Cómo motivar a los estudiantes mediante actividades científicas atractivas
PROPIEDADES DE LOS METALES Mª Mercedes Eslava Farré. Escuela de Arte y Superior de Diseño de Valencia. Objetivos: • • • •
Adquirir la capacidad de relacionar los conceptos teóricos vistos en clase con lo observado en la práctica. Comprender con mayor profundidad gracias a la experimentación y observación las propiedades químicas, físicas y mecánicas de los metales anteriormente vistas en clase. Comprender que conceptos que aparentemente les son ajenos son realmente cotidianos y los usan todos los días en el taller para conformar sus piezas o conferirles acabados decorativos. Aprender a determinar experimentalmente densidades y pesos específicos ya que es una práctica habitual en joyería para identificar piedras preciosas y para saber la cantidad de materia prima de la que deben partir para conformar la misma pieza por moldeo en diferentes metales.
Relación del tema propuesto con el currículo del Curso: Está relacionado con las propiedades de los metales de la asignatura Materiales y Tecnología: Orfebrería y Joyería de1º CFS.
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Cómo motivar a los estudiantes mediante actividades científicas atractivas
Experiencia 1: Oxidación con vinagre Material y recursos necesarios: • • • •
1 fuente de vidrio pequeña Vinagre Trozos de plancha de distintos metales y aleaciones (plata, titanio, cobre, aluminio y latón) Papel de cocina o servilleta de papel
Normas de seguridad: •
El vinagre es ácido acético pero diluido por lo que no es necesario tomar ningún tipo de precaución.
Procedimiento: • • • • •
Se pone en una fuente de vidrio una hoja de papel de filtro o servilleta de papel. Se echa vinagre hasta empaparla. Se posan sobre el papel los diversos trocitos de metal de modo que la cara superior esté en contacto con el aire, nunca sumergida en vinagre, Se espera unas horas y observaremos que metales como el titanio, la plata y el aluminio se mantienen imperturbables mientras que el cobre y el latón (por contener cobre) se recubre de cardenillo. Ha sucedido una oxidación del cobre a cargo del oxígeno atmosférico y catalizada por el ácido acético. La sustancia verde es carbonato cúprico insoluble. A la plata, no le ha sucedido nada y en el caso del aluminio y titanio, no se notarán los efectos aunque este metal se haya oxidado, ya que su color no cambia. Ambos metales se pasivan.
Tiempo necesario para desarrollar esta práctica: 5 minutos + horas de espera.
Cuestiones para los alumnos: •
¿Qué les ha pasado a los trozos de metal?, relaciona lo ocurrido con el correspondiente metal del que están fabricadas cada una de ellas. 2
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Experiencia 2: Oxidación con nítrico Material y recursos necesarios:
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1 fuente de vidrio pequeña
• •
Ácido nítrico Gafas de seguridad Trozos de plancha de distintos metales y aleaciones (plata, titanio, cobre, acero, aluminio y latón)
Guantes de látex.
Normas de seguridad: •
•
El ácido nítrico es corrosivo, provoca quemaduras graves, debe mantenerse fuera del alcance de los alumnos y la experiencia debe realizarse en la campana de gases o en su defecto en un lugar muy ventilado y próximo a la ventana puesto que no se deben respirar los vapores que se desprenden. Deben utilizarse gafas protectoras y guantes.
Procedimiento: • • •
Se repite el procedimiento anterior sin servilleta y añadiendo un chorrito de ácido nítrico concentrado en lugar de vinagre (la experiencia la realiza el profesor por precaución y en la campana de gases). Rápidamente se observa desprendimiento de gases y la oxidación tanto del cobre como del latón y la plata. Esperando un poco de tiempo se observa también el orín en el acero, mientras que el aluminio y el titanio permanecen imperturbables. • El ácido nítrico es un agente oxidante muy potente, en este caso la plata ya no permanece imperturbable, se oxida, por supuesto el cobre y el latón también, el acero sufre corrosión mientras en el aluminio y el titanio no se observa efecto ninguno puesto que se pasivan.
Tiempo necesario para desarrollar esta práctica: 5 minutos + horas de espera.
Cuestiones para los alumnos: •
¿Qué diferencias observas entre la respuesta de los distintos metales a un agente fuertemente oxidante como el ácido nítrico? ¿Por qué?
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Experiencia 3: Determinación de densidades con balanza común. Material y recursos necesarios: • • •
Balanza normal Pie de rey Trozos de plancha de distintos metales y aleaciones (plata, titanio, cobre, acero, aluminio y latón)
Procedimiento: • • • •
Se cogen trozos pequeños de plancha de diversos metales Se mide el ancho, largo y espesor de las chapas con el pie de rey. Se pesan las distintas chapas en la balanza. Se determina la densidad [peso/(ancho*largo*espesor)]
Nota: no es una determinación ni muy precisa ni muy exacta pero la balanza hidrostática estaba rota y en principio no pensaba poder utilizarla.
Tiempo necesario para desarrollar esta práctica: Aproximadamente 30 minutos (depende del número de metales a determinar)
Experiencia 4: Determinación de peso específico con balanza hidrostática. Material y recursos necesarios: • • •
Balanza hidrostática Trozos de plancha de distintos metales y aleaciones (plata, titanio, cobre, acero, aluminio y latón) Agua destilada.
Normas de seguridad: •
Ninguna
Procedimiento: • • • • •
Se monta la balanza con todos los accesorios para pesar al aire y en agua. Se llena la cubeta de agua destilada. Se tara la balanza siempre antes de cada pesada. Se pesan los mismos trozos de metal de la experiencia anterior primero al aire y después sumergidos dentro del agua. El peso específico se determina del siguiente modo:
Peso específico =
Peso en el aire Pérdida de peso en el agua
[1.1]
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Balanza hidrostática: se basa en el principio de Arquímedes, una sustancia sumergida en agua experimenta un empuje hacia arriba y pesa menos que si estuviera en el aire; la pérdida de peso es igual al peso de agua desplazada. Para determinar el peso específico, la sustancia cuyo peso específico queremos determinar se pesa primero en el aire y luego en el agua. La diferencia entre las dos lecturas nos da el peso del volumen de agua equivalente; el peso específico se puede expresar entonces como en [1.1]
Tiempo necesario para desarrollar esta práctica: Aproximadamente 30 minutos (depende del número de metales a determinar)
Cuestiones para los alumnos: •
Calcula la densidad de los distintos metales con los resultados obtenidos en la experiencia 3 y 4 y compara ambos sistemas. ¿Qué metal es más denso?
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Experiencia 5: Dilatación térmica. Material y recursos necesarios: • • • • • • •
Clip Soplete Barra de acero Mechero Guantes para proteger de quemaduras Tenazas Pinzas
Normas de seguridad: •
El soplete debe manipularse con guantes protectores con el fin de evitar quemaduras.
Procedimiento: • • • • • •
Se endereza uno de los extremos del clip. Con una pinza se toma el extremo y se hace un bucle de dos o tres vueltas alrededor de la barra de acero. La barra tiene que pasar justa por el bucle. Se toma la barra de acero por un extremo con unas tenazas o alicates y se acerca el otro extremo a la llama de un soplete. Cuando la barra este al rojo, tratas de hacer pasar el extremo caliente por el bucle. ¡No pasa! La barra al calentarse se dilata y por eso no pasa a través del bucle del clip. La mayoría de los materiales, no sólo los metales, sufren un aumento de tamaño con el aumento de la temperatura, siempre y cuando no se produzcan cambios de fase. Esto es debido a que al aumentar la temperatura, aumentan las vibraciones de las partículas del material, lo que da origen a una mayor separación entre ellas.
Nota: la experiencia la debe realizar el profesor para evitar que los alumnos se quemen.
Tiempo necesario para desarrollar esta práctica: Aproximadamente 10 minutos
Cuestiones para los alumnos: •
¿Por qué ya no cabe el clip en el clavo?
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Experiencia 6: Conductividad térmica 1. Material y recursos necesarios: • • • • •
Colador de metal de red fina Un trozo de papel Vela Mechero Guantes para proteger de quemaduras
Procedimiento: • • • • •
Busca un colador de metal de red muy fina. Es importante que la red no tenga agujeros grandes ni desgarraduras. Coloca en el colador unos cuantos trozos de papel de libreta o de periódico. Enciende una vela y colócala debajo del colador. El papel se ahuma pero no se encenderá ya que el metal absorbe el calor de la llama, por lo que el papel nunca alcanza su temperatura de inflamación. Para que algo queme, debe haber suficiente oxígeno, un combustible y suficiente calor para que el combustible alcance su temperatura de inflamación. Puesto que el metal es un excelente conductor térmico disipa el calor y no permite que le llegue al papel.
Nota: la experiencia la debe realizar el profesor para evitar que los alumnos se quemen.
Tiempo necesario para desarrollar esta práctica: Aproximadamente 5 minutos
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Experiencia 7: Conductividad térmica 2. Material y recursos necesarios: • • • •
Servilleta de papel Moneda de 1 euro Mechero Cigarro
Normas de seguridad: •
Ninguna.
Procedimiento: • • • • • •
Busca una servilleta de papel. Coloca una moneda no muy pequeña en el centro del papel. Envuelve la moneda con el papel tan firmemente como puedas, sin desgarrarlo. Enciende un cigarro. Aprieta el extremo encendido del cigarrillo contra el papel que envuelve la moneda. ¡El papel no arde! La moneda que está del papel absorbe el calor que proviene del cigarrillo encendido por lo que el papel no se calienta lo suficiente como para alcanzar su temperatura de inflamación.
Nota: la experiencia es conveniente que la realice el profesor puesto que interviene un cigarrillo.
Tiempo necesario para desarrollar esta práctica: Aproximadamente 5 minutos
Cuestiones para los alumnos: •
¿Por qué no se quema el papel en las experiencias 6 y 7?
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Experiencia 8: Propiedades eléctricas. “Reloj de Magia Química” Material y recursos necesarios: • • • • • •
Fuente de vidrio pequeña Lata de cola Trozo grande de plancha de cobre Trozo grande de plancha de aluminio 2 pinzas de la ropa Polímetro
Procedimiento: • • • • •
•
Toma un trozo de plancha de aluminio y otro de plancha de cobre y fíjalas a una fuente de vidrio con unas pinzas de cocina evitando que se toquen las planchas de los diferentes metales. Vierte un poco de refresco de cola en la fuente. Pon en contacto la punta negra y la punta roja del polímetro con cada una de las planchas de metal (con estos metales no se consigue la diferencia de potencial suficiente como para poner en marcha un reloj). Se produce una lectura. De paso que se demuestra la conductividad eléctrica de los metales, podemos hablar de reacciones redox, en este caso no pertenece al temario pero no le hace daño a nadie y es útil para en temas posteriores, explicar los recubrimientos metálicos por deposición electrolítica. En este caso, el cobre actúa como agente oxidante mientras que el aluminio lo hace como agente reductor, el potencial obtenido de las dos semi-reacciones no es el suficiente como para poner un reloj en funcionamiento pero con un polímetro se puede comprobar como se da una transferencia de electrones.
Tiempo necesario para desarrollar esta práctica: Aproximadamente 10 minutos
Cuestiones para los alumnos: •
¿Por qué podemos realizar una medición con el polímetro?
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Experiencia 9: Propiedades ópticas: brillo Material y recursos necesarios: • • • •
Pulidora con rodillo para pulir y rodillo para matizar Pasta de pulir Trozo grande de plancha de latón Guantes de protección
Normas de seguridad: •
Cuando se pule una pieza debido a la fricción se genera calor, es necesario ponerse guantes de protección para evitar quemaduras.
Procedimiento: • • • • • •
Toma un trozo de plancha de latón. Enciende la pulidora y ponle un poco de pasta de pulir, previamente ponte los guantes de protección. Pasa el trozo de latón por el rodillo de la pulidora hasta conseguir brillo espejo. Cambia el rodillo de la pulidora y utiliza uno de pelos de acero. Pasa el trozo de latón pulido por el rodillo y observa como se el latón se torna mate. La elevada reflexión y por lo tanto el brillo se obtiene gracias a la disposición ordenada de los cristales, al pasar por el rodillo de acero se altera esta disposición, la reflexión es menor y por lo tanto se pierde el brillo.
Tiempo necesario para desarrollar esta práctica: Aproximadamente 10 minutos
Cuestiones para los alumnos: •
¿Por qué conseguimos que brille el trozo de latón? ¿Qué ocurre cuando lo pasamos por el cepillo de acero?
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Experiencia 10: Propiedades mecánicas: plasticidad. Material y recursos necesarios: • • • •
Trozo de plancha de latón Laminadora o martillo Soplete Guantes de protección
Normas de seguridad: •
Puesto que se emplea un soplete es conveniente utilizar guantes de protección para evitar quemaduras.
Procedimiento: • • • • • • • • • •
Toma un trozo de plancha de latón. Manipúlalo, trata de darle forma con un martillo o de deformarlo con las manos. Continúa sometiéndolo a esfuerzos con un martillo o bien pásalo por la laminadora sucesivas veces. Trata de deformarlo de nuevo con las manos o con un martillo. Cada vez es más difícil deformarlo. Caliéntalo con un soplete hasta la temperatura de recocido (guíate orientativamente por el color que toma). Déjalo enfriar. Trata de deformarlo con un martillo o con las manos. ¡Es más fácil deformarlo! No cabe duda de que uno de los factores que determina la gran importancia de los metales es su facilidad de conformado para obtener piezas de variadas geometrías. Si un metal se somete a una serie de esfuerzos, se altera el equilibrio de la red cristalina y se producen desplazamientos atómicos. De este modo, se pueden originar dos tipos de deformaciones: - Elástica: al cesar la fuerza exterior los átomos recuperan su posición de equilibrio. - Plástica: los átomos no recuperan su posición inicial y la deformación pasa a ser permanente. El conformado más habitual de los metales se lleva a cabo mediante procesos de deformación plástica. Según la temperatura a la que se realice el proceso de deformación plástica, se puede distinguir: - Conformación por deformación en frío: si se realiza por debajo de la temperatura de recristalización ( temperatura a la cual las vinculaciones entre los átomos que forman el cristal adquieren un grado de libertad tal que pueden reestructurar sus vínculos dando lugar a cristales nuevos y sin pensionar; el metal pierde dureza y fragilidad y adquiere elasticidad y tenacidad) del metal. - Conformación por deformación en caliente: si se realiza por encima de la temperatura de recristalización.
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En esta experiencia el metal se somete a deformaciones mecánicas en frío. Estos tratamientos incrementan la dureza y resistencia mecánica del metal y, también, acarrean una disminución en su plasticidad. En el recocido el metal se calienta durante cierto tiempo a una temperatura determinada y, a continuación, se enfría lentamente. De esta manera se consigue una mayor plasticidad para que pueda ser trabajado con facilidad. La temperatura y la duración de este tratamiento dependerán del grado de plasticidad del que se quiera dotar al metal, así como del grado de tensiones internas iniciales existentes en él.
Tiempo necesario para desarrollar esta práctica: Aproximadamente 15 minutos
Cuestiones para los alumnos: •
¿Por qué podemos darle forma al latón con un martillo? ¿Qué ocurre después de trabajarlo durante un tiempo? ¿y al recocerlo?
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Experiencia 11: Propiedades mecánicas: tenacidad/fragilidad. Material y recursos necesarios: • •
Pelo de sierra para cortar metal Hilo de latón.
Procedimiento: • • • • • •
Toma un pelo de sierra (de acero endurecido por tratamientos). Somételo a un pequeño esfuerzo de deformación. Por ejemplo trata de doblarlo haciendo un poco de fuerza, ¡recupera rápidamente! Somételo a un esfuerzo superior, ¡rompe! Toma hilo de latón y repite el procedimiento. ¡Su comportamiento es muy diferente! En esta experiencia se trata de comprender el significado de tenacidad, la tenacidad es la inversa de la fragilidad, es la cantidad de energía que un material es capaz de absorber en forma de deformación plástica sin romperse. El hilo de latón es tenaz mientras que el pelo de sierra, que está tratado para aumentar su dureza y que no se desgaste superficialmente, es muy frágil.
Tiempo necesario para desarrollar esta práctica: Aproximadamente 5 minutos
Cuestiones para los alumnos: •
¿Quién es más tenaz, el hilo de latón o el pelo de sierra?
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Experiencia 12: Maleabilidad. Material y recursos necesarios: • • • •
Trozo de plancha de latón. Pie de rey Regla Laminadora
Procedimiento: • • • • •
Toma un trozo de plancha de latón. Determina sus dimensiones, espesor, ancho y largo. Pásalo por la laminadora (manual o automática) Vuelve a determinar sus dimensiones. La maleabilidad es una variedad de la plasticidad por la cual el metal puede reducirse a láminas. En esta experiencia los alumnos comprueban que es la maleabilidad y practican el uso del pie de rey tan necesario en su futuro trabajo.
Tiempo necesario para desarrollar esta práctica: Aproximadamente 10 minutos
Cuestiones para los alumnos: •
¿A que espesor hemos disminuido la plancha de latón?
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Experiencia 13: Ductilidad. Material y recursos necesarios: • • • • •
Hilo de latón Pie de rey Regla Soporte de sujeción Tenazas o alicates
Procedimiento: • • • • • • •
Tomad un trozo de hilo de latón y enderezadlo. Mide el diámetro del hilo y la longitud. Fija uno de los extremos en un soporte de sujeción. Toma el otro extremo con unas tenazas o alicates y estira todo lo fuerte que puedas. Observa como crece la longitud del hilo. Mide de nuevo el diámetro y longitud del hilo. La ductilidad es otra variedad de la plasticidad por la cual un metal puede convertirse en alambre o hilo
Tiempo necesario para desarrollar esta práctica: Aproximadamente 10 minutos
Cuestiones para los alumnos: •
¿Qué longitud ha alcanzado el hilo de latón? ¿Cómo ha afectado el aumento de la longitud a la sección del hilo?
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Experiencia 14: Propiedades mecánicas: dureza según la escala de Mohs. Material y recursos necesarios: •
Trozos de los distintos metales
Normas de seguridad: •
Precaución con el plomo puesto que es muy blando, se puede rayar con la uña, y es altamente tóxico.
Procedimiento: • • • •
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Toma trozos de distintos metales: aluminio, titanio, plata, hierro, cobre y plomo. Por ejemplo primero toma el trozo de titanio y trata de rayar todos los trozos de los otros metales con él y anota qué metales es capaz de rayar. Repite la misma operación con los metales restantes. La dureza mineralógica es la resistencia que opone un material a ser rayado, se puede medir mediante la llamada escala de Mohs, que consta de 10 grados de dureza, cada uno de los cuales corresponde a un mineral determinado: talco (1)…diamante (10). La dureza es importante ya que está relacionada con la resistencia del material a la abrasión y al desgaste, así como también con la facilidad con que puede mecanizarse. En esta experiencia no la determinamos usando minerales de dureza conocida sino que cualitativamente descubrimos la dureza de los metales con los que ensayamos ya que el más duro rayará al que es menos duro que él.
Tiempo necesario para desarrollar esta práctica: Aproximadamente 5 minutos
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Cuestiones para los alumnos: •
Indica en orden decreciente la dureza de los distintos metales analizados.
Análisis de las respuestas de los alumnos: Los alumnos quedaron especialmente sorprendidos con las experiencias 6, 7 y 8, les parecía “magia” y para responder a las cuestiones planteadas para estas experiencias necesitaron un poco de ayuda puesto que no daban crédito. En general para el resto de cuestiones no tuvieron problema ya que la mayoría de las actividades especialmente las referentes a las propiedades mecánicas las aplican de modo rutinario en la asignatura de taller pero les resultó muy útil para relacionarlo con los conceptos teóricos y comprender que las cosas que suceden tienen un por qué. Respecto a las experiencias de oxidación las relacionaron rápidamente con posibles acabados decorativos que habían visto previamente en la asignatura de taller.
Análisis de la práctica presentada por el profesor: La práctica es adecuada en contenidos tanto para la asignatura de materiales y tecnología como para la de taller. Estoy muy satisfecha con la práctica realizada y con la respuesta por parte de los alumnos que disfrutaron y participaron muy activamente en el desarrollo de la misma. Por otro lado, estoy muy agradecida al profesor de taller que me dejó su aula y me ayudó con todo lo que yo no estaba familiarizada. Como podéis suponer yo nunca había pulido un metal con una pulidora ni tampoco había utilizado una laminadora en mi vida. El profesor de taller estaba entusiasmado con la idea de una clase práctica ya que nunca se había hecho antes y no sólo me ayudó, se quedó en el taller en todo momento y complementó las respuestas de los alumnos y mías dándoles un aspecto más practico lo cual motivó todavía más a los alumnos. Como ya he dicho estoy satisfecha con los resultados obtenidos, los alumnos se enfrentaron a la realización de cálculos que de otro modo no hubiesen hecho hasta el examen, ¡como siempre ocurre! y relacionaron muy bien los conceptos teóricos vistos en clase con los resultados obtenidos en las experiencias que era de lo que se trataba, pero el poder llevar a cabo esta práctica ha sido complicado y he necesitado mucho tiempo de trabajo puesto que no dispongo de material de laboratorio ni por supuesto de laboratorio y he tenido que ingeniármelas como he podido. A pesar de estos inconvenientes creo que logramos que la práctica se aproximase bastante a lo que en un principio idee.
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