El misterio de la arena mágica Teach article
Traducido por José L. Cebollada. Un juguete para traer el misterio al aula y que nos ayuda a enseñar química.
juguete
Imagen cortesía de Johanna
Dittmar
¿Sabrías construir un castillo con arena seca? En esta actividad los estudiantes entre 12 y 16 años dedicarán dos o tres clases a investigar la arena mágica, un juguete popular, y a entender sus propiedades químicas. Se propone a los alumnos una investigación sobre la química de superficies y los materiales hidrófobos y que utilicen las cinco fases de la enseñanza basada en la investigación: involucrarse, explorar, explicar, aplicar y evaluar.
¿Qué es la arena mágica?
La arena mágica (arena hidrófoba) es un juguete conocido por los profesores de química desde hace tiempo y que puedes comprar en jugueterías o en Internet (figura 1). La ciencia de la arena mágica tiene muchas aplicaciones en la vida real.
pequeñas para minimizar el
contacto con la arena mágica
Imagen cortesía de Steve
Jurvetson; origen de la imagen:
Wikimedia Commons
La arena mágica, al contrario que la normal, tiene una superficie hidrófoba que repele el agua y hace que no se moje. En lugar de mojarse se aglutina bajo el agua y se comporta de manera diferente que la normal. Se vende como un juguete pero también se fabrica industrialmente para sellar junturas, por ejemplo en cimientos, o para filtrar impurezas o pequeños vertidos. Hay otra aplicación menos evidente en tiendas de mascotas que se comercializa bajo el nombre Kit4Cat. Este producto recoge la orina de los gatos para analizarla, una alternativa menos estresante al catéter. En YouTube hay muchos vídeos sobre la arena mágicaw1.
Una manera de fabricar la arena mágica es tratar arena normal con vapor de trimetilsilanol ((CH3)3SiOH). El trimetilsilanol forma enlaces covalentes con los grupos hidróxido (-OH) de la superficie de la arena y sustituye los grupos –OH, hidrófilos, por siloxanos, hidrófobos.
química de la arena normal
Imagen cortesía de Ingo Eilks
También se puede cubrir la arena con una capa muy fina de material hidrófobo como cera, resinas, plásticos o betún. En este caso la cobertura hidrófoba se une mediante fuerzas intermoleculares (enlaces no covalentes) y por eso es menos resistente a disolventes hidrófobos (como la acetona). Este último método es más barato y puede ayudarte a fabricar arena mágica rociándola con un espray hidrófobo.
El misterio de la arena mágica
En el marco del proyecto de enseñanza de las ciencias TEMI (Teaching Enquiry with Mysteries Incorporated), creamos una historia para motivar a los estudiantes construyendo un contexto personal y haciendo el aprendizaje más significativo para ellos. El TEMI en Israel propuso la historia de James (ver cuadro).
Materiales
Cada alumno o grupo de alumnos necesita:
- Una cucharada (15 ml) de arena normal
- Una cucharada (15 ml) de arena mágica
- 50 ml de agua
- Dos vasos de 100 ml
- Dos cuentagotas
Quizás los alumnos pidan otros disolventes como aceite, acetona, etanol, hexano o jabón líquido.
Nota de seguridad
Algunos de estos disolventes son muy inflamables y hay que seguir las normas de seguridad del país. Ver también las normas de seguridad de Science in School.
Procedimiento
- Presenta el misterio de la arena mágica con la historia de James (ver cuadro). Esta es la fase de motivación.
- Los alumnos reciben una muestra de arena mágica y otra de arena normal en vasos de 100 ml.
- Con agua y cuentagotas se les pide que construyan castillos de arena mojando las dos muestras. También el profesor puede mostrar el comportamiento de la arena mágica, como se puede ver aquíw1.
- Siguiendo la historia, los estudiantes comparan la arena mágica y la normal. Durante la fase de ‘exploración’ (ver las fases del aprendizaje en el cuadro inferior), los alumnos investigan el comportamiento de la arena mágica usando agua y otros líquidos, intentando captar las diferencias entre las sustancias hidrófilas e hidrófobas.
- Ofrecemos otros líquidos como los sugeridos anteriormente para que puedan comprobar cómo reaccionan las arenas a los diferentes líquidos.
La historia de James
Rochon; origen de la imagen:
Wikimedia Commons
James es un anciano a quien empezó a gustarle los castillos de arena cuando iba a la guardería. Al crecer construía castillos más elaborados y con más detalle: hacía figuras de cuentos de hadas, animales y edificios, incluso ganó un campeonato de construcción de castillos de arena. Pero un día participó en un concurso algo diferente. Fue a una playa y le asignaron un trozo de arena. Cogió el cubo con agua y mojó la arena, pero sucedió algo extraño: la arena no se mojaba. ¿Cómo podría construir un castillo de arena con arena que no se moja?
Al principio James estaba convencido de que no ganaría el concurso, pero consiguió construir un castillo de arena.
Ahora te toca a ti. James me dio una muestra de arena como la que te acabo de dar. ¿Cómo podrías construir un castillo?
¿Qué sucede?
En la parte de la ‘explicación’ ayuda a los alumnos con los conceptos de interacciones moleculares, sobre todo los puentes de hidrógeno. La arena normal puede formar estos enlaces porque su superficie es polar (ver figura 2), y el agua crea conexiones entre los granos de arena y los mantiene unidos.
La arena mágica es diferente. La superficie de los granos es hidrófoba (apolar) por lo que el agua no puede formar puentes de hidrógeno. La arena repele el agua, pero puede ‘mojarse’ con líquidos apolares como el aceite vegetal, que forma enlaces de van der Waals con la superficie de la arena mágica. Esta podría ser una manera de hacer castillos de arena mágica.
Sugerencia para otra actividad
En la versión ‘extendida’ los estudiantes pueden investigar cuál es la manera óptima de construir un castillo de arena. Se les anima a hacer preguntas y diseñar su experimento para contestarlas; por ejemplo, ¿cuál es el mejor disolvente o en qué proporción hay que utilizarlo? También pueden investigar sobre aplicaciones de la arena hidrófoba como se indicó antes, en la fase de ‘evaluación’. Los alumnos podrían escribir un informe sobre la arena mágica, su química y sus aplicaciones.
El proyecto TEMI
Esta actividad se desarrolló como parte del proyecto TEMI, (Teaching Enquiry with Mysteries Incorporated; Enseñar a investigar resolviendo misterios), un proyecto de aprendizaje de la ciencia basada en la investigación (IBSE, inquiry-based science-education), proyecto financiado por la Unión Europea en el 7º Programa Marco 2013-2016. El TEMI ofrece a los profesores las herramientas necesarias para enseñar IBSE utilizando fenómenos sorprendentes e inesperados e implementando un modelo innovador para el aprendizaje basado en la investigación.
IBSE se centra en la investigación como la fuerza que propicia el aprendizaje. Las clases se organizan alrededor de preguntas y problemas de manera que son los alumnos y no los profesores los que aportan las respuestas como fruto de su trabajo de investigación.
El proceso de resolución de problemas TEMI se basa el modelo 5E, que estructura el proceso de aprendizaje en cinco fases: motivar (engage), explorar, explicar, ampliar (extend) y evaluar. Este modelo, propuesto en la década de los 80 en EE.UU. ha influido desde entonces en la investigación didáctica en muchos países (Bybee et al, 2006).
Puedes encontrar información sobre esta propuesta en la web del proyectow2. También hay otros recursos como instrucciones para programar actividades, vídeos de fenómenos sorprendentes y una app para saber más sobre fenómenos científicos sorprendentes de manera autónoma.
References
- Bybee RW, Taylor JA, Gardner A et al (2006) The BSCS 5E instructional model: Origins and effectiveness. Colorado Springs, CO, USA: Biological Sciences Curriculum Study
Web References
- w1 – Vídeo en Youtube de Ran Peleg presentando el misterio de la arena mágica.
- w2 – Puedes encontrar muchos más materiales en la web del proyecto TEMI (traducidos a diferentes idiomas).
Resources
- Para más ideas sobre el uso de la arena mágica en clase, ver:
- Anonymous (2000) Magic sand. Journal of Chemical Education 77: 40A. doi: 10.1021/ed077p40A
- Goldsmith RH (2000) Illustrating the properties of magic sand. Journal of Chemical Education 77: 41. doi: 10.1021/ed077p41
- Vitz E (1990) Magic sand: modeling the hydrophobic effect and reversed-phase liquid chromatography. Journal of Chemical Education 67: 512–515. doi: 10.1021/ed067p512
Review
El artículo de Ran Peleg y colaboradores describe uno de los contenidos del proyecto TEMI que promueve la enseñanza de la ciencia mediante el enfoque IBSE partiendo de pequeños misterios, mitos o magia. El enfoque propuesto es sencillo y motivador pero también funciona con alumnos más adelantados que pueden encontrar una manera propia de construir su aprendizaje con un método parecido al que se usa en ciencia. Además, hay algunos conceptos que los alumnos encuentran pesados y aburridos (enlaces químicos, propiedades de la molécula de agua o química orgánica), aparecen silenciosamente en la investigación como parte de la investigación de las propiedades de la arena mágica.
Por eso, recomiendo el artículo para profesores de ciencias que busquen un una manera motivadora de introducir química orgánica en alumnos de 14-18 años. Las referencias web ofrecen interesantes recursos del proyecto TEMI y otros para promover el uso de la dramatización y la narración en la enseñanza de las ciencias.
Giulia Realdon, Italia