Enseñanza-aprendizaje del enlace químico en 2º de Bachillerato

Trabajo Fin de Máster Máster en Profesor de Educación Secundaria Obligatoria y Bachillerato, Formación Profesional y Enseñanza de Idiomas (Especialidad: Física y Química) “ENSEÑANZA-APRENDIZAJE DEL ENLACE QUÍMICO EN 2º DE BACHILLERATO” Autora: CRISTINA BENITO VILORIA Tutora: MARÍA JESÚS BAENA ALONSO CURSO 2020/2021 Cristina Benito Viloria 2 RESUMEN Para comprender la Química, es esencial dominar los enlaces químicos. Sin embargo, este concepto suele ser complejo para muchos de los estudiantes debido al alto nivel de abstracción que requiere y al uso de lenguaje específico. Varios autores han investigado acerca de las dificultades asociadas al enlace químico en la Educación Secundaria y han realizado sus propias propuestas metodológicas para intentar resolverlas. Sin embargo, muy pocos han analizado la enseñanza-aprendizaje de este concepto en 2º Bachillerato. En este Trabajo de Fin de Máster se pretende comprender las dificultades asociadas a la enseñanza y aprendizaje del enlace químico en 2º Bachillerato y para ello se han realizado varios estudios: revisión bibliográfica de otros autores, análisis de libros de texto, realización de entrevistas y cuestionarios. Con los resultados obtenidos en estos estudios, se puede confirmar que el enlace químico es un concepto complejo y difícil de asimilar. En concreto, las mayores dificultades señaladas por los profesores y los alumnos son las distintas teorías usadas para el estudio del enlace covalente y el concepto de hibridación de orbitales atómicos. Para solventar estos problemas, se incluyen dos propuestas metodológicas en este trabajo: esquema conceptual de las diferentes teorías usadas para explicar el enlace covalente, y visualización espacial de la hibridación de orbitales atómicos mediante el uso de las TICs o representación de los orbitales con globos. ABSTRACT To understand chemistry, it is essential to master chemical bonding. However, this concept is often complex for many students due to its high level of abstraction and the use of specific language. Several authors have investigated the difficulties associated with chemical bonding in secondary education and they have made their own methodological proposals in order to solve them. Nevertheless, very few authors have analyzed the teaching-learning process of this concept in the last year of Senior High School Education. This Master Final Project aims to understand the difficulties associated with the teaching and learning of the chemical bonding in that last year. For this purpose, several studies have been carried out: a bibliographic review of other authors, an analysis of Cristina Benito Viloria 3 textbooks, interviews and questionnaires. From the results obtained in these studies, it can be confirmed that the chemical bonding is a complex and challenging concept to assimilate. Specifically, the most significant difficulties pointed out by teachers and students are the different theories used for studying covalent bonding and the concept of hybridization of atomic orbitals. To address these problems, two methodological proposals are included in this project: a conceptual scheme of the different theories used to explain the covalent bond and a spatial visualization of the hybridization of atomic orbitals through the use of ICTs or by the representation of the orbitals with balloons. Cristina Benito Viloria 4 ÍNDICE Índice de tablas y figuras ............................................................................................... 5 1. Introducción ............................................................................................................ 7 2. Contenidos sobre el enlace químico en ESO y Bachillerato ............................... 9 2.1 Revisión de contenidos del enlace químico en ESO y Bachillerato ............... 10 2.2 Análisis de contenidos del enlace químico en 2º Bachillerato ....................... 12 3. Enseñanza del enlace químico en 2º Bachillerato .............................................. 17 3.1 Metodologías propuestas por diferentes autores ............................................ 17 3.2 Enfoque de los libros de texto ........................................................................ 25 4. Principales dificultades en la enseñanza-aprendizaje del enlace químico en 2º Bachillerato ................................................................................................................... 32 4.1 Desde el punto de vista de los profesores ....................................................... 34 4.2 Desde el punto de vista de los alumnos .......................................................... 43 5. Propuestas metodológicas para solventar algunos problemas detectados ...... 51 5.1 Esquema conceptual para el enlace covalente ................................................ 51 5.2 Visualización espacial de la hibridación ........................................................ 54 6. Conclusiones .......................................................................................................... 57 7. Bibliografía ............................................................................................................ 59 8. Anexos .................................................................................................................... 62 Cristina Benito Viloria 5 ÍNDICE DE TABLAS Y FIGURAS TABLAS Tabla 1.- Orden de enseñanza del enlace químico para estructuras sólidas propuesto por Taber (2001) _________________________________________________________ 18 Tabla 2.- Recomendaciones para la enseñanza del enlace químico en Bachillerato propuestas por Chamizo et al.(2008) ______________________________________ 19 Tabla 3.- Secuenciación didáctica del enlace químico propuesta por Dhindsa y Treagust (2014) ______________________________________________________________ 20 Tabla 4.- Niveles estructurales, partículas y modelos de enlace propuestos por Caamaño (2016a) _____________________________________________________________ 22 Tabla 5.- Secuenciación didáctica del enlace químico propuesta por Caamaño (2016a) _____________________________________________________________ 24 Tabla 6.- Listado de libros de texto de 2º Bachillerato analizados _______________ 25 Tabla 7.- Encuesta realizada a las profesoras de Química en 2º Bachillerato _______ 34 Tabla 8.- Dificultades en la enseñanza-aprendizaje del enlace químico en 2º Bachillerato desde el punto de vista de las profesoras ___________________________________ 41 FIGURAS Figura 1.- Esquema del salto conceptual para el enlace iónico __________________ 13 Figura 2.- Esquema del salto conceptual para el enlace covalente _______________ 14 Figura 3.- Esquema del salto conceptual para el enlace metálico ________________ 15 Figura 4.- Esquema del salto conceptual para las fuerzas intermoleculares ________ 16 Figura 5.- Distintas teorías utilizadas para explicar enlace químico en 2º Bachillerato 16 Figura 6.- Esquema del enfoque propuesto por Levy Nahum et al. (2008) para la enseñanza del enlace químico, denominado “bottom-up approach” ______________ 19 Cristina Benito Viloria 6 Figura 7.- Esquema de la escala continua de fortaleza del enlace propuesta por Levy Nahum et al. (2008) ___________________________________________________ 31 Figura 8.- Enfoque tradicional para la enseñanza del enlace químico ____________ 33 Figura 9.- Dificultad asociada a la distancia entre los iones ____________________ 37 Figura 10.- Gráfico con los resultados de la primera pregunta del cuestionario _____ 44 Figura 11.- Gráfico con los resultados de la segunda pregunta del cuestionario ____ 44 Figura 12.- Gráfico con los resultados de la tercera pregunta del cuestionario _____ 45 Figura 13.- Gráfico con los resultados de la cuarta pregunta del cuestionario ______ 46 Figura 14.- Gráfico con los resultados de la quinta pregunta del cuestionario ______ 46 Figura 15.- Gráfico con los resultados de la sexta pregunta del cuestionario _______ 47 Figura 16.- Gráfico con los resultados de la séptima pregunta del cuestionario _____ 48 Figura 17.- Gráfico con los resultados de la octava pregunta del cuestionario ______ 49 Figura 18.- Gráfico con los resultados de la novena pregunta del cuestionario _____ 49 Figura 19.- Gráfico con los resultados de la décima pregunta del cuestionario _____ 50 Figura 20.- Esquema de las diferentes teorías usadas para explicar el enlace covalente en 2º Bachillerato _______________________________________________________ 52 Figura 21.- Ejemplos cotidianos de hibridación _____________________________ 54 Figura 22.- Ejemplo de representaciones creadas con el programa "Hybridization Explorer"____________________________________________________________ 55 Figura 23.- Representación de la hibridación de orbitales atómicos mediante globos 56 1. Introducción Cristina Benito Viloria 7 1. Introducción El objetivo de la enseñanza de la Química en la Educación Secundaria Obligatoria (ESO) y Bachillerato es conseguir que los alumnos comprendan el mundo que les rodea y que sean capaces de interpretar y relacionar los contenidos con fenómenos de su vida cotidiana (Lazo y Zúñiga, 2013). En el estudio de la Química, entender y dominar el concepto de enlace químico es fundamental. Sin embargo, este concepto no termina de ser bien comprendido por parte de los alumnos y suele convertirse en un tema arduo tanto en su enseñanza como en su aprendizaje. Uno de los principales motivos por los que se escogió el tema del enlace químico para este Trabajo de Fin de Máster es porque es uno de los fundamentales en el estudio de la Química. Es importante conocer las propiedades físicas y químicas de diferentes sustancias, para así conocer algunos de los fenómenos que nos rodean. Además, el estudio del enlace químico es esencial para la comprensión de muchos otros temas de la Química tales como las reacciones químicas, la química del carbono, los ácidos y bases, la termodinámica, la síntesis de nuevos materiales, etc. Otro de los motivos para intentar profundizar en la enseñanza del enlace químico fueron las dificultades que manifestaron los alumnos de 2º Bachillerato del centro donde realicé las prácticas. A pesar de que el estudio del enlace químico no es completamente nuevo en este último curso, este tema presenta una gran dificultad para los estudiantes ya que se trata de un concepto muy abstracto para ellos y en su explicación se utilizan diferentes modelos y teorías que los alumnos no acaban de comprender ni distinguir correctamente. Por todo ello, en este trabajo se pretende comprender las dificultades asociadas a la enseñanza y aprendizaje del enlace químico en 2º Bachillerato y aportar algún tipo de ayuda para mejorar su comprensión. 1. Introducción Cristina Benito Viloria 8 Los objetivos que se persiguen con este Trabajo de Fin de Máster se recogen a continuación: • Conocer las exigencias del currículo actual en ESO y Bachillerato con respecto al tema del “enlace químico”. • Hacer un análisis curricular del tema de “enlace químico” en 2º Bachillerato. • Descubrir las principales dificultades que encuentran los alumnos en el estudio del “enlace químico”. • Señalar algunas de las causas que pueden provocar estas dificultades en los alumnos. • Ahondar en los principales problemas en la enseñanza-aprendizaje del enlace químico en 2º Bachillerato. • Desarrollar alguna propuesta metodológica para intentar solventar algunas de las dificultades destacadas. El planteamiento seguido para alcanzar esos objetivos ha sido el siguiente: 1. Realizar una revisión bibliográfica de los estudios realizados por otros autores sobre la enseñanza del concepto del enlace químico y analizar varios libros de texto de 2º Bachillerato para ver cómo presentan este concepto. 2. Realizar una entrevista a tres profesoras que conocen bien la asignatura de Química de 2º Bachillerato, además de pasar un cuestionario a alumnos de este curso. 3. Plantear dos propuestas metodológicas con el objetivo de facilitar la enseñanza y el aprendizaje de diversos aspectos del enlace covalente, señalado como el enlace más difícil por parte del profesorado y del alumnado. 2. Contenidos sobre el enlace químico en ESO y Bachillerato Cristina Benito Viloria 9 2. Contenidos sobre el enlace químico en ESO y Bachillerato El conocimiento sobre el enlace químico tiene un papel muy importante para la enseñanza de la Química e incluso de otras ciencias como son la Física o la Biología. Por ello, este concepto se encuentra incluido dentro del currículo de la asignatura de Física y Química desde 2º ESO (alumnos de 12-13 años), hasta el último curso en el Bachillerato científico o tecnológico (alumnos de 16-17 años). En los Anexo I, Anexo II y Anexo III se recogen en tablas los contenidos relacionados con el enlace químico en los diferentes cursos escolares teniendo en cuenta la ORDEN EDU/362/2015, y la ORDEN EDU/363/2015, para la ESO y Bachillerato, respectivamente. Los contenidos incluidos en las unidades didácticas que abordan el enlace químico abarcan desde las partículas que constituyen la materia y sus diferentes estados de agregación (contenidos que se estudian en 2º ESO), hasta los diferentes modelos y teorías usadas para explicar los enlaces en diferentes tipos de sustancias, sus estructuras y propiedades (contenidos que se estudian en 2º Bachillerato) (González-Felipe, 2017). A medida que aumenta el nivel educativo, el grado de profundidad en su estudio es mayor y se van añadiendo diferentes modelos y conceptos. En los siguientes apartados, se van a analizar los contenidos del enlace químico incluidos en el currículo oficial de cada curso de ESO y Bachillerato. 2. Contenidos sobre el enlace químico en ESO y Bachillerato Cristina Benito Viloria 16 Figura 4.- Esquema del salto conceptual para las fuerzas intermoleculares. Elaboración propia Como conclusión de este apartado, en la Figura 5 se recogen las diferentes teorías que se mencionan dentro del currículo de 2º Bachillerato para explicar cada modelo de enlace, señalando en naranja aquellas que se introducen por primera vez en este curso. Figura 5.- Distintas teorías utilizadas para explicar el enlace químico en 2º Bachillerato. Elaboración propia 3. Enseñanza del enlace químico en 2º Bachillerato Cristina Benito Viloria 17 3. Enseñanza del enlace químico en 2º Bachillerato La enseñanza del enlace químico en 2º Bachillerato se suele realizar explicando cada tipo de modelo de enlace por separado sin que haya una conexión entre ellos (Hurst, 2002). A este tipo de enseñanza se le denomina “enseñanza tradicional”. En ella, se empieza explicando cuatro tipos de enlace (iónico, covalente, metálico e intermolecular) y se concluye con la justificación de las propiedades físicas de las sustancias. En contraposición a esta enseñanza tradicional del enlace químico, diversos autores han propuesto diferentes metodologías para la instrucción de este concepto. Con ellas, pretenden solucionar algunos de los errores conceptuales que han podido observar en los alumnos cuando aprenden este tema. 3.1 Metodologías propuestas por diferentes autores Taber (2001) identificó una serie de impedimentos en el aprendizaje del enlace químico, como por ejemplo la generalización de la regla del octeto y el lenguaje utilizado. Señala que muchos de estos impedimentos pueden deberse a la forma de enseñanza del enlace químico y propone las siguientes sugerencias para su instrucción: - Explicación del enlace químico a partir de principios electrostáticos y no en términos de conceptos “mágicos” como los “octetos”. De esta forma, los estudiantes comprenderán mejor la polaridad del enlace, la electronegatividad y el enlace intermolecular, y estarán preparados para los modelos de enlaces químicos basados en la mecánica cuántica que estudiarán en nivel universitario. - Orden de enseñanza del enlace químico (ver Tabla 1): empezar por el enlace metálico, luego el enlace iónico y por último el enlace covalente. En el caso del enlace covalente, empezar primero con estructuras reticulares como el diamante y la sílice y terminar con el enlace covalente en moléculas. Con este orden Taber intenta evitar que los alumnos piensen que existen moléculas iónicas y metálicas. - Cuidar el lenguaje usado en las explicaciones (evitar decir que los átomos “quieren" o “necesitan” tener configuraciones electrónicas estables). Es importante señalar las transiciones entre los modelos de descripción molecular y los modelos macroscópicos. 3. Enseñanza del enlace químico en 2º Bachillerato Cristina Benito Viloria 18 Tabla 1.- Orden de enseñanza del enlace químico para estructuras sólidas propuesto por Taber (2001) ORDEN Y TIPO DE ESTRUCTURA ENLACE 1. Cristal metálico Metálico: cationes (núcleos atómicos) + electrones deslocalizados 2. Cristal iónico Iónico: cationes y aniones 3. Estructura covalente grande Covalente 4. Estructura covalente simple Covalente intramolecular, más intermolecular (Van der Waals, enlaces de hidrógeno) Levy Nahum, Mamlok-Naaman, Hofstein y Kronik (2008) señalan que el uso del enfoque tradicional del enlace químico establece grandes simplificaciones y generalizaciones que terminan convirtiéndose en “impedimentos de aprendizaje”. Asimismo, comentan que este enfoque no está alineado con los modelos científicos actuales. Como alternativa al enfoque tradicional, estos autores proponen una nueva forma de enseñar el enlace químico llamada “bottom-up approach” (enfoque de abajoarriba); en el que los distintos tipos de enlace se presentan dentro de una escala continua. Este tipo de enseñanza elimina la división dicotómica entre los diferentes enlaces que establece el enfoque tradicional y propone explicar el enlace químico en cinco etapas empezando por las propiedades de los átomos aislados para terminar con las propiedades de los materiales que se explican en función del tipo de enlace. Además, se pretende hacer hincapié en las interacciones electrostáticas y la estabilidad del enlace químico. El esquema general de este enfoque se presenta en la Figura 6. Los autores destacan que este enfoque es apropiado tanto para la enseñanza secundaria como para los primeros años de estudios universitarios, adaptando a cada etapa el nivel matemático y físico. 3. Enseñanza del enlace químico en 2º Bachillerato Cristina Benito Viloria 19 Figura 6.- Esquema del enfoque propuesto por Levy Nahum et al. (2008) para la enseñanza del enlace químico, denominado “bottom-up approach” Chamizo, García y Garritz (2008) en el libro “Enlace químico. Una aproximación constructivista a su enseñanza” recogen varias recomendaciones para la enseñanza del enlace químico en bachillerato y primeros años de grado universitario. En la Tabla 2 se recogen algunas de estas recomendaciones. Tabla 2.- Recomendaciones para la enseñanza del enlace químico en Bachillerato propuestas por Chamizo et al. (2008) CONCEPTO RECOMENDACIÓN Enlace químico - Hacer énfasis en la naturaleza electrostática del enlace químico - Desarrollar la idea de que los enlaces químicos ocurren en un continuo “covalente-iónico-metálico”, más que considerar estos modelos como entidades independientes - Evitar que los alumnos desarrollen la idea de que todas las sustancias están formadas por moléculas - Evitar hacer hincapié en la regla del octeto como principio explicativo 3. Enseñanza del enlace químico en 2º Bachillerato Cristina Benito Viloria 20 CONCEPTO RECOMENDACIÓN - Tener cuidado con el lenguaje utilizado. No manejar indiscriminadamente un lenguaje antropomórfico (los átomos comparten, necesitan, están más contentos, etc.) Enlace iónico - Dar más importancia a las interacciones electrostáticas entre iones y la estructura de la red cristalina que a la formación de los iones Propiedades de las sustancias - Utilizar el modelo que mejor se ajuste para su explicación y mostrar que hay sustancias con propiedades intermedias que no pueden explicarse con un único modelo de enlace Dhindsa y Treagust (2014) señalan que la secuencia seguida para la enseñanza del enlace químico (enlace iónico, covalente, metálico y fuerzas intermoleculares) no es apropiada porque se presentan los diferentes tipos de enlace de manera aislada sin que exista una conexión entre ellos. Para mostrar la continuidad de los enlaces químicos, estos autores proponen las etapas recogidas en la Tabla 3 para su enseñanza en la educación secundaria. Se empezaría explicando el enlace covalente, continuando por el enlace iónico y se introduciría el enlace metálico como un tipo de enlace covalente. Asimismo, proponen el uso de la electronegatividad y la superposición de orbitales atómicos para la explicación de todos los tipos de enlaces. Esta secuencia de conceptos permitirá al alumno construir nuevos aprendizajes utilizando conceptos vinculantes previamente aprendidos, de ahí que este proceso de aprendizaje se apoye en la teoría constructivista. Tabla 3.- Secuenciación didáctica del enlace químico propuesta por Dhindsa y Treagust (2014) SECUENCIACIÓN DIDÁCTICA 1. Enlace covalente e iónico 2. Enlace en estructuras reticulares 3. Fuerzas inter e intramoleculares 3. Enseñanza del enlace químico en 2º Bachillerato Cristina Benito Viloria 21 Caamaño (2016a) propone una nueva secuenciación didáctica para el aprendizaje de los conceptos sobre el enlace químico en 4º ESO y 1º Bachillerato que se recogen en la Tabla 4. Como se puede ver en la Tabla 5 esta secuenciación comienza diferenciando entre estructuras moleculares, multimoleculares y estructuras gigantes. Después propone modelizar el enlace covalente en una molécula y, posteriormente, en las sustancias moleculares, covalentes reticulares, iónicas y metálicas. Con este nuevo enfoque didáctico del enlace químico, el autor busca diferenciar claramente los distintos niveles estructurales y relacionar las propiedades de las sustancias sólidas con su nivel estructural, en vez de con el tipo de enlace. 3. Enseñanza del enlace químico en 2º Bachillerato Cristina Benito Viloria 22 Tabla 4.- Niveles estructurales, partículas y modelos de enlace propuestos por Caamaño (2016a) Nivel estructural Entidad/Partículas Estructura Tipo de enlace Sustancia y estructura Molécula Molecular Molécula Átomos Estructura molecular Covalente • Compartición de electrones (atracción entre electrones compartidos y núcleos) • Energía de enlace • Longitud de enlace • Momento dipolar - Sólidos Multimolecular o estructura gigante Sólidos moleculares Moléculas Estructura multimolecular Enlace intermolecular • Fuerzas intermoleculares - Fuerzas dipolo-dipolo - Fuerzas de dispersión • Enlaces de hidrógeno (entre H y N, O, F) Azufre (s) Agua (s) Sólidos covalentes reticulares Átomos Estructura gigante covalente Enlace covalente (atracción entre electrones de enlace y núcleos) Diamante (s) 3. Enseñanza del enlace químico en 2º Bachillerato Cristina Benito Viloria 23 Nivel estructural Entidad/Partículas Estructura Tipo de enlace Sustancia y estructura Dióxido de silicio (s) Sólidos iónicos Iones: cationes y aniones Estructura gigante iónica Enlace iónico (atracción entre iones) Cloruro de sodio (s) Sólidos metálicos Iones positivos y electrones Estructura gigante metálica Enlace metálico (atracción entre cationes y electrones de valencia) Cobre (s) 3. Enseñanza del enlace químico en 2º Bachillerato Cristina Benito Viloria 24 Tabla 5.- Secuenciación didáctica del enlace químico propuesta por Caamaño (2016a) SECUENCIACIÓN DIDÁCTICA 1. Diferenciación de estructura molecular y estructura gigante 2. Modelización del enlace covalente en una molécula: - Modelo de Lewis. Diagrama de Lewis. Enlaces sencillos, dobles y triples. Excepciones a la regla del octeto. Polaridad del enlace covalente. Predicción de la geometría y polaridad de las moléculas 3. Clasificación de las sustancias sólidas de acuerdo con sus propiedades 4. Modelización: hipótesis sobre la estructura de cada una de estas sustancias 5. Sustancias moleculares: estructura y propiedades 6. Sustancias covalentes reticulares: estructura y propiedades 7. Sustancias iónicas: estructura y propiedades 8. Sustancias metálicas: estructura y propiedades 9. Recapitulación y síntesis: la unidad del enlace químico 3. Enseñanza del enlace químico en 2º Bachillerato Cristina Benito Viloria 25 3.2 Enfoque de los libros de texto Los libros de texto suelen ser el recurso material más usado por los profesores en la enseñanza y a veces el único (Calvo y Martín, 2005). Por este motivo, es importante analizar y conocer cómo se presenta el tema del enlace químico en ellos para comprobar si existe una relación entre los conceptos erróneos de los alumnos y las explicaciones de los libros. Varios autores (Caamaño, 2016b; Bergqvist, Drechsler, De Jong y Rundgren, 2013; González-Felipe, Aguirre-Pérez, Cortes-Simarro, Fernández y Vázquez, 2017; Matus, Benarroch y Nappa, 2011; Matus, Benarroch, y Perales, 2008; Solbes y Vilches, 1991) han estudiado el enfoque que se hace sobre este concepto en libros de texto de Física y Química. En este trabajo, se va a analizar el tema del enlace químico en cinco libros de texto de la asignatura de Química en 2º Bachillerato (ver listado en la Tabla 6). Los libros de texto escogidos son del año 2016 en adelante ya que la Ley Orgánica 8/2013, de 9 de Diciembre, para la Mejora de la Calidad Educativa (LOMCE) se implantó en el curso escolar 2016-2017 en el curso de 2º Bachillerato. Se han seleccionado libros de distintas editoriales para ver cómo se presenta la unidad didáctica del enlace químico. Para distinguir cada libro en el resto del trabajo, se ha asignado un código a cada uno. Las editoriales elegidas suelen ser las más utilizadas en España para la enseñanza de la Química en este curso y en concreto se ha escogido la editorial McGraw Hill porque tiene dos ediciones diferentes. Tabla 6.- Listado de libros de texto de 2º Bachillerato analizados CÓDIGO EDITORIAL AUTOR(ES) PÁGINAS AÑO L1 McGraw Hill Antonio Pozas Magariños, Rafael Martín Sánchez, Ángel Rodríguez Cardona, Antonio Ruiz Sáenz de Miera, Antonio José Vasco 39-67 2016 L2 McGraw Hill Nuria Isabel Fernández, Sergi Bolea, Enrique Andrés del Río, María del Pilar Gutiérrez, Adrián Rodríguez 59-105 2020 4. Principales dificultades en la enseñanza-aprendizaje del enlace químico en 2º Bachillerato Cristina Benito Viloria 32 4. Principales dificultades en la enseñanza-aprendizaje del enlace químico en 2º Bachillerato El enlace químico es un pilar fundamental en el entendimiento de la química en general. Sin embargo, la dificultad en su enseñanza-aprendizaje es algo generalizado y presente en diferentes países y métodos educativos. A pesar de que este concepto se introduce desde cursos bajos en la educación secundaria, la ampliación de los contenidos y dificultad en 2º Bachillerato es bastante notable. A lo largo de los cursos anteriores, se supone que los alumnos han ido adquiriendo las competencias necesarias para poder llegar a entender los nuevos conceptos que se introducen en este último curso. Sin embargo, el tiempo de asimilación y el margen de actuación a la hora de extenderse en un punto concreto del temario en este último curso es mucho menor que en cursos anteriores. Muchos de los alumnos no consiguen entender correctamente los conceptos y términos que se introducen en este curso y terminan considerando este tema como uno de los más complicados del curso. Varios autores señalados a continuación han destacado las principales dificultades encontradas en el estudio del concepto de enlace químico. Osorio (2015) recoge que el estudio de este concepto requiere de un lenguaje poco común en la vida cotidiana, de un alto grado de abstracción y dificultad, y del conocimiento de termodinámica y física para su entendimiento adecuado. En concreto requiere del uso de varios conceptos de la mecánica cuántica para su completa comprensión, pero debido a su alta complejidad no pueden explicarse con detalle a alumnos de 2º Bachillerato y se suele recurrir a grandes simplificaciones, como la Teoría de Lewis. Otro de los problemas que presenta el enlace químico según Olmos (2010) es el gran uso de modelos para su explicación y la confusión de estos modelos con la realidad. Los distintos modelos de enlace se enseñan de manera independiente y muchas veces son considerados por los alumnos como una descripción real más que una aproximación de la realidad. 4. Principales dificultades en la enseñanza-aprendizaje del enlace químico en 2º Bachillerato Cristina Benito Viloria 33 Otra de las dificultades en la enseñanza-aprendizaje del enlace químico señalada por Bergqvist (2017) es el enfoque pedagógico tradicional el cual divide los enlaces en dos categorías: enlaces interatómicos (enlaces iónicos, covalentes y metálicos) y enlaces intermoleculares (fuerzas de Van der Waals y enlaces de hidrógeno) (ver Figura 8). Debido a este enfoque tradicional, se han detectado un gran número de errores conceptuales en los alumnos como por ejemplo la separación marcada entre los tipos de enlaces (iónico, covalente y metálico), el uso de la diferencia de electronegatividad entre los átomos para clasificar cada uno de los enlaces (por ejemplo, que los compuestos iónicos están formados por un elemento metálico y uno no metálico), la regla del octeto que ha hecho que muchos estudiantes usen expresiones como que los átomos “quieren” tener “la capa de valencia llena” u “octetos” lo cual conlleva a bastantes dificultades en los alumnos para entender las excepciones a esta regla (como por ejemplo con los elementos que pueden tener hipervalencia o el hidrógeno que solo tiene un electrón y su configuración de gas noble es de dos electrones), o la presentación de fuerzas de Van der Waals y enlaces de hidrógeno como enlaces “débiles”. Figura 8.- Enfoque tradicional para la enseñanza del enlace químico. Elaboración propia En este estudio, se ha intentado comprender y evidenciar las dificultades con el tema del enlace químico desde dos puntos de vista: el del docente y el del alumno. Para ello se ha realizado una entrevista a tres profesoras que han impartido o imparten la asignatura de Química en 2º Bachillerato y un cuestionario a los alumnos que están en este curso actualmente. 4. Principales dificultades en la enseñanza-aprendizaje del enlace químico en 2º Bachillerato Cristina Benito Viloria 34 4.1 Desde el punto de vista de los profesores Para conocer los principales obstáculos en la enseñanza del enlace químico, se ha realizado una entrevista a tres profesoras de la asignatura de Química. Dos de ellas fueron elegidas por los años que habían impartido docencia en 2º Bachillerato (más de 20 años) y otra de las profesoras porque sigue impartiéndola hoy en día. La entrevista se hizo de forma individual a cada profesora; dos de ellas presenciales y otra por vía telefónica. Las preguntas realizadas en la entrevista se recogen en la Tabla 7. Tabla 7.- Encuesta realizada a las profesoras de Química en 2º Bachillerato ENCUESTA REALIZADA A LAS PROFESORAS 1. ¿Qué dificultades presentan los alumnos en…? o La materia de Química o El curso de 2º Bachillerato o El concepto del enlace químico o Conocimientos previos o Cada tipo de enlace (enlace iónico, covalente, metálico y fuerzas intermoleculares) 2. ¿Cómo era la secuencia que seguías o sigues para impartir los diferentes enlaces estudiados? 3. ¿Cuál es tu opinión acerca del currículo oficial? DIFICULTADES ASOCIADAS A LA MATERIA DE QUÍMICA “La materia de Química no es fácil para los alumnos porque todo lo que se les enseña posee una gran abstracción y se tienen que creer lo que les estamos contando” decía una de las profesoras. En general, la asignatura de Química resulta muy difícil a los alumnos e intentan aprender mecanismos para salir adelante sin intentar razonar y entender lo que se les está explicando. Todo lo que se salga de un mecanismo, les cuesta y no lo entienden; y esto es algo que sucede con el tema del enlace químico. Además, una de las profesoras destacaba que los alumnos no acaban de entender cómo funciona la ciencia. “La ciencia intenta explicar qué puede pasar en algo que no nos pueden contar, como es dentro del átomo. Para poder explicar esta realidad, se hace uso de distintas 4. Principales dificultades en la enseñanza-aprendizaje del enlace químico en 2º Bachillerato Cristina Benito Viloria 35 teorías y, en el caso del enlace químico, los científicos hacen uso de varias teorías para poder explicar la unión entre átomos”. DIFICULTADES ASOCIADAS AL CURSO DE 2º BACHILLERATO Este curso está marcado por un alto nivel de exigencia y estrés debido a la presión provocada por el examen que tienen que realizar una vez termine el curso para poder acceder a los estudios universitarios que deseen (EBAU – Evaluación del Bachillerato para el Acceso a la Universidad). “Todos los contenidos y ejercicios están enfocados a esa prueba y los alumnos solamente quieren hacer ejercicios tipo de esa prueba y prestan menor interés en la comprensión detallada de los conceptos que les estamos explicando”. DIFICULTADES ASOCIADAS AL CONCEPTO DE ENLACE QUÍMICO En el tema del enlace químico, la primera dificultad es el propio concepto de enlace. Todas las profesoras entrevistadas consideran que la enseñanza de este concepto es problemática y difícil. “Para empezar, hay que insistirles que el enlace químico es cada dos átomos. Esto evitará errores cuando se les introduzcan las fuerzas intermoleculares” señalaba una de las profesoras. Los alumnos no acaban de entender, por más que se les repita e insista, que todos los enlaces químicos tienen un fundamento electrostático y que la formación de estos produce una estabilidad energética. Para que lo entiendan, se les suele comentar que “se trata de un juego de estabilidad entre las fuerzas de atracción y de repulsión entre cargas eléctricas y que el tema energético es básico para entender cuán estable es esa unión”. Una de las profesoras señala que hasta 2º Bachillerato hay una diferenciación clara de cada tipo de enlace y está muy cuadriculada su clasificación atendiendo a la electronegatividad de los átomos que forman el enlace: enlace iónico (metal + no metal), enlace covalente (no metal + no metal), enlace metálico (metal + metal). En 2º Bachillerato las profesoras pretenden dejar claro que no existe una división tan tajante entre los enlaces, aunque es muy difícil que les quede claro ya que la mayoría de los libros realizan una clasificación muy marcada entre los enlaces. Además, como se comentaba antes, los alumnos intentan mecanizar todo lo posible los ejercicios; y en este tema muchos de los ejercicios no son de aplicar fórmulas y cálculos matemáticos sino de justificar y por lo general esto suele costar al alumnado. 4. Principales dificultades en la enseñanza-aprendizaje del enlace químico en 2º Bachillerato Cristina Benito Viloria 36 DIFICULTADES ASOCIADAS A CONOCIMIENTOS PREVIOS El tema del enlace químico suele introducirse después de temas como el átomo y el sistema periódico. Para que los alumnos comprendan el enlace, deben haber entendido estos dos temas anteriores (cómo es el átomo, toda su evolución hasta el modelo atómico actual, el sistema periódico y sus propiedades, etc.). “Si el alumno tiene claro los conceptos previos, en este tema se encuentran con menos dificultad. Sin embargo, la mayoría no acaban de asimilar y comprender estos conceptos previos y estas carencias les impide entender el tema del enlace químico”. DIFICULTADES ASOCIADAS A CADA TIPO DE ENLACE QUÍMICO Entrando en detalle en las dificultades más comunes de cada tipo de enlace, a continuación, se exponen las respuestas recogidas de las entrevistas: Enlace iónico Todas las profesoras coinciden en que el estudio del enlace iónico es el que presenta menos dificultades porque el modelo utilizado para su enseñanza es muy similar en casi todos los cursos. “Los estudiantes suelen comprender que uno de los átomos que participa en el enlace capta electrones y el otro los pierde. Sin embargo, no todos ellos comprenden que los iones que se forman son cargas eléctricas de distinto signo que al unirse alcanzan una energía menor y se estabilizan; y que las fuerzas de atracción no solo se dan entre pares de iones, sino que éstos intentan unirse también con los iones vecinos y formar una red cristalina iónica” decía una profesora. Hay que destacar las problemáticas que presentan los alumnos con los siguientes términos: o Concepto de ion. A pesar de que este concepto se introduce desde 2º ESO, los alumnos no tienen claro qué es un ion y no saben diferenciar correctamente entre ion y átomo y confunden sus propiedades específicas. o Significado de red iónica. “Para los alumnos, las redes iónicas son bolitas negativas y positivas; y no es poco que comprendan que no es solo una bolita positiva y otra negativa, sino que son unas cuantas; que forman una red cristalina”. Les cuesta entender qué es una red y que el tipo de red depende de la carga y el tamaño de los iones. 4. Principales dificultades en la enseñanza-aprendizaje del enlace químico en 2º Bachillerato Cristina Benito Viloria 37 o Significado y cálculo de energía reticular. El término de energía reticular se introduce en 2º Bachillerato y les cuesta entender la definición y comprender que es la clave para justificar las propiedades de los compuestos iónicos. En este curso, la energía reticular se calcula de dos formas: Ecuación de Born-Landé. Los alumnos suelen cometer errores con la distancia entre los iones. No comprenden bien que esa distancia es la suma de los radios iónicos porque confunden radio atómico y radio iónico. También les confunden las representaciones utilizadas en los libros de texto de esferas y varillas ya que piensan que la distancia d0 corresponde a las rayas entres los iones y por lo tanto es mayor (ver Figura 9). Figura 9.- Dificultad asociada a la distancia entre los iones Ciclo de Born-Haber. Los principales fallos suelen estar relacionados con la comprensión de los procesos parciales implicados en este ciclo (energía de ionización, afinidad electrónica, estados de agregación) y la estequiometría de la reacción. Asimismo, al no tener clara la definición de energía reticular, muchas veces los alumnos forman la red cristalina a partir de los átomos o de los iones en otro estado de agregación. 4. Principales dificultades en la enseñanza-aprendizaje del enlace químico en 2º Bachillerato Cristina Benito Viloria 38 o Propiedades de las sustancias iónicas. “No les cuesta aprenderse las propiedades, les cuesta justificarlas” decía una de las profesoras. A diferencia con los cursos anteriores, en 2º Bachillerato no solo tienen que aprender las propiedades, sino que también tienen que justificarlas teniendo en cuenta la energía reticular y esto suele ser un inconveniente. Enlace covalente Sin duda, todas las profesoras coincidieron en que el enlace covalente es el que presenta mayor dificultad para los alumnos. Destacan el cambio que se produce de 4º ESO, donde solo se hacen estructura de Lewis de moléculas que cumplen la regla del octeto, a 2º Bachillerato, donde también se realizan de moléculas que no la cumplen y se introducen diferentes teorías para poder explicar la geometría de algunas de ellas. Los errores más comunes en el enlace covalente son los siguientes: o Teorías y modelos. Los alumnos confunden las distintas teorías que se utilizan en el estudio de este tipo de enlace y no acaban de comprender el motivo por el cual se utiliza cada una de ellas. Las profesoras entrevistadas insisten en que hay que intentar dejarles claro a los alumnos por qué se usan estas teorías y que no hay una sola teoría que pueda explicarlo todo. o Geometría. A pesar de que este concepto se introduce ya en 4º ESO, les cuesta mucho determinar la geometría que presentan ciertas moléculas por las dificultades de visualización espacial y comprensión del lenguaje matemático. o Polaridad. Uno de los fallos más repetidos en los alumnos de 2º Bachillerato es determinar si una molécula es polar o apolar. Esto se debe a la dificultad que presentan con los vectores y la composición de vectores en la determinación del momento dipolar de la molécula. También les cuesta saber qué átomo presenta mayor o menor electronegatividad; y por lo tanto no saben representar las distribuciones de carga. “Hay que intentar dejarles claro también que la polaridad y el momento dipolar no son lo mismo, el momento dipolar es una magnitud vectorial que permite medir la polaridad”. 4. Principales dificultades en la enseñanza-aprendizaje del enlace químico en 2º Bachillerato Cristina Benito Viloria 39 o Hibridación. Esta es la mayor dificultad que presentan los alumnos y donde presentan mayores dudas. Para empezar, no comprenden el significado de orbital ya que no son capaces de relacionarlo con la idea que ellos tienen de que los electrones giran alrededor del núcleo como los planetas alrededor del sol. Hasta 2º Bachillerato solo se les explica los orbitales atómicos (s, p, d, f), pero al llegar a este curso se les cambia los esquemas al empezar a introducir orbitales híbridos (sp, sp2, sp3) y orbitales moleculares y no acaban de entenderlo. También hay que destacar la falta de capacidad de los estudiantes para visualizar la forma de los orbitales atómicos e híbridos. o Teoría de Orbitales Moleculares. A estos niveles, los contenidos que se dan sobre esta teoría son escasos. Las profesoras intentan que los alumnos comprendan que cuando se unen dos orbitales atómicos, se forman unos orbitales nuevos llamados orbitales moleculares y que esta teoría explica muy bien el paramagnetismo de algunas moléculas. o Resonancia. “Para los alumnos los electrones pertenecen a un átomo concreto y no terminan de comprender bien este concepto”. No entienden que los electrones pueden estar deslocalizados y moverse entre los átomos en una molécula. o Propiedades de las sustancias covalentes. Una de las profesoras destaca que se debe explicar primero las fuerzas intermoleculares y después las propiedades de las sustancias covalentes y no al revés como aparece en algunos libros de texto. Todas las profesoras insisten a los alumnos en que las propiedades físicas de los compuestos covalentes van a depender de las fuerzas intermoleculares y las propiedades químicas de los enlaces interatómicos. Enlace metálico En este curso se introduce la Teoría de Bandas para explicar la conductividad de semiconductores, conductores, aislantes. Las profesoras no suelen entrar mucho en detalle en esta teoría ya que no suelen pedir ningún caso práctico en los ejercicios de la EBAU. 4. Principales dificultades en la enseñanza-aprendizaje del enlace químico en 2º Bachillerato Cristina Benito Viloria 40 o Modelo de gas electrónico. Una de las profesoras señala que “a pesar de los distintos nombres que se utilizan para nombrar este modelo, hay que dejar claro que no es ni gas ni nube, sino una red sólida en la que se están moviendo los electrones de valencia”. o Teoría de Bandas. “Esta nueva teoría aparece dentro del currículo y los alumnos no han tenido el tiempo suficiente para comprender la Teoría de Orbitales Moleculares”. Los alumnos no acaban de comprender qué son los niveles de energía de los orbitales atómicos y mucho menos, los conceptos nuevos que aparecen con esta teoría: banda de valencia, banda de conducción, banda prohibida (gap), orbitales moleculares enlazantes y antienlazantes. Fuerzas intermoleculares Las fuerzas intermoleculares se explican fundamentalmente en 2º Bachillerato. Los alumnos suelen presentar dificultades para entender estas fuerzas y distinguirlas de los enlaces vistos anteriormente. “Hay que intentar que comprendan que dentro de las moléculas hay un tipo de enlace y entre las moléculas otro”. Algunos estudiantes equiparan las fuerzas intermoleculares con los enlaces covalentes y no son conscientes de las variaciones en la fortaleza entre ambos. o Diferenciación de las fuerzas de Van der Waals. Los alumnos tienden a mezclar los diferentes tipos. Además, al utilizar los términos ingleses como, por ejemplo, fuerzas de dispersión de London en vez de dipolo instantáneo-dipolo inducido, se pierde el carácter descriptivo del nombre. o Enlace de hidrógeno. Un fallo común es que digan que en la molécula de CF4 existen enlaces de hidrógeno. Las profesoras insisten en que para que exista este tipo de enlace, tiene que unirse un átomo muy electronegativo (flúor, oxígeno, nitrógeno) con un átomo de hidrógeno presente dentro de la molécula. o Importancia de estas fuerzas. Aunque en general son fuerzas débiles, no son conscientes de que su contribución es muy importante para determinar propiedades físicas de sustancias (puntos de fusión y ebullición, por ejemplo). En la Tabla 8, se resumen las dificultades en la enseñanza-aprendizaje del enlace químico destacadas en las entrevistas realizadas a las tres profesoras. 4. Principales dificultades en la enseñanza-aprendizaje del enlace químico en 2º Bachillerato Cristina Benito Viloria 41 Tabla 8.- Dificultades en la enseñanza-aprendizaje del enlace químico en 2º Bachillerato desde el punto de vista de las profesoras. Elaboración propia 4. Principales dificultades en la enseñanza-aprendizaje del enlace químico en 2º Bachillerato Cristina Benito Viloria 48 Figura 16.- Gráfico con los resultados de la séptima pregunta del cuestionario PREGUNTA 8 Para conocer las dificultades encontradas por los alumnos con este tema, se les dio un listado de opciones y se les permitió incluir alguna otra propuesta. Las respuestas más repetidas fueron que aparecen muchos conceptos nuevos con respecto a cursos anteriores (33,3%), las dificultades para realizar ejercicios (26,7%), diferenciar entre los tipos de enlaces estudiados (20%) y la dificultad para entender los conceptos (13,3%). Un alumno incluyó como propuesta la hibridación de orbitales atómicos en esta pregunta. Era de esperar que un porcentaje de los alumnos señalara la opción relacionada con los ejercicios del tema ya que muchas veces se focaliza más la enseñanza de esta materia en la realización de los ejercicios que en el entendimiento de los conceptos. Asimismo, los alumnos también son conscientes de que la extensión de los contenidos en este tema es bastante significativa. 4. Principales dificultades en la enseñanza-aprendizaje del enlace químico en 2º Bachillerato Cristina Benito Viloria 49 Figura 17.- Gráfico con los resultados de la octava pregunta del cuestionario PREGUNTA 9 El enlace señalado como el más difícil de entender fue el enlace covalente (70%) seguido por las fuerzas de Van der Waals. Esto coincide también con lo que respondieron las profesoras en la entrevista. Figura 18.- Gráfico con los resultados de la novena pregunta del cuestionario 4. Principales dificultades en la enseñanza-aprendizaje del enlace químico en 2º Bachillerato Cristina Benito Viloria 50 PREGUNTA 10 Esta pregunta permite saber cuáles son los principales problemas que tienen los estudiantes con el enlace covalente. Un 40% señaló que la hibridación de orbitales atómicos es un concepto que no entienden bien. Un 20% señalaron también las diferentes teorías usadas para explicarlo y la resonancia. Figura 19.- Gráfico con los resultados de la décima pregunta del cuestionario Hay que destacar que el cuestionario se realizó al final de curso, cuando todos los alumnos acababan de realizar el examen final de la asignatura de Química. A la vista de los resultados, se confirma que muchas de las dificultades señaladas por las profesoras entrevistadas coinciden con los resultados del cuestionario: el enlace más complejo para los alumnos es el enlace covalente (pregunta 9), les cuesta comprender por qué se usa cada tipo de teoría para explicar este enlace (preguntas 4 y 5) y la hibridación de orbitales atómicos (pregunta 10), y no acaban de comprender qué tipo de propiedades justifican las fuerzas intermoleculares (pregunta 7). También hay que destacar que el enfoque dado en los libros de texto en cuanto a la formación del enlace químico influye en el aprendizaje; esto se puede comprobar viendo las respuestas obtenidas en la pregunta 2. 5. Propuestas metodológicas para solventar algunos problemas detectados Cristina Benito Viloria 51 5. Propuestas metodológicas para solventar algunos problemas detectados Como se ha podido comprobar mediante la entrevista y el cuestionario realizados, el enlace covalente es el que presenta mayores dificultades en la enseñanza-aprendizaje del enlace químico. En este trabajo se presentan dos propuestas metodológicas para solventar algunos de los problemas detectados. Una de ellas para aclarar el uso de diferentes teorías y otra para resolver los problemas presentados con la hibridación de orbitales atómicos. 5.1 Esquema conceptual para el enlace covalente El principal problema destacado por las profesoras entrevistadas es que los alumnos no llegan a comprender correctamente las diferentes teorías utilizadas para la explicación del enlace covalente en 2º Bachillerato. Primero de todo hay que recordar que los alumnos llegan a este curso habiendo visto únicamente estructuras de Lewis en cursos anteriores. En este curso de repente se introducen varias teorías nuevas (TRPECV, TEV y TOM) cuyo nivel de dificultad es mayor. Los alumnos solamente memorizan y mecanizan cada una de ellas sin llegar a comprender por qué se usa cada teoría ni la evolución histórica que hubo hasta plantear la TOM. Después de analizar previamente los libros de texto, se ha comprobado que en ninguno de ellos se hace una distinción clara de por qué se usan diferentes teorías y las limitaciones de cada una de ellas. Es importante que los estudiantes conozcan el fundamento y los defectos de los modelos, así como el hecho de que un concepto puede explicarse mediante varios modelos (Bergqvist et al., 2013, Solbes y Vilches, 1991). Para ello, se propone la utilización de un esquema conceptual donde se recoja qué explica cada una de las teorías y qué aspectos no acaban de determinar (Figura 20). También es importante dejar claro a los alumnos el tipo de modelo atómico en el que se basan cada una de ellas ya que esto les permitirá comprender por qué se fueron introduciendo nuevas teorías. 5. Propuestas metodológicas para solventar algunos problemas detectados Cristina Benito Viloria 52 Figura 20.- Esquema de las diferentes teorías usadas para explicar el enlace covalente en 2º Bachillerato. Elaboración propia 5. Propuestas metodológicas para solventar algunos problemas detectados Cristina Benito Viloria 53 Con este esquema se pretende dejar claro a los alumnos que los modelos y teorías usadas para explicar los enlaces químicos no son descripciones reales y correctas sino aproximaciones con limitaciones propias (Chamizo et al., 2008). Los modelos son la forma en que los científicos interpretan sus observaciones y se basan en lo que saben en ese momento. Históricamente, ha habido varios cambios en el estudio del enlace químico y han ido surgiendo varias teorías que han permitido explicar diferentes aspectos que las anteriores teorías no podían. Por ejemplo, la Teoría del Enlace de Valencia con hibridación permite explicar la geometría y ángulos de enlace de las moléculas. Sin embargo, se requiere de otra teoría que explique fenómenos como el paramagnetismo en moléculas covalentes. Para abordar este problema se elaboró la Teoría de Orbitales Moleculares. En el esquema se comparan cada una de las teorías incluidas en el currículo de 2º Bachillerato en cuanto al fundamento que utiliza cada una para explicar la formación del enlace, sus limitaciones y las soluciones que se utilizan para salvar esas limitaciones. De esta forma tan visual, los alumnos podrán comprender por qué se introducen ciertos términos como la resonancia o la polaridad, así como la hibridación de orbitales atómicos que permite explicar el ángulo de enlace de moléculas tan importante como el agua y el amoniaco. Quiero destacar que esto es simplemente un esquema que debería ampliarse con la explicación detallada de cada uno de los términos recogidos en él. Excepto en el caso de la Teoría de Orbitales Moleculares, donde no sería necesario ampliar mucho más los contenidos a este nivel. 5. Propuestas metodológicas para solventar algunos problemas detectados Cristina Benito Viloria 54 5.2 Visualización espacial de la hibridación En relación con el enlace covalente, la mayor dificultad señalada por los alumnos en el cuestionario es la hibridación de los orbitales atómicos. Nakiboglu (2003) realizó un estudio sobre las concepciones que tienen los estudiantes sobre este término y los resultados indicaron dos obstáculos en su aprendizaje: la hibridación y otros conceptos relacionados con ella son abstractos y no intuitivos, y los estudiantes intentan conectar la nueva información con conocimientos previos que son irrelevantes (las capas de valencia, la regla del octeto, las configuraciones electrónicas y la idea de que los electrones orbitan como planetas alrededor del sol). Aunque en la vida diaria los alumnos oyen hablar de vehículos híbridos, parece ser que no acaban de comprender qué es exactamente hibridar, qué se hibrida y por qué usamos este término. Para que comprendan qué es “hibridar” se le puede poner un símil con algo cotidiano (especies de animales o frutas como la mula o la clementina). Para hibridar, las especies tienen que ser parecidas; por ejemplo: burro + caballo = mula, mandarina + naranja = clementina (ver Figura 21). Así, mediante la hibridación “se obtienen especies en las que se advierten dos procedencias o naturalezas distintas” (Moliner, 2007). Aplicando el concepto de hibridación a orbitales atómicos, éstos se hibridan si la energía y la simetría de los dos orbitales que se mezclan son parecidas, resultando un orbital híbrido con características de los dos orbitales atómicos puros. Figura 21.- Ejemplos cotidianos de hibridación. Elaboración propia 5. Propuestas metodológicas para solventar algunos problemas detectados Cristina Benito Viloria 55 Es importante insistir en que la hibridación puede explicar la geometría de las moléculas, pero no puede predecirla. Para predecir y determinar la geometría de la molécula se utiliza la TRPECV y posteriormente se usa la TEV con hibridación para justificar dicha geometría. Otro de los problemas que presenta este término es la visión espacial de la forma y la direccionalidad de los orbitales atómicos e híbridos (Nakiboglu, 2003). A continuación, se recogen dos propuestas para intentar solventar este problema: uso de páginas web y globos como representación de orbitales. PÁGINAS WEB Wegwerth et al. (2021) han creado una página web, llamada “Hybridization Explorer”, para manipular y experimentar con los conceptos de hibridación (Epiphany, s.f.). Este programa permite explorar tanto la combinación de orbitales atómicos como la representación visual de orbitales atómicos e híbridos y la formación de enlaces (ver Figura 22). Figura 22.- Ejemplo de representaciones creadas con el programa "Hybridization Explorer" 5. Propuestas metodológicas para solventar algunos problemas detectados Cristina Benito Viloria 56 GLOBOS En los años 50 se propuso el uso de globos para representar la geometría de las moléculas (Roberts y Traynham, 1976). Marchak, Shvarts-Serebro y Blonder (2021) realizaron un estudio en el que llevaron a cabo un conjunto de actividades prácticas para la enseñanza de la geometría molecular con alumnos de secundaria (uso de plastilina, palillos y bolas, globos, kit de modelos moleculares). Con su estudio demostraron que un enfoque de aprendizaje activo y diverso mejora la memoria del tema aprendido y aumenta las posibilidades de que sea recuperado adecuadamente. Roberts y Traynham (1976) en su artículo hablan, además de la representación de la geometría molecular, de cómo representar los orbitales híbridos con globos, sin embargo, no incluyen fotos de estos orbitales hibridados. En la Figura 23, se representan orbitales híbridos hechos con globos. Figura 23.- Representación de la hibridación de orbitales atómicos mediante globos. Elaboración propia En los Anexo VII, Anexo VIII y Anexo IX, se recoge la similitud que puede obtenerse con el uso de globos de los orbitales atómicos e híbridos y en el Anexo X, la representación de los enlaces en ciertos hidrocarburos. De esta manera se pretende que, en cierta medida, visualicen también los orbitales moleculares de enlace. En vista de que está descrito que el uso de globos para representar la geometría molecular ha dado buenos resultados, con esta propuesta se pretende conseguir resultados similares con la hibridación de orbitales atómicos y solventar las dificultades que presentan los alumnos con este término. 6. Conclusiones Cristina Benito Viloria 57 6. Conclusiones De todo lo expuesto anteriormente, se pueden sacar las siguientes conclusiones: 1. El currículo de Química en 2º Bachillerato es muy extenso y, en concreto, los contenidos relacionados con el enlace químico son demasiado amplios. En este último curso, hay que tener en cuenta no solo la amplitud de los contenidos sino también el tiempo reducido del que disponen los profesores para la explicación de las unidades didácticas. Para poder abordar con éxito las distintas teorías que se introducen en este curso, se necesita más tiempo. En mi opinión, el estudio detallado de conceptos como la Teoría de Orbitales Moleculares o la Teoría de Bandas podrían ser eliminados del currículo. Ambas teorías son bastante complejas ya que para poder comprenderlas habría que explicar a los alumnos cómo se obtienen los orbitales moleculares y para ello habría que mencionar la ecuación de Schrödinger, el cual es un concepto muy abstracto y complicado para estos niveles. Además, para entender la mayoría de las propiedades que se derivan del tipo de enlace químico es suficiente con saber aplicar teorías que, aunque incompletas, son más sencillas. 2. Los diferentes autores y profesores consultados coinciden en que el concepto de enlace químico suele ser de los más difíciles en el estudio de la Química debido a su alto grado de abstracción y a la forma de enseñanza de este concepto. 3. Muchos de los errores conceptuales que presentan los alumnos están relacionados con la forma de presentar el tema en los libros de texto. Un claro ejemplo es la respuesta dada por los alumnos en el cuestionario a la pregunta relacionada con la causa de la formación del enlace químico. La rúbrica presentada en este trabajo puede ser utilizada por los docentes a la hora de escoger un libro de texto para 2º Bachillerato. 4. Gracias a la revisión bibliográfica realizada, he podido conocer y plantearme otras formas de enseñanza del tema de enlace químico que no sea el enfoque pedagógico tradicional en el cual se hace una división marcada entre los diferentes tipos de enlace. 8. Anexos Cristina Benito Viloria 64 ANEXO II. Tabla con los contenidos relacionados con el enlace químico en 4º ESO (BOCYL) CONTENIDOS CRITERIOS DE EVALUACIÓN ESTÁNDARES DE APRENDIZAJE EVALUABLES Bloque 4. La materia […] El enlace químico. Enlaces interatómicos: iónico, covalente y metálico. Fuerzas intermoleculares. Interpretación de las propiedades de las sustancias. […] […] 4. Interpretar los distintos tipos de enlace químico a partir de la configuración electrónica de los elementos implicados y su posición en la Tabla Periódica. 5. Justificar las propiedades de una sustancia a partir de la naturaleza de su enlace químico. 6. Reconocer la influencia de las fuerzas intermoleculares en el estado de agregación y propiedades de sustancias de interés. […] […] 4.1. Utiliza la regla del octeto y diagramas de Lewis para predecir la estructura y fórmula de los compuestos iónicos y covalentes. 4.2. Interpreta la diferente información que ofrecen los subíndices de la fórmula de un compuesto según se trate de moléculas o redes cristalinas. 5.1. Explica las propiedades de sustancias covalentes, iónicas y metálicas en función de las interacciones entre sus átomos o moléculas. 5.2. Explica la naturaleza del enlace metálico utilizando la teoría de los electrones libres y la relaciona con las propiedades características de los metales. 5.3. Diseña y realiza ensayos de laboratorio que permitan deducir el tipo de enlace presente en una sustancia desconocida. 6.1. Justifica la importancia de las fuerzas intermoleculares en sustancias de interés biológico. 6.2. Relaciona la intensidad y el tipo de las fuerzas intermoleculares con el estado físico y los puntos de fusión y ebullición de las sustancias covalentes moleculares, interpretando gráficos o tablas que contengan los datos necesarios. […] 8. Anexos Cristina Benito Viloria 65 ANEXO III. Tabla con los contenidos relacionados con el enlace químico en 2º Bachillerato (BOCYL) CONTENIDOS CRITERIOS DE EVALUACIÓN ESTÁNDARES DE APRENDIZAJE EVALUABLES Bloque 2. Origen y evolución de los componentes del Universo […] Enlace químico. Enlace iónico. Redes iónicas. Energía reticular. Ciclo de BornHaber. Propiedades de las sustancias con enlace iónico. Enlace covalente. Teoría de Lewis. Teoría de repulsión de pares electrónicos de la capa de valencia (TRPECV). Geometría y polaridad de las moléculas. Teoría del enlace de valencia (TEV), hibridación y resonancia. Teoría del orbital molecular. Tipos de orbitales moleculares. Propiedades de las sustancias con enlace covalente, moleculares y no moleculares. […] 8. Utilizar el modelo de enlace correspondiente para explicar la formación de moléculas, de cristales y estructuras macroscópicas y deducir sus propiedades. 9. Construir ciclos energéticos del tipo Born-Haber para calcular la energía de red, analizando de forma cualitativa la variación de energía de red en diferentes compuestos. 10. Describir las características básicas del enlace covalente empleando diagramas de Lewis y utilizar la TEV para su descripción más compleja. 11. Emplear la teoría de la hibridación para explicar el enlace covalente y la geometría de distintas moléculas. […] 8.1. Justifica la estabilidad de las moléculas o cristales formados empleando la regla del octeto o basándose en las interacciones de los electrones de la capa de valencia para la formación de los enlaces. 9.1. Aplica el ciclo de Born-Haber para el cálculo de la energía reticular de cristales iónicos. 9.2. Compara la fortaleza del enlace en distintos compuestos iónicos aplicando la fórmula de Born-Landé para considerar los factores de los que depende la energía reticular. 10.1. Determina la polaridad de una molécula utilizando el modelo o teoría más adecuados para explicar su geometría. 10.2. Representa la geometría molecular de distintas sustancias covalentes aplicando la TEV y la TRPECV. 11.1. Da sentido a los parámetros moleculares en compuestos covalentes utilizando la teoría de hibridación para compuestos inorgánicos y orgánicos. 8. Anexos Cristina Benito Viloria 66 CONTENIDOS CRITERIOS DE EVALUACIÓN ESTÁNDARES DE APRENDIZAJE EVALUABLES Enlace metálico. Modelo del gas electrónico y teoría de bandas. Propiedades de los metales. Aplicaciones de superconductores y semiconductores. Naturaleza de las fuerzas intermoleculares. Enlaces de hidrógeno y fuerzas de Van der Waals. Enlaces presentes en sustancias de interés biológico. […] 12. Conocer las propiedades de los metales empleando las diferentes teorías estudiadas para la formación del enlace metálico. 13. Explicar la posible conductividad eléctrica de un metal empleando la teoría de bandas. 14. Reconocer los diferentes tipos de fuerzas intermoleculares y explicar cómo afectan a las propiedades de determinados compuestos en casos concretos. 15. Diferenciar las fuerzas intramoleculares de las intermoleculares en compuestos iónicos o covalentes. […] 12.1. Explica la conductividad eléctrica y térmica mediante el modelo del gas electrónico aplicándolo también a sustancias semiconductoras y superconductoras. 13.1. Describe el comportamiento de un elemento como aislante, conductor o semiconductor eléctrico utilizando la teoría de bandas. 13.2. Conoce y explica algunas aplicaciones de los semiconductores y superconductores analizando su repercusión en el avance tecnológico de la sociedad. 14.1. Justifica la influencia de las fuerzas intermoleculares para explicar cómo varían las propiedades específicas de diversas sustancias en función de dichas interacciones. 15.1. Compara la energía de los enlaces intramoleculares en relación con la energía correspondiente a las fuerzas intermoleculares justificando el comportamiento fisicoquímico de las moléculas. […] 8. Anexos Cristina Benito Viloria 67 ANEXO IV. Tabla comparativa de contenidos relacionados con el enlace químico en diferentes niveles académicos 2º ESO 3º ESO 4º ESO 1º BACHILLERATO 2º BACHILLERATO Bloque 2. La materia Uniones entre átomos: enlace iónico, covalente y metálico - Bloque 4. La materia El enlace químico. Enlaces interatómicos: iónico, covalente y metálico. Fuerzas intermoleculares. Interpretación de las propiedades de las sustancias. - Bloque 2. Origen y evolución de los componentes del Universo Enlace químico. Enlace iónico. Redes iónicas. Energía reticular. Ciclo de BornHaber. Propiedades de las sustancias con enlace iónico. Enlace covalente. Teoría de Lewis. Teoría de repulsión de pares electrónicos de la capa de valencia (TRPECV). Geometría y polaridad de las moléculas. Teoría del enlace de valencia (TEV), hibridación y resonancia. Teoría del orbital molecular. Tipos de orbitales moleculares. Propiedades de las sustancias con enlace covalente, moleculares y no moleculares. Enlace metálico. Modelo del gas electrónico y teoría de bandas. Propiedades de los metales. Aplicaciones de superconductores y semiconductores. Naturaleza de las fuerzas intermoleculares. Enlaces de hidrógeno y fuerzas de Van der Waals. Enlaces presentes en sustancias de interés biológico. 8. Anexos Cristina Benito Viloria 68 ANEXO V. Rúbrica utilizada para el análisis de los libros de texto de Química en 2º Bachillerato CATEGORÍA ITEMS CÓDIGO DEL LIBRO L1 L2 L3 L4 L5 SECUENCIACIÓN DE LOS CONTENIDOS 1. Dedica un tema al estudio del enlace químico X - X X X 2. Dedica más de un tema al estudio del enlace químico - X - - - 3. El enlace químico se incluye dentro de otro tema - - - - - 4. Explica las propiedades de las sustancias y a continuación los diferentes enlaces que presentan - - - - - 5. Explica las propiedades a continuación de explicar cada tipo de enlace X X X X X 6. Explica los tipos de enlace y por último presenta las propiedades de las sustancias con cada tipo de enlace - - - - - 7. Inicia el estudio de los tipos de enlace con el enlace iónico X X X X X 8. Inicia el estudio de los tipos de enlace con el enlace covalente - - - - - 9. Inicia el estudio de los tipos de enlace con el enlace metálico - - - - - CAUSA DE LA FORMACIÓN DE ENLACE 1. Los átomos se enlazan para adquirir configuraciones estables X - - X - 2. Los átomos se enlazan para adquirir un estado de mínima energía X X X X X 3. Relaciona la estabilidad de las sustancias con la configuración de gas noble X - - X - 4. Relaciona la estabilidad de las sustancias con la formación del enlace X X - X X 5. Relaciona la estabilidad de las sustancias con un estado de mínima energía X X - X X 6. Relaciona distancia de enlace con un estado de mínima energía X X X X X 7. Explica que es la distancia de enlace y la energía de enlace X X X X X 8. Anexos Cristina Benito Viloria 69 CATEGORÍA ITEMS CÓDIGO DEL LIBRO L1 L2 L3 L4 L5 TERMINOLOGÍA UTILIZADA 1. Utiliza distintas terminologías para referirse a un mismo concepto X X X X X 2. Define enlace como unión entre átomos sin especificar su naturaleza - X - X - 3. Define enlace como unión entre átomos por fuerzas electrostáticas - - - - - 4. Define enlace como fuerzas que mantienen unidas a los átomos, iones o moléculas X - - - X 5. Define enlace iónico como la unión entre iones X - X X X 6. Define enlace covalente como la unión entre átomos X X X X X 7. Define enlace metálico como la unión entre átomos X X - - X 8. Introduce el concepto de molécula dipolo, pero no define momento dipolar X - - - - 9. Define dipolo eléctrico o momento dipolar - X X X X 10. Define enlace iónico puro como un caso límite de enlace covalente polar X - - - - 11. Define enlace metálico puro como un caso extremo del enlace covalente - X - - - 12. Mezcla las palabras “átomo” y “catión” (o “ion metálico” o “ion positivo”) en el enlace metálico X X X - X CLASIFICACIÓN DE LAS SUSTANCIAS 1. Clasifica las sustancias covalentes en moléculas y cristales covalentes X X - X X 2. Clasifica los cristales en iónicos, covalentes moleculares, atómicos covalentes y metálicos X X - X X 3. Clasifica los enlaces en tres tipos: iónico, covalente y metálico - X - - X 4. Clasifica los enlaces en dos tipos: intermoleculares (enlace iónico, covalente y metálico) e intramoleculares X - - X - 5. Clasifica los enlaces en iónico, covalente, metálico y fuerzas intermoleculares - - X - - 8. Anexos Cristina Benito Viloria 70 CATEGORÍA ITEMS CÓDIGO DEL LIBRO L1 L2 L3 L4 L5 MODELOS DE ENLACE 1. Indica que los modelos de enlace son aproximaciones de la realidad y no descripciones reales y correctas - - - - - 2. Señala el hecho de que se pueden usar diferentes modelos para explicar los enlaces químicos X - X - - 3. Señala las limitaciones de cada modelo - - - - - 4. Explica los enlaces en términos de diferencias de electronegatividades entre los elementos X X X X X 5. Explica el enlace iónico mediante transferencia de electrones X X X X X 6. Explica el enlace iónico mediante fuerzas electrostáticas X X X X X 7. Explica el enlace covalente por compartición de electrones X X X X X 8. Explica el enlace covalente mediante fuerzas electrostáticas - X X - - 9. Ejemplo principal usado para el estudio del enlace iónico: cloruro de sodio X X X X X 10. Ejemplo principal usado para el estudio del enlace iónico distinto al NaCl - - - - - 11. Explica el ciclo de Born-Haber X X X X X 12. Utiliza el diagrama de Lewis para el enlace covalente X X X X X 13. Utiliza el diagrama de Lewis para el enlace covalente y el iónico - X X - - 14. Utiliza la Teoría de Repulsión Pares de Electrones de la Capa de Valencia (TRPECV) para el estudio del enlace covalente X X X X X 15. Utiliza la Teoría de Electrones de Valencia (TEV) para el estudio del enlace covalente X X X X X 16. Utiliza la Teoría de Hibridación en el estudio del enlace covalente X X X X X 17. Utiliza la Teoría de Orbitales Moleculares (TOM) para el estudio del enlace covalente - X X - - 8. Anexos Cristina Benito Viloria 71 CATEGORÍA ITEMS CÓDIGO DEL LIBRO L1 L2 L3 L4 L5 18. Explica el enlace metálico como atracción entre electrones de valencia y los iones positivos - X - - - 19. Explica el enlace metálico como pérdida de electrones para adquirir configuración de gas noble - X - X - 20. Explica el enlace metálico mediante el modelo de gas de electrones (modelo clásico) X X X X X 21. Explica el enlace metálico mediante la Teoría de Bandas (modelo cuántico) X X X X X ESTUDIO DE LAS FUERZAS INTERMOLECULARES 1. No define las fuerzas intermoleculares - - X - - 2. Define fuerzas intermoleculares como fuerzas-unión entre moléculas X - - X X 3. Define las fuerzas intermoleculares como enlace en los que participan moléculas X X - - - 4. Considera a las fuerzas intermoleculares como un tipo de enlace - - X - - 5. Clasifica las fuerzas intermoleculares de Van der Waals en dipolo permanente-dipolo permanente, enlace dipolo permanente-dipolo inducido, enlace dipolo instantáneo-dipolo inducido - X X X X 6. Clasifica las fuerzas intermoleculares en fuerzas de Van der Waals y enlaces de hidrógeno X X X X X 7. Introduce el término fuerzas de dispersión o de London para uniones entre moléculas apolares X - - - X 8. Da a entender que la intensidad de las fuerzas de dispersión depende del número de electrones de las moléculas - X X - - 9. Da a entender que la intensidad de las fuerzas de dispersión depende de la masa de las moléculas X X X X X 8. Anexos Cristina Benito Viloria 72 ANEXO VI. Cuestionario de enlace químico en 2º Bachillerato 1. Los tipos de enlace químico que pueden darse entre dos átomos pueden ser: o Iónico y covalente o Iónico, covalente y metálico o Iónico, covalente, metálico y fuerzas de Van der Waals o Iónico, covalente, metálico, fuerzas de Van der Waals y enlaces de hidrógeno 2. Para que se pueda formar un enlace es necesario que: o Tenga lugar una disminución de la energía del sistema o Se produzca una transferencia de electrones entre los átomos que van a enlazarse o Se produzca una hibridación de orbitales o Se produzca un solapamiento de orbitales 3. ¿Qué geometría tiene la molécula de agua (H2O)? o Angular o Piramidal o Tetraédrica o Lineal 4. ¿Qué teoría usarías para predecir la geometría en la molécula de agua? o Teoría de Lewis o Teoría de Repulsión de los Pares de Electrones en la Capa de Valencia o Teoría del Enlace de Valencia con hibridación de orbitales atómicos o Teoría de Orbitales Moleculares 5. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es cierta sobre la molécula de agua? o El modelo de hibridación de orbitales atómicos permite explicar el ángulo de la molécula o Las estructuras de Lewis permiten explicar la polaridad de la molécula 8. Anexos Cristina Benito Viloria 73 6. ¿Qué hibridación presenta el oxígeno en la molécula del agua? o sp o sp2 o sp3 7. Los enlaces intermoleculares nos permiten explicar: o Las propiedades físicas o Las propiedades químicas 8. ¿Qué dificultades has encontrado al estudiar el tema de enlace químico? o Los conceptos son difíciles de entender o Me cuesta diferenciar los tipos de enlaces estudiados o Tengo dificultades para realizar ejercicios sobre este tema o Aparecen muchos conceptos nuevos con respeto a cursos anteriores o Otros 9. ¿Qué enlace te resulta más difícil de entender? o Enlace iónico o Enlace covalente o Enlace metálico o Fuerzas de Van der Waals o Enlace de hidrógeno 10. En relación con el enlace covalente, ¿cuáles son las mayores dificultades que has encontrado al estudiarlo? a. Geometría molecular b. Polaridad c. Resonancia d. Hibridación de orbitales atómicos e. Diferentes teorías usadas para explicarlo f. Teoría de Orbitales Moleculares g. Propiedades de sustancias h. Otros 8. Anexos Cristina Benito Viloria 80 Molécula de etino