dificultades semánticas del término fuerza en el ámbito de la

DIFICULTADES SEMÁNTICAS DEL TÉRMINO FUERZA EN EL ÁMBITO DE
LA QUÍMICA: POLISEMIA ENTRE LOS SIGNIFICADOS QUÍMICO Y
COTIDIANO
Jiménez Liso, María Rut , [email protected]
Dpto Didáctica de la Matemática y de las Ciencias Experimentales. Universidad de Almería.
Carretera de Sacramento, s/n. 04120 La Cañada de San Urbano. Almería. España
De Manuel Torres, Esteban
Dpto Didáctica de las Ciencias Experimentales.
Universidad de Granada. España.
LA IMPORTANCIA DEL LENGUAJE Y LA COMUNICACIÓN EN CIENCIAS.
Como se ha puesto de relieve en un trabajo previo (Jiménez-Liso y De Manuel, en
prensa) el lenguaje científico y el cotidiano están conectados pero, en ocasiones, se producen
interferencias que causan dificultades para el aprendizaje de la ciencia (Llorens, 1991). Las
dificultades de tipo semántico son: no distinguir entre los significados cotidiano y científico (por
ejemplo, básico como alcalino frente a fundamental o esencial, de esta forma muchos estudiantes
afirman que los alimentos son básicos Jiménez-Liso y otros, 2000); la confusión entre los
significados de un término dentro de diversos contextos científicos (fuerza en mecánica y fuerza
de los ácidos y de las bases); el desconocimiento de ciertos atributos o aspectos del significado
científico de un término; el empleo ambiguo de ciertos términos, por ejemplo, fuerza, energía,
potencia, trabajo, etc. utilizados todos como acción y otros muchos problemas de carácter
sintáctico (Llorens y De Jaime, 1995). Estas dificultades pueden tener su origen en el
desconocimiento, por parte de los alumnos, del significado del vocabulario específico, por el
cambio de significado de las palabras en el transcurso del desarrollo histórico del término
científico (Gómez-Moliné y Sanmartí, 2000), o por la utilización de términos científicos en un
contexto cotidiano y viceversa. Aunque el lenguaje científico tiende a ser específico, cuantitativo,
preciso y a asignar un sólo significado a cada palabra (Sanmartí, 1996), no se puede evitar que
algunos términos pasen a ser propios del lenguaje cotidiano que, por contra, es polisémico,
cualitativo y más descriptivo que interpretativo.
Borsese (1997) reclama un uso apropiado del lenguaje cotidiano y científico y de sus
relaciones (diferencias, analogías, derivaciones, préstamos, etc.) y resalta la importancia del
significado que se le concede en un ámbito o en otro a los términos (por ejemplo, sustancia,
elemento, compuesto, sistema, etc.), la necesidad de señalar sus límites y de conectar las
definiciones, la nomenclatura y la simbología químicas con el lenguaje común, con lo próximo al
alumnado y lograr la bidireccionalidad en la relación informativa (Borsese, 2000).
En el monográfico nº 12 de la revista Alambique, dedicado al lenguaje y la
comunicación en ciencias, se plantea la pregunta de si los profesores de ciencias deben ser
profesores de lengua. Serra y Caballer (1997, 2001) responden afirmativamente a esa pregunta
e insisten en que es necesario enseñar (y aprender) a leer y a escribir también en las clases de
ciencias, pues las explicaciones de los estudiantes manifiestan problemas de jerarquización de las
ideas, falta de usos de conectores lógicos y de tiempos verbales adecuados. Sanmartí (1996)
destaca que diferentes expresiones pueden ser suficientes para establecer la comunicación en un
contexto cotidiano pero en la clase de ciencias manifiestan tipos de pensamiento distintos
(tautologías, razonamiento causal secuencial, etc.). Por tanto, más que dar definiciones o
prescindir de los referentes del alumnado es preciso que aprendan a distinguir entre los diferentes
sentidos de las palabras para que se aproximen al científico. Arcá y otros (1991) proponen
actividades concretas y, para el caso de la fuerza, al comenzar su unidad didáctica, destacan las
350 frases propuestas por los estudiantes entre ellas: como sopa a la fuerza, la fuerza del
motor, los cereales dan fuerza, la fuerza de los dientes, la fuerza del vino, fuerza de
voluntad para estudiar, la fuerza de las circunstancias, tengo fuerza, hago fuerza, etc.
El vocabulario científico ha pasado a ser una parte importante de nuestro léxico
cotidiano y no siempre con los mismos significados que se otorga a los términos desde la
comunidad científica. Esta polisemia en diferentes contextos también sucede en diversos ámbitos
científicos, por ejemplo, el término fuerza posee significados diferentes si nos acercamos desde
el ámbito de la física como del de la Química y dicha polisemia puede ser el origen de algunas
concepciones alternativas detectadas en el contexto químico. En la presente comunicación, nos
centraremos en el estudio de los principales obstáculos de la fuerza de los ácidos y de las bases
para sentar las bases de posteriores trabajos en los que buscaremos su origen en la comparación
(y no discriminación por parte del alumnado) de los significados físico, químico y cotidiano.
En la Figura 1 mostramos, mediante un esquema, que los obstáculos para el aprendizaje
de estos contenidos pueden encontrarse en la yuxtaposición de los contextos cotidiano y
científico (químico). El conocimiento del desarrollo histórico del concepto de fuerza de los
ácidos y de las bases permite, por un lado, pronosticar algunas de las concepciones de los
estudiantes que coinciden con algunas de las ideas destacadas en la publicidad (y, por tanto, son
reforzadas o inducidas) y, por otro lado, diseñar estrategias didácticas para facilitar el
aprendizaje de estos contenidos, es decir, una correcta utilización de ellos en el contexto
científico.
Contexto químico
Fuerza de los ácidos
y de las bases
Contexto cotidiano
Desarrollo histórico
fuerza=cantidad de sustancia
Estrategias didácticas:
Reacción de metales con ácidos
Concepciones de los
estudiantes
Determinación de valores del pH
de alimentos
Ácido=fuerte, poderoso, dañino
Publicidad
Figura 1. Dificultades semánticas del término "fuerza de los ácidos y de las bases"
Desarrollo histórico de la fuerza de los ácidos y de las bases
Hasta el siglo XVII no surgieron las primeras interpretaciones sobre la composición de
los ácidos, de las bases, de las sales y de sus reacciones (Jiménez-Liso y De Manuel, en
prensa). Resulta sorprendente que se le concediera en 1672, a los ácidos forma puntiaguda y a
las bases forma porosa y carácter violento a la reacción de ambos:
Las puntas de los ácidos son tan conformes, en figura y dimensiones, con los orificios de
los álcalis, que los llenan exactamente, de tal modo que un nuevo ácido no encuentra ya
ningún poro vacío que pueda detener su movimiento; este ácido actúa entonces con tanta
violencia, que separa las unas de las otras partes integrantes en esos cuerpos, empuja unas
de un lado, otras de otro y no deja de removerlas y agitarlas hasta que lo separa de ellas
(Taton, 1988).
De este mismo modo, Lémery, otro químico muy influyente de la época, considera la
neutralización como la reacción entre los álcalis y los ácidos, en cuyos poros penetran las púas
de estos últimos, rompiéndose o embotándose y dando así origen a las sales neutras.
Fue Glauber (1607-1670) quien primero puso de manifiesto que las sales neutras podían
reaccionar entre sí para originar otras nuevas, mediante las reacciones de doble descomposición.
De estas reacciones dedujo que los distintos ácidos tienen diferente fuerza, y expresó este hecho
en términos tales que demuestran hasta qué punto se acercaba tanteando al concepto de afinidad
química: los metales tienen diferente naturaleza, de modo que los semejantes se aman
mutuamente y los desemejantes se aborrecen y se huyen.... (Leicester, 1967).
Con respecto al concepto de afinidiad, en el siglo XVIII, se produjo un importantísimo
avance: el hecho de que ciertos metales se disolvieran fácilmente al ser atacados por los ácidos y
otros no, hizo reflexionar bastante a los químicos de esta época para encontrarle una explicación
que no fuera con ideas de amor que los semejantes se tienen o de lucha, dotando de
"humanidad" a los productos químicos.
Desde el punto de vista de la física newtoniana las reacciones entre los ácidos y los
metales se explicaban por la atracción violenta que ejercen las partículas metálicas sobre los
ácidos y se mostraba que en una solución salina, al sustituir un metal, las partículas ácidas son
atraídas más fuertemente por unos metales que por otros. Como consecuencia de este desarrollo
Geoffroy (1719) publicó la primera tabla de afinidades en la que alineaba todos los cuerpos
simples conocidos. En 1777 Wenzel sumergiendo durante una hora, en diferentes ácidos,
cilindros metálicos semejantes, pretendió determinar según la pérdida de peso de los cilindros, la
afinidad de los ácidos con ese metal; intentaba determinar las velocidades relativas de disolución
de los metales en ácido como medida de la afinidad y de la fuerza de los ácidos (Taton, 1988).
Posteriormente, Fourcroy no basó sus medidas en la formación de un compuesto sino en su
facilidad para descomponerse. De manera empírica, Elliot intentó calcular el sentido de la
reacción cuando se mezclan dos soluciones salinas. También en el siglo XVIII, buscando
interpretaciones teóricas, Bergman relaciona la fuerza de los ácidos con la cantidad de cada uno
necesaria para saturar cien partes de base y Kirwan considera que los ácidos son tanto más
fuertes cuanta más base exige una determinada cantidad de ácido para saturarse.
Claude Louis Berthollet (1801) sostiene que las tablas de afinidades eran erróneas en
principio, pues no se tenía en cuenta la cantidad de reactivo. Éste juega un papel importante ya
que una reacción puede invertirse agregando un exceso suficiente de uno de los productos.
Además explicó que el equilibrio del medio se rompe si uno de los cuerpos se elimina a medida
que se forma, por precipitación o volatilización.
Con la Química del siglo XIX, se buscó explicación a estos procesos, por ejemplo,
desde la teoría de la disociación iónica de Arrhenius (1887) se interpreta la diferencia de fuerza
de los ácidos y de las bases según los diferentes grados de disociación. Según esta teoría, se
establece una clasificación absoluta de fuerza de ácidos y de bases. El carácter relativo surge
con la teoría de Brönsted-Lowry (1923), la fuerza de un ácido se mide por la mayor o menor
tendencia a donar un protón y la fuerza de una base por su mayor o menor tendencia a captarlo.
Cuantitativamente se mediría por el grado en que los reaccionantes se convierten en productos,
pero estas medidas son relativas y la única manera de comparar las fuerzas de dos ácidos es
tomando como referencia una misma base, que será el agua para reacciones en disolución
acuosa. El carácter relativo también es considerado por Lux y Flood (1939), al proponer su
teoría de intercambio de iones oxido.
La teoría de Lewis (1923) carece de una escala uniforme con la que medir la fuerza de
los ácidos y de las bases, tal vez sea esta su mayor limitación. Esta dificultad fue resuelta por
Pearson (1963) a través del estudio de los procesos de formación de especies de coordinación
y comparando la estabilidad termodinámica de los complejos hizo una clasificación de los ácidos
y de las bases en "duros" y "blandos" que explicaban su reactividad (Moeller, 1988).
El desarrollo histórico de un concepto (en este caso de la fuerza de los ácidos y de las
bases) surge en nivel macroscópico (a partir de los fenómenos observables, en el contexto
cotidiano) y se desarrolla en la búsqueda de una interpretación teórica (ámbito científico) que
explique los hechos observados. Por este motivo, el desarrollo histórico permite localizar el
origen de las dificultades de aprendizaje de estos contenidos y buscar las posibles estrategias
didácticas para minimizar esos obstáculos. A continuación, exponemos las concepciones
alternativas que manejan los estudiantes de los diferentes niveles educativos.
Concepciones alternativas relacionadas con la fuerza de los ácidos y de las bases
Ross y Munby (1991) destacan que los estudiantes de secundaria consideran que se
desplaza más hidrógeno de un ácido fuerte, al ponerlo en contacto con magnesio, porque el
ácido fuerte contiene más enlaces de hidrógeno que el débil o que todos los ácidos son fuertes,
poderosos y venenosos, y todas las sustancias que queman son ácidos. Nakhleh y Krajcik
(1994) detectan que muchos estudiantes identifican fuerza con daño y reactividad o que
consideran las burbujas que se producen en algunas reacciones como un signo de la fuerza.
Fortman (1994) señala que los estudiantes confunden la concentración de un reactivo en
disolución y la fuerza. Para evitar esta confusión utiliza analogías que le permiten mostrar que una
disolución diluida de un mismo ácido débil tiene un mayor porcentaje de disociación que otra
más concentrada de ese mismo ácido.
De Vos y Pilot (2001) señalan que una de las mayores dificultades de la fuerza de los
ácidos y de las bases se encuentra en que según la teoría de Arrhenius, la fortaleza de los ácidos
y de las bases tiene carácter absoluto mientras que, según la de Brönsted y Lowry depende de
con qué sustancia se la compare (hay que utilizar una sustancia de referencia).
El origen de algunas de las concepciones alternativas descritas parece ser claramente
semántico (fuerza=poderoso, venenoso, reactivo, etc.), sin embargo, hay que indagar más sobre
el origen de otras concepciones. Las que vamos a describir a continuación, detectadas por
nosotros, no tienen un formato claramente semántico pero su origen parece encontrarse en la
indiferenciación entre los significados cotidianos y científico, pues, los estudiantes consideran la
fuerza como propiedad de los ácidos cuyas consecuencias confieren al medio en el que se
encuentran un valor del pH bajo, que las disoluciones tampón dejen de regular, etc. Para llegar a
estos resultados, hemos diseñado una prueba semiabierta de opciones múltiples, teniendo en
cuenta las aportaciones de los autores destacados en los párrafos anteriores, el desarrollo
histórico antes descrito y los contenidos científicos (Jiménez-Liso, 2000). En la prueba se
solicitaba a los alumnos que justificaran su elección para comprobar la seguridad en sus
respuestas y para que pudieran explicitar alguna idea que no estuviera recogida en las diferentes
opciones. La prueba fue aplicada a una muestra de 450 estudiantes universitarios de los cinco
cursos de la Licenciatura de Ciencias Químicas en varias Universidades españolas (curso 9798).
En dicha prueba incluimos varios items relacionados con las teorías ácido-base; la
neutralización; la hidrólisis; etc. También incluimos dos items relacionados con la fuerza de los
ácidos y de las bases: en uno de ellos (F-1) se buscaba saber si los alumnos distinguen entre la
acción de un ácido o de una base sobre el efecto regulador de una disolución tampón, por su
fuerza, por su concentración o, como es el caso, por la cantidad total de equivalentes que
intervienen en el proceso. En el otro ítem (F-2), se aprovecha un fenómeno cotidiano y muy
conocido como es la lluvia ácida para ver si los alumnos atribuyen el valor del pH relativamente
bajo de la lluvia ácida a la fuerza del ácido que lo origina, a la concentración o a su pureza. A
continuación mostramos los dos items utilizados:
F-1. La acción reguladora del pH de una
F-2. Debido a las emisiones de óxidos de
disolución tampón es efectiva siempre que:
azufre y nitrógeno se forman en las nubes los
a) no se añadan ácidos o bases muy
ácidos sulfúrico y nítrico. Al precipitarse las
concentrados,
gotas se produce lo que se conoce con el
b) no se añadan cantidades excesivas de
nombre de “lluvia ácida” que puede tener un
ácidos o bases,
valor del pH igual a 3. Esto se debe a que:
c) no se añadan ácidos o bases muy fuertes,
a) se forman gotitas de los citados ácidos,
d) no se añadan volúmenes elevados de
b) los ácidos formados son fuertes,
ácidos o bases,
c)
e) otra respuesta.
concentrados,
Justifique la respuesta.
d) los ácidos formados están muy diluidos,
los
ácidos
e) otra respuesta.
formados
están
muy
Justifique la respuesta.
En la tabla 1 mostramos los porcentajes de alumnos que eligen cada opción de estos items
(Jiménez-Liso, 2000).
Tabla 1. Porcentajes de alumnos que eligen cada opción (N=450).
Opción
a
b
c
d
Otras
En blanco
F-1
10
28*
28
11
11
10
F-2
14
51
13
10*
5
6
Ítem
(*) Los porcentajes marcados con el asterisco corresponden a los alumnos que aciertan cada
ítem.
Los resultados de ambos items ponen de manifiesto que la mayoría de los alumnos
conceden mayor importancia a la fuerza de los ácidos y de las bases implicados en ambos
procesos, sin considerar otras variables como es la cantidad de ácido o de base presentes. La
fuerza de un ácido o de una base es considerada por los alumnos (51% en el ítem F-2) como la
variable que más incide en la acidez del medio, es decir, ácidos fuertes producen valores del pH
bajos (pH~2) y viceversa, un medio con valor del pH bajo necesariamente tiene que tener
ácidos fuertes. Del ítem F-1 podemos extraer que el 28% de los alumnos universitarios
diagnosticados han elegido la fuerza como la característica de los ácidos y de las bases que
puede hacer que las disoluciones reguladoras dejen de ser efectivas, sin tener en cuenta que se
puede añadir pequeñas cantidades de ácidos fuertes y estas disoluciones sigan regulando el pH.
Las justificaciones de los estudiantes al responder a estos items han sido agrupadas por
similitud, categorizadas y jerarquizadas por la frecuencia de alumnos que las utilizan (JiménezLiso, 2000). Las respuestas abiertas confirman lo indicado en el estudio cuantitativo de las
opciones múltiples:
- Muchos de ellos (20%) explican que un pH "extremo" (pH=3 en el caso de la lluvia
ácida) está únicamente relacionado con la presencia de ácidos (o bases) fuertes
independientemente de la cantidad de éstos que haya. También se muestra la idea de que los
ácidos (o bases) fuertes provocan un descenso (o aumento) brusco del pH del tampón sobre el
que se añaden como si los ácidos fuertes "dieran" o "tuvieran” un pH bajo por ellos mismos,
como si fuera una propiedad: "Porque los fuertes dan un pH por ellos mismos, no influiría
apenas la disolución tampón" (4º curso); "Porque cuanto más fuerte es el ácido, más H+
tenemos y, por tanto, la disolución tampón será menos efectiva" (4º curso).
- Algunos estudiantes diagnosticados (3%) señalan que la adición de ácidos o bases
fuertes "rompen" el equilibrio de la disolución reguladora, mostrando una idea de irreversibilidad
(de total desplazamiento) en los procesos, por ejemplo, se puede añadir ácidos y bases fuertes
siempre que no rompan el equilibrio o que si se añaden cantidades excesivas se rompe la
disolución reguladora, si se añaden cantidades pequeñas el pH varía muy poco (alumnos de
5º y 2º cursos). Las dificultades con los equilibrios también las manifiestan quienes (~1%)
explican que si los ácidos y las bases son fuertes no reaccionan con ninguna especie, por
ejemplo, si los ácidos o bases son muy fuertes estarán totalmente disociados y la base o
ácido conjugado no reaccionará con ninguna otra especie para formar la disolución
tampón (1er curso); si son fuertes no reaccionan (3er curso). Aunque el porcentaje es muy bajo
resulta llamativo que se exponga la idea de que el equilibrio es irreversible y subyace la idea de
que se está confundiendo el concepto de "fuerte" con el de "inerte", es decir, por ser fuerte no
reacciona. Parece lógico pensar que se identifique débil con inerte, sin embargo, sólo hemos
encontrado un alumno de primer curso que lo indique en su justificación: No deben añadirse
ácidos o bases débiles porque si no reaccionarían.
Las tareas propuestas a los estudiantes en la prueba eran del ámbito científico, sin
embargo, las respuestas pueden provenir del ámbito cotidiano, pues la importancia que se le
concede a la fuerza como causante del valor del pH de la lluvia ácida o de la escasez de
efectividad de la regulación de las disoluciones tampón, parecen indicar que los estudiantes
consideran que los ácidos fuertes son poderosos, que reaccionan totalmente, etc.
Análisis de los conceptos utilizados en los mensajes publicitarios
La confusión entre los contextos cotidiano y científico no sólo se pone de manifiesto en
las respuestas de los estudiantes a tareas científicas sino también en la utilización de los
contenidos científicos en el ámbito cotidiano por parte de la publicidad. Algunas de las
concepciones anteriores de los estudiantes universitarios también las hemos detectado en el
análisis de mensajes publicitarios que utilizan los contenidos relacionados con los ácidos y con
las bases como cualidades beneficiosas de los productos que anuncian (Jiménez-Liso y otros,
2000): en la publicidad televisiva del Champú Johnson's pH 5.5 se contrastan algunas
cualidades beneficiosas del champú para el cabello frente a las perjudiciales que producen los
demás champúes. Entre las beneficiosas se cita brillo, fuerza, elasticidad y pelo sano; de
forma contraria, muchos champúes prometen brillo pero el pelo está débil. Para conseguir
que el pelo recobre toda su fuerza y elasticidad se necesita pH natural y las vitaminas del
complejo fortalecedor de los champúes Johnson's pH 5.5. Se está identificando ese valor del
pH con la fuerza que le proporciona al cabello. De igual forma, la cualidad principal destacada
en la publicidad televisiva de la lejía ACE hace referencia a que las lejías "normales" crean un
ácido que puede dañar la ropa mientras que ACE mantiene el nivel de acidez adecuado y
conserva las fibras fuertes y blancas más tiempo; se sugiere, por tanto, que la lejía es ácida y
se destaca que para la ropa "ácido" es igual a "dañino", idea que aparece en diversas campañas
publicitarias como la de la goma de mascar Happydent xylit: Al comer, el pH de la boca
disminuye provocando el riesgo de caries... De esta idea puede inferirse que los alimentos son
ácidos y que éstos son perjudiciales para los dientes.
CONCLUSIONES E IMPLICACIONES PARA LA ENSEÑANZA
El desarrollo histórico del concepto "fuerza de los ácidos y de las bases" permite
anticipar algunas dificultades que pueden tener los estudiantes, como así lo ponen de manifiesto
la coincidencia entre los científicos del siglo XVII (Bergman, Kirwan, etc.) y los estudiantes
universitarios de la identificación de la fuerza con la cantidad de sustancia pero también facilita la
enseñanza al inspirar estrategias de mejora del aprendizaje de este concepto: el desarrollo
empírico de la determinación de la afinidad mediante fenómenos observables como la reacción
de los ácidos con los metales puede ser un primer paso para la construcción de estos conceptos.
La coincidencia entre las concepciones alternativas de los estudiantes, las dificultades
históricas y las ideas puestas en juego por la publicidad dotan a estas ideas de una especial
importancia a la hora de diseñar y planificar la enseñanza de estos conceptos. La investigación
didáctica revisada y comentada brevemente en este trabajo muestra algunas actividades para la
mejora del aprendizaje de la fuerza de los ácidos y de las bases.
La publicidad puede ser el origen o el refuerzo de las concepciones alternativas antes
citadas. En la propuesta de actividades que describimos en un artículo anterior (Jiménez-Liso y
otros, 2000), comentamos la necesidad de diferenciar entre sustancia neutra y sustancia inocua
y, por extensión, que "ácido" no es igual a "dañino". Para ello, proponíamos utilizar la publicidad
como elemento de análisis al mismo tiempo que desarrollar actividades de laboratorio para
comprobar el pH de algunas sustancias que no sean neutras (zumos, refrescos, vinagre,
disolución de aspirina, de NaHCO3) y que no son perjudiciales para el organismo y observar el
pH de algunos alimentos en favor de la idea de que el pH dentro de una gama de valores,
relativamente amplia, no determina el perjuicio (o el beneficio) que puedan hacer sobre el
organismo.
El origen de las concepciones alternativas puede estar en la utilización del término fuerza
y, del mismo modo que se detectan en Física dificultades ocasionadas por las interferencias del
lenguaje cotidiano, en Química puede estar sucediendo algo similar. En posteriores trabajos,
compararemos las concepciones alternativas del término fuerza en el ámbito de la Física con las
aquí descritas para el ámbito de la Química y analizaremos las semejanzas (o diferencias) para
determinar si el origen puede ser la utilización del significado cotidiano en los ámbitos científicos.
Este motivo es suficiente para tener en cuenta las recomendaciones de los autores destacadas al
comienzo de esta comunicación de que los profesores de ciencias pongamos especial cuidado en
el lenguaje, en el significado de los términos y dediquemos parte del tiempo de clase para
desarrollar actividades sobre el lenguaje y la comunicación en ciencias.
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