Química dulce

Este post esta basado en el libro, "PARA JUGAR CON LAS NANO" que fue un trabajo de la Red Nanodyf.
El libro pretende acercar la nano a través de talleres y actividades lúdicas. Continuamos la serie con el capítulo: Química dulce de Pedro Amalio Serena Domingo.

Principios a revisar 

• Estructura atómica de la materia 
• Bases de la nomenclatura y formulación en química 
• Enlace químico 
• Fundamentos de las nanotecnologías  

Material 

• Por cada grupo de participantes, una bandeja con palillos de madera (50–60) 
• Gomitas de colores (24 de color verde para el carbono, 6–8 azules para el oxígeno, 18–20 rojas para el hidrógeno, 2–4 amarillas para el nitrógeno) 
• Tabla periódica 
• Ilustraciones de algunas moléculas o acceso a in-ternet para mostrar algunos modelos moleculares (opcional)

Procedimiento 

1. Explicación breve de la constitución atómica de la materia, el tamaño de los átomos y las moléculas, y la nomenclatura química. 
2. Desarrollo de modelos moleculares propuestos por los participantes mediante el uso de gomitas y palillos de madera. 
3. Comparación de los modelos propuestos con las estructuras moleculares reales e introducción de algunas ideas de la mecánica cuántica para explicar la forma de las moléculas. 
4. Vinculación de los modelos desarrollados con sistemas de más complejidad que son frecuentes en nanotecnología. 

Preguntas 

• ¿Qué son los átomos y las moléculas? 
• ¿Qué tamaño tienen? 
• ¿Cómo se denominan las especies atómicas?
• ¿Qué formas tienen las moléculas? 
• ¿Cómo se enlazan los átomos para formar moléculas? ¿Hay leyes físicas que permitan entender estas formas?  

Marco teórico 

El átomo es la unidad de materia más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o
sus propiedades, y que no es posible dividir mediante procesos químicos. Un átomo está compuesto por un núcleo atómico, que concentra casi toda su masa y que está rodeado de una nube de electrones. El núcleo está formado por protones, con carga positiva, y por neutrones, neutros eléctricamente. Los electrones, cargados negativamente, permanecen ligados al núcleo mediante la fuerza electromagnética. El número de protones en el núcleo defne la especie química a la que pertenece el átomo. En el caso de átomos neutros, el número de electrones es idéntico al de protones. Un átomo se ioniza cuando pierde o gana uno o más electrones. En estos momentos se conocen 118 elementos químicos que pueden agruparse en familias en función de la similitud de sus propiedades. Dicha agrupación se hace más evidente si se usa la representación conocida como tabla periódica de los elementos, cuya primera versión fue publicada en 1869 por el científco ruso Dimitri Mendeleyev. Los elementos químicos habitualmente se identifcan mediante una abreviación de su nombre, denominada símbolo químico. Algunos ejemplos de elementos y sus símbolos son: hidrógeno, H; carbono, C; oxígeno, O; nitrógeno, N; cloro, Cl; litio, Li; azufre, S; fósforo, P; aluminio, Al; cobre, Cu; oro, Au; hierro, Fe; plata, Ag; etcétera. Los símbolos químicos son la base de toda la formulación de moléculas y de la descripción de reacciones mediante ecuaciones químicas. Las propiedades de un átomo se deben a su estructura electrónica, la cual solamente puede entenderse en el marco de la teoría de la mecánica cuántica, que explica la existencia de una serie de niveles de energía permitidos para los electrones. Cada átomo tiene un conjunto característico de niveles de energía que dan lugar a un espectro atómico característico, originado por la emisión/absorción de luz cuando los electrones pasan de un nivel de energía a otro. De esta forma, por ejemplo, se puede determinar la composición química de una estrella, por muy distante que se encuentre. La mecánica cuántica también explica cómo los átomos pueden unirse entre sí mediante enlaces químicos para formar innumerables compuestos. El enlace químico entre átomos está asociado con la transferencia parcial o total de los electrones entre ellos. La propia geometría de las moléculas se explica con base en la estructura electrónica de los átomos que la constituyen y las reglas del enlace químico.Los nanoobjetos (estructuras de tamaño nanométrico) tienen también su propia estructura electrónica y, nuevamente, sus propiedades dependen de la misma. La nanotecnología es la rama del conocimiento que permite controlar la materia a escala atómica y molecular para manipular la estructura electrónica de estos nanoobjetos y, por lo tanto, sus propiedades físicas y químicas. En nanotecnología es importante conocer la manera en la que los átomos se enlazan formando pequeñas moléculas para poder entender cómo se forman estructuras más complejas, como nanotubos de carbono, grafeno, nanopartículas, liposomas, membranas celulares, etcétera.

Abordaje sugerido 

En este taller se propone una breve exploración de la geometría de algunas moléculas sencillas, asumiendo que los participantes no poseen conocimientos sobre mecánica cuántica. La actividad debe desarrollarse en grupos de 4 a 6 participantes que trabajarán en equipo. La actividad tiene 2 partes: en la primera se desarrolla un discurso introductorio con preguntas cortas y ejemplos sencillos; en la segunda, los participantes desarrollan una actividad práctica ensamblando sencillos modelos moleculares. Con dicha exploración, se pretende familiarizar al participante con átomos y moléculas, los protagonistas fundamentales de la nanotecnología. La actividad debe comenzar mencionado que un nanómetro es una longitud extremadamente pequeña. Se mencionará que en un tramo de un nanómetro de longitud se pueden alinear unos pocos átomos (de 3 a 5). Se puede vincular la presente actividad a otra relacionada con la explicación de la nanoescala. Se recordará que los átomos son los componentes fundamentales de la materia desde el punto de vista químico; también, que los átomos están formados por otras partículas, tales como los protones, los neutrones y los electrones. Asimismo, se mencionará que los átomos de un mismo tipo per tenecen a la misma especie química. Se mostrará una tabla periódica de los elementos para ejemplifcar las diferentes especies atómicas. Se resaltará que los átomos se identifcan mediante nombres llamativos, procedentes del latín o el griego, y un símbolo que permite su escritura abreviada. Se recordará que algunas especies atómicas ya nos son familiares. Se pueden mencionar algunos elementos y sus símbolos. Como un punto interesante, se puede mencionar que el símbolo del hierro (Fe) procede de ferrum, y de dicha palabra en latín derivan términos como ferrocarril o ferretería. Se puede invitar a los participantes a mencionar palabras con la raíz ferro. Se debe enfatizar que la tabla periódica es una especie de catálogo en el que se muestran los diferentes tipos de átomos que pueden asemejarse a los ladrillos o a las piezas de un juego de construcción, con los que están hechos los materiales que nos rodean e incluso nosotros mismos. Los átomos se enlazan entre sí para formar moléculas compartiendo o cediendo electrones, formando enlaces. Algunas moléculas son sencillas, pero otras pueden ser muy complicadas (como las proteínas). Se puede hacer mención del caso de la molécula del agua y preguntar por su composición y su formulación. Se dialogará con los participantes sobre la forma de la molécula (lineal o triangular, posición del hidrógeno, etcétera). Se pregunta a los participantes sobre las razones que tiene la naturaleza para que la molécula de agua tenga dicha forma. La pregunta sirve para indicar que el compor tamiento de la naturaleza se explica a través de la mecánica cuántica, que puede entenderse como un complejo manual de la naturaleza que nos indica cómo se unen los átomos para formar moléculas. A continuación se pide a los grupos que durante 10 o 15 minutos se inventen, trabajando en equipo y usando las gomitas de colores, las formas de unas cuantas moléculas a partir de unas fórmulas que se facilitarán en una ficha o se escribirán en una pizarra. Se propondrá ensamblar modelos de las moléculas O2 , CO2 , H2O, NH3 , CH4 , y  C2H6 . Para hacerlo se unirán varios átomos (representados por gomitas de colores) mediante palillos que actúan como enlaces. Se mostrará como ejemplo la estructura de la molécula de agua fabricada con gomitas.
Cada grupo de participantes construirá diferentes configuraciones geométricas. Transcurrido el tiempo establecido, se mostrarán unos modelos también hechos de gomitas con las configuraciones reales. Se compararán los modelos elaborados por los participantes con las estructuras reales. Se pueden destacar aquellas configuraciones que, no siendo acertadas, sean las más imaginativas. Se refexionará sobre las configuraciones moleculares reales, indicando que la naturaleza sigue sus propias reglas que el ser humano ha descifrado. Ese conjunto de reglas es parte de la mecánica cuántica, que ya es conocida por los científcos desde hace casi un siglo. Se mencionará que, si por un lado se conocen los ladrillos con los que está hecho todo lo que nos rodea y, por otro, las reglas que permiten su unión, es fácil pensar en construir nuevos materiales y dispositivos. Se indicará que este es el fundamento de la nanotecnología: construir materiales y dispositivos a partir de la manipulación controlada de los átomos usando diversas técnicas procedentes de la física, la química y la biología. Para terminar, se puede solicitar a los participantes que construyan un pequeño fragmento de grafeno realizando una estructura bidimiensional. Para los más habilidosos, se puede solicitar construir un fullereno (C60) o un nanotubo de carbono.

Dinámicas útiles 

En lugar de gomitas se pueden usar bolas de plastilina o masa coloreada. Es conveniente que las
gomitas manipuladas por los participantes no sean ingeridas. Con ayuda de un proyector, se pueden mostrar imágenes obtenidas en internet con ejemplos de moléculas o estructuras conocidas por los participantes: butano, glucosa, aspirina, ibuprofeno, cafeína, sal común, diamante, una cadena de ADN, etcétera. Se recomienda tomar fotos de las configuraciones moleculares propuestas por los participantes y realizar una pequeña exposición virtual de las propuestas.