Innovaci�n para la ense�anza de la Qu�mica

EXPERIENCIA TE�RICA-PR�CTICA VIRTUAL SOBRE TENSI�N SUPERFICIAL Y CAPILARIDAD

Juan Ariel Pullao^1,3, Mauricio Arce^2,4, Adriana Serquis^2,3,4

1-Comisi�n Nacional de Energ�a At�mica. Centro At�mico Bariloche. Departamento Materiales Nucleares. San Carlos de Bariloche, R�o Negro, Argentina.

2-Comisi�n Nacional de Energ�a At�mica. Centro At�mico Bariloche. Departamento Caracterizaci�n de Materiales. San Carlos de Bariloche, R�o Negro, Argentina.

3-C�tedra de Fisicoqu�mica. Universidad Nacional de R�o Negro. Sede andina. San Carlos de Bariloche, R�o Negro, Argentina.

4-Consejo Nacional de Investigaciones Cient�ficas y T�cnicas - CONICET.

E-mail: arielpullao@gmail.com

Recibido: 30/07/2020. Aceptado: 09/09/2020.

Resumen. Los conceptos de tensi�n superficial y capilaridad se ense�an anualmente en la c�tedra de fisicoqu�mica del Profesorado en Nivel Medio y Superior en qu�mica (Universidad Nacional de R�o Negro - Sede andina) a trav�s una propuesta te�rica-pr�ctica de car�cter presencial. Este a�o, debido a la situaci�n de emergencia sanitaria que atraviesa el pa�s a causa del COVID-19, esta propuesta se readapt� y se realiz� de forma virtual mediante dos encuentros por videoconferencia. Esto permiti� un intercambio bidireccional entre los alumnos y el equipo docente, favoreciendo el proceso de ense�anza-aprendizaje y un desarrollo �ptimo de la pr�ctica. En este trabajo se comparte la experiencia desarrollada y una valoraci�n de la misma, con el objetivo de que sea funcional a profesores de ciencias naturales en futuras pr�cticas docentes.

Palabras clave. pr�ctica de laboratorio virtual, pr�ctica de fisicoqu�mica, tensi�n superficial, capilaridad.

Virtual theoretical-practical experience about surface tension and capillarity

Abstract. The concepts of surface tension and capillarity are taught annually in the professorship of physicochemistry at the Profesorado de Nivel Medio y Superior en Qu�mica (Universidad Nacional de R�o Negro - Sede Andina) through theoretical-practical proposal in the classroom. This year, due to the health emergency situation that the country is going through due to the COVID-19, this proposal was readapted and carried out virtually through two videoconference meetings. These allowed for a bilateral exchange between students and teachers, favoring the teaching-learning process and an optimal development of the practice. This work shares the experience developed and an evaluation of it, with the aim of making it functional for natural science teachers in future teaching practices.

Key words. virtual laboratory practice, physicochemical practice, surface tension, capillarity.

INTRODUCCI�N

Entre los contenidos disciplinarios que se abordan en las c�tedras de fisicoqu�mica se encuentran los conceptos de tensi�n superficial y capilaridad. En el Profesorado de Nivel Medio y Superior en Qu�mica perteneciente a la Universidad Nacional de R�o Negro-Sede Andina, estos contenidos se trabajan durante el primer cuatrimestre de cada ciclo lectivo, con estudiantes de cuarto a�o, y mediante una propuesta te�rica-pr�ctica que comprende dos encuentros presenciales. Usualmente, en el primero de estos espacios se ense�an los conceptos de tensi�n superficial y capilaridad, mientras que en el segundo se realiza una pr�ctica de laboratorio. La clase te�rica se lleva a cabo con un enfoque dialogado-expositivo, lo que permite que los estudiantes construyan el conocimiento de forma organizada y gradual (L�pez, 2002; Pozo, 1997). Seguido de este espacio, y en un segundo encuentro, los estudiantes determinan la tensi�n superficial del agua, del mercurio y del alcohol. Para ello se coloca en un vaso de precipitados una al�cuota del l�quido a ensayar, se introduce en su interior una probeta y se observa el ascenso o descenso del fluido por la misma. Mediante un microscopio �ptico y una notebook se toman im�genes de los meniscos y a trav�s de un software de computadora se determina el �ngulo de contacto entre el l�quido y la pared de la probeta (figura 1a). Tambi�n se mide la altura h que alcanza el l�quido en el interior del tubo (figura 1b) y el di�metro de �ste. Para estas mediciones los estudiantes suelen definir una escala a conveniencia (figura 1c).

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Figura 1. Fotograf�as de la pr�ctica de laboratorio presencial. a) Determinaci�n del �ngulo de contacto θ del agua. b) Determinaci�n de la altura h alcanzada por una muestra de alcohol. c) Escala empleada.

Finalmente, usando la ecuaci�n 1 (Levine, 2002; Chang, 2008), donde r representa el radio de los capilares, h la altura que alcanza el fluido, ρ la densidad del l�quido, θ el �ngulo de contacto y g la aceleraci�n de la gravedad, los estudiantes determinan el valor de la tensi�n superficial �γ� para los tres l�quidos ensayados.

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En esta ocasi�n, debido a la situaci�n de emergencia sanitaria que atraviesa el pa�s, esta pr�ctica se readapt� y se llev� a cabo de forma virtual. Las experiencias de este tipo ofrecen la posibilidad de romper con la rigidez de las barreras horarias, pudiendo realizarse en espacios de tiempo acordes a las m�ltiples ocupaciones que pueden llegar a tener los alumnos en sus domicilios (Moreira-Segura, 2014). El equipo docente ha considerado este aspecto al dise�ar la propuesta; ya que la falta de tiempo por parte de los estudiantes, debida a responsabilidades de �ndole familiar o laboral, puede intervenir considerablemente en sus aprendizajes, conduci�ndolos a un posible estado de frustraci�n (Borges, 2005). Por otro lado, las propuestas de este estilo ofrecen la posibilidad de que los estudiantes construyan su conocimiento con el equipo docente como gu�a; otorg�ndoles libertad de trabajo y un espacio constante para responder las dudas (Requena, 2008). A su vez, la readaptaci�n de esta propuesta en un formato virtual, permite contextualizarla de acuerdo las necesidades de los estudiantes (Mar�n, 2017; Climent, 2017), facilit�ndoles as� la correcta realizaci�n de la misma.

OBJETIVO DEL TRABAJO

En este trabajo se comparte una experiencia te�rica-pr�ctica virtual sobre tensi�n superficial y capilaridad con el objetivo de que la misma pueda ser empleada en futuras pr�cticas docentes por profesores de ciencias naturales.

DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA VIRTUAL

La experiencia comenz� con un espacio te�rico donde se trabajaron los conceptos de tensi�n superficial y capilaridad. Para ello se realiz� una videoconferencia con los estudiantes donde haciendo uso de una pizarra electr�nica, el equipo docente explic� los conceptos de inter�s, la matem�tica implicada y la qu�mica asociada a los mismos (Atkins, 1991). Simult�neamente se abordaron las preguntas y los comentarios que iban surgiendo, posibilitando un espacio de di�logo que enriqueci� el encuentro.

A continuaci�n, en una segunda videoconferencia, se desarroll� la pr�ctica experimental, la cual se dividi� en tres partes. En la primera se les pidi� a los estudiantes que colocaron peque�as gotas de leche, salsa de soja, vaselina, agua, aceite y otros l�quidos que tuvieran en sus domicilios sobre superficies pl�sticas, met�licas o de madera, y que mediante la aplicaci�n Angulus estimaran el �ngulo de contacto de cada muestra (figura 2).

El objetivo de esta parte era realizar un an�lisis cualitativo del fen�meno de tensi�n superficial, estableciendo una relaci�n entre las formas de las gotas y los �ngulos estimados en cada caso. Para ello se discuti� la relaci�n de �ngulos θ como resultado de las fuerzas de adhesi�n y cohesi�n de los l�quidos. La fotograf�a de la gota de mercurio (figura 2f) fue aportada por el equipo docente, dado que es una sustancia t�xica que debe ser manipulada en un laboratorio. En este caso, para la determinaci�n del �ngulo de contacto, los estudiantes emplearon un transportador digital.

A continuaci�n, en la segunda parte de la experiencia, la profesora de la c�tedra realiz� una demostraci�n del ascenso capilar de muestras de agua coloreada, glicerina y mercurio, empleando una probeta y un vaso de precipitados. El grupo docente tom� fotograf�as de la demostraci�n y las comparti� con los estudiantes para que estos calcularan la tensi�n superficial de cada l�quido (figuras 3a-3c) utilizando la f�rmula 1. Los resultados obtenidos por los alumnos se muestran en la tabla 1. Como se observa en la misma, las tensiones calculadas con el trasportador digital dieron valores m�s cercanos, a los valores reportados, que los determinados utilizando la aplicaci�n. Adicionalmente, se les pidi� que repitieran el experimento en sus domicilios, usando cartuchos de birome como capilares, agua coloreada como fluido de ascenso y que tomaran fotograf�as de las pruebas (figura 3d).

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Figura 2. Gotas de algunos l�quidos con sus �ngulos de contacto θ. a) Vinagre. b) Salsa de soja. c) Leche. d) Agua. e) Vaselina. f) Mercurio.

Tabla 1. Valores de tensi�n superficial calculados por los estudiantes.

L�quido	Tensi�n superficial (γ) calculada con �ngulos medidos con aplicaci�n [N/m]	Tensi�n superficial (γ) calculada con �ngulos medidos con transportador digital [N/m]	Tensi�n superficial γ tabulada a 20 �C [N/m]
Glicerina	0,074	0,051	0,0594
Agua con colorante (usando capilar grueso)	0,084	0,069	0,0728
Agua con colorante (usando capilar fino)	0,103	0,073	0,0728
Mercurio	-	0,4506	0,465

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Figura 3. Determinaciones de los �ngulos de contacto θ de a) Agua coloreada. b) Glicerina. c) Mercurio. d) Muestra de agua de uno de los estudiantes.

Finalmente, en la �ltima parte de la pr�ctica los docentes sumergieron distintos tipos de papeles en agua coloreada (figura 4), y tomando fotograf�as que fueron enviadas a los estudiantes, estos analizaron cualitativamente el fen�meno de capilaridad. Adem�s, se les pidi� a los alumnos que repitieran la experiencia en sus casas, empleando trozos de servilletas, papel A4, carilina, papel de filtro y otros papeles que tuviesen.

Esto les permiti� concluir que el agua coloreada alcanzaba una mayor distancia en la servilleta que en el resto de los papeles, atribuyendo dicho comportamiento a la fuerzas de cohesi�n entre mol�culas de agua y de adhesi�n entre estas y las superficies porosas del papel.

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Figura 4. a) Demostraci�n del fen�meno de capilaridad. b) Papeles ensayados.

Todas estas conclusiones se encuentran reportadas en un informe de laboratorio redactado por los estudiantes. �se archivo cuenta con aportes de todo el alumnado.

CONCLUSIONES: VALORACI�N DE LA EXPERIENCIA VIRTUAL

La experiencia se realiz� exitosamente. Los estudiantes pudieron construir los conceptos de tensi�n superficial y capilaridad mediante la readaptaci�n de una propuesta te�rica-pr�ctica en un formato virtual. Los encuentros por videoconferencia permitieron un intercambio bidireccional entre los alumnos y el equipo docente, favoreciendo el proceso de ense�anza-aprendizaje y un desarrollo �ptimo de la experiencia.

La pizarra electr�nica empleada durante la clase te�rica permiti� ense�ar los conceptos de forma progresiva y pausada, facilitando el seguimiento de los mismos por parte de los estudiantes. Por otro lado, la clase se vio enriquecida con las preguntas del alumnado, que se desenvolvieron de forma clara durante todo el encuentro. Es importante mencionar que debido a problemas de conectividad, algunas veces el audio de las conversaciones se ve�a interrumpido, por lo que fue necesario usar el chat para tratar algunas preguntas.

En la parte pr�ctica, los estudiantes realizaron todas las actividades con materiales y l�quidos que se encontraban en sus domicilios. Adem�s, emplearon softwares, aplicaciones y tel�fonos celulares que reemplazaron los elementos que se suelen utilizar en las pr�cticas presenciales. Si bien en la segunda parte se realiz� una demostraci�n empleando materiales de laboratorio, la misma puede llevarse a cabo prescindiendo de los mismos; las probetas pueden reemplazarse por cartuchos vac�os de birome o sorbetes descartables mientras que la glicerina y el mercurio por l�quidos de uso domiciliario.

Por otra parte, el fen�meno de capilaridad tambi�n puede trabajarse usando telas de distintas tramas en lugar de papeles. Esto permitir�a estudiar el ascenso capilar mediante la observaci�n de la mojabilidad de las telas, para posteriormente, establecer una relaci�n entre �sta y los conceptos te�ricos desarrollados.

Finalmente, esta pr�ctica (en su formato virtual) puede ser realizada por estudiantes y profesores en espacios de ense�anza media y de nivel superior, realizando las transposiciones did�cticas correspondientes y sin la necesidad de un laboratorio ni material de vidrio.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece a Tania Curin, Natalia Subiabre, Guillermina Martiniau y a Mat�as Barquiza por las fotos de las figuras 2, 3 y 4.

REFERENCIAS BIBLIOGR�FICAS

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Chang, R. (2008). Fisicoqu�mica. (1� Ed.) USA: Mc.Graww Hill Interamericana.

Climent, T. L. A., Garc�a, B. D. y Sim�, L. V. (2017). Empleo de smartphones y apps en la ense�anza de la f�sica y la qu�mica. X congreso internacional sobre investigaci�n en did�ctica de las ciencias. Ense�anza de las ciencias, N� Extraordinario: 671-677.

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L�pez, R. (2002). An�lisis de los m�todos did�cticos en la ense�anza. Publicaciones. Revistas de la Universidad de Granada, 32, 261-333.

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