Plan de clase de los estados de la materia con simulación
Actualizado el 2026-10-02
Este plan de clase de los estados de la materia usa una simulación gratuita de partículas para responder a la pregunta que hay detrás de toda actividad de calentar y enfriar: ¿qué hacen realmente las partículas? Los estudiantes calientan un sólido hasta que funde y hierve, ven cómo las partículas se sueltan de su red, comparan cuatro sustancias y descubren por qué el agua necesita mucho más calor que el neón. Tienes objetivos de aprendizaje, preparación, predicciones, una secuencia paso a paso con los valores que deberían ver los estudiantes, un conjunto de cinco preguntas para el enlace de la clase, una ampliación con la curva de calentamiento e ideas de atención a la diversidad. Todos los números salen del código del modelo de las propias simulaciones.
La clase de un vistazo
- Nivel: grados 6–9 (11–15 años). La parte del potencial de interacción también sirve para los grados 10–12.
- Duración: una sesión de 50–60 minutos, más una ampliación opcional de 15 minutos.
- Conocimientos previos: sólidos, líquidos y gases de la vida cotidiana; temperatura. No se necesitan ecuaciones.
- Formato: parejas con portátiles o tabletas, o toda la clase con un proyector.
- Simulación: Estados de la materia – sólidos, líquidos, gases y cambios de estado. Ampliación: Estados de la materia – modelo de partículas al calentar y enfriar.
Objetivos de aprendizaje
Al terminar la clase, los estudiantes pueden:
- Describir la disposición y el movimiento de las partículas en un sólido, un líquido y un gas.
- Explicar la fusión y la ebullición como partículas que ganan energía suficiente para vencer su atracción.
- Relacionar la intensidad de la atracción entre partículas con lo alto que es el punto de ebullición de una sustancia.
- Predecir cómo cambia la presión de un gas caliente al comprimirlo.
- (Ampliación) Explicar por qué la temperatura se mantiene constante en una curva de calentamiento mientras una sustancia funde o hierve.
Qué hace la simulación
Cada partícula se mueve bajo fuerzas reales: atracción a distancia y repulsión de cerca (el modelo de Lennard-Jones). Nada está animado de antemano. Eliges neón, argón, oxígeno o agua; el argón es la opción por defecto.
Tiene tres pantallas:
- Estados: un recipiente cerrado con 80 partículas que empieza como sólido. Arrastra el control deslizante Calentar / enfriar hacia Calor o Frío, o usa los botones rápidos Sólido, Líquido y Gas. +10 partículas y −10 partículas cambian la cantidad, hasta 100. La temperatura aparece en kelvin sobre el recipiente, y una línea de estado describe el estado: "Las partículas vibran en su sitio alrededor de posiciones fijas: sólido."
- Cambios de estado: 40 partículas bajo un pistón. Arrastra la barra gris para comprimir o expandir, bombea más partículas (hasta 120) y calienta o enfría. Un manómetro muestra la presión en atm, y un pequeño diagrama de fases marca el estado actual.
- Potencial de interacción: las curvas de energía de las cuatro sustancias en una misma gráfica. Arrastra Distancia r de 200 a 900 pm para leer la energía potencial U entre dos partículas. La línea de estado da el fondo del pozo de la sustancia elegida.
Tres detalles del modelo conviene conocerlos antes de la clase:
- La etiqueta del estado sale de la temperatura. El argón se etiqueta como líquido desde unos 42 K y como gas desde unos 78 K. Estos límites se escalan a partir de la atracción de cada sustancia, así que ordenan las sustancias de forma razonable pero no coinciden con los puntos reales de fusión y ebullición. El argón real funde a 84 K y hierve a 87 K. Di a los estudiantes que se fíen más de las partículas que de la etiqueta.
- La temperatura parpadea. Sale de la rapidez de las partículas, así que salta varios kelvin incluso con el calentador apagado, y la etiqueta puede parpadear cerca de un cambio de estado. Trata las lecturas como aproximadas.
- El agua se dibuja como una sola partícula redonda. Su atracción más fuerte sustituye al enlace de hidrógeno. Eso da una buena pregunta de "¿qué deja fuera el modelo?".
Materiales y preparación antes de la clase
Materiales: un dispositivo por pareja (o un proyector), la tabla de registro de abajo en papel y un recordatorio de que 0 °C son 273 K.
Preparación (10 minutos, una sola vez):
- Abre la simulación. Los valores por defecto son la pantalla Estados, argón, 80 partículas, empezando como sólido.
- Haz clic en Compartir y crea un enlace para cada clase, por ejemplo "Ciencias · Grupo 3". El enlace fija estos valores iniciales.
- Opcional: en la pestaña Preguntas, introduce el conjunto de preguntas de abajo y adjúntalo al enlace.
- Publica el enlace, o ábrelo en modo presentación y muestra el código QR para que los estudiantes se unan desde sus propios dispositivos.
Secuencia de la clase
1. Gancho y predicciones (7 minutos)
Muestra un cubito de hielo y pregunta: "Las moléculas de agua de este hielo y las del vapor son idénticas. Entonces, ¿qué es diferente?" Recoge unas cuantas respuestas. Después los estudiantes se comprometen con dos predicciones, en papel o en el enlace:
- P1. "Cuando un sólido funde, sus partículas… se hacen más grandes / se sueltan de sus posiciones fijas y se deslizan unas sobre otras, aún juntas / se separan mucho y llenan el recipiente / dejan de moverse."
- P2. "El neón, el argón, el oxígeno y el agua empiezan como sólidos. ¿Cuál hay que calentar a la temperatura más alta antes de que se convierta en gas?"
Espera "las partículas se hacen más grandes" de algunos estudiantes en P1. No corrijas a nadie todavía.
2. Sólido, líquido, gas (12 minutos)
En la pantalla Estados, las parejas ponen el calentador en un 30 % aproximadamente y ven cómo el argón se calienta desde unos 25 K. Pausan con Pausa cada vez que cambia la línea de estado y escriben una frase sobre el movimiento:
| Argón | Temperatura (aprox.) | Qué hacen las partículas |
|---|---|---|
| Sólido | por debajo de 42 K | vibran en lugares fijos siguiendo un patrón regular |
| Líquido | 42–78 K | se deslizan unas sobre otras pero siguen juntas en el fondo |
| Gas | por encima de 78 K | vuelan libremente y chocan con todas las paredes |
Sigue calentando. Por encima de unos 239 K la tapa se abre sola y las partículas escapan; la lectura las cuenta. El calentador se detiene a unos 359 K. Después enfría el recipiente de nuevo y observa cómo el gas se condensa y el sólido se vuelve a formar.
Pregunta: "¿Alguna partícula se hizo más grande?" No. Solo cambiaron el movimiento y la separación. Comprueba P1 ahora.
3. El mismo calentador, sustancias distintas (10 minutos)
Al elegir una sustancia, el recipiente se reinicia como sólido. Las parejas calientan cada sustancia desde sólido y anotan la temperatura a la que la línea de estado dice gas por primera vez:
| Sustancia | Etiquetada líquido desde | Etiquetada gas desde | Profundidad del pozo de potencial |
|---|---|---|---|
| Neón | unos 13 K | unos 23 K | 3,10 meV |
| Oxígeno | unos 39 K | unos 73 K | 9,70 meV |
| Argón | unos 42 K | unos 78 K | 10,30 meV |
| Agua | unos 138 K | unos 256 K | 34,00 meV |
Deja en blanco la última columna en la copia del estudiante; sale del paso 4. El neón va primero y el agua última, con mucha diferencia. Comprueba P2.
Nota: el oxígeno real hierve a 90 K, justo por encima de los 87 K del argón, así que el modelo intercambia esas dos. A los estudiantes aventajados les gusta descubrirlo.
4. Potencial de interacción: por qué difieren los puntos de ebullición (10 minutos)
Abre Potencial de interacción. Las cuatro curvas comparten una gráfica. La lectura empieza en "argón · r = 380 pm · U = −10,28 meV". Los estudiantes arrastran Distancia r para hallar el punto más bajo de cada curva:
| Sustancia | Fondo del pozo | U en el fondo |
|---|---|---|
| Neón | 308 pm | −3,10 meV |
| Argón | 383 pm | −10,30 meV |
| Oxígeno | 388 pm | −9,70 meV |
| Agua | 354 pm | −34,00 meV |
Preguntas para plantear:
- "¿Qué le pasa a U cuando separas las partículas más allá del fondo del pozo?" Sube hacia cero: se atraen y hay que hacer trabajo para separarlas.
- "¿Y cuando las acercas?" U se dispara: se repelen.
- "¿Cuántas veces más profundo es el pozo del agua que el del neón?" 34,00 ÷ 3,10 ≈ 11. Un pozo más profundo significa que hace falta más energía para separar las partículas, así que el punto de ebullición es más alto.
Marca Marcar la distancia media de la pantalla Estados mientras la pantalla Estados contiene un sólido. El marcador queda cerca del fondo del pozo: en un sólido, las partículas se sitúan aproximadamente donde se equilibran la atracción y la repulsión.
5. Cambios de estado: comprime el gas (8 minutos)
Abre Cambios de estado. Tiene sus propias 40 partículas, que empiezan como sólido, así que caliéntalas hasta que llenen el recipiente. Las parejas bajan el pistón despacio y observan el manómetro. La presión sube porque las partículas chocan más a menudo con las paredes. Después calientan con el pistón abajo. Por encima de unas 59 atm el recipiente revienta con "💥 ¡Reventó por sobrepresión!", y Restablecer pantalla trae uno nuevo. Dales dos minutos de juego libre y pregunta: "¿Por qué un gas caliente revienta el recipiente antes que uno frío?"
6. Comprobación de salida (5 minutos)
Usa las preguntas 3–5 del conjunto de abajo. Luego abre Ver respuestas y muestra las columnas Predicción y Después de P1 y P2 una junto a otra. La guía de evaluación formativa muestra cómo leer esas columnas entre clases.
Conjunto de preguntas para esta clase
Introdúcelas en la pestaña Preguntas de la simulación. Instrucciones para los alumnos sugeridas: "Empieza en la pantalla Estados. Al elegir una sustancia, el recipiente se reinicia como sólido. Las temperaturas parpadean, así que léelas como aproximadas."
1. Opción múltiple · Antes, como predicción · Volver a preguntar después de la simulación
- Pregunta: "Cuando un sólido funde, ¿qué les pasa a sus partículas?"
- Opciones: Se hacen más grandes / Se sueltan de sus posiciones fijas y se deslizan unas sobre otras, aún juntas (correcta) / Se separan mucho y llenan el recipiente / Dejan de moverse
- Explicación: "Las partículas conservan el mismo tamaño. Al calentarlas se mueven más rápido hasta que se sueltan del patrón regular. En un líquido todavía se tocan y se atraen, pero pueden deslizarse unas sobre otras. Separarse para llenar el recipiente es lo que ocurre cuando el líquido hierve."
2. Opción múltiple · Antes, como predicción · Volver a preguntar después de la simulación
- Pregunta: "El neón, el argón, el oxígeno y el agua empiezan como sólidos. ¿Cuál hay que calentar a la temperatura más alta antes de que se convierta en gas?"
- Opciones: neón / argón / oxígeno / agua (correcta)
- Explicación: "Las partículas de agua se atraen mucho más fuerte que las de las demás. Su pozo de potencial tiene 34,00 meV de profundidad frente a los 3,10 meV del neón. Hace falta más energía para separar las partículas, así que el agua se convierte en gas a una temperatura mucho más alta."
3. Número · Después de la simulación
- Pregunta: "En la pantalla Potencial de interacción, halla el fondo del pozo del agua y del neón. ¿Cuántas veces más profundo es el pozo del agua?"
- Respuesta: 11, margen de error ± 0,5
- Explicación: "El fondo del pozo del agua está en U = −34,00 meV y el del neón en U = −3,10 meV. 34,00 ÷ 3,10 ≈ 11. La atracción entre partículas de agua es unas once veces más fuerte en este modelo."
4. Opción múltiple · Después de la simulación
- Pregunta: "En la pantalla Cambios de estado, empujas el pistón hacia abajo sobre un gas caliente. ¿Qué pasa con la presión?"
- Opciones: Baja / Se mantiene igual / Sube, y el recipiente puede reventar (correcta) / Cae a cero
- Explicación: "Las mismas partículas tienen ahora menos espacio, así que chocan más a menudo con las paredes y la presión sube. Un gas caliente empuja más fuerte porque sus partículas se mueven más rápido. Por encima de unas 59 atm el recipiente de la simulación revienta."
5. Respuesta corta · Después de la simulación
- Pregunta: "Usa el modelo de partículas para explicar por qué el agua hierve a una temperatura más alta que el neón."
- Respuestas aceptadas (opcional): déjalo vacío y lee tú las respuestas.
- Respuesta modelo: "Hervir significa que las partículas se mueven lo bastante rápido para escapar de la atracción de sus vecinas. Las partículas de agua se atraen mucho más fuerte que las de neón (un pozo de potencial más profundo), así que deben moverse más rápido, es decir, a una temperatura más alta, antes de soltarse."
Las preguntas 1 y 2 son las predicciones, que se vuelven a preguntar después de la simulación. Para saber más sobre cómo escribir preguntas como estas, consulta escribir buenas preguntas para laboratorios virtuales.
Ampliación: la curva de calentamiento
La segunda simulación muestra lo que registra un termómetro durante un cambio de estado. Es más sencilla, usa °C y es adecuada para los grados 6–7.
Se abre con agua a 20 °C y empieza a calentar enseguida, a 15 °C por segundo. Los estudiantes observan a la vez las partículas y la gráfica temperatura–tiempo:
- Pasados unos 5,3 segundos el agua llega a 100 °C.
- La gráfica se mantiene plana en 100 °C durante 2,5 segundos mientras las partículas pasan a gas una a una.
- Después la temperatura vuelve a subir.
Pulsa Enfriar para ejecutarlo al revés: condensación a 100 °C y luego solidificación a 0 °C, cada una con su propio tramo plano. Pulsa Mantener en el tramo plano y pregunta: "El calentador estuvo encendido todo el tiempo. ¿Adónde fue la energía?" Fue a separar las partículas, no a acelerarlas.
Después usa el control deslizante T: para comparar las cuatro sustancias a la misma temperatura:
| Sustancia | Funde | Hierve | Estado a −50 °C | Estado a −200 °C |
|---|---|---|---|---|
| Agua | 0 °C | 100 °C | sólido | sólido |
| Etanol | −114 °C | 78 °C | líquido | sólido |
| Mercurio | −39 °C | 357 °C | sólido | sólido |
| Oxígeno | −219 °C | −183 °C | gas | líquido |
Una limitación para comentar: ambos tramos planos duran 2,5 segundos para todas las sustancias. El agua real necesita unas siete veces más energía para hervir que para fundir, así que su meseta de ebullición debería ser mucho más larga.
Atención a la diversidad
Apoyo:
- Usa solo argón y agua en la pantalla Estados, y los botones Sólido, Líquido y Gas en lugar del control deslizante.
- Da comienzos de frase: "En el sólido, las partículas… Cuando lo calenté, ellas…"
- Empieza con la simulación de la curva de calentamiento, que usa °C y etiqueta cada cambio de estado.
Ampliación:
- Explicar por qué la temperatura parpadea incluso con el calentador apagado.
- Comparar las etiquetas del modelo con los puntos de ebullición reales (neón 27 K, argón 87 K, oxígeno 90 K, agua 373 K). ¿Qué acierta el modelo y qué no?
Estudiantes que aprenden el idioma: la simulación está disponible en seis idiomas. Crea un segundo enlace en el idioma del estudiante para que las etiquetas le resulten familiares mientras el debate sigue en español.
Alineación con estándares
Esta clase se corresponde con el estándar NGSS MS-PS1-4 (un estándar de EE. UU.): desarrollar un modelo que prediga y describa los cambios en el movimiento de las partículas, la temperatura y el estado de una sustancia pura cuando se añade o se quita energía térmica. Encaja con el tema del modelo de partículas de GCSE Combined Science y de la química introductoria de secundaria superior.
Para más actividades de química, consulta ideas de clases interactivas de química. Para rutinas como el trabajo en parejas y las demostraciones con proyector, consulta cómo usar simulaciones interactivas en el aula. Para hacer los pasos 1–2 como un ciclo completo de Predecir–Observar–Explicar, consulta Predecir–Observar–Explicar con simulaciones.
Preguntas frecuentes
¿Por qué la simulación usa kelvin?
El movimiento de las partículas depende de la temperatura absoluta, y las sustancias de aquí cambian de estado muy por debajo de 0 °C. Da a los estudiantes la regla "kelvin = °C + 273". La ampliación de la curva de calentamiento usa °C si tu clase aún no está lista.
¿Por qué las partículas están en el fondo del recipiente?
La simulación añade un poco de gravedad, de modo que un líquido se asienta como uno real. El gas sigue llenando todo el recipiente.
¿Pueden los estudiantes usar móviles?
Sí. Los estudiantes abren el enlace sin cuenta, y los controles deslizantes, los botones y el pistón funcionan en pantallas táctiles. El agua es lo que más cálculo requiere, así que en un móvil antiguo puede ir algo más lenta.