El comportamiento químico de las sustancias y sus modelos

MaDoQuim: Memorias de la Maestría en Docencia de la Química. Vol.1 Año 1. ISSN 2323-010X
El comportamiento químico de las sustancias y sus modelos explicativos. Enlace
químico: desde la historia y su presentación en los textos escolares
Chemical behavior of substances and their explanatory model. Chemical bond: from the
history and presentation textbooks
Beatriz Niño Palacios, Sandra Patricia Maldonado y Yurley Hernández Peña
beatina050@hotmail.com; smaldonado222@hotmail.com; yulyka1@hotmail.com
Resumen. El desarrollo histórico de los conceptos y fenómenos químicos, contribuye a los
procesos de enseñanza-aprendizaje de las ciencias, sin embargo en los libros de texto, se
ofrece una visión univoca del desarrollo de diversos conceptos y teorías, esto es un
conocimiento enciclopédico. En este orden de ideas, este texto plantea la pregunta por ¿Cuál
es la idea de estructura, de molécula y de función química que se está desarrollando en el aula
de clase y que está contenida en los libros de texto?
Palabras claves. Estructura, Composición, Función, Textos escolares, Valencia.
Abstract. The historical development of concepts and chemical phenomena contributes to the
teaching of sciences, however the text books gives wrong view of development of different
concepts and theories, this is a encyclopedic knowledge. According to these ideas, this article
asks the following question: What is the idea of structure, molecule and chemistry function
that is developing in the classroom and it is contained in the text books?
Keywords. Structure, Composition, Function, Textbooks, Valence
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Una mirada a la historia, a la estructura, composición y función
Las química de los compuestos que contienen carbón se ajustaba para ciertas sustancias y
compuestos químicos pero cuando se analiza otras sustancias entre ella la urea que fue
sintetizado por Wöhler quien la obtiene por descomposición térmica del isocianato amónico, se
presentan anomalías. Según la clasificación de Berzelius la urea era un compuesto orgánico,
poseedor de fuerza vital y, por tanto, imposible de ser sintetizado a partir de compuestos
clasificados como inorgánicos (Asimov, 1965).
La síntesis de la urea obligó a un replanteamiento de la definición de compuesto orgánico,
pasándose a denominar como tal todo compuesto que contuviese carbono en su estructura.
Durante el primer tercio de siglo XIX investigadores como Gay-Lussac, Liebig y Berzelius
descubrieron y perfeccionaron nuevos métodos analíticos que permitieron determinar la clase
de elementos, así como su proporción, que constituían los compuestos orgánicos. Uno de los
aspectos de la Química que se resistía a los esfuerzos de las mentes más brillantes del siglo XIX
era el relacionado con la estructura de los compuestos orgánicos (Asimov, 1965).
En 1860 se aclaró la gran confusión cuando Stanislao Cannizarro demostró que la hipótesis de
Amadeo Abogador podía usarse para distinguir entre fórmulas empíricas y moleculares
(Bernadette y Stengers, 1997). Como resultado de esto, se observó a través de la estructura
molecular de diversas moléculas que anteriormente parecían tener la misma fórmula estaban
compuestas de un número diferentes de átomos. Por ejemplo, el etileno y el ciclohexano
tienen la misma fórmula empírica: CH2. Sin embargo, tienen fórmulas moleculares distintas
correspondientes a C2H4 y C6H12, respectivamente.
Se sabía, por ejemplo, que el alcohol etílico y el dimetiléter tenían la misma fórmula molecular,
C2H6O, pero mientras que el primero es un líquido con punto de ebullición 78°C, el segundo es
un gas. Los químicos del siglo XIX pensaron que las diferentes propiedades químicas que
presentaban compuestos con la misma fórmula molecular se tenían que deber a la forma en la
que se ordenaban los átomos en la estructura molecular
La química permitió diseñar una nueva explicación del comportamiento de las sustancias es por
ello que se dieron nuevos aportes en los diseños de modelos, estas representaciones
mostraban un mapa de la sustancias y explicación en su comportamiento porque, reaccionaban
como los compuestos inorgánicos en ese momento llamados minerales, y su simplificación en
sustancias simples, no eran igual un elemento químico en inorgánica y un grupo funcional en
química orgánica pues la síntesis de las sustancias orgánicas eran formados por carbono que
variaba el número de estos en las sustancias, es un nuevo aporte que se da en busca de
explicaciones a las comportamiento químicos de estas sustancias.
Entre 1858 y 1861, August Kekulé, Archibald Scott Couper y Alexander M. Butlerov, trabajando
independientemente, y establecieron la tetravalencia del carbono, la divalencia del oxígeno y la
monovalencia de los halógenos, que más adelante constituiría la teoría estructural de la
química orgánica (Rincón 2005).
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Yo estaba sentado escribiendo en mi libro de texto, pero el trabajo no progresó; Mis
pensamientos estaban en otra parte me volví a mi chiar al fuego, y se durmió otra vez que
los átomos estaban brincando ante mis ojos Esta vez los grupos más pequeños mantuvo
modestamente en.... El fondo Mi ojo mental, agudizado por visiones repetidas de este
tipo, podía ahora distinguir estructuras mayores de múltiples conformaciones; largas filas,
a veces más cerca encajadas, todos dando vueltas en el movimiento de serpiente, pero
mira lo que fue! ? que una de las serpientes habían apoderado de su propia cola, y la forma
giró burlonamente ante mis ojos como si un relámpago me desperté;. ... Me pasé el resto
de la noche trabajando en las consecuencias de la hipótesis. Aprendamos a
soñar,…(Mawr; Couper and Kekulé, 2010).
Más adelante diseña fórmulas estructurales.
En el año 1823, Justos von Liebig (1803-1873 d.C.), reporta que dos compuestos con
propiedades enteramente diferentes, como el fulminato de plata (AgONC) y el cianato de plata
(AgOCN), presentaban la misma composición química; los mismos elementos que integraban al
fulminato constituían igualmente al cianato. La única manera de explicarse esto tenía que ver
con la forma como se combinaban esos elementos dentro de la molécula. En un principio se
creyó que el reporte de Liebig era el resultado de errores experimentales, sin embargo, con el
paso del tiempo, se fueron encontrando nuevos casos que corroboraban la posibilidad del
arreglo de los elementos constituyentes de distintas formas al integrar las moléculas. Se
cuestionaban de cómo era la estructura o arquitectura de las moléculas, en otras palabras,
buscar la forma como se disponían en esas moléculas los átomos en el espacio (Asimov, 1965).
Frankland, quien en el año 1852, acotó que en los compuestos minerales, aún para el
observador más desprevenido, se observaba la tendencia de algunos elementos de combinarse
con cantidades fijas de otros elementos, comentando sobre este punto, como si se tratara del
poder de combinación mostrado por aquellos elementos que reflejaban esa tendencia enlace
químico (Bernadette y Stengers, 1997).
Estaba sugiriendo el concepto que más tarde se conocería como valencia de un elemento o su
poder para combinarse con otros elementos. Sólo cinco años después, Kekulé propondría que
el átomo de carbono tenía la posibilidad de unirse con otros cuatro átomos. Después, en 1868,
Carl Wilhelm Wichelhaus (1842-1927 d.C.), introdujo el término “Valenz” o valencia, para
referirse a la capacidad combinatoria de los átomos ya que con el paso de los años se hacía
cada vez más evidente que cada elemento tenía una afinidad por otros átomos u otros
elementos diferente a la de los demás (Findlay y Williams, 1965).
...el poder de combinación de un elemento atractor ...es siempre satisfecho por el mismo
número de ...átomos...”. En otras palabras, dijo que cada tipo de átomo tiene una
capacidad fija o limitada para combinarse con otros átomos.
(http://www.lancs.ac.uk/users/history/studpages/lanchistory/vicky/frankland.htm)
En 1852 escribió:
Cuando se consideran las fórmulas de los compuestos químicos inorgánicos, aún un
observador superficial queda impresionado con la simetría general de su construcción.
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Especialmente los compuestos de nitrógeno, fósforo, antimonio y arsénico, exhiben la
tendencia a formar compuestos de estos elementos que contienen 3 a 5 equivalentes de
otros elementos, y es en estas proporciones que sus afinidades son satisfechas de la mejor
forma; así en los grupos ternarios tenemos NO3, NH3, NI3, NS3, PO3, PH3, PCl3, SbO3,
SbH3, SbCl3, AsO3, AsH3, AsCl3; y en el grupo de 5 átomos, NO5, NH4O, NH4I, PO5, PH4I. Sin
ofrecer una hipótesis respecto a la causa de este agrupamiento simétrico de átomos, es
suficientemente evidente (Rincón, 2005).
El químico escocés. Archibald Scott Couper fue la primera persona en representar el enlace
químico mediante una línea recta entre los símbolos de los elementos. En el año 1858 reconoció
que los átomos de carbono se pueden unir unos a otros para formar cadenas carbonadas
largas, explicando así la multitud de compuestos orgánicos que existen en la naturaleza
(Rincón, 2005).
Friedich A. Kekulé (1829-1896 d.C.), Químico alemán, en 1857 propone que el átomo de carbono
era tetravalente. En 1858, junto con Couper, simultánea e independientemente, reconoce que
los átomos de carbono se unen unos a otros para formar cadenas, esta conclusión se dio a la
observación de la combinación del carbono con otras sustancias y la proporción con que se
unían, los equivalentes calculados, permitía aproximar a las proporciones con que se unían los
elementos químicos (Rincón, 2005).
Ya en el último tercio del siglo XIX, empezó a ser cada vez más notorio que fuerzas de índole
eléctrica jugaban un papel importante en aquello que era lo responsable en mantener unidos los
átomos en los compuestos químicos. Así lo expresó Helmholtz en el año 1881, cuando afirmó que
los átomos estaban unidos a sus cargas eléctricas y compuestos cargados opuestamente deberían
atraerse entre sí, como ya lo había sostenido Berzelius con su teoría electroquímica dualística desde
el año 1812 (Espinoza, 2004).
Sin embargo, era poco lo que se podía avanzar sin conocer la estructura atómica. Fue luego de
que los electrones fueron identificados que se empezó a pensar en el enlace químico de una
manera diferente, en la que estos eran sus directos responsables. Fue el alemán Richard Abegg,
quien en 1904 fue el primero en relacionar la valencia química con la distribución de los
electrones en el átomo. Según él, cada elemento tiene una valencia (+) y una contravalencia (-),
cuya suma siempre debe ser ocho, para parecerse a los átomos estables de los gases nobles.
Notó que la valencia de un elemento correspondía al grupo en la tabla periódica. Abegg murió
en 1910 en un accidente de globo y no vió cómo sus ideas fueron desarrollándose. A partir de
este momento, se entiende por valencia de un átomo el número de electrones de su capa más
externa. Paul Drude sugirió que el número de valencia de Abegg era el número de electrones
que tenía el átomo para enlazarse y el de contravalencia era el número de electrones de otros
átomos que aquel podía remover o atraer más firmemente hacia si (Laidler, 1993).
A continuación, Gilbert N. Lewis (1916) estableció la teoría del enlace químico por compartición de
pares de electrones proponiendo que los átomos están normalmente estáticos por lo tanto tubo que
negar la ley de coulomb, apoyando esta hipótesis en las observaciones en su laboratorio donde
analizo los cristales su estructura determina en los rayos X, donde los átomos mostraban arreglos de
poliedros regulares o estructuras asimétricas.
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En su planteamiento diseñó los átomos con estructura de un cristal y en cada esquina tendrá un
electrón, explicó que la diferencia esencial entre una molécula polar y otra no polar es que, en
la primera, uno o más electrones son atraídos con suficiente fuerza para lograr que se
desplacen de su lugar original en el átomo, produciéndose en la molécula un dipolo de alto
momento eléctrico y llegando, en un caso extremo, a pasar completamente al otro átomo,
caso en el cual se forman iones; mientras que en una molécula no polar los electrones
permanecen en su posición original, igualmente compartidos por los dos átomos (Espinoza,
2004).
Se indica la representación de Lewis de algunas moléculas orgánicas, como el etano, la
metilamina, el metanol y el clorometano. Nótese que estas tres últimas contienen átomos que
consiguen su octeto electrónico mediante la suma de electrones enlazantes y no enlazantes,
como el caso del átomo nitrógeno de la metilamina, del átomo de oxígeno del metanol, o del
átomo de cloro del clorometano. Representación de Lewis de las moléculas orgánicas
(Espinoza, 2004).
Según Lewis una capa llena de electrones es especialmente estable y los átomos transfieren o
comparten electrones para tratar de alcanzar una capa llena de electrones y alcanzar, así, la
estructura electrónica estable similar a la del gas noble, se basaba en la nula reactividad de los
gases nobles, al analizarlo en su comportamiento con otras sustancias, y diferenciación de
cargas eléctricas, donde los gases nobles se neutralizaban, análisis hecho a los gases nobles se
observo, y que normalmente contiene 8 electrones en su capa más externa. La tendencia de los
átomos a adquirir la configuración electrónica externa de 8 electrones se la conoce como regla
del octeto (Espinoza, 2004).
Cuando dos átomos comparten dos electrones entre sí se forma entre ellos un enlace
covalente. Los átomos, de acuerdo con su configuración electrónica, pueden cumplir la regla
del octeto con pares de electrones compartidos (electrones enlazantes) y pares de electrones
sin compartir (electrones no enlazantes) (Rincón, 2005).
Cuando dos átomos comparten por igual los dos electrones del enlace covalente se dice que el
enlace es no polar, como ocurre en el enlace covalente de la molécula de hidrógeno, en el
enlace covalente de la molécula de cloro, o en el enlace covalente carbono-carbono del etano.
Sin embargo, la mayor parte de los enlaces covalentes están formados por dos átomos
diferentes, de manera que los electrones del enlace son atraídos con mayor intensidad por uno
de los dos átomos que forman el enlace. Cuando esto ocurre el enlace covalente se denomina
enlace polar. Por ejemplo, cuando el carbono se enlaza al cloro el par de electrones del enlace
se encuentra atraído con más intensidad por el átomo de cloro, de manera que sobre el átomo
de carbono aparece una pequeña carga parcial positiva y sobre el átomo de cloro aparece una
cantidad igual de carga negativa. Esta es una visión desde la electronegatividad explicación
desde el comportamiento de la sustancias en la electricidad que daba una imagen de cómo
eran las estructura desde los polos negativos y positivos (Espinoza, 2004).
Al comenzar el siglo XX hubo una revolución científica que tuvo varios componentes, entre los
cuales descuellan La teoría de la Relatividad y la mecánica cuántica. Se sabe que entre los
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móviles de la tal revolución descollaron las nuevas radiaciones, X, alfa, beta, YY, y el desarrollo
de las técnicas de análisis espectral. Se recuerda menos que el perfeccionamiento de la tabla
periódica, la formulación de la teoriza de Arrhenius de la ionización de las soluciones y el
descubrimientos de los gases nobles también fueron fundamentales en este proceso. Se
conoce que esta revolución tuvo importantes consecuencias epistemológicas: dio al traste con
las nociones viejas la causalidad y determinismo y puso coto al número de variables que se
pueden medir simultáneamente o, mejor a la precisión, de que pueden ser medidas todas ellas
en un estado dado en cualquier sistema físico. Dicho de manera más general, la imagen
mecanicista del mundo, con masas puntuales que obedecen leyes Newtonianas y se comporta
como pelotillas o resortitos, construida en los tres siglos anteriores mostró no ser más que una
aproximación burda (Villaveces, sf).
Hace cien años se entendió que había que cambiar nuestra concepción de la naturaleza y todo
el siglo XX estuvo consagrado en esa tarea. La cuántica paso a ser la teoría fundamental y
permitió el desarrollo de la microelectrónica y la óptica no lineal. La química estuvo
profundamente ligada al nacimiento de nuevas teorías.
Fue en química que se plantearon los problemas fundamentales de la subteoría atómica que
condujeron primero al modelo atómico de Thomson y luego a la explicación de Bohr de
espectro del átomo de hidrogeno (Villaveces, sf).
Fue la química la que plantea los problemas fundamentales de la estructura de las moléculas de
la mecánica cuántica primitiva no pudo resolver, y estuvo por lo tanto, entre las motivaciones
que llevaron a la nueva formulación de la teoría cuántica entre 1925 y 1926. Fue el tratamiento
de la molécula de hidrogeno hecho en 1927 por Heitler y London (Villaveces, sf).
Si las teorías sobre la estructura atómica y molecular contemporáneas son teorías basadas en la
cuántica, que generan modelos matemáticos para estos conceptos fundamentales de la
química, es necesario presentarlos como tales a los estudiantes. Muchos de los docentes
ignoran por completo la Teoría cuántica y quienes saben algo de ella se sienten incómodos e
incapaces de manejarla. Para avanzar en la solución de este problema es que los profesores de
química conozcan bien la teoría atómica y molecular basada en la Mecánica cuántica y tengan
habilidad operacional con ella
El diseño experimental dio una imagen de cómo eran la sustancias, pero a ello se le suma
algunas fórmulas matemáticas y proporcionales que dan aproximación de la cantidad de
átomos que intervenían en las moléculas, esto fue avanzando a medida que sus datos eran más
próximos. El diseño de estructuras fue un hecho cuando se fueron reuniendo los datos dados
en las experiencias en los laboratorios.
Lo anterior permite entrelazar cómo se desarrollaron los modelos científicos y a partir de allí se
refugian todos los conceptos definiciones que hay en los libros de texto de una forma simplista
se muestra una imagen fragmentada del conocimiento, siendo esto motivo por el cual las
sustancias, son miradas desde una representación descodificada de la realidad, generando
confusión, y poca asimilación y compresión.
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Los libros de química que se utilizan actualmente en las aulas de clase no abordan la
importancia de establecer elementos conceptuales, epistemológicos y experimentales de la
composición, la estructura y la función química que dan origen a la formación de diversos
compuestos, los autores de estos texto se han dedicado, metafóricamente, a desenredar el
conocimiento de los investigadores, estructurándolos en discurso esquemático, vacío de
complejidad y profundidad, con lo que puede tomar de libros originales o, peor aún, de otros
libros de texto o enciclopedias (Danna et al, 2004).
Ranciere (2007) en su libro el maestro ignorante relaciona el libro de texto con un cementerio
de contenidos, donde las tumbas son los cuerpos de contenidos ya sin espíritu, esto es, sin
riqueza ni complejidad. Lo que lleva a considerarse; al libro de texto como un resumen de ideas
que obstaculiza, de modo, que los lectores en especial los docentes en formación y en ejercicio
puedan recurrir a los contenedores de conocimiento complejo.
Por lo tanto, el resultado de la existencia de un libro de texto es, básicamente, la existencia de
conceptos con flacas definiciones, insostenibles clasificaciones, esquemas y actividades
propuestas a reforzar el conocimiento, repitiéndose siempre de la misma manera, sin importar
la diferencia de las generaciones de educandos. Para corroborar con esta afirmación y ver en
qué medida se da esto, no hay más que fijarse en libro de texto, propuestos por diversas
editoriales en los últimos años, presentan la misma información que se usó para educandos
hace varios años, lo cual no se aproxima en lo más mínimo de la verdades. (Danna et al, 2004)
Diversos estudios hechos a libros de texto donde se realizaron análisis de contenidos
relacionados con la composición, la estructura y la función química, evidencian que en los libros
actuales se hacen mención de los temas, en un lenguaje descontextualizado, sin enfatizar en
los diversos paradigmas científicos; aceptados en la actualidad desde una postura históricoepistemológica que permita clarificar los conceptos, y contribuyan a cada uno de los lectores
como docentes en formación, en ejercicio y estudiantes de secundaria a crear un paralelo entre
los diversos postulados, este ejercicio es una base fundamental en la construcción de
conocimiento (Chamizo y Gutiérrez, 2004; Chávez, 2009).
Otro problema que presentan los libros de texto, se plantea en IV Foro Latinoamericano de
Educación: Aprender y enseñar ciencias. Desafíos, estrategias y oportunidades desarrollado en
año 2008, el Conferencista Jonathan Osborne hace hincapié en lo que él llama “falacias” en la
forma de entender la Enseñanza de las Ciencias, estableciendo una falacia de jerarquía donde la
enseñanza se detiene en el detalle y pierde de vista la globalidad, por tanto esta afirmación
corrobora con lo interpretado en libros de texto actuales de química de grado 10, donde los
autores plantean diversas temáticas como lo son electronegatividad, potencial de ionización,
radio atómico, configuración electrónica, punto de fusión y punto de ebullición se exponen por
separado lejos de relacionarlos con la formación de enlaces de valencia y sus propiedades
físicas y químicas y simplemente son asocian la estructura de Lewis y la regla de octeto; de esta
misma manera son transmitidos a los estudiantes, dejando de lado las problemáticas y
fenómenos presentes en determinados contextos. La pregunta a la anterior afirmación es ¿Bajo
qué parámetros construimos junto con los estudiantes el conocimiento, si en nuestra actividad
como docentes se nos olvida el horizonte pedagógico, de suscitar la actitud crítica en quienes
se encuentran en periodo de formación y solo nos limitamos a basarnos en un libro de texto?
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¿Estaremos contribuyendo en la formación de individuos críticos y autónomos de su
conocimiento?
Interrogantes como estos, han llevado a una estructuración de conceptos y teorías científicas a
diversos individuos inmersos en el desarrollo de las ciencias llegando a la elaboración de
diversas herramientas como lo son las seminario-talleres, unidades didácticas, libros basados en
referentes histórico-epistemológicos, en las que se tiene como finalidad permitir a los
estudiantes una mejor comprensión y desarrollo conceptual respecto al tema, este recorrido
por la historia permite dar pautas para la enseñanza, basadas en las explicaciones desde lo
experimental, conceptual y aplicación al contexto (Rincón, 2005; García, 2006; Franco, Garritz y
Chamizo, 2008).
La problemática actual sobre los libros de texto, no conlleva a una sustitución de este, al
contario se debe reestructurar para que no pierda su esencia, donde sus contenidos, no deben
mostrarse como hechos terminados, en un contexto alejado de la realidad de los educandos,
debe estar orientado hacia una educación científica para el desarrollo de una cultura científica
que tienen como función guiar al estudiante y docente a la construcción de su propio
conocimiento, permitiéndole realizar esfuerzos cognitivos para aprender a comprender,
haciendo más progresivo; el desarrollo de competencias científicas, de la autonomía
intelectual, la facultad para producir conceptos con orientación ética y crítica. (Osborne, 2008).
Se hace necesario y urgente establecer unos parámetros que contribuyan en el proceso de la
Enseñanza de las Ciencias donde la prioridad del contenido temático no sea cantidad sino
calidad, estableciendo relaciones entre los diversos contenidos para la contribución y
explicación de hechos o fenómenos dentro del proceso de enseñanza-aprendizaje.
Conclusiones
La historia y contextualización de los conceptos químicos, son validos en el momento que se
retoman desde su contexto, donde la experimentación y observación a los comportamientos
de las sustancias dan inicio al diseño de modelos explicativos que son representación hechas
desde la compresión de la estructura, composición y función de las sustancias.
Diversas visiones dan posturas diversas en la explicación del comportamiento de las sustancia,
desde los energetistas y atomistas, pero llegan a conclusiones cercanas de los fenómenos
observados, pero desde experimentaciones diversas bajo un mismo fin como ocurre la unión
de las sustancias desde el enlace químico.
Los profesores de química deben tener por lo menos un conocimiento igual sobre la estructura
del átomo, de la estructura de las moléculas y del enlace químico. Habría que comenzar
modificando el currículo en licenciatura de química para que los jóvenes adquieran este
conocimiento y lo puedan enseñar a sus futuros estudiantes.
La enseñanza del tema de enlace químico resulta muy compleja y es importante que los
profesores sean muy cuidadosos en el desarrollo de contenido científico, con el fin de que los
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estudiantes puedan ir construyendo un modelo de enlace químico que tenga sentido para ellos,
en donde el énfasis se haga en la compresión del fenómeno electrostática y en la utilidad de los
modelos de enlace para la explicación y predicción de las propiedades macroscópicas
presentes en la naturaleza.
Mayor poder heurístico. El segundo, que los profesores de química en particular y de los de
ciencias en general, han de ocuparse del estudio de la historia de los contenidos que hacen
objeto de enseñanza.
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