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Enlace químico y estructura El reto de integrar los distintos niveles estructurales Aureli Caamaño

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Didáctica de las Ciencias Experimentales • núm. 86 • pp. 4-7 • octubre 2016

ENLACE QUÍMICO Y ESTRUCTURA

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l enlace químico y la estructura atómico-molecular de las sustancias es uno de los temas cruciales del currículum de química y uno de los que presentan mayores dificultades conceptuales y representacionales.

El tipo de estructura de cada sustancia depende del tipo de partículas submicroscópicas que la constituyen y del tipo de enlace o interacción entre estas partículas. Para dar cuenta de la diversidad de propiedades que presentan las sustancias es preciso imaginar diferentes tipos de enlace y de estructuras multiatómicas o multimoleculares. Sin embargo, habitualmente la enseñanza del enlace químico se inicia planteándose el proceso de unión de dos átomos para formar una molécula diatómica o bien de dos átomos para formar un par de iones, desde la perspectiva de la regla del octeto. La problemática del nivel estructural más adecuado para dar cuenta de las propiedades de las sustancias es de hecho una cuestión esencial en la modelización del enlace químico. Por un lado, los enfoques tradicionales modelizan el enlace a partir de las uniones de las partículas subatómicas (enfoque de «abajo» a «arriba») y sólo después de establecidos los distintos modelos de enlace intentan explicar las propiedades de las sustancias a partir de los modelos elaborados. Por otro lado, enfoques más modernos intentan elaborar modelos de enlace que den cuenta de las diferentes propiedades de las sustancias moleculares, covalentes reticulares, iónicas y metálicas (enfoque de «arriba» a «abajo»), de modo que el modelo de enlace surja del intento de explicación de las propiedades físicas de las sustancias (Grup Recerca-Faraday, 1990). Este enfoque de «arriba» a «abajo» requiere diferenciar en primer lugar entre sustancias moleculares y sustancias con estructuras gigantes, y modelizar sus estructuras multimoleculares o multiatómicas haciendo hipótesis sobre la intensidad de los enlaces, antes de interpretar estos enlaces como interacciones electrostáticas entre átomos, iones o moléculas. Una modelización más detallada de la naturaleza de cada tipo de enlace se realiza a continuación para explicar el enlace covalente en las moléculas y el enlace en los sólidos, partiendo del conjunto de propiedades físicas que presentan: temperatura de fusión, fragilidad, dureza, solubilidad en diferentes disolventes, conductividad eléctrica, etc. Se trata pues de un enfoque iterativo que parte de algunas de las propiedades de las sustancias para modelizar su estructura multiatómica, multiiónica o multimolecular, para luego utilizar el modelo elaborado en la explicación y predicción del resto de propiedades.

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La enseñanza tradicional del enlace químico presenta muchas veces una falta de unidad de enfoque en la modelización de los diferentes tipos de enlace y no acaba de resolver bien la relación entre las propiedades de las sustancias y los tipos de enlace, al no acertar el nivel estructural de las sustancias en que debe plantearse la modelización. Por otro lado, la diversidad de modelos de enlace que es preciso construir no permite apreciar bien la naturaleza común de la interacción electrostática que subyace a todos ellos. La perspectiva tradicional de la enseñanza del enlace químico tiende a presentarlo como consecuencia de un proceso de compartición o transferencia de electrones entre átomos con el objetivo de satisfacer la regla del octeto, con lo que el énfasis se pone en el proceso de formación del enlace y no en su propia naturaleza física. Este enfoque sitúa el modelo del enlace en un nivel atómico o molecular, que sólo es apropiado para explicar el enlace entre los átomos que forman las moléculas, pero no el enlace que tiene lugar en los sólidos moleculares o en los sólidos con estructuras gigantes covalentes, iónicas o metálicas. Asimismo, este enfoque del enlace como proceso se abandona cuando se aborda la explicación del enlace metálico, que se modeliza como una interacción electrostática entre los iones positivos y electrones de valencia de una estructura gigante ya establecida, pero en cambio se sigue utilizando cuando el enlace intermolecular se ilustra a través de la interacción electrostática entre un par de moléculas, sin realizar una modelización global de esta interacción en el conjunto de la estructura multimolecular. No existe pues una uniformidad estructural en el tratamiento de los distintos modelos de enlace. El uso de la regla del octeto para fundamentar el enlace químico covalente e iónico da lugar a una serie de concepciones alternativas que es preciso evitar. La idea de que los sólidos iónicos están formados por pares iónicos o que los iones con la última capa completa son más estables que los átomos de los cuales proceden son algunas de las concepciones alternativas más comunes entre los estudiantes a causa de la aplicación indebida de la regla del octeto. Es urgente, pues, plantearse cambios en la modelización del enlace químico que se realiza en las aulas y en los libros de texto y corregir algunos enfoques que no ayudan a superar las dificultades conceptuales que presenta este tema. L a presente monografía pretende aportar elementos de reflexión y propuestas y recursos didácticos que ayuden a realizar este cambio. El monográfico se inicia con un artículo de Aureli Caamaño (pp. 8-18), que es una crítica fundamentada a la presentación tradicional del enlace químico y de la estructura de las sustancias en la educación secundaria. Se describe en primer lugar el enfoque tradicional de la enseñanza del enlace químico basado en la regla del octeto, se realiza a continuación una crítica fundamentada de este enfoque y, por último, se proponen una serie de recomendaciones didácticas para abordar la modelización del enlace químico desde una perspectiva que destaque la naturaleza eléctrica común de la interacción entre átomos, iones o moléculas y evite las concepciones alternativas descritas. Keith S. Taber profundiza en su artículo (pp. 19-27) en las dificultades de aprendizaje del enlace químico y de la estructura y propiedades de las sustancias. En particular, hace notar la dificultad intrínseca que presentan las teorías explicativas de la química por el hecho de no fundamentarse en una ontología de objetos materiales perceptibles, sino en un conjunto de partículas submicroscópicas

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que forman parte de un mundo imaginario muy diferente al que observamos y percibimos. Además de esta dificultad intrínseca de la química, Taber destaca que aparecen otras dificultades debidas a la pedagogía que se utiliza en las clases de química. Por ejemplo, alude a las discontinuidades de aprendizaje que se producen a medida que se progresa en la modelización del enlace químico, así como en la ambigüedad del lenguaje químico utilizado. Por último, aborda el problema de los modelos engañosos como, por ejemplo, el excesivo énfasis en afirmar que todo está hecho de átomos o el mal uso de la regla del octeto como esquema conceptual alternativo para explicar la estabilidad química, la estructura y la reactividad. Gabriel Pinto propone una serie de actividades experimentales y de modelización (pp. 28-33) para identificar el tipo de enlace predominante en distintos tipos de sustancias y comprender su estructura. Unas se refieren a la determinación de propiedades físico-químicas como la temperatura de fusión, la solubilidad en diversos disolventes, la conductividad eléctrica y la volatilidad, y otras a la construcción de modelos moleculares y su uso para razonar sobre la estructura de las sustancias en relación con sus propiedades. En concreto se plantea la comparación entre las estructuras del grafito y el diamante, y entre las diferentes formas alotrópicas del azufre. Jordi Cuadros, Roger Estrada y Laia Ros (pp. 34-38) nos presentan programas informáticos de modelización molecular de uso común en investigación que permiten explorar las estructuras de las moléculas y las estructuras gigantes, así como predecir las propiedades de las mismas. Y nos proponen una serie de actividades adecuadas al nivel de la enseñanza secundaria, tales como la observación de las longitudes de los enlaces en moléculas orgánicas, la geometría de algunas moléculas en relación con los enlaces y los pares de electrones no compartidos, y la visualización de algunas estructuras gigantes, como la halita. Por último, Aureli Caamaño (pp. 39-45) propone una secuenciación didáctica para la modelización del enlace químico, en donde se considera fundamental partir de la diferenciación entre estructuras multimoleculares y estructuras gigantes, antes de abordar la naturaleza de los diferentes modelos de enlace –intermolecular, covalente, iónico, metálico–, como un intento de explicar las propiedades de los sólidos moleculares, covalentes, iónicos y metálicos. Fuera del monográfico, pero en íntima relación con el tema abordado en él, Eugenio Coronado aborda en la sección de «Actualización y reflexión» (pp. 47-53) las perspectivas que ofrecen los nuevos materiales basados en la nanociencia molecular. ◀

 Referencia bibliográfica GRUP RECERCA-FARADAY (1990): Química Faraday . Barcelona. Teide.

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