WEBQUEST FQ 3º y 4º ESO: UN VIAJE AL INTERIOR DEL ÁTOMO

INTRODUCCIÓN

Hasta 1800 la mayoría de los científicos creía que la materia era continua: no había partículas constituyentes de los sistemas materiales. A lo largo del siglo XIX se fue aceptando la teoría atómica: los cuerpos materiales están constituidos por partículas indivisibles llamadas átomos (en griego, "sin partes"). Pero desde finales del siglo XIX los científicos constataron que el átomo es muy complejo y que también él está constituido por partículas, y hoy sabemos que el espacio que las separa está totalmente vacío.

 Es curioso, pero igual pasa en el Universo que contiene toda la materia: es un espacio muy vacío. La distancia de la Tierra a la galaxia más cercana es de 10¹⁹ km y a la estrella más próxima de 10¹³ km, mientras que el átomo tiene un diámetro de 10^-13 km y el núcleo de 10^-18 km. Las galaxias están tan

separadas entre sí como los electrones lo están de los núcleos de los átomos.

TAREA

Vas a realizar un viaje hacia las profundidades de la materia con el objetivo de conocer cómo son los ladrillos con los que se construye todo el Universo

En el camino también conocerás a personas que sin poder hacer ese viaje aventuraron modelos de ladrillos con más o menos acierto. Así, pues, prepárate porque el fin de esta actividad es realizar:

• Una CRÓNICA de tu viaje.
• Un TRABAJO BIBLIOGRÁFICO sobre uno de los científicos que te proponemos.

Aunque previamente se formarán grupos y habrá que responder a una serie de cuestiones relacionadas con el tema que ayudarán a realizar la crónica.

CRÓNICA

La crónica la realizaréis en un procesador de textos y ha de cumplir las siguientes especificaciones:

-       Tamaño de hoja A4

-       Márgenes de 2,5 cm

-       Tipo de letra Arial o Helvética de 12 puntos

-        Sangría  de primera línea en los párrafos de 1 cm

-       Separación entre párrafos de 10 puntos

-       Texto justificado Encabezamiento con el título de la crónica a la izquierda y nombres de los autores a la derecha.

TRABAJO BIBLIOGRÁFICO

El trabajo debe cumplir las mismas especificaciones en cuanto a presentación que la crónica

El autor sobre el que haréis este trabajo será uno de los siguientes:

Dalton, Thomsom, Rutherford o Bohr. Pregunta al profesor antes de elegir uno para que él os diga sobre cuál lo hacéis, al objeto de no repetir muchos.

Los pasos que hay que seguir para realizar el trabajo son:

1.    QUIÉN ES: Nacimiento, familia, estudios, trabajos y muerte.

2.     ESTUDIOS CIENTÍFICOS: Campo de la Ciencia en que destacó, publicaciones, etc

3.    APORTACIÓN AL AVANCE DE LA CIENCIA: Qué se sabía hasta ese momento sobre el tema en el que trabajó y cuál  fue su aportación.

4.     LIMITACIONES DE SU TRABAJO: Qué dejaba sin explicar o qué limitaciones presentaba su trabajo para que otros científicos se interesaran por él.

PROCESO

Para hacer el viaje no estarás solo o sola. Búscate a otros dos o tres compañeros, organizaos y           repartíos el trabajo: uno de vosotros será el conductor, responsable que guiará a los demás durante el viaje; otro será el cronista, (el encargado de hacer la crónica) que al final podrá exponer a todos, y por tanto tendrá que ir tomando notas sobre los "lugares" visitados; otro el mecánico, por si algo falla, y que será el que solucione los problemas que os vayáis encontrando, y por último, otro hará de intérprete y redactor, pues estaréis en un mundo donde el lenguaje y los términos empleados no son conocidos, y además habrá que redactar el trabajo final (si sólo sois tres este papel lo podrá asumir el segundo, el cronista).

El viaje que haréis será a un átomo de aluminio de una lata de "Coca-Cola" (según el modelo de Rutherford o modelo atómico nuclear).

La crónica la basaréis en la respuesta a las siguientes preguntas:

1.    ¿Qué es el núcleo atómico?

2.    ¿Qué contiene?

3.    ¿Cuántos contiene?

4.    ¿Cuál es su masa?

5.    ¿Cuál es su carga?

6.    ¿Qué es la corteza atómica?

7.    ¿Qué contiene?

8.    ¿Cuántos contiene?

9.     ¿Cuál es su masa?

10.  ¿Cuál es su carga?

11. ¿En qué se parecen protones y neutrones?

12. ¿En qué se diferencian?

13. ¿En qué se parecen protones y electrones?

14. ¿En qué se diferencian?

15. ¿Son todos los átomos de aluminio iguales?

16. Si salís de un átomo de aluminio y entráis en uno de oxígeno (de una molécula de agua), ¿es igual?, ¿en qué se parece al de aluminio?, ¿en qué se diferencia?

17. ¿Son todos los átomos de oxígeno iguales?

18. ¿Podríais arrancar un protón de un átomo?

19. ¿Cómo?

20. ¿Qué pasaría?

21. ¿Podríais arrancar un electrón de un átomo?

22. ¿Cómo?

23. ¿Qué pasaría?

24. ¿Podríais añadir un electrón a un átomo?

25. ¿Qué pasaría?

26. ¿Cómo denominan los físicos al número de protones de un átomo?

27. ¿Qué letra utilizan para representar este número?

28. ¿Cómo denominan los físicos al número de partículas que hay en el núcleo de un átomo?

29. ¿Qué letra utilizan para representar este número?

30. ¿Qué es la diferencia entre los dos números anteriores?

31. En base a estos dos números de que hablamos, ¿cómo representarías el núcleo del átomo de aluminio visitado?

Para poder realizar la crónica respondiendo previamente a todas estas cuestiones, así como el trabajo bibliográfico, podréis consultar vuestro libro de texto y/o visitar:

1. Experimento de Thomson y enlace a los modelos atómicos
2. Historia de los modelos atómicos
3. Modelo de Thomson y enlaces al de Bohr y otros
4. Modelo atómico de Thomson
5. Biografía de Dalton
6. Experimento de Rutherford y enlace a los modelos atómicos
7. Modelo atómico de Rutherford y enlace al de Bohr y otros
8. Modelo de Rutherford con dibujos
9. Modelo de Rutherford y enlace a su biografía
10. ¿Qué es el átomo?
11. Modelo de Rutherford y reseña bibliográfica
12. Historia del átomo
13. Electrón, radiactividad y núcleo
14. Rutherford: Vida y obra
15. Resumen sobre la estructura de la materia
16. Definiciones y conceptos
17. Más definiciones y conceptos
18. Núcleo e isótopos
19. Sobre Bohr
20. Más de la vida de Bohr
21. ¿Quién era y qué hizo Bohr?

Si habéis recogido bastante información relativa al tema, respondiendo a todas las cuestiones planteadas, ahora podréis definir los siguientes conceptos; así como completar la siguiente tabla

EVALUACIÓN

En lo que respecta al grupo de trabajo:

Habéis organizado y repartido el trabajo entre todos, ayudándoos mutuamente	2 puntos
Habéis repartido el trabajo sin organización alguna	1 punto
No habéis organizado ni repartido el trabajo, cada uno ha hecho lo que ha querido	0 puntos

En lo que respecta al resto:

	1 punto	2 puntos	3 puntos	4 puntos
Cuestiones previas	Responde correctamente menos del 50% de ellas	Responde correctamente entre el 50% y el 75%	Responde correctamente entre el 75% y el 100%	Responde correctamente el 100% de las cuestiones
Conceptos	Tabla incorrecta y menos de la mitad de conceptos	Tabla incorrecta y más de la mitad de conceptos	Tabla correcta y más de la mitad de conceptos	Tabla correcta y todos los conceptos
Tabla	Menos de 10 aciertos	Entre 10 y 15 aciertos	Entre 15 y 20 aciertos	20 aciertos
Trabajo bibliográfico
Apartados	Faltan apartados y están incompletos	Falta algún apartado aunque el resto está aceptablemente completo	Contiene todos los apartados aunque incompletos	Contiene todos los apartados y completos
Expresión	Muchas incorrecciones. No se entiende casi nada	Presenta bastantes incorrecciones que dificultan la comprensión	Algunas incorrecciones aunque está aceptablemente legible	Correcta en toda su extensión
Ortografía	Más de diez faltas de ortografía	Entre seis y diez faltas de ortografía	Entre una y cinco faltas de ortografía	Ninguna falta de ortografía
Presentación	Mala presentación y con muchas incorrecciones en las pautas dadas	Incumple más de tres especificaciones aunque no está muy mal la presentación	Incumple tres o menos de las especificaciones	Cumple todas las pautas dadas para la elaboración del texto
Crónica del viaje
Redacción	Mala. Muchas frases aisladas	Poco fluida	Bastante fluida	Muy fluida y agradable
Expresión	Muchas incorrecciones. No se entiende casi nada	Presenta bastantes incorrecciones que dificultan la comprensión	Algunas incorrecciones aunque está aceptablemente legible	Correcta en toda su extensión
Ortografía	Más de diez faltas de ortografía	Entre seis y diez faltas de ortografía	Entre una y cinco faltas de ortografía	Ninguna falta de ortografía
Empleo de términos científicos	Utiliza menos de cinco términos	Emplea entre seis y diez términos	Emplea entre diez y quince términos científicos	Usa más de quince términos
Extensión	Menos de 24 líneas o más de 80 líneas	Entre 24 y 40 líneas	Entre 40 y 60 líneas	Entre 60 y 80 líneas
Científicamente correcto	Más de ocho incorrecciones	Entre cuatro y ocho incorrecciones	Entre una y tres incorrecciones	Ninguna incorrección
Presentación	Mala presentación y con muchas incorrecciones en las pautas dadas	Incumple más de tres especificaciones aunque no está muy mal la presentación	Incumple tres o menos de las especificaciones	Cumple todas las pautas dadas para la elaboración del texto
Exposición de la crónica	No expone	Expone pasivamente la crónica (lectura) aunque es poco comprensible	Expone pasivamente la crónica (lectura) aunque es comprensible	Expone activamente la crónica (presentación, pizarra,...)

CONCLUSIONES

 

Al término de esta webquest debes haber comprendido que toda la materia está formada por átomos. Las partículas que forman los elementos son átomos del mismo número atómico, y las de los compuestos están formadas por átomos de elementos diferentes.

Que los átomos están constituidos por protones y neutrones en el núcleo y por electrones girando alrededor en la corteza.

Que un elemento químico es una sustancia pura formada por átomos del mismo número atómico, aunque pueden existir entre ellos varios isótopos, con distinto número másico.

Que a lo largo de la historia se han propuesto diversos modelos atómicos para explicar la constitución y estructura de los átomos, entre ellos los de Dalton, Thomson y Rutherford

Pero, ¿son realmente así los átomos? ¿se pueden ver? ¿Cuál es hoy día el modelo, o modelos, que se aceptan como válidos?

No debemos olvidar que los científicos siguen trabajando…

WEBQUEST: LA TEORÍA CINÉTICA



INTRODUCCIÓN

A lo largo de la historia del pensamiento humano se ha elaborado un modelo acerca de cómo está constituida la materia, se conoce con el nombre de MODELO CINÉTICO-MOLECULAR.

Según este modelo de materia, todo lo que nos rodea está formado por unas partículas muy pequeñas, que son invisibles aún a los mejores microscopios y que se llaman moléculas. Las moléculas están en continuo movimiento y entre ellas existen fuerzas atractivas, llamadas fuerzas de cohesión. Las moléculas, al estar en movimiento, se encuentran a una cierta distancia unas de otras. Entre las moléculas hay espacio vacío. Cuando aumenta la temperatura, las moléculas se mueven más rápido.

Con este modelo, puede explicarse perfectamente el hecho de que la materia pueda encontrarse en tres estados: SÓLIDO, LÍQUIDO y GASEOSO.

Este modelo permite, también, explicar la razón por la que un sólido puede convertirse en líquido o un gas en líquido, por ejemplo.

TAREA

Para evaluar la actividad se entregará, una vez terminada, un informe por cada pareja de alumnos o bien individual. En dicho informe se recogerán las respuestas a las preguntas y ejercicios formulados a continuación.

Se valorará la presentación, la claridad de las respuestas (que no sean "copiar y pegar") y el trabajo de clase.

Para realizar el trabajo, el alumno puede servirse del libro de texto y de las páginas web citadas a continuación.

PROCESO

Los alumnos trabajarán en pareja y deben responder a las siguientes preguntas:

1) ¿Qué es la Teoría Cinética?
2) ¿Qué es una molécula?
3) ¿Cuáles son los tres estados de la materia? Indica 2 características de cada uno de ellos.
4) ¿Por qué una sustancia como el agua puede encontrarse en los tres estados? ¿Qué le ocurre a sus moléculas?
5) Realiza un dibujo de cómo estarían las moléculas de agua en un sólido, otro dibujo de cómo estarían en un líquido y otro para un gas. (Representa cada molécula de agua como si fuese una bola).
6) ¿Cómo se llaman los cambios de estado de la materia?
7) Representa, en un esquema, los tres estados de la materia e indica los nombres de los cambios de estado.
8) Explica por qué se produce la fusión de un sólido y haz un dibujo explicativo.
9) Explica por qué se produce la vaporización de un líquido y haz un dibujo explicativo.
10)¿Qué diferencia existe entre evaporación y ebullición? Explícalo con un ejemplo.

RECURSOS

En estas direcciones se encuentran las respuestas a las preguntas formuladas anteriormente:

Teoría cinético-molecular: 

http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0280-01/ejem3-lib3.html

Estados físicos de la materia: 

http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/estados/estados1.htm

   Teoría cinético-molecular de los gases:

http://www.juntadeandalucia.es/averroes/recursos_informaticos/andared02/leyes_gases/tcm.html

LAS REACCIONES NUCLEARES

Las reacciones nucleares no son iguales que el resto de reacciones químicas.

·  

   En las reacciones químicas ocurren cambios profundos en la estructura de la materia, rompiéndose los enlaces que unen unos átomos con otros y redistribuyéndose estos de forma diferente, por lo que el número de átomos se conserva y, por lo tanto, la suma de la masa de los productos es igual a la suma de la masa de los reactivos (ley de conservación de la masa). Al unirse los átomos con otros diferentes se producen nuevos compuestos (productos) con propiedades distintas  a los originales (reactivos).

Además, como lo que se produce es rotura de enlaces, y estos siempre son por interacción entre electrones (ceden, captan o comparten), todo ocurre en la parte externa de los átomos, no sucede nada en sus núcleos.

·         

   En las reacciones nucleares, en cambio, también se producen cambios profundos en la estructura de la materia, pero intervienen los núcleos atómicos. Estos pueden romperse en otros núcleos más pequeños (fisión nuclear), o bien pueden unirse con otros núcleos formando núcleos más grandes (fusión nuclear). En cualquiera de los casos pueden formarse, además, otras partículas subatómicas y grandes cantidades de energía.

La primera reacción nuclear fue realizada por E. Rutherford (1871-1937) en 1919, cuando bombardeó isótopos del nitrógeno con número másico 14 con unas partículas con carga positiva, llamadas partículas α (que eran núcleos de Helio)

Como puedes ver en la reacción anterior, en las reacciones nucleares no se conservan los átomos; se transforman en otros diferentes. En cambio, siempre se conserva la carga total (7 + 2 = 8 + 1) y el número másico total (14 + 4 = 17 + 1)

El uso de partículas α para bombardear átomos tenía la dificultad de su repulsión eléctrica con los protones de los núcleos de los átomos, por lo que se hizo más habitual el bombardeo con neutrones, que entraban fácilmente en los núcleos al carecer de carga eléctrica.

Dos tipos de reacciones nucleares son la fisión nuclear y la fusión nuclear.

FISIÓN NUCLEAR

Consiste en la división de un núcleo pesado en otros más ligeros, que son más estables que el original. La primera reacción de fisión se realizó en 1938 cuando dos científicos (Hahn y Strassmann) descubrieron que un isótopo del uranio (el isótopo de número másico 236) era altamente inestable y cuando existía se dividía rápidamente en:

• ·         Otros átomos: criptón y bario.
• ·         Neutrones .
• ·         Energía.

    Para conseguir ese isótopo 236 era necesario bombardear con neutrones el isótopo habitual del uranio, que era el de número másico 235. La reacción nuclear es la siguiente:

La energía liberada en cualquier reacción es la correspondiente a la masa,  ∆m, que “ha desaparecido” (∆m = masa reactivos – masa productos), que lo que ha hecho realmente en transformarse en energía según la ecuación de Albert Einstein:

E = ∆m . c²

(con  E = energía producida, ∆m = masa desaparecida   c= velocidad de la luz en el vacío = 3 . 10⁸ m/s)

Como puedes ver, c = 3 . 10⁸ m/s es un número muy grande, por lo que a poca disminución de la masa, ∆m, que haya, la energía producida será enorme.

Concretamente, en la reacción anterior la energía generada es millones de veces superior a la que se produce, por ejemplo, en una reacción de combustión tradicional, por lo que la utilidad de la energía nuclear es evidente, si se controla qué hacer con los residuos de la reacción y se extreman las medidas de seguridad en las centrales nucleares.

Observa que cada isótopo de uranio-236 es producido gracias  a un neutrón que bombardea  un átomo de uranio-235, y la fisión de cada uno de estos isótopos de uranio-236 produce tres neutrones más, que pueden bombardear otros tres átomos de uranio-235 , que a su vez producirán tres neutrones más, etc.

A esta reacción se le conoce como reacción en cadena. Es una fisión incontrolada que produce una cantidad enorme de energía y que puede tener fines destructivos, como en el caso de la bomba atómica.

En una central nuclear, cuyo objetivo son necesarias fisiones controladas. En estas reacciones se controla la velocidad de los neutrones y que la cantidad de material fisionable no supere la “masa crítica” a partir de la cual el proceso es espontáneo y comienza la reacción en cadena. Por ello se pone especial atención en el almacenamiento de estos materiales.

Tecnológicamente, los únicos materiales fisionables almacenables con los que se puede realizar una reacción nuclear de fisión son el uranio-235, el torio-232, el plutonio-239 y el proactinio-231 y en la Tierra solo está, y en muy poca proporción, el uranio-235.

FUSIÓN NUCLEAR

Es el proceso contrario a la fisión. Consiste en la unión de núcleos ligeros para formar núcleos más pesados, que son más estables que los ligeros; es decir, donde la energía del núcleo formado es menor que la suma de la energía de los núcleos ligeros, por lo que en la fusión se libera esa diferencia de energía.

Por ejemplo:

En esta reacción nuclear se fusionan dos isótopos del hidrógeno (deuterio y tritio) dando una partícula α, un neutrón y una gran cantidad de energía, mayor que en los procesos de fisión.

Tecnológicamente, en la Tierra las reacciones de fusión de forma controlada son imposibles de realizar, pues se necesitan cientos de millones de grados de temperatura para que los núcleos choquen con velocidades suficientemente altas para que puedan vencer las enormes fuerzas de repulsión entre los protones de sus núcleos cuando se acercan.

La reacción anterior es la que se produce continuamente en el interior de las estrellas, por ejemplo, en el Sol, emitiendo una gran cantidad de energía. El Sol se compone hoy día de un 73% de hidrógeno, un 26% de helio y un 1% de otros elementos.

Cada segundo que pasa, el Sol transforma cuatro millones de toneladas de materia en energía, pero a ese ritmo vivirá aún muchos millones de años más, debido a su gran cantidad de materia.

CUESTIONES

1.   Si la combustión de un kilogramo de carbón produce una energía de 3 . 10⁷ J , ¿cuántos kilogramos de carbón tendríamos que quemar para producir la energía que se libera al hacer desaparecer un gramo de masa?

2.    La primera reacción de fisión nuclear se produjo en 1938. Indica el acontecimiento histórico que tuvo lugar al año siguiente. ¿En qué momentos históricos se suelen producir grandes avances científicos? ¿Por qué?