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Un ejemplo de aplicación didáctica de las nuevas tecnologías

Autores

David Rodríguez Barrantes
Ingeniero Agrónomo. Profesor de Producción Agraria. I.E.S. Aguas Nuevas. Albacete

Joaquín Rodríguez Guarnizo
Dr. Ciencias Químicas. Profedor de Didáctica Química. Facultad de Ciencias del Medioambiente. Toledo. UCLM

Información

Resumen: Tomando como ejemplo la exposición en aula de los procesos químicos que permiten la fabricación de la sosa por el procedimiento Solvay, mostramos como el diseño mediante el programa Power Point, de los diferentes esquemas que desde nuestro punto de vista le son propios, puede rentabilizar el acto didáctico en su doble vertiente, la docente y la discente

Palabras clave: Solvay, Diseño aprendizaje, Power Point.

Abstract: Taking as an example a lecture on the chemical processes involved on the manufacture of sodium carbonate (soda ash) through the Solvay procedure, we show how the design of all the appropriate schemes to make a Power Point presentation can be profitable from both, the teacher and the student, point of view

Introducción y análisis

Aunque ya nos hemos preocupado en un trabajo anterior de la problemática histórica de la fabricación de la sosa, traemos aquí revisado desde el punto de vista conceptual químico, parte de su contenido, como ejemplo de cómo la aplicación didáctica de alguna de las nuevas tecnologías al servicio de la enseñanza, pueden facilitar tanto su exposición en aula, como incidir positivamente en su aprendizaje.

Justifica nuestra aportación el entender el acto didáctico como un mero proceso de comunicación, en el que una vez fijadas las variables, emisor (el profesor), el/los receptores (el grupo de alumnos al que nos dirigimos), y el mensaje (en nuestro caso, su contenido es el procedimiento de fabricación de la sosa Solvay), podemos proceder a su tratamiento, teniendo en cuenta las diferentes variables que inciden en el aprendizaje . Por un lado, desde un punto de vista asociacionista, la progresión de la dificultad de lo que se imparte, desglosando el contenido y jerarquizando el mismo, y por otro desde la visión cognoscitivista del aprendizaje, teniendo presente el concepto de organización por configuraciones globales y el logro de un aprendizaje significativo.

El empleo del programa Power Point permite hacer realidad nuestro empeño, ya que utilizado en el diseño de los diferentes documentos que se muestran en el aula, permiten no solo la aparición en pantalla, de una manera progresiva, de los diferentes ítems sobre los que centrar la exposición y discusión de la problemática, en este caso, química del tema, sino además la visualización integradora de los diferentes pasos que comporta el aprendizaje.

Merece nuestra atención la fabricación de la sosa, porque está ligada al nacimiento de la contaminación química medioambiental y a la puesta en marcha de recursos químicos para contrarrestarla, y porque marca también un hito en el nacimiento de la industria química pesada, aspectos ambos ya tratados en nuestro anterior trabajo.

Concretamente, ya en el contenido químico que nos preocupa, Solvay patentó su procedimiento en 1861, fundando una Compañía que en 1863 inicia en Bélgica la fabricación de carbonato sódico. En 1872 se montan las primera fábricas de sosa por este procedimiento en Francia e Inglaterra; en 1880 en Alemania, en 1881 en Estados Unidos; en 1883 en Rusia, hasta que en 1886 la producción por este procedimiento iguala a la obtenida por el método puesto a punto por Leblanc. A partir de ese momento, la fabricación de carbonato sódico por el método francés, cuya última instalación se clausuró en 1915, fue poco a poco desplazada por el método Solvay, procedimiento por el que aún se sigue obteniendo sosa a escala mundial. Por ello al carbonato sódico se le conoce comercialmente como sosa Solvay.

Desde un punto de vista global, el método ideado por Solvay tiene por objetivo lograr la reacción entre el cloruro sódico y el carbonato cálcico (piedra caliza), materias primas abundantes y baratas, para obtener como productos sosa y cloruro cálcico [1]:

2NaCl (ac.) + CaCO3 (s) ® Na2CO3 (ac.) + CaCl2 (ac.) [1]

Si bien la realización de este proceso en sentido inverso es inmediata y constituye una experiencia elemental de ejemplo de una reacción química de precipitación.

CaCl2 (ac) + Na2CO3 (ac) þ 2NaCl (ac.) + CaCO3 (s)

En el sentido que nos interesa, no es posible llevarlo a cabo directamente en disolución, ya que la insolubilidad del carbonato cálcico, hace que el equilibrio correspondiente[1] esté prácticamente desplazado hacia la izquierda. Para lograrlo fue necesario idear una serie de etapas intermedias:

  1. Precipitación del bicarbonato sódico por reacción del cloruro sódico con dióxido de carbono, en presencia de amoniaco, en disolución acuosa:
    I.- NaCl (ac.) + NH3 (g) + H2O (l) + CO2 (g) ® NaHCO3 (s) + NH4Cl (ac.) [2]

  2. Descomposición térmica del bicarbonato sódico formado:
    II.- 2NaHCO3(s) ® Na2CO3(s) + H2O(l)+ CO2(g) [3]

El proceso [2], tratamiento de una salmuera amoniacal con dióxido de carbono, obtenido por calcinación de caliza [4], da lugar a la formación de bicarbonato sódico insoluble en agua y cloruro amónico muy soluble en ella, lo que se esquematiza en la figura nº 1.

La calcinación de la caliza (CaCO3) también materia prima del proceso, es necesaria para disponer del dióxido de carbono preciso para que se lleve a cabo el proceso [2].

CaCO3 (s) þ CaO (s) + CO2 (g) [4]

Precisamente aquí es donde el empleo de las nuevas tecnologías nos es especialmente útil. El programa informático antes aludido permite mostrar el contenido de la figura nº 1, paso a paso y progresivamente. En primer lugar aparecen en pantalla, debidamente resaltadas las dos materias primas del proceso [1], el cloruro sódico y la caliza. Seguidamente se muestra el esquema del proceso [4], que permite disponer del dióxido de carbono preciso para que se lleve a cabo el proceso [2]; y sucesivamente se mostrará la aportación de agua y amoniaco, que juntos con la sal son necesarios para la preparación de la salmuera amoniacal. Inmediatamente después se completará la visualización del proceso [2], con la aparición sucesiva en pantalla, de los recuadros correspondientes a los productos de dicha reacción.

La posterior descomposición térmica del bicarbonato sódico producido [3], permite obtener el deseado carbonato sódico y liberar agua y dióxido de carbono, que se une al aportado por la calcinación de la caliza, incorporándose al proceso, tal como muestra el esquema de la figura nº 2, que hemos estimado conveniente no sobrecargar con la especificación del agua liberada.

En relación con el esquema que muestra la figura nº 2, en primer lugar debe aparecer en pantalla el recuadro correspondiente al bicarbonato sódico formado en el proceso [2]. En segundo lugar aparecerá el recuadro correspondiente al producto final del proceso [3], el carbonato sódico buscado, debidamente resaltado como producto final del proceso y a continuación el recuadro correspondiente a la liberación de dióxido de carbono junto con sus respectivas flechas de enlace. Después se visualizará, con sus respectivas flechas de conexión, la incorporación de dicho producto a la línea de alimentación procedente de la calcinación de la caliza.

En la descomposición térmica de la caliza [4], se origina también oxido de calcio, que tratándolo con agua proporciona hidróxido de calcio (lechada de cal o cal apagada, suspensión y disolución acuosa de hidróxido cálcico)[5]; producto que por reacción con el cloruro amónico formado en el proceso [2] , permite recuperar el amoniaco [6], y da lugar a la aparición del único subproducto del proceso el cloruro cálcico, tal como muestra el esquema de la figura nº 3.

CaO (s) + H2O (l) þ Ca(OH)2 (ac.) [5]

2NH4Cl (ac) + Ca(OH)2 (ac.) þ 2NH3 (g) + CaCl2 (ac.) + 2H2O (l) [6]

En relación con la figura nº 3, en primer lugar debe parecer en pantalla el recuadro correspondiente al óxido de calcio, relacionándolo claro está, con lo expuesto en la figura nº 1 respecto a la descomposición de la caliza. En segundo lugar, aparecerá el recuadro con el agua, indicando que su aportación permite la reacción con la cal viva, para originar la lechada de cal. Una vez en pantalla el recuadro correspondiente al hidróxido cálcico, aparecerá el del cloruro amónico, que previa reacción con el anterior producto, permite recuperar el valioso amoniaco, y obtener como subproducto cloruro cálcico, de acuerdo con el proceso [6]; los recuadros correspondientes a cada una de estas sustancias, así como sus líneas de enlace irán apareciendo sucesivamente. También aquí y por no sobrecargar el esquema, hemos obviado la presencia de agua entre los productos finales de la recuperación el amoniaco.

Mediante esta serie de procesos, no solo se recupera el amoniaco que se recircula, sino que la cal viva producida se transforma en el único subproducto, inocuo desde un punto de vista tóxico y medioambiental, el CaCl2 .

No acaba aquí el interés de estudiar el proceso Solvay, ya que las reacciones necesarias para que se lleve a cabo el proceso completo de fabricación, constituyen casi un ciclo cerrado, con las únicas entradas y salidas que las materias primas y los productos de reacción. El amoniaco juega un papel de "facilitador" en la obtención de la sosa, ya que todo el amoniaco que se precisa para la formación de la salmuera amoniacal, se recupera mediante la reacción [6], y se incorpora de nuevo al proceso global, como muestra el esquema que visualiza la figura nº 4 en el que se resaltan con más intensidad los recuadros correspondientes a las materias primas y los productos finales de la obtención de la sosa; dicha figura no es más que el resultado de integrar en un todo, las anteriores tres figuras.

El diseño de este esquema mediante el programa informático que aludimos, permite la aparición en pantalla, paso a paso, de los distintos cuadros y flechas que los relacionan, de forma que se puede lograr una presentación paulatina y a la vez globalizada del proceso. Sin duda ello redunda en el logro de una exposición más eficaz del contenido y a la vez facilita alcanzar un aprendizaje significativo del mismo.

Desde un punto de vista químico el proceso de obtención de la sosa por el método Solvay solo conlleva el empleo ingenioso de los equilibrios par ácido-base conjugados, con la ventaja de que los productos que se obtienen en un proceso intermedio, se reciclan o se emplean en el siguiente.

La presentación con Power Point de estos y el resto de los cuadros resumen que en este trabajo se exponen, permite que la presentación en pantalla de cada una de las distintas líneas -texto o ecuaciones, globales o miembro a miembro-, que los componen se haga de forma paulatina y sucesiva.

A parte del entramado de equilibrios ácido-base que comentamos a continuación, sin la presencia de amoniaco y la realización en lugares separados de los procesos intermedios, no sería viable el proceso global. Si dispusiésemos de una disolución acuosa de sal común y ella se pusiera en contacto con los productos de descomposición de la caliza, solo lograríamos la precipitación de carbonato cálcico, dada la insolubilidad del mismo, aún más en el medio alcalino que se originaría

Sin duda la genialidad del proceso Solvay, es el empleo del amoniaco; el sodio necesario para obtener la sosa se aporta con el cloruro sódico, y la fracción carbónica procede de la calcinación de la caliza, que proporciona el dióxido de carbono, que con el amoniaco da lugar a bicarbonato amónico que fácilmente se transforma en bicarbonato sódico y este en el carbonato deseado.

El proceso [2] puede descomponerse en dos procesos parciales. En el primero, el dióxido de carbono reacciona con el amoniaco disuelto, formando bicarbonato amónico, producto que en una segunda etapa reacciona con la disolución saturada de sal común, de la que precipita el bicarbonato sódico y se origina una disolución acuosa de cloruro amónico.

I.a. CO2 (g) + NH3 (g) + H2O (l) ® NH4HCO3 (ac.) [7]

I.b. NH4HCO3 (ac.) + NaCl (ac.) ® NaHCO3 (s) + NH4Cl (ac.) [8]

La misión del amoniaco es lograr que equilibrio[7], se desplace hacia la formación de bicarbonato amónico, pues de lo contrario no habría suficiente concentración de iones HCO3- para lograr la precipitación posterior del bicarbonato sódico. Este efecto se comprende, admitiendo la formación de iones amonio, por la combinación del amoniaco con los protones que proceden de la primera disociación del ácido carbónico:

H2CO3 + NH3 ® HCO3- + NH4+ [9]

Equilibrio cuyo desplazamiento hacia la derecha, incrementa la concentración de iones bicarbonato hasta alcanzar el valor necesario para la precipitación del bicarbonato sódico.

HCO3- + Na+ Þ NaHCO3- [10]

Si bien el dióxido de carbono solo es muy soluble en agua a elevadas presiones, su solubilidad se ve favorecida a bajas temperaturas. Una vez disuelto en agua, reacciona con ella para formar ácido carbónico

CO2 + H2O Û H2CO3 [11]

Acido diprótido que se ioniza en la siguiente forma:

H2CO3 + H2O Û HCO3- + H3O+ k1 = 3.10-7 [12]

HCO3- + H2O Û CO3 = + H3O+ k2 = 6.10-11 [13]

Equilibrios más o menos desplazados hacia la formación de iones hidrógeno, según sus respectivas constantes de equilibrio. Una vez admitido esto, el proceso más importante es el intercambio de protones con el amoniaco [9], para favorecer la presencia de altas concentraciones de ión bicarbonato.

El amoniaco en presencia de las especies iónicas y moleculares del equilibrio [12], puede dar lugar a los siguientes procesos:

NH3 + H2CO3 Û HCO3- + NH4+ [14]

NH3 + HCO3- Û CO3 = + NH4+ [15]

Son equilibrios ácido-base conjugados, en los que al ser el ión amonio un ácido más fuerte que el ión bicarbonato, y el ión carbonato una base más fuerte que el propio amoniaco, hacen que el equilibrio [15] esté prácticamente desplazado hacia su izquierda, de manera que predomina el desplazamiento hacia la derecha del equilibrio [14], y en consecuencia, la presencia de amoniaco en el proceso global, favorece la formación de una elevada concentración de iones bicarbonato, hasta hacer posible el desplazamiento del equilibrio de precipitación [10] hacia la derecha, tanto más cuanto la elevada concentración de iones sodio (salmuera) favorece por efecto de ión común dicha precipitación.

HCO3- (ac.) + Na+ (ac.) þ NaHCO3- [10]

De igual forma a como hemos comentado anteriormente la forma de presentación de los cuadros, es posible en este caso presentar en primer lugar el primer miembro de la ecuación superior, y después completar la ecuación. A continuación y paso a paso pueden aparecer en pantalla, los diferentes expresiones, flechas y llaves que nos conducen al proceso que aparece en la parte inferior