¿CÓMO PODEMOS ENFOCAR LA ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA COMO UN PROCESO DE MODELIZACIÓN?

LA MODELIZACIÓN DEL ÁTOMO: ¿RECREACIÓN DE LOS MODELOS HISTÓRICOS O CREACIÓN DE MODELOS PROPIOS?

Aureli Caamaño

Universidad de BarcelonaSociedad Catalana de Química

aurelicaamano@gmail.com

Semana de Educación Química

”Educación Química”

UNAMFacultad de Químicas

Ciudad de México11-14 de junio de 2018

1. Los procesos de modelización escolares2. Los modelos científicos escolares y los modelos científicos

históricos3. La complejidad de la reconstrucción de los modelos

históricos: el caso de los modelos atómicos 4. Una propuesta para una modelización progresiva de los

modelos atómicos escolares

SUMARIO

En los procesos de modelización escolares se promueve la elaboración y representación de una sucesión de modelos mentales de los estudiantes que progresivamente han de ir aproximándose a los modelos científicos escolares deseados en cada nivel educativo.

1. LOS PROCESOS DE MODELIZACIÓN ESCOLARES

1. Elaboración de un modelo mental del estudiante a partir de sus ideasprevias, la información externa obtenida a partir de evidencias experimentalesy por otros medios, y la utilización de un razonamiento analógico en el procesode relacionar informaciones.

2. Representación del modelo mental mediante dibujos, esquemas,ecuaciones, maquetas, etc.

3. Puesta a prueba (empírica o mental) del modelo.

4. Evaluación del alcance y de las limitaciones del modelo elaborado.

(Rosaria Justi, 2011)

ETAPAS EN EL PROCESO DE MODELIZACIÓN

¡ Sustancia química ¡ Estructura corpuscular de los estados gas, líquido sólido de una sustancia¡ Estructura atómico-molecular de las sustancias¡ Estructura de las soluciones y de las dispersiones ¡ Reacción química ¡ Estructura del átomo¡ Estructura de las moléculas ¡ Tipos de enlace químico y fuerzas intermoleculares¡ Estructura de las sustancias sólidas¡ Reacciones ácido-base, de precipitación, redox y de formación de complejos¡ Energía de las reacciones¡ Velocidad de las reacciones y mecanismos ¡ Equilibrio químico¡ Espontaneidad de las reacciones químicas ¡ Pilas galvánicas y celdas electrolíticas

ALGUNOS PROCESOS DE MODELIZACIÓN BÁSICOS EN QUÍMICA

2. MODELOS CIENTÍFICOS ESCOLARES Y MODELOS CIENTÍFICOS HISTÓRICOS

• ¿Qué relación que ha de existir entre los modelos escolares presentados oelaborados y los modelos científicos históricos?

• ¿Hasta qué punto han de ser coincidentes los modelos escolares con los modeloshistóricos?

Un enfoque que busque combinar la modelización por parte de los estudiantes con elconocimiento de los modelos históricos debe armonizar hábilmente las dos propuestas.

El estudio de la estructura de los átomos constituye quizás el ejemplo curricular dequímica en que se utiliza una sucesión más amplia de modelos a lo largo de laeducación secundaria.

¡ El gran número de hechos experimentales y de teorías físicas que tuvieroninfluencia en el desarrollo de los modelos atómicos hace compleja unapresentación progresiva de los modelos históricos que tenga en cuenta todos loshechos.

¡ Por otro lado, la presentación de la gran diversidad de conceptos implicados tienelugar en cursos diferentes, con diferentes prescripciones curriculares, lo que rompeel discurso narrativo cronológico que permitiría seguir mejor la evolución de losdiferentes modelos atómicos.

3. LA COMPLEJIDAD DE LA RECONSTRUCCIÓN DE LOS MODELOS HISTÓRICOS: EL CASO DE LOS MODELOS

ATÓMICOS

Una propuesta de elaboración progresiva de modelos atómicos con la participación de los estudiantes a través de actividades en las que el profesor o profesora:¡ introduce las cuestiones adecuadas,¡ aporta hechos y evidencias experimentales,¡ y orienta el proceso de modelización.

¡ La progresión de modelos atómicos escolares elaborados no tiene porque ajustarse necesariamente a la evolución histórica de los modelos.

4. UNA PROPUESTA PARA UNA ELABORACIÓN PROGRESIVA DE MODELOS ATÓMICOS ESCOLARES

¡ La elaboración de los modelos parte siempre de una pregunta sobre un nuevo aspecto que se desea conocer sobre la estructura del átomo.

Las actividades de modelización implican:¡ la interpretación de datos experimentales,¡ la elaboración y representación de los modelos propuestos para indicar la

estructura del átomo, la distribución de los electrones en el espacio y sus niveles energía,

¡ la contrastación del modelo propuesto con nuevos datos, ¡ la aplicación del modelo para predecir nuevos hechos,¡ la evaluación de las limitaciones del modelo y el planteamiento de nuevas

preguntas.

UNA PROPUESTA PARA UNA ELABORACIÓN PROGRESIVA DE MODELOS ATÓMICOS ESCOLARES

MODELO ATÓMICO DE CARGA POSITIVA DIFUSA

El "descubrimiento" del electrón como una partícula subatómica y la neutralidad del átomoconstituyen el punto de partida para elaborar un primer modelo sobre la estructura internadel átomo, en la línea del modelo de Thomson.

Primera hipótesis: Los electrones se supone que seencuentran encastados en el interior de una esferacargada positivamente, como si fueran semillas deuna sandía o las pasas de un pastel.

¿Cómo están distribuidos los electrones y la carga positiva en el átomo?

MODELO NUCLEAR CON ÓRBITAS CIRCULARES

Los resultados de la experiencia de dispersión de losrayos alfa llevada a cabo por Geiger y Mardsen,colaboradores de Rutherford, permiten proponer unnuevo modelo.

¿Cómo está distribuida la masa y la carga positiva?Hipótesis: átomo nuclear, formado por un núcleo muypequeño,cargado positivamente, en el cual se concentraprácticamente toda la masa.¿Por qué no caen los electrones sobre el núcleo?Para explicar por qué los electrones no caen sobre elnúcleo, atraídos por la carga positiva de éste, puedesuponerse que estos se mueven describiendo órbitascirculares alrededor del núcleo (modelo nuclear conórbitas circulares)

MODELO NUCLEAR CON NUBE ELECTRÓNICA

11 e-

¡ La mayor limitación del modelo de Rutherford es que no hay criterio para saber cómo se distribuyen los electrones en el espacio, es decir, para saber si se sitúan en órbitas de diferente radio y, en tal caso, cuántos electrones se pueden situar en cada órbita.

¿Podemos saber cómo se encuentran distribuidos los electrones alrededor del núcleo?

¡ Para evitar tener que precisar la situación de loselectrones, cuando aún no se dispone de evidenciasal respecto, se puede usar el modelo de nubeelectrónica, en que la carga negativa se distribuyede forma uniforme, como si tratara de una nube.

Modelo nuclear con nube electrónica que representa el átomo de sodio (Z = 11)

MODELO NUCLEAR CON PROTONES Y NEUTRONES Y NUBE ELECTRÓNICA

¿Está asociada la carga positiva del núcleo a partículas? ¿Por qué existen átomos del mismo elemento con diferente masa (isótopos)?¿Qué partículas forman el núcleo?

La necesidad de abordar en cursos introductorios elsignificado del número atómico y del número másico para darcuenta de la existencia de los isótopos obliga a avanzar,respecto de lo que fue la evolución histórica, un modelo conprotones y neutrones en el núcleo

¡ Si atendemos a la variación del radio atómico de los primeros 11 elementos, vemos que entre Z=2 y Z=3 hay un salto brusco, y que entre Z=10 y Z=11, se produce un nuevo salto. Estos saltos indican que el electrón añadido ocupa una nueva capa, más distante del núcleo.

¡ Observamos que en la primera capa caben 2 electrones, en la segunda, 8.

MODELO NUCLEAR CON CAPAS ELECTRÓNICAS

H He(Z = 1) (Z = 2)

2e-1e-

¿Cómo se distribuyen los electrones en el espacio alrededor del núcleo? ¿Cómo podemos saber si los electrones se encuentran a diferentes distancias del núcleo?

MODELO NUCLEAR CON ÓRBITAS (CAPAS CIRCULARES)

Las capas también se pueden representar como órbitas o círculos, aunque esta forma de representaciónpuede ser mejor no utilizarla.

¡ Si proseguimos la observación de la variación de los radios atómicos hasta Z=20 ,l legamos a la conclusión provisional de que las tres primeras capas están ocupadas por2, 8 y 8 electrones .

¿Guarda relación este hecho con la longitud de los tres primeros períodos de la Tabla periódica?

MODELO NUCLEAR CON CAPAS ELECTRÓNICAS Y TABLA PERIÓDICA

La longitud de los tres primeros periodos de la Tablaperiódica (2, 8, 8) constituye una prueba a favor delmodelo de capas.

¿Los electrones de la última capa guardan relacióncon las propiedades químicas del elemento (por ej., lavalencia) y su situación en la TP?Nos interesa resaltar la última capa de electrones(capa de valencia).Modelo de corazón y capa de valencia (similar aldiagrama de Lewis)El corazón del átomo está constituido por el núcleo ytodos los electrones que no son los de la capa devalencia .

MODELO DE CORAZÓN Y CAPA DE VALENCIA

5+

Este tipo de representación es muy útil para realizarpredicciones sobre propiedades atómicas que dependen dela carga del corazón y la distancia al núcleo de los electronesde la última capa.

Modelo de corazón y capa de valencia del átomo de N (Z=7). (N: 2, 5)

5 e-

¡ ¿Los electrones tienen diferentes energías?Cuánto más alejado del núcleo esté el electrón, más energía tiene, por tanto, menos energía se precisa para extraerlo.

MODELO DE CAPAS Y ENERGÍAS DE IONIZACIÓN

Energías de ionización sucesivas del átomo de sodio (Z = 11). Los valores de la energía se representan mediante la superficie de los rectángulos.

§ ¿Cuál es la distribución electrónica por capas del átomo de sodio? Se deduce que es 2, 8, 1.

• ¿Por qué aumenta la energía de ionización en cada capa a medida que vamos extrayendo electrones?

¡ De este modo, se puede definir una capa como la zona en que se encuentran los electrones que tienen aproximadamente una misma energía.

¡

MODELO DE CAPAS Y NIVELES DE ENERGÍA

E

n = 1

n = 3

n = ∞0

n = 2

Diagrama de niveles de energía para el Na (Z = 11).

Los datos de las energías de ionizaciónconfirman el número máximo deelectrones establecido en el modelo decapas (2, 8, 8).

Denominamos las capas o niveles deenergía mediante el número n: 1, 2, 3…

.

MODELO DE NIVELES DE ENERGÍA DEL ÁTOMO DE HIDRÓGENO

Espectro atómico de emisión del hidrógeno y diagrama de los niveles deenergía que puede ocupar el electrón.

El espectro atómico del hidrógeno nos permite precisar la cuantización de la energía (de los niveles deenergía) en el átomo de hidrógeno.

Los espectros atómicos también proporcionan nuevas evidencias:

¿Por qué es discontinuo el espectro de emisión o de absorción del hidrógeno? ¿Cuando se excita el electrón de un átomo de hidrógeno solo puede ocupar determinados niveles de energía?

La modelización del átomo de hidrógeno puede abordarse de este modo, sin necesidad de considerar un modelo de órbitas (modelo histórico de Bohr), a partir de: ¡ su espectro atómico de emisión¡ la introducción de la hipótesis de Bohr sobre la cuantización de la

energía de los electrones ¡ la relación de Einstein que relaciona frecuencia de una radiación y

energía de un fotón (E = h v) .¡ una representación cualitativa de los niveles de energía y de los saltos

del electrón entre niveles.

MODELO DE NIVELES DE ENERGÍA DEL ÁTOMO DE HIDRÓGENO

¡ ¿Por qué son diferentes las energías de ionización de los electrones que se encuentran en la misma capa? ¿Existen subniveles de energía en un mismo nivel?

¡ Observación de las diferencias relativas entre las sucesivas energías de ionizaciónde los electrones de un mismo nivel.

MODELO DE NIVELES Y SUBNIVELES DE ENERGÍA EN ÁTOMOS POLIELECTRÓNICOS

De este modo, se puede deducir la existencia de:

¡ un único subnivel de energía (s) en la primera capa, n =1 (con capacidad para 2 electrones)

¡ dos subniveles de energía, s y p , en el nivel n = 2, con capacidad para 2 y 6 electrones, respectivamente (en total 8 e- en la segunda capa)

¡ y predecir configuraciones electrónicas como la del F (Z = 9): 1s2 2s2 2p5

¡ La existencia de subniveles de energía implica la existencia de subcapas. Este modelo, podemos denominarlo modelo de niveles y subniveles de energía.

MODELO DE NIVELES Y SUBNIVELES DE ENERGÍA

¿Por qué está cuantizada la energía de los electrones? ¿Se puede precisar la posición de los electrones? ¡ Se puede retomar el modelo de Bohr y hacer un tratamiento cuantitativo de los

niveles de energía, para proseguir después con el modelo cuántico y la introducción de los conceptos de orbital y de espín electrónico.

MODELO CUÁNTICO

Diagrama de densidad electrónica de un orbital 1s y de un orbital 2s, y diagrama de contorno deprobabilidad del orbital 1s.

¡ El gran reto didáctico que nos plantea la enseñanza de los modelos atómicos es dejar de presentar modelos acabados, relacionados con modelos históricos de forma más o menos precisa, y acometer un proceso de elaboración de modelos atómicos escolares a través de actividades que requieran interpretar hechos y datos experimentales(radios atómicos, energías de ionización, espectros atómicos, difracción de electrones, desviación de los átomos en un campo magnético).

¡ Las cuestiones planteadas y los hechos experimentales han de ser seleccionados de acuerdo con su idoneidad para servir a la progresión de la modelización y no tienen porque ajustarse necesariamente a la evolución histórica de los modelos.

CONCLUSIONES

¡ CAAMAÑO, A. (2007): «Modelizar y contextualizar el currículum de química: un proceso en constante desarrollo», en IZQUIERDO, M.; CAAMAÑO, A.; QUINTANILLA, M. (eds.): Investigar en la enseñanza de la química. Nuevos horizontes: contextualizar y modelizar. Barcelona. Universidad Autónoma de Barcelona.

¡ CAAMAÑO, A. (2011).«Enseñar química a través de la contextualización, la modelización y la indagación». Alambique. Didáctica de las Ciencias Experimentales , núm. 69, pp. 21-34.

¡ JUSTI, R. (2011): «Contribucions de la investigació didàctica a l’ensenyament de la química basat en la modelització». Educació Química EduQ , núm. 8, pp. 11-22

¡ GUTIÉRREZ, R. (2004): «La modelización y los procesos de enseñanza/aprendizaje». Alambique. Didáctica de las Ciencias Experimentales , núm. 42, pp. 8-18.

BIBLIOGRAFÍA SOBRE MODELIZACIÓN

¡ SOLBES, J. , 2014. De cómo el átomo se convierte en "real" y complejo y adquiere una"estructura", Educació Química EduQ, 19, p.18-25.

¡ RIUS DE LA POLA, P. ; MARTÍNEZ, A .M., 2016, “¿Cómo exploramos y modelamos la estructura de los átomos”, en Silvia Bello (coord . ) , Didáctica de la química universitaria. Unidades torales de la química , Facultad de Química, UNAM, p.31.

¡ CAAMAÑO, A ., 2018, Los modelos atómicos escolares: ¿recreación de los modelos históricos o creación de modelos propios?, Alambique. Didáctica de Ciencias Experimentales , 93.

¡ TALANQUER, V. , 2018. Construcción y aplicación de un modelo atómico simple a partir de datos experimentales, Alambique , 93.

¡ MORENO, L. , 2018. Los modelos atómicos en los l ibros de texto. Una oportunidad para pensar crít icamente el papel de la historia de la ciencia en la educación científica, Alambique , 93.

¡ SOLBES, J . , 2018, El modelo cuántico del átomo. Dificultades de comprensión y propuestas para su enseñanza en el bachil lerato, Alambique , 93.

BIBLIOGRAFÍA SOBRE MODELOS ATÓMICOS

¡ GRUP RECERCA-FARADAY, 1990. Química Faraday , Barcelona: Teide, cap.12: "El descubrimiento del electrón y los primeros modelos del átomo", pp. 265-295.

¡ JUSTI, R., GILBERT, J. , 2000. History and philosophy of science through models: somechallenges in the case of "the atom", International Journal of Science Education , 22, 9, p. 993-1009.

¡ TABER, K.(2003). The atom in the chemistry curriculum: fundamental concept, teaching, model or epistemological obstacle? Foundations of Chemistry , 5, 1 , pp. 43-84.

¡ IZQUIERDO, M., MANS, C. (coords.), 2014. "L'àtom", Educació Química EduQ, 19, p. 3-47.

¡ MARCHÁN, I. , SANMARTÍ, N., 2014. De com l'àtom es va fer útil i ensenyable, EducacióQuímica EduQ , 19, p.26-32.

BIBLIOGRAFÍA SOBRE MODELOS ATÓMICOS