INTRODUCCIÓN PARA INSTRUCTORES

Para ayudar a los estudiantes a ser mejores alumnos de nuestros cursos, es esencial reconocer que la educación que se proporciona tiene dos componen-tes principales: contenidos y proceso. En particular, para las enseñanzas de materias científicas tanto la estructura de conocimiento (contenidos) como el proceso, son de fundamental importancia. Cuando formamos científicos deseamos que adquirieran capacidad de análisis de resultados empíricos, desarrollo de pensamiento crítico, capacidad de razonamiento hipotético-deductivo, habilidad para predicción de resultados futuros, entre otras habi-lidades esenciales para su futuro desempeño.

El presente libro presenta dos partes con distinto enfoque docente. En la sección 1 denominada Fundamentos se recopila un conjunto de actividades grupales para realizar durante el periodo de clases. El formato de las mismas aplica un método de aprendizaje que fomenta la participación del estudiante: el aprendizaje basado en indagación guiada (Proccess Oriented Guided-Inquiry Learning, POGIL). El método POGIL, basándose en los principios del constructivismo social, se empezó a aplicar en diversas universidades estadounidenses a partir de 1994. Con este método los estudiantes trabajan en pequeños equipos, habitualmente de 3 ó 4. Estos materiales consisten en una serie de preguntas elaboradas con un enfoque que sigue el método científico con un esquema de cuatro fases típico del ciclo del aprendizaje.

En cada actividad hay una fase de exploración sobre un experimento o un fenómeno práctico, denominado Modelo. Los estudiantes buscan aquí patrones y tratan de extraer el significado del mismo. El Modelo consiste en una combinación de imágenes, tablas, ecuaciones, gráficos, texto, u otro tipo de información.

La compresión del fenómeno observado se asegura mediante unas pre-guntas que llevan al grupo a realizar una reflexión guiada usando las deno-minadas Preguntas para la reflexión. A menudo, las preguntas llevan a los estudiantes a probar hipótesis o explicar los patrones y relaciones que se encuentran en el Modelo.

10 Introducción

A continuación viene una fase de formación de conceptos en la que se extrae la explicación del fenómeno observado que en ocasiones se comple-menta con algún tipo de información teórica.

Finalmente, la fase de aplicación permite a los estudiantes utilizar el con-cepto adquirido a situaciones nuevas, mejorando la comprensión del mismo. Se resuelven Ejercicios y Problemas donde se aplican los conceptos.

La secuencia de preguntas para la reflexión en los materiales POGIL están ideadas para ayudar a los estudiantes a progresar adecuadamente a tra-vés de las diversas fases, guiarlos hacia las conclusiones apropiadas, y desa-rrollar las habilidades del proceso: resolución de problemas, razonamiento deductivo, comunicación efectiva y autoevaluación.

Mayor información sobre el método, su implementación y materia-les de ejemplo en este formato se pueden encontraren el sitio web POGIL (www.pogil.org).

Las actividades grupales de la sección Fundamentos están planteadas para proporcionar a los alumnos una profunda comprensión de los conceptos básicos sobre química de disoluciones salinas: el agua y sus disoluciones, fundamentos de termodinámica y equilibrios químicos en disolución.

Tras la sección de adquisición de los conceptos fundamentales los alum-nos se pueden enfrentar sin ninguna dificultad a la segunda sección del libro de carácter más descriptivo, denominada Contenidos. En esta parte se des-criben características importantes del agua de mar, propiedades especiales del agua marina, los elementos químicos disueltos en la misma, relaciones cuantitativas entre ellos, balances de masa y varias definiciones útiles en Oceanografía Química. Esta segunda sección no es ni mucho menos exhaus-tiva, sólo se pretende dar una visión general de los aspectos más importantes sobre la materia disuelta en agua de mar. Es necesario que los alumnos con-sulten la bibliografía recomendada para ampliar y profundizar en los conoci-mientos que se han presentado de forma somera en este libro.

BREVE INTRODUCCIÓN PARA ESTUDIANTES

1. Tienes en tus manos un libro con actividades que utilizaremos la mayor parte del tiempo durante las clases del curso de Oceanografía Química.

2. El libro está dividido en 2 secciones principales: Fundamentos y Contenidos.

3. El libro está diseñado para fomentar el aprendizaje de forma coope-rativa y autónoma.

4. En la sección de Fundamentos tu grupo y tú deberéis estudiar los casos presentados críticamente. Al hacerlo, descubrirás importantes principios químicos.

5. Si entiendes la respuesta a una pregunta planteada en el libro, pero otros miembros de tu grupo no la entienden, es tu responsabilidad explicarles la respuesta. Explicar conceptos a otros miembros del grupo ayuda a tu propia comprensión.

6. Si no entiendes la respuesta a alguna pregunta, debes hacer una o más buenas preguntas a los demás miembros de tu grupo. Aprender a hacer preguntas de forma clara y concisa sobre lo que no entiendes es una habilidad importante.

7. Es conveniente que al final de cada actividad indiques en tus apuntes cuál es el concepto más importante que se ha dado y que te autoeva-lúes de la forma más honesta posible. Para ello corrige los ejercicios y los problemas de autoevaluación.

La sección de Contenidos resume una serie de conceptos fundamentales de carácter más descriptivo sobre Química Marina.

SECCIÓN 1: FUNDAMENTOS

PARTE 1: EL AGUA Y SUS DISOLUCIONES

Actividad 1. Enlaces iónicos, polares y no polares

Modelo 1: Electronegatividades de Linus Pauling

Linus Pauling (científico estadounidense, 1901-1994) examinó los enlaces covalentes entre moléculas diatómicas homonucleares (tales como el H2 y el Cl2) y en moléculas heteronucleares (como el HCl). Los enlaces entre dife-rentes elementos parecen ser más fuertes. Pauling propuso que los electrones en moléculas heteronucleares no eran compartidos por igual e indicó que en moléculas heteronucleares los electrones del enlace covalente son atraídos más fuertemente por un átomo que por el otro.

Pauling llamó a la capacidad de un átomo (en un enlace molecular) para atraer electrones electronegatividad (EN). En 1937, ideó una escala cuan-titativa para la electronegatividad en la que al flúor se le asignó un valor de 4. Esta escala se ha ido perfeccionando por evidencias experimentales posteriores.

16 Parte 1: El agua y sus disoluciones

Preguntas para la reflexión

1. Describe cuál es la tendencia en EN cuando nos desplazamos hacia la derecha en un periodo de la tabla periódica.

2. Describe cuál es la tendencia en EN cuando nos desplazamos hacia abajo en un grupo de la tabla periódica.

Modelo 2: Enlaces iónicos polares y no polares

El enlace químico formado entre dos átomos se clasifica en tres tipos, que se muestran en la figura 1.

Experimentalmente, encontramos que los compuestos binarios que exhiben comportamiento iónico (es decir, tienen alto punto de fusión, 500-3000 °C; conducen la electricidad en estado fundido) son aquellos compuestos de ele-mentos que presentan una diferencia de electronegatividad superior a 1.5.

Figura 1. Tres posibles tipos de enlace: a) Enlace covalente no polar formado por átomos iguales; b) Enlace covalente polar formado por átomos con pequeñas diferencias

de electronegatividad; c) Enlace iónico formado entre átomos con gran diferencia de electronegatividad (no se comparten electrones)

Fundamentos de Química Marina 17

Preguntas para la reflexión

3. ¿Por qué las moléculas homonucleares (H2, Cl2, N2, etcétera) tienen enla-ces no polares?

4. Cuando se forma un enlace iónico, qué tipo de átomo (en términos de electronegatividad relativa) es probable que: a) pierda uno o más electrones; b) gane uno o más electrones.

Ejercicios

1. Clasifica el enlace en cada una de las siguientes moléculas como no polar, polar, o iónico:

O2; NaF; I2; KCl; CO; NO; CaO; CN; ICl; NeF C-H en el CH4; O–H en el H2O; Si–Cl en el SiCl4; Al–O en Al2O3; Na–F en

NaF; K–Cl en KCl

2. Proporciona un ejemplo de una molécula que contenga enlaces covalentes más polares que los del NH3.

Modelo 3: Momento dipolar

Un enlace covalente polar aparece cuando la diferencia de electronegativi-dad entre átomos enlazados hacen aparecer cargas parciales sobre los átomos enlazados (pero no es tan grande como para producir un enlace iónico).

Por ejemplo, la electronegatividad del H es 2.30 y la electronegatividad de Cl es de 2.87. Cálculos para la molécula de HCl indican que la carga parcial del H es +0.17 y la del Cl –0.17.

La polaridad del enlace se manifiesta en una cantidad física mensurable llamada momento dipolar. El momento dipolar, μ , es una cantidad vectorial que tiene tanto magnitud como dirección:

q x=

μ d

18 Parte 1: El agua y sus disoluciones

donde q es la magnitud de la carga (una positiva y otra negativa) y d es la distancia entre las dos cargas. El momento dipolar medido para el HCl es 1.08 D (D, Debye; 1 D = 3.34 ×10-30 C m).

El momento dipolar puede ser representado por una fle-cha vectorial; un signo + se utiliza para representar el centro de la carga positiva y la punta de la flecha representa el cen-tro de carga negativa.

Los momentos dipolares de cada uno de los enlaces OH de la molécula de agua, así como el momento dipolar de la molécula se muestran en la figura 2.

Figura 2. Momentos dipolares de los enlaces OH y de la molécula de agua.

Molécula Geometría Enlaces polares Momento dipolar (D)

H2 lineal No 0.0

HF lineal Sí 1.82HCl lineal Sí 1.08HBr lineal Sí 0.83HI lineal Sí 0.45

CO2 lineal Sí 0.0OCS lineal Sí 0.715

CH4 tetraédrica Sí 0.0CH3Cl tetraédrica Sí 1.892CH3Br tetraédrica Sí 1.822CH3I tetraédrica Sí 1.62CF4 tetraédrica Sí 0.0

Tabla 1. Geometría y polaridad de algunas moléculas