Stoichiometry and the law of mass conservation: aspects to be analyzed from chemical languages

The present article is focused on stoichiometry problems written in different chemical languages in which drawings represent atoms behavior at the initial and final state of a reaction. The analysis leads to the need to be aware of the special constraints of each chemical language. A discussion on what teachers say, how they use chemical languages and model-based scientific explanations and how they assess students is presented. These reflections give insights into the meaning of "talking chemistry".

Authorship

Lydia Galagovsky

Centro de Formación e Investigación en Enseñanza de las Ciencias (CEFIEC), Grupo de Investigación en Aprendizaje y Didáctica de las Ciencias Naturales (GIADiCIeN), Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires (UBA), Ciudad Universitaria, Pabellón II, 1428, Buenos Aires, Argentina. E-mail: <lyrgala@qo.fcen.uba.ar> Universidad de Buenos AiresArgentinaBuenos Aires, ArgentinaCentro de Formación e Investigación en Enseñanza de las Ciencias (CEFIEC), Grupo de Investigación en Aprendizaje y Didáctica de las Ciencias Naturales (GIADiCIeN), Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires (UBA), Ciudad Universitaria, Pabellón II, 1428, Buenos Aires, Argentina. E-mail: <lyrgala@qo.fcen.uba.ar>

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Figura 1
Problemas "tradicional" y "conceptual" utilizados simultáneamente para evaluar a estudiantes en el tema estequiometría

Los asteriscos señalan las respuestas correctas.

Fuentes: Nurrenbern; Pickering (1987)NURRENBERN, S.; PICKERING, M. Concept learning versus problem solving: is there a difference? Journal of Chemical Education, Washington, v. 64, n. 6, p. 508-510, 1987.; Sanger (2005)SANGER, M. J. Evaluating students'conceptual understanding of balanced equations and stoichiometric ratios using a particulate drawing. Journal of Chemical Education, Washington, v. 82, n. 1, p. 131-134, 2005.; Sawrey (1990)SAWREY, B. A. Concept learning versus problem solving: revisited. Journal of Chemical Education, Washington, v. 67, n. 3, p. 253-254, 1990..

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Figura 2
Problemas "tradicional" y "conceptual" utilizados simultáneamente para evaluar a estudiantes en el tema estequiometría

Fuentes: Nakhleh; Mitchell (1993)NAKHLEH. M. B.; MITCHELL, R. C. Concept learning versus problem solving: there is a difference. Journal of Chemical Education, Washington, v. 70, n. 3, p. 190-192, 1993.; Nurrenbern; Pickering (1987)NURRENBERN, S.; PICKERING, M. Concept learning versus problem solving: is there a difference? Journal of Chemical Education, Washington, v. 64, n. 6, p. 508-510, 1987.; Zoller et al. (1995)ZOLLER, U. et al. Success on algorithmic and LOCS vs. conceptual chemistry exam questions. Journal of Chemical Education, Washington, v. 72, n. 11, p. 987-989, 1995..

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Figura 3
Análisis ontológico-lingüístico de los tres niveles de la química (macro, micro y simbólico), que modifican el conocido Triángulo de Johnstone

Fuente: Elaborada por los autores.

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Figura 4
Marco teórico propuesto. Los errores que los estudiantes cometen sobre estequiometría serían derivados de transferencias entre lenguajes químicos expertos que tienen diferentes códigos y formatos sintácticos específicos.

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Cuadro 1
Códigos sintácticos para el lenguaje de formulas químicas

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Cuadro 2
Formatos sintácticos (FS) para ecuaciones químicas

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Cuadro 3
Posibles respuestas de los estudiantes novatos derivadas de transferencias equivocadas entre códigos y formatos sintácticos de diferentes lenguajes, para el problema "conceptual" de la Figura 1.

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Cuadro 4
Posibles respuestas para el problema "conceptual" (Figura 2) derivadas de transferencias equivocadas entre códigos y formatos sintácticos de diferentes lenguajes

Figura 1 Problemas "tradicional" y "conceptual" utilizados simultáneamente para evaluar a estudiantes en el tema estequiometría
Los asteriscos señalan las respuestas correctas.

Fuentes: Nurrenbern; Pickering (1987)NURRENBERN, S.; PICKERING, M. Concept learning versus problem solving: is there a difference? Journal of Chemical Education, Washington, v. 64, n. 6, p. 508-510, 1987.; Sanger (2005)SANGER, M. J. Evaluating students'conceptual understanding of balanced equations and stoichiometric ratios using a particulate drawing. Journal of Chemical Education, Washington, v. 82, n. 1, p. 131-134, 2005.; Sawrey (1990)SAWREY, B. A. Concept learning versus problem solving: revisited. Journal of Chemical Education, Washington, v. 67, n. 3, p. 253-254, 1990..

Figura 2 Problemas "tradicional" y "conceptual" utilizados simultáneamente para evaluar a estudiantes en el tema estequiometría
Fuentes: Nakhleh; Mitchell (1993)NAKHLEH. M. B.; MITCHELL, R. C. Concept learning versus problem solving: there is a difference. Journal of Chemical Education, Washington, v. 70, n. 3, p. 190-192, 1993.; Nurrenbern; Pickering (1987)NURRENBERN, S.; PICKERING, M. Concept learning versus problem solving: is there a difference? Journal of Chemical Education, Washington, v. 64, n. 6, p. 508-510, 1987.; Zoller et al. (1995)ZOLLER, U. et al. Success on algorithmic and LOCS vs. conceptual chemistry exam questions. Journal of Chemical Education, Washington, v. 72, n. 11, p. 987-989, 1995..

Figura 3 Análisis ontológico-lingüístico de los tres niveles de la química (macro, micro y simbólico), que modifican el conocido Triángulo de Johnstone
Fuente: Elaborada por los autores.

Figura 4 Marco teórico propuesto. Los errores que los estudiantes cometen sobre estequiometría serían derivados de transferencias entre lenguajes químicos expertos que tienen diferentes códigos y formatos sintácticos específicos.

Cuadro 1 Códigos sintácticos para el lenguaje de formulas químicas

a. Con letras se representa cada elemento químico; puede o no indicarse estado de oxidación.

b. Los supraíndices con números y signos (más o menos), muestran estados de oxidación, carga eléctrica neta para un átomo o conjunto de átomos que forman iones.

c. Los subíndices representan el número de átomos presentes de cada elemento químico.

d. Paréntesis indican que el arreglo de átomos encerrados en él forman una especie química.

e. Subíndices a la derecha abajo de un paréntesis indican el número de veces que un subgrupo químico está presente en la especie química total.

f. Los coeficientes representan el número de veces que está presente una especie química en la ecuación balanceada final. Los coeficientes deben ser números enteros.

Fuente: Elaborado por los autores.

Cuadro 2 Formatos sintácticos (FS) para ecuaciones químicas

FS-1. Un cambio químico implica reordenamientos en la combinación de elementos químicos, con o sin transferencia de electrones entre especies químicas reactivas; se identifica como reacción química.

FS-2. Una reacción química se escribe mediante una ecuación química balanceada.

FS-3. Los reactivos se escriben en la parte izquierda de la ecuación química balanceada y los productos en la parte derecha; una flecha hacia la derecha indica el proceso de reacción entre reactivos y productos.

FS-4. Para los cálculos estequiométricos la flecha significa reacción irreversible y total (reactivos se convierten en productos en un 100%).

FS-5. Dos flechas opuestas significan que la reacción llega a un equilibrio.

FS-6. La ecuación química balanceada no admite exceso de reactivos o de productos.

FS-7. Los cálculos estequiométricos pueden presentarse a nivel molecular o molar.

FS-8. En la ecuación química balanceada se conserva la masa: el número de veces en que se encuentra cada elemento químico como reactivo o producto, independientemente de su estado de agregación.

FS-9. Una ecuación química balanceada debe mostrar la mínima proporción de coeficientes que permitan conservar el número total de cada tipo de átomos involucrados en la reacción química.

FS-10. La masa total se conserva en recipientes cerrados donde ocurren reacciones químicas (ley de conservación de la masa, macroscópica).

Fuente: Elaborado por los autores.

Cuadro 3 Posibles respuestas de los estudiantes novatos derivadas de transferencias equivocadas entre códigos y formatos sintácticos de diferentes lenguajes, para el problema "conceptual" de la Figura 1.

Respuesta A: En una ecuación bien escrita no deben sobrar reactivos (FS-6). Hay que contar para ver que lo que está escrito al principio se conserve al final (FS-10). Si sobran círculos se debe a que todavía no terminaron de reaccionar, porque al final todo tiene que reaccionar (FS-4).

Respuesta B: Hay tres cuadrados, al final se juntan con seis redondos pero las partículas que "sobran" no se tienen que contar (FS-6). Al final todo tiene que reaccionar (FS-4).

Respuesta D: Hay que poner en las fórmulas químicas todo lo que se presenta en el dibujo.

Fuente: Elaborado por los autores.

Cuadro 4 Posibles respuestas para el problema "conceptual" (Figura 2) derivadas de transferencias equivocadas entre códigos y formatos sintácticos de diferentes lenguajes

Respuesta a: Se combinan todas las especies para que no sobre ninguna (FS-10). Así si son seis blancas y doce negras, la fórmula química del producto debe ser una blanca con dos negras, porque todo debe reaccionar (FS-4).

Respuesta b: En el estado final, los átomos se conservan, sólo se "reordenan"; cambian sus posiciones unos con respecto a otros (FS-1). El problema dice que es una mezcla final, y los dibujos "a", "b" y "d" no son una mezcla.

Respuesta c:En la ecuación química balanceada se muestra que reacciona todo y no sobra nada (FS-4). Hay seis blancos inicialmente, se completa con los negros necesarios, porque el dibujo del estado inicial muestra sólo una parte de las partículas que hay.

Respuesta d: La ecuación química dice que se forman dos partículas de SO₃.

Fuente: Elaborado por los autores.

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[1] Fuente: Elaborado por los autores.