Aureli Caamaño

Universidad de Barcelona

Sociedad Catalana de Química

aurelicaamano@gmail.com

LOS NIVELES DE LA QUÍMICA Y LAS FORMAS DE

REPRESENTACIÓN

EL RETO DE INTEGRAR LOS DIFERENTES NIVELES

ESTRUCTURALES

Semana de

Educación

Química

”Educación Química”

UNAMFacultad de

Químicas

Ciudad de

México11-14 de junio de

2018

1. Los tres dominios de la química: realidad química, modelos

mentales y modelos representacionales

2. El enlace químico en relación a los niveles estructurales

3. La reacción química: niveles estructurales y formas de

representación

SUMARIO

1. LOS TRES DOMINIOS DE LA QUÍMICA: REALIDAD

QUÍMICA, MODELOS MENTALES Y MODELOS

REPRESENTACIONALES

Johnstone (1991) consideró que en química era necesario diferenciar tres niveles

de pensamiento: el nivel macroscópico, el submicroscópico y el simbólico

Dificultades en el aprendizaje debidas a la necesidad de integrar los tres dominios.

TRES NIVELES DE PENSAMIENTO DE LA QUÍMICA

Macroscópico

Submicroscópico Simbólico

Gabel (1993) se refirió al triángulo de Johnstone como una

representación de los tres niveles en los que la química puede ser

enseñada:

sensorial (nivel macroscópico)

átomos/moléculas (nivel submicroscópico)

simbólico (nivel representacional simbólico)

TRES NIVELES PARA LA ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

Talanquer (2011) ha señalado la gran influencia que ha tenido este

triplete del conocimiento químico en el campo de la educación química

en las tres últimas décadas

y la falta de comprensión sobre el significado de los componentes del

triplete.

- Niveles de pensamiento

- Niveles de enseñanza

- Niveles de conocimiento químico

EL TRIPLETE DE LA QUÍMICA

MUNDO REAL Y CONCEPTUALIZACIÓNDOS NIVELES DE CONCEPTUALIZACIÓN: MACRO I SUBMICRO

Entidades y

sucesos en el

mundo

externo

Percibidos

como

fenómenos

Nivel macroscópico:

sustancias, reacciones

químicas, etc.

Nivel submicroscópico:

átomos, moléculas, iones,

interacciones eléctricas,

etc.

Taber, 2013: Introduce el mundo real (sucesos) y dos niveles de conceptualización (macroscópica y

submicroscópica

explicados en función del

Conceptos y modelos

Mundo real

La conceptualización del mundo real (entidades, interacciones y fenómenos

químicos) se realiza a través de la elaboración de modelos mentales y se expresa a

través de modelos representacionales , que implican representaciones verbales,

matemáticas, gráficas, materiales y simbólicas.

UN TRIPLETE DIFERENTE: REALIDAD, MODELOS

MENTALES Y MODELOS REPRESENTACIONALES

Mundo real o realidad química

(entidades, interacciones y

procesos)

Modelos

representacionales:

verbales, gráficos, materiales,

simbólicos

(Representación verbal, matemática,

gráfica, simbólica…)

Modelos mentales

Diferenciación entre modelos mentales y modelos materiales o representacionales (Chamizo, 2011, Caamaño 2014)

Diferenciación entre entidades, interacciones y procesos (Caamaño 2014) )

DIFERENTES ELEMENTOS DE LA REALIDAD QUÍMICA

Mundo real

(Referentes ontológicos)

Entidad

material

Propiedad de

una entidad Interacción Propiedad de

un proceso Proceso

(cambio)

Temperatura de

fusión

Masa atómica

Volumen atómico

Masa molecular

Energía de

reacción, velocidad

de reacción

Energía de enlace

El proceso de medición confiere a las propiedades la categoría de magnitudes físico-químicas.

La constante de Avogadro actúa de puente entre las propiedades submicroscópicas y las macroscópicas

molares. (Caamaño, 2014)

Afinidad

química

Fuerza

intermolecular,

enlace

Cambio de estado

Reacción química

Reacción

elemental

sustancias

átomos,

moléculas,

iones

Longitud

de enlace,

energía de

enlace

Propiedad

de una

interacción

Dos

niveles:

macro y

submicro

DOS NIVELES DE CONCEPTUALIZACIÓN DE LOS

MODELOS: MACRO Y SUBMICRO

Entidades y

sucesos en el

mundo

externo(entidades,

interacciones,

procesos y

propiedades)

Nivel macroscópico:

sustancias, propiedades,

reacciones químicas, etc.

Nivel submicroscópico:

átomos, moléculas, iones,

propiedades atómicas y

moleculares, interacciones

eléctricas, etc.

MUNDO REAL MODELOS MENTALES MODELOS REPRESENTACIONALES

Nivel macroscópico

Términos, ecuaciones

matemáticas, representaciones

gráficas, modelos materiales y

símbolos, fórmulas y ecuaciones

de nivel macroscópico

Nivel submicroscòpico

Términos, ecuaciones

matemáticas, representaciones

gráficas, modelos materiales y

símbolos, fórmulas y ecuaciones

de nivel submicroscópico

La diferenciación entre los niveles macroscópico y submicroscópico de la conceptualización (conceptos y

modelos mentales) se extiende a los modelos representacionales (términos, diagramas, símbolos…)

DOS NIVELES SUBMICROSCÓPICOS:

“ATÓMICO-MOLECULAR Y “MULTI”

Multiatómico

Multimolecular

Multiiónico

Nivel submicroscópico

Atómico-molecular

El nivel submicroscópico es útil subdividirlo en un nivel atómico-molecular y un nivel multiatómico,

multimolecular o multiiónico. También denominado “meso-atómico”.

Una estructura multimolecular es un conjunto ininterrumpido de moléculas

unidas por fuerzas intermoleculares y, a veces, por enlaces de hidrógeno.

Ambas interacciones són débiles sustancias con bajo punto de fusión y de ebull ición.

Una estructura gigante es un conjunto ininterrumpido de átomos o iones fuertemente unidosentre sí. La unión puede ser debida a enlaces covalentes (sólidos reticulares covalentes) o alenlace iónico (sólidos iónicos) o al enlace metálico (sólidos metálicos) .

Son interacciones fuertes sólidos de alta temperatura de fusión.

¿QUÉ ENTENEMOS POR NiVEL “MULTI”?

las estructuras multimoleculares y las estructuras gigantes

TRES NIVELES DE CONCEPTUALIZACIÓN Y

REPRESENTACIÓN DEL MUNDO REAL:

MACRO, MULTI Y ATÓMIC0-MOLECULAR

Entidades y

fenómenos

macroscópicos

Nivel macroscópico:

sustancias, reacciones

químicas, etc.

Nivel atómico-molecular

MUNDO REAL MODELOS MENTALES MODELOS REPRESENTACIONALES

Términos, representaciones

gráficas, modelos materiales y

símbolos a nivel macroscópico

Términos, representaciones

gráficas, modelos materiales y

símbolos de nivel atómico-

molecular

Introducción del nivel multiatómico, multimolecular o multiiónico en los modelos mentales y

representacionales

Nivel multiatómico,

multimolecular o

multiiónico

Términos, representaciones

gráficas, modelos materiales y

símbolos a nivel “multi”

Nivel

Entidades

Conceptos y términos Elementos representacionales

macroscópico - Material, sustancia, mezcla, elemento,

sustancia elemental, compuesto químico,

componente de una mezcla.

- Ácido, base, sal, oxidante, reductor.

- Instrumentos de laboratorio y de medida,

electrodo, pila.

- Términos verbales

- Fotografías

- Esquemas clasificatorios

- Fórmulas con el estado físico de la sustancia

- Esquemas de los instrumentos de

laboratorio.

atómico-molecular

(y subatómico)

Partícula, átomo, molécula, ión, unidad fórmula.

Intermediario o especie activa.

Estado de transición o complejo activado.

Núcleo, electrón.

- Símbolo químico, fórmula química, fórmula

molecular, fórmula de una unidad-fórmula,

fórmula estructural, fórmula de un ión.

- Diagrama de Lewis de un átomo o de una

molécula

- Modelos atómicos

“multi” Estructura multimolecular, estructura gigante

(multiatómica o multiiónica).

- Diagramas y modelos de bolas y barras

multimoleculares, multiiónicos o multiatómicos,

CONCEPTOS Y MODELOS REPRESENTACIONALES DE

LAS ENTIDADES MATERIALES Y SU ESTRUCTURA

CONCEPTOS Y MODELOS REPRESENTACIONALES DE

LAS INTERACCIONES

Interaccionesnivel

Conceptos y términos Elementos representacionales

atómico-molecular • Enlace covalente en una molécula

• Fuerza intermolecular entre dos moléculas

(fuerzas de dispersión, fuerzas dipolo-

dipolo, fuerzas dipolo-dipolo inducido),

fuerza ión-dipolo, enlace de hidrógeno.

- Línea entre símbolos de átomos

- Línea discontinua

- Diagrama fuerza-distancia interatómica.

“Multi” • Fuerza intermolecular promedio entre el

conjunto de moléculas.

• Interacción electrostática entre los iones de

una estructura iónica.

• Interacción entre los iones positivos y

electrones deslocalizados en una estructura

metálica.

- Representación de la interacción en la estructura de

sólidos iónicos, covalentes reticulares, metálicos y

moleculares.

Procesos físicos y

químicos

Nivel

Conceptos y términos Elementos representacionales

macroscópico - Cambio de estado, disolución

- Equilibrio de cambio de estado

(fusión, disolución…)

- Reacción química

- Equilibrio químico

- Ecuaciones de cambio de estado

- Ecuación química con fórmulas con el el

símbolo del estado físico

“multi”

-Reacción química a nivel

multimolecular o multi-atómico/iónico

- Equilibrio dinámico molecular

- Diagramas de equilibrios físicos con

flechas que indican velocidades,

- Diagramas “multi” de la reacción

química tipo ecuación química o

diagramas del sistema reaccionante.

- Ecuación química con fórmulas con el

estado físico

- atómico-molecular - Reacción elemental

- Mecanismo o secuencia de reacciones

- Ecuación química atómico-molecular

- Ecuaciones químicas de las reacciones

CONCEPTOS Y MODELOS REPRESENTACIONALES DE

LOS CAMBIOS FÍSICOS Y QUÍMICOS

2. EL ENLACE QUÍMICO EN RELACIÓN CON LOS NIVELES

ESTRUCTURALES

LOS NIVELES ATÓMICO, MOLECULAR, “MULTI” Y

MACROSCÓPICO EN RELACIÓN A LA ESTRUCTURA Y EL ENLACE

Fuerzas

intermoleculares/

Enlace de hidrógeno

Sustancia

Moléculas

Átomos

Enlace covalente

Enlace covalente

Enlace iónico

Enlace metálico

PropiedadesMacroscópico

Multimolecular

o estructura

gigante

Molecular

Atómico

Núcleos y

electrones

Iones

Estructuras

multimoleculares

Estructuras

gigantesN

ive

l

interacción electrostática existente entre:

➢ los núcleos y los electrones de valencia en una molécula

➢ en una estructura reticular covalente

➢ los iones positivos y negativos de una estructura gigante iónica.

➢ los iones positivos y los electrones deslocalizados de una

estructura gigante metálica.

➢ las moléculas en un sólido molecular

EL ENLACE COMO INTERACCIÓN

El enlace

como

interacción

MOLÉCULA

SÓLIDO IÓNICO SÓLIDO METÀLICO SÓLIDO RETICULAR

COVALENTE

SÓLIDO

MOLECULAR

EL ENLACE COMO PROCESO Aproximación de los átomos y disminución de la energía

potencial

Representación gráfica de

la relación entre la energía

potencial y la distancia

entre los átomos

(nivel atómico-molecular)

El enlace

como proceso

Pueden usarse representaciones análogas en las estructuras multimoleculares y las estructuras gigantes.

Formación de

un enlace

covalente

¿CUÁL ES EL NIVEL ESTRUCTURAL ADECUADO PARA

MODELIZAR LOS DIFERENTES TIPOS DE ENLACE?

MOLÉCULA SÓLIDO IÓNICO SÓLIDO METÀLICO SÓLIDO RETICULAR

COVALENTE

SÓLIDO

MOLECULAR

ENSEÑANZA TRADICIONAL DEL ENLACE COVALENTE E IÓNICO

Los enlaces covalente e iónico se expl ican al mismo nivel (atómico -molecular) ,

como desplazamientos de los e lectrones de valencia entre átomos para cumpli r

la regla del octeto

REGLA DEL OCTETO: “Los átomos, cuando se unen, tienden a organizar sus

capas electrónicas externas ganando, perdiendo o compartiendo electrones

hasta adquirir la estructura del gas noble más próximo, que es más estable.

Representaciones

gráficas a nivel

atómico-molecular.

La regla del octeto es una regla heurística, no es un modelo basado

en la interacción eléctrica entre electrones, núcleos, iones…

Induce a pensar que se forman pares iónicos Na+Cl -

INCONVENIENTES DE USAR LA REGLA DEL OCTETO

EL USO DE LA REGLA DEL OCTETO DIFICULTA CENTRAR LA ATENCIÓN EN EL ENLACE

COMO INTERACCIÓN ELECTROSTÁTICA

La formación de un par de iones no está favorecida energéticamente.

Na(g)+ Cl(g) Na+(g) + Cl -(g)

Na(g) Na+(g) + 1e - ∆H° f = + 493,7 kJ mol -1

Cl(g) + 1e- Cl -(g) ∆H° f = - 364,4 kJ mol -1

La formación del ión Cl - es favorable energéticamente, pero no la del ión Na+, y no se compensa la energía necesaria en la formación del Na+ con la desprendida en la formació del Cl -.

La regla del octeto induce a pensar que la formación de

un par de iones es favorable energéticamente

Ecuaciones

químicas a

nivel molar

El proceso solo es posible energéticamente gracias a la aproximación de los

iones para formar una estructura gigante iónica.

Na(g) Na+(g) + 1e - ∆H° f = + 493,7 kJ mol -1

Cl(g) + 1e - Cl -(g) ∆H° f = - 364,4 kJ mol -1

Na+(g)+ Cl -(g) Na+Cl -(s) ∆H° ret= -769,0 kJ mol -1

¡Es la energía reticular la que hace posible el proceso!

El problema reside en que:

la formación de una molécula es un proceso que tiene lugar a escala atómico-

molecular,

Pero, la formación de un sólido iónico tiene lugar a escala multiiónica.

No se puede explicar de la misma manera la formación del enlace en una molécula

que en una estructura gigante, porque son estructuras que corresponden a niveles

estructurales diferentes.

No puede explicarse de la misma manera la formación del

enlace en una molécula que en una estructura gigante iónica

La regla del octeto es útil para:

predecir las valencias iónica y covalente más probables de los

elementos de los tres primeros períodos de la taula periódica,

pero, no es un buen modelo para explicar el enlace químico.

¿Entonces, qué hacer con la regla del octeto?

[Na]+

Mezcla reglas heurísticas, como la regla del octeto, con modelos de

interacción.

No se plantea siempre en el nivel estructural adecuado (por ejemplo, plantea

el enlace iónico en un nivel inadecuado).

Frecuentemente relaciona las propiedades de las sustancias solo con el tipo

de enlace, sin tener en cuenta la estructura “multi” de las sustancias.

EN RESUMEN

La enseñanza tradicional del enlace químico

3. LA REACCIÓN QUÍMICA: NIVELES Y FORMAS DE

REPRESENTACIÓN

Niveles

- nivel macroscópico

- nivel multimolecular, multiatómico o multiiónico

- nivel atómico-molecular

Formas de representación (modelos representacionales)

- diagramas

- ecuaciones

Las reacciones químicas en las que intervienen estructuras gigantes solo deben

representarse a nivel multiatómico o multiiónico.

Interpretación de una reacción química entre moléculas a escala atómico -molecular

DIAGRAMA Y ECUACIÓN QUÍMICA ATÓMICO-MOLECULAR

DE UNA REACCIÓN ENTRE MOLÉCULAS

H2 + H2 + O2 H2O + H2O

2 H2 + O2 2 H2O

Diagrama atómico-

molecular de la

reacción

Ecuación química

(a nivel atómico-molecular)

Representación de una reacción química con diagramas multimoleculares

DIAGRAMA Y ECUACIÓN QUÍMICA MULTIMOLECULAR DE

UNA REACCIÓN QUÍMICA ENTRE MOLÉCULAS

Los recuadros representan los volúmenes relativos de los gases, hidrógeno y oxígeno, que reaccionan y del vapor de agua que

se forma. Las moléculas representadas se encuentran en proporción estequiométrica. La visualización de la relación

estequiométrica se facilita con los recuadros con líneas discontinua.

2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(g) Ecuación química

(nivel multimolecular y macro)

¿QUÉ OCURRE CUANDO QUEREMOS REPRESENTAR UNA

REACCIÓN QUÍMICA EN QUE INTERVIENEN

ESTRUCTURAS GIGANTES?

ECUACIÓN QUÍMICA Y DIAGRAMA A NIVEL ATÓMICO DE

UNA REACCIÓN CON ESTRUCTURAS GIGANTES

2Na + Cl2 2NaClEcuación química a

nivel atómico

Diagrama a nivel

atómico-molecular

erróneo

Representación errónea a escala atómico-molecular de la reacción de formación del cloruro de sodio

2Na + Cl2 2Na+Cl-

REPRESENTACIÓN A NIVEL “MULTI”

2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)

Diagrama “multi”

de la reacción de

formación del

NaCl(s)

Diagramas

multiatómicos,

multimoleculares y

multiónicos

Ecuación química a nivel ”multi”

y macroscópica

En ese caso, es preciso utilizar representaciones o diagramas

multiatómicos y multiiónicos .

LA REPRESENTACIÓN DE UNA REACCIÓN QUÍMICA A

NIVEL ATÓMICO-MOLECULAR ES INADECUADA EN EL

CASO EN QUE INTERVENGAN ESTRUCTURAS GIGANTES.

OTRA FORMA DE REPRESENTACIÓN A NIVEL MULTI:

DIAGRAMA DEL SISTEMA REACCIONANTE

Diagramas multimoleculares del sistema reaccionante "hidrógeno + oxígeno agua" al inicio y al final de la reacción

Permite apreciar las cantidades relativas que existen de reactivos y productos en un momento determinado.

Se muestra reactivos y productos juntos (mezcla) a diferentes tiempos.

Permite visualizar el reactivo que está en exceso y, por tanto, deducir el

reactivo limitante de la reacción.

Se puede mostrar mejor la evolución de la reacción en paralelo con la

representación macroscópica.

VENTAJAS DE LA REPRESENTACIÓN DEL SISTEMA

REACCIONANTE

REPRESENTACIÓN DE LA REACCIÓN DE FORMACIÓN DEL ÓXIDO DE MAGNESIO EN

LOS NIVELES MACROSCÓPICO, MULTI Y SIMBÓLICO, MEDIANTE

FOTOGRAFÍAS, DIAGRAMAS DEL SISTEMA REACCIONANTE EN LOS MOMENTOS

INICIAL, INTERMEDIO Y FINAL, Y LA ECUACIÓN QUÍMICA (NIVEL MACRO)

(Tomado de Brown et al., Química. La ciencia central, 2014, p.82).

Las representaciones “multi” son imprescindibles para una correcta

comprensión de:

▪ el enlace químico en las estructuras gigantes.

las reacciones químicas, especialmente aquellas en que intervienen

estructuras gigantes.

el significado de las fórmulas y las ecuaciones químicas.

Las representaciones “multi” de la estructura de las sustancias y de

reacciones deberían siempre preceder a la representación simbólica

mediante fórmulas y ecuaciones químicas.

EN CONCLUSIÓN: LAS REPRESENTACIONES MULTI

En dos ámbitos conceptuales–la estructura de las sustancias y el enlace químico, y la reacción química–, hemos visto:

la conveniencia de diferenciar entre los niveles macroscópico, atómico-molecular y multi-atómico-molecular,

la necesidad de abordar el nivel “multi” tanto en las sustancias molecularescomo en las sustancias con estructuras gigantes.

la importancia de los diversos modelos representacionales (verbales,matemáticos, gráficos, materiales, simbólicos) para la elaboración demodelos mentales adecuados.

CONCLUSIONES FINALES

CAAMAÑO, A., 2014. La estructura conceptual de la química: realidad, conceptos yrepresentaciones simbólicas, Alambique , 78, 7-20.

CAAMAÑO, A., 2016. Un enfoque para vencer errores y ambigüedades. Enlace químico yestructura de las sustancias en secundaria, Alambique, 86, 8-18.

CAAMAÑO, A., 2016. Secuenciación didáctica para el aprendizaje de los modelos deenlace, Alambique, 86, 39-45.

CAAMAÑO, A., 2015. Enllaç químic i estructura de les substàncies a l ’educaciósecundària: una crítica a l ’ensenyament tradicional i una proposta didàctica alternativa,Educació Química EduQ , 21, 4-12.

CAAMAÑO, A., 2017. Formas y niveles de representación de las reacciones químicas. Uninstrumento esencial para la comprensión del cambio químico. Alambique. Didáctica delas ciencias experimentales, 90, 8-16.

BIBLIOGRAFÍA

CHAMIZO, J.A. (2010): «Una tipología de los modelos para la enseñanza de lasciencias». Revista Eureka de Enseñanza y Divulgación de las Ciencias , núm. 7, 26-41.

GABEL, D.L. (1993): «Use of the particle nature of matter in developingunderstanding». Journal of Chemical Education , 70, 3, p. 193.

JOHNSTONE, A.H. (1982): «Macro and microchemistry». School Science Review , 64,pp. 377-379.

TABER, K.S. (2013): «Revisiting the chemistry triplet: drawing upon the nature of chemical knowledge and the psychology of learning to inform chemistry education». Chemistry Education: Research and Practice, 14,2, 156-168.

TALANQUER V. (2011). Macro, submicro, and symbolic: the many faces of thechemistry ‘ ‘triplet ’ ’ , International Journal of Science Education, 33(2), 179–195.

BIBLIOGRAFÍA