Desarrollo

En el trabajo de laboratorio el alumno conoce cuáles son los 9 sistemas que ha recibido pero no sabe en qué frasco está cada uno. A la vez, dispone de los 9 sistemas rotulados para realizar experiencias extras que lo ayuden a extraer conclusiones en el trabajo con su combinación de frascos. Mezclando sistemáticamente los sistemas por pares y registrando de forma ordenada sus observaciones, el alumno podrá comenzar a resolver su problema. En algunos casos, en que los resultados son negativos o no son suficientes para el propósito de la experiencia, en las etapas finales es necesario agregar un tercer sistema a alguna de las mezclas ya realizadas. Esto ocurre en particular cuando se ha identificado algún ácido o el hidróxido de sodio y existe la posibilidad de que se produzcan reacciones redox sensibles al pH.

Para registrar los resultados en la etapa exploratoria, es conveniente disponer de una matriz como la que se muestra en la tabla 2; en este caso ejemplificada para la combinación número 9. La convención para mezclar los sistemas es agregar primero el de las correspondientes "fila" y luego el de la "columna".

Los elementos de matriz (i,j) y (j,i) representan la mezcla de los mismos sistemas, pero agregados en diferente orden. Esto debe ser así porque en algunos casos la inversión del orden de agregado produce reacciones diferentes.

En las simulaciones, en un primer paso, se mezclan volúmenes iguales de cada disolución, agregando el segundo reactivo sobre el primero gota a gota. En un segundo paso, se agrega el exceso del segundo reactivo, en previsión de una posible reacción posterior, en un volumen igual al agregado en el paso 1.

Antes del desarrollo de la simulación, en el laboratorio se verificó que todas las mezclas de dos sistemas dieran los resultados esperados, como por ejemplo la formación de precipitado, la aparición de color, el desprendimiento de gases, la producción de un olor característico (NH₃, H₂S, SO₂, halógenos [Cl₂, Br₂, I₂], vapores nitrosos [NO, NO₂, N₂O₄]) o la liberación de energía en forma de calor. También se repitieron las mezclas invirtiendo el orden de agregado de los reactivos. Es importante añadir siempre los reactivos a aproximadamente la misma velocidad (así lo hace el programa de simulación), para que los productos sean los mismos en cualquier etapa del trabajo, ya que para algunas reacciones los resultados son diferentes si la velocidad cambia. Esto se hace visible en el caso de la reacción entre el ion plata y el ion tiosulfato. En efecto, cuando en un tubo que contiene 15 gotas de disolución de AgNO₃ se agregan, gota a gota, 15 gotas de disolución de Na₂S₂O₃, se produce un precipitado blanco que luego vira al amarillo y finalmente a un marrón muy oscuro, quedando la disolución de color pardo. Un agregado de exceso de tiosulfato de sodio no produce cambios significativos en el sistema. En cambio, si a la misma cantidad de solución de nitrato de plata se le agrega rápidamente un exceso de Na₂S₂O₃, la mezcla permanece incolora por la formación del complejo Ag(S₂O₃)₂ ³⁻ antes de que se descomponga el tiosulfato de plata. En el material para el docente se incluye una planilla que resume los resultados experimentales obtenidos.

Simulación

El programa de simulación elige al azar entre las 21 combinaciones propuestas y luego, también al azar, una de las posibles distribuciones de los 9 frascos dentro de la combinación seleccionada. Esto hace que puedan generarse 21 × 9! = 7.620.480 situaciones diferentes (el símbolo 9! representa la operación 1 × 2 × 3 × ... × 8 × 9).

Como es posible que el alumno no conozca los resultados de todas las reacciones que se pueden producir combinando los sistemas de 2 en 2, el programa ofrece, como en el trabajo de laboratorio, la posibilidad de experimentar previamente con las disoluciones rotuladas. De esta manera se adquiere la información necesaria para proceder en la etapa de resolución del problema propiamente dicho.

En la figura 1, tomando como ejemplo el caso de la combinación 7, se muestran los botones con el rótulo de los compuestos involucrados. En cada botón aparece el número de orden, del 1 al 9, número que no tiene ninguna relación con los que identifican las disoluciones en la tabla 1.

Figura 1 Pantalla con la combinación de frascos. 

En la figura 2, se presenta el ejemplo de la selección de la disolución 8 (Na₂S) en primer lugar y la 2 (HCl) en segundo lugar.

Figura 2 Imagen que se muestra en pantalla cuando reaccionan las soluciones 8 y 2. 

Al pulsar "Agregar 2" se descarga gota a gota el contenido del gotero y luego se habilita el botón "Agregar más 2" y, al pulsarlo, se agrega un exceso de HCl. Se observan algunas burbujas en la disolución resultante y cuando se pulsa el botón "Olor - Cambio térmico", la detección del olor característico del H₂S se pone de manifiesto a través de un cartel (fig. 3), ya que no podemos simular la detección de un olor con la computadora.

Figura 3 Pantalla en que se indica la detección de olor. 

En este caso, el tenue punteado amarillo claro en la parte superior del frasco representa el gas que se libera. En otro cartel, se alerta al alumno de que, cuando realiza estos experimentos en el laboratorio, no debe colocar la nariz directamente sobre la salida del recipiente sino mover el gas con su mano libre en dirección a su nariz.

Si se selecciona el frasco 1, se está colocando AgNO₃ en el Erlenmeyer, mientras que seleccionando el frasco 4 habrá NaBr en el gotero. La mezcla de las disoluciones produce el precipitado de AgBr (amarillo), que luego de decantar presenta el aspecto que se muestra en la figura 4. En todos los casos la propiedad "incoloro" se representa por el color celeste (como el líquido contenido en el gotero; fig. 4), ya que es necesario diferenciarlo del blanco del monitor. Como se ve en la misma figura, este color es distinto al del sobrenadante del Erlenmeyer.

Figura 4 Precipitación de AgBr en la mezcla de los frascos 1 y 4 de la combinación 7. 

Las imágenes que muestra el programa deben considerarse como "fotografías instantáneas" distribuidas en el tiempo, mientras el sistema evoluciona. Algunos ejemplos: 1) cuando un sólido está precipitando observamos 3 o 4 imágenes que lo muestran mientras se compacta en el fondo del frasco; 2) cuando se desprenden gases, estos aparecen como un punteado estático de color amarillo claro si se trata de gases incoloros o muy ligeramente coloreados y de color marrón cuando se trata de vapores nitrosos.

Realizando todas las combinaciones posibles, de 2 en 2, se puede completar un cuadro como el que se presenta en la Tabla 2. Si bien el alumno puede registrar la información de la manera que le resulte más cómoda, sugerimos utilizar la siguiente clave de 2 caracteres, o 3 en caso de liberarse un gas, que es la que usa internamente el programa:

Primera ubicación (precipitado y/o color): 1: nada, 2: precipitado blanco, 3: precipitado marrón-negro, 4: precipitado amarillo, sobrenadante blanco lechoso, 5: color violeta, 6: blanco lechoso, 7: color pardo rojizo, 8: color amarillo claro, 9: precipitado pardo lechoso, -1: precipitado blanco → amarillo → marrón negro, -2: precipitado negro → blanco, -3 precipitado blanco → amarillo, -4: ppdo. blanco → amarillo → marrón negro (sólo en exceso de reactivo 2), -5: precipitado blanco (solo en exceso de reactivo 2), -7: humos blancos (gris en imagen), depósito blanco en paredes, -9: precipitado amarillo (con sobrenadante más claro que en 4).

Segunda ubicación (gases y/u olor; redisolución; cambio de temperatura): 1: nada, 2: olor a NH₃, 3: olor a H₂S, 4: olor a SO₂, 5: olor a halógeno, 6: olor a vapores nitrosos, 8: se redisuelve, 9: liberación de energía en forma de calor.

Tercera ubicación: la letra "g" al final del código numérico indica liberación de gases.

En el caso de la precipitación anterior, de AgBr, el código es 41. Para una redox que libera Br₂, el código es 75, mientras que la reacción entre el Na₂S y el H₂SO₄ se representa por el código 63g. La reacción entre el AgNO₃ y el Na₂SO₃ tendrá dos códigos diferentes, dependiendo del orden de agregado: 28 si se mezclan en el orden aquí enumerado y 21 si primero se agrega el sulfito.

Es importante que el alumno observe el aspecto del sobrenadante cuando se produce una precipitación, ya que puede ser determinante en el momento de diferenciar reacciones cuando los colores de los precipitados son parecidos, como en el caso del AgBr y el AgI. En la precipitación del AgBr el sobrenadante queda ligeramente blancuzco mientras que en la precipitación del AgI es blanco lechoso. Esto se puede apreciar en la figura 5, donde se muestran los resultados de las reacciones realizadas en el laboratorio. Tubos 1 y 3, AgBr; tubos 2 y 4, AgI. En 1 y 3 se agregó el anión sobre el catión y en 2 y 4, a la inversa.

Figura 5 Precipitados y sobrenadantes en precipitación de AgBr y AgI. 

En la tabla 3 se muestran los resultados de las reacciones que se producen mezclando de 2 en 2 las disoluciones de la combinación 7, cuya distribución en los frascos no conocemos, ya que se han generado al azar por el programa en una de sus corridas.

El triángulo superior se completa cuando seleccionamos un reactivo en la fila (primer reactivo), le agregamos el de la columna (segundo reactivo) y luego exceso de este último. En el triángulo inferior se registran las mezclas invirtiendo el orden de agregado de los reactivos y solo figuran los 3 casos en los cuales los resultados son diferentes a los de la respectiva celda del triángulo superior.

Se puede llegar a la resolución del problema por diferentes caminos de razonamiento e inferencias. Aquí se expone un ejemplo.

Ya que el ion plata produce precipitados con varios de los aniones presentes, trataremos de identificar primero el frasco en que se encuentra.

Ingresando a las reacciones del frasco 5 por la columna y por la fila del mismo, se observa que, con diferentes órdenes de agregado, forma precipitado con 7 de los reactivos (frascos 1, 2, 3, 6, 7, 8, 9), lo que sugiere que se trata de la disolución de AgNO₃. Los colores de los precipitados y algunas características de las reacciones permiten sospechar que el frasco 1 contiene NaBr, y el 6 y el 7 Na₂SO₃ o NaNO₂ (los precipitados se redisuelven en exceso del segundo reactivo, pero cuando la mezcla se hace en orden inverso el precipitado se produce recién cuando se hace el agregado de exceso de ion plata) y el 9 contiene Na₂S. Las disoluciones 2, 3 y 8 dan precipitados blancos y, de acuerdo con los reactivos presentes, entre ellos deberían contener los iones cloruro y yodato.

El sulfuro de sodio (frasco 9) libera H2S con 3 y con 8. Los únicos que pueden producir esta reacción son el HCl y el NH4Cl (en exceso), ya que este ultimo, en su hidrólisis, produce un medio ácido. La combinación 8-9 produce un resultado distinto en exceso que el 9 (medio ligeramente alcalino por la hidrólisis del sulfuro), y permite detectar un ligero olor amoniacal, enmascarado en parte por el olor característico del sulfuro. Esto casi nos confirma que el 3 es HCl y el 8 es NH4Cl. Quedaría para asignar al 2 el yodato de potasio por el precipitado blanco que se forma al reaccionar con el nitrato de plata. Hasta ahora tenemos:

Falta asignar los contenidos de los frascos 4, 6 y 7, y las sustancias aún no identificadas son KClO₃, Na₂SO₃ y NaNO₂. Los últimos 2 se diferencian por su reacción con el 3. En efecto, la liberación de vapores nitrosos en la reacción de los sistemas 3 (HCl) y 6 indica la presencia del ion nitrito (nitrito de sodio) en este último, y la liberación de SO₂ gaseoso en la reacción de los sistemas 3 y 7 identifica a este como la disolución de sulfito de sodio. La asignación de la disolución de clorato de potasio al frasco 4 se hace por descarte, pero se confirma por la reacción con el 3, que libera cloro por un proceso redox.

Finalmente el problema resuelto es:

Cuando el alumno supone que ha resuelto el problema, introduce el número de frasco donde considera que se encuentra cada sistema en los casilleros que se muestran en la figura 6. En este caso, y completando de arriba abajo, los números son: 5, 3, 7, 1, 8, 4, 6, 9, 2.

Figura 6 Casilleros para la introducción del número que identifica a cada frasco. 

El programa responde si los resultados son correctos o no. En caso de que haya algún error, se puede volver atrás para rectificar los resultados correspondientes.

En la última pantalla que muestra el programa, donde se debe dar la respuesta al problema, existe un comando llamado "Docente", que funciona con una clave y puede ser utilizado por el profesor. A través de este puede obtenerse la respuesta al problema planteado en caso de que se considere necesario.

A fin de lograr un mejor aprovechamiento de la actividad, es conveniente solicitar al alumno que escriba una ecuación química balanceada para cada una de las reacciones que se producen, así como su justificación, mediante información tabulada, como potenciales normales de reducción, solubilidades y producto de solubilidad, fuerza de ácidos, constantes de hidrólisis y cualquier otro dato que pueda resultar de utilidad.

Una versión simplificada del programa se presentó a docentes y alumnos avanzados de profesorado en 3 cursos recientes dictados por uno de los autores (^{Baggio, 2014}), y recibió una acogida favorable por parte de los participantes. El programa aún no se ha utilizado por los autores con alumnos de grado.