Niveles de energía, electrones y enlaces iónicos

Proyecta el video “El sodio y el cloro reaccionan.”

Antes de comenzar el video, diles a los alumnos que el cloro es un gas verdoso venenoso y el sodio es un metal brillante, suave y muy reactivo. Pero cuando reaccionan, forman cloruro de sodio (sal de mesa). Diles a los alumnos que en el video, la gota de agua ayuda a exponer los átomos de la superficie del sodio para que puedan reaccionar con el cloro. La formación de cristales de sal libera mucha energía.

Nota: Si los alumnos preguntan si la sal que comen se prepara de esta manera en fábricas de sal, la respuesta es no. La sal en la Tierra se produjo miles de millones de años atrás, pero probablemente no a partir de gas de cloro puro y metal de sodio. En la actualidad, obtenemos la sal a partir de la extracción de un mineral llamado halita o del agua de mar evaporada.

Entrega a cada alumno una hoja de actividades.

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La hoja de actividades servirá como el componente de evaluación de cada plan de lección 5-E. Las hojas de actividades son evaluaciones formativas del progreso y la comprensión de los alumnos. Al final de cada capítulo se incluye una evaluación sumativa más formal.

Los alumnos registrarán sus observaciones y responderán preguntas sobre la actividad en la hoja de actividades. Las secciones Explícalo con átomos y moléculas y Aprende más de la hoja de actividades se completarán junto con la clase, en grupos o individualmente, según tus instrucciones. Observa la versión para el maestro de la hoja de actividades para encontrar las preguntas y respuestas.

Proyecta la animación Enlace iónico en cloruro de sodio. 

Recuerda a los alumnos que en el enlace covalente, los átomos comparten electrones. Pero hay otro tipo de enlace en el que los átomos no comparten, sino que toman o ceden electrones. Este se denomina enlace iónico. La siguiente animación muestra un modelo muy simplificado de cómo se forman los iones de sodio y cloruro.

Nota: A fin de simplificar el modelo de enlace iónico, se muestra un único átomo de sodio y cloro. En realidad, el átomo de cloro estaría unido a otro átomo de cloro como parte del gas Cl₂. El átomo de sodio sería uno de los miles de millones de átomos de sodio que están unidos para formar un sólido. La combinación de estas sustancias es una reacción compleja entre los átomos de las dos sustancias. La animación muestra átomos únicos separados para ilustrar la idea de cómo se forman los iones y los enlaces iónicos.

Durante la animación, explica lo que sucede.

Diles a los alumnos que la atracción de los protones en el sodio y el cloro con respecto a los otros electrones del átomo los acerca entre sí. El cloro tiene una atracción más potente que el sodio por los electrones (se muestra con la flecha más gruesa). En algún momento durante este proceso, un electrón de sodio se transfiere al cloro. El sodio pierde un electrón y el cloro gana un electrón.

Diles a los alumnos que cuando un átomo gana o pierde un electrón, se convierte en un ion.

• El sodio pierde un electrón, dejándolo con 11 protones, pero solo con 10 electrones. Dado que tiene 1 protón más que la cantidad de electrones que tiene, el sodio tiene una carga de +1, lo que lo convierte en un ion positivo.
• El cloro gana un electrón, dejándolo con 17 protones y 18 electrones. Debido a que tiene 1 electrón más que los protones que tiene, el cloro tiene una carga de -1, lo que lo convierte en un ion negativo.
• Cuando se forman iones, los átomos ganan o pierden electrones hasta que su nivel externo de energía está completo.
  • Por ejemplo, cuando el sodio pierde su único electrón externo del tercer nivel de energía, el segundo nivel se convierte en el nuevo nivel externo de energía y se completa. Dado que estos electrones están más cerca del núcleo, se los retiene con más fuerza y no se marcharán.
  • Cuando el cloro gana un electrón, su tercer nivel de energía se completa. Un electrón adicional no se puede unir, porque debería ingresar al cuarto nivel de energía. A esta distancia del núcleo, el electrón no sentiría suficiente atracción por parte de los protones como para ser estable.
  • Luego, el ion positivo de sodio y el ion negativo de cloro se atraen entre sí y forman un enlace iónico. Los iones son más estables cuando están enlazados, que como átomos individuales.

Entrega a cada alumno una hoja de actividades.

Haz que los estudiantes escriban una leyenda breve debajo de cada imagen para describir el proceso de enlace covalente y que respondan las primeras tres preguntas. El resto de la hoja de actividades se deberá completar en conjunto con la clase, en grupos o individualmente, según tus instrucciones.

Proyecta la imagen Enlace iónico en el cloruro de sodio. 

Revisa con los alumnos el proceso de enlace iónico visto en la animación.

Ayuda a los alumnos a escribir una leyenda breve al costado de cada imagen para describir el proceso de enlace iónico en los iones de sodio y cloro. 

Proyecta la imagen Cristal de cloruro de sodio.

Repasa con los alumnos el proceso de enlace iónico visto en la animación para que comprendan por qué los iones de sodio son positivos y los iones cloruro son negativos. Recuerda a los alumnos que la escala de cualquier modelo de átomos, iones o moléculas es enorme en comparación con el tamaño real. En un solo grano de sal hay miles de millones de iones de sodio y cloruro.

Pregunta a los alumnos:

• ¿Qué ion representa la esfera más grande con la carga negativa?
  El ion cloruro.
• ¿Qué hace que sea negativo?
  Ganó un electrón.
• ¿Cuál es el ion con la carga positiva?
  El ion de sodio.
• ¿Qué hace que sea positivo?
  Perdió un electrón.

Esta actividad de dos partes ayudará a los alumnos a ver la relación entre la disposición de los iones en un modelo de cristal de cloruro de sodio y la forma cúbica de los cristales reales de cloruro de sodio.

Pregunta para investigar:

¿Por qué los cristales de sal tienen forma de cubo? 

Preparación del maestro

El día anterior a la lección, disuelve aproximadamente 10 gramos de sal en 50 ml de agua. Usa placas de Petri o corta con tijeras 5 o 6 vasos de plástico transparentes, para hacer placas de plástico poco profundas. Vierte suficiente agua salada para cubrir solo el fondo de cada plato (1 para cada grupo). Deja las placas durante la noche para evaporarlas, de modo que se produzcan nuevos cristales de sal.

Materiales para cada grupo

• Papel negro
• Sal
• Recipiente con sal a partir de agua salada evaporada
• Lupa
• Marcador permanente

Materiales para cada alumno

• 2 esferas de poliestireno pequeñas
• 2 esferas de poliestireno grandes
• 2 palillos de dientes

Procedimiento, Parte 1

Observar los cristales de cloruro de sodio.

1. Coloca algunos granos de sal sobre un trozo de papel negro. Usa la lupa para observar la sal con detenimiento.
2. Usa la lupa para ver los cristales de sal en el vaso.

Proyecta la imagen Cloruro de sodio cúbico. 

La imagen muestra una vista ampliada de la sal común de mesa y un modelo de los iones de sodio y cloruro que conforman un cristal de sal.

Proyecta la animación Cloruro de sodio. 

Las esferas verdes representan iones cloruro con carga negativa y las esferas grises representan iones de sodio con carga positiva.

Pregunta a los alumnos:

• ¿Qué les dice la fotografía, el modelo molecular y sus observaciones de los cristales de sal reales sobre la estructura de la sal?
  En cada caso, la sal parece tener forma de cubo.

Cada alumno fabricará 1 unidad de cloruro de sodio. Los alumnos de cada grupo reunirán sus unidades de cloruro de sodio.

Puedes ayudar a los grupos a combinar sus estructuras para formar un modelo de cristal de cloruro de sodio de toda la clase.

Pregunta a los alumnos:

• Según la forma en que los iones de sodio y cloruro se unen, ¿por qué los cristales de sal tienen forma de cubo?
  El tamaño y la disposición de los iones forman un cubo a nivel molecular. Dado que el patrón se repite una y otra vez de la misma manera, la forma permanece igual incluso cuando el cristal adquiere un tamaño normal que podemos ver.

Diles a los alumnos que existe otra sustancia común llamada cloruro de calcio (CaCl_2). Es la sal que se usa en veredas y carreteras heladas. Explica que, cuando el calcio y el cloro reaccionan, producen iones, como sodio y cloro, pero el ion de calcio es diferente del ion de sodio.

Pregunta a los alumnos:

• ¿De qué iones crees que está hecho el CaCl₂?
  Un ion de calcio y dos iones cloruro.

Proyecta la animación Enlace iónico del cloruro de calcio. 

Señala que el calcio pierde dos electrones y se convierte en un ion +2. Cada uno de los dos átomos de cloro gana uno de estos electrones, lo que los convierte en un ion -1. Ayuda a los alumnos a darse cuenta de que 1 ion de calcio se enlaza con 2 iones cloruro para formar el cloruro de calcio (CaCl_2), que es neutro.

Algunos átomos ganan o pierden más de 1 electrón. El calcio pierde 2 electrones al convertirse en un ion. Cuando los iones se unen para formar un enlace iónico, siempre se unen en números que cancelan exactamente la carga positiva y la negativa.

Proyecta la imagen Enlace iónico del cloruro de calcio. 

Revisa con los alumnos el proceso de enlace iónico visto en la animación.

Invita a los alumnos a escribir una leyenda breve debajo de cada imagen para describir el proceso de enlace iónico en los iones de sodio y cloro.