enlace químico - · pdf file94 c a p í t u l o 4 • enlace químico....

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Enlace químicoUna aproximación constructivista

a su enseñanza1

Índice de capÍtulo

una explicación de lo que se pretende

1. para los profesores. descripción de una unidad didáctica

2. introducción

3. empecemos con algo experimental

4. para los profesores. Sobre la exploración de propiedades

5. para los profesores. Sobre el análisis científico y didáctico del tema

6. clasificación de los enlaces

7. para los profesores. durante el análisis científico

8. de vuelta al inicio: el enlace es un único fenómeno

AlejAndrA GArcíA FrAnco • Andoni GArritzjosé Antonio chAmizo

1 Elpunto6deestecapítulo,queserefierealoscontenidoscientíficosdelmismo,hasidoadaptadodellibrodeGarritz,A.yChamizo,J.A.,(2001).Tú y la química.México:PearsonEducación.

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UnA explicAción de lo qUe se pretende

Despuésdecumplirconlainvestigacióninformadaenelcapítulo2deestelibro,enlaquesehallaronlasconcepcionesalternativasconrelaciónaltemadeenlacequímico deun buen número dealumnos de las licenciaturas de laFacultadde

Química,llególanecesidaddeconcluirestelibroconlaescrituradelcapítulo4,dondesepresentanestrategiasdidácticasparaenfrentarycomplementaresasconcepcionesenlabúsquedadelcambioconceptualenelsalóndeclase.

Enesteescritopresentamoslaunidaddidácticasobreelenlacequímico,comoresultadodeunainvestigaciónrealizadapordosdelosautores(GarcíaFrancoyGarritz),conapoyodeltemademodelizacióndeltercerautor(Chamizo),conunobjetivodual:

1)Porunaparte,lapresentacióndeltema“Enlacequímico”(enlassecciones2,3,6,8y10)paraalumnosdelaeducaciónmediasuperiorolosdosprimerossemestresdelasuperior,basándonosenlosconceptosfundamentalesdelaelectrostática,sinentrarenconsideracionesdemecánicacuántica,utilizandounenfoqueconstructivistaparadiseñarunaunidaddidácticasobreeltema.

2)Emitirunaseriederecomendacionesparalosprofesores(presentadasenlassecciones1,4,5,7y9,ylascitasbibliográficasfinales)parallevaracaboconéxitoenelsalóndeclaseslapuestaenprácticadelaunidaddidáctica.

Esperamosque la unidad didáctica reunida en este capítulo resulte apropiada para losprofesoresqueintentenprobarlaconsusestudiantes.

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p a p i m e e n 2 0 8 2 0 3 • Alejandra García Franco • Andoni Garritz • José Antonio Chamizo

1. pArA los proFesores. descripción de UnA UnidAd didácticA

Comoserevisaalolargodeestelibro,eltemadeenlacequímicoescomplejoyrepresentaunretoimportanteparalosprofesoresquetienenqueenseñarloasusalumnos,seaenelniveldebachilleratooeneldelalicenciatura.Enelcapítulo1sehanmencionadodiferentesperspectivasquehacenénfasisenlacomplejidadquesubyacealaenseñanzayelaprendi-zajedeconceptoscientíficosyalanecesidaddeabordarlostemasdemaneradiferenteenelsalóndeclases.

La investigacióneducativaalrededordeestetemahapropuestoalgunoselementosquees importanteconsiderarparapermitira losestudiantesunamejorcomprensiónydesarrolloconceptualrespectoaestetema(García-FrancoyGarritz,2006),algunosdeloscualessedesarrollanenelcapítulo1deestelibro.

Enelcapítulo2deestelibro,sehanpresentadolosprincipalesproblemasconceptuales(concepcionesalternativas)quepresentanlosestudiantesdelosprimerosañosdeloses-tudiosuniversitariosyhayunsinnúmerodeconcepcionesinformadasparalosestudiantesdelasecundariayelbachillerato(Wandersee,MintzesyNovak,1994;Garnett,GarnettyHackling,1995;Furió,1996;Taber,2002;Kind,2004).

En este capítulo hemos utilizado el modelo de planificación de unidades didácticaspropuestoporSánchezyValcárcel(1993),conelempleodeunasecuenciadeenseñanzaconstructivista(DriveryScott,1996),paraeltemadeenlacequímico,ypresentamosalgunosresultadosdesuaplicacióndurante2002y2003endosaulasdelbachilleratodeuncolegiodelaCiudaddeMéxicoincorporadoalprogramadecchdelaunam.

LapropuestadeunidaddidácticadeSánchezyValcárcel(1993)tienecincocomponentes:

a) Análisis científico;

Elobjetivodelanálisiscientíficoesdoble:laestructuracióndeloscontenidosdeenseñanzaylaactualizacióncientíficadelprofesor.LostemasdeenlacequímicoquesepresentanalosestudiantesfuerontomadosdelartículodeDeKock(1987)ydellibrodeGarritzyChamizo(1994).Lospuntosprimordialesdeesteanálisiscientíficosehandesarrolladoenlasección6deesteescrito.Sehaempleadoelsiguienteordengeneraldeochopreguntasclaveparaavanzarhacialasconcepcionescientíficasdelenlace(encursivas,acontinuación):

1. ¿Por qué se unen los átomos?2. ¿Qué es la electronegatividad?3. ¿Qué es el enlace iónico?4. ¿Qué es el enlace covalente?5. ¿Qué es un enlace covalente polar?6. ¿Qué es el enlace metálico?

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95Hacia el cambio conceptual en el enlace químico • c a p í t u l o 4

Silvia Bello Garcés • Coordinadora • f a c u l t a d d e q u í m i c a

7. ¿Qué enlaces existen entre las moléculas en un sólido o un líquido?8. ¿A qué se debe la solubilidad de las sustancias en otras sustancias?

b) Análisis didáctico;

SánchezyValcárcel(1993)señalandosindicadoresdelacapacidadcognitivadelalumno,queesalgocrucialparadeterminarloqueescapazdehaceryaprender:susconocimientospreviosyelniveldedesarrollooperatoriodondeseencuentranlosalumnosenrelaciónconlashabilidadesintelectualesnecesariasparalacomprensióncabaldeltema.Encuantoalosconocimientosprevios(oconcepcionesalternativas)losautoresdeestecapítulohemosincluidovariosdelosinformadosenlaliteraturaenunartículoreciente(García-FrancoyGarritz,2006),mismosquehemosvueltoacopiarenlasección5deestecapítulo“Paralosprofesores.Sobreelanálisiscientíficoydidácticodeltema”.Porotraparte,ydeacuerdoconShayeryAdey(1984),lamayoríadelosalumnosdelbachilleratoseencuentranenalgúnpuntoentrelasetapasdedesarrollocognoscitivo“formalinicial”y“formalavanzado”(verenlasPp.120-127dellibromencionadolosdiversosconceptosdequímicaysugradodecomprensiónenestasetapasdeldesarrollocognoscitivo).

c) Selección de objetivos;

Elobjetivomásimportantedeexponeradosgruposdetreintaestudiantesalosconceptosdelenlacequímicoeslograr,enunabuenaproporcióndeellosyellas,discutirsusconcep-cionessobreeltemayreexaminarlas,hastallevarlosalaconclusióndequealgunasdesusrepresentaciones resultan incompletas para explicar la naturaleza ypropiedadesde lassustanciascondiferentesenlaces.

Sabemosqueesteprocesoeselprincipiodelcambioconceptual(Posneret al.,1982)yqueesunprocesogradualycomplejoenelcuallainformaciónquellegaalosalumnosgraciasa laexperimentación, la indagacióny la instrucciónesusada paraenriqueceroreestructurarsuscreenciasysuposicionesiniciales.Yahablaremosunpocomássobreelcambioconceptualenlasección4deestecapítulo“Paralosprofesores.Sobrelaexplora-cióndepropiedades”.

Elsegundoobjetivo,másespecífico,esquelaideadepresentarelenlacequímicoenpri-mertérminocomointeracciónentrepartículascargadaspuedeproveerdeunmarcogeneraldetrabajo,quepermitatransitarhacialosdiversosmodelosexistentesparacomprenderloscasosparticularesdelenlace.Nosevaapresentaraquílarecientediscusiónsobrelaense-ñanzadelaquímicaatravésdemodelosymodelaje(GilbertyBoulter,2000;GalagovskyyAdúriz-Bravo,2001;ErduranyDuschl,2004)nilasposturasfilosóficasquelossostienen(Giere1997,IzquierdoyAdúriz,2003),nisuevoluciónhistórica(Palmer,1965)porconsiderarsequeextiendeelobjetivodelpresentedocumentoyquerequiereunaprecisiónconceptualquenosebuscaaquíyqueestáaúnenprocesodeconstrucción(Chamizo,2006).

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Esteobjetivoincluyeotromuyimportante:queelalumnoconcluyaquelosdiversosmodelosdeenlacebasadosenhechosaparentementediferentes,tienenuncarácterelec-trostáticocomún,esdecir,quesonmodelosaplicablesalmismotipodefenómeno.Enlasección6hemosincluidolapresentacióndelostresmodelosdeenlaceprincipales:iónico,covalenteymetálico(puntosE,FyG),asícomoeltemadelasinteraccionesintermolecularesquedesdeestepuntodevistanoesmásqueotrotipodeenlace(puntoHdelasección6)(Chamizo,1988).Inmediatamentedespués,volveremosahacerénfasisenlanaturalezaelectrostáticauniversaldelenlacequímico(Sección7deestecapítulo).

d) Selección de la estrategia didáctica;

HemoselegidolaestrategiadeDriveryScott(1996),queDuit(1999)llamasecuencia cons-tructivista de enseñanza yquefuedesarrolladaparadiversostemasdentrodelproyectoChildrenLearninginScience,clis(Wightmanet al.,1987).

Lasecuenciadeenseñanzacomienzaconlaexplicitacióndelasideasdelosestudiantessobreeltemaquesevaatratar,despuéssedesarrollanalgunasactividadesquelesayudanareestructurarsusideasy,finalmente,seproveenoportunidadesparaquerevisenycon-siderencualquiercambioqueresulteensusconcepciones.

Estasecuenciaconsideraalcanzarelcambioconceptualconbaseprincipalmenteenelconflictocognitivo:lasactividadesestánfuertementeatadasalasideasinicialesdelosestudiantesysevanpromoviendodiscusionesmediantediversasactividadesypreguntasquepermitenquelosestudiantespuedanirpensandosobresusideas,parafinalmentepro-veeroportunidadesdondesepuedaaplicarlateoríacientíficayenlasquelosestudiantespuedanserconcientesdeloquehanaprendido.

Elsiguienteesquemamuestralasetapasqueseconsideranenlaestrategiadidáctica:

1. Explicitación de las ideas estudiantiles

2. Trabajo experimental.Construcción de explicaciones

3. Confrontaciones de las ideasde los estudiantes

4. Consolidación. Aplicación de los modelos construidos

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Lasprimerastresetapasdelasecuenciasepresentanenlassecciones3y4deesteca-pítulo.Lacuartaetapaselogradurantelapresentacióndelasideasdelanálisiscientíficodelasección6.

e) Selección de estrategias de evaluación

Paralaevaluacióndelaunidaddidáctica,seempleófundamentalmenteuncuestionarioqueseaplicóalosdosgrupos,tantoantesdecomenzarelestudioformaldeltemacomoalconcluirlo.Paraverlosdetallesyresultadosdelaevaluación,favordeconsultarlareferenciadeGarcía-FrancoyGarritz(2006).

Laperspectivateóricaquesubyaceaestaunidaddidácticaconcuerdaconlaperspectivaquesehapresentadoenelcapítulo1,deacuerdoconlacualelcambioconceptualimplicalaconstruccióndeunanociónquepermitealsujetocontarconunaformadeexplicaciónparaunfenómenodeterminado,enestecaso,mediantelaconstruccióndemodelosdeenlacequímicoquelepermitandarcuentayexplicarladiversidaddepropiedadesdelosmateriales.

2. introdUcción

Ladiversidaddematerialesquepuedenencontrarseenlanaturalezaesenorme.Haymaterialessólidoscomolosminerales,gaseososcomoelairequerespiramos,líquidoscomolasangrequecorrepornuestrocuerpo.Losmaterialestienendiferentescolores,texturas,sabores,olores,loshaytóxicoseinocuos,benéficosparamantenerlasaludoperjudicialesparalamisma.

Elquecadamaterialpresenteciertascaracterísticasnoessolamenteproductodequecontengaciertoselementosquímicos.Porejemplo,elaluminioesunmetal,elsiliciounnometalgrisáceoyeloxígenoungas;mientrastanto,elvidrioquepuedeobtenersealhacer-losreaccionaralostresesunmaterialtransparenteydesordenado,aunquedeaparienciasólida.Másbien,laspropiedadesdelosmaterialesprovienendelamaneraenlaquelosátomosdeloselementosseenlazanparaformarnuevassustanciasycómoesosagregadosdeátomosinteractúanentresí.

Enestecapítuloaprenderáslarelaciónqueexisteentreelenlacequímicoylaspropiedadesdelamateria.Aquísedescribelaformaenquesehalogradounaclasificaciónprimariadelosenlacesentrelosátomos.Todaladiscusiónsecentraenlamaneracomointeractúanlosnúcleosatómicosconloselectronespresentes,esencialmenteconlosmásalejadosdelosnúcleos,quesonlosquejueganelpapelprincipalparalograrenlazarunátomoconotro.

Elconocimientodelenlacequímicohaservidoalahumanidadparaobtenerartificial-mente,atravésdelasíntesisquímica,nuevosmaterialesmásresistentesyútilesquelosna-turales,medicinasmásactivascontralasenfermedades,productosquehacenmásllevaderalacotidianidadenelhogaryunamultituddesatisfactoresparaelevarlacalidaddevida.

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3. empecemos con AlGo experimentAl

Enestasección,proponemosalgunosejerciciosparaqueempiecesapreguntartecuálessonlasrazonesmicroscópicasquedansustentoalaspropiedadesdematerialesconlosquetenemoscontactodiariamente.

3.1 Exploremos las propiedades (conductividad eléctrica, solubilidad y punto de fusión)

Construyeeldispositivode laFiguraNo.1,quenoesotracosamásqueundetectordeconductividadeléctrica.Paraprobarquefuncionaponencontactolasdosterminales:¡eldiododebeencenderse!

Diodoemisordeluz(led)

Tubodemangueranegro

+

-Carcazadeplumadeescribir

Ω = 1200Ohms

+-

CabledeCu

Pilade1.5V

Figura1.Conductividadeléctrica.Entretodosloselementosdelaparato,lapartemáscaraeslapila.

• Investigalaconductividadeléctricadelassiguientessustanciasutilizandoelaparatoqueacabasdeconstruir.(Tumaestraomaestropuedeproporcionarteotrassustanciasdeacuerdoasudisponibilidad)

wMagnesio(Mg) wNaftaleno(C10H8) wDióxidodesilicio(SiO2) wClorurodesodio(NaCl)

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wSacarosa(C12H22O11) wHierro(Fe) wAzufre(S) wBromurodeCalcio(CaBr2) wGrafito(C)

• Investigalasolubilidadenaguadeestasmismassustanciasytambiénlaconduccióneléc-tricadeladisolución(recuerdausaraguadestiladaparalapruebadeconductividad).

• Agrupalassustanciasdeacuerdoconlaspropiedadesquepresentaron. • Construyeunaexplicacióndelasrazonesporlascualeshaysustanciasqueconducenla

electricidadyotrasqueno.Intentaexplicartambiénporquéconducenlaelectricidadalgunasdelasdisolucionesacuosasdelassustancias.Explicaporquéalgunasdeestassustanciassonsolublesenaguayotrasno.

Acontinuaciónsepresentaunalistadelastemperaturasdefusióndelassustanciasbajoestudio:

Magnesio(Mg) 650oC Naftaleno(C10H8) 80oC Dióxidodesilicio(SiO2) 1700oC Clorurodesodio(NaCl) 801oC Sacarosa(C12H22O11) 170oC Hierro(Fe) 1540oC Azufre(S) 119oC BromurodeCalcio(CaBr2) 730oC Grafito(C) >3500oC

Respondealassiguientespreguntas:

1. ¿Aquésedebenlasfuerzasquemantienenunidasalaspartículasquecomponenlassustancias?

2. ¿Porquéexistensustancias,comoelNaCl,quenoconducencuandoestánsólidasysílohacencuandoestándisueltasenagua?

3. ¿Porquéhaydisolucionesdeciertassustanciasqueconducenlaelectricidadyotrasno?

4. ¿Aquésedebequealgunassustanciassedisuelvanenaguayotrasno? 5. ¿Será posible que una sustancia no conduzca la electricidad en estado sólido y sí

cuandoestáfundida?¿Porqué? 6. ¿Aquésedebequelassustanciastengantandistintospuntosdefusión?

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Investigaconelmismodispositivolaconductividadeléctricadelossiguientesmateriales:

w maderaw clavow aguadestilada(delaqueseusaparaañadiralasbateríasdelosautos) w sudorosaliva w gasolinaopetróleo(cuidadoconlaschispasoelfuegocercano) w aguaconbicarbonatodesodioosalcomúndisuelta w aceiteomantequilla w laminadeunlapicerow unobjetodemetal

Sepáralosendosgrupos,aquéllosquecondujeronlaelectricidadyaquéllosquenolohi-cieronytratadeexplicarlosresultadospensandoenlacomposicióndeestosmateriales.

4. pArA los proFesores. sobre lA explorAción de propiedAdes

Esconvenientequeelprofesorllevealasesiónexperimentalunaseriedeacetatosconlosquepuedaexplicarcuálessonlospuntosclaveparaexplicarlasrazonesdelosfenómenosquevanaobservarse.Convienequenolosutilice,amenosdequedetecteunagrancon-fusiónestudiantil.Nosreferimosainformacióncomolasiguiente:

Recuerdaqueloselectronesqueexistenenlassustanciaspuedenserlosresponsablesdelaconductividad,peroparaqueconduzcandebenestarlibres,comoocurreenlosmetalesoenelgrafito,esdecir,noatrapadosporatraccionesinteratómicas.Recuerdatambiénquelaconduc-tividadpuededebersealaexistenciadecargaseléctricas,comoiones,quedebenencontrarselibresparamoverse,yqueéstapuedeserunamaneradedetectarsupresenciaenlamateria.

Lemostramosalgunasdelasrespuestasalasseispreguntasplanteadasalfinaldelasecciónanterior,provenientesdelosestudiantesinvestigadosdurantelaaplicacióndeestaunidaddidáctica.Ellolealertarásobreposiblesrespuestasdesupropiogrupo:

1. ¿Aquésedebenlasfuerzasquemantienenunidasalaspartículasquecomponenlassustancias?

A la diferencia de carga que hay entre las sustancias (polaridad).A la diferencia de cargas de las sustancias.A la diferencia de cargas entre los átomos de los compuestos, ya que los átomos jalan electrones para nivelarse.

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Esto se da por la distribución de cargas parciales de las partículas.A las cargas diferenciales de las partículas.A que las cargas parcialmente positivas atraen a las cargas parcialmente negativas y viceversa.Se debe a sus cargas.Se debe a una desigualdad de cargas entre las partículas.Las fuerzas son eléctricas y se deben a las cargas que tienen al interactuar protones y electrones.Esto se debe a la fuerza de cohesión y se debe a las cargas parcialmente opuestas de los átomos.A la diferencia de cargas en los átomos, las cargas opuestas se atraen y se forman enlaces.A la diferencia de cargas entre los átomos de los compuestos, ya que a la misma diferencia de elec-trones entre átomos tienden a pedir o prestar electrones, pero entre moléculas se da por las cargas parciales de éstas entre sí.

2. ¿Porquéexistensustancias,comoelNaCl,quenoconducencuandoestánsólidasysílohacencuandoestándisueltasenagua?

Cuando las fuerzas entre las moléculas son fuertes, la electricidad puede pasar, como en el caso del magnesio y el grafito.Las partículas tienen una reacción con el agua que produce cierto cambio.A que al agregarles electricidad sus iones pueden transmitirla.Se debe a los iones ya que al agregar electricidad éstos están móviles.A que unas sustancias tienen electrones libres, los cuales conducen la electricidad.Un reacomodo de partículas con las partículas de agua. Partículas sueltas son necesarias para la conducción.Porque los que conducen son metales o metaloides.Algunas sustancias tienen electrones sueltos y otras no.

3. ¿Porquéhaydisolucionesdeciertassustanciasqueconducenlaelectricidadyotrasno?

Porque en la disolución las sustancias se separan en partículas cargadas.Se debe a que al disolverse las moléculas producen electrolitos o electrones con cargaAl disolverse las sustancias se disocian eléctricamente y tienen iones.Porque sus iones al disolverse se pueden mover, o sea, se disocian, por lo tanto hace pasar la elec-tricidad.Sus iones se disocian y traspasan la electricidad.Por el reacomodo de sus partículas. Por ejemplo, el NaCl necesita espacio para que pase la elec-tricidad.Se debe a que se disocian los iones, los iones - se van con los + y los + con los -Por el reacomodo de los átomos de las sustancias con el agua.Existen sustancias que al mezclarse con el agua se disuelven, ya que se disocian porque los iones se separan.

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Porque al disociarse los iones se separan y se van con su carga opuesta.Se produce una sustancia electrolítica, una sustancia capaz de mantener electrones que conduzcan la electricidad.

4. ¿Aquésedebequealgunassustanciassedisuelvanenaguayotrasno?

A que en algunas sustancias la energía necesaria para romper sus enlaces es mayor que la energía que se tiene, por lo que no se pueden disolver.A la polaridad de las sustancias.A que sean polares o no.Porque el agua es polar y disuelve a sustancias polares también.A que sea polar o no. Lo semejante disuelve a lo semejante.Se debe a que la sustancia que involucramos con el agua debe tener una carga parcialmente negativa y otra parcialmente positiva, para que se vaya con el O y con el HLas sustancias polares, como se disuelven en agua, conducen la electricidad.

5. ¿Será posible que una sustancia no conduzca la electricidad en estado sólido y sícuandoestáfundida?¿Porqué?

No, ya que su composición no cambia.Sí por algo de los enlaces químicos.Sí porque cuando está en estado sólido sus iones están muy juntos y al fundirse quedan libres y se pueden mover.Sí, por ejemplo el NaCl sólido tiene un arreglo cristalino cúbico que no conduce la electricidad. Al fundirla el arreglo de sus átomos cambia gracias a lo cual sí conduce.Sí porque en el sólido las moléculas están comprimidas y no pueden conducir. En el líquido se “relajan” y se pueden mover.Sí porque cuando está caliente tienen más espacio para moverse y pueden conducir.Depende si al fundir están menos comprimidasSí porque la sal tiene un estado cúbico que no deja pasar la electricidad.

6. ¿Aquésedebequelassustanciastengantandistintospuntosdefusión?

A las fuerzas de atracción entre sus moléculas, ya que mientras más unidas las moléculas más difí-cilmente pueden romperse estas fuerzas.Por la alta capacidad calorífica.Depende de los enlaces entre las moléculas.Al tipo de enlace, si son más fuertes necesitas más energía para romperlos y si son más débiles el punto de fusión es menor.Se debe a su capacidad calorífica. Unas tienen capacidad calorífica más alta que las otras.

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Por sus propiedades.Se debe a las fuerzas de cohesión que tiene cada sustancia. Si su punto de fusión es alto serán grandes sus fuerzas de cohesión y viceversa.

Esteconjuntodeideasconstituyenlasconcepcionesalternativasdenuestrogrupodees-tudiantes.Sulabor,profesor,debedirigirsehacialacomplementaciónoreestructuracióndelasmismasapartirdelasconcepcionescientíficasactuales,aprovechandolasección6deestedocumento.

Despuésosimultáneamenteaquelosestudiantesexpresenlibrementesusideasconrelaciónalasseispreguntas,convienequeestablezcaundebate,paraqueunosestudian-tesvayanconvenciendoalrestodesusideasyparaquetodossevayandandocuentaquesus concepciones no alcanzan para explicar concienzudamente las preguntas, es decir,quesuspropiasconcepcionessonlimitadasparaexplicarlarealidad.Enestemomento,esfundamentalquelosprofesoresnointervengandirectamenteconlasrespuestascorrectasalaspreguntas,sinomásbienquehaganlaspreguntasnecesariasparaquelosestudiantesnotenlasinconsistenciasoinsuficienciasdesusideas.Todoellodebehacerseenunclimaderespetointelectualporlosestudiantes.

Esteprocesodedebatedaoportunidadparaquesepresentenlascondiciones1y2delcambioconceptual,elquesegúnsusautores(Posner,Strike,HewsonyGertzog,1982)estácompuestodecuatroetapas:

1) Debe existir insatisfacción con las concepciones existentes.Esrazonablesuponerqueelalumnohabrárecogidotodounconjuntodeproblemassinsoluciónyperdidosuesperanzaenlacapacidaddesusconceptosvigentespararesolverestosproblemas.Unaexperienciapreviaalaconsideracióndeunnuevoconceptoes,entonces,quelaconcepciónexistenteseavistaconalgunainsatisfacciónporquienvaaaprender.

EnunsegundoartículoaparecidotresañosmástardeStrikeyPosner(1985)analizancuálessonlascondicionesqueproduceninsatisfacciónenlosestudiantesalconocerunaanomalíaenformadeunhallazgoexperimental,comolasqueocurrieronaraízdelosexperimentosplanteadosenestasección:

• Entiendenporquéelhallazgoexperimentalrepresentaunaanomalía; • Creenqueesnecesarioreconciliarelhallazgoconsusconcepcionesexistentes; • Estánconvencidosdelareduccióndeinconsistenciasconlaadopcióndelosnuevos

conceptosrespectoamantenerlascreenciasquetienen; • Losintentosdeasimilarelhallazgoasusconcepcionesexistentesparecennofun-

cionar.

2) Una nueva concepción debe ser mínimamente inteligible. Enelaprendizaje,lapersonadebesercapazdecaptarcómopuedeelnuevoconceptoestructurarlaexperiencia

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de forma suficiente como para explotar sus posibilidades inherentes. Para que unalumnopuedaconsiderar laadopcióndeunanuevaconcepcióndebeencontrarlacomprensible.Lainteligibilidadesunacondiciónnecesaria,másnosuficiente,paraelaprendizaje.

3) Una nueva concepción debe aparecer como verosímil o plausible inicialmente. Paraquelosestudiantesconsiderenlaconcepcióncientíficadebenalmenospoderlaaplicar,aun-queseadeformasuperficial.Lasideasnopuedenfuncionarcognitivamenteamenosdequeelalumnopuedarepresentarlasinternamente.Unavezquelosestudiantespuedenencontrarlautilidaddeunanuevaconcepción,puedenconsiderarsuplausibilidad.

4) Un nuevo concepto debe sugerir la posibilidad de un programa de investigación fructífero o provechoso. Unapersonaesconquistadaporunanuevaconcepciónsileayudaainterpretarexperiencias,resolverproblemasy,enciertoscasos,satisfacernecesidadesespiritualesoemocionales.Unanuevaconcepcióndebehacermásquelaconcepciónpreviasihadeconsiderárselafructífera,aunquedebehacerlosinsacri-ficarcualquieradelosbeneficiosdelaconcepciónpreviao,entodocaso,debedarlossuficientesincentivosporelsacrificiorequerido.

Lasideasdelosestudiantessediscutenentérminosdesupoderexplicativoysesolicitaráquetratendeaplicarlasideasendiscusiónennuevoscontextos,deestaforma,seintentaquelosestudiantesseancapacesdedeterminarnosólolainteligibilidaddeunaideadeterminada,sinotambiénsuplausibilidadydeserposible,suaplicabilidad(Posneret al,1982).

Acontinuaciónconvienequeustedvayaplanteandoalgunasideasenrelaciónconlosenlacesquímicos,deacuerdoconelmodelocientíficoactualmenteaceptado,paralocualelmaterialquesigue,enlassecciones5a7,seguramenteleseráútilparalograrlo.Esim-portantesinembargo,considerarcuálesfueronlasideasquelosestudiantesexpresaroneneldebate inicial,deformaqueéstas formenpartedeldiscursocotidianode laclase(DriveryScott,1996).

Convienequeempleeusted las técnicasdelaprendizajecooperativoensuclase.Ledamosalgunasorientacionesparalograrlo(tomadasdeBalocchiet al.,2005):

MelanieCooper(1995)nospresentaunadefinicióndeaprendizajecooperativo:“Esunatécnicainstruccionalporlacuallosestudiantestrabajanjuntosenpequeñosgruposfijossobreunatareaespecialmenteestructurada”.Nospresentaunenfoquehaciacursosconmuchosalumnosyalgunasdesusventajas,talescomo:

1. Losestudiantestomanresponsabilidaddesupropioaprendizajeysevuelvenactiva-mentecomprometidos.

2. Losestudiantesdesarrollanhabilidadesdepensamientodealtonivel. 3. Seincrementalaretenciónestudiantil. 4. Seincrementalasatisfacciónconlaexperienciadeaprendizajeypromueveactitudes

positivashaciaeltemadelaclase.

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BarbosayJófili(2004)nosindicanque“losmétodosdeaprendizajecooperativosonimportantestantoparafacilitarelprocesodeenseñanza-aprendizaje,comoparaprepararalagenteatrabajarenequiposcomprometidosconlosvaloressocialesylosprincipiosdelasolidaridad”.

JohnsonyJohnson(1999)comparanelaprendizajecompetitivo,cooperativoeindivi-dualista,intentandosacarpartidodeestostresenfoques.Losdefinenconjuntamente,aldecirqueelprofesorpuedeestructurarsusleccionesdetalformaquelosestudiantes:

1. Seenvuelvanenunaluchadeperder–ganarhastaverquiénesmejorencompletarlatarea(competitivo).

2. Trabajenindependientementehastacompletarlatarea(individualista). 3. Trabajenjuntosenpequeñosgrupos,asegurandoquetodoslosmiembroscompletan

latarea(cooperativo).

Nosdefinenprimerolacooperación,como“trabajarjuntosparaalcanzarmetascompartidas”yelaprendizajecooperativocomo“elusoinstruccionaldegrupospequeñosdetalmaneraquelosestudiantestrabajenjuntosparamejorarsupropioaprendizajeyeldelosotros”.

Hayqueprestarespecialatenciónalaetapainicialdetrabajoconelequipo,paraqueelprofesorsatisfagalassiguientesmetas:

1. Facilitarqueseconozcanlosalumnos,siesrecientesuintegraciónalgrupo. 2. Aclararelpropósitodeltrabajoengrupo,segúnseaéstepercibidoporelprofesor,

conlacomplementacióndeloquepiensenlosalumnosalrespecto. 3. Ayudaralosalumnosasentirsepartedelgrupo.Facilitarlamotivaciónenlosmiembros

ylacapacidaddelaborarenequipo. 4. Insistirenquedenadasirveeltrabajosinosedalaparticipacióndetodos. 5. Guiareldesarrollodelgrupo. 6. Balancearlastareasylosaspectossocioemotivosdelprocesodetrabajoenelgrupo. 7. Sentarfrecuentementelasmetasaalcanzarduranteeltrabajo. 8. Anticiparobstáculosparaalcanzarlasmetasdelgrupo,asícomolasindividuales.

JohnsonyJohnsonnospresentanlatabla 1comounresumendelosaspectosdecoope-raciónaconsiderarduranteeldesarrollodeltrabajoenlosequipos.

Herron(1996)habladel“AprendizajeCooperativo”,comounaformaefectivadepromoverelaprendizaje,queconsisteenconstruirsignificadossobrelabasedelainteracciónconelambiente,incluidasparticularmentelaspersonasqueseencuentranenél.Laestructuradelaprendizajecooperativodifierede ladelaprendizajetradicional.Losestudiantes inviertenmástiempoenlastareasdeaprendizaje,aquellosmenoscapacestienenmásoportunidaddeaprenderdelosmáscapaces,losestudianteshablanmásysedaunamayorrepeticióndelasideas.Enunambientedeaprendizajecooperativo,tambiénsedaunamuchamayorposibi-

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Meta Los miembros de la clase son asignados a pequeños grupos (a menudo heterogéneos) e instruidos hacia a) aprender el material asignado y b) asegurar que todos los otros miembros del grupo hagan lo mismo.

Niveles de cooperación La cooperación puede ser extendida a la clase (asegurando que todos en la clase hayan aprendido el material asignado) y los diferentes niveles de la escuela (asegurando que todos los estudiantes de la escuela progresan académicamente).

Patrón de interacción Los estudiantes promueven el éxito de cada uno de los otros. Los estudiantes discuten los materiales con los otros miembros del equipo, explican cómo completar la tarea, escuchan las explicaciones de los otros, se motivan unos a otros a trabajar duro y se dan ayuda académica y asistencia. El patrón de interacción existe al interior de los grupos, pero también entre ellos.

Evaluación de resultados

Se emplea un sistema de criterios de referencia para evaluar el desempeño. El foco está usualmente en el aprendizaje y el progreso académico de los estudiantes individuales, pero también incluye al equipo como un todo, la clase y la escuela.

tAblA 1. Aspectos de lA cooperAción.

lidadderecompensahacialosalumnos,delreconocimientodesuspares,debidoalamayoroportunidadqueexistedecompartirideasqueparecenestimularelaprendizajedelgrupo.

Paraconstruirmodelosefectivosdeaprendizaje,necesitamosentenderquelaexposiciónunidireccionaldelprofesordebetenerlímites,requerimosestarenteradosdelasdiferenciasenelentendimientodelalumnadoacercadelmaterialexpuestoyconocercómointerac-tuarconlosestudiantesparaquesuconstrucciónseaconsistenteconlosconocimientoscientíficos.Elacercamientoalainstruccióncooperativageneralmenteimplicaquelospro-fesoresdebenescucharmásyhablarmenos,debenproveermásoportunidadesparaquelosalumnosnegocienelsignificadodelaprendizajeentreellosmismos.

Enelaprendizajecooperativosedaprincipalmentelaestrategiamediantelacualalgunosestudiantesenseñanaotrosmiembrosdelgrupo.Cuandounosestudiantesexplicanalgoaotros,éstostratandeentenderloqueestánexplicándolesytratandecolocarjuntaspiezasdeinformación,piensandiferentequecuandoestudiansolos.Usanestrategiaselaborativasymetacognitivasmásfrecuentementeyutilizanunnivelmásaltoderazonamiento.

Lacontroversiaesunadelasarmasmáspreciadasenelaprendizajecooperativo.Lacontroversiageneralmenteincrementaeldesarrollocognitivo,peromuchodelbeneficiodependedecómosemaneja.ElresumendelainvestigacióndeJohnson(1981)apuntaquelacontroversiaesmásefectivaylainformaciónescomunicadaconmayorprecisiónydeformamáscompletaenunambientecooperativofrenteaunocompetitivo.Lacontroversiaesmásbeneficiosasieldesacuerdosevaloraylosparticipantessesientenlibresparaexpre-sarsussentimientos,lomismoquesusideas.Igualmente,silosestudiantessehabitúanaidentificarsimilitudesydiferenciasentrelasposiciones,sonmáscapacesderesumir,tienenmásinformaciónrelevanteyaprendenaestardeacuerdoconlosdesacuerdos,enlugarde“acabarconelotro”,entonceselaprendizajecooperativotendrámáséxito.Conformeelsentidocomúnlosugiere,mientrasmásheterogéneoseaelgrupo,conmayorseguridadocurriránlascontroversias.

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5. pArA los proFesores. sobre el Análisis cientíFico y didáctico del temA

Enestasecciónproponemosunamaneradedesarrollarestetemaqueconsideraloscon-tenidoscentralesdelmismoyqueaparecenenlamayoríadelosprogramasdeestudiodebachilleratoyprimerosnivelesdelicenciatura,yalmismotiempotomaencuentalosprincipales resultadosde la investigación educativa aeste respecto (Peterson,TreagustyGarnett,1989;Taber,1994,1997;DePosada,1997;Nahum,Krajcik,MamlockyHofstein,2006,TaberyColl,2002),aligualquelosdeestamismainvestigación,queaparecenenelcapítulo2deestelibro.

Algunasdeestasrecomendacionesson:

• Hacerénfasisenlanaturalezaelectrostáticadelenlacequímico. • Evitarladicotomíaenlaceiónico–enlacecovalente 2. • Enelcasodelenlaceiónicodebehacersemásénfasisenlaestructuradelaredcristalina

queenlaformacióndelosiones(transferenciadeelectrones). • Considerarelenlacecovalentepolar,metálicoylasfuerzasintermolecularescomocon-

secuenciadelmismofenómenodelenlacequímico,peroquetienenparticularidades. • Evitarquelosalumnosdesarrollenlanocióndequetodaslassustanciasestáncompuestas

pormoléculas. • Desarrollarlaideadequelosenlacesquímicosocurrenenuncontinuo“covalente–ió-

nico–metálico”,másqueconsiderarestosmodeloscomolasúnicasposibilidades. • Enelcasodelenlaceiónico,nohacerénfasisenlatransferenciadeelectronesqueper-

miteformariones,sinomásbienenlasinteraccioneselectrostáticasentreionesquedanorigenalenlace.

• Evitarhacerénfasisenlaregladeloctetocomoprincipioexplicativo. • Evitarutilizaralosátomosdesdeeliniciodelareacción,dadoqueestocasinuncaocurre,

sinoquemásbienlosiones,moléculas,etc.(queyatienenconfiguracioneselectrónicasestables),sonlosreactivos.

• Tenerespecialcuidadoennomanejarindiscriminadamenteunlenguajeantropomórfico(losátomoscomparten,necesitan,estánmáscontentos,etc.)demaneraquequedeclaroqueelenlacenoesunfenómenosocialohumano.

• Explicarlaspropiedadesdelassustanciasutilizandoelmodeloquemejorseajusteyproveeroportunidadesparaquelosestudiantesencuentrenquehaymuchassustan-ciasconpropiedadesintermediasquenopuedenexplicarseconunúnicomodelodeenlace.

Estasrecomendacionesnacende las investigacionesrelacionadascon lasconcepcionesalternativasdelosestudiantessobreeltema.Colocamosacontinuaciónlasquerecogimos

2 VéanselosresultadosdelaaplicacióndelcuestionariodediagnósticoenelCapítulo2yeltetraedrodelassustancias

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enelartículodeGarcíaFrancoyGarritz(2006).TambiénpuedenverselasacumuladasporÖzmen(2004)yKind(2004):

El enlace químico: ¿uno o varios modelos?

Lasconcepcionesalternativasdelosestudiantessobreenlacequímico,engeneral,nopuedeconsiderarsequeseformanfueradelsalóndeclases,dadoqueelniveldeabstraccióndeesteconceptoeselevadoyquelasexperienciasdelosestudiantesconelenlacequímicosonmuyindirectas,demodoquepodemosatribuirlasconcepcionesalternativasdelosestudiantessobreelenlacequímicoalaformaenlaqueeltemaesabordadoenelsalónyalosmaterialesqueseutilicenparaexplicarcadaunodelosdiversosmodelosdeenlacequímico.

El enlace covalente

PetersonyTreagust(1989)desarrollaronuninstrumentodeopciónmúltipleparaconocerlasconcepcionesdelosestudiantesdebachilleratorespectoaltemadelenlacecovalente.Estosautoresresumenlasconcepcionesalternativasestudiantilesenseisconjuntos(Peter-son,TreagustyGarnett,1989):Polaridaddelenlace, 1.Hayunadistribuciónuniformedelpardeelectronesentodoslosenlacescovalentes 2.Lacargaiónicadeterminalapolaridaddelenlace 3.Lapolaridaddeunenlacedependedelnúmerodeelectronesdevalenciadecadauno

delosátomos

Formamolecular, 4.Laformadeunamoléculadependedelasrepulsionesequivalentesentrelosenlaces 5.LaformaenVdemoléculascomoelSCl2sedebealarepulsiónentreparesdeelec-

tronesnoenlazantes

Fuerzasintermoleculares, 6.Lasfuerzasintermolecularessonlasfuerzasalinteriordeunamolécula 7.Fuerzasintermolecularesgrandesexistenenunsólidocovalentecontinuo 8.Losenlacescovalentesserompencuandounasustanciacambiadeforma

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Polaridaddelasmoléculas, 9. Lasmoléculasnopolaresseformancuandolosátomosqueparticipantienenelec-

tronegatividadessimilares 10.LasmoléculasdeltipoOF2sonpolaresporqueloselectronesnoenlazantesdeloxígeno

formanunacargaparcialnegativa

Regladelocteto, 11.Losátomosdenitrógenopuedencompartir5paresdeelectronesparaformarenlaces

yEstructurascovalentescontinuas, 12.Laelevadaviscosidaddealgunossólidosmolecularessedebeaenlacesfuertesen

unaredcovalentecontinua

EstemismocuestionariofueaplicadoañosmástardeporBirkyKurtz(1999),quienesencontraronque,enelcasodeestudiantesdebachillerato,elresultadoestámuycercadelnivelestadísticoparaadivinarlasrespuestas. Taber (1997b)encontróque losestudiantes explicanelenlacecovalentedeacuerdoalmarcodelocteto,esdecir,tiendenapensarque,enelenlacecovalente,losátomoscompartenelectronesparaobtenercapasexternascompletas.Elrazonamientocientíficodeesteprincipiopodríapresentarseentérminosdeminimizarlaenergíalibre,explicadoatravésdeunmeca-nismoquesurgedelasinteraccioneselectrostáticasentrelasespeciesquereaccionan(Barker,2000;Taber,2000b).Sinembargo,losestudiantesparecenentenderlasreaccionesquímicasentérminosdela«necesidad»delosátomosdetenercapascompletasuoctetos. Taber(2000a)demostróquelosestudiantesutilizandiversosmarcosdetrabajoparaex-plicarelenlace:losátomosseunenparatenercapasexternascompletas,paratenerunnivelmásbajodeenergía,odebidoalasatraccionesentrepartículascargadas.Elautorsostienequelosestudiantespuedentenermarcosdetrabajodiferentesquesoncongruentesycoherentes,yquesonutilizadosporelestudianteparaexplicardiferentesfenómenos. CollyTreagust (2001)encuentranasimismoqueelmarcodeelectronescompartidosylaestabilidaddeoctetoseseldereferenciaparaestudiantesdelaenseñanzasecundariaydelicenciatura.Noobstante,enelcasodeestudiantesdeposgrado,encuentranunextrañocom-plementodeestosconceptosconotrospropiosdelateoríadeorbitalesmoleculares.

El enlace iónicoTaber (1994, 1997a, 1997b), ha realizado estudios para entender las concepciones de los es-tudiantes acerca del enlace iónico, encontrando que explican este enlace de acuerdo a tresconjeturasdistintas:

• La conjetura de la valencia: la configuración electrónica determina el número de enlacesiónicosqueseforman.Porejemplo,enelcasodelclorurodesodio,laconjeturadelavalencia

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limitaalsodioyalcloroaformarunsoloenlaceiónicopuestoquedichosionestienenunacargademagnitud1.

• La conjetura histórica: losenlacesseformansóloentrelosátomosqueaceptanydonanloselectrones.Deestamanera,sepagaunprecioporlahistoriaenlaqueestuvoinvolucradoelelectróntransferido:sóloquedanunidoslosionesinvolucradosenlatransferenciaelectrónica;noexisteenlaceiónicodeéstosconlosotrosionesdelamalla.

• La conjetura de solamente fuerzas: losionesinteractúanconlosdemásionesasualrededorperonoseencuentranunidosporunenlaceiónicosinosolamente«porfuerzas».Así,sefor-mandostiposdeenlaces,unodeellosiónico,entrelosionesinvolucradosenlatransferenciaelectrónica,yelotrounafuerza,demagnitudmenor,entrelosionesdediferentescargasnoinvolucradosenlatransferencia.

ParaTaber,elusodeestastresconjeturasdemuestraqueexisteunmarcodetrabajo«molecular»parainterpretarelenlaceiónico.Elusodeestemarcopuedeoriginarseenlaformaenlaqueseenseñaelenlaceiónico:haciendoénfasisenelprocesodeformacióndeionesyomitiendooignorandolaestructuracristalinadeestoscompuestosylasmúltiplesinteraccionesmultidirec-cionalesexistentesentretodoslosionespresentes. Taber(1997b)yOversby(1996)concluyenquemuchosestudiantesdequímicahacenunénfasis exagerado en el proceso de transferencia electrónica, usan, explícita o tácitamente,unanocióndeparesiónicoscomomoléculas(Nelson,1996)yprestanatenciónalairrelevante«historiadelelectrón»cedidoyatrapado.

El enlace metálicoDePosada(1993)hasolicitadoalosestudiantesquedibujenlaestructurainternadeunclavodehierro.Algunosestudiantesdibujanpequeñasláminasotrozosdelmetal;elrestohaceusodetérminoscomoátomos,restospositivosynubeelectrónica,partículasymoléculas.Otros,sinembargo,representanlosionespositivossinlanubeelectrónica,otrosmáspresentanlanubeelectrónicaconátomosneutros.Comovemos,hayunagrandiversidaddeconcepciones. Enotroestudio(DePosada,1999),hasolicitadoalosestudiantesdibujardiezpartículasdecalcio (Ca), una pregunta que también se incluyó en el cuestionario aplicado en la FacultaddeQuímicaycuyosresultadosseinformanenelcapítulo2deestelibro.Ningunodeloses-tudiantesdenivelsecundariadibujóunared,mientrasquelamayoríadelosestudiantesdebachilleratodibujóunaredcompuestaporátomosysólounapequeñaproporcióndibujaunaredmetálica.Enunestudiocomparativo(DePosada,1997),seencuentraque,apesardequeaproximadamenteel30%delosestudiantesmayoresdibujanlaestructuradelmetaldeacuerdoconelmodelodelmardeelectronesenelcasodelhierro,solamenteunnúmeromuypequeñodeestudianteshacelomismoeneldelcalcio.

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Comosehaexpresadoenelcapítulo2deeste libro, losestudiantesde laFacultaddeQuímicamuestrantambiénunbuennúmerodeconcepcionesalternativasconrelaciónaltemadelenlacemetálico.Tambiénrepresentanalaluminiocomounaláminaocomounconjuntodeátomos(nonecesariamentecationes)consuselectronesdispersos.Unaverdaderaminoríadelosalumnoseligióunaredmetálicacomoopciónparadibujar10partículasdecalcio. Comoconclusiónaesteestudio,seencuentraqueelenlacemetáliconoestásuficientemen-teasimiladoporlosalumnos.UnaposiblerazóneselpocoénfasisquesobreeltemaencuentranSolbesyVilches(1991)enloscuarentayocholibrosdetextoqueanalizanensuestudio.Estosautoresplanteanquesonpocoslostextosqueadoptanunavisiónunitariadelenlaceyqueaellosedebenmuchasdelaslimitacionesdidácticasydelosobstáculosepistemológicosconqueseencuentranlosalumnos.

6. clAsiFicAción de los enlAces

A. Ideas preliminares

Únicamentelosgasesnoblesseencuentranenlanaturalezacomoátomosaislados.Elrestodeloselementos,osea,lainmensamayoría,seencuentranenlazados.

Eloxígenoquerespiramosesunamoléculacompuestapordosátomos;enunpedazodehierrohaytrillonesdeátomosdehierrounidosentresí;encadamoléculadeaguaexis-tentresátomos,unodeoxígenoydosdehidrógeno;lasaldemesaesunaglomeradodeunamultituddeionesdesodioconionescloruro,perfectamenteordenados;elADNdelosnúcleosdenuestrascélulastieneunenormenúmerodeátomosdecarbono,hidrógeno,oxígeno,nitrógenoyazufre,principalmente,enlazadosdeunamaneravistosa,comoenunadoblehélice.¿Porquéseenlazandeesamaneralosátomos?

Losátomosseagrupanparaformaragregadosquepresentanpropiedadesmuydistintasalasquetienencuandosemanifiestanenformadeelementos.Asíporejemplo,apartirdecarbono–sólidonegro–ydeoxígenoehidrógeno–gasesincoloroseinodoros–,sepuedenobtenertantolablancaydulceazúcarcomoelvolátileintoxicanteetanol.Asimismo,delsodio–metalgris,blandoyextraordinariamentereactivo–yelcloro–gasverdeytóxico–ob-tenemoslasaldemesablancaysólida,fundamentalparanuestradieta.

Loanterioresdeextraordinaria importancia.Losátomostienenotrascaracterísticascuandoestánenlazados.Acontinuaciónrevisaremoslasdiversasmanerasenquedichauniónpuedellevarseacaboylaspropiedadesdelassustanciasquesederivandirectamentedelenlacequímico.

Paramuchosinvestigadores,elconceptodeenlace químico esconsideradocrucialden-trodelaquímica,yaquedesucorrectacomprensióndependequeelestudiantepuedadesarrollarconéxitootrasáreasdeestacienciaeinclusodelabiología.DiceLinusPauling(1992)explícitamenteque«elconceptodeenlacequímicoeselconceptomásvaliosoen

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química.Sudesarrolloen lospasados150añoshasidounode losgrandestriunfosdelintelectohumano».RonaldGillespie(1997)calificaalenlacequímicocomounadelasseisgrandesideasdelaquímica.

Sinembargo,muchosmiembrosdelacomunidadquímicasondelaideadeKutzelnigg(1984),quienindicaque«elenlacequímicoesunfenómenoaltamentecomplejoqueeludetodoslosintentosdeunadescripciónsencilla».Unaprimeraconclusiónesqueeltemadelenlacequímicoresultaserimportante,aunquecomplejo.

B. ¿Por qué se unen los átomos? introducción a los modelos del enlace

Las fuerzas que mantienen unidos a los átomos en los compuestos son de naturalezaeléctrica.Sabemosquelosátomossoneléctricamenteneutros,esdecir,tienenlamismacantidaddecargasnegativas–electrones–ypositivas–protones–.¿Cómoesentonceslainteraccióneléctricaqueconducealaformacióndeunenlace?

Esevidentequesólopodrálograrseunenlacecuandolasinteraccionesatractivasseanmáspoderosasquelasrepulsivas.Tomemoselcasodelauniónmássimple,eldedospro-tonesyunelectrón,esdecir,elionmolecularH2

+.EnlaFigura2semuestranlasfuerzasderepulsiónentrelosdosnúcleos(incisoa)ylasdeatracciónentreelelectrónylosprotones,queenciertasposicionesdelelectrónsíayudanavencerlarepulsiónnuclear(incisob)yenotrasno(incisoc).

A B BA

e-

B

e-

A

fAB fAB

(a) (b)

(c)

fAefAe

f Bef Ae

f Ae

fAe

f Be

fBe

Figura2.LasfuerzasenelionmolecularH2+.a)Lasiemprepresenterepulsiónnucleartiendealanoformación

delenlace.b)Éstaesunaposicióndelelectrónquecontribuyealaunióndelosdosnúcleos,dadalacomponenteenlazantedelafuerzaelectrón-núcleoenladirecciónquevencelarepulsiónnuclear.c)Porelcontrario,éstaesunaposicióndelelectrónquenofavoreceelenlacedelosdosnúcleos,esunaposición“antienlazante”.

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Enlazante

Antienlazante

Antienlazante

EnlaFigura3semuestralaposicióndeloselectronesquefavorecequesedéelenlacequímico.Cuandoloselectronesocupanlaposiciónintermediaentrelosnúcleoslasfuerzasdeatracciónentreloselectronesylosnúcleosayudanavencerlarepulsiónnuclear.

Figura 3. Regiones de enlace y antienlace en una molécula diatómica homonuclear. La zona obscura esaquellaenlaquelapresenciadelelectróntiendeareducireinclusoasuperarlarepulsiónentrelosnúcleos.La zona “antienlazante” es aquella en la que las componentes de las fuerzas de atracción entre los dosnúcleosyelelectrónnoestánenladirecciónapropiadaparacontribuiralacancelacióndelafuerzarepulsivainternuclear.

VayamosmásalládelionmolecularH2+.PiensaqueelátomoA,conZAprotonesenelnú-

cleoyZAelectrones,seaproximaalátomoB,conZBprotonesenelnúcleoyZBelectrones.Cuandoambosátomosestáncercanosaparecennuevasinteraccioneseléctricas:

• Atractivas;elnúcleodeApuedeatraerhaciasí loselectronesdeB, lomismoqueelnúcleodeBtambiénpuedeserafínporloselectronesdeA.

• Repulsivas;losnúcleosAyBcontienencargasdelmismosignoqueserepelen,yloselectronesseandeAodeBtambiénserepelenentresí.

Existenbásicamentetresformasenlasquesepuedelograrunasituacióndeenlace,lasqueconstituyenlostresmodelosdeenlace:elcovalente,eliónicoyelmetálico:

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1.UnodeloselectronesexternosdelátomoAyotrodeloselectronesexternosdelátomoBsecolocanenlazonaentrelosdosnúcleos,conlocualseránatraídosporambosyseevitarálarepulsióndirectadeunnúcleoconelotro.Esaparejadeelectronesevitalarepulsiónnuclearporquetieneelefectodesercomounapantalladelarepulsión,poresosedicequelaparejadeelectrones“apantalla”larepulsióndelosnúcleos.Escomosicolocáramosunapantallaentrelosdosnúcleosparaquelarepulsiónentreellosaminore,graciasalapresenciadenuevasfuerzasatractivasentreelectronesynúcleos.

A:B

2.Unasegundaformaenlaquelasrepulsionessonmenoresquelasatraccioneseslaquesucedeenlosmetales.Unmetalesunconjuntodeionespositivos,digamosB+,queseencuentranvibrandoenunamallacristalina,aloscualesacompañaunelectrónlibreporcadaunodelosiones.Loselectronesseencuentranmoviéndoselibrementeentrelosdiversosiones,conloquelogranapantallarlarepulsióndelosmismos(velaFigura4).

Figura4Enunmetal,elenlacemetálicoesunenlacecovalentequesedesarrollaalolargodeunamuestramacroscópicadelmaterial,esdecir,atravésdeunamultituddeátomos(enlafigurasólohemoscolocado12 ionespositivos,pero túpodrás imaginar loqueocurrecontrillonesdeellos).Entre los ionespositivos(pintadoscomo+enlafigura)seencuentranloselectrones(pintadoscomopuntos),quesirvendepantalladelarepulsiónentrelosionespositivosylosenlazan.

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3.Unaterceraformaenlaquepuedendarsemáselementosatractivosquerepulsivosescuandounodelosdosátomos,digamosqueelA,esmuchomásafínporloselectronesqueelotro,elB.Enesecaso,elelectrónquepertenecíaaBesfuertementeatraídoporAysemuevehaciaél,colocándoselaparejadeelectronesmuchomáscercadeA,conloqueAseconvierteenunionnegativo,A-yBenunionpositivo,B+.

A : B A- B+

a) b)

MuchosdeestosionesA-yB+seagrupandetalformaquecadaionnegativoquedarodeadodeionespositivoscomoprimerosvecinosyviceversa,cadaionpositivoquedarodeadodeionesnegativoscercanos,comoseejemplificaenlaIlustración5,endosdimensiones.

Figura 5. Forma en la que se podrían agrupar en un plano un conjunto de iones negativos y positivosparamaximizarlasatraccionesyreduciralmínimolasrepulsiones.LasatraccionessonmáximasporquealrededordecadaionA-existencuatroionesB+comoprimerosvecinosyalrededordecadaionB+existencuatroionesA-.

A- B+ A- B A-

B+ A- B+ A- B+

A- B+ A- B+ A-

B+ A- B+ A- B+

A- B+ A- B+ A-

C. Electronegatividad

Lassituacionesanteriorespodránocurrirdependiendodesiunode losátomosqueseenlazanesmásafínporloselectronesqueelotro.Unamaneradereconocercuáldelasdosopcionesseaplicaenuncasoespecíficohaceusodelconceptodeelectronegatividad,ideadoporelquímicoestadounidenseLinusPaulingen1932.

Laelectronegatividadesunamedidadelacapacidaddeunátomoparaatraerhaciasíloselectronesdeunenlace.

EnlaescaladePauling(verlatabla2),seasignaunvalormáximodelaelectronegatividadde4.0,quecorrespondealátomodeflúor,queeselmásafínporloselectrones.Porotra

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parte,laelectronegatividadmínimaesde0.7ycorrespondealcesio,queeselmenosafínporloselectronesdeunenlace.Losgasesnobles,comoprácticamentenoparticipanenenlacesquímicos,notienenvaloresdefinidosparaestapropiedad.

Delatablasepuedeobservar:

• Losvaloresdeelectronegatividadcrecendeizquierdaaderecha(porejemplo,enelúl-timoperiodoquesemuestra:Cs0.7,At2.2)ydeabajohaciaarriba(enlaúltimafamilia,la17:At2.2,F4.0).

• Losnometalestienenvaloresdeelectronegatividadmayoresquelosmetales.

Laenergíadeionizaciónatómica3esotrapropiedadperiódicaimportante.Esfácilionizara loselementosmetálicosdelgrupo1y laenergíade ionizacióncrecealacercarnosalextremoderechodelatablaperiódica,dondeseencuentranloshalógenos(grupo17)ylosgasesnobles(grupo18).Enlatabla2puedesverqueesomismoocurreconlaelectro-negatividad:losátomosmenoselectroafinesseencuentranalaizquierdadelatablaylosmáselectronegativosaladerecha.Elloocurreporquelosátomosmásfácilmenteioniza-blestienenunamayortendenciaaperdersuselectronesalenlazarseconotrosátomos,yvolverseconelloionespositivos.

Otrapropiedadperiódica,elradioatómico,tambiéntienequeverconlaelectronega-tividad.Losátomosdelaparteizquierdaeinferiordelatablaperiódicasongrandes,yeltamañoatómicodecrececonformeavanzamoshaciaarribayladerecha.Paraunátomopequeñoserámásfácilquesunúcleopuedaatraeraloselectronesdeotroátomo,sobretodosiloselectronesdeésteúltimoestánalejadosdesupropionúcleo.

H2.1

Li Be B C N O F1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Na Mg Al Si P S Cl0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.5 3.0

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br0.8 1.0 1.3 1.5 1.6 1.6 1.5 1.8 1.8 1.8 1.9 1.6 1.6 1.8 2.0 2.4 2.8

Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 1.9 2.2 2.2 2.2 1.9 1.7 1.7 1.8 1.9 2.1 2.5

Cs Ba La-Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At0.7 0.9 1.1-1.2 1.3 1.5 1.7 1.9 2.2 2.2 2.2 2.4 1.9 1.8 1.8 1.9 2.0 2.2

tAblA 2. electroneGAtividAdes de pAUlinG

enelCapítulo3deestelibro.

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Enresumen,unátomoesmáselectronegativomientrasmásdifícilseaionizarloymientrasmáspequeñosea,puesasípodráatraermásfácilmentealoselectronesdeotrosátomosenunenlace.

Otrofactormuyimportanteeslaconfiguraciónelectrónicadelosátomosquevanaunirse.Recordarásquelaestabilidaddelosgasesnoblessedebeaquepresentanochoelectro-nesenelnivelmásexterno(exceptoenelhelio,dondeexistendos,porsereseelmáximoposibleenelniveln =1).Porlogeneral,cuandoocurrenenlacesquímicos,losátomosmássimplestiendenaadquirirunaconfiguraciónelectrónicaestable,conochoelectronesdevalencia,ocon2electronesdevalenciaenelniveln=1.

D. Modelos de enlace

Ante la diversidad tan grande de sustancias con la que nos encontramos, es necesarioconstruirmodelosquepermitanexplicarestaspropiedadesypredecircuálesseránlasdeuncompuestoconunacomposicióndeterminada.Paraexplicarypredecircómoseenlazanlosátomos,asícomolaspropiedadesquepresentanlosmateriales,seutilizanlosmodelos de enlace,quepermitenrepresentarlassituacionesenlasquealunirse,dosátomosmaxi-mizansusinteraccionesatractivasyminimizansusinteraccionesrepulsivas.Recuerdaquelosmodelosqueseusanencienciaspermitenrepresentarlarealidadysonadecuadosentantopermitanexplicaropredecirunfenómeno.Losmodelosqueseutilizanparaexplicarlosdiferentesmodelosdeenlaceentrelosátomosson:

a) Modelodeenlaceiónico b) Modelodeenlacecovalente c)Modelodeenlacemetálico

En losiguiente, seexplicacondetallecadaunodeesosmodelosyseutilizanparadarcuentade las propiedadesmacroscópicas (conductividad, solubilidad,punto de fusión,etc.)dediferentessustancias.Esimportante,sinembargo,querecuerdesqueelfenómenodelenlacesedebealainteracciónelectrostáticaentrelaspartículasqueconformanalosátomos(protonesyelectrones)yquelosdiferentesmodelosexplicancasoslímitedeestasituación4.

3 Eslaenergíaqueserequiereparasepararunelectróndeunátomoaislado,enestadobasal.

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E. Modelo de enlace iónico

Esteenlacesepresentacuandoseuneunmetaldelladoizquierdodelatablaperiódica,conbajaelectronegatividad,conunno-metaldelladoderecho,yconelectronegatividadalta.

Elsodioesunmetalquetieneunaelectronegatividadmuyalta,porelloalreaccionarconelcloro,seformanionesNa+yCl–queseatraendeacuerdoconlaleydeCoulomb.Elorigendeestemodelodeenlaceespuramenteelectrostático.

ElarreglotridimensionalmásestabledelosionespositivosynegativoseseldelaFigura6.

Cloruro de sodio NaCl

Na+

Cl-

Figura6.MallacristalinadelNaCl.LaFigura5muestralamejorestructuraposibleendosdimensiones.Sinembargo,entresdimensionestienelugarelarreglorealqueocurreenlanaturalezayquesemuestraaquí.Ello implica que cada catión Na+ está rodeado de 6 aniones Cl-, mientras que cada anión Cl- lo está de 6cationesNa+.

E.1 Propiedades de las sustancias que son adecuadamente modeladas por el enlace iónico.

Forma cristalina

Lamejorformaenquepuedenacomodarselosionesdependedesucarga,ydesutamaño(puesvaríaladistanciaentreellos).Porello,sepresentandiversasestructurascristalinas,queconducenaquelasformasdeloscristalesseantambiéndiferentes.

UnpardeejemplossedanenlaFigura7yenlaFigura8.Hayunagrancantidaddecompuestosformadosporiones.Evidentemente,elloocurreen

aquéllosformadosporelementosmuyelectronegativos,comoloshalógenosoeloxígeno,ylosmetales.Asimismo,cuandosetienenanionescompuestoscomoelcarbonato,CO3

2-,nitrato,NO3

-,osulfato,SO42-,éstospresentanunenlaceiónico,conloscationesmetálicos.

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Figura7.Clorurodecesio.Cuandomolesdeátomosreaccionan,elresultadoesunaestructuracúbica,comolaqueseobservaenestoscristales(a).Porotraparte,(b)muestralaestructuramicroscópica,conunioncesio(I)enelcentrodeuncubo,rodeadodeochoionescloruroenlosvértices.(TomadadeWilbrahamycoautores,Chemistry,Addison-WesleyPub.Co.,California,1993.Pág.307.)

(a)

Cs+

Cl-

(b)

F-

Ca2+

(a)

(b)CaF2 TiO2

O2-

Ti4+

Figura8.Otroscristalesiónicosysusestructuras(a)Estructuradelfluorurodecalcio,CaF2,yfotodeuncristal.(TomadadeHetch,E.,Física en perspectiva,AddisonWesleyIberoamericana,1986.)(b)Estructuradelóxidodetitanio,TiO2,ysuscristalestetragonales(TomadadeWilbrahamycoautores,Chemistry, Addison-WesleyPub.Co.,California,1993.Pág.308).

Conductividad eléctrica en estado sólido, líquido y en disolución acuosa

Eslapresenciadeionesfijosenlospuntosdelaestructuracristalinadeloscompuestosiónicoslaqueexplicalanoconductividadeléctrica5deestassustanciasenestadosólido.

4 ConvienequeelprofesorrevisetambiénelCapítulo3deestaobra. 5 NotadeSilviaBello.Esteseríaelcasosisepudieranobtenercristalesconestructurasperfectas;comoesonoesasí,lossólidosiónicosconducenlacorrienteeléctricamuypobremente,debidoadefectosenlaestructuracristalina,quepermitendesplazamientosmuylimitadosdelosionesenlared.Sinembargo,paramediresapobreconductividad,se

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Sinembargo,encuantoelsólidoiónicofunde,alelevarlatemperatura,losionessevuel-venmóvilesylasustanciafundidasíconducelaelectricidad.Unaexplicaciónsimilarsirveparaentenderporquélasdisolucionesacuosasdeloscompuestosiónicossíconducenlaelectricidad.Lohacenporqueendisoluciónexistenionesmóviles,rodeadosdemoléculasdeagua:

NaCl(s)+H2O(l)Na+(ac)+Cl-(ac)

Solubilidad

Engeneral,lassustanciasquepresentanestemodelodeenlacesonsustanciassolublesenagua,debidoaqueelaguaestácompuestapormoléculasquetienenunadistribuciónnouniformedecargaeléctrica,quegenerapolospositivosynegativos.Así,lospolospositivosdelamoléculadeaguaatraenalosionesconcarganegativa(aniones),mientrasqueloscationes(ionesconcargapositiva)sonatraídosporelpolonegativodelamolécula.Cuandolassustanciasconenlaceiónicosedisuelvenenaguasedisocian,esdecirseseparaneniones.Estonoquieredecirquetodaslassustanciasconenlaceiónicosedisuelvanenaguacomoelcasodelcarbonatodecalcio,CaCO3ymuchosmás.

Figura9.Uncristaldeclorurodesodio,aldisolverseenagua,seseparaensusionessodioycloruro,loscualessonsolvatadosporlasmoléculasdeagua.

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Puntos de fusión

Comocadaionestáenlazadoamásdeuniondesignocontrario,sedicequeelenlaceió-nicoesmultidireccional,yserequieremuchaenergíaparasepararlosiones,deallíquelospuntosdefusiónydeebullicióndeloscompuestosiónicosseanaltos.Recuerdaqueparafundirserequiereromperlaestructuraordenadayalbullirseformangasescuyaspartículasestánmuyseparadaseinteractúandébilmente.

Dureza y fragilidad

Lapropiaestructuraordenadadelossólidosiónicosexplica,enprincipio,sudureza,yaquenohaylugarhaciadondesedesplacenlosionesbajopresión.Además,sonquebradizos,yaquesiundeslizamientocolocaionesdelmismosignoenfrenteunosdeotros,éstosserepelen(observalaFigura10).

Cristal iónico El cristal se rompe

Repulsión fuerte

Figura10.Fragilidaddeloscompuestosiónicos.Almoverserelativamentelascapasdeiones,llegaunmomentoenqueseencuentranenfrentadosionesdelmismosignoconlocualsurgeunaenormerepulsiónquetiendearomperelcristal.

F. Modelo de enlace covalente

Deacuerdoconestemodelodeenlace,cuandolosátomosqueparticipanenunenlacetienenelectronegatividadessimilaresoiguales,compartenloselectronesdevalenciademaneraqueadquierenlaconfiguraciónelectrónicadelgasnoblemáscercano.

Primeroecharemosunamiradaalenlace covalente puro,queeselquesedaentredosátomosdelmismoelemento.

Elhidrógenoeselprimerelementoquepresentaestemodelodeenlace.Porejemplo,cuandodosátomoscompartensuselectrones,ambosadquierenlaconfiguracióndelgasnoblemáscercano,elhelioyseformaunamoléculadinuclearenlaqueambosnúcleossondehidrógeno(H2).

�� + �� :�� + �� :�

átomo de átomo de par de electronesátomo de átomo de par de electrones hidrógeno hidrógeno compartidohidrógeno hidrógeno compartido

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Aesteenlace,enelcualdosátomoscompartenelectrones,provenientesdecadaunodeellos,seleconocecomoenlace covalente.

Lamanerausualderepresentaralpardeelectronesesatravésdeunalínea.

H:HseescribecomoH-H-HH

Otroejemploloconstituyeelflúor,elementoquetiene7electronesdevalencia,yquerequiereunomásparaadquirirlaconfiguraciónelectrónicaestabledelneón.Alunirseelflúorconotroátomodeflúor,amboscompartenunelectróndecadauno,atravésdeunenlacecovalente,conlocualcadaátomoadquiereochoelectronesdevalencia,esdecir,laconfiguracióndelgasnoblemáscercano(véaselaFigura11).

(a) (b)

F

(c)

F

Figura11.EnlacecovalenteenelF2.(a)Comopodemosver,cadaátomodeflúorposeesieteelectronespropiosycomparteunodeellosconelsegundoátomodeflúor.(b)Engeneral,loselectronesmásinternosseomitenysólosemuestralamaneracomosecompartenlosexternos.(c)Todosesimplificamáscuandonoseincluyenloselectronesnoenlazantes,ylosenlazantessesustituyen,cadados,porunalíneadeenlace.

Enocasioneslosátomospuedencompartirmásdeunpardeelectrones.Taleselcasodeloxígeno,conseiselectronesensuúltimonivelydelnitrógeno,concinco.ParaalcanzarconfiguracióndeochoelectronesenlasmoléculasdeO2yN2secompartendosytrespares,respectivamente,formandoenlacescovalentesdoblesytriples(véaselaFigura12).

Figura12.Enlacescovalentesdoblesy triples.Cuentaelnúmerodeelectronesalrededordecadaátomo.Todossonoctetos.

Adiferenciadelmodelodeenlaceiónico,enelquecadaunodelosionesesatraídoportodoslosionesqueteníaasualrededor,enestoscasos,losenlacessonunidireccionales.

N N

O O

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Elátomodehidrógenodelaizquierdaestáunidoalátomodehidrógenodeladerecha,enunenlacequeocurreenunasoladirección.

F.1 Grafito, diamante, carbono-VI y futboleno. Alotropía y estructura

Vamosahablardelasformasalotrópicasdelcarbono.Entodassepresentanenlacescovalentes,aunquesusátomosestánarregladosdemaneradiferente(véaselaFigura13).

(a) (b)

(c) (d)

Figura13.Disposicióndelosátomosdecarbonoensusalótropos(a)diamante,(b)grafito,(c)carbono-VIy(d)futboleno,C60.

ComosepuedeapreciarenlaFigura13,alrededordecadaátomodeCeneldiamanteseenlazanotroscuatroátomos,enunaestructuralocalmentetetraédrica.Elresultadoesunaredtridimensionalextraordinariamenterígidaquepermiterealizarlaspreciosastallasqueobservamosenlosbrillantes.Supuntodefusiónesaltodebidoalanaturalezamultidireccionaldesusenlaces.Loanterioresciertoporqueparapasaralestadolíquidodebemoshacerquelosátomosdecarbonoseanlibresparamoverse.Esosolamenteesposibleaunatemperaturaalta,paraquelafuertevibracióndelosátomoslogreromperlosnumerososenlacesexistenteseneldiamante.

Eldiamanteeslasustanciamásduraconocida(porloqueseleempleaenbrocasysierrasparacortarpiedras,asícomoabrasivo,siempreycuandoseadetamañopequeño).Envirtuddesuestructura,noesquímicamentereactivoatemperaturaambiente(atemperaturaelevada,enpresenciadeoxígeno,formaCO2y¡adiósdiamante!).

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Enelgrafito,cadaátomodecarbonoseencuentraenlazadocovalentementeaotrostresenelmismoplano,endondeformaunaestructurahexagonal.Elcuartoelectróndevalenciaseempleaparaunirentresíalascapasatravésdeunenlacenocovalente,másbienconca-racterísticasdeenlacemetálico.LadistanciaentrelosátomosdeCenelplanoeslamitaddelaquehayentrelosplanos.Aligualquelosmetales,elnegroyblandografito,(comoeldeunapuntilladelápiz,odeunaminadelapicero)esunexcelenteconductordelaelectricidad.Latemperaturadefusióndelgrafitoresultasermuygrande,similarmentequeconeldiamante.Estosedebealaenormecantidaddeenlaces,tambiénmultidireccionales,quedebenromperseparadejaralosátomosdecarbonolibresparamoverseenlafaselíquida.

Elcarbono-VIesunalótropolinealquealternaenlacessencillosytriples,yquesehaen-contradoenelhollín.Suinteréscientíficoydeaplicaciónesreducido.

Enel futboleno(conocidocientíficamentecomobuckminsterfullereno,enhonoralar-quitectoRichardBuckminsterFuller,inventordeldomogeodésico),60átomosdecarbonosesitúanenunaestructuraesféricaequivalentealadeunapelotadefútbol.Aquí,cadaunodelosátomosestáunidoaotrostres,atravésde3enlacescovalentessimplesyunodoble.Sintetizadoporprimeravezen1986,actualmentesetrabajaconélenmuchoslaboratoriosdeinvestigaciónentodoelmundo.Antesdelhallazgodelfutbolenonoseconocíaunamoléculacasi“esférica”.AladelC60haseguidolasíntesisdeotrasmoléculas,comoC70,C32,C76ymuchasotras,todasconpropiedadesmuypeculiares.

Comopuedesver,conelmismoelementoyconenlacesbásicamentesemejantes,sepuedenconstruirredes,placas,líneasoesferasconpropiedadesmarcadamentediferentes.Tambiénsupreciocambiadeunoaotro:desdeeldiamante,devalorpocoaccesible,alfutboleno,quevalehoycincovecesmenosqueeldiamanteporunidaddemasayalgrafito,conpreciodosmillonesdevecesinferioraldeldiamante.Esteesunclaroejemplodelafascinantequímica,arquitecturaatómicaenlaquemuchohaytodavíapor“diseñar”.

F.2 Enlace covalente polar

Hastaahorasehadiscutidoelenlacecovalenteentreátomosiguales,comoelenlacesencilloqueseformaentredosátomosdehidrógenoodosdeflúor,eldoblequeseformaentredosoxígenosoeltripleentredosdenitrógeno.Hemosporlotantoencontradoqueenelenlacepuedeparticiparunaparejadeelectrones(enlacesimple),odosotresparejasdeelectrones(enlosenlacesdoblesotriples).Sinembargo,lamayoríadeestosenlacesocurrenentreáto-mosdiferentes,¿quésucedeenestoscasos?Veamosunodeellos,elqueexisteentreelHyelF.PensemosqueelenlaceescovalenteparahacerlaFigura14,conunpardeelectronescompartidoporambosátomos.Enestecasosehaceénfasisenlaformacióndelenlaceynoenlareacciónquímicadeformacióndelfluorurodehidrógeno,queseríaapartirdeH2yF2,nodelosátomosaislados.

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Figura14.CovalenciaenelHF.Enelfluorurodehidrógeno,ambosátomosadquieren,comoresultadodecompartirunpardeelectrones,laconfiguracióndelgasnoblemáscercano,elHeyelNe,respectivamente.Pero¿cómoseencuentrandistribuidosentrelosdosátomosloselectronesenlazantes?

Enestecasonopuedeexistirunacomparticiónelectrónicasimétrica,dadaladiferenciadeelectronegatividadesexistenteentrelosdosátomos(laelectronegatividaddelhidrógenoes2.1yladeflúor4.0,¡casidosunidadesesladiferencia!).Laelectronegatividadmayordelflúorhacequeésteatraigamáshaciaélalpardeelectronesalterandoladistribucióndecargasalinteriordelamolécula.Delladodelátomodeflúorhaymáscarganegativa(pro-venientedeloselectrones),mientrasquedelladodelhidrógenohaymáscargapositiva.Loanteriorserepresentaasí:

δ+δ–

H—F

Laletragriegaδnosindicaquehayunacargaparcial,negativaopositiva,acadaladodelamolécula.Esteenlaceseconocecomocovalente polar porque lasmoléculasseorientanenpresenciadeuncampoeléctricodebidoaladiferenciadeelectronegatividadesysugeometríaparticular(delaquetrataremosmásadelante),formandoundipolo.Elenlacees más polar cuanto mayor sea la diferencia de electronegatividades entre los átomosparticipantes.

Cuandotenemosunamoléculacontresnúcleos,comoeselcasodelagua,H2O,odeldióxidodecarbono,CO2,cadaunodelosdosenlacestieneunadireccióndeterminada,a104°unodelotroenelaguaya180°enelcasodeldióxidodecarbono(véaselaFigura15).

H F H F+

(a) (b)

O

H H

CO O

Figura15.(a)Laslíneasdelosenlacesoxígeno-hidrógenotienenunadireccióndeterminadaenlamoléculadeaguayambosenlacesapuntana104°unodelotro.(b)Eneldióxidodecarbonolosdosenlacestienenlamismadireccionalidadyseencuentrana180°unodelotro.

Debidoalascaracterísticasdeesteenlace,lassustanciasconenlacecovalentepuedentenerlaestructurademoléculas,adiferenciadelassustanciasconenlaceiónicoquetienenunaestructurareticular.Enlaestructuramolecular,dosomásátomosseunenenunaproporcióndefinidayconunageometríadeterminadaparaformarunamolécula,taleselcasodelos

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gasescomoelhidrógeno(H2)yeloxígeno(O2)queformanmoléculasdiatómicas,obiendelaglucosaqueesindispensableparanuestravida(C6H12O6).

Existentambiénsustanciasquepresentanenlacescovalentesperoqueformanestruc-turasreticulares,enlasquelosátomoscompartensuselectronesdevalencia,formandoenlacesmultidireccionales.Porejemplo,eldióxidodesilicio(SiO2)queeselcomponenteprincipaldelaarena,yelcarbono,quepresentadistintosalótropos,comosedescribeenlasecciónF1.

Enelagua,comoseobservaenlaFigura16,seformandosenlacescovalentesentrecadaunodeloshidrógenosyelátomodeoxígeno.Debidoaelloseformandosdipolosperma-nentesquesumadosvectorialmenteresultanenunvectormomentodipolargrande(véaselaFigura16c).

Paraexplicarcómoseunenentresílasmoléculasquepresentanunenlacecovalentepolarseutilizaotromodelodeenlacequeexplicaremosmásadelante(enlasecciónH).Debidoalasinteraccionesqueexistenentrelasdiferentesmoléculasquetienenenlacescovalentespolares,lassustanciasquepresentanestemodelodeenlacesuelentenerpuntosdefusiónsuperioresalosdeloscompuestosoelementoscuyasmoléculasposeenenlacescovalentesnopolares.

(a)

(b)

H2O

Gota de agua

Colección de moléculas

Moléculas de agua

Fórmula química (c)

O OHH

HH +

H

H

O

Figura16.Elagua,otrocompuestoconmoléculaspolares.(a)Relaciónentrelomacroscópicoylomicroscópico.(b)Formacióndelamoléculaapartirdelosátomosaislados(Hayquehacerénfasisqueéstanoeslaformacomoseobtieneelaguaexperimentalmente).(c)Estructurapolardelagua.Losdosvectoresdelmomentodipolar,unocorrespondienteacadaenlace,debensumarseparaobtenerelmomentodipolardelamoléculadeagua.

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F.3 Propiedades de las sustancias que son adecuadamente modeladas por el enlace covalente

Puntos de fusión

Loscompuestosconenlacecovalentepuedenpresentarseenlostresestadosdelamateriaatemperaturaambiente.Muchosdeellossongasescomoelcloro(Cl2),eloxígeno(O2),eldióxidodenitrógeno(NO2),yelmetano(CH4).Tambiénencontramossustanciasconenlacecovalentequesonlíquidasatemperaturaambiente,comoeletanol(C2H5OH),yelagua(H2O).Otrassonsólidas,comolaglucosa(C6H12O6),elazufre(S8)yeldióxidodesilicio(SiO2).

Elpuntodefusióndelassustanciasdependedelenlaceentresusátomos,medianteelcualseformanlasmoléculas,asícomolossólidoscovalentesconenlacesmultidireccionales,ytambiéndelaformaenlaquelasmoléculasinteractúanentresí(queestudiaremosmásadelante,enlasecciónH).Porello,enlassustanciasquetienenenlacecovalenteencontra-mostaldiversidaddepuntosdefusión.

Conductividad eléctrica

Engeneral,lassustanciasconenlacecovalentenoconducenlacorrienteeléctrica,puestienenasuselectronesfirmementeenlazadosenlaregióninternuclear.Asíauncuandoalgunossonsolublesenagua,laspartículasenlasqueseseparannotienencargaeléctrica.ComoyavimosenlasecciónF.1,dadalaestructuradelgrafito,sepresentanenestecasoelectroneslibres,locualhacequeseaunaexcepciónyaunpresentandoenlacecovalente,seaunbuenconductordelaelectricidad.

Solubilidad

Lassustanciasconenlacecovalentepolarpuedensersolublesenagua,dadoqueinteractúanconlosdipolosdeestamolécula.Lassustanciasconenlacecovalentepuronosonsolublesenaguaporquenopresentandipolospermanentes.

G. Enlace metálico

Losmetalestienenpropiedadesmuyparticulares:conducenlaelectricidadyelcalor,sonmaleables(capacidaddeserdeformados)ydúctiles(capacidaddeserconvertidosenhilosdelgados),ademásdeposeergeneralmentepuntosdeebulliciónyfusiónaltos.Estaspro-piedadespuedenexplicarsemedianteelmodelodeenlacemetálico.

Enestemodeloseconsideraqueelenlacenoesentreátomos,sinomásbienentrecationesmetálicosylosquefueronsuselectronesexternos.Así,elmetalsodioesunconjuntoordenadodeionesNa+yun“mardeelectrones”distribuidosentreellos(véaselaFigura4).

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G.1 Propiedades de las sustancias que son adecuadamente modeladas por el enlace metálico

Forma cristalina

Losnúcleosdelosmetalesseorganizanenestructurasordenadasdenaturalezacristalina.Lasretículaspuedenrepresentarseconunpedazodelamallaqueserepiteindefinidamente,llamada“celdaunitaria”.LaFigura17presentalasceldasdelasestructurascúbicacentradaenlacara,hexagonaldeempaquetamientocompactoycúbicacentradaenelcuerpo.

(a) (c)(b)

Figura17.Lastresestructurasmetálicasmásdifundidas.Prácticamentetodoslosátomosmetálicosseagrupandeacuerdoconalgunadeellas.Sepresentalaceldaunitaria(a)cúbicacentradaenlacara:Cu,AgyAu,(b)hexagonaldeempaquetamientocompacto:Be,Mg,Os,y(c)cúbicacentradaenelcuerpo,quenocorrespondeaunempaquetamientodenso:K,Rb,Cs.

Conducción de la electricidad

Elhechodequeloselectronesenlosmetalesesténdeslocalizadosexplicaporquéestoselementossonconductores,tantodelcalorcomodelaelectricidad,yaqueambosfenó-menosestánasociadosconelmovimientolibredesuselectrones.Losmetalessonbuenosconductoresdelaelectricidad,mientrasquelossólidosiónicosocovalentessonpobrescon-ductores,yaquetodoslosparesdeelectronesestánbienlocalizados(nosonmóviles).

Puntos de fusión

Lasinteraccionesentreloscationesyloselectronesenunmetal,sonmultidireccionales;ellohaceque,engeneral,losmetalesseencuentrencomosólidosatemperaturaambiente.Elmercurio(Hg),elGalio(Ga)yelCesio(Cs)sonalgunosmetalesquepuedenencontrarselíquidosatemperaturaambiente.

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Maleabilidad / Ductilidad

Cuandounpedazodelmetalessujetoapresiónexterna, loscationesmetálicospueden“resbalar”unossobreotros,graciasalacapadeelectronesmóvilesquelossepara.Elmetalsedeformaperonoserompe,adiferenciadeloscristalesiónicos.Estaeslaexplicacióndelamaleabilidadydelaductilidad(véaselaFigura18).

Presión

Figura18.Maleabilidaddelosmetales.Alaplicarpresiónsobreunafiladecationeslaformadelmetalcambia,graciasalafluidezdeloselectrones.

G.2 Aleaciones metálicas

Muchosdelosmetalesqueconocemosnosonpuros,sinoaleaciones.Unaaleaciónesunadisoluciónsólida.Sepreparandisolviendounmetalenotro,generalmentecuandoambosestánenestadolíquido.Laaleacióntienepropiedadesfisicoquímicasdiferentesdelosmeta-lesdelosqueproviene.Porejemploeloropuro(denominadode24quilates)esdemasiadoblandoparausarloenjoyería.Parahacerlomásfuertesealíaconplataycobre,queenunaproporciónde25%dalugaraunaaleaciónconocidacomoorode18quilates.Lasamalgamassonaleacionesdeunmetalconelmercurioytodavíasonempleadasporalgunosodontólogos(véaselaFigura19).

Figura19.Lasaleacionesdelmercuriosellamanamalgamas.Lasdeplataycincsonmuyempleadasporlosdentistaspararellenarlascavidadesdentales.Elmercurioesmuyvenenoso;sinembargonorepresentamayorproblemaalasaludcuandoestáamalgamado.

Puededecirseque,aunqueunaaleaciónesunamezcla,existeunenlacemetálicoentrelosátomosquelaconstituyen.Enelmardeelectronesenlaaleaciónseencuentranlosque

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originalmenteerandelmetalA,perotambiénestánpresenteslosdelmetalB,sinqueexistanadaquenospermitadistinguirlos.Esemardeelectronesproduceelenlacemetálicoporelcuallosionespositivosvenapantalladasurepulsión.

Cuando los átomos de los metales que forman una aleación son prácticamente delmismotamaño(hastaun15%dediferencia)puedenreemplazarsefácilmentesinrompernialterarlaestructuracristalinadelmetalqueseencuentraenmayorproporción.Tenemosentoncesunaaleación por sustitución,comoeselcasodeloroconlaplata.Siladiferenciadetamañosesmayor,losátomosmáspequeñosocupanloshuecosdejadosporlosátomosmayores–lasposicionesintersticiales–porloqueselesconocecomoaleaciones intersti-ciales(véaselaFigura20).Laaleaciónmásimportante,elacero,esintersticial:podríamosdecirquelospequeñosátomosdecarbono–radiode77pm–estándisueltosenelhierro–radiode126pm.Amayorcantidaddecarbono,másduroeselacero.Con0.2%deCsetienenacerosblandos(paraclavosocadenas);con0.6%setienenacerosmedios(losderielesovigas)ycon1%acerosdealtacalidad(cuchillos,resortes,herramientasysimilares).Ademásdelcarbono,sepuedenhaceraleacionesconotroselementos,comocromo,Cryníquel,Ni,conlosqueseproduceelaceroinoxidable.

(a) (b)

+

Metal A

+

Metal B Metal A Metal B

Aleación intersticial

Enfriamiento A

Fusión

Enfriamiento

Fusión

Aleación por sustitución

Figura20.Aleacionesporsustitucióneintersticiales.

H. Interacciones entre moléculas

Hastaahorahemosvistoenlacesentreátomos,yasea los intramolecularesen loscom-puestoscovalentesoentrelosionesdemetalesenelenlacemetálico,unidosporelmardeelectroneslibres,aligualqueyarevisamoselenlaceentrelosionesenuncompuestoiónico.Sinembargoexisteunenlacedenaturalezaintermolecular,porelcuallasmoléculasconenlacescovalentes,puedenasuvezinteractuarunasconotras.

Podríamosdecirquesondoslasinteraccionesintermolecularesmásimportantes:

• elenlaceporpuentedehidrógeno, • elenlaceporfuerzasdevanderWaals.

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H.1 Enlace por puente de hidrógeno

Losenlacesentreelementosmuyelectronegativos,comoelflúor,F(conelectronegatividadde4.0unidades),oxígeno,O(conelectronegatividadde3.5),ynitrógeno,N(conelectro-negatividadde3.0),conelhidrógeno,H(cuyaelectronegatividadesde2.1unidades),danlugaraenlacescovalentesconaltapolaridad.Loanteriorimplicaquecuandodosdeestasmoléculasinteractúanlohacendemaneraselectiva,colocándoselascargasparcialesdeunamoléculaopuestasalasdelaotra.

δ+δ-δ+δ-δ+δ-

H–F.....H–F.....H–F

Lalíneapunteadarepresentalainteracción,conocidacomoenlaceporpuentedehidró-geno.Elenlaceporpuentedehidrógenoesproductodelasatraccioneselectrostáticasentrelosdipolosdedosomásdiferentesmoléculas,porloquetambiénsellamaenlaceintermolecular.Aunquetienelamismanaturalezaelectrostáticaesmásdébilqueelenlacecovalenteintramolecular,debido,enparte,aquehaymayordistanciaentrelosnúcleosquesonatraídosenestemodelodeenlace.Paraqueunasustanciacomoelaguaalcancesutemperaturadeebullición,sedebeproporcionarmásenergíaparavencerlasatraccionesporpuentesdehidrógeno.LoanteriorseevidenciaenlaFigura21,quemuestradospro-piedadesenlasqueloscompuestosdeF,OyNpresentanpropiedadesinesperadas,comosonloselevadospuntosdefusiónyebullición.Porelloseplantealaexistenciadepuentesdehidrógeno,esdecir,fuertesinteraccionesintermolecularesquenosllevenaexplicaresaspropiedadesanormales.Engeneral,mientrasmayoreslamasamolecular,latemperatura

(a) (b)

Punto de fusión

H2SeH2Te

Hl

HBr

AsH3

SbH3

SnH4GeH4SiH4

CH4

PH3

HCl

H2

H2O

NH3

HF

T/°C

+100

0

-100

-200

Punto de ebullición

T/°C

+100

0

-100

-200

H2O

HF

NH3

CH4

H2SH2Se

H2Te

SbH3

Hl

AsH3GeH4

SiH4

PH3

HClHBr

Figura21.Efectodelenlaceporpuentedehidrógeno.Temperaturasdefusión(a)ydeebullición(b)deloscompuestoshidrogenadoscovalentesdeloselementosdelosgrupos14,15,16y17.

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alaqueseevaporanlassustanciastambiénesmayor.Comovemos,estoesciertosiempreycuandonosepresentenenlacesporpuentedehidrógeno.

H.1.1El hielo

Todossabemosqueelhieloesmenosdensoqueelagua.Cuandolovemosflotarenellaloqueocurreesconsecuenciadelosenlacesporpuentedehidrógenoquehayenesteestadofísicodelcompuesto.

Elpuentedehidrógenoseestableceatravésdelosparessolitariosdeelectronesdeloxíge-no(esdecir,aquellosquenoparticipanenunenlaceconlosH)conlosátomosdehidrógeno(parcialmentepositivos)deotramolécula.Laestructuradelhielo,ordenadahexagonalmenteatravésdeestosenlaces,tienecanalesvacíosensuinterior(véaselaFigura22),yporlotantounamismacantidaddeagua,ocupaunmayorvolumenenestadosólidoqueenellíquido.Cuandoelhielosecalientayfunde,losespaciosintermolecularessereducen,asícomosuvolumen,porloqueladensidaddellíquidoresultasermayorqueladelsólido.

Figura22.Estructuradelhielo.Laslíneaspunteadasrepresentanlainteracciónporpuentedehidrógeno.

Lamenordensidaddelhieloconrespectoalaguaevitaqueenel inviernosecongelencompletamentelosríosylagos,yaquelacapadehielosuperiorfuncionacomoaislante.Conellopuedenseguirviviendoanimalesyplantasenlaparteinferior.

Porotraparte,comoelhieloflota,sillegaafundirseenloscasquetespolaresterrestrespuedeocasionarfuertesinundacionesenlaslocalidadescercanasalmar.Esteesunodelospeligrosquepuedecorrerlahumanidadsilaemisióndegasesinvernaderoprovocaunaelevacióncontinuadade latemperaturadelplaneta,comoseha insistidoqueestásucediendo.

Unaspectonegativodelaumentodelvolumendelaguacuandosolidifica,esquerompelosductosatravésdeloscualescircula.Esteesunproblemagraveenlospaísesfríos.Poresoselesagregaetilenglicolcomoanticongelantealosradiadoresdelosautomóviles,yaquedeotramaneraencondicionesdefríoseveraslasmanguerasreventarían.

H

Moléculade agua

Puente de hidrógeno

H

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H.2 Fuerzas de van der Waals

Existe otro tipo de interacción intermolecular más débil. La investigación del holandésJohannesvanderWaals,afinalesdelsigloXIX,sobrelalicuefaccióndelosgases,lollevóaproponersuexistencia.Ello,entreotrosméritos,lehizomerecedordelPremioNobeldeFísicaen1910.

Enátomosomoléculassimétricas,ladistribucióndeloselectronesalrededordel(olos)núcleo(s)eshomogénea.Sinembargoestahomogeneidadesúnicamentetemporal,yaqueloselectronesnoestánquietosenundeterminadolugarylosnúcleosvibran.Sumovimientogeneraenunmomentodadolaaparicióndezonasconunexcesodecarganegativayotrosconundefecto,osea,lapresenciadedipolosinstantáneos(véaselaFigura23).

B A C

Figura23.Dipolosinstantáneosinducidos.Sepresentaengrisclaroladistribuciónelectrónicaoriginalycongrisoscuroladistribucióndistorsionadadebidaalmovimientodelosnúcleoshacialaderechaenlasegundalíneayhacialaizquierdaenlatercera.

Estosdipolosoriginanqueunamoléculasimétrica,distorsionetambiénladistribucióndelascargaseléctricasenlasmoléculasvecinas.GraciasalasfuerzasdevanderWaals,especiescuyosátomosomoléculasinteractúandébilmenteentresí,comoeselcasodelosgasesnoblesoelO2yelN2,puedenreunirseycondensarsecomolíquidos,aunqueelloocurraatemperaturasmuypordebajode0oC.

Debidoasuorigen,lasfuerzasdevanderWaalsaumentangeneralmenteconelnúmerodeelectronespresentesylamovilidaddeéstos.

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I. Estructura y fórmula de las sustancias

Comohabráspodidonotaralolargodetodoestecapítulohemosrevisadoquelosátomosseenlazanparaformardiferentesestructurasqueserelacionanconlaspropiedadesdelassustancias.Así,porejemplo,elcloroacondicionesnormalesdepresiónytemperaturaesungasporquelasmoléculascovalentesnopolaresquelocomponentienenentresíunamuydébilinteracciónelectrostáticamientrasqueelsodioesunsólidometálicoqueconducelaelectricidadyelclorurodesodioesotrosólidoque,comoestáformadoporiones,conducelaelectricidadcuandoestáfundidoodisuelto,porestarcompuestosambosderedesconinteraccionesmultidireccionales(véaselaFigura24).

Figura24.Lostresmodelosdeenlacequímico.Cloro,sodioyclorurodesodiosonejemplosclásicosdelostresmodelosdeenlace.Elsodio(quepresentaenlacemetálico)esunmetalaltamentereactivo,quealreaccionarconaguaproduceunareaccióndeoxidaciónmuyviolenta.Porotroladoelcloro(quepresentaunenlacecovalenteensusmoléculasdiatómicas)esungasqueenaltasconcentracionespuederesultartóxicoparalossereshumanos.Elclorurodesodio(queesmodeladoadecuadamenteporunenlace iónico),porotrolado,esunasustanciaqueañadimosanuestracomidatodoslosdíasyqueesindispensableparaelbuenfuncionamientodenuestrocuerpo.

PresentamosenlaFigura25unmapaconceptualqueresumelodichohastaahoraenrelaciónconelenlacequímico.

Lafórmulaqueseutilizapararepresentarlassustancias,enalgunoscasosrepresentaelnúmerodeátomosdecadaelementoqueseencuentranenunamolécula,porejemplo,enelcasodelagua,H2O,eldióxidodecarbono,CO2ylaglucosa,C6H12O6.Sinembargo,enelcasodelassustanciasqueformanredes,lafórmulaindicalaproporcióndeátomosqueseencuentranenesasustanciaporquenoseencuentranmoléculasdentrodelared.Porejemplo,lafórmuladelclorurodesodio,NaCl,indicaqueporcadaionsodiohayunioncloruroenlared;enelcasodelafórmuladelfluorurodemagnesio,MgF2,indicaqueporcadaionmagnesiohaydosionesfluoruro.Enelcasodelosmetalessucedealgosimilar,porquelafórmuladeloro,Au,indicaquetodosloscationesqueseencuentranenelmetalsoniguales.Solamentecuandolassustanciassepresentancomoátomos,comolosgases

Metálico Na

Covalente Cl2

Iónico NaCl

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nobles,lafórmula,indicaquesepresentaunsoloátomodelelemento,comoenelcasodelNeón,cuyafórmulaesNe.

7. pArA los proFesores. dUrAnte el Análisis cientíFico

Lafasedeconsolidaciónesmuyimportanteeneldesarrollodenuestraestrategia,yaque,enella,elconocimientoquehasidoconstruidopuedeseraplicadoencontextosdiferentesypuedeayudararesolvernuevosproblemas,lograndoasíunadelascondicionesnecesariasparaelcambioconceptual:laaplicabilidad.

Enestacuartaetapasepromueveladiscusióndelasideasestudiantilesylapresenta-cióndelmodelocientífico,enlabúsquedadequelosestudiantesdisminuyanelestatusdesusconcepcionespreviasoelijanlasdeotrosestudiantesqueseanmáscercanasalascientíficamenteaceptadas.

Alactivarlosprocesosdeconflictocognitivo,noselogradeinmediatoelcambioconcep-tual,elcualsesabehoyqueesunprocesogradualycomplejo;loqueseintentaeslograrunamodificaciónenelestatusdelasideasdelosestudiantes,deacuerdoconloquese

O

H

H

O

O O

OO

H

H

H

H

H H

H

H

H

H

Cl Cl

Modelos deenlaces

Covalentes

Eslaunióndeionesmetálicosconcargapositivaqueformanunared,

conelectronesquesedesplazanlibremente

Eslafuerzaelectrostáticaquemantieneunidoslos

ionespositivosconlosionesnegativos

Eslaunióndenometales.Compartenelectrones

Iónicos

Metálicos

RedesMoléculas

Puente de hidrógeno

Presentaninteraccionesintermoleculares

ClorurodeSodioNaCl

Puentedehidrógeno

Puentedehidrógeno

SiO2

Movimientodeloselectrónes

Figura25.Mapaconceptualquecontienelosmodelosdeenlaceanalizadosenestecapítulohastaahora.

Losionesforman

Loscationesmetálicosforman

Losátomospuedenformar

Puedenformar

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expresaenelcapítulo1.Dehecho,lasactividadesdeaprendizajequeseplanteantienenelobjetivodeelevarelestatusdedeterminadasideasfrenteaotrasy,porlotanto,puedeninvolucrarexperienciasquenopuedanexplicarseconsusideasactualesoencontrarformasenlasquepiensenacercadelos«problemas»querepresentansusideas.Laideaesquelosestudiantespuedan,dealgunaforma,elegirunaideadeentreunavariedad,deacuerdoconlainformaciónqueposeen.

Silosestudiantessoncapacesdeexplicitarsusideas,deescucharlasideasdeotros,devalorarlasentérminosdesupoderexplicativo,depensarenotrasideas,demodificarlassuyas,podemosdecirqueestánsiendometacognitivosypensandonosóloconsusideassinosobresusideas,lográndoseasípromoverelcambioconceptual.

Resultaconvenientehacerénfasisenqueenlaestrategiapropuestanosehanutilizadoaspectosdelamecánicacuánticaparapresentareltemadelenlacequímico,sinoquetodoelanálisiscientíficohaestadobasadoenlaleydeCoulombdelsigloXVIIIyenunmodelodeátomocomoeldeLewis,delostiemposprecuánticos.Nosetieneclaridadactualmenteacercadesiestoesunaventajaounadesventaja,dadostodoslosestudiosqueapuntanaqueeltemadelamecánicacuánticaesdifícildeenseñarydeaprenderenelniveldelbachillerato.

Unaalternativapodríaseremplearelmodelorelativamentesimplededominioselec-trónicosdeGillespieet al (1994,1996),quefueadoptadotambiénporSpencer,BodneryRickard(1999)paralaeducaciónuniversitaria,oelemplearmodeloshistóricosrecurrentes(Chamizo,2007).

Sehademostradoquelosalumnosdelasecundariayelbachilleratonopuedenfácil-menteconlaabstraccióndelosconceptoscuánticos(DelaFuenteet al,2003).Porejemplo,Tsaparlis(1997,Pp.924)mencionaquelos“informes de investigaciones han demostrado que existe confusión no sólo entre los estudiantes del bachillerato, sino también entre los estudiantes de química que han aprobado el curso de química cuántica”yTsaparlisyPapaphotis(2002)encuentranpocosresultadosdeentendimientorealdelosconceptosrelevantesdelaquí-micacuánticaenestudiantesdelbachilleratogriego.

UnejemplodeldebateentrelaenseñanzaaniveluniversitariodelenlaceconunenfoquetradicionaloconsusfundamentoscuánticosloexhibenSánchezGómezyMartín(2003).HaceyatiempoqueOglivie(1990)presentólascríticasaldesarrollodelaquímicacuánticaysusimplicacioneseducativas.Recordemossufrase“There are No Such Things as Orbitals”(Nohay talescosascomoorbitales).Gillespie (1997,Pp.862)mencionaal respecto: “Los enlaces no se forman por el traslape de orbitales, como leemos frecuentemente; esto es sólo un modelo, hay que reconocer que es un modelo útil y esencial para el estudiante de la licenciatura en química, pero no pienso que sea esencial para los estudiantes del nivel introductorio”.

Debemos,finalmenteresaltarqueelmodelodeenlacemetáliconoformapartedelosanterioresprogramasdeestudiosdelaslicenciaturasdelaFacultaddeQuímica,seaensuformasimpledecationescolocadosenlospuntosdeunamallacristalina,conloselectroneslibresenlazándolosoensuformacuánticadelateoríadebandas(SolbesyVilches,1991).

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EnlosprogramasactualmentevigentessolamentesetrataenlaasignaturadeQuímicaInorgánica.

8. de vUeltA Al inicio: el enlAce es Un único Fenómeno

Debequedarmuyclaroque,aunquedesumautilidad,losmodelosquehemosutilizadohastaelmomentoparahablardelasdiferentesformasenlasqueseenlazanlosátomos:“enlaceiónico”,“enlacemetálico”y“enlacecovalente”serefierenúnicamenteamodelosdesituacionesextremasquesevinculanaunfenómenoconcreto:lainteraccióneléctricaentreunconjuntodenúcleosyotrodeelectrones.Estassituacionesextremasimpiden,porejemplo,explicarlaconductividadeléctricaenespeciestradicionalmente“covalentes”provenientesdelaquímicaorgánica(comoloscompuestosformadosporionesdettf-tcnqolospolímerosconductores)ylaquímicainorgánica(lospolímerosde(sn)x)quepresentancaracterísticasmetálicas,oelmásnotablehidrógenometálicoobtenidoagrandespresio-nes.Porellohayquehacernotar,aunqueseabrevementequeapartirdeladescripciónmecánicocuánticadelátomosegenerarondosmodelosdeenlace.Enelprimerodeellos,desarrolladoporHeitleryLondon(perfeccionadodespuésporSlateryPauling)conocidocomomodelodeuniónvalencia(muv),lafuncióndeondaesconstruidademaneraquelaseparacióndelosátomosylalocalizacióndelosorbitalesesenfatizada;enelsegundo,loselementossesitúanenorbitalesdeslocalizadossobretodalamolécula,porloqueelnombredeestemodeloeseldeorbitalesmoleculares(mom)yfuedesarrolladoporHundyMullikenenlosañostreinta.

Esimportanteaclararqueambosmodelos,apesardepartirdepuntosdevistadiferentes,lleganalmismoresultadofinal,siempreycuando,alasfuncionesdeondaempleadasselesadicioneunnúmeroextradetérminos.

Empleandoestosdosmodelossepuedendescribirlosdiversos“tipos”deenlace(cova-lente,iónico,metálico,dehidrógeno),utilizandoademásvariasclasesde“fuerzas”comosonlasdipolo-dipolo,dedispersión,deVanderWaals,etcétera.Todaestavariedaddeenlacesesresultadodeunadiscontinuidadennuestrosmodelos,ynoreflejannecesariamenteunadiscontinuidadrealenlasfuerzasinvolucradasenlasinteracciones.Estoes,eltipodefuerzasdelasquehemoshablado,asícomoporejemplo,laenergíaderesonancia,sonúnicamenteaproximacionesmatemáticas,ynocorrespondenaunarealidadfísica(Chamizo,1992).

Laenergíatotaldeunsistemaatómico,comoladecualquierotro,esbásicamentecinéticaypotencial(estaúltima,denaturalezaelectrostática),requiriendoademáscorreccionesrela-tivistascuandolosátomossonpesados.Sinembargoenestossistemassepresentauntipodeinteracciónnoeléctrica,quenotieneunequivalenteclásico,resultadodedeterminadascaracterísticasdesimetríadelelectrónyquecorrespondealacorrelaciónespín-espín.Estainteracciónpermitequedoselectrones,conespinescontrarios,puedanocuparregionesdelespaciocercanossinquelosseparelafuerzaderepulsióneléctricaresultantedesuscargas

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iguales.Noobstante,silosespinessoniguales,laseparaciónentreellosserámáximasegúnelprincipiodeexclusióndePauli,formándoseelfamosohuecodeFermi.

EnlaFigura26sehacolocadoladensidadelectrónica(unconceptomodernodelaestruc-turaatómica)comoproporcionalalatonalidadoscuradelosdiagramas.Elincisoa)muestradosátomosaisladosconunadensidadelectrónicaquecrecehaciasusnúcleosydecrecehaciafueradeellos.Enelincisob),alacercarselosdosátomos,sepuedengenerardipolosinstantáneosquetiendanamantenerlosunidosmedianteunafuerzaresidualodevanderWaals.Enelincisoc)elátomomáselectronegativohatomadounelectrónalotroysehaformadounaparejaiónica.Elionnegativohacrecidoyelionpositivohareducidosutamañoencomparaciónconlosátomosaislados.Enelincisod)secolocaunaporcióndeladensidadelectrónicaenlazonadelenlace,comosucedeenloscompuestoscovalentes.Finalmente,enelincisoe)seejemplificaelcasodelenlacemetálico,enelcualvariosionespositivosseencuentranenlazadosporunaseriedeelectronesmóvilesexternos.Estosdiagramasestánhechosparaqueveasquetodoslosmodelosdeenlacesondiversasmanifestacionesextremasdeunmismofenómeno,productodelainteraccióndelosprotones,enlosnúcleos,conloselectrones,enlazonaexternadelosátomos.

(a)Átomoaislado

(b)EnlacevanderWaals

(c)Enlaceiónico

(d)Enlacecovalente

(e)Enlacemetálico

Figura26.Losenlacesquímicos.Lafiguraresume losdiferentesmodelosdeenlacescomentadosenesteensayoconlaayudadelconceptodedensidadelectrónica,propiodelaquímicacuántica.

VanArkel(1949)introdujounosdiagramasqueluegofueronadaptadosporAllen(1992)yJensen(1995)enlosquecolocabalostresmodelosprincipalesdeenlacesquímicos(iónico,covalenteymetálico)enundiagramatriangularcomoeldelaFigura27.Resultaclaroqueconformesedibujanmáshacialapartesuperiordeltriángulo,enloscompuestosexisteunamayordiferenciadeelectronegatividades.

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Iónico

Metálico Covalente

NaCl

Na2OCsF

Na3PBeOLiCl

Na3BiMnOMnO2BCl3

CuZnUH3TlBiBNBrCl

NaSnSiSeI2Cl2

Iónico

Metálico Covalente

LiF

LI2O BeF2

LI3N BeO BF3

LI2C2 Be3N2 BO3 CF4

Be3C BN CO N2F2

BeB12 Be2C C2N2 NO OF2

Li(0.91)

Be(1.58)

B(2.05)

C(2.54)

N(3.07)

O(3.61)

F(4.19)

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

(3.3)

(2.6)

(2.1)

(1.7)

(1.1)

(0.6)

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

∆EN

Figura 27. Diagrama de van Arkel con los tres modelos principales de enlace químico –iónico, covalenteymetálico–colocadoenunplanobidimensional.Miracómoenel ladoizquierdodeltriángulosetienen,sobretodo,varioscompuestosdelsodioquevandelenlacemetálico(enelsodiopuro)alenlaceiónico(enelclorurodesodio).Igualmente,miracómoenelladoderechohaydiversoscompuestosconcloroquevandelenlacecovalente(enelcloromolecular)alenlaceiónico(enelclorurodesodio)(TomadodeSpencer,BodneryRickard,Chemistry, NuevaYork,JohnWiley,1999,p.220).

Figura28.Triánguloconlosmodelosdeenlaceparaloselementosdelsegundoperíodo.Sobreelejeverticalsegraficaladiferenciadeelectronegatividadesylaelectronegatividadpromediosegraficaenlabasedeltriángulo.

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Spenceret al(1999)presentanestosdiagramasdevanArkel,peroconstruidosapartirdedatosdeelectronegatividad.EnlaFigura28semuestraundiagramasimpleconlosátomosdelsegundoperíododelatablaperiódicaenelquesehacolocadoenlasabcisaselpromediodelaselectronegatividadesdelosdosátomosinvolucradosenelenlaceyenlasordenadasladiferenciadedichaselectronegatividades.Lasdoslíneasdetrazooscuroquepartendelborodividenaldiagramaenlazonaizquierda,conenlacesmetálicos,lazonasuperior,conenlacesiónicosylazonaderecha,conenlacescovalentes.

Yahabrávistoellectorqueenelcapítuloanterioraéste,conelnombre“Delaspropie-dadesdelassustanciasalasinteraccionesquímicas”,sepresentanestostiposdediagramastriangulares,peroenesecasotetraedrales.

Vemosenestosdiagramasquecadaunodelosmodelosdeenlace(iónico,covalenteymetálico)soncomoextremosdemúltiplessituacionesintermedias,quepodemoscaracterizarcomomanifestacionesmixtasdelcomportamientorealdelassustancias.

9. pArA los proFesores. como conclUsión

Comosenotadelasseccionesprecedentes,laenseñanzadelenlacequímicoresultamuycomplejayesimportantequelosprofesoresseanmuycuidadososeneldesarrollodelcontenido científico. Sin embargo, es igualmente importante que los profesores seanconcientesde larelevanciade lasconcepcionesalternativasdesusestudiantesparaelaprendizajeydelaposibilidaddecrearunambientedeaprendizajeenelquelaevalua-ciónyconfrontacióndelasideasseacomún,conelfindequelosestudiantespuedanirconstruyendounmodelodeenlacequímicoquetengasentidoparaellos,endondeelénfasissehagaenlacomprensióndelfenómenoelectroestáticoyenlautilidaddelosmodelosdeenlaceparalaexplicaciónyprediccióndelaspropiedadesmacroscópicasquepresentanlosmateriales.

Apartirdelaexperienciaquetenemosenlainvestigacióndelasideasdelosestudiantesatravésdelaintervencióneducativaqueincluyóentrevistasalosestudiantes,aplicacióndecuestionarios,diseñoyaplicacióndeactividadesdeenseñanzayobservacióndelaexpe-rienciaenelaula,sugerimosquelosprofesoresponganespecialatenciónaestospuntos,dadoqueenestosaspectosesenlosquesepuedenpresentarmayoresdificultades.

La regla del octeto como principio explicativo:Cuandopreguntamosalosestudianteslascausasdelenlacequímico,larespuestamáscomún,serelacionaconprincipiosrelativosalaregladelocteto,yaseacompartiroacomodarelectrones,tenerunacapaexternallena,oexplícitamentetenerochoelectrones.Sibien,laregladeloctetoesun“principioheurís-tico”quefuncionaparaexplicarelenlace,noexisteenellaningúnprincipioexplicativo,salvosiacasolamentadaestabilidaddelosgasesnoblesconochoelectronesensucapadevalencia.UnadelasrazonesqueTaber(1997a,b,1999),postulaparaexplicarporquéelprincipiodeloctetoestanpoderoso,esqueeselmarcomáscoherenteposiblequelos

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estudiantes(y,porquénodecirlo,¡tambiénlosprofesores!)tienenalamano.Enestecasotenemos,porlotanto,unafuerteinfluenciahistórica.SeguimospensandocomolohizoLewisen1916,comosinosehubieradadoposteriormentelaquímicacuántica,quetantasnuevasinterpretacionesalenlaceaportó,tantaslimitacionesencontradasala“regladelocteto”,ytantosejemplosdenocumplimientodelaregla(enestecasoexistenmáscon-traejemplosqueejemplos).Hayquerecordar,quesuaceptacióngeneralimpidiócualquierintentoserio,antesde1962,parasintetizarcompuestosdegasesnoblesquedesdeelpuntodevistatécnicopodríanhabersesintetizado20añosantesdeloquesehizo.

La inexistencia de “moléculas iónicas”6. Tuvimospresentelaestrategiaplanteadadenoescribirelprocesodeformacióndeiones,sinomásbienhacerénfasisenlareddeionesqueseformayqueledaalassustanciasconesteenlacesuscaracterísticasparticulares.Resultandignasdetomarseencuentalasconjeturas“delavalencia”,“histórica”y“deso-lamentefuerzas”(presentadasenlasección5deesteescrito),porlascualeslosalumnosdesembocanenlapresenciademoléculasenloscompuestosiónicos.Loanteriornoindicalainexistenciaencondicionesexperimentalesmuyespecíficasdelosdenominados“paresiónicos”.

La representación adecuada de los metales y de los sólidos covalentes. Despuésdela intervención,losestudiantesrepresentanconmayorprecisiónlaestructurainternadeunclavodehierro(Fe)ydeundiamante(C).Esteesunaspectoenelquenosehaceénfasisenmuchoslibrosdetextoyenlasestrategiastradicionalesdeenseñanza.Sinem-bargo,alutilizarlosmodelosdeenlaceparaexplicarladiversidadenlaspropiedadesdelosmateriales,nosparecefundamentalhablardelasredescovalentesymetálicas(enelcapítulo4deestelibrosepresentauntratamientodelconceptodeenlacequímicoquehaceénfasisenesteaspecto).

El punto de fusión y su relación con el enlace. Explicaciones unicausales. Elpuntodefusióndeunasustanciaesunapropiedadqueserelacionacon:

• Lafuerzadelenlaceentrecadaunodelosnúcleosqueformanlosmateriales • Lacantidadydireccionalidaddeestosenlaces,esdecir,laestructuradelosmateriales.

Sinembargo,atravésdenuestroestudio,podemosdarcuentaquesólounporcentajemuyreducidodelosalumnostomaenconsideraciónambosfactoresparaexplicaraquésedebequelosmaterialestenganpuntosdefusióntandiversos.Susexplicacionessonunicausales.Estoesalgoalocualvalelapenaponeratención,nosóloparalacompren-sióndeesteconceptosinotambiénporqueesteesunaspectocomúneimportantedelacomprensióndemuchosotrosconceptos(StainsyTalanquer,2007).

Del conocimiento declarativo al conocimiento explicativo. Comoresultadodeestaintervenciónesposibleconstatarquelosalumnostransitandesderespuestasmeramentedeclarativascomoresultadodelaexperimentacióninicial,talescomo:“los átomos se unen

requierenaparatosespecialesypuededecirsequelossólidosiónicosnoconducenlacorrienteeléctrica

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por sus cargas”,obien,“los átomos se unen para ser más estables”,haciarespuestasquecon-tienenalgúntipodeexplicacióndelfenómenoalfinaldelainstrucción,comoporejemplo: “los átomos se unen, porque al obtener ocho electrones en su última órbita, son más estables”,obien,“las partículas cargadas de los átomos, protones y electrones, interactúan provocando la atracción”.Así,aunquenoacabalagranmayoríadeasimilarlasrazonescientíficasquehaydetrásdelosenlacesquímicos,vanutilizandoestrategiasmásracionalesenelanálisisdelosmismos.

Hacia un enfoque electrostático de orden general.Cerramosestecapítuloconlamen-cióndeunaconclusiónimportantedeestaintervencióneducativa:losalumnosnoalcanzanareunirunarazónelectrostáticaplausibleparaexplicarlosdistintosmodelosdelenlacequímico.Nosotroshemosincorporadovarioselementosenestesentidoenlaestrategiadidáctica,sobretodoenlasección6Bytambiénenlasección8,haciaelfinal.Nopodemosdarreferenciasdelibrosdetextoquesíintentencubrirtodoslosmodelosdeenlaceconunmodeloelectrostáticocomúnquepermitaracionalizarquelosdiversosmodelossonpartedelmismofenómeno.Noconocemoslibrosdetextoconesacaracterística.

Pudimosdarnoscuenta,alfinaldelaestrategiadidáctica,quelosalumnostienenlaideadequelosmodelosdeenlacequímicosonexplicacionesalternativas,sóloaplicables,cadaunodeellos,auntipodesustancia,esdecir,quenotienenelementosencomún.SolbesyVilchis(1991)hanencontradoqueescomúnqueloslibrosdetextoabordencadaunodelosmodelosdeenlacecomodescripcionesrealesycorrectasmásquecomoaproximacionesconlimitacionesinherentes7.

Borsese(1991)sostieneque“no debe preocuparnos la diferencia entre la complejidad de los modelos que se utilizan y la realidad que pretenden explicar, sino más bien, hacer que los estudiantes sean conscientes del rol provisorio de los modelos, de su significado y de sus limita-ciones”.Borseseconsideraquepuedeutilizarseunenfoqueelementaldelenlacequímicoquesederiveapartirdeunaúnicamatrizconceptualbasadaenlasinteraccionescoulom-bianasdeatracción.BorseseyEsteban(2001,Pp.95)intentanunaexplicaciónelectrostáticaaplicableparatodoslosmodelosdeenlace.Esbienciertoqueéstepuedeserunmodelomuysimplificado,peropermiteexplicardemaneracualitativalatendenciadelosátomosaunirseentresí,locualpuedesersuficienteparauncursodequímicabásica,porquepermiteatravésdealgunosconceptos(carganuclearefectiva,leydeCoulomb,núcleo,electrones),interpretartodoslosmodelosdeenlace,yademáspromueveaprendizajesposterioresmásprofundosrelacionadosconestetema.

SegúnTaber(1997a),lamejorformadeavanzarenlacomprensióndelenlacequímicoenestenivel,debecaracterizarseporlaconstruccióndeunesquemabasadoenlosprincipioselectrostáticos.Setratadedaralosestudiantesunmarcoexplicativoquetengasentidoparaellos,queseapoderosoparaexplicarfenómenosdiversosyquenotengaqueadoptar

6 Véanselasrespuestasalapregunta5bdelcuestionariodediagnóstico,enelCapítulo2. 7 Véanselasrespuestasalapregunta10delcuestionariodediagnóstico,enelCapítulo2,quecorroboranquelos

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unmarcodeexplicaciónenelquelosátomosquierenynecesitantenerochoelectronesensuúltimaórbita,“porqueasíessunaturaleza”.

Lasinvestigacionesrecienteseneducaciónquímica,muestranuninteréscrecienteporhacerénfasisenlacompresióndelosconceptosmásalládelamemorizacióndealgoritmosodatos(Niaz,2001),esporellofundamentalqueenlaenseñanzadeconceptoscentralesparaelestudiodelaquímica,comoeseldelenlace,setiendaalacomprensióndelfenómeno,demodoquetengasentidoparalosestudiantesqueloaprenden.Esporelloimportantedecisiónelabordarloselementosquelessoncomunesalosdiversosmodelosdeenlace,másalládehacerunaexposiciónyexplicaciónexhaustivadelascaracterísticasdecadaunodeellos.Deestamanerasepuedenubicartodoslosmodelosdeenlacebajounmismomarcoconceptual,cuestiónquehapermanecidoajenaalaenormemayoríadeloslibrosdetextodequímicayalaenseñanzaenlosnivelespreuniversitarios(ytambién,engranmedida,enlosplanesdeestudios).

Finalmentehayqueinsistirenqueapesardequenuestroempleodellenguajenoesloprecisoquedebieraseryquedecimos,yaquílohemoshecho(comotambiénsehaceenlamayoríadeloslibrosdetexto),quehaycompuestoscovalentes,iónicosometálicos,loqueenrealidadtenemos(almenosdesdelosúltimosresultadosexperimentales)sonnúcleosyelectronesqueinteractúanentresídandolugaradiferentesmaterialesqueexplicamosapartirdediferentesmodelosdeenlace.

10. ActividAdes de AplicAción y evAlUAción

EnelApéndiceCsepresentanalgunasactividadesquepuedenutilizarsecomounaformadeevaluarlaconstruccióndelconocimientoporpartedelosestudiantes.Esfundamentalquelosprofesorestenganclaroquelaevaluacióndebeserunaspectocontinuodecualquierestrategiadidáctica.Nosotrospresentamosaquíalgunasideasquepuedenserutilizadasporlosprofesorescomopartedeestaevaluación.Estasactividadestienencomoobjetivoquelosestudiantesutilicenlosconceptosrelacionadosconelenlacequímicoyexpresensusideasyconcepcionesrespectoalsentidodeestosconceptos.

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