1° Semestre - La materia y sus interacciones - Progresiones de Aprendizaje - CNEyT
“Las propiedades de la materia, su cambio de estado físico y sus reacciones se describen y predicen en términos de los tipos de átomos que se mueven e interactúan en su interior. Muchos fenómenos en sistemas vivos e inertes se explican mediante las reacciones químicas que conservan el número de átomos de cada tipo, pero cambian la estructura molecular”. (National Research Council, 2012).
En la naturaleza se encuentran una gran cantidad de sustancias químicas, aunque únicamente existen poco más de 100 elementos distintos. Cada uno de ellos tiene propiedades físicas y químicas específicas. Mendeléyev creó la tabla periódica, que es una representación sistemática de los elementos químicos conocidos, se encuentra organizada horizontalmente (filas o periodos) por número atómico creciente y verticalmente por grupos o familias de elementos con propiedades físicas y químicas semejantes. En la estructura de la tabla se reconoce la periodicidad en las propiedades de los elementos, la cual proviene de la configuración electrónica de sus átomos. La tabla periódica es un gran desarrollo de Mendeléyev, dado que sucedió antes de que se conocieran los patrones que contribuyeron a identificar elementos adicionales (Nature, 2019).
Conforme a la configuración electrónica, que es la distribución de los electrones entre los diversos orbitales de un átomo, una molécula o un ion (partículas con cargas eléctricas), se generan fuerzas de atracción entre los átomos, las moléculas o los iones, las cuales se denominan enlaces químicos y dan lugar a la formación de sustancias que varían en sus características y propiedades como moléculas, estructuras metálicas, o bien, redes cristalinas en el caso de los iones. Las propiedades de la materia dependen de los constituyentes atómicos y moleculares presentes, así como de las fuerzas internas y enlaces químicos de cada sustancia. La materia se caracteriza por las propiedades físicas y químicas medibles, que al variar dan lugar a usos muy diversos de la materia. (National Research Council, 2012).
Aplicación disciplinar
El concepto de la materia y sus interacciones aplica en las disciplinas de la física, la química y la biología. Este concepto central es imprescindible para comprender el comportamiento de los sistemas físicos, químicos y biológicos, así como su interrelación.
La materia es todo lo que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa. La conservación de la materia se visualiza y comprende en los flujos y ciclos de la materia, al comparar la masa de las sustancias antes y después de que suceda un proceso, esto permite reconocer que en ellos la masa total de las sustancias no cambia. La materia es transportada fuera y dentro de los sistemas.
Progresión de aprendizaje del concepto central “La materia y sus interacciones”
Para Ciencias Naturales, Experimentales y Tecnología, las progresiones de aprendizaje son ideas que permiten la apropiación del concepto central, ordenadas progresivamente (de lo más simple a lo más complejo). Estas ideas se complementan con los conceptos transversales y las prácticas de ciencia e ingeniería, para mayor referencia sobre estas relaciones (véase cuadro 1), así como con los propósitos, contenido científico asociado y prácticas sugeridas (véase cuadro 2).
Código | Progresión de Aprendizaje |
|---|---|
PA1.1. | La materia es todo lo que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa. Todas las sustancias están formadas por alguno o varios de los más de 100 elementos químicos, que se unen entre sí mediante diferentes tipos de enlaces. |
PA1.2. | Las moléculas están formadas por átomos, que pueden ser desde dos hasta miles. Las sustancias puras están constituidas por un solo tipo de átomo, molécula o iones. Una sustancia pura tiene propiedades físicas y químicas características y a través de ellas es posible identificarla. |
PA1.3. | Los gases y los líquidos están constituidos por átomos o moléculas que tienen libertad de movimiento. |
PA1.4. | En un gas las moléculas están muy separadas, exceptuando cuando colisionan. En un líquido las moléculas se encuentran en contacto unas con otras. |
PA1.5. | En un sólido, los átomos están estrechamente espaciados y vibran en su posición, pero no cambian de ubicación relativa. |
PA1.6. | El mundo natural es grande y complejo, por lo que para estudiarlo se definen partes pequeñas denominadas sistemas. Dentro de un sistema el número total de átomos no cambia en una reacción química y, por lo tanto, se conserva la masa. |
PA1.7. | Los sistemas pueden ser muy variados, por ejemplo, galaxias, máquinas, organismos o partículas fundamentales. Los sistemas se caracterizan por tener recursos, componentes, límites, flujos y retroalimentaciones, en estos siempre se conservan la energía y la materia. |
PA1.8. | La temperatura de un sistema es proporcional a la energía potencial por átomo o molécula o ion y la energía cinética interna promedio. La magnitud de esta relación depende del tipo de átomo o molécula o ion y de las interacciones entre las partículas del material. |
PA1.9. | Utilizando los modelos de la materia es posible comprender, describir y predecir los cambios de estado físico que suceden con las variaciones de temperatura o presión. |
PA1.10. | La estructura, propiedades, transformaciones de la materia y las fuerzas de contacto entre objetos materiales se explican a partir de la atracción y repulsión entre cargas eléctricas a escala atómica. |
PA1.11. | La energía térmica total de un sistema depende conjuntamente del número total de átomos en el sistema, el estado físico del material y el ambiente circundante. La temperatura está en función de la energía total de un sistema. |
PA1.12. | Para cambiar la temperatura de una muestra de materia en una cantidad determinada, es necesario transferir una cantidad de energía que depende de la naturaleza de la materia, el tamaño de la muestra y el entorno. |
PA1.13. | Los sistemas en la naturaleza evolucionan hacia estados más estables en los que la distribución de energía es más uniforme, por ejemplo, el agua fluye cuesta abajo, los objetos más calientes que el entorno que los rodea se enfrían y el efecto invernadero que contribuye al equilibrio térmico de la Tierra. |
PA1.14. | Algunas sustancias permiten el paso de la luz a través de ellos, otros únicamente un poco, porque en las sustancias los átomos de cada elemento emiten y absorben frecuencias características de luz, lo que permite identificar la presencia de un elemento, aún en cantidades microscópicas. |
PA1.15. | Reunir y dar sentido a la información para describir que los materiales sintéticos provienen de recursos naturales e impactan a la sociedad. |
PA1.16. | La ciencia como un esfuerzo humano para el bienestar. |
Cuadro 1. Uso de los conceptos transversales y las prácticas en la apropiación del concepto central “La materia y sus interacciones.”
CT1 - Patrones | CT2 - Causa y efecto | CT3 - Medición | CT4 - Sistemas (modelos de sistemas) | CT5 - Flujos y ciclos de la materia y la energía | CT6 - Estructura y función | CT7 - Estabilidad y cambio | Prácticas |
Se utiliza la identificación de patrones como un método para explorar nuevos fenómenos y nuevas observaciones de la materia. Cuando las y los estudiantes se encuentran familiarizados con la búsqueda de patrones, pueden identificarlos en las propiedades de los átomos y comprender la clasificación de la tabla periódica (por ejemplo, metales y no metales). Al identificar patrones y desarrollar explicaciones causales las y los estudiantes vinculan sus explicaciones a nivel atómico con observaciones macroscópicas de fenómenos. | Las y los estudiantes pueden aplicar las relaciones de causa y efecto para explicar los patrones en los compuestos, cómo la conductividad eléctrica o la reactividad de los metales, por ejemplo, el sodio reacciona vigorosamente al contacto con el agua. Apoya la comprensión de las y los estudiantes a relacionar que las sustancias pueden reaccionar (causa) para formar nuevas sustancias que tienen diferentes propiedades (efecto) debido a la reorganización de los átomos de las sustancias originales en nuevas moléculas con propiedades distintas. Por ejemplo, la formación del cloruro de sodio (sal común). | Este concepto apoya el desarrollo de las ideas relacionadas con las interacciones entre las partículas (escala microscópica) para explicar fenómenos observables (escala macroscópica). Ayuda a las y los estudiantes a comprender que la estructura de la materia a escalas atómica y subatómica influye en las estructuras, función y propiedades de la materia observables a escalas más grandes. | Las y los estudiantes progresan de un modelo de partículas a un modelo atómico-molecular. Esto significa que, en lugar de solo representar la materia como compuesta de partículas, ahora identifican las partículas como átomos, moléculas o iones y reconocen sus diferencias. Las y los estudiantes deberían poder usar este modelo para explicar los cambios en la materia. | Complementa los conocimientos del concepto central enfatizando los aspectos de conservación y rastreando los cambios de la materia en un sistema. Promueve la comprensión del principio de conservación de la materia ya que, conforme a él, el número de átomos se conservan en los procesos físicos y químicos. | Las y los estudiantes utilizan este concepto para entender que las sustancias puras tienen propiedades características y están constituidas por un mismo tipo de molécula, átomo o iones. Ayuda a las y los estudiantes a comprender que la estructura de la materia a escalas atómica y subatómica influye en la función y propiedades de la materia que son observables a escalas más grandes. | Las y los estudiantes reconocen que los movimientos a nivel molecular explican los cambios de estado físico de la materia. Este concepto transversal también facilita la comprensión de lo que ocurre a nivel atómico y molecular en la combinación de sustancias, a través de una reacción química, para generar nuevas sustancias. | Las y los estudiantes realizarán a lo largo del curso prácticas relacionadas con la naturaleza de la materia y sus propiedades, lo que les permitirán también desarrollar las habilidades de hacer preguntas, utilizar modelos, obtener, analizar e interpretar datos, usar su pensamiento matemáticos, así como evaluar y comunicar información. |
Cuadro 2. Propósitos, contenido científico asociado y prácticas sugeridas para la apropiación del concepto central “La materia y sus interacciones.”
Propósitos del concepto central: A lo largo de este curso ayude a las y los estudiantes a que expliquen de qué forma las interacciones atómicas y moleculares de la materia influyen en las propiedades de todo lo que vemos (y lo que no), respiramos y sentimos mediante la construcción de la comprensión de lo que ocurre a escala atómica y molecular. Las y los estudiantes podrán aplicar la comprensión de que las sustancias puras tienen propiedades físicas y químicas características y están hechas de un solo tipo de átomo o molécula. Podrán proporcionar explicaciones a nivel molecular para explicar los estados de la materia y los cambios entre estados, reconocerán que las reacciones químicas implican la reagrupación de átomos para formar nuevas sustancias y que los átomos se reorganizan durante las reacciones químicas.
CT1 - Patrones | CT2 - Causa y efecto | CT3 - Medición | CT4 - Sistemas (modelos de sistemas) | CT5 - Flujos y ciclos de la materia y la energía | CT6 - Estructura y función | CT7 - Estabilidad y cambio | Prácticas |
Reconocer que las propiedades de la materia están siempre afectadas por las fuerzas gravitatorias, del medio en que se encuentran y por la fuerza de atracción entre las moléculas. En los líquidos, las moléculas están constantemente en contacto unas con otras; en un gas, están muy separadas excepto cuando colisionan. En un sólido, los átomos están estrechamente espaciados y pueden vibrar en su posición, pero no cambian su ubicación relativa | Explicar el cambio de estado físico a partir del movimiento de las partículas al aumentar la temperatura de una sustancia pura cuando se incrementa o disminuye la energía térmica. | Cada sustancia pura tiene propiedades físicas y químicas características (para cualquier cantidad bajo determinadas condiciones) que pueden utilizarse para identificarla y concebir las propiedades extensivas y propiedades intensivas de la materia. Promover la revisión de unidades de masa, volumen, peso, densidad, temperatura. | A través de los modelos describir la estructura de las moléculas. Este contenido se puede apoyar en el desarrollo de modelos de moléculas que varían en complejidad. Los ejemplos simples podrían incluir nitrógeno y oxígeno molecular. Los de moléculas complejas podrían incluir dióxido de carbono, agua, metano, cloruro de sodio, etc. Los ejemplos de modelos a nivel molecular podrían incluir dibujos o estructuras tridimensionales o simulaciones por computadora. | Reconocer el cambio de estado físico de sustancias sólidas, líquidas y gaseosas puras cuando se incrementa o se disminuye la energía térmica (nivel cualitativo). Los ejemplos de partículas podrían incluir moléculas o átomos. Los ejemplos de sustancias puras podrían incluir agua, oxígeno o dióxido de carbono. El agua se mueve continuamente alrededor de la Tierra. Los procesos que mueven y cambian el estado físico del agua son impulsados por la radiación solar y la fuerza de la gravedad. La gravedad mueve el agua en estado líquido y solido en los glaciares cuesta abajo. La gravedad también atrae las precipitaciones (como la lluvia y la nieve) de la atmósfera a la superficie terrestre. Se requiere energía para mover el agua contra la fuerza de la gravedad. Si el agua absorbe suficiente energía, se evaporará hacia la atmósfera. Cuando el agua líquida se evapora o un sólido se derrite, la energía se absorbe del entorno. La congelación y la condensación devuelven la energía al entorno. De esta manera, el agua mueve energía alrededor del planeta. | Identificar que los sólidos pueden formarse a partir de enlaces covalente, metálico o iónico. | Comprender las propiedades de las sustancias antes y después de una reacción química. olor. | En la identificación de la materia, realizar diferentes reflexiones con las y los estudiantes a partir de objetos cotidianos (pelotas, globos inflados) para reconocer si en el aire hay materia. La modelación del ciclo del agua proporciona una variedad de elementos para identificar propiedades de la materia y cambios de estado físico. Se pueden utilizar modelos y simuladores, comprobar cuantitativamente (balanceo de ecuaciones químicas) la conservación de la materia en el ciclo del carbono. Para observar reacciones como la combustión se puede realizar un experimento con una vela en un vaso usando recipientes con diferentes volúmenes, ayudando así a reconocer el papel que juega el oxígeno presente en el aire. |