Módulo Instruccional



Programa de Ciencias: Química

Tema: Suspensiones Coloidales: Movimiento Browniano

Tiempo de duración: 60 min

Estándares de Contenido: La estructura y los niveles de organización de la materia

Expectativas La materia y sus interacciones Q.CF1: Estructura y propiedades

Indicadores: ES.Q.CF1.EM. 10,14; 15,16, 17 Y 19


Objetivos:

  1. Describirán la estructura de la materia a base de sus propiedades y características.

  2. Compararán y contrastarán las propiedades de las soluciones, suspensiones y coloides, y provee ejemplos de estos tipos de mezclas.

  3. Explicarán el concepto temperatura en términos del contenido de energía cinética promedio de las partículas.

  4. Relacionarán el contenido de energía térmica de un material con el movimiento de las partículas que lo constituyen de acuerdo a la teoría cinético-molecular.


Introducción:


Si observas lo que acontece cuando los rayos del sol (haz de luz) son recibidos a través de una ventana en un lugar oscuro de su casa nos daremos cuenta cómo arroja la luz una multitud de pequeñas partículas moviéndose en un sinnúmero de caminos. Su movimiento es un indicio subyacente de materia escondidos de nuestra vista. Eso origina el movimiento de los átomos en sí mismos espontáneamente. Entonces los pequeños organismos que son eliminados del impulso de los átomos son puestos en marcha por golpes invisibles y a su vez en contra de unos diminutos cañones. Así, el movimiento de los átomos emerge gradualmente de un nivel del sentido, que estos cuerpos están en movimiento como vemos en el rayo de sol, movidos por soplos que parecen invisibles. Otro ejemplo que podemos dar es la bocanada de humo que lanza al aire un fumador. Veremos que está compuesta de pequeñísimas partículas que se están moviendo continuamente en todas las direcciones, también en zigzag. El hecho común en estos dos casos es que partículas muy pequeñas se hallan inmersas en un fluido. En el caso del haz de luz de la ventana, el fluido es el aire de la casa; en el caso del fumador, el fluido es también el aire de la atmósfera.


El movimiento descrito arriba, que lleva a cabo una partícula muy pequeña que está inmersa en un fluido, se llama movimiento  browniano. Este movimiento se caracteriza por ser continuo y muy irregular. La trayectoria que sigue la partícula es en zigzag.

El movimiento estocástico de estas partículas se debe a que su superficie es bombardeada incesantemente por las moléculas (átomos) del fluido sometido a una agitación térmica.

Este bombardeo a escala atómica no es siempre completamente uniforme y sufre variaciones estadísticas importantes. Así, la presión ejercida sobre los lados puede variar ligeramente con el tiempo, y así se genera el movimiento observado.

Tanto la difusión como la ósmosis se basan en el movimiento browniano.



Un poco de historia:



En el 1827, Robert Brown, un botánico británico, se encontraba observando unos granitos de polen de tamaño necroscópicos de unas plantas que estaban floreciendo. Al este observar dicho polen bajo el microscopio, para su sorpresa, vio pequeñas partículas suspendidas junto al polen que tenían un movimiento continuo y aleatorio. Robert Brown, para descartar que el movimiento era  debido a que las partículas eran biológicas (que tenían vida) utilizo partículas inorgánicas donde también pudo apreciar dicho movimiento. Desde entonces este movimiento aleatorio de partículas pequeñas suspendidas en un fluido es conocido como movimiento Browniano. No obstante, este mismo fenómeno había sido descrito por Jan Ingenhousz, sobre partículas de carbón en alcohol


A pesar de que este movimiento aleatorio fue descubierto por Brown en el 1827 no fue hasta el 1905 que el reconocido físico alemán Albert Einstein desarrolló la teoría matemática detrás del fenómeno del movimiento Browniano. Einstein publicó un artículo titulado Sobre el movimiento requerido por la teoría cinética molecular del calor de pequeñas partículas suspendidas en un líquido estacionario en el que, por métodos estadísticos, obtuvo una ecuación que representaba el movimiento de las moléculas de agua golpeando a los granos de polen o a cualquier otro pequeño cuerpo. La teoría de Einstein demostraba la teoría atómica, todavía en disputa a principios del siglo XX, e iniciaba el campo de la física estadística. En este trabajo, Einstein no sólo explicaba el movimiento browniano, sino que proporcionaba una evidencia experimental de la existencia de los átomos y daba un considerable impulso a los estudios de mecánica estadística y a la propia teoría cinética de los fluidos, que por aquél entonces se encontraban inmersas en importantes controversias.

Resulta sorprendente que en esta ecuación figurara el tamaño de la molécula del agua, ya que por aquél entonces aún había científicos que no creían en la existencia real de átomos y moléculas y sólo los consideraban ficciones teóricas útiles para comprender las reacciones químicas.       

Vocabulario:

Suspensión coloidal - una suspensión coloidal o dispersión coloidal es un sistema físico que está compuesto por dos fases: una líquida y otra dispersa en forma de partículas sólidas, de tamaño relativamente grande (Se trata de partículas que no son apreciables a simple vista, pero mucho más grandes que cualquier molécula, entre unos 10 nanómetros y 1000 micrómetros).     

Coloide: pueden ser definidos como el puente que comunica a las suspensiones con las soluciones, es decir, son un paso intermedio entre ambas. Un coloide es un sistema entre dos o más fases ,generalmente formado por una parte liquida, que formaría lo que vulgarmente llamamos liquido de  gobierno o fase dispersante  y otra sólida ,   que la formarían las partículas que intentamos dispersar, no siempre este es el caso y se pueden dar las mezclas de los distintos estados. Algunos ejemplos de uso diario son: la leche (en donde la grasa láctea es la partícula a dispersar  y el agua el medio dispersante), la mayonesa, la mantequilla,  el queso los zumos y las limonadas, los detergentes, suavizantes jabones, las cremas alimentarias y de belleza, los insecticidas, el caucho, las espumas, las pinturas, el asfalto y un sinfín más de bienes de consumo.


El nombre de coloide proviene de la raíz griega kolas que significa que puede pegarse. Este nombre hace referencia a una de las principales propiedades de los coloides: su tendencia espontánea a agregar o formar coágulos.

La diferencia entre una solución, un coloide y una suspensión, está en el tamaño de partícula del soluto o fase a dispersar.

Solución, tamaño de partícula 0.1-10 nanómetros

Coloide, tamaño de partícula 10-100 nanómetros

Suspensión, tamaño de partícula >100 nanómetros

Suspensión: Las suspensiones son mezclas heterogéneas formadas por un sólido en polvo (soluto) o pequeñas partículas no solubles (fase dispersa) que se dispersan en un medio líquido o gaseoso (fase dispersante o dispersora). Cuando uno de los componentes es agua y los otros son sólidos suspendidos en la mezcla, son conocidas como suspensiones mecánicas.  Ejemplo: Maalox.

    

   


Materiales:


1 Caja de madera -  dimensiones (1.5ft x 1.5ft x .4ft)

4 Resortes

1 bolsa de canicas

1 disco (este dependerá de la asperesa de la superficie)

1 Bungee de seguridad

4 Round Headed Bolt (5/16-6”)

1 Washer (arandela) and Nut Kit de ángulo ranurado(5/16)

4 Slotted Angle Zinc (1.5ft)

4 Clamps


Actividad a realizar:

  1. Repasar  aquellos ejemplos que pueden estar relacionados con el movimiento Browniano.

  2. Hacer grupos para interactuar con el simulador de movimiento browniano, es recomendable que sean de 4 personas por mesa, para así distribuir equitativamente las tareas.

  3. Realizar una maqueta del movimiento Browniano, donde se hace alusión al ejemplo previamente explicado. Esto se hace con el propósito de entender la relación que existe de las canicas y el disco en el ejemplo previo (suspensión coloidal).

  4. Unas vez concluidas la comparación entre ambos sistemas, se procede a explicar el tipo de movimiento aleatorio (movimiento Browniano) que conlleva una suspensión coloidal.

  5. Finalmente, se inicia el movimiento Browniano en la maqueta para que la audiencia perciba el fenómeno a una escala macro.

  6. Para iniciar dicho movimiento, hay que halar de las tiras elásticas simultaneamente y ver el desplazamiento o desarrollo del disco.


Video Sugerido:

http://www.youtube.com/watch?v=cDcprgWiQEY&feature=related

http://www.youtube.com/watch?v=anlVe_7W3T0

www.youtube.com/watch?v=VJ3xzfnGUGA


II. Movimiento Forético (Actividad Opcional)

Instrucciones de la actividad:

Para esta actividad es requerido que las personas a coger taller, se les haya explicado de ante mano el concepto del movimiento browniano. De hacer grupos para interactuar con el simulador de movimiento forético, es recomendable hacerlos en grupos de 4 personas, para asi distribuir equitativamente las tareas.


Desarrollo de Actividad:

A diferencia del módulo del movimiento browniano, en este caso, de las cuatro personas escogidas, 3 de ellos deben de ejercer una fuerza bastante parecida cuando jalen el resorte. Estos tres resortes deben escogerse de manera que esten uno al lado del otro. La cuarta persona se va a encargar de jalar del 4 resorte, que esta de frente a los otros 3 resoltes, con una intensidad mucho menor a la de los otros tres. El propósito de esto es poder crear un desbalance de fuerza, por medio de las interacciones que presencie el objeto que se utilize como coloide. De modo, que se pueda crear un movimiento en una dirección (movimiento forético) en el sistema.




Referencias:

Bhalerao, Rajeev S. Brownian Motion for the School-Going Child. Rep. no. TIFR/TH/04-31. Print.

Fowler, Michael. "Brownian Motion." Brownian Motion. University Virginia, 1 Aug. 2008. Web. 21 May 2012. <http://galileo.phys.virginia.edu/classes/152.mf1i.spring02/BrownianMotion.htm>.

Ruben D. Cohen (1986) “Self Similarity in Brownian Motion and Other Ergodic Phenomena,” Journal of Chemical Education 63, pp. 933-934.

https://www.edumedia-sciences.com/es/a247-movimiento-browniano

Resumen. En un fluido, las partículas microscópicas son sometidas a movimientos desordenados y aleatorios.


Normas nacionales sobre los contenidos de ciencia:

UCP.1 Sistema, orden y organización

UCP.2 Evidencias, modelos y explicación

B.2 Estructura y propiedades de la materia

B.4 Movimientos y fuerzas



















Hoja de tarea para estudiante: Suspensiones Coloidales-Movimiento Browniano


Nombre: ____________________________ Fecha: ___________

Grado: ________ Puntuación: ______


A continuación se les presenta unas preguntas y ejercicios a realizar donde aplicará los conocimientos aprendidos.


  1. Compara y contrasta cada sistema a continuación:

Sistema Coloidal

Sistema de Suspensión











  1. A qué se debe el movimiento aleatorio de una partícula en una suspensión coloidal (Movimiento Browniano)?

_______________


  1. Por qué el movimiento de dichas partículas es aleatorio?

______________________


  1. Qué es el movimiento neto de una partícula coloidal?

_____________________________

  1. Cuál es la relación de la energía térmica de un material con el movimiento de las partículas que lo constituyen de acuerdo a la teoría cinético-molecular?

____________________

  1. El desplazamiento ocurrió en una sola dirección ¿Por qué?

________________

  1. Clasifica los siguientes ejemplos como disoluciones con una (D), coloides con una (C) y suspensiones con una  (S):

___a) agua mineral

___b) espuma para rasurar

___c) agua de melón

___d) spray fijador

___e) un rubí

___f) agua con azúcar

___g) crema para el cuerpo

___h) un helado de vainilla

___i) agua con cal

___j) el ron

___l) agua con arena

___m) suero salino

___n) nata batida