Química en colores - Recursos sencillos

Después de andar conviviendo con la química a veces intensamente, como por allá en las décadas del 60 y del 70, por estos tiempos la sabiduría de la edad o quizá el Alzheimer me han hecho buscar recursos sencillos para quienes se inician en estas lides como profesores o alumnos.
Aquí les traigo uno de mis trabajitos sobre el tema.

Comencé a realizar "vistas parciales" de la tabla periódica (que quizá puedan combinar con mi "Element City" que ha prendido poco todavía entre mis "seguidores").

En la de la imagen pueden ver los grupos IA y IIA, metales alcalinos y alcalino-térreos, y la casa del administrador (el hidrógeno).

Figuran además sus características principales.

El hidrógeno tiene una electronegatividad mucho más alta (a sus vecinos de los grupos IA y IIA les quita electrones - de a uno - para formar "hidruros"), es gaseoso y viene naturalmente en "pares".

Los alcalinos (IA) son monovalentes (positivos, porque siempre pierden su electrón al combinarse), La causa es la baja atracción que existe entre el núcleo y ese electrón de valencia, lo que también provoca que su tamaño atómico sea grande (el electrón de valencia les queda "lejos"). Su potencial de ionización es bajo (se les quita ese electrón aplicando poca energía) y tienen baja afinidad electrónica (la electronegatividad mínima la tienen el Cesio y el Francio (0,7) y la máxima es la del Litio que solamente llega a 1,0.).

Con el agua forman hidróxidos desprendiendo hidrógeno gaseoso, con el oxígeno óxidos o peróxidos, con los halógenos sales, con el azufre sulfuros, con los ácidos fuertes sales desprendiendo también hidrógeno gaseoso y, como dije, con el hidrógeno gaseoso forman hidruros.

Los alcalino-térreos (IIA) (llamados así porque sus óxidos son parecidos a la tierra común) son bivalentes positivos. No se los encuentra libres en la naturaleza por tener gran actividad química. Su electronegatividad es algo mayor que la de los del IA.
Con los halógenos forman sales, con el oxígeno óxidos, con el azufre sulfuros, con el hidrógeno hidruros y con el agua hidróxidos desprendiendo hidrógeno gaseoso.

Puesto todo esto junto en un único diseño se puede lograr que el alumno fije su atención en estos dos grupos y los analice en forma aislada. Y si hay resultados en su proceso de aprendizaje, se verá al aplicarlo.

Que sea con suerte y con felicidad, porque la Química es realmente bella y nos permite conocer mejor el mundo que habitamos. Y los colores suelen ayudar a ver las cosas de otra manera.

Un saludo afectuoso desde Esquel.
Prof. Daniel A. Galatro
danielgalatro@gmail.com
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Distribución electrónica - Recurso sencillo

Hace ya unos cuantos años (décadas) tuve la idea de convertir un átomo en un hotel y los electrones en pasajeros. Esto me permitía enseñar de un modo sencillo el tema de la distribución de estos últimos en capas (pisos) y subcapas (tipos de habitación) con dos pasajeros posibles en cada una de ellas: uno durmiendo cabeza arriba y el otro cabeza abajo (o, cuando los alumnos eran mayorcitos, un varón y una mujer).

El método produjo muy buenos resultados y fue utilizado por muchos de mis "seguidores" de todo el mundo, especialmente mexicanos, colombianos y venezolanos, que son mayoría y notablemente fieles.

Voy a refrescar para ellos y a explicar al resto las ideas principales de este "hotel".

El alumno se transformaba en el administrador que, a medida que los pasajeros van ingresando, determina en qué habitación los colocará, según ciertas reglas prefijadas.

El hotel tiene 7 pisos. El número de piso es el número cuántico principal (n). En cada uno de los 4 primeros pisos, la cantidad de habitaciones es el cuadrado de n. (piso 1 = 1; piso 2 = 4; piso 3 = 9; y piso 4 = 16). El piso 5 es igual al 4, el 6 igual al 3 y el 7 igual al 2). 

Pero no todas la habitaciones son iguales: hay del tipo s (suite nupcial); p (primera clase); d (desagradables) y f (fatales). En el piso hay sólo 1 del tipo s pero 3 del tipo p, 5 del tipo d y 7 del tipo f.

Por supuesto que, para que el cliente no se sienta discriminado, cada tipo tiene un código: 0 para las s, 1 para las p, 2 para las d y 3 para las f. Ese código corresponde al número cuántico secundario l (ele) también llamado azimutal.

Dentro de cada tipo se diferencia cada habitación por un número adicional que va desde -1 hasta +1 de la siguiente forma:

tipo s : 0 (única)

tipo p : -1; 0; +1

tipo d : -1; -1/2: 0; +1/2; +1 

tipo f : -1; -2/3: -1/3; 0; +1/3; +2/3; +1

Ese número corresponde al tercer número cuántico llamado magnético (m).

Finalmente, a los pasajeros se los termina de identificar con +1/2 (cabeza arriba) o -1/2 (cabeza abajo).

El orden de instalación de los pasajeros depende de cuánto sea el valor de la suma de n + l (piso + tipo de habitación). Si coinciden dos habitaciones con igual número, se lo ubica en el de < n (piso más bajo disponible).

Eso genera 4 números que identifican unívocamente el lugar en el que está cada pasajero. Por ejemplo, el código 3; - 2; -1/2: -1/2 es exclusivo para quien ocupe en el piso 3 la segunda habitación tipo d y duerme cabeza abajo.

Pese a que se me ha discutido alguna vez la diferenciación de las múltiples usando fracciones, no tiene importancia y puede modificarse ese dato si se lo desea.

Unas reglas más a tener en cuenta. Cuando el tipo de habitación es múltiple, primeramente se coloca un pasajero en cada una de ellas y luego el segundo (regla de multiplicidad de Hund).

Finalmente, el nombre del hotel depende biunívocamente de la cantidad de pasajeros que actualmente lo ocupan. Y, en este modelo, también cada pasajero que llega deja sus valijas en la administración (protón y neutrones).

Pero tenía un problema importante. Cada vez que quería usar el método tenía que construir un nuevo hotel, lo que representaba una pérdida de tiempo en clase que buscaba cómo evitar.

Y en esto trabajé ahora. 

Encontré que si dibujaba un plano del hotel como el que vieron en la primera imagen y colocaba sobre él una hoja transparente (de papel "manteca" o "de calcar), el alumno podía ir rellenando los espacios que en el plano figuran como espacios vacíos:

-Nombre del hotel 

-Símbolo
-Grupo
-Período
-Cantidad de protones
-Cantidad de neutrones
-Electrón (con una flechita hacia arriba o hacia abajo según duerma - en realidad, según sea su cuarto número cuántico: de rotación o de espín - s).

Con el papel transparente (o traslúcido) encima, se verá como la imagen que sigue:

Esto es todo por hoy. Les aseguro que usando este método mis alumnos se divierten y aprenden en dos horas todo lo concerniente a la configuración electrónica, realizan alguna y la comparan con la que figura en la tabla de Mendeleiev. En algunos elementos pesados encontrarán diferencias en las capas más externas pero allí uno puede explicarles que se trata de niveles de energía y, como los electrones no siempre respetan las reglas de llenado, se pasan de una subcapa (orbital) a otro de energía muy parecida.
Como siempre, les deseo que esta explicación les haya sido útil y los saludo afectuosamente.

Prof. Daniel A. Galatro
danielgalatro@gmail.com

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Hibridación de orbitales en el carbono

Otro de los pequeños proyectos para intentar facilitar la visualización de fenómenos relacionados con la física y la química consistió en utilizar un tetraedro que con 6 palillos armé hace más de un año, agregándole un núcleo o kernel central, una base y un alambrecito forrado para acomodar la bola central en el centro del tetraedro.

¿Qué intenté representar? Veamos...

Cuando el átomo de carbono se "prepara" para formar un enlace simple, reacomoda sus 4 electrones más externos de modo de optimizar su situación y así lograr una valencia (estado de oxidación) 4 en vez de los 2 que conseguiría si no hiciera esta modificación.Por supuesto, todo es una cuestión de energías porque ni el átomo de carbono ni ningún otro átomo está capacitado para tomar decisiones.
Esta mezcla de orbitales (1 s con 2 electrones originales y 3 p que alojan los otros 2) se denomina "hibridación". Recordemos que un híbrido es el resultado de la "mezcla" o "combinación" de dos o más elementos  para formar un nuevo elemento que incorpora características de los que le dieron origen y otras nuevas.

Como bien expresan los profesores Mosquera Suárez y Arenas de la Rosa en su gran trabajo "Nuevo Estudio de la Química Moderna" (2001 - Terranova Editores y Ediciones Cisplatina):
"En la hibridación se combinan orbitales atómicos para formar otros orbitales, que poseen características diferentes a las de cada uno por separado".

El carbono neutro tiene 6 electrones en total: 2 en la capa 1s, 2 en la 2s y 2 en la 2p. Los de la primera capa están incluidos en lo que llamé "núcleo" o "kernel". Lo interesante aquí ocurre con los de la segunda capa o segundo nivel de energía.

Cuando se combinan 3 orbitales p con 1 orbital s, como en este caso que pretendí ilustrar, cada nuevo orbital formado que contiene un electrón, se orienta hacia un vértice distinto de un tetraedro regular (la pirámide de caras triangulares de la imagen). Y ese único electrón de cada orbital  se podrá así combinar con un electrón de otro átomo utilizando un enlace que se llama "sigma", porque incluye un orbital atómico s.

Y recordemos que un hidrocarburo que solamente tiene enlaces sigma (simples) también se llama "saturado" o "parafina" (por su poca reactividad química: par =poca  affinum = afinidad).

Imaginen (pues aún no los coloqué) que desde el núcleo hasta cada vértice se forma una nube delgada en su extremo centrado en el núcleo y mucho más difusa en la zona que rodea el vértice (donde ubiqué el pequeño punto blanco).

Seguramente, si lo intentan, lograrán mejorar en mucho mi modelo. Me gustaría que construyeran el suyo y me enviaran fotos y comentarios a danielgalatro@gmail.com de modo de poder publicarlos en este blog.

Gracias por acompañarme siempre visitando mis trabajos y notas.
Un saludo afectuoso desde Esquel, en la Patagonia argentina.
Prof. Daniel Aníbal Galatro
danielgalatro@gmail.com
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