El Fuego Profesor

ACES. El Fuego. Material para docentes
INTRODUCCIÓN
En esta unidad, se estudia la aplicación del modelo atómico de la materia
introducido en la unidad ACES "El agua" en la interpretación de las reacciones
químicas.
Algunas investigaciones llevadas a cabo (p. ej. Hesse y Anderson 1992) muestran
que aunque la reacción química se enseña en todo el mundo desde niveles equivalentes
a nuestros dos primeros años de ESO, los alumnos tienen muchas dificultades en su
comprensión y sobre todo en la utilización del modelo químico en sus interpretaciones.
Como ejemplo de dichos procesos elegimos las reacciones de combustión que
constituyen el hilo conductor del tema. La elección de este tipo de reacciones obedece a
varias razones:
-Las combustiones se estudian como tema singular, o junto con otros temas,
como la respiración de los seres vivos o la nutrición de las plantas, con los que guardan
relaciones estrechas.
-Son fenómenos familiares a los alumnos (y por tanto significativos) ya que
aparecen en muchos aspectos de la vida diaria con importantes implicaciones:
medio ambientales (lluvias ácidas, efecto invernadero...)
en la industria (centrales térmicas, combustibles industriales,...)
en la salud (intoxicaciones por monóxido de carbono, ...)
en el consumo (tarifas eléctricas, gasolina, butano), etc.,
-Por otro lado estas reacciones presentan aspectos acentuados en relación a otros
ejemplos como la variación de propiedades entre los productos y los reactivos, el
aspecto estequiométrico es de gran dificultad (intervienen gases como reactivos y
productos), el aspecto energético es muy evidente y por ello fácil de que surja durante
las actividades y lo mismo el aspecto cinético.
-Estas reacciones también son las más estudiadas desde un punto de vista de la
investigación didáctica. Existe considerable información sobre las dificultades de los
alumnos y alumnas en la interpretación de diferentes aspectos de las mismas
(Andersson 1984, 1986; Chastrette y Franco 1991; Furió, Hernández y Harris 1987).
En estos materiales para docentes hemos incluído
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ACES. El Fuego. Material para docentes
- Una temporalización propuesta para la unidad
- Orientaciones para la realización de las actividades, que se incluyen cuando
hemos considerado que resultan de utilidad.
- Resultados de estudios e investigaciones sobre los problemas de aprendizaje en
relación con las r.q., tanto de nuestros estudios, como de los realizados en otros países,
y bibliografía de ampliación.
- Actividades de evaluación propuestas
- Recursos para trabajar la unidad
Puesto que cada clase es una situación única, cabe resaltar que puede haber casos
en que la temporalización no se corresponda con la que proponemos. Por esta razón, y
también teniendo en cuenta la diversidad en el alumnado, algunas actividades se
proponen con carácter optativo y complementario, y cada docente puede decidir acerca
de su inclusión. Del mismo modo, los recursos propuestos - especialmente los artículos
de prensa y revistas - lo son a título de sugerencia, y en cada localidad o situación
pueden ser sustituídos por otros más contextualizados.
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TEMPORALIZACION PROPUESTA
La unidad comprende unas 20 sesiones, es decir cinco semanas de trabajo.
Suprimiendo algunas de las actividades opcionales puede reducirse a cuatro, pero
realizarla en menos tiempo supondría eliminar las discusiones y puestas en común con
el alumnado, discusiones que en nuestra opinión juegan un importante papel en la
construcción de ideas sobre las r.q., y en la aplicación de las ideas nuevas.
Sesión actividades
página mat. estudiantes
1
lectura y activ.iniciación
2-3
2y3
las r.q. y combustibles
4-6
4
5
6
7
8
oxígeno y productos
modelización
completar esquema combustión
debate
otras reacciones
9 y 10
11 y 12
13
velocidad r.q.
cantidades en las r.q.
catalizador
14
15 y 16
17 y 18
19 y 20
laboratorio
análisis de datos, energía q.
incendios
incineración
6-8
8
8-9
10-13
14-15
16-21
22-25
26-27
28
29-32
33-34
35-38
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LECTURA MOTIVADORA
Tomada de: Isaac Asimov "Breve Historia de la Química"
Esta actividad de iniciación u orientación pretende resaltar la importancia
histórica del fuego y relacionar el fuego con las reacciones químicas.
Actividad.- Listado de los sitios de tu casa donde se utiliza el fuego ¿para qué?
¿cómo hay que hacer para encenderlo?...
Esta actividad completaría la iniciación a la unidad y resalta algunos aspectos del
fuego que harán reflexionar a los alumnos y serán explicados posteriormente a lo largo
de la unidad.
LAS REACCIONES QUÍMICAS
La transformación de unas sustancias en otras
Si damos una pequeña mirada a nuestro alrededor veremos que estamos rodeados
de una enorme cantidad de fenómenos químicos, por una parte hay una enormidad de
sustancias y, por otra, estas sustancias se transforman al combinarse unas con otras.
Las reacciones químicas (r.q.) implican la transformación de sustancias a veces
con gran variación de propiedades. Esto no es fácilmente comprensible para alumnos
que están iniciando el aprendizaje de las Ciencias. El hecho de que históricamente el
desarrollo de las ideas acerca de las r.q. haya tenido que superar obstáculos profundos,
no hace sino confirmar las dificultades de su conceptualización.
La idea principal es que en una r.q. hay una transformación de una o más
sustancias originales (que tienen un conjunto de propiedades específicas determinadas)
en otra u otras sustancias (cada una con su conjunto de propiedades específicas).
Breve historia de las ideas sobre las r.q.
El desarrollo histórico de los conocimientos científicos puede ayudar, en algunas
ocasiones, a comprender las dificultades de los alumnos en el aprendizaje de dichos
contenidos. Sabemos que algunas de las concepciones de los alumnos se parecen a las
que sostuvieron los antiguos pensadores.
Aristóteles trató de explicar las r.q. como analogía con los esquemas biológicos.
Todos los materiales tienen ciclos de cambio como los ciclos orgánicos (p. ej. la
oxidación del hierro forma parte inherente a su naturaleza, como el crecimiento de un
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niño). En este sentido, se explicaban estos cambios como cambio de propiedades en las
sustancias (las propiedades estarían ya en potencia en dichas sustancias o elementos).
Veremos que las concepciones espontáneas de los alumnos más pequeños se parecen en
cierta medida a estas ideas.
Poco se avanza durante los siglos siguientes y hasta el siglo XVII, el fuego era
considerado como uno de los cuatro elementos fundamentales junto a la tierra, el aire y
el agua.
Boyle en el siglo XVII clarifica la diferencia entre mezcla y sustancia compuesta.
Durante casi todo el siglo XVIII se desarrolló la "teoría de flogisto" para explicar
las combustiones. El químico alemán Stahl propuso una explicación común para las
reacciones de combustión, la calcinación de los metales y la respiración (Wojtkowiak
1988). Según Sthal los cuerpos arden porque contienen un elemento portador de la
combustibilidad: el flogisto. Al quemarse pierden este elemento y se transforman en
cuerpos incombustibles (cenizas, cales,…), el flogisto era una especie de fluido
invisible que tenían los combustibles. Las cales al calentarse junto al carbón (sustancia
con elevada cantidad de flogisto) recuperaban el flogisto volviéndose a obtener el metal
de partida. El agua no era combustible porque carecía de este fluido. Según la teoría del
flogisto el aire que queda después de una combustión se satura de esta sustancia y ya no
sirve para mantener otras combustiones ni para la respiración de los seres vivos.
Existían algunos problemas con esta teoría, por ejemplo, la explicación de la
ganancia de peso que sufrían los metales al calcinarse. Pero, como ha ocurrido muchas
veces a lo largo de la Historia de la Ciencia, hay una enorme reticencia a abandonar las
teorías y por ello incluso se llegaron a proponer hipótesis como la de que el flogisto
"tuviera un peso negativo" para seguir sosteniendo dicha teoría.
A finales del siglo XVIII Priestley y Lavoisier clarifican el papel del oxígeno en
las combustiones y el concepto de sustancia elemental como término del análisis
químico (Stavridou 1987). Lavoisier propone una teoría en la que se establecía la
combustión como una combinación del oxígeno con la sustancia combustible.
Durante todo el siglo XIX e incluso principios de nuestro siglo a pesar de la
formulación de la teoría atómica que explicaba las r.q. a nivel microscópico, se discutía
la aceptación de la existencia de los átomos y por ello la interpretación de la r.q. en
función de esta teoría.
Clarificando las ideas sobre las r.q.
Combustión del etanol. Se plantea una experiencia a los estudiantes, que los va a
enfrentar a un proceso químico como es la combustión de alcohol y su interpretación,
para discutir sus concepciones.
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Esta actividad nos permitirá conocer cuáles son las concepciones de los propios
alumnos sobre el proceso de combustión, y también que los propios alumnos se den
cuenta de sus ideas sobre estos procesos y las comparen unos con otros.
Investigaciones realizadas con alumnos de edades equivalentes a los de segundo
curso de ESO (Meheut, Saltiel y Tiberghien 1985) sobre el mismo fenómeno, muestran
sus concepciones acerca de procesos. Algunas interpretaciones sobre lo que le pasa al
alcohol son:
- Se evaporó.
- El alcohol al quemarse se transforma en vapor de alcohol
- Desaparece.
- El alcohol al quemarse se destruye irreversiblemente
- Que al quemarse se transforma en humo.
- Se mezcló con el fuego y se evaporó.
Los alumnos basándose en la observación cualitativa de cambios drásticos en
estos procesos extraen conclusiones rápidas sobre su naturaleza, que no coinciden en
general con las ideas de la química moderna. Las interpretaciones que hacen los
alumnos, incluso aquellos que ya estudiaron química, presentan graves insuficiencias
(Carbonell y Furió 1987).
Hay que tener en cuenta además que la combustión del alcohol
"perceptiblemente" es una desaparición. Pero no se debe achacar exclusivamente a este
aspecto, la causa de las concepciones alternativas de los alumnos.
Cuando se les pregunta ¿qué tienen en común con el alcohol las nuevas sustancias
que se forman?, no es de esperar que den la respuesta correcta: están formadas por los
mismos átomos, sino que esta actividad está planteada para provocar en los alumnos
una insatisfacción con las ideas que poseen.
El conflicto entre el cambio y la conservación
Pfundt (1981) habla del conflicto entre el "cambio" y la "conservación" en las r.q.
Un sólido negro (oxido de cobre) puede dar lugar a un sólido rojizo (cobre) y un gas
incoloro (oxígeno) y también puede ocurrir al revés, obtener óxido de cobre a partir de
cobre y oxígeno ¿cómo se puede explicar al mismo tiempo el cambio y la reversibilidad
(conservación)?
Los resultados de la investigación didáctica muestran que "la idea de la
conservación de sustancias durante una reacción química es bastante fuerte".
Vogezeland (1987) señala que los alumnos muchas veces emplean expresiones
como "el cobre en contacto con una llama se vuelve negro" que expresan la
conservación de la sustancia (cobre) con otras propiedades. Pero también los profesores
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y los libros de texto utilizamos expresiones como "en una r.q. la masa de las sustancias
se conserva" que, al citado autor, no le parecen adecuadas por inducir a pensar en la
conservación más que en la transformación de sustancias en estos procesos.
En el trabajo de Chastrette y Franco solamente un 10% de alumnos realizan
interpretaciones en las que utilizan ideas donde se refleja una concepción del tipo
"interacción química".
En una investigación llevada a cabo con alumnos griegos Stavridou y
Solomonidou (1989) encontraron que ninguno de los que entrevistaron (8-17 años)
trataron de distinguir una serie de fenómenos químicos basándose en la conservación o
el cambio de las sustancias implicadas y tampoco ningún alumno hizo espontáneamente
referencia a modelos microscópicos de la materia.
Los combustibles
En la primera actividad se busca fundamentalmente la elicitación de ideas de
alumnos sobre las sustancias combustibles. Aunque la composición atómica de las
sustancias que arden es muy variada, en esta actividad se centrará la atención en
aquellas que poseen en su composición fundamentalmente átomos de carbono y de
hidrógeno y a veces también de oxígeno.
Para representar un combustible en general utilizamos el diagrama siguiente:
que quiere representar una sustancia formada por átomos de carbono, hidrógeno y
oxígeno (por ejemplo el alcohol etílico) pero sin poner las fórmulas (en muchos casos
complicadas) en las que no queremos hacer demasiado énfasis en esta unidad por el
nivel de alumnos a la que va dirigida.
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El papel del oxígeno en las combustiones
No consideramos necesaria la realización de la conocida actividad que consiste en
tapar una vela encendida con un vaso y ver como se apaga, ya que la mayoría de los
alumnos de estas edades ya saben lo que ocurre (es una experiencia que se suele realizar
en Enseñanza Primaria). Es importante indicar que la vela no se apaga porque se haya
consumido todo el oxígeno, se sabe que cuando la vela se apaga todavía hay un 14% de
oxígeno del 21% que hay en el aire.
El papel del aire (oxígeno) como necesario para la combustión es reconocido por
casi todos los alumnos. A la pregunta de si ardería una vela en la Luna, donde no hay
aire, el 87% de alumnos de 12 años y el 99% de 16 años contestan que no ardería en
absoluto. Algunos alumnos creen que el oxígeno se necesita para mantener la llama
pero no actúa como agente activo (Schollum 1981a): no llegan a entender que el
oxígeno se combina con la sustancia que se quema.
Recordemos que históricamente el descubrimiento del papel del oxígeno en las
combustiones representa una de las claves sobre las que se asentaron las ideas de la
Química moderna.
La ruptura Sthal/Lavoisier representó históricamente el paso a la explicación de la
combustión de las sustancias en función del papel que desempeña el oxígeno
(Scheidecker y Duny 1987).
Según la teoría del flogisto el aire dentro del vaso se satura de esta sustancia y ya
no sirve para las combustiones ni para la respiración de los seres vivos.
Para Lavoisier la combustión ya no es un proceso de sustracción (de flogisto) sino
de adición (de oxígeno), por ello hay un aumento de peso en los productos: la cal pesa
más que el metal de partida.
Una experiencia cuestionable desde un punto de vista didáctico.
Como complemento o en lugar de la actividad anterior muchos libros de
enseñanza de la Química en niveles elementales, proponen la experiencia de la vela
metida en agua que se tapa con un recipiente. Encontramos esta experiencia en
materiales curriculares muy diversos y en idiomas como el italiano (IRRSAE
LIGURIA), inglés (Schollum 1981b; Hammonds 1992), gallego (Consellería de
Educación e Ordenación Universitaria 1986) y castellano (Taller Arquímedes 1987).
El "objetivo" de esta actividad "según los autores" sería la evidencia de la
cantidad de oxígeno consumida en esta reacción. Pero la interpretación acorde con lo
que ocurre en realidad está lejos de este objetivo.
Cardoso Ferreira (1989) nos habla que ya Lavoisier en una publicación del año
1776 titulada "Memoire sur la combustión des chandelles" decía:
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"Casi todos los que se han ocupado de experiencias sobre la combustión de
candelas se han apercibido que había una disminución del volumen de aire durante la
combustión: para probarlo se realiza una experiencia muy simple, pero que no es ni
mucho menos concluyente.... no se presta atención a que no se puede colocar un
recipiente sobre la bujía sin que el aire del mismo sea calentado en el instante en que
se sitúa la bujía ...así pues, el aire caliente queda encerrado bajo la campana, ahora
bien, el aire caliente disminuye de volumen al enfriarse; no es pues, sorprendente que
el recipiente permanezca pegado a la platina cuando la llama se apaga y los vasos se
han enfriado"
y más adelante,
"las experiencias hechas bajo campanas metidas en agua no son concluyentes:
1) el aire se dilata durante el tiempo que se introducen allí las velas, continúa
dilatándose durante el tiempo de la combustión, y se escapa, en consecuencia, una
cantidad notable de aire por debajo de los borde de la campana...
2) La combustión de las candelas tiene la propiedad de transformar en ácido
terroso aeriforme (gas carbónico) una porción del aire atmosférico, o más exactamente
una porción del aire puro (oxígeno), ahora bien, el ácido aeriforme tiene la propiedad
de combinarse con el agua; al suponer pues que hay en este experimento una
disminución del volumen ocasionado por la combustión es imposible distinguirla de la
que tiene lugar al combinarse el ácido con el agua".
Está claro que esta actividad es mucho más dificil de interpretar que lo que
pretenden algunos materiales de enseñanza. Los profesores de Ciencias debemos ser
críticos con "actividades" que por tradición aparecen en muchos libros y que ya no se
cuestiona su pertinencia.
Los productos de la reacción
El agua como producto de las combustiones.
En esta actividad se pretende hacer una reestructuración de ideas con el objetivo
de que los alumnos expliquen la aparición de agua como producto de las combustiones
utilizando el modelo atómico de la materia.
Cuando los alumnos no utilizan el modelo atómico suelen interpretar la aparición
de agua en las combustiones (Meheut, Saltiel y Tiberghien 1985) como:
"el agua que aparece ya estaba en el alcohol"
"el agua aparece porque la madera ya estaba mojada"
"el calor encuentra un cuerpo sólido, se enfría y se convierte en vapor de agua"
"el agua estaba en el aire y se pega al vaso"
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Este problema como vemos lo resuelven los alumnos más pequeños a través de la
preexistencia y es que efectivamente, sin la utilización del modelo atómico (la
presencia de átomos de hidrógeno y de oxígeno entre los reactivos, puede dar lugar a un
compuesto formado por ellos entre los productos) es muy difícil que la interpretación se
acerque a la correcta.
El dióxido de carbono
La misma idea que en la actividad anterior se debe utilizar ahora para explicar el
dióxido de carbono como producto de una reacción en la que entre los átomos que
forman los reactivos están los de carbono y oxígeno.
En cuanto a la actividad de modelización del dióxido de carbono, si se utilizan los
modelos comerciales no debe haber problema en la construcción de la molécula de
CO2, si se utilizan palillos y plastilina el profesor debe proponer la estructura de dicha
molécula (aunque esta estructura no pueda ser justificada en este momento por la
limitación del modelo de estructura de la materia que se está utilizando).
O
C
O
Construimos como actividad de aplicación de las ideas vistas anteriormente
modelos moleculares de las sustancias que intervienen en la reacción de combustión del
metano. Si se utilizan los modelos comerciales no debe haber problema con la
configuración de las moléculas, mientras que si se utilizan palillos y plastilina tendrá
que haber una mayor ayuda de los profesores.
Sustancias que arden pero no dan CO2.
La combustión del magnesio se debe llevar a cabo por el profesor, con cinta de
Mg sujeta con una pinza (puede ser necesario raspar la cinta si está algo oxidada).
El azufre al arder da un olor parecido a la pólvora, que proviene del dióxido de
azufre, un óxido de carácter ácido y que, por tanto, pone de color rojo el papel
indicador, previamente humedecido.
Otras sustancias no deseadas en las reacciones de combustión.
Otro de los aspectos importantes de las reacciones de combustión son las
consecuencias de tipo medio ambiental que pueden producir. Desde el monóxido de
carbono ya mencionado anteriormente, hasta los humos (partículas de combustible no
quemadas o de carbón proveniente de la descomposición del combustible) pasando por
diferentes sustancias que se producen en estos procesos como consecuencia de que los
combustibles no son sustancias puras (compuestos gaseosos de azufre y de
nitrógeno,…) y también el posible efecto de la acumulación de un exceso de dióxido de
carbono en la atmósfera (efecto invernadero).
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Los combustibles fósiles (carbón, petróleo,...) tienen su origen en plantas y
pequeños animales, que en su composición, además de átomos de C, H y O tenían
átomos de N y de S (recordemos la composición de las proteinas) y otros más en
menores proporciones. Al quemar estos combustibles se origina óxidos de nitrógeno y
de azufre. Además, las temperaturas que se alcanzan en las combustiones, provocan la
formación de óxidos de nitrógeno a partir del nitrógeno atmosférico. Estos óxidos
tienen carácter ácido y son los responsables de las llamadas lluvias ácidas.
Debate entre dos grupos
El material que utilizan los alumnos para preparar el debate deben completarlo a
través de la búsqueda de información en hemerotecas y bibliotecas. Esta actividad
puede, por tanto, ser planteada en este momento de la unidad, pero llevada a cabo más
adelante de forma que los alumnos tengan tiempo suficiente para su preparación.
Para conseguir que participen en el debate el mayor número posible de alumnos
de la clase se pueden asignar diferentes papeles entre:
a) defensores de los mineros: un minero joven, un minero viejo, el empresario de
la mina, un fabricante y distribuidor de materiales para trabajar la mina,...
b) defensores de la atmósfera no contaminada: un representante de un grupo
ecologista, un miembro de la asociación local de asmáticos y alérgicos, el propietario o
trabajador de un monte cercano,...
Otras reacciones que no son combustiones....
Este apartado tiene por objetivo generalizar el concepto de r.q. Elegimos para ello
dos reacciones muy diferentes a las combustiones, una de ellas muy fácil de llevar a
cabo (amoniaco con cloruro de hidrógeno) y la otra importante desde un punto de vista
industrial (obtención de cal viva).
La reacción entre el amoniaco y el cloruro de hidrógeno puede realizarse
poniendo los algodones en lo extremos de un tubo de vidrio abierto por ambos lados
con lo que además puede utilizarse para discutir la difusión de gases (la reacción se
produce más cerca del algodón con HCl ya que las moléculas de amoniaco son más
ligeras).
Diagrama de Venn sobre la r.q.
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ACES. El Fuego. Material para docentes
En esta actividad se incluyen ejemplos que no son r.q. (obtención de helio y
obtención de limaduras de hierro), que deberán ser colocados fuera del diagrama, junto
con ejemplos que sí son r.q. (obtención del amoniaco y obtención de agua).
EL ASPECTO CINÉTICO
El estudio de las velocidades de las r.q. es otro aspecto fundamental pero que
también presenta dificultades para ser comprendido. Como apuntan Shayer y Adey
(1984), los alumnos en transición entre los niveles concreto y formal pueden entender
cómo varía cualitativamente la velocidad de reacción con la temperatura, o en
reacciones entre sólidos y líquidos o gases, que vaya más rápida la reacción cuanto
menor sea el tamaño del sólido por tener más puntos de contacto; o que al descender la
concentración pueda en algunos casos disminuir la velocidad. En cambio para entender
cuantitativamente las velocidades de las r.q., los tiempos de vida media, los
mecanismos de reacción,… se necesita tener ya un pensamiento formal avanzado.
En esta unidad trataremos únicamente la influencia del grado de disgregación y
de la temperatura sobre la velocidad de reacción.
En el vídeo se selecciona la parte donde se visualiza la influencia del grado de
disgregación del combustible en la velocidad de reacción (trozos de madera-serrín,
explosión de la fábrica de harinas, polvo de aluminio,...).
Como experiencia de laboratorio para poner de manifiesto el efecto de la
temperatura en la velocidad de las reacciones, proponemos la que ocurre con las
pastillas efervescentes en agua (suele ser la descomposición de bicarbonato en medio
ácido, desprendiéndose dióxido de carbono). Para la experiencia puede usarse
cualquiera de los comprimidos efervescentes disponibles en el comercio.
Cualitativamente se aprecia un notable aumento de la velocidad con incrementos de
temperatura de 20 ˚C (p.ej en la serie 20, 40 y 60 ˚C). Si se busca un estudio más
cuantitativo, se puede medir el tiempo que tarda la reacción en acabar por completo y
ya no se desprenden más burbujas. Este proceso puede durar bastante tiempo a
temperatura ambiente (Un "alka-seltzer" a 18˚ tarda algo más de una hora).
Como actividades de aplicación de ideas proponemos trabajar la carburación de
los coches, los tres casos prácticos sobre la influencia de la tª, y las normas en las
gasolineras. En la lectura sobre la carburación de las motos y los coches se espera que
los alumnos rellenen el texto que falta indicando que los que se necesita para que arda
es "oxígeno" o "aire" y que habremos conseguido "facilitar el contacto entre las
moléculas de oxígeno y las de gasolina" cuando convertimos las gotas grandes en gotas
pequeñas.
En los casos 1 y 2, se comprueba el mismo efecto que el observado en las
pastillas efervescentes, pero aplicado a reacciones distintas, la del fraguado de un
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ACES. El Fuego. Material para docentes
pegamento y la cocción de un garbanzo. El tercer caso ejemplifica el efecto contrario: si
la cera de la vela está fría, la reacción va más lenta y la vela "dura" más.
La última actividad, que es de carácter optativo, sobre las normas de seguridad en
las gasolineras, busca que los alumnos piensen en la peligrosidad de tener focos de
elevada temperatura (luces encendidas, motor en mercha, cigarrillos encendidos,...) en
lugares donde hay vapores de gasolina en contacto con el oxígeno del aire.
EL ASPECTO ESTEQUIOMÉTRICO
La conservación de la masa en las reacciones químicas.
Las dificultades de los alumnos
Los alumnos tienen dificultades con ciertos principios generales de conservación.
Aun en procesos más sencillos aparentemente que una r.q., como la disolución de
azúcar en agua, los alumnos tienen problemas con la conservación de la masa:
Por ejemplo ante la actividad:
Se añaden 200 g de azúcar a 1000 g de agua, se agita hasta que todo el azúcar se
disuelva. La masa que resulta es:
a)menos de 1000 g;
b) 1000 g;
c) más de 1000 g y menos de 1200 g;
d) 1200 g;
e) más de 1200 g.
Menos del 50% de alumnos de 2º curso de BUP contestan correctamente
(Mendoza Rodríguez y Lorenzo Barral 1991). Los mismos resultados había encontrado
Andersson (1984) con alumnos suecos.
En las reacciones de combustión los problemas se ven agravados por la creencia
muy arraigada de que los gases no son como las demás sustancias materiales o tienen
poca materialidad (pesan menos o no pesan). Tener peso es equivalente para los
alumnos a "tener tendencia a ir hacia abajo" y por ello los gases, que tienen tendencia a
subir, no pesan (Furió, Hernández y Harris 1987).
Las investigaciones muestran las dificultades de los alumnos, incluso después de
estudiar varios cursos de Química, con la conservación de la masa en las reacciones de
combustión.
Mitchell y Gunstone (1984) en entrevistas con alumnos acerca de la situación
siguiente:
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ACES. El Fuego. Material para docentes
Se presenta una caja (I) con tierra aire y una semilla, al cabo de tres o cuatro años
(caja II) ya creció un árbol y después se corta y se quema la madera (caja III). Se
pregunta a los alumnos si hay variaciones en la masa o en las moléculas entre las tres
situaciones. Encuentran que la mayoría creen que hay un aumento de masa después que
el árbol crece y que hay una disminución cuando se quema.
Las actividades de este apartado.
Proponemos en primer lugar como actividad de elicitación de ideas la
comparación entre las masas de un papel encerrado en una campana (sistema cerrado)
antes, durante y después de la combustión.
En una investigación llevada a cabo con alumnos desde 12 a 18 años (Furió, Hernández
y Harris, 1987), sobre la conservación de la masa en diferentes procesos entre los que
se encontraba la combustión de un trozo de papel, se encontró que los porcentajes de
alumnos que no creen en dicha conservación son: 7ºEGB (81%); 8ºEGB (86%); 1ºBUP
(77%); 2ºBUP (67%); 3ºBUP (47%) y COU (44%), es decir, en los primeros niveles,
aproximadamente tres de cada cuatro alumnos no utilizan el principio de conservación
de la masa.
Como actividad de reestructuración de ideas proponemos la modelización de la
reacción de combustión del metano, fijándonos ahora en el número de átomos que
intervienen en la reacción.
Por último como actividad de aplicación de las ideas proponemos la cuestión
anteriormente citada de Mitchell y Gunstone.
Sigue el juego.
Las combustiones, en la realidad, son mucho más complejas que lo que describe
el balance global de la reacción: aparecen humos, se forman productos intermedios
como el CO,...
A esta realidad nos podemos aproximar a través de completar el juego de
simulación con los modelos moleculares haciendo intervenir el factor tiempo.
Esto, al mismo tiempo, nos permite acercarnos al funcionamiento de los
convertidores catalíticos que utilizan los coches. Si se quiere hacer en esta actividad
mayores referencias a aspectos sociales se puede utilizar como recurso el artículo del
PAIS semanal nº 113.
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Como actividad optativa se sugiere la posibilidad de profundizar en el estudio de
las llamas. El trabajo con el póster de Cornia (1991) puede ser de utilidad. Incluimos
una copia del mismo entre los recursos de esta unidad.
En definitiva, creemos que la asimilación de lo que sucede durante una reacción
química exige la comprensión de la atomicidad de la materia y su conservación en el
cambio. Volvemos al problema de antes, si los alumnos no aprenden un modelo de r.q.
los resultados no pueden ser diferentes a éstos. La explicación de lo que sucede durante
una reacción química exige la comprensión de la atomicidad de la materia y su
conservación en el cambio.
EL ASPECTO ENERGÉTICO
Las dificultades de los alumnos.
La energía se conserva, pero se producen cambios en los tipos de energía durante
las r.q. Parece que los alumnos reconocen algunos tipos de energía (sobre todo la
potencial y cinética macroscópicas) mejor que otros y también que la enseñanza parece
acentuar esta situación.
Un diagnóstico de la situación: el test de asociación de palabras usando como
estímulo "energía" (Gallástegui y Lorenzo 1993), muestra que los alumnos realizan
numerosas referencias a la energía en mecánica, termodinámica física o luz, sin
embargo, son poquísimas las referencias al aspecto químico de la energía. Destaca la
ausencia total de referencias a combustibles de uso diario como el butano o la gasolina
y también a sustancias como la glucosa, el azúcar o las grasas.
Los estudiantes se alejan del aspecto energético de los alimentos y los
combustibles a pesar de que se les enseña en la escuela desde los primeros niveles.
El aspecto energético de las r.q. parece ser bastante complejo para alumnos como
los del ciclo superior de EGB. Bradley (1967,1968) apuntaba que las modernas ideas
termodinámicas son muy difíciles de entender para alumnos del O-level en Inglaterra
(O-level son 13-16 años) por lo que recomendaba que esta parte de la Química se
enseñara de forma más cualitativa. También Shayer y Adey (1984) en sus taxonomías
para el análisis del curriculum establecen que en el nivel concreto avanzado, los
alumnos tienen capacidad para comparar las distintas sustancias en función del calor
que producen en su combustión, pero que no es hasta el nivel formal cuando pueden
entender la relación de esta energía con la estructura de las sustancias.
Para algunos alumnos el calor de una reacción de combustión es como una
sustancia más (no olvidemos la teoría del calórico) y pueden creer que el calor es uno
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ACES. El Fuego. Material para docentes
de los productos de la reacción (Schollum 1981a) "el gas al quemarse se transforma en
calor".
Los alumnos no entienden bien que puedan existir sistemas con elevado
contenido energético (combustibles y oxígeno) en relación a otros (agua y dióxido de
carbono), por la estructura diferente de las sustancias que constituyen dichos sistemas.
La dificultad de los alumnos para reconocer energías de tipo químico aparece
implícitamente reconocida en el siguiente texto, extraído de materiales curriculares
sobre la energía para la educación secundaria de reciente publicación (Dapena Márquez
y col. 1991):
..."Una masa de agua a cierta altura posee energía.
Un trozo de carbón también tiene energía porque al quemarlo produce calor"...
Los autores sienten la necesidad de justificar la existencia de energía en el carbón
relacionándolo con el calor, mientras que no es así en el caso del agua a una cierta
altura.
Mitchell y Gunstone (1984) en entrevistas con alumnos de 16 años que ya habían
cursado Química encuentran que "ninguno tiene un modelo de energía química que no
implique la destrucción de átomos o la existencia de la energía como algo separado de
las sustancias". La energía química cuando aparece lo hace como un producto o
reactivo más de la reacción. Hay alumnos que hablan explícitamente de la conversión
de masa en energía durante la combustión.
Otro aspecto interesante que detectamos en las clases es la dificultad sobre el
elevado "orden de magnitud" de la energía que se pone de manifiesto en las r.q. de
combustión. Los estudiantes quedan verdaderamente sorprendidos cuando con una
cantidad muy pequeña de combustible (de alcohol, por ejemplo) se pone en juego un
calor de combustión tan elevado (aproximadamente 3000 J/g).
Calor de combustión
En esta actividad, además de desarrollar contenidos relacionados con los
procedimientos (medida de temperaturas, recogida y análisis de datos,...) los alumnos
deberán darse cuenta del orden de magnitud de la energía puesta en juego en las
reacciones de combustión.
Una propuesta sencilla para el diseño de la actividad que no complica demasiado
el montaje, consiste en colocar el vaso de agua en un soporte y acercar la llama de la
vela de forma que llegue a tocar la parte inferior del vaso.
La determinación experimental de la energía de combustión de la vela se realiza
calculando:
Q = ce m Δt
16
ACES. El Fuego. Material para docentes
siendo ce, el calor específico del agua = 4,18 J/ g oC
y m, la masa de agua que se calienta,
el calor por gramo de sustancia Cc= Q/ mvela
El valor obtenido en estas condiciones suele ser del orden del 50% del real,
debido a las pérdidas.
La energía química
Desde un punto de vista químico-físico este término no corresponde a una
magnitud definida que se puede asignar al estado de un sistema. Sin embargo desde un
punto de vista didáctico creeemos que puede ser válida su utilización. Naturalmente
cuando nos referimos a la energía en las reacciones químicas sabemos que estamos
hablando de la diferencia de energías entre el sistema que corresponde a los reactivos
(en el caso de las r. de combustión : combustible + oxígeno) y el sistema
correspondiente a los productos. Cuando nos referimos a la energía química de una
sustancia queremos hacer referencia a la energía que se pondría en juego en la
combustión total de la misma.
El uso de diagramas donde se representa la energía de los dos sistemas, reactivos
y productos, puede ser de gran ayuda para que los alumnos "visualicen" la energía
puesta en juego en las r.q.
ACTIVIDADES DE APLICACIÓN DE LAS IDEAS
Los dos apartados finales de la unidad comprenden actividades que son a la vez
de aplicación de las ideas tratadas en apartados anteriores y que se refieren a aspectos
sociales de gran importancia como son los incendios y uno de los métodos de
tratamiento de residuos, la incineración.
Los incendios
Para la entrevista con el bombero es necesario ponerse en contacto con el Parque
de Bomberos de la localidad. Nuestra experiencia nos indica que es sencillo conseguir
la colaboración de este servicio con la comunidad educativa (bien con la visita de los
alumnos al propio parque o bien trasladándose los bomberos a las escuelas).
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ACES. El Fuego. Material para docentes
Para preparar las preguntas de la entrevista con los bomberos pueden seguirse
diversos caminos. Desde la elaboración en el seno del gran grupo hasta trabajo previo
individual o en pequeños grupos y posterior puesta en común.
Sería importante que apareciesen preguntas sobre aspectos de los incendios que
estuviesen muy relacionados, que fuesen fácilmente conectables con aspectos vistos en
la unidad. Por ejemplo, la influencia de la temperatura, presencia de líquidos
inflamables, monóxido de carbono,...
Incineración de basuras
En la lectura se trata de poner de manifiesto la heterogeneidad en la composición
de la basura y los factores de los que depende esta variedad. La pregunta donde se pide
a los alumnos ejemplos de la basura en zonas de servicios y en zonas residenciales
pretende que reflexionen sobre esa variedad y en la siguiente actividad que relacionen
esas sustancias con su combustibilidad. Se espera que los alumnos coloque entre los
que arden: papel y cartón, plásticos y materia orgánica, siendo conveniente especificar
que en esta última hay un gran contenido en agua que no arde pero se evapora durante
el proceso, entre los que no arden: materiales inertes, otros materiales y los metales. Los
metales que se encuentran entre las basuras, hierro, aleaciones como el latón,... en las
condiciones de la incineración puede considerarse que no arden, aunque hay metales
como el magnesio que arden fácilmente, otros que pueden arder en otras condiciones y
casi todos se combinan con el oxígeno.
La lectura sobre el proceso de incineración contiene información que puede ser
interpretada con los contenidos tratados en la unidad: la generación de cenizas y gases
resultado de la incineración, la reducción "aparente" de peso (no arde el 30% de los
componentes de la basura) consecuencia de la formación de sustancias que se escapan
del sistema y la liberación de energía, aspecto este último para el que se propone un
ejercicio de tipo cuantitativo.
CONSIDERACIONES FINALES
En relación a las dificultades que tienen los alumnos a la hora de aprender de
manera significativa los contenidos de Ciencias, debemos destacar algunos aspectos que
se derivan de la investigación en Didáctica de las Ciencias Experimentales que pueden
ser muy útiles a la hora de trabajar en clase las actividades en una unidad como ésta.
18
ACES. El Fuego. Material para docentes
Los alumnos muchas veces tienen buenas razones para mantener las ideas que
tienen. Hewson (1990) apunta que a los alumnos a veces sus ideas les parecen más
inteligibles -las entienden con mayor facilidad- y plausibles -les parecen más creíbles
que las ideas científicas. En términos del modelo de cambio conceptual las ideas de los
alumnos "tienen un mayor estatus" para ellos que las ideas de la química moderna.
Hesse y Anderson (1992) encontraron que la mayoría de los textos básicos de
química contienen una gran cantidad de ecuaciones que representan tipos diferentes de
r.q. y explicaciones de cómo y porqué ocurren, sin embargo dedican poquísimo espacio
a explicar qué es una r.q. y cómo se representa. Para estos autores hay una gran
cantidad de "ecología conceptual" alrededor de la comprensión de las r.q. sobre todo en
cuanto a creencias acerca de la naturaleza de la materia que diferencian el pensamiento
del químico del pensamiento de los alumnos. La diferencia esencial es que detrás de la
interpretación de estos procesos está la teoría atómico-molecular de la materia y por
tanto el salto que hay que dar entre lo macroscópico y lo microscópico.
19
ACES. El Fuego. Material para docentes
REFERENCIAS
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21
ACES. El Fuego. Material para docentes
ACTIVIDADES DE EVALUACION
Los objetivos de aprendizaje
Al incluir los objetivos de aprendizaje al comienzo de la unidad no se pretende
que los alumnos los "estudien", sino que desde el comienzo estos objetivos estén
explícitos.
Una posible graduación en la adquisición de estos objetivos puede ser:
1. Reconocer la importancia del modelo atómico de la materia para explicar
hechos empíricos.
Este objetivo, muy relacionado con las actitudes, ha de ser evaluado a lo largo de
toda la unidad. Uno de los criterios que se pueden utilizar es la mayor o menor
frecuencia con que hacen uso del modelo atómico en las diferentes actividades.
2. Distinguir los procesos en los que tienen lugar las reacciones químicas
utilizando tus conocimientos sobre las características de las mismas.
A. Identifica los procesos en que tienen lugar reacciones químicas, utilizando
como criterio la formación de sustancias nuevas a partir de las iniciales, en
los ejemplos de la unidad y en ejemplos nuevos.
B. Reconoce como reacciones químicas los ejemplos vistos en la unidad, pero
no los ejemplos nuevos.
C. No distingue las reacciones químicas de otros procesos.
Consideramos el grado B el mínimo a alcanzar.
Instrumentos: actividades sobre la combustión pp.4 a 9, diagrama de Venn p. 14,
items 1 y 2 de la prueba escrita.
3. Representar las reacciones químicas mediante el lenguaje y la notación de la
Química.
A. Es capaz de representar las reacciones químicas escribiendo y ajustando las
ecuaciones químicas correspondientes, si conoce las fórmulas de reactivos y
productos.
B. Escribe y ajusta ecuaciones químicas mecánicamente, pero no las relaciona
con el proceso que representan.
C. No es capaz de representar una reacción química por medio de ecuaciones.
Consideramos que debe alcanzarse el grado A.
Instrumentos: Actividad "completa la reacción..." p. 13, "escribe la reacción de
combustión del metano" p. 18, items 3 y 4 de la prueba escrita.
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ACES. El Fuego. Material para docentes
4. Explicar la conservación de la masa en las reacciones químicas a partir del
modelo atómico de la materia.
A. Reconoce que la conservación de los átomos supone la conservación de la
masa en todas las reacciones químicas.
B. Reconoce la conservación de la masa en algunos casos, pero no en todos
(tiene problemas p.ej. cuando intervienen gases). No la relaciona con la
conservación de los átomos.
C. No reconoce que la masa se conserva en las reacciones químicas.
Consideramos que debe alcanzarse el grado A
Instrumentos: actividad sobre "papel que arde en una campana" p. 18, "caja con
aire, semilla..." p. 19, items 7 y 8 de la prueba escrita.
5. Reconocer algunos factores que afectan al desarrollo de la velocidad de las
reacciones químicas.
A. Reconoce la influencia de factores como la temperatura o la superficie de
contacto entre los reactivos en la velocidad de reacciones químicas no vistas
en la unidad.
B. Identifica la influencia de los factores mencionados anteriormente en los
ejemplos de la unidad, pero no en ejemplos nuevos.
C. No reconoce la influencia de ningún factor en la velocidad de las reaccciones.
Consideramos el grado B el mínimo a alcanzar.
Instrumentos: actividad "predice, observa, explica" p. 15, actividad sobre la
carburación p. 16, items 5, 5' y 6 de la prueba escrita.
6. Reconocer los combustibles y los alimentos como sustancias energéticas y el
orden de magnitud de la energía que se puede obtener de ellos.
A. Reconoce los combustibles y los alimentos como sistemas que contienen
energía, que se desprende cuando reaccionan con el oxígeno en cantidades
del orden de kilojulios por gramo de combustible.
B. Reconoce que los combustibles y los alimentos contienen energía, pero no el
orden de magnitud de ésta.
C. Creen que la energía se origina en el momento en que el combustible arde o
el alimento se come.
D. No creen que los combustibles y los alimentos tengan relación con la energía.
Consideramos el grado B el mínimo a alcanzar.
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ACES. El Fuego. Material para docentes
Instrumentos: Actividad sobre el calor de combustión de la vela p. 23, energía
generada por la incineración de basuras p. 29, item nº 9 de la prueba escrita.
7. Interpretar las normas para prevenir, apagar o protegerse de los incendios en
función de la naturaleza de las reacciones de combustión.
A. Utiliza los elementos del llamado "triángulo del fuego":combustible, oxígeno
y elevada temperatura, en relación con las medidas de prevención, extinción o
protección frente a los incendios.
B. Conoce las principales normas de prevención, extinción o protección frente a
los incendios, pero sólo interpreta algunas de ellas en función de la naturaleza
de las reacciones químicas.
C. Conoce, a nivel fenomenológico, algunas normas de prevención, extinción o
protección frente a los incendios.
Consideramos el grado B el mínimo a alcanzar.
Instrumentos: actividad sobre la seguridad en las gasolineras p. 17, elaboración y
discusión del poster sobre la visita del bombero p. 26, items nº 10, 11 y 12 de la prueba
escrita.
8. Valorar críticamente el efecto de las reacciones de combustión sobre nuestra
salud y calidad de vida y sobre el futuro de nuestro planeta.
A.Conoce la utilización de los combustibles como fuente de energía en nuestra
civilización, y algunos efectos perjudiciales sobre la salud y el medio
ambiente que pueden tener estas reacciones.
B. Es capaz de valorar aspectos parciales de los efectos de las reacciones de
combustión sobre la calidad de vida o el medio ambiente.
C. Valora incorrectamente la relación entre la utilización de los combustibles
como fuentes de energía y sus efectos medioambientales.
Consideramos el grado B el mínimo a alcanzar.
Instrumentos: debate sobre la lluvia ácida, actividad sobre el catalizador de los
coches, items 13 y 14 de la prueba escrita.
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ACES. El Fuego. Material para docentes
MODELO DE PRUEBA ESCRITA
1.- Dados los siguientes lugares en donde aparece agua, señala en cuáles la
aparición de agua se debe a una reacción química:
• el tubo de evacuación de una secadora de ropa
• el tubo de escape de un coche
• el espejo del cuarto de baño después de ducharte
• la llama de un mechero de butano
2.- En tres pequeños recipientes echamos cantidades iguales de alcohol de quemar
(metanol, CH4O). En el primero de ellos prendemos fuego al metanol, el segundo
recipiente lo colocamos sobre la llama de un mechero, y el tercero lo dejamos sobre la
mesa del laboratorio. Al cabo de diez minutos en ninguno de los tres recipientes queda
ya metanol.
Explica razonadamente, en cada caso, lo que crees que le ha ocurrido al metanol,
y si crees que es posible recuperarlo.
3.- Cuando el propano, C3H8, arde ¿qué sustancias se forman? Ecribe la reacción
química que ocurre.
4.- Completa la siguiente reacción química con la sustancia que falta:
CaCO3 + 2 HCl
…… + CO2 + H2O
5.- Si la reacción anterior la llevamos a cabo echando el CaCO3, que es sólido,
sobre el ácido clorhídrico (HCl), crees que se notará alguna diferencia entre echar el
CaCO3 en trozos grandes o echarlo finamente pulverizado?
5.- (alternativa) El hierro reacciona con el ácido clorhídrico (HCl) produciéndose
hidrógeno y FeCl2.¿Cómo irá más rápida la reacción, si introducimos un clavo de hierro
en el ácido o si primero reducimos el clavo a limaduras y después lo echamos en el
ácido?
6.- Pon algún ejemplo que ilustre cómo la velocidad de las reacciones químicas
varía con la temperatura.
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ACES. El Fuego. Material para docentes
7.- Cuando leemos: la incineración de basuras no las elimina totalmente, pues
genera cenizas, escorias y gases, pero provoca una reducción de peso del 70 %, esto
quiere decir:
• los productos de la combustión de las basuras pesan un 70% menos que las
basuras.
• los productos de combustión pesan un 70% menos que la suma de la basura y el
oxígeno necesario para que arda.
• los productos de la combustión, descontados los gases, pesan un 70% que la
suma de la basura y el oxígeno
• los productos de la combustión, descontados los gases, pesan un 70% menos
que la basura.
8.-Cuando un clavo se oxida, parte del hierro reacciona con el oxígeno del aire,
formando trióxido de dihierro, Fe2O3. De acuerdo con ésto ¿crees que el clavo oxidado
pesará más, menos o igual que antes de oxidarse? (razona la respuesta)
9.-¿Qué crees que aportará más energía a tu organismo, un vaso de café caliente o
un helado?
10.-Interpreta la siguiente noticia, en función de la naturaleza de las reacciones de
combustión: "El fuerte viento reinante en la zona impide por el momento la extinción
del incendio forestal que está destruyendo..."
11.-¿Por qué si soplas una cerilla esta se apaga, mientras que si soplas en una
hoguera el fuego se aviva?
12.-Explica por qué se puede apagar un fuego echando sobre él una manta
húmeda.
13.-¿Qué relación crees que puede haber entre el aumento en el consumo de
energía eléctrica y la lluvia ácida?
14.-Si los vehículos con motor Diesel expulsan óxidos de azufre por el tubo de
escape, esto es debido a que:
• se forman átomos de azufre durante la combustión
• el combustible contiene azufre
• se pierde parte del ácido sulfúrico de la batería
• varias piezas del motor Diesel contienen azufre
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ACES. El Fuego. Material para docentes
RECURSOS
Modelos moleculares
"Cochranes of Oxford molecular models", Minit y Orbit
Cochranes of Oxford Limited
Leafield, Oxford OX8 5NT, Inglaterra
Videograma
"Fuego y llamas" (duración aproximada 20 minutos)
Colección Ojo Científico, Programa 3, Primera Serie
Metrovideo Escuela, Imagen 35 y Asociados S.A.
Algete, 28110 Madrid.
Póster sobre la llama
Está basado en un artículo:
R. Cornia, "The Science of Flames", 1991, The Science Teacher, Vol 58, Nº 8,
pp.43-45.
El póster aparece en el mismo número de la revista The Science Teacher.
El catalizador del automóvil
El PAIS SEMANAL Nº 113
Sección "Retrato Robot" 20 cosas que debe saber acerca de ...
Texto: Javier Laquidain
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