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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
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