nomenclatura para los elementos químicos, demostró experimentalmente la conservación de la materia en las reacciones químicas.

Cuando se conserva cantidad total de materia, aún cuando se consumían productos y reactivos, se sospechaba que las reacciones químicas venían de una reordenación de algún tipo  reestructurar interna en las sustancias reaccionantes.

Debido a esto, aumentó el interés por la teoría atómica de la materia, ya que cerca de los tiempos de Demócrito había sufrido diversos altibajos.

Robert Boyle, su pretensión era explicar todos los procesos químicos sobre la base de fuerzas microscópicas atractivas o repulsivas.

Michael Faraday, entre sus muchas contribuciones al conocimiento de la electricidad y el magnetismo, Faraday en 1834 estableció las leyes de la electrólisis a partir de una serie de estadios experimentales sobre el fenómeno de la descomposición de sustancias químicas por la acción de corriente eléctrica. Faraday también corresponde el descubrimiento de la ley de inducción electromagnética, similar a Joseph Henry y Heinrich Lenz. La inducción electromagnética consiste en que cualquier variación de flujo magnético a través de un circuito cerrado genera una corriente inducida que solo permite mientras se produce dicho cambio de flujo.

A diferencia del principio Newtoniano de acción y reacción, la ley de Faraday-Henry-Lenz hace intervenir explícitamente el tiempo.

RESUMEN DE: "COMPRENSIÓN DEL EQUILIBRIO QUÍMICO Y DIFICULTADES EN SU APRENDIZAJE"

"COMPRENSIÓN DEL EQUILIBRIO QUÍMICO Y DIFICULTADES EN SU APRENDIZAJE"

Introducción al problema

En la misión de enseñar esta materia, para los profesores, y de entenderla, para los alumnos, es de vital importancia que se utilicen métodos que permitan a los alumnos relacionarla con lo que ya saben y sus experiencias, e incorporar a sus conocimientos los nuevos conceptos de manera que se produzca un aprendizaje completo. El equilibrio químico es una materia difícil enseñar y entender debido a varios factores entre los que destacan, además de su complejidad, la falta de comprensión de los conceptos elementales, la poca relación que se genera entre lo macroscópico y microscópico en este estado, las características cualitativas de lo constante, la incomprensión de cuál es la pregunta problema a la que intenta dar solución y la cercanía y relevancia que esta materia tiene en la vida cotidiana.

Metodología

Esto se comprueba mediante un estudio en el cual se presentaba a distintos grupos de estudiantes, evaluaciones que ambicionaban atisbar la comprensión y manejo del tema que estos presentaban, haciendo preguntas relacionadas con la base cualitativa y cuantitativa de esta materia y apuntando también a los conocimientos sobre la intención que tiene el estudio de este tema, el significado de la constante de equilibrio, la cercanía de éste con la cotidianidad, la relación entre lo que ocurre a nivel macroscópico y microscópico durante el equilibrio químico, entre otras nociones elementales para el dominio del tema.

Resultados

Al analizar los resultados es claro percatarse de que más del 90% de los estudiantes muestra no tener claras las bases del equilibrio químico. Esto explica por qué resulta difícil para la mayoría entender este tema. Según las diferentes preguntas de las distintas encuestas, entre el 6% y el 9% posee los conocimientos y las capacidades requeridas en las mismas. Esto puede deberse al operativismo imperante en la enseñanza de la química.

Conclusiones

Estos resultados proponen el reto de elaborar diseños fundamentados didácticamente, que logren que los alumnos comprendan cualitativa y cuantitativamente el equilibrio químico y vean su aplicabilidad en resolver problemas de la vida cotidiana. 

Resumen de investigación: "Dificultades en el aprendizaje del Equilibrio Químico" de Adriana L. Rocha, E. García, R. Fernández y J.M. Domínguez

 Esta investigación se basa, fundamentalmente, en el contenido conceptual, en los resultados de otros trabajos relacionados y en la opinión de los docentes del área de la química y su objetivo es plantear y analizar las problemáticas científicas y didácticas ligadas al tema del Equilibrio Químico. Lo anterior, se realiza con el fin de elaborar una propuesta educativa para la futura enseñanza de este tópico, a jóvenes argentinos de entre 15 y 17 años.

 Desde un punto de vista conceptual, el Equilibrio Químico es un tópico que involucra una gran cantidad de ideas provenientes de otros temas importantes de la química, como los son la Cinética química y la Termodinámica, por lo tanto, se establece la existencia de nexos que resultan de suma importancia para el correcto entendimiento del Equilibrio Químico.

 En primer lugar, se plantean algunos conceptos e ideas que deben ser comprendidos con claridad previamente al estudio del Equilibrio Químico, ya que suelen causar dificultades en el aprendizaje del alumnado. Estos son:

• El cambio en las reacciones químicas puede ocurrir en ambos sentidos, simultáneamente.

• Las reacciones endotérmicas si pueden ser espontáneas.

• Al aplicar el modelo cinétomolecular, es posible describir más fácilmente lo que ocurre en el sistema, durante el cambio reversible y en el momento en que llega al equilibrio.

• Si bien las ecuaciones químicas indican las sustancias intervinientes y cómo ocurre el cambio, nos dicen nada acerca de la cantidad de estas en el momento que se alcanza el equilibrio.

•  Si se plantea la constante de equilibrio, que corresponde a una relación entre las concentraciones o presiones parciales de las sustancias que forman el sistema a una temperatura dada, sería posible determinar las características del estado de equilibrio.

• Un abordaje cinético y termodinámico que permita una adecuada conceptualización.

• Un análisis previo de lo que constituye una reacción reversible.

• La posibilidad de que los alumnos observen el comportamiento de un sistema en Equilibrio Químico.

 En segundo lugar, se explica, tomando en cuenta múltiples pruebas y encuestas, que los alumnos creen que existe una “compartimentalización del equilibrio”, en otras palabras, conciben el sistema en equilibrio como formando por dos compartimentos separados. Esta visión, condiciona que los estudiantes piensen en la producción de las reacciones como directas o inversas; dos estados en los que el sistema va y vine, pero no como algo que ocurre simultáneamente. En este punto, se establece la existencia de un equilibrio dinámico, donde existe una igualdad de velocidades entre las reacciones opuestas.

 En tercer lugar, los investigadores también notan que los alumnos suelen identificar las cantidades de sustancias presentes con la estequiometría de la reacción, lo cual produce que se cree una confusión entre masa y concentración, en situaciones de equilibrio químico.

 En último lugar, plantean las dificultades en la utilización del Principio Le Châtelier, debido a que los alumnos acostumbran a aplicarlo de manera mecánica, por lo cual no son capaces de percibir el comportamiento de las partículas en estado de equilibrio.

 La investigación concluye diciendo que los problemas en el aprendizaje del Equilibrio Químico, están dados por la incomprensión por parte de los alumnos de lo que se entiende, en la Química, por un sistema que ha alcanzado el equilibrio. Lo anterior ocurre porque los estudiantes son incapaces de percibir cómo se comportan las partículas del sistema, a nivel microscópico.

 Se destaca también, que para entender el Equilibrio Químico, es fundamental manejar algunos conceptos básicos, como los son ecuación química, reversibilidad y estequiometría.

 Por otro lado, se plantea una propuesta didáctica con elementos que permitan solucionar los problemas derivados de la enseñanza del Equilibrio Químico. Estos consideran:

Finalmente, los investigadores comparten su opinión acerca de que el óptimo aprendizaje del Equilibrio Químico, se encuentra directamente relacionado con la metodología que se utilice para su enseñanza.
                                                                                                              Vale ❤

Necesidad de un cambio metodológico en la enseñanza del equilibrio químico, investigación y experiencia didáctica de J. Quílez Pardo, J.J Solaz Portoles, M. Castelló Hernández y V. Sanjosé López.

Introducción

El estudio del equilibrio químico resulta de suma importancia para la comprensión de otros temas, como el comportamiento ácido-base, las reacciones de oxido reducción y las reacciones de precipitación. Sin embargo, para la comprensión del equilibrio químico se hace necesario el conocimiento de conceptos previos por parte de los estudiantes.

La realidad nos demuestra que la falta de conocimientos previos, conduce a errores conceptuales que producen una dificultad en su estudio. Estos errores por su parte, no deben considerarse mínimos, ya que están relacionadas con las analogías que establecen los textos y profesores para enseñar equilibro químico. Por otro lado, otra dificultad encontrada en el estudio de este tema, radica en la deficiente capacidad que poseen los estudiantes para resolver problemas, esto se debe a que los alumnos no realizan un planteamiento previo de lo que hay que resolver y también carecen de estrategias adecuadas de resolución. Las principales causas del fracaso de los estudiantes a la hora de resolver problemas son: falta de un análisis profundo de lo que se debe resolver, dificultad de control de las variables, incapacidad de distinguir entre la información relevante e irrelevante.

Frente a esto, es de suma importancia desarrollar un método didáctico, que solucione aquellas dificultades que se presentan al estudiar el equilibro químico.

Uno de los aspectos mas imprescindibles en el estudio del equilibrio químico resulta ser el tratamiento de los factores relacionados con los desplazamientos que puede sufrir un sistema en equilibrio. Para esto juega un papel fundamental el principio de Le Chatelier.

El principio de "Le Chatelier"

Henri Louis Le Chatelier, químico francés, concibió un principio que describe como responde un sistema en equilibrio ante un cambio en las condiciones que lo mantienen. Este principio plantea que "si en un sistema en equilibrio se modifica algún factor, el sistema evoluciona en el sentido que tienda a oponerse a dicha modificación, para que se restablezca el equilibrio."

De Heer, señala que muchos científicos consideran el principio de Le Chatelier como verdadero e incuestionable. Sin embargo, diversos trabajos dan cuenta de que la formulación del principio es vaga e imprecisa, ya que su aplicación puede conducir a resultados erróneos. Como opción alternativa, se insta por primera vez a una formulación mas precisa basada en los principios de la termodinámica.

Objetivos:

Muchos científicos han estudiando este principio con el objetivo de saber cuales son las dificultades y errores que se presentan a la hora de su estudio. A continuación se realizara un estudio centrado principalmente en cómo se plantea este principio en los textos, y cómo estos lo utilizan para realizar predicciones cualitativas sobre la evolución de un sistema en equilibrio que ha sido perturbado. Para establecer posteriormente, la relación entre estos planteamiento didácticos y la forma en que los profesores enseñan este principio para resolver problemas de equilibrio químico.

Procedimiento: 

Con el fin de lograr los objetivos postulados anteriormente, se tomaron unos libros de manual de química general de los niveles de COU y primero de universidad, por ser estos donde se introduce de forma general los aspectos relacionados con el equilibrio químico. Y también, se sometió a prueba a un grupo de 26 profesores de enseñanza secundaria y de nivel universitario, a los que se les proporciono un problema que debían resolver.

Resultados: 

Los resultados obtenidos del análisis de los textos demuestran que: con un 100% ambos tipos de textos plantean la utilización del principio de Le Chatelier para saber el desplazamiento del equilibrio químico, solo un 67% de los manuales de química general de los niveles de COU usan la expresión de la contante de equilibrio, mientras que en el texto de primero de universidad el 92% la usan, casi ninguno de ello ofrece una justificación del principio, en ambos no se especifica que cuando se modifica una variable del equilibrio y se aplique el principio en la predicción de la evolución del sistema, se deben controlar las restantes variables que lo definen, y finalmente ambos textos no preveen respecto a los posibles casos en los que la aplicación de este principio conduce a resultados contradictorios.

En cuanto a los resultados del problema propuesto a los profesores, en el ámbito cualitativo se demuestra que la menor parte de ellos realiza un análisis previo en el que se procede a un control de las variables, muy pocos mencionan el principio de Le Chatelier como única alternativa para indicar el posible desplazamiento del equilibrio, una gran cantidad de profesores usan la constante de equilibrio para fundamentar el posible desplazamiento del equilibrio y muchos son los que con total seguridad plantean la dirección en la que se desplazara el equilibrio. Los resultados cuantitativos, arrojan que solo un 21% de los profesores realizan un control de variables haciendo referencia a la variación del volumen, un 4% indican posibles estrategias de resolución y la conveniencia que trae emplear la desarrollada en el problema, casi el 100% procede directamente a resolver el problema planteando las ecuaciones correspondiente, una muy alta cantidad de profesores resuelven el problema utilizando la expresión K_p o de Kc, el 4% plantean que el equilibrio se ha desplazado hacia la formación de una mayor cantidad de productos, y finalmente solo un 38% realiza un análisis de los resultados.

Conclusiones

La mayoría de los textos en la formulación del principio de Le Chatelier carece de una justificación teórica para el mismo y no muestra sus limitaciones. En cuanto a la resolución del problema por los profesores, se puede ver claramente un tratamiento muy superficial del principio, en el que no se realiza un control riguroso de variables.

Los resultados indican que las dificultades que pueden encontrar los alumnos al estudiar los conceptos del equilibrio químico y los errores conceptuales que pueden aparecer, guardan una estrecha relación con la forma en que estos conceptos se enseñan.

Los diversos trabajos que cuestionan el principio de Le Chatelier, conllevan a la necesidad de acercar la investigación educativa a la realidad del proceso educativo, con el objetivo de buscar una metodología que propicie un verdadero aprendizaje significativo.

*Constanza Salgado*

LAS CÁSCARAS DE HUEVO, una aplicación del principio de Le Chatelier.

El clima caluroso provoca que las gallinas, ya que no pueden transpirar, resoplen. Al hacer esto, se produce una pérdida abrupta de CO₂. El efecto de ello, que es una consecuencia inevitable del principio de Le Chatelier y del equilibrio del sistema del carbonato (ver ecuación química), es una pérdida de carbonato de sodio sólido y, por tanto, cáscaras más delgadas y débiles (imagen 1).

 Imagen 1. La cáscara del huevo es muy delgada y se rompe fácilmente.

Para contrarrestar este fenómeno, que producía grandes problemas en el comercio, comenzaron a darle agua carbonatada a las gallinas, que aparentemente disfrutaban de beberla. Con ello, aumenta la cantidad de reactantes (que se habían perdido antes en el resoplido de la gallina) y se favorece la formación de producto (CaCO₃) que da rigidez a la cáscara del huevo (imagen 2).

Imagen 2. La cáscara del huevo es firme, permitiendo su comercialización.