«Maquetas atómicas»

Descripción de la experiencia:

La presente actividad didáctica consiste en la construcción de diferentes maquetas sobre estructuras submicroscópicas como moléculas y redes. Para la elaboración de las mismas se ha de proporcionar al alumnado algunas indicaciones básicas sobre datos estructurales de las correspondientes sustancias. Además, se les proporcionará hechos experimentales (bien explicados en clase, bien observados de forma experimental), propiedades, fenómenos o aplicaciones de cada sustancia a fin de que trate de explicarlas mediante el modelo-maqueta construido. 

 

Marco curricular:

Actividad dirigida para las distintas materias de Física y Química de ESO y Bachillerato, aunque algunas maquetas pueden ser de interés para los contenidos sobre minerales de las materias de Biología y Geología.

 

Objetivos didácticos:

La actividad didáctica pretende fomentar una aproximación manipulativa y visual al aprendizaje de aspectos fundamentales en química como:

  • La estructura de sustancias moleculares, distinguiendo entre las diferentes interacciones intra- e intermoleculares.
  • La estructura de redes covalentes e iónicas, atendiendo a la diferente naturaleza de las interacciones y la disposición espacial de los átomos o iones constituyentes.
  • Las relaciones entre la estructura atómico-molecular y las propiedades de las sustancias observables a nivel macroscópico.

Se prente así que el alumnado:

  • Valore el uso de modelos para describir la estructura interna de la materia.
  • Interprete datos sobre el tamaño atómico/iónico, las distancias y ángulos de enlace o la disposición espacial de átomos, moléculas o iones para la construcción de los modelos.
  • Haga uso de los modelos construidos para explicar propiedades observables experimentalmente de las sustancias modelizadas.
  • Compare la forma en que se presentan las sustancias a escala macroscópica, la forma en que se simbolizan/representan dichas sustancias y su estructura a nivel submicroscópico.
  • Adquiera habilidades y destrezas manuales y de comunicación al presentar la maqueta construida ante el resto de compañeros y compañeras. En el caso de realizarse de forma grupal, la experiencia permite fomentar el trabajo en equipo. 
  • Desarrolle su creatividad en el ámbito de la enseñanza de las ciencias.

 

Resultados:

A continuación se recogen algunos resultados de la actividad, incluyendo una selección de maquetas de diferentes sustancias químicas. Además, se señalan aspectos didácticos significativos (como  concepciones alternativas manifestadas, errores conceptuales detectados, dificultades observadas y oportunidades de aprendizaje apreciadas) de interés para la puesta en práctica de la actividad.


Sustancias moleculares: el agua y sus estados de agregación

Datos estructurales relevantes para la construcción:

La distancia de enlace O-H es de 0,097 nm y el ángulo de enlace H-0-H es de 104,5º.

Aspectos didácticos significativos:

  • La existencia de huecos entre las moléculas de agua en el hielo es de especial interés para explicar su anómala densidad respecto a los sólidos de otras sustancias moleculares.
  • Merece la pena invitar al alumnado a que observe y compare las distintas maquetas y plantear cuestiones como: ¿todas las maquetas representan el agua de la misma forma? ¿qué ventajas tiene una forma de representar las moléculas de agua frente a otras? De este modo se puede reflexionar en clase sobre la convivencia de modelos para un mismo sistema/fenómeno en ciencias o las distintas formas tridimensionales de representación de moléculas (como los modelos de bolas-varillas y los modelos de esferas interpenetradas). 
  • Se ha observado que en ocasiones el alumnado asocia estado sólido con una situación totalmente estática de las moléculas que lo conforman. En este punto puede aprovecharse para trabajar el concepto de temperatura en el marco de la teoría cinético-molecular.
  • En la construcción de la maqueta se asumen constantes el ángulo y la distancia de enlace en la molécula de agua. Sin embargo, puede comentarse que sí se producen modificaciones intramoleculares estructurales durante la solidifación/fusión, lo que constituye un ejemplo de fenómeno físico en la frontera con el fenómeno químico. Esto llevó a autores como Wilhelm Ostwald a principios del siglo XX a cuestionar la división entre los fenómenos físicos y químicos que todavía usamos hoy.

Sustancias covalentes: el grafito

Datos estructurales relevantes para la construcción:

Se trata de una estructura laminar en la que las distancias C-C entre átomos de la misma lámina es de 0,142 nm y la distancia C-C entre átomos de láminas contiguas es de 0,335 nm. Para poner en valor estos datos, cabe destacar que la distancia de un enlace simple C-C es de 0,155 nm, mientras que la distancia de un enlace doble C=C es de 0,133 nm.

Aspectos didácticos significativos:

  • Los estudiantes suelen manifestar dificultades para "estabilizar" la maqueta al unir las capas. Esta situación puede servir para trabajar las débiles fuerzas entre capas y relacionarlas con fenómenos como la exfoliación.

Sólidos iónicos con estructura tipo NaCl

Datos de interés para la construcción de la maqueta:

Los cationes tienen un tamaño (r+) menor que el átomo neutro del que proceden, los aniones tienen un tamaño (r-) mayor que el átomo neutro del que proceden y los aniones son generalmente más grandes que los cationes en la red.

  • Para la sal común (cloruro de sodio): el radio del catión sodio es 95 pm (para el átomo neutro es de 154 pm) y el radio del anión cloruro es 181 pm (para el átomo neutro es de 99 pm).
  • Para la galena (sulfuro de plomo): el radio del catión plomo (II) es 120 pm (para el átomo neutro es de 202 pm) y el radio del anión sulfuro es de 190 pm (para el átomo neutro es de 102 pm).

Aspectos didácticos significativos:

  • Se ha apreciado que el alumnado con frecuencia confunde los "palitos" que unen las esferas en la maqueta con enlaces covalentes. En cursos superiores, puede explicarse la diferencia entre los "palitos" en este tipo de estructuras y los de estructuras moleculares o covalentes.
  • La maqueta permite introducir fácilmente el concepto de índice de coordinación. Además, puede comprobarse que las relaciones r+/r- tanto en la sal común (0,52) como en la galena (0,63) están próximos entre sí, lo que concuerda con el hecho de que tengan la misma estructura cristalina.
  • Especial mención merecen las referencias espontáneas del alumnado a este tipo de estructuras como «moléculas», lo que permite introducir la reflexión sobre la diferencia entre una red y una molécula, incidiendo en que en una red iónica siempre es posible seguir "poniendo iones" a nuestra maqueta, mientras que para "construir una molécula" se ha de disponer siempre de un número específico de átomos de cada elemento. Además, mientras que en las moléculas los "palitos cortos" entre átomos representan enlaces covalentes y los "palitos largos", fuerzas intermoleculares;  en las redes iónicas los "palitos" representan las direcciones de unión entre los iones por atracción electrostática (enlace iónico).
  • El alumnado colige de la maqueta que los iones en las redes están firmemente retenidos, lo que no permitiría la existencia de cargas en movimiento en estado sólido. Se trata de un aspecto de gran interés que permite introducir la cuestión: ¿cómo podríamos lograr que las cargas quedarán libres? Los estudiantes pueden representar el fenómeno de solvatación/hidratación a partir de la maqueta.
  • Conviene que el alumnado sea capaz de valorar el orden de magnitud de las distancias interiónicas (del orden del nm). En este contexto, se les puede plantear con qué tipo de ondas (longitud de onda grande o pequeña) la luz conseguirá "pasar y rebotar" entre los átomos de la red, presentando así el papel de los rayos X para la elucidación estructural de forma sencilla. Así se puede llegar a responder una cuestión de gran interés didáctico: ¿cómo sabemos la estructura de estas sustancias si no podemos verlas directamente?