Plan de clase: construir una molécula (átomos y enlaces)

Este plan de clase para construir una molécula usa una simulación gratuita en la que los estudiantes arrastran átomos para juntarlos y la molécula funciona o no funciona. El hidrógeno admite un enlace, el oxígeno dos, el nitrógeno tres, el carbono cuatro, y la simulación avisa cuando un átomo está completo. Una molécula terminada muestra su fórmula, su nombre y un modelo 3D con su forma y su ángulo de enlace. Tienes objetivos de aprendizaje, preparación, predicciones, una secuencia paso a paso con lo que deben ver los estudiantes, un conjunto de cinco preguntas para el enlace del grupo, una ampliación sobre VSEPR para estudiantes mayores e ideas de diferenciación. Cada fórmula, forma y ángulo de abajo sale del propio código del modelo de las simulaciones.

La clase de un vistazo

• Nivel: grados 7–10 (12–16 años). La ampliación sobre VSEPR es adecuada para grados 10–12.
• Tiempo: una clase de 50–60 minutos, más una ampliación opcional de 20 minutos.
• Conocimientos previos: átomos y elementos, símbolos químicos. Ayuda entender el enlace como "átomos que comparten electrones", pero no es imprescindible.
• Formato: parejas con portátiles o tabletas. Arrastrar átomos también funciona en teléfonos, pero la tabla es pequeña.
• Simulación: Construir moléculas. Ampliación: Geometría molecular (VSEPR).

Objetivos de aprendizaje

Al final de la clase, los estudiantes pueden:

1. Usar la valencia (H un enlace, O dos, N tres, C cuatro) para construir moléculas sencillas y decir por qué algunas combinaciones fallan.
2. Escribir la fórmula de una molécula que han construido.
3. Clasificar una molécula como sustancia simple o compuesto.
4. Describir las formas de H₂O, CO₂, NH₃ y CH₄ y dar sus ángulos de enlace.
5. Explicar cómo dos moléculas diferentes pueden compartir una fórmula (isómeros).

Qué hace la simulación

Los estudiantes arrastran átomos desde los compartimentos de la parte inferior de la pantalla y los sueltan junto a otro átomo. Si ambos átomos todavía tienen un enlace libre, se unen. Al tocar un enlace, se corta; con el ratón, aparece una ✂ al señalar un enlace. Cuando cada átomo ha usado exactamente su valencia, la molécula está completa y una etiqueta muestra su fórmula y su nombre, como "H₂O – agua", con un botón 3D. La línea de estado explica lo que pasó, por ejemplo "Formaste H₂O (agua) – compuesto de H, O."

La simulación usa estas valencias: H, F, Cl y Br un enlace; O dos; N, P y B tres; C y Si cuatro; S dos (más solo cuando se une a O). Construye únicamente cadenas abiertas, sin anillos, y su catálogo contiene 58 sustancias.

Tiene tres pantallas:

• Crear moléculas: cuatro cajas de colección y uno o más kits con un número limitado de átomos. ◀ ▶ cambian de kit. Una molécula terminada va a la caja con la fórmula correspondiente. La Colección 1 pide CO₂, CO, H₂O₂ y Cl₂. El Kit 1 tiene 3 C y 4 O. El Kit 2 tiene 2 H, 3 O y 3 Cl. Cada kit tiene uno o dos átomos de sobra, así que los estudiantes deben planificar. Reiniciar pantalla devuelve la misma Colección 1.
• Múltiples: cada caja necesita dos o tres moléculas de la misma sustancia. La Colección 1 pide 2 Cl₂, 2 CH₄, 3 CO y 3 HF.
• Laboratorio: cuatro kits con átomos ilimitados (H C N O · H C O F Cl · H N O S P · H C Br B Si), hasta 40 átomos sobre la mesa por kit.

La vista 3D gira al arrastrar y da la forma y el ángulo de enlace: "Forma: angular alrededor de O (ángulo de enlace ≈ 104,5°)." Debajo, cuenta cada elemento y dice si la molécula es una sustancia simple o un compuesto.

Materiales y preparación antes de clase

Materiales: un dispositivo por pareja y una hoja de registro con columnas para fórmula, nombre, sustancia simple o compuesto, forma y ángulo de enlace.

Preparación (10 minutos, una sola vez):

1. Abre la simulación. Los valores por defecto son la pantalla Crear moléculas, sustancias conocidas y nombres visibles.
2. Haz clic en Compartir y crea un enlace para cada grupo, por ejemplo "Ciencias · Hora 1". El enlace fija estos valores iniciales. Para un grupo que ya conoce la química orgánica, un segundo enlace con Objetivos de la colección en Ampliado (con orgánicos) da cajas más difíciles.
3. Opcional: en la pestaña Preguntas, introduce el conjunto de preguntas de abajo y asócialo al enlace.
4. Publica el enlace, o ábrelo en modo presentación y muestra el código QR.

Secuencia de la clase

1. Gancho y predicciones (7 minutos)

Muestra un vaso de agua y pregunta: "Escribimos el agua como H₂O. ¿Por qué no HO, o H₃O?" Recoge unas cuantas respuestas. Después los estudiantes se comprometen con dos predicciones, en papel o en el enlace:

• P1. "Tienes un átomo de carbono y mucho hidrógeno. ¿Cuántos átomos de H se unirán al C antes de que la molécula esté completa? 2 / 3 / 4 / 6"
• P2. "¿Qué forma esperas que tenga una molécula de agua? Una línea recta / angular / un triángulo plano / una pirámide"

Muchos estudiantes dibujan el agua como una línea recta H–O–H. No corrijas a nadie todavía.

2. La valencia en el Laboratorio (10 minutos)

Abre el Laboratorio con el Kit 1 (H, C, N, O). Las parejas construyen y anotan:

Construcción	Enlaces del átomo central	Resultado
O con 2 H	2	H₂O – agua
N con 3 H	3	NH₃ – amoníaco
C con 4 H	4	CH₄ – metano
C con 2 O	4 (dos enlaces dobles)	CO₂ – dióxido de carbono

Después pídeles que rompan las reglas a propósito:

• C con solo 2 H: no aparece ningún nombre, y la línea de estado dice "Algunos átomos aún tienen valencia libre (o incorrecta), así que todavía no es una molécula completa."
• Un quinto H en el metano: no se une. La línea de estado dice que el átomo que tocó "ya agotó su valencia", por ejemplo "El átomo de C ya agotó su valencia (IV), así que no puede formar más enlaces."
• H–O–O–O–H: todos los átomos están satisfechos, pero la etiqueta dice "H₂O₃ – no está en el catálogo". Las reglas lo permiten sobre el papel. Pregunta: "¿Eso significa que existe?" Es un buen momento para separar las reglas de un modelo de la química real.

Fíjate en los enlaces dobles del CO₂: los estudiantes solo sueltan átomos, y la simulación dibuja los enlaces dobles cuando todas las valencias están satisfechas. Comprueba P1 ahora.

3. Crear moléculas: planifica tus átomos (10 minutos)

Cambia a Crear moléculas. El Kit 1 (3 C, 4 O) tiene que aportar CO₂ y CO. El Kit 2 (2 H, 3 O, 3 Cl) tiene que aportar H₂O₂ y Cl₂.

La trampa está en el Kit 2. Un estudiante que construye primero el agua usa los dos átomos de hidrógeno y no le queda ninguno para H₂O₂. Deja que caigan en ella. Luego pregunta: "¿Qué tienes que deshacer?" Arrastran el agua de vuelta a los compartimentos, lo que devuelve sus átomos, y vuelven a construir. Los estudiantes que terminan antes pulsan Nueva colección.

Una nota sobre el CO, por si los estudiantes preguntan: el monóxido de carbono real tiene un enlace triple. La simulación se atiene a reglas de valencia sencillas, da al carbono una valencia de II aquí y dibuja un enlace doble.

4. Sustancias simples y compuestos (5 minutos)

Cada vez que se completa una molécula, la línea de estado la clasifica. O₂ da "Formaste O₂ (oxígeno) – sustancia simple (solo O)." H₂O da "Formaste H₂O (agua) – compuesto de H, O." Pídeles que clasifiquen todo lo que construyeron en dos columnas. Cl₂, H₂, O₂ y N₂ son sustancias simples. H₂O, CO₂, NH₃, CH₄ y H₂O₂ son compuestos.

5. Formas en 3D (8 minutos)

Los estudiantes abren 3D en cada molécula y completan la tabla:

Molécula	Forma en la vista 3D	Ángulo de enlace mostrado
H₂O	angular alrededor de O	≈ 104,5°
CO₂	lineal alrededor de C	180°
NH₃	piramidal trigonal alrededor de N	≈ 107°
CH₄	tetraédrica alrededor de C	109,5°
HCN	lineal alrededor de C	180°

Comprueba P2. Pregunta: "El agua y el dióxido de carbono tienen los dos tres átomos. ¿Por qué una es angular y la otra recta?" El oxígeno conserva dos pares de electrones que no están en enlaces, y empujan a los hidrógenos hacia abajo. El carbono del CO₂ no tiene ninguno. La ampliación de abajo lo hace visible.

6. Isómeros (5 minutos)

En el Laboratorio, los estudiantes construyen dos moléculas con 2 C, 6 H y 1 O. Una da "C₂H₅OH – etanol", la otra "CH₃OCH₃ – metoximetano (dimetil éter)". Mismos átomos, conexiones distintas, sustancias diferentes. La vista 3D de cada una muestra carbonos tetraédricos y un oxígeno angular.

7. Comprobación de salida (5 minutos)

Usa las preguntas 3–5 del conjunto de abajo. Después abre Ver respuestas y compara las columnas Predicción y Después de P1 y P2.

Conjunto de preguntas para esta clase

Introdúcelas en la pestaña Preguntas de la simulación. Instrucciones para los alumnos sugeridas: "Usa el Laboratorio con el Kit 1 (H, C, N, O). Abre la vista 3D para leer formas y ángulos."

1. Opción múltiple · Antes, como predicción · Volver a preguntar después de la simulación

• Pregunta: "Tienes un átomo de carbono y mucho hidrógeno. ¿Cuántos átomos de H se unirán al C antes de que la molécula esté completa?"
• Opciones: 2 / 3 / 4 (correcta) / 6
• Explicación: "El carbono tiene valencia cuatro: forma cuatro enlaces. El hidrógeno forma uno. Así que un carbono sostiene cuatro hidrógenos, lo que da CH₄, metano. Con menos, el carbono aún tiene enlaces libres y la molécula no está completa."

2. Opción múltiple · Antes, como predicción · Volver a preguntar después de la simulación

• Pregunta: "¿Qué forma esperas que tenga una molécula de agua?"
• Opciones: una línea recta / angular (correcta) / un triángulo plano / una pirámide
• Explicación: "El agua es angular, con un ángulo H–O–H de unos 104,5°. El átomo de oxígeno tiene dos pares de electrones que no están en enlaces. Empujan los dos enlaces O–H para acercarlos, así que la molécula no puede ser recta."

3. Opción múltiple · Después de la simulación

• Pregunta: "¿Cuál de estas moléculas es una sustancia simple y no un compuesto?"
• Opciones: H₂O / CO₂ / NH₃ / O₂ (correcta)
• Explicación: "Una sustancia simple está formada por un solo tipo de átomo. O₂ contiene solo átomos de oxígeno. H₂O, CO₂ y NH₃ contienen cada una dos elementos distintos, así que son compuestos."

4. Número · Después de la simulación

• Pregunta: "Construye NH₃ y abre su vista 3D. ¿Qué ángulo de enlace muestra, en grados?"
• Respuesta: 107, margen de error ± 1, unidad °
• Explicación: "El amoníaco es piramidal trigonal, con ángulos H–N–H de unos 107°. Es un poco menos que los 109,5° del metano, porque el par solitario del nitrógeno acerca los tres enlaces."

5. Respuesta corta · Después de la simulación

• Pregunta: "El etanol y el metoximetano contienen ambos 2 C, 6 H y 1 O. ¿En qué se diferencian las dos moléculas?"
• Respuestas aceptadas (opcional): déjalo vacío y lee tú mismo las respuestas.
• Respuesta modelo: "Los átomos están unidos en un orden distinto. En el etanol el oxígeno está al final de la cadena de carbono, unido a un C y a un H. En el metoximetano el oxígeno está entre los dos átomos de carbono. Estructuras distintas forman sustancias distintas, llamadas isómeros."

Las preguntas 1 y 2 son las predicciones, que se vuelven a preguntar después de la simulación. Para saber más sobre por qué importan las predicciones, consulta Predecir, observar y explicar con simulaciones.

Ampliación: por qué las moléculas tienen estas formas (VSEPR)

Para grados 10–12, o una segunda clase, la simulación de formas muestra la razón de los ángulos. En su pantalla Modelo, los estudiantes añaden enlaces simples, dobles o triples y pares solitarios a un átomo central A, hasta seis en total. Los enlaces y los pares solitarios se empujan entre sí para quedar lo más lejos posible. Los estudiantes pueden arrastrar un átomo lejos y ver cómo vuelve de un salto. Marca Ángulos de enlace y Geometría electrónica para ver los números y los nombres.

Pide a las parejas que completen esta tabla:

Alrededor de A	Geometría molecular	Ángulo de enlace	Ejemplo real
2 enlaces	lineal	180,0°	CO₂
3 enlaces	trigonal plana	120,0°	BF₃
4 enlaces	tetraédrica	109,5°	CH₄
3 enlaces + 1 par solitario	piramidal trigonal	107,0°	NH₃
2 enlaces + 2 pares solitarios	angular	104,5°	H₂O

Tres puntos que conviene destacar:

• Los pares solitarios empujan más que los enlaces. Cuatro dominios electrónicos dan 109,5° sin pares solitarios, 107,0° con uno y 104,5° con dos.
• Un enlace doble cuenta como una sola dirección. Dos enlaces dobles en A siguen dando un 180,0° lineal, que es el CO₂.
• Los modelos tienen límites. En la pantalla Moléculas reales, elige SO₂. La lectura da "Ángulos de enlace medidos: 119,0° · modelo: 114,7°". Pregunta a los estudiantes por qué un modelo de repulsión sencillo podría fallar por cuatro grados.

Diferenciación

Apoyo:

• Quédate en el Laboratorio con el Kit 1 y da las cuatro moléculas objetivo en una tarjeta.
• Da una tarjeta de valencia: "H una mano, O dos manos, N tres manos, C cuatro manos. Cada mano debe sujetar a otra."
• Deja activado Mostrar nombres para que los estudiantes comprueben su propio trabajo.

Ampliación para los más avanzados:

• Construir los dos isómeros de C₃H₇OH (propan-1-ol y propan-2-ol) y explicar la diferencia.
• Construir eteno (C₂H₄) y etino (C₂H₂) y comparar los ángulos en el carbono: 120° y 180°.
• En la ampliación, predecir la forma de un átomo central con 4 enlaces y 2 pares solitarios antes de construirla.

Estudiantes de inglés: la simulación está disponible en seis idiomas. Crea un segundo enlace en el idioma del estudiante para que las etiquetas le resulten familiares mientras la discusión sigue en inglés.

Alineación con estándares

Esta clase se corresponde con el estándar estadounidense NGSS MS-PS1-1: desarrollar modelos para describir la composición atómica de moléculas sencillas y estructuras extendidas. La ampliación sobre VSEPR apoya las unidades de química de bachillerato sobre el enlace covalente y la forma molecular, y ejercita la práctica de desarrollar y usar modelos. Encaja con los temas de enlace de GCSE Chemistry (currículo del Reino Unido) y de los cursos introductorios de química.

Para más actividades de química, consulta ideas de clases interactivas de química, donde la actividad de construir un átomo es una buena clase previa a esta. Para rutinas de aula, consulta cómo usar simulaciones interactivas en el aula. El plan de clase de balanceo de ecuaciones químicas usa a continuación las mismas moléculas.

Preguntas frecuentes

¿Por qué no se unen dos átomos cuando los suelto juntos?

Al menos uno de ellos no tiene ningún enlace libre, o el lugar donde lo soltaste estaba demasiado lejos. La línea de estado dice qué átomo está completo. Suelta el átomo nuevo justo al lado de un átomo que todavía tenga espacio.

¿Por qué los estudiantes no pueden construir benceno u otros anillos?

La simulación construye solo cadenas abiertas. Los anillos y los iones con carga quedan fuera de este modelo, así que sirve para el enlace a nivel introductorio, no para la química orgánica.

El botón 3D no se abre. ¿Qué hago?

La vista 3D necesita WebGL. En un dispositivo antiguo, la simulación muestra un mensaje en su lugar. Prueba con otro navegador o activa la aceleración por hardware. El resto de la clase funciona sin 3D.

¿Existe toda molécula que construye un estudiante?

No. Una molécula que satisface todas las valencias pero no está en el catálogo de 58 sustancias muestra "no está en el catálogo", como H₂O₃. Es una buena pregunta para discutir: las reglas de un modelo no garantizan que una sustancia sea estable.