Al enseñar biología a estudiantes de secundaria, ¿puedo definir con seguridad un “enlace químico” como “una atracción eléctrica entre los átomos para formar moléculas”?

Answer 1

Si, absolutamente. Es principalmente una fuerza eléctrica estática. La fuerza lleva el nombre de este compañero, sus estudiantes pueden buscarlo en Google: (Coulomb)

Parece un aristócrata, porque eso es lo que eran estos primeros científicos, principalmente. Eran hombres de letras en Europa y Gran Bretaña, luego en las Américas. Tenían el dinero y el tiempo para realizar investigaciones. Una especie de afición del hombre rico. Podemos criticar la mentalidad de clase, pero de alguna manera deberíamos estar agradecidos. Al menos contribuyeron de nuevo a la sociedad, no como muchos de los Nouveau Riche de hoy.

Es una fuerza entre una carga positiva y una negativa en un rango cercano que es responsable. Las leyes de escalamiento son las que lo hacen tan efectivo, y recomendaría que cualquier estudiante de biología obtenga una apreciación temprana de la importancia de la escala, y de qué manera dramática afecta la importancia relativa de las propiedades físicas. El post más popular que hice en Quora fue sobre la leche y la escala 🙂

Ahora, la atracción Coulombic es simple y simétrica, como la gravedad, por lo que no explica cómo los átomos y las moléculas exhiben tales cualidades geométricas sorprendentes, por lo que claramente la atracción Coulombic no es toda la historia. Es “lo que pasa después” lo que importa. Solo aprendimos que cuando la teoría cuántica llegó a principios del siglo XX.

Hay un precedente para la geometría que surge de una simple situación simétrica, y esa también fue una pregunta que desconcertó a los antiguos. La simple atracción de los cuerpos gravitantes da lugar a complejos espacios orbitales de la luna y los planetas, e incluso a la astrología.

Newton lo rompió y casi no lo publicó hasta que sus amigos lo alentaron, porque Newton trabajó solo, en secreto la mayor parte del tiempo debido a su salida de la ortodoxia cristiana, resolviendo todo tipo de rompecabezas, incluida la naturaleza de la química. que era una verdadera pasión por él. Newton derivó las órbitas de los planetas como puntos suspensivos de cuando sus contemporáneos discutían sobre círculos. La idea de Newton de la gravedad como cuadrado inverso universal, y simétrica, es exactamente igual a la idea de Coulomb de la fuerza eléctrica. La ecuación también es idéntica, solo usas carga en lugar de masa gravitacional.

Pero el movimiento que es el resultado de esa fuerza de atracción de Coulomb resulta ser totalmente diferente al movimiento planetario de Newton, y la razón es mucho más profunda de lo que cualquiera podría haber predicho. Nuestras propias ideas de movimiento tuvieron una revisión radical en la teoría cuántica.

La forma de presentar esto a los estudiantes podría ser simplemente decir que la física “clásica” de las pelotas de béisbol y los planetas es simplemente una forma de hablar de las cosas en situaciones clásicas . La situación es la clave, el lenguaje es apropiado para la situación. Incluso cuando se usan las mismas palabras, el significado puede ser diferente. Especialmente si ves la palabra “partícula”, debes entender que puede tener una definición no clásica cuando se usa en un contexto no clásico. La química a nivel atómico no es mecánica clásica, es mecánica cuántica. No clasico

Sería bueno tener cuidado con el lenguaje. En el reino atómico, los electrones deben tratarse como si tuvieran una longitud de onda, llamada longitud de onda deBroglie. Esta onda se envuelve alrededor del núcleo de un átomo en lugar de “orbitar”. El resultado es un patrón geométrico llamado ” orbital “. La analogía se mantiene mediante la elección cuidadosa de las palabras del lenguaje. Puede decir “orbital”, pero no debe decir “orbitar”. Lamento sonar como la policía del idioma, pero estos son asuntos delicados.

Así que ahí está la respuesta a ese enigma geométrico. La simetría del potencial de Coulomb que atrae a los electrones da como resultado una solución no geométrica, que es atribuible al movimiento en sí. Ese movimiento se debe a que nuestro electrón tiene un movimiento cinético lateral y está limitado por la fuerza de culombio. Ahora desde una distancia los cargos serán neutrales. Un átomo de hidrógeno solo en el espacio profundo tiene un protón positivo con un solo orbital de electrones.

(Nota: estoy ignorando esos campos dinámicos energéticos de la radiación electromagnética para nuestros propósitos. El magnetismo tiene muy poco que ver con los enlaces químicos incidentalmente).

Pero supongamos que colocamos ese átomo en algún campo eléctrico externo no paralelo, que después de todo es lo que produce una carga puntual. Este tipo de campos eléctricos estáticos están por todas partes en el nivel atómico en materia condensada. Las fuerzas en nuestro átomo serán desiguales. El efecto neto es que dos átomos de hidrógeno no son neutros entre sí en un acercamiento cercano. El atraer más a medida que se acercan más. La fuerza entre dos átomos es bien conocida, y aquí hay una gráfica para mostrar a los estudiantes:

Para que se forme un enlace, tiene que perder energía cinética en alguna otra forma, y ​​puede ser por colisión con alguna superficie catalítica (un poco como el convertidor de gato en el escape de su auto) o irradiarla, por lo que el enlace es permanente .

El efecto total de la unión es igual que en el caso clásico, que todavía es una buena analogía. Es la fuerza de atracción la que causa el enlace, pero es la energía total la que caracteriza al enlace.

Answer 2

Como están enseñando a los niños de la escuela intermedia, no veo ningún peligro en decirles algo que pueda confundir más adelante su intuición acerca de los efectos mecánicos cuánticos. Porque, en la base, todas las fuerzas interactivas entre los átomos se reducen a un equilibrio entre las fuerzas electrostáticas repulsivas y atractivas. Ya sea que distinga entre enlaces covalentes, enlaces iónicos, enlaces de hidrógeno, atracción dipolar, fuerzas de van der Waal, o lo que sea, estos son todos de naturaleza electrostática.

No veo ningún daño en decirles que la atracción es similar a la de dos imanes, pero los imanes se atraen hasta que se golpean entre sí. En los átomos, los efectos repulsivos toman el control cuando los átomos se acercan demasiado, por lo que hay un medio feliz donde las fuerzas atractivas y repulsivas simplemente se equilibran, y esa es la longitud del enlace. Los diferentes tipos de átomos y tipos de enlaces tienen diferentes longitudes características, pero todos se basan en el equilibrio entre las fuerzas electrostáticas repulsivas y atractivas.

Answer 3

No Será mejor para las intuiciones de los estudiantes definir los enlaces moleculares como el entrelazamiento de electrones (o solo átomos) y los enlaces iónicos como atracciones magnéticas . Este modelo es más consistente con la teoría de la mecánica cuántica, y se presta mejor a un aprendizaje posterior con respecto a las diferencias entre los enlaces moleculares e iónicos.

Si debe definir “enlaces químicos” como un solo grupo, un mejor análogo visual sería el bloqueo de los imanes en forma de Lego.

Si no te importa lo claro, al menos llamas enlaces químicos a las atracciones electromagnéticas de las fuerzas que mantienen unidos a los átomos como moléculas.

La definición no será de gran importancia más tarde, de todos modos; Es la intuición lo que cuenta.

Answer 4

No es correcto. Si sus estudiantes tienen alguna idea sobre la estructura de los átomos (núcleo + electrones alrededor), no estarían contentos con la definición sugerida, ya que la atracción eléctrica plantearía preguntas tales como “dos átomos deberían repelerse entre sí debido a la repulsión de las nubes electrónicas de Los dos átomos se acercan.

La naturaleza del enlace químico se deriva de una característica extraña de todos los átomos para tener una capa electrónica externa completa de 2 u 8 electrones, ya sea compartiendo electrones, perdiendo electrones o obteniendo electrones cuando se encuentran entre sí.

Entonces, antes de describir la atracción eléctrica entre Na + y Cl- en el cristal de NaCl, debemos explicar por qué el Na pierde un electrón y el Cl obtiene lo mismo una vez que los átomos de Na se encuentran con el gas de cloro.

Answer 5

Para compuestos iónicos, puede utilizar la atracción eléctrica entre iones con cargas opuestas para definir el “enlace iónico (químico)”. Pero no para los compuestos covalentes.

El enlace químico en los compuestos covalentes es una clase de fuerza, “una fuerza de compartir electrones” entre dos átomos unidos. La descripción detallada de esta fuerza necesita antecedentes de química cuántica.

Answer 6

Usted podría hacerlo. La idea de atracción electrónica, supongo, es familiar en la vida cotidiana. El estudiante puede comparar la idea de los fenómenos electrostáticos.

Pero luego se preguntarán: ¿Por qué un átomo puede aceptar 8 electrones en cada capa? ¿Pueden los 80 átomos unirse a un solo átomo? Podrían pensar que porque la repulsión será demasiado grande, pero esto no es cierto … De hecho (como debes haber sabido) la verdad es mucho más complicada. Los electrones tienen funciones de onda, y esas funciones no pueden ser nada, solo funciones propias.

Sostengo que una mejor analogía es el tipo de modelo de bola y he visto modelos de juguetes que solo tienen un número fijo de agujeros, y las barras solo pueden conectar una bola en un ángulo fijo. Estos agujeros son la “naturaleza” de los diferentes átomos, y por eso es que “aprenderán en la universidad”.

Answer 7

¿Por qué incluso tratar de enseñar química a nivel atómico? La idea de elementos y compuestos con muchos ejemplos de ambos enseñará “hechos” sin dar explicaciones incompletas que deban ser contradichas en el futuro. Es posible enseñar que inhalamos O2 y lo usamos para reaccionar con la glucosa para darnos energía y formar CO2, que exhalamos sin entrar en los detalles del ciclo de Krebs. Por lo que veo en los discursos actuales, el conocimiento básico es muy deficiente.