Comparando un compuesto químico con los elementos que lo forman ¡La diferencia salta a la vista!

 

Uno empieza a entender la Química cuando es capaz de comprender en qué consiste la diferencia entre un compuesto químico y una mezcla de los elementos químicos  que lo componen.  Cuando tiene claro, por ejemplo, por qué no es lo mismo una mezcla de los gases oxígeno e hidrógeno que unas gotas de agua, aunque casualmente ambos sistemas puedan contener la misma cantidad de materia.

Con frecuencia oímos decir cosas como que  no es bueno usar dentífricos que contengan  flúor porque el flúor es un elemento muy tóxico y corrosivo, o que es peligroso el contacto con el PVC porque tiene cloro, que también es un elemento muy perjudicial para la salud. Son afirmaciones falaces que ignoran que los elementos químicos y los compuestos químicos que éstos forman son sustancias diferentes que poco o nada tienen que ver en cuanto a sus propiedades. De hecho, el PVC está  formado largas cadenas hidrocarbonadas en las que  los átomos de cloro están fuertemente anclados a ellas, haciendo de éste un material estable y químicamente inerte, y el flúor de la pasta de dientes se encuentra en forma de fluoruros, que son sales en las que el flúor aparece combinado como ion fluoruro, muy estables y de propiedades absolutamente distintas a las del flúor elemental.

Cuando se tratan de enseñar los fundamentos de la Química General, siempre hay un momento en que aparece esta dificultad para comprender la diferencia entre elemento químico y compuesto químico y, de forma paralela, entre mezcla y combinación química de sustancias. Para ayudar a entender esta diferencia, vamos a proponer una actividad que consiste en una  observación directa en el laboratorio, una representación de modelos atómico-moleculares  y las conclusiones generales que se pueden deducir.

Podemos, por ejemplo, comparar un par de elementos como el gas cloro y el  metal sodio con el compuesto que forman, el cloruro de sodio, que es la sal común.

 

ACTIVIDAD: ¿Qué diferencia hay entre el cloro, el sodio, una mezcla de cloro y sodio, y el cloruro de sodio? 

 

1.- Observación. Evidencia de las diferencias

Para empezar, se presentan estos sistemas materiales para su observación. Es recomendable hacerlo en un lugar ventilado y seguro del laboratorio y usar bata, guantes y gafas protectoras. La manipulación de las sustancias debe hacerlas exclusivamente el monitor de la actividad. En la imagen que se muestra más adelante aparecen las fotos del aspecto de estos cuatro sistemas materiales que se describen a continuación.

a) Sodio. Elemento químico. Se extrae un trozo de su recipiente y se deposita en la mesa sobre un papel limpio y seco, donde se puede cortar con un cutter o un cuchillo en trozos más pequeños para observar su aspecto y propiedades:  sólido maleable muy blando, de color plateado y  brillo metálico en el corte reciente, fácilmente oxidable al aire (forma rápidamente una pátina blanca mate de óxido de sodio), y reacciona violentamente con el agua (se puede comprobar añadiendo con cuidado un pequeño trocito de un par de milímetros sobre un recipiente con agua).

b) Cloro. Elemento químico. Se genera en el momento de la observación haciendo la experiencia en una campana de gases o con una ventilación al exterior.  Dentro de un balón de vidrio o un erlenmeyer que contiene unos pocos mililitros de lejía comercial se añade un chorrito de aguafuerte (ácido clorhídrico al 30%) y se tapa el recipiente unos segundos después mediante un tapón sin presionar. Casi de forma instantánea, se libera el elemento químico cloro, que es el gas amarillo verdoso que tras desalojar al aire ocupa ahora todo el recipiente. Aunque no lo vamos a experimentar, aprovechamos para indicar alguna propiedad más del cloro, como su carácter fuertemente oxidante y corrosivo, su olor por todos conocido y su toxicidad. Se puede aprovechar también para comentar el gran peligro que supone mezclar productos de limpieza en el hogar.

c) Cloruro de sodio. Compuesto químico. Formado por combinación química de los dos elementos anteriores. Se puede mostrar un fragmento del mineral halita y una muestra de sal fina común. Se puede observar su aspecto cristalino vítreo,incoloro y transparente (cristal) o blanco (microcristales), es frágil y más dura que el sodio. En el agua se disuelve sin reaccionar y presenta sabor salado. Su aspecto y propiedades en general no se parecen al de ninguno de los elementos que lo componen.

d) Mezcla de cloro y sodio. Se puede juntar algunos pequeños fragmentos de sodio con el cloro, en frío y en seco para evitar la reacción química. Por ejemplo, extrayendo gas cloro del recipiente donde se formó con ayuda de  una jeringuilla en la cual estarían ya depositados los trocitos de sodio. Se puede comprobar que en la mezcla sigue estando presente cada uno de los elementos manteniendo su aspecto y propiedades características. 

La experiencia en el laboratorio se puede completar realizando la reacción química de obtención del compuesto cloruro de sodio a partir de los elementos cloro y sodio. Introduciendo en un recipiente con cloro un pequeño fragmento de sodio previamente fundido al calor. Veremos cómo se forma una humareda formada por un polvo blanco de cloruro de sodio que se deposita en el fondo y las  paredes del recipiente,  tal como puede verse en este vídeo:https://www.youtube.com/watch?v=5kaVWccdTNQ. La reacción de formación del cloruro de sodio puede representarse como Na (s) + ½ Cl₂ (g) à  NaCl (s)

 

2.- Análisis de lo observado y justificación atómico-molecular

Los diagramas que muestran simplificadamente la estructura atómico-molecular de las sustancias son muy elocuentes a la hora de dar a entender la diferencia entre sustancias puras y mezclas de sustancias; entre elementos y compuestos químicos, entre sólidos, líquidos y gases; o entre moléculas y cristales. Veamos en la figura cómo se muestran para el caso que aquí nos ocupa.

a) Sodio (Na):  En un trozo de este metal sólo hay átomos de sodio juntos y ordenados que forman un cristal. Así se explica que se trata de un elemento químico puro en estado sólido. Su fórmula, Na, nos indica que sólo hay átomos de sodio.

b) Cloro (Cl₂): En una muestra de este gas verdoso sólo hay átomos de cloro, por lo que se trata de un elemento químico, los cuales están unidos de dos en dos formando moléculas diatómicas, por lo que su fórmula es Cl₂. Estas moléculas están desligadas unas de otras y en movimiento, llenando así todo el recipiente, pues se trata de un gas.

c) Cloruro de sodio (NaCl): en un trocito de esta sal se ve que hay átomos de Na y Cl, pero están unidos y en una proporción bien definida, 1:1 en este caso, por lo que se trata de un compuesto químico de cloro y sodio de fórmula NaCl. Como resultado de su enlace químico, iónico en este caso, forman un sólido cristalino (empaquetamiento ordenado de átomos). Comparando con los diagramas primero y segundo, que corresponden a los elemento sodio y cloro, se entiende que el aspecto y propiedades del cloruro de sodio no tengan nada que ver con las de ninguno de los dos elementos que lo componen.

d) Mezcla de cloro y sodio: A diferencia del cloruro de sodio, que es la sustancia química (compuesto) que han formado cloro y sodio al combinarse, representada en el tercer diagrama, aquí aparecen zonas (fases) del elemento sodio y zonas del elemento cloro, manteniendo en cada una la identidad, estructura y propiedades de cada elemento. No hay combinación ni unión entre los átomos de un elemento con los del otro. En consecuencia, no existe cloruro de sodio, sino una mezcla en proporción indefinida de ambos elementos, los cuales mantienen intacta su estructura y propiedades. Un mezcla, por definición, no tiene fórmula química.

En la tabla siguiente se resume el resultado de la interpretación de todas estas observaciones tanto a nivel macroscópico como microscópico. 

 

 

 3.- Conclusión: Generalización de la diferencia entre elemento, mezcla y compuesto químico

Como puede deducirse de la comparación anterior, existe una diferencia clara, que es consecuencia de su estructura atómico-molecular, entre un compuesto químico y los elementos químicos que lo componen, ya sean puros o mezclados unos con otros. La clave es que en el compuesto existe una combinación química en una proporción definida entre los elementos que lo han formado, que deriva de la unión mediante enlace químico de los átomos de dichos elementos. Esto hace que el compuesto sea una sustancia química nueva y diferente a cada uno de los elementos que la han originado, o a su simple mezcla. El tipo de enlace y la estructura en que se disponen los átomos determinará el aspecto y propiedades características de cada sustancia, ya sea ésta elemento o compuesto. Esta generalización se detalla en la siguiente tabla.

Elemento químico	Mezcla de elementos	Compuesto químico
Una sola sustancia química	Varias sustancias químicas	Una sola sustancia química
	Proporción indefinida, composición variable	Proporción definida entre sus elementos. Composición fija
	No hay combinación química entre los elementos componentes	Hay una combinación química entre los elementos componentes
Átomos iguales	átomos de varios elementos	átomos de varios elementos
Fórmula con un solo símbolo	No tiene fórmula química	Fórmula única que incluye varios símbolos
	No hay enlace químico entre los átomos de un elemento y los de otro	Sí hay enlace químico entre los átomos de un elemento y los de otro
Tiene unas propiedades características	Cada elemento mezclado mantiene sus propias propiedades	Tiene unas propiedades características que no tienen que ver con las de los elementos que lo forman
	Se pueden separar por medios físicos	para separar sus elementos es preciso una reacción química

 

Otros ejemplos para experimentar estas observaciones

Hay otros buenos ejemplos a los que recurrir a la hora de poner en evidencia  la diferencia entre elementos y compuesto o entre mezcla y combinación química. Todos son de fácil disposición en el laboratorio o en nuestro entorno cotidiano y además permiten hacer fácilmente la reacción de combinación entre los elementos para formar el compuesto. Se citan a continuación algunos de estos:

1.- Hierro (Fe), azufre(S) y sulfuro de hierro(II) (FeS).

El hierro se presenta en limaduras o pequeños clavos de aspecto metálico, denso y ferromagnético; el azufre como polvo amarillo muy ligero, y el sulfuro de hierro como polvo negro que no se deja atraer por un imán.

2.- Oxígeno (O₂), hidrógeno (H₂) y agua (H₂O)

La mezcla gaseosa incolora de hidrógeno y oxígeno puede observarse obteniéndola fácilmente en la electrolisis del agua líquida. También es sencillo disponer de los elementos por separado atacando un metal con ácido (desprende hidrógeno) y  calentando un perclorato (se descompone liberando oxígeno)

3.- Oxígeno (O₂), hierro (Fe) y óxido de hierro(III)  (Fe₂O₃)

Aquí tenemos la ventaja de tenar hecha de antemano la observación al disponer en nuestro entorno cotidiano tanto de los elementos libres  como de su combinación, ya que el óxido de hierro(III) es el ocre rojo que se puede apreciar en la herrumbre o en algunos minerales de hierro.

4.- Mercurio (Hg), oxígeno (O₂) y óxido de mercurio(II) (HgO)

Tiene el inconveniente de la manipulación del mercurio (es tóxico), pero la ventaja de poder comparar tres  sustancias de aspecto y propiedades muy diferentes, el mercurio es un líquido metálico plateado y muy denso, el oxígeno un gas incoloro y el óxido de mercurio un sólido en forma de polvo de intenso color rojo. En este caso es más práctico hacer la reacción de descomposición (calentando el óxido para liberar el oxígeno y el mercurio) que la de formación del compuesto.

 

 

Lecciones de los maestros

 

"Lecciones de los maestros" es el título de un libro de George Steiner, filósofo y crítico literario, que gira alrededor del intenso encuentro personal que tiene lugar entre las figuras del maestro y el discípulo.  Habla de muchos personajes ejemplares: Sócrates y Platón, Jesús y sus discípulos, Brahe y Kepler, Husserl y Heidegger, entre otros. A través de ellos analiza los distintos aspectos de esta compleja relación, como el poder del maestro y la vulnerabilidad del discípulo o el recíproco intercambio de confianza y amor, de aprendizaje y enseñanza entre el profesor y el alumno. 

Pero esta entrada no va de este libro, sino de lo que yo creo que es un maestro y del reconocimiento a las personas que lo han sido para mí hasta hacerme profesor de Física y Química.

Si empiezo citando este libro en vez de cualquier otro de pedagogía que trate el tema de las figuras del maestro y el alumno es porque, hace ya mucho tiempo, mi profesor de Química Física de la Universidad me recomendó su lectura cuando supo que ya me dedicaba a la docencia. Antes de leerlo, ya consideraba yo que este profesor había sido para sus alumnos, y especialmente para mí, un auténtico maestro. Pero ¿qué es para mí un maestro? ¿quiénes han sido mis maestros? Lo que sigue a partir de aquí es una reflexión puramente personal y subjetiva sobre estas preguntas.

 

Instructores, profesores, maestros

Según la terminología al uso, los docentes son los profesionales de la enseñanza, las personas en las que recae la tarea de la educación y la enseñanza dentro del sistema educativo.  Así, en la categoría “docentes” se incluyen educadores, formadores, instructores, monitores, orientadores, profesores (universitarios, de educación secundaria, de ciclos formativos) y maestros ( de taller, de educación  infantil y primaria).

El proceso de enseñanza-aprendizaje requiere generalmente una relación directa entre dos personas, el docente, que es el que da enseñanza, y el discente, que es el que la recibe. El primero pone a disposición del segundo  recursos como sus conocimientos, experiencia, habilidades comunicativas y de liderazgo o incluso el ejemplo de su actitud. El discente, por su parte, tiene en su mano el aprovechar este potencial en su propio beneficio y el de la sociedad en la que vive, para ir consolidando su educación y forjar sus propios conocimientos y habilidades; establece un “feed-back” con su mentor que retroalimenta su bagaje como docente.  Este  proceso se basa en una transferencia que tiene lugar  dentro de un binomio de personas:  docente-discente, profesor-alumno, maestro-discípulo. Para que ambos existan, el uno necesita al otro, y si tratamos de aislarlos desaparecen como tales.

Generalmente se suele utilizar el apelativo de profesor para los docentes de enseñanzas superior y secundaria, incluyendo formación profesional,  escuelas de idiomas y música, y academias, y el de maestro para los profesionales de enseñanzas infantil y primaria. Pero independientemente del significado preciso que hoy se le dé a cada palabra, significado que por otra parte va cambiando con los tiempos y las modas, yo pienso que los docentes y educadores en general se podrían distribuir en tres categorías que son a su vez tres niveles de jerarquía: Instructores, profesores y maestros.

El instructor es el docente que se limita a enseñar. Actúa como correa de transmisión entre la materia que hay que impartir y los alumnos. Cuando imparte sus clases, el instructor tira de manual, de apuntes y esquemas, y utiliza recetas genéricas que en muchas ocasiones poco tienen que ver con la realidad que tiene en su aula. Puede que tenga muchos conocimientos, pero no le preocupa que sus alumnos saquen beneficio de ello. El instructor puede que hable mucho, pero observa poco. Enseña, sí,  pero no considera el aprendizaje de sus alumnos como una parte esencial de su trabajo.

El Profesor ejerce la profesión de la docencia en el sentido más amplio. Cuenta con las virtudes de un buen instructor, pero tiene un valor añadido que es el de la profesionalidad. El profesor se preocupa no solo en enseñar a los alumnos como es debido  sino también de que estos aprendan. Tampoco descuida otros aspectos importantes de su profesión, como la planificación y programación de sus clases, la evaluación o su propia formación continuada como docente, y tiene claro que el objetivo de su trabajo es la educación de sus alumnos.   Los resultados logrados en el aprendizaje de éstos son el aval para que un docente pueda ser reconocido como profesor, y con esto no me estoy refiriendo en absoluto al porcentaje de aprobados.

El Maestro, finalmente,  además de ser un educador profesional que reúne  todo lo que se puede decir de un buen profesor, es aquel que logra dejar una huella personal en la formación de su alumno, que en este caso ya se podría calificar de discípulo. El maestro se ha implicado en la docencia a nivel profesional pero también personal. Ha dado una parte de él mismo a sus alumnos y éstos la han hecho suya, pues no sólo ha utilizado sus recursos didácticos con destreza sino que también ha sido capaz de transmitir ilusión, emoción y ejemplo. El maestro  ha conseguido crear un vínculo personal con el alumno, que no tiene que ser necesariamente de amistad ni muchísimo menos  de “colegueo”,  de tal manera que el alumno siempre  reconocerá a aquel como un referente personal que ha dejado huella no sólo en su conocimiento sino también en sus ilusiones y expectativas, a veces más allá de la propia disciplina que le impartió.    Un profesor sólo puede ganar el título de maestro cuando existe tal reconocimiento por parte de su discípulo.

Finalmente, estas tres categorías de instructores, profesores y maestros no las considero cerradas o excluyentes. Sus fronteras son difusas y la posición que puede ocupar un docente en medio de ellas no depende sólo de sí mismo, sino que influyen otros factores externos, como su estado actual de fuerzas y ánimo, la actitud del alumnado, el funcionamiento del centro docente o su relación con la administración educativa. Yo creo que todos los profesores nos hemos visto alguna vez a nosotros mismos surfeando entre estas tres aguas, pero si mi experiencia me ha enseñado algo es que cada binomio profesor-alumno es un universo particular y diferente de los demás. Uno puede ser llegar a ser un  maestro para uno y no pasar de instructor con otro, en otro momento y circunstancias.

Todos hemos sido alguna vez alumnos, algunos también hemos ejercido la docencia. Más allá de reconocer la labor profesional de muchos de nuestros docentes ¿Quién no recuerda a algún profesor o profesora especial que le haya dejado huella en su educación o al que deba su vocación profesional, o alguna profesora o profesor admirado con esa mezcla de reconocimiento y cariño que sólo un maestro puede tener en exclusiva?

Yo sí que los he tenido. Fueron unos cuantos. A ellos les debo en gran parte tanto mi vocación como mi preparación como profesor de Física y Química, labor a la que me he venido dedicando durante más de 35 años.  De una forma u otra, cada cual a su manera y en mayor o menor medida, todos ellos fueron mis maestros. Y ahora, retirado ya de la docencia en activo, me gustaría hacer público mi agradecimiento hacia ellos.

 

Reconocimiento a mis maestros

De la veintena de profesores de química o de física que he tenido en total, sólo cuatro fueron profesoras que, aún siendo buenas profesionales, no adquirieron la categoría (subjetiva y personal) de maestras. Puede que llame la atención la ausencia de mujeres en mi lista, pero es una mera cuestión estadística. Lo digo por si acaso.

Empiezo desde la enseñanza secundaria, en el Instituto San Pelayo de Tui. Allá por los años 70, tuve dos profesores de Física y Química a los que debo de estar bien agradecido. A José Manuel Castedo, con su entusiasmo y su claridad en la explicación, por haber despertado en mí el interés por la asignatura, y a Manuel Agrafojo, porque durante los tres últimos años del bachillerato (antiguamente duraba 6 + 1) fue el responsable de mi preparación en estas dos materias hasta el final de esa etapa, dejándome en buenas condiciones para iniciar mi carrera de químico.

En la Facultad de Química de la Universidad de Santiago de Compostela tuve la suerte de poder contar con muy buenos profesores, algunos de ellos de reconocido prestigio científico internacional. Sin ánimo de dejar de reconocer la capacitación y profesionalidad de la mayoría de ellos, sólo unos pocos han merecido para mí la categoría de maestros y es a ellos a quienes quiero citar.

Mi gran maestro fue Julio Casado Linarejos, entonces catedrático de Química Física y jefe de dicho departamento, de quien ya he hablado al principio sin nombrarlo al referirme al profesor que me recomendó la lectura que da título a esta entrada. El profesor Casado era uno de esos catedráticos altamente reconocidos. Su pequeño tamaño físico se crecía cuando impartía sus clases de Química Física.  Era exigente y sus clases eran exhaustivas, a veces agotadoras, pero de un altísimo nivel de contenido, tanto en cantidad como en calidad. Eso por no hablar de su gran calidad didáctica, Don Julio (Julito, como nos referíamos a él sus alumnos cariñosamente  en la clandestinidad) explicaba los conceptos y problemas más complejos de la química cuántica o la termodinámica estadística con una claridad espectacular y una pasión que se contagiaba, y sin perder nunca de vista la biografía de sus autores y su contexto histórico. Trabajaba y hacía trabajar, entendía y hacía entender. Sus exámenes eran agotadores, de hasta seis horas, pero tenían una ventaja y es que es que siempre se sabía qué es lo que iba a caer… ¡Todo!. A él le debo mi interés, que dura hasta hoy, y los cimientos de mi modesta preparación en el campo de la Química Física, además de haber despertado en mí una afición a la literatura tanto científica como general que en aquellos tiempos tenía un poco adormilada. 

 

La Química Física

Abro un paréntesis en este relato. En varias ocasiones me han preguntado que qué es la Química Física. Si acudes a los escritos, encontrarás varias definiciones un tanto ambiguas. A mí me gusta decir que la Química Física o, lo que es lo mismo, la Fisicoquímica,  es Física al servicio de la Química. Es química en cuanto a los objetivos y los temas que trata, pero es física en cuanto a su desarrollo y  procedimientos.  Así, La Química Física no es un bloque de contenidos más ni un compartimento estanco dentro de la química general, sino que se aplica a todas las ramas de ésta, como la química inorgánica, La química orgánica, la bioquímica, la química cuántica, la electroquímica o la termoquímica, por citar algunas. 

Utilizando un símil balístico, la Química Física sería como el caso de un tirador que apunta con su arma a un objetivo. El objetivo o la diana serían los sistemas químicos y sus diferentes aspectos (las sustancias químicas, sus propiedades y reacciones, disoluciones, átomos y moléculas…,). El arma sería la Física y su metodología (cinética, termodinámica, mecánica clásica o cuántica, electromagnetismo… , y la munición la Matemática (cálculo, álgebra, estadística…). En cuanto al propio tirador que con su destreza y experiencia hace lo posible por sacarle partido al arma y hacer blanco en la diana, sería el equivalente a los profesionales y estudiantes que ejercen esa disciplina así como a todos los autores que han contribuido a crear su abundante bibliografía.

Abundando un poco más. Si actualmente la Química es lo que es, una ciencia completa y precisa con un enorme potencial tanto descriptivo como predictivo y un vasto campo de aplicación que se extiende más allá de los sistemas químicos propiamente dichos, es gracias a la Química Física. Sin la ayuda de la Física, la Química se hubiera quedado estancada en un compendio de descripciones y recetas. 

 

A lo que estábamos. Mis maestros

Cerremos este paréntesis y  volvamos a hablar de mis maestros. Florencio Arce fue mi primer y mi último profesor de Química en la Facultad. En primero me dio una visión muy clara y completa de lo que era la Química General, con la calidad de sus explicaciones lo hacía todo fácil. En quinto volvimos a encontrarnos, con la Electroquímica.

En segundo tuve la suerte de ser alumno del carismático profesor de Química Inorgánica Manolo Bermejo, de enorme talla tanto científica como humana, quien además de explicar impecablemente esta disciplina, fue capaz de hacernos ver la conexión de la Química que nos enseñaba con la realidad social en la que nos desenvolvíamos. Manolo Bermejo fue a su vez un pionero en normalizar la lengua gallega en el mundo de la comunicación científica.

Rafael Suau, profesor catedrático de Química Orgánica, con su sabiduría y profesionalidad en el aula, fue el artífice que consiguió que yo aprendiese a estudiar correctamente y a dominar  esta vasta y dura parte de la química que tanto tiempo y esfuerzo exige.

Y  volviendo a la Química Física, quiero terminar citando a Juan Manuel Antelo, mi profesor de Cinética Química y director de tesina durante mis dos últimos años de carrera. Él me formó en esta especialidad y con él aprendí a hacer investigación experimental y teórica en este campo de la química. Con su estilo tranquilo, amable, dejándome aprender a mi ritmo y depositando en mí toda su confianza.

Reitero mi reconocimiento a la labor de todos los profesores de los cuales he sido alumno y que no he citado aquí, pues todos han contribuido a mi formación, pero siempre estaré especialmente agradecido a las lecciones de mis maestros.