Carla Cecilia Galicia Millán
El proyecto propone que se comprenda de manera lúdica el concepto de número atómico, el cual es importante para entender temas como el de la tabla periódica que son base en el estudio de la Química.
La propuesta consiste en un dispositivo cilíndrico con una ventana que permite ver los modelos de Bohr de cada elemento de la tabla periódica.
El dispositivo tiene un mecanismo giratorio para seleccionar cada periodo de la tabla. Una vez seleccionado el periodo, se pueden deslizar regletas de acetato para “agregar” electrones a los elementos pertenecientes a ese periodo.
Lo anterior permite ilustrar la idea de que el número atómico se incrementa consecutivamente en un periodo.
Internamente, el dispositivo cuenta con un cilindro con un eje sostenido por una base de madera. El cilindro tiene imágenes fijas de los modelos de Bohr del primer elemento de cada periodo y canales por los que se deslizan tiras de acetato con puntos impresos que representan los electrones. Las tiras de acetato se pueden mover de tal forma que se sobrepongan sobre el modelo base, permitiendo visualizar el nuevo elemento.
La química es una ciencia fundamental para el progreso de la humanidad, sin embargo, no hay muchas personas que estudien carreras profesionales relacionadas con la química.
El bajo porcentaje de profesionistas en esta área puede atribuirse a que la enseñanza tradicional de la química en la educación básica se basa en la memorización de conceptos y datos. Sin embargo, muchas veces, los alumnos no llegan a comprender el significado de estos conceptos, ni a reconocer su utilidad. Por este motivo, no adquieren interés por esta materia.
Es por esto que es importante probar nuevos métodos y herramientas para ayudar a los alumnos a comprender la química.
Uno de los temas más importantes en el estudio de la química es la tabla periódica. El entendimiento de esta herramienta es fundamental para comprender muchos otros temas tales como las reacciones químicas, los enlaces químicos, la química orgánica, entre otros.
Según datos del Instituto Mexicano para la Competitividad, en 2017, únicamente había 26 mil 762 personas que ejercían profesiones relacionadas con la química, lo cual equivale al 0.2% del total de las personas con una carrera profesional. (Hernández, 2017).
Construir una representación didáctica e interactiva de la tabla periódica basada en el modelo de Bohr para que los alumnos comprendan de forma práctica el concepto de número atómico y cómo influye en la organización de la tabla periódica en familias y periodos.
De acuerdo con una encuesta a 12 profesores de química a nivel secundaria realizada por la Universidad de Cádiz, una de las principales dificultades que tienen los alumnos para aprender la tabla periódica es el manejo de conceptos abstractos. Sin embargo, la mayoría de los encuestados coincidieron en que gran parte de las dificultades comienzan con la noción de periodicidad de la tabla a través del número atómico. (Franco, Oliva y Bernal, 2009).
La tabla periódica fue creada en 1869. Originalmente, Mendeléiev clasificó los elementos basándose en la masa atómica, es decir el peso total de los protones y neutrones en el núcleo de un átomo.
Esta clasificación fue aceptada hasta que se descubrió el argón en 1894. Este elemento tiene un peso atómico de 40, el cual es superior al del potasio, de 39. Tomando en cuenta la clasificación de Mendeleiev, el argón debería estar ubicado después del potasio, sin embargo, no compartiría características con la familia en la que quedaría ubicado.
Sin embargo, en 1913 el físico inglés Henry Moseley analizó las frecuencias de rayos X emitidas por los elementos, y determinó que la organización de la tabla periódica debería depender de otra característica de la estructura atómica de los elementos: el número atómico. (Huerta, 2019).
El número atómico es la cantidad de electrones (partículas negativas) o protones (partículas positivas) que tiene un átomo. Como los átomos son eléctricamente neutros, tienen el mismo número de electrones y protones.
Los átomos de cada elemento tienen un número de electrones específico, y por lo tanto, cada elemento tiene un número atómico diferente. Esto es lo que hace a los elementos diferentes.
La investigación de Moseley indica que el argón tiene 18 electrones mientras que el potasio tiene 19 electrones. Si se toma en cuenta ese orden, el argón queda en la familia de los gases nobles con los que comparte características, y el potasio queda en la familia de los metales alcalinos, con los que comparte características. Gracias a esta comprobación, actualmente, en la tabla periódica, los elementos están ordenados de acuerdo a su número atómico.
Para representar los átomos, se han creado múltiples modelos atómicos a lo largo de la historia. Actualmente, el modelo atómico de Bohr es el más aceptado. Este modelo propone que todos los átomos tienen electrones orbitando alrededor de un núcleo formado por neutrones y protones.
En este modelo, los electrones de los átomos están distribuidos en varias órbitas llamadas niveles de energía. En la tabla periódica, los periodos representan los niveles de energía.
Si los alumnos utilizan el dispositivo basado en el Modelo de Bohr, comprenderán de forma práctica el concepto de número atómico y cómo influye en la organización de la tabla periódica en familias y periodos.
Para este proyecto, se buscó abordar el número atómico, los periodos y las familias ya que son básicos para comprender la tabla periódica.
Un dispositivo fue construido con cartón y madera y tiene forma de prisma rectangular.
Figura 1. El dispositivo visto desde arriba.
Tiene una ventana por la cual se puede observar el modelo de Bohr de un elemento.
En los lados, el dispositivo tiene manijas, que al girarlas, permiten seleccionar un periodo de la tabla.
Figura 2. Partes del dispositivo.
En la ventana, se puede ver el modelo de Bohr del primer elemento de cada periodo, de esta forma se puede identificar qué periodo estás visualizando.
Una vez que selecciona un periodo, puedes comenzar a visualizar los elementos allí encontrados. Para eso, el dispositivo cuenta con regletas que se pueden deslizar para “agregar” electrones al elemento. Esto es para ilustrar la idea de que el número atómico se incrementa consecutivamente en un periodo. (A excepción de los metales de transición)
Figura 3. Al deslizar la regleta, se aumentan los electrones y el elemento cambia.
El mecanismo interno del dispositivo consiste en un cilindro de cartón con un eje. El eje está sostenido por una base de madera, la cual permite que el cilindro gire.
A la altura de la ventana, el cilindro tiene imágenes fijas de los modelos de Bohr del primer elemento de cada periodo.
Figura 4. Mecanismo interno del dispositivo.
Alineados horizontalmente con cada modelo de Bohr, hay canales por los que se deslizan tiras de acetato con puntos impresos que representan los electrones.
Las tiras de acetato se pueden mover de tal forma que se sobrepongan sobre el modelo base, y se pueda así visualizar el nuevo elemento.
Con este dispositivo se realizó una actividad con los alumnos de tercero y segundo de secundaria.
Se eligió hacerlo con estos grados ya que los alumnos de tercero ya hemos revisado el tema de la tabla periódica en clase de química, y los alumnos de segundo a pesar de no haber tomado química, en física ya adquieren antecedentes sobre los átomos.
La actividad consistió en darles a los alumnos una breve explicación sobre el número atómico, los periodos y familias de la tabla periódica usando el dispositivo.
Posteriormente, se les dio a los alumnos tablas periódicas en blanco.
Utilizando una versión del dispositivo sin datos del periodo y la familia, los alumnos debían llenar la tabla basándose en los niveles de energía (para ubicar el periodo) y los electrones de valencia (para ubicar la familia).
Con el fin de obtener datos locales, se realizó un cuestionario de cuatro preguntas sobre el número atómico y la tabla periódica a 27 alumnos de tercero de secundaria de la escuela Anne Sullivan.
Primero, los alumnos respondieron a la pregunta abierta ¿Qué representa el número atómico?
Figura 5. Resultados de la pregunta “¿Qué representa el número atómico?”
Luego se les preguntaron los criterios para ordenar la tabla periódica. Dentro de las respuestas, solo el 52% de los alumnos mencionaron el número atómico.
Figura 6. Resultados de la pregunta “¿Cuáles son los criterios para ordenar la tabla periódica?”
Posteriormente, se les preguntó qué hace a los elementos químicos diferentes unos de otros a nivel atómico. Solo el 33% de los alumnos respondieron que se debía a su cantidad de protones o electrones, es decir su número atómico.
La última pregunta consistía en identificar el número atómico de un elemento utilizando el modelo de Bohr.
El modelo de Bohr mostrado fue el del boro, cuyo número atómico es 5.
Figura 7. Modelo atómico de Bohr del boro.
El 85% de los alumnos respondieron correctamente.
Los resultados de este cuestionario nos pueden llevar a concluir que únicamente la mitad de los alumnos comprende el concepto de número atómico. Sin embargo, en un ejercicio de aplicación, el modelo de Bohr fue útil para el 85% de los alumnos, por lo que este modelo podría ser la base para un acercamiento distinto al tema de la tabla periódica.
Los alumnos de tercero comprendieron el tema con mayor facilidad. Tres alumnos participaron y completaron la tabla adecuadamente.
Los alumnos de segundo grado, a pesar de no haber revisado la tabla periódica en clase, comprendieron el tema.
Cuatro alumnos de segundo grado contestaron la actividad. Al inicio hubo confusiones entre los conceptos de familias y periodos, pero a medida que avanzaban en el ejercicio los conceptos quedaron claros.
Figura 8. Actividad realizada con los alumnos
Se encontró un error en el dispositivo en los periodos 4, 5 y 6.
Entre la familia 2 y 13, se interponen los metales de transición (y los lantánidos en el periodo 6).
Figura 9. Metales de transición en la tabla periódica.
Por este motivo, en vez de aumentar un electrón, se deben aumentar diez, pero no en el último nivel de energía, sino en los niveles internos.
En el dispositivo no se visualizaba esto, por lo que se corregirá, de forma que en el cambio de la familia 2 a la 13 se agreguen los diez electrones de los metales de transición, más el electrón de la familia 13.
Figura 10. Aumento de electrones en los niveles internos de energía
Adicionalmente, a través del lenguaje de programación Scratch, se ha creado una versión digital en línea del modelo con el fin de que esté al alcance de cualquiera que desee consultarlo. El modelo digital ya incluye la corrección de los metales de transición y los lantánidos en el periodo 6, entre la familia 2 y 13.
Esta herramienta se encuentra disponible en la siguiente liga: https://sites.google.com/view/numero-atomico-tabla-periodica/home
La representación visual que ofrece el dispositivo facilita la comprensión de los conceptos de número atómico, periodos y familias. Adicionalmente, el interactuar con el dispositivo permite un aprendizaje de forma didáctica.
Anónimo. (s.f.). Número atómico. Unidad de apoyo para el aprendizaje. Recuperado de: http://uapas2.bunam.unam.mx/ciencias/numero_atomico/
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Universidad Nacional Autónoma de México. (s.f.). Número atómico. Unidades de apoyo para el aprendizaje. Recuperado de: http://uapas2.bunam.unam.mx/ciencias/numero_atomico/
The project proposes a didactic learning of the concept of atomic number, which is important to understand topics such as the periodic table that are the basis of the study of Chemistry.
The proposal consists of a cylindrical device with a window to see the Bohr models of each element of the periodic table.
The device has a rotary mechanism to select each period of the table. Once the period is selected, acetate rulers can be slid to “add” electrons to the elements belonging to that period.
This allows us to illustrate the idea that the atomic number increases consecutively in a period.
Internally, the device has a cylinder with an axis supported by a wooden base. The cylinder has still images of Bohr’s models of the first element of each period and channels through which acetate strips with printed dots representing electrons slide. The acetate strips can be moved in such a way that they overlap the base model, allowing the new element to be visualized.
Chemistry is a fundamental science for the progress of humanity, however, there are not many people who study professional degrees related to chemistry.
The low percentage of professionals in this area can be attributed to the fact that the traditional teaching of chemistry in basic education is based on the memorization of concepts and data. However, plenty of students do not come to understand the meaning of these concepts, nor to recognize their usefulness. For this reason, they do not acquire interest in this subject.
This is why it is important to try new methods and tools to help students understand chemistry better.
One of the most important topics in the study of chemistry is the periodic table. The understanding of this tool is essential to understand many other topics such as chemical reactions, chemical bonds, organic chemistry, among others.
According to data from the Mexican Institute for Competitiveness, in 2017, there were only 26,762 people who practiced professions related to chemistry, which is equivalent to 0.2% of the total number of people with a professional career. (Hernandez, 2017).
To build a didactic and interactive representation of the periodic table based on the Bohr model so that students can understand in a practical way the concept of atomic number and how it influences the organization of the periodic table in families and periods.
According to a survey made to 12 middle school chemistry teachers conducted by the University of Cádiz, one of the main difficulties students have in learning the periodic table is handling abstract concepts. However, most respondents agreed that much of the difficulties start with the notion of periodicity of the table through atomic number. (Franco, Oliva and Bernal, 2009).
The periodic table was created in 1869. Originally, Mendeleev classified the elements based on the atomic mass, that is to say the total weight of the protons and neutrons in the nucleus of an atom.
This classification was accepted until argon was discovered in 1894. This element has an atomic weight of 40, which is higher than that of potassium, which is 39. Taking Mendeleev’s classification into account, argon should be placed after potassium, however, it would not share characteristics with the family in which it would be located.
However, in 1913 the English physicist Henry Moseley analyzed the frequencies of X-rays emitted by the elements, and determined that the organization of the periodic table should depend on another characteristic of the atomic structure of the elements: the atomic number. (Huerta, 2019).
The atomic number is the number of electrons (negative particles) or protons (positive particles) an atom has. Since atoms are electrically neutral, they have the same number of electrons and protons.
The atoms of each element have a specific number of electrons, and therefore each element has a different atomic number. This is what makes the elements different.
Moseley’s research indicates that argon has 18 electrons while potassium has 19 electrons. If that order is taken into account, argon remains in the family of noble gasses with which it shares characteristics, and potassium remains in the family of alkali metals, with which it shares characteristics. Thanks to this verification, currently, in the periodic table, the elements are ordered according to their atomic number.
To represent atoms, multiple atomic models have been created throughout history. Currently, the Bohr atomic model is the most accepted. This model proposes that all atoms have electrons orbiting around a nucleus made up of neutrons and protons.
In this model, the electrons of the atoms are distributed in several orbits called energy levels. On the periodic table, periods represent energy levels.
If students use this device based on the Bohr Model, they will understand in a practical way the concept of atomic number and how it influences the organization of the periodic table in families and periods.
For this project, we sought to address the atomic number, the periods and the families since they are basic to understand the periodic table.
One device was built out of cardboard and wood and was shaped like a rectangular prism.
Figure 1. The device seen from above.
It has a window through which the Bohr model of an element can be observed.
On the sides, the device has handles, which, when turned, allow you to select a period from the table.
Figure 2. Parts of the device.
In the window, you can see the Bohr model of the first element of each period, in this way you can identify which period you are viewing.
Once you select a period, you can start viewing the items found there. For this, the device has sliders that can be slid to “add” electrons to the element. This is to illustrate the idea that the atomic number increases consecutively in a period. (Except for transition metals)
Figure 3. By sliding the slider, the electrons are increased and the element changes.
The internal mechanism of the device consists of a cardboard cylinder with an axis. The axis is supported by a wooden base, which allows the cylinder to rotate.
Aligned with the window, the cylinder has still images of the Bohr models of the first element of each period.
Figure 4. Internal mechanism of the device.
Horizontally aligned with each Bohr model are channels through which acetate strips with printed dots representing electrons slide.
The acetate strips can be moved in such a way that they overlap over the base model, thus making it possible to visualize the new element.
With this device, an activity was carried out with third and second grade students.
It was chosen to do it with these grades since third graders have already seen the topic of the periodic table in chemistry class, and second graders, despite not having taken chemistry, they have already acquired some background on atoms in physics class.
The activity consisted of giving students a brief explanation about the atomic number, the periods and families of the periodic table using the device.
Subsequently, students were given blank periodic tables.
Using a version of the device without period and family data, students had to fill in the table based on energy levels (to locate the period) and valence electrons (to locate the family)
In order to obtain local data, a four-question questionnaire on the atomic number and the periodic table was applied to 27 students in third grade of middle school from Anne Sullivan School.
First, the students answered the open question “What does the atomic number represent?”
Figure 5. Results of the question “What does the atomic number represent?”
Then they were asked the criteria for organizing the periodic table. Within the answers, only 52% of the students mentioned the atomic number.
Figure 6. Results of the question “What are the criteria for organizing the periodic table?”
Later, they were asked what makes the chemical elements different from each other at the atomic level. Only 33% of the students answered that it was due to their number of protons or electrons, that is, their atomic number.
The last question was to identify the atomic number of an element using the Bohr model.
The Bohr model shown was that of boron, whose atomic number is 5.
Figure 7. Bohr atomic model of boron.
85% of the students answered correctly.
The results of this questionnaire can lead us to conclude that only half of the students understand the concept of atomic number. However, in an application exercise, the Bohr model was useful for 85% of the students, so this model could be the basis for a different approach to the subject of the periodic table.
Third graders understood the subject more easily. Three students participated and completed the table correctly.
Second grade students, despite not having reviewed the periodic table in class, understood the topic.
Four second grade students answered the activity. At the beginning there was confusion between the concepts of families and periods, but as the exercise progressed the concepts became clearer.
Figure 8. Activity done with the students.
A mistake was found in the device in periods 4, 5 and 6.
Between family 2 and 13, the transition metals (and the lanthanides in period 6) interpose.
Figure 9. Transition metals in the periodic table.
For this reason, instead of increasing one electron, ten must be increased, not the last energy level, but in the internal levels.
This was not displayed on the device, therefore, it will be corrected, so that when changing from family 2 to 13, the ten electrons from the transition metals plus the electron of family 13 were added.
Figure 10. Increase of electrons in the internal energy levels.
Additionally, through the Scratch programming language, an online digital version of the model has been created so that it is available to anyone who wishes to consult it. The digital model already includes the correction of transition metals and lanthanides in period 6, between family 2 and 13.
This tool is available in the following link: https://sites.google.com/view/atomic-number-periodic-table/home
The visual representation offered by this device makes the understanding of the concepts of atomic number, periods and families easier. Additionally, interacting with the device allows learning in a more didactic way.
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