Modelos moleculares: jugando como niños con la química

Escrito por Quimitube el 7 septiembre

Tengo dos sobrinos pequeños, y la palabra química les parece tan natural como “gato” o “pizarra”. Han crecido viendo mis modelos moleculares, y el uso que hago de ellos, como algo tan normal que a veces los usan ellos mismos para “jugar a moléculas”. Es complicado intentar explicarles qué es la química y qué es una molécula o un átomo e ignoro si será contraproducente en el futuro que llamen “jugar a moléculas” a algo que para ellos es demasiado similar a un clásico juego de construcciones, pero sí sé que cuando llegue el momento de aprender química en mayor profundidad la palabra no les producirá ningún temor. O quizá, por el contrario, la analogía sea buena; la química no es más que un juego de construir con átomos la materia, paso a paso, hasta que esa materia toma formas tan complejas como un ser humano.

Dilemas educativos a parte, no cabe duda de que utilizar un modelo molecular para aprender química cuando ya se han sentado algunas bases es muy adecuado para visualizar ciertos conceptos; además, pueden hacer una clase más amena y entretenida para los alumnos, algo nada desdeñable. Recuerdo, de hecho, que en uno de mis exámenes de química orgánica de la carrera era preceptivo llevar un modelo molecular y que sin él era prácticamente imposible aprobar (a no ser que tuvieses una percepción tridimensional sobrehumana, que era el caso de algún que otro compañero, pero no el mío). Además, está claro que no todos aprendemos del mismo modo y que, si bien habrá quien no necesite los modelos moleculares para visualizar en su mente una estructura tridimensional, la manipulación, «tocar la molécula» y «construirla», puede ser algo que ayude a aprender a otras personas.

Estas son las piezas de aquel modelo molecular que compré en su día para mi examen (hace ya más de diez años) y que me ha acompañado desde entonces:

Modelo molecular de varillas: átomos y enlaces de distintas longitudes. Aquí puedes adquirir un modelo de este tipo.

Este tipo de modelo suele recibir el nombre de «modelo molecular de varillas«. Existen distintos tipos de modelos moleculares, cada uno de ellos más orientados para uno u otro uso o simplemente más adecuados según el gusto del consumidor. En la actualidad, aquel modelo inicial de varillas se ha visto considerablemente ampliado.

¿Qué os parece mi nuevo maletín con compartimentos?

Maletín de modelos moleculares compartimentado: modelo de bolas y barras y modelo de varillas. Aquí puedes adquirir un modelo de este tipo.

Como podéis apreciar en el maletín, aparecen dos tipos de modelos distintos. Así, a continuación recogemos los tipos de modelos moleculares más habituales y sus principales características.

Modelos moleculares de varillas

El modelo molecular de varillas no es de los más vistosos, pero lo cierto es que para isomería me parece muy adecuado; te permite centrarte en la estructura molecular. Asimismo, presentan la ventaja de ser, comparativamente, los modelos moleculares más económicos (al final de la entrada podréis hallar una tabla comparativa de precios de distintos modelos moleculares para comprobarlo) Por ejemplo, si consideramos las dos conformaciones más habituales del ciclohexano (ciclohexano bote y ciclohexano silla), vemos lo siguiente:

A parte de la claridad en la diferencia que presentan ambas conformaciones, el hecho de que haya que hacer un pequeño esfuerzo manual para lograr que la estructura del ciclohexano pase de la conformación tipo bote a la conformación tipo silla puede ser una buena analogía para mostrar que, en efecto, se requiere superar cierta barrera energética para pasar de una a otra conformación, tal y como podríamos ver en un diagrama energético de interconversión de ambas conformaciones. La diferencia de energía entre la primera conformación indicada (bote) y la segunda (silla) es de unos 28 kJ/mol. De hecho, la conformación de tipo bote del ciclohexano no es aislable por su elevada energía y actúa como estado de transición entre la forma de tipo silla y otra conformación denominada de bote torcido.

También me parece útil este tipo de modelo molecular de varillas para estructuras cristalinas con un gran número de átomos. La periodicidad del cristal se observa mejor si construimos un trocito de cristal más amplio y no una única celda unidad, y los sets de modelos moleculares de varillas en general incluyen un mayor número de átomos que los de barras y esferas que comentaremos posteriormente. Por ejemplo, las imágenes siguientes muestran un trocito de la estructura del diamante:

Se observa cuál es la celda unidad de esta estructura (formada por tres hexágonos entrelazados) y la periodicidad que da la estructura cristalina al sólido.

Los modelos moleculares de varillas son muy ligeros y abultan poco, no estorban nada para llevar y traer regularmente al instituto o a la universidad (o a una fiesta, quién sabe, cada cual le da el uso que considera :D).  

Comercialmente podemos hallar distintos modelos de este tipo, por ejemplo el siguiente, con 150 piezas y átomos de carbono trigonales, es específico para la formación de nanotubos: O este otro, completísimo y que se puede comprar en Amazon por  unos 24 euros y que tiene muy buenas opiniones de los clientes que lo han comprado:

Modelos moleculares de barras y esferas

Aunque ya habéis visto que como alumna comencé con un modelo molecular de varillas, hoy en día me decanto por los modelos moleculares de bolas de polipropileno que me parecen más llamativos y resultones. Me refiero a los siguientes:

Ejemplo de modelo molecular de barras y esferas de 20 átomos de carbono, 14 con 4 perforaciones (sp3) y 6 con 5 perforaciones (sp2 y bipirámide trigonal).

Las bolas de distintos colores representan los átomos de los distintos elementos químicos, mientras que las barras (de tres tamaños distintos) representan los enlaces entre ellos. No son tan económicos como los anteriores, a igualdad de precio el número de átomos que incluye el kit molecular es inferior, pero un set con 20 o 30 carbonos es más que suficiente para cualquier alumno que necesite un apoyo estructural en sus estudios.

Por ejemplo, en este de aquí, el contenido es el siguiente:

Átomos de carbono con 5 agujeros, 3 en el mismo plano (sp2): 6

Átomos de carbono con 4 agujeros, formando un tetraedro (sp3): 14

Átomos de hidrógeno: 30

Átomos de nitrógeno: 6

Cloro y flúor, de color verde: 8

Bromo: 2

Yodo: 2

Metales (octaédricos, 6 agujeros): 2

Enlaces cortos: 40

Enlaces medianos: 30

Enlaces largos: 12

Yo tengo muchos más átomos que los que contiene un kit estándar porque ahora soy una fanática de los modelos moleculares, como habéis visto en la imagen previa de mi maletín, aunque también hay kits moleculares pensados para el profesorado que son mucho más abultados y que también hallaréis en la tabla comparativa de modelos moleculares del final de la entrada.

Estos modelos moleculares de esferas son también útiles para las mismas aplicaciones que los de varillas, aunque como abultan más en general suelo usarlos para observar propiedades o comparar moléculas más pequeñas. Por ejemplo, para el estudio de la isomería Z-E, me parece muy interesante lo visual que resulta la incapacidad de rotar del doble enlace C=C. Así, podemos ilustrar que la distinta disposición de los sustituyentes en el plano de un enlace doble hace que hablemos de compuestos distintos con propiedades distintas, como en el caso del 1,2-dicloroetano que ilustramos a continuación:

Ilustrando la isomería cis-trans con un modelo molecular sencillo del 1,2-dicloroetano. El modelo molecular muestra claramente que ambas formas no se pueden interconvertir sin romper un enlace carbono-cloro y un enlace carbono-hidrógeno.

Esto es posible porque tanto los modelos moleculares de varillas como los de bolas y esferas presentan ángulos de enlace próximos a los reales, por ejemplo, los carbonos sp3 presentan el ángulo de un tetraedro (aproximadamente 109º) o los carbonos sp2, con tres enlaces en el mismo plano, ángulos de 120º.

También es interesante utilizar un modelo molecular de esferas para mostrar, por ejemplo, la isomería de función, es decir, compuestos que tienen la misma fórmula química pero distintos grupos funcionales y, por tanto, distintas propiedades y disposición de los átomos. Consideremos un compuesto de fórmula C3H6O, es decir, formado por 3 carbonos, 6 hidrógenos y 1 oxígeno: Viendo los distintos átomos que forman la molécula podemos pensar en diversas formas de interconectarlos y, por tanto, en distintos isómeros de función o de posición. Podemos formar:

Modelo molecular que representa la molécula de propenol (2-propen-1-ol)

Modelo molecular que representa la molécula de acetona

En general, utilizo estos modelos moleculares porque llaman más la atención de los alumnos y son bastante útiles para mostrar lo que ocurre durante una reacción química, cómo se rompen los enlaces de los reactivos y se forman enlaces nuevos en los productos. Por ejemplo, en este vídeo usé los modelos moleculares para explicar una reacción química muy sencilla, la hidrogenación del eteno para formar etano:

  O en este otro, usamos para explicar la reacción química de cloración del metano (allá por el minuto 4):

La explicación de una reacción química sencilla mediante un modelo molecular a los alumnos que se están iniciando en el aprendizaje de la química ayuda a ilustrar, por ejemplo, la ley de Dalton, que es contenido curricular.

Aquí tienes un ejemplo comercial de este tipo de modelos:

Este modelo se puede comprar en Amazon por unos 20 euros.

Modelos moleculares de espacio lleno (Spacefill molecular models)

Estos modelos moleculares son menos manejables, pero ofrecen una perspectiva más acercada a la realidad de la sustancia y al volumen que efectivamente ocupan los átomos en una molécula. Las esferas que representan los átomos en este tipo de modelo molecular son proporcionales al radio atómico medio que presentan en las distintas sustancias, de modo que, aunque no hay una visualización clara de los enlaces químicos entre átomos, sí que vemos el espacio completo ocupado. A mi modo de ver, son más útiles para apreciar el volumen de los grupos reactivos y para evaluar el efecto del famoso impedimento estérico, por lo que son más apropiados para alumnos de nivel universitario y para profesores. Aquí vemos un ejemplo de este tipo de modelo:

En ocasiones, especialmente si hablamos de modelos moleculares realizados por ordenador, estos modelos también reciben el nombre de modelos moleculares de esferas o de esferas CPK (cuyo significado veremos posteriormente, en el código de colores).

Modelos moleculares gigantes de polipropileno para profesores

Otros modelos moleculares que, como los de espacio lleno, son bastante usados por profesores, son los modelos moleculares de polipropileno. Se trata de modelos ligeros con bolas que rondan los cinco centímetros de diámetro, por lo que permiten construir estructuras moleculares que se ven bien en salas amplias, con grandes auditorios, como una clase. Me refiero a este tipo de modelos:

Las bolas que representan átomos principales como carbonos, oxígenos o nitrógenos tienen un diámetro aproximado de 5 centímetros. Personalmente me parecen también muy adecuados como forma de decoración para un hogar o despacho, pero otros habitantes de mi casa con más sentido común que yo me lo impiden.

Modelos moleculares para aplicaciones específicas

Aunque como hemos visto basta un kit de modelo molecular sencillo para entender la estructura de muchas moléculas o la reactividad, hay otros distintos, que aportan más información, como aquellos que muestran las estructuras de los distintos orbitales, los que son específicos para RPECV (Repulsión de pares electrónicos de la capa de valencia), o los que representan estructuras bioquímicas esenciales como el ADN. Desde luego no son tan útiles como los de varillas o de bolas y barras, mucho más versátiles, pero para aquellos a los que les gustan mucho los modelos moleculares pueden servirles, incluso para coleccionar. A continuación vemos algunos ejemplos:

Modelo de los orbitales atómicos

Modelo molecular para estudiar la estructura de las moléculas por repulsión de pares electrónicos. Las bolas de color carne representan los pares electrónicos libres.

Modelo molecular mini del ADN. En lugar de estar formado por átomos sueltos, las distintas piezas representan grupos atómicos amplios.

El código de colores en los modelos moleculares

Tal vez os hayáis fijado, viendo los distintos tipos de modelos moleculares que hemos comentado, que el carbono, por ejemplo, siempre es de color negro. Esto no es una casualidad; los modelos moleculares se ciñen a unos colores que podemos considerar estándar, y que también reciben el nombre de colores CPK (Corey, Pauling y Koltun, que fueron los pioneros en la creación de los modelos moleculares). Así, centrándonos únicamente en los más habituales, tenemos los colores siguientes:

En ocasiones se pueden hallar algunas variaciones, pero si observáis con detenimiento los átomos que aparecen en la imagen previa de mi maletín y en el modelo molecular de varillas, veréis que el código coincide con el propuesto en la tabla.

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