didÁctica de la quÍmica universitaria · química, sustancia y reacción química 2 presentaciÓn...

Silvia Bello GarcésCoordinadora

Primera edición 2016 © D.R. Universidad Nacional Autónoma de México.Ciudad Universitaria, Delegación Coyoacán, C.P. 04510, Ciudad de México.

Responsable editorial: Lic. Brenda Álvarez Carreño.Diseño de portada: DG Norma Castillo Velázquez.

Diseño de interiores: Maricela Hernández Casasola. Hecho en México. Prohibida la reproducción total o parcial por cualquier medio,

sin la autorización escrita del titular de los derechos patrimoniales.ISBN: 978-607-02-8114-3

PROYECTO PAPIME PE201409

DIDÁCTICA DE LAQUÍMICA UNIVERSITARIA

Unidades didácticasen temas torales de la

Química

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE QUÍMICA

Química, sustancia y reacción químicaAndoni Garritz Ruiz y Plinio Jesús Sosa Fernández

CAPÍ

TULO

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Química, sustancia y reacción química

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PRESENTACIÓN

No cabe duda de que dos conceptos clave de la Química son los de «sustancia» y «reacción química». En esta unidad didáctica se pretende acercar a los estudiantes de primer semestre de la licenciatura a ambos. Para ello se busca que propongan definiciones de los mismos y que se conduzcan hacia lo que significa hacer una defini-ción y, con ello, modelar los dos conceptos e igualmente que arriben a una definición y un modelo de la ciencia «química». De esta manera, se emplearán como estrategias didácticas tanto el «definir» como el «modelar». Es decir, se buscará que los alumnos se ayuden a definir estos conceptos y que se conduzcan hacia lo que significa hacer una definición de los mismos y, con ello, modelarlos.

Se buscarán diversas definiciones de nuestra ciencia hasta llegar a la conclusión que la que maneje ambos con-ceptos clave es una definición mejor. Se pone énfasis en la narrativa histórica para que los estudiantes capten la naturaleza de la ciencia, es decir, cómo es que fueron construidos estos conceptos a lo largo del tiempo (Garritz, 2010).

La razón de la selección de estos dos conceptos se basa en las múltiples concepciones alternativas que nuestros estudiantes traen al curso sobre este par de conceptos clave (Andersson, 1990; Johnson, 1996; 2000; Ahtee & Varjola, 1998), así como la problemática de su aprendizaje (Azcona, Furió Intxausti y Álvarez 2004; Furió-Mas y Domínguez-Sales, 2007), cuestiones que han sido consideradas para el diseño de nuestra unidad. Un trabajo sobre una secuencia del concepto de sustancia apreció recientemente en la literatura (Furió-Mas, Domínguez-Sales y Guisasola, 2012).

La correspondiente razón para la selección de estas dos estrategias, es que corresponden a competencias esen-ciales para el trabajo científico. Desde el punto de vista filosófico también se da la discusión sobre cuál de estos dos conceptos debe introducirse primero según la epistemología de la Química (Schummer, 2004).

Según Alex H. Johnstone (1993), un químico escocés, en el estudio de la Química es necesario destacar, al menos, tres niveles de representación: 1) macroscrópico (molar o sensorial), 2) submicroscópico (partículas) y 3) simbólico (ecuaciones, fórmulas). Con el perdón de Johnstone, se hará referencia al segundo como nivel nanoscópico, en lugar de submicroscópico, por tratarse de entidades (átomos, moléculas, iones) cuyos tamaños suelen expresarse en nanómetros (1 × 10-9 m). En esta unidad didáctica se desarrollan los dos primeros niveles para los dos conceptos. Se cierra la unidad con una discusión acerca de la definición del concepto global de «Química».

Esta unidad se ubicó también dentro del proyecto internacional de investigación Enseñanza y Aprendizaje sobre la Naturaleza de la Ciencia y Tecnología (EANCYT): Una Investigación Experimental y Longitudinal, coordinado por Ángel Vázquez-Alonso de la Universidad de las Islas Baleares, España, con la participación de investigadores de siete países: Argentina, Brasil, Colombia, España, México, Panamá y Portugal. Parte de su contenido se plas-mó en un artículo de los propios autores (Raviolo, Garritz y Sosa, 2011).


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UBICACIÓN DEL TEMA Y CONTENIDOS CURRICULARES

} Asignatura:

Química General I

} Objetivos de la asignatura:

� Introducir a los estudiantes a los contenidos conceptuales, procedimentales y actitudinales de la Química General, que les servirán de base para comprender y profundizar en los diversos temas más complejos de las ramas de la Química.

� Concientizar a los estudiantes de la utilidad e importancia de la Química en la vida diaria.

� Que los estudiantes valoren la Química como medio para resolver problemas industriales, ambientales, alimentarios, médicos, económicos, legales, etcétera.

� Relacionar las transformaciones de la materia con la tecnología y su impacto en la sociedad.

� A través del laboratorio, se fomentará el trabajo en equipo, la resolución de problemas abiertos, el respeto al medio ambiente y la integración teoría-práctica.

} Objetivos de la unidad didáctica (demanda de aprendizaje):

Ejercitar lo que significa definir, a través de tres conceptos clave de la disciplina:

a) Química,

b) sustancia y

c) reacción química.

Darse cuenta de la relación entre definir y modelar.

Estudiar ejemplos históricos específicos sobre la construcción de esos tres conceptos clave.

} Contenidos temáticos en el programa relacionados con esta Unidad

1. LA MATERIA Y SUS CAMBIOS

1.1 Química, Ciencia, Tecnología y Sociedad. […]

1.4 Composición de la materia (sustancias puras y mezclas). Mezclas homogéneas y heterogéneas. […]

6. REACCIÓN QUÍMICA

6.1 Representación de las reacciones químicas. Simbología.

6.2 Tipos de ecuaciones químicas: iónicas y moleculares.


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CONOCIMIENTOS PREVIOS

Se espera que el estudiante tenga los conocimientos básicos del ciclo de bachillerato, pero no es de preocupar la calidad de ese conocimiento. En particular, en cuanto a contenidos de Química, el alumno debe comprender los conceptos de elemento, compuesto y mezcla, átomo, así como contar con nociones básicas de la nomenclatura química inorgánica, comprender la ley de la conservación de la materia y el modelo cinético molecular.

DEFINIR Y MODELAR «SUSTANCIA» Y «REACCIÓN QUÍMICA»

Éste podría ser el título de esta Unidad.

Vamos a partir de las siguientes definiciones:

«Modelar» “Representar o mostrar ideas y relaciones matemáticas mediante objetos, ilustraciones, gráficas, ecuaciones u otros métodos” (Justi, 2006).

«Modelos» “m, son representaciones, basadas generalmente en analogías, que se construyen contextualizando cierta porción del mundo (M) con un objetivo específico” (Chamizo, 2006; 2007; 2010).

Y de la definición de la Real Academia:

«Definir»: “Fijar con claridad y exactitud la significación de una palabra, enunciando las propiedades que designan unívocamente un objeto, individuo, grupo o idea”.

Debe aclararse que las actividades que se proponen son todas ellas para llevarse a cabo con los estudiantes, a lo largo del curso.

DEFINICIÓN MACROSCÓPICA DE SUSTANCIA

Tres definiciones comunes de sustancia son las siguientes (las dos primeras puede decirse que atienden al nivel macroscópico, pero la tercera, de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada, IUPAC, se sumerge parcial-mente en el nivel nanoscópico):

“Sustancia es una forma de materia que tiene una composición definida (constante) y propiedades distintivas” (Chang, 2007).

“La definición molar estándar de una sustancia como un material que tiene un conjunto fijo y reproducible de propiedades específicas a una dada temperatura y presión” (Jensen, 1998, part II).

“Sustancia química es materia de composición constante, mejor caracterizada por las entidades de las que está compuesta (moléculas, unidades fórmula, átomos). Caracterizada por propiedades físicas como densidad, índi-ce de refracción, conductividad eléctrica, punto de fusión, etc.” (Mcnaught & Wilkinson, 1997).


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Actividad 1. Concepciones previas: ¿Sustancias o mezclas? Elaborar una lista de 10 sustancias.

Llevar a cabo la siguiente dinámica de grupo.

1. Elaborar una lista de diez sustancias.

2. Intercambiar la lista con tu compañera(o) de al lado.

3. Verificar uno a uno los elementos de la lista, que sean, en efecto, una sustancia.

4. Si se trata de una mezcla, calificarla como error.

5. Si es una sustancia, calificarla como acierto.

6. En casos de duda, preguntar a el(la) profesor(a).

7. El(la) profesor(a) explicará para todo el grupo los casos difíciles o interesantes.

8. Después de la discusión plenaria, redactar un texto que explique la diferencia entre sustancia y mezcla.


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Actividad 2. Historia del concepto de «sustancia». Lectura y análisis de textos.

Llevar a cabo la lectura del documento llamado Introducción histórica al concepto de sustancia, donde se habla de Aristóteles, Geoffroy, Boyle y Lavoisier, y después de los científicos que presentaron el «modelo atómico» y el concepto de «estructura química»: Dalton, Couper, Kekulé, Wurtz y Butlerov.

Evaluación actividad 2.

1. Desarrollar una lluvia de ideas con el grupo completo tratando de llegar a los siguientes conceptos clave y a qué científicos se deben:

� El hielo, que podría considerarse una tierra, al ser fundido mediante el calor se vuelve de frío y seco en frío y húmedo, pues se transforma en agua, luego el calor le proporciona también humedad.

� Toda la materia está compuesta de átomos, que son unidades irrompibles, cada uno con cierta masa.

� La afinidad es variable para cada par de sustancias.

� El concepto clave para definir el concepto de sustancia es el de su estructura

� Una sustancia tiene una infinidad de partículas, todas ellas con la misma fórmula.

2. Busca el siguiente artículo de la revista Educación Química: Wisniak, J. (2003a). «Guillaume-François Rouelle», Educ. Quím., 14(4), 240-248. En la página http://educacionquimica.info/, marca la pestaña búsqueda y escoge la búsqueda por volúmenes. Allí señala el volumen XIV y el número 4. Da un clic en la lupa que está bajo este artículo en ese índice, marca finalmente ver PDF:

Rouelle (1703-1770) fue uno de los profesores de Lavoisier. Busca en este artículo su definición de Química y compárala, si es posible, con la que viene allí de George Stahl y con las trabajadas en esta unidad didáctica.

3. En Educación Química busca ahora el siguiente artículo del mismo autor, Wisniak (2003b):

Wisniak, J. (2003). «Louis-Bernard Guyton De Morveau», Educ. Quím. 14(3), 180-190.

Este químico vivió junto a Lavoisier. Relata en un escrito de media cuartilla cómo Guyton De Morveau creía firmemente al principio en la teoría del flogisto, pero cómo fue convencido por Lavoisier y se convir-tió en un defensor de la Química del oxígeno.

4. En la misma revista vas a encontrar este otro artículo de Wisniak (2004) con la biografía de Henry Caven-dish: Wisniak, J. (2004). «Henry Cavendish», Educ. Quím, 15(1), 59-70.

i. Apunta cuáles fueron los mayores descubrimientos de este científico, así como sus aportes y sus descubrimientos críticos para la teoría del flogisto.

ii ¿Qué tan preciso fue al determinar la densidad de la Tierra, comparada con los datos actuales?

5. Ahora baja este otro artículo de Wisniak (2005), ahora sobre Wurtz, quien era el maestro de Archibald Scott Couper, uno de los dos creadores del concepto de estructura de las sustancias: Wisniak, J. (2005). «Charles-Adolphe Wurtz». Educ. Quím., 16(2), 347-359.

Este artículo es del volumen 16:

i. Observa en esa biografía que también fue profesor de los siguientes dos químicos notables: Joseph Achiles Le Bel y Jacobus Henricus van’t Hoff. ¿Qué cuestión descubrieron casi al mismo tiempo estos dos científicos?

ii. ¿Qué se conoce como la reacción de esterificación de Wurtz?


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DEFINICIÓN NANOSCÓPICA DE SUSTANCIA

Hoy se reconocen más de 61 millones de sustancias (ver el contador en la URL de Chemical Abstract Services, http://www.cas.org/, que cambia casi cada segundo). El 2 de febrero de 2013 marcaba poco más de 70 millones 500 mil sustancias, cuando la mire el lector, ya habrá muchas más.

La definición de sustancia de la IUPAC, expresada en la sección ‘Definición macroscópica de sustancia’ de esta unidad didáctica como “materia de composición constante, caracterizada por las entidades que la componen (moléculas, unidades fórmula, átomos)”, relaciona a las sustancias con las partículas que las constituyen y carac-terizan. Para presentar algunos tipos distintos de sustancias (moleculares, covalentes, iónicas y metálicas), que se observan en condiciones ambientales frecuentes, pensamos que resulta conveniente introducir el concepto de partícula representativa de la sustancia y ejemplificarlo:

− En algunos casos el átomo mismo es la partícula representativa de la sustancia que forman, por ejemplo, los gases nobles como el Ar(g) o los sólidos covalentes como el C(s) diamante.

− En otros casos los átomos se encuentran unidos entre sí formando entidades estables que llamamos moléculas, siendo la molécula la partícula representativa de la sustancia que forman, las sustancias moleculares, como por ejemplo: oxígeno O

2(g), yodo I

2(s), agua H

2O(l), glucosa C

6H

12O

6(s).

En otros casos, las partículas representativas de las sustancias son iones, por ejemplo, los sólidos iónicos como: NaCl(s), KNO

3(s), con iones positivos y negativos y los metales, como: Fe(s), Al(s) que están formados por un

mar de electrones que rodea a los iones metálicos. En estos casos se aprecia que las partículas representativas (iones) no coinciden con la representación simbólica de la sustancia o fórmula química.

Hendry (2006) aborda el tema de la naturaleza nano-estructural de las sustancias e igualmente el problema que significó el descubrimiento de los isótopos: ¿es una muestra de cada uno de ellos una sustancia diferente? La IUPAC resolvió que no, que se trataba de la misma sustancia, y reservó una sola casilla en la tabla periódica para cada elemento. No obstante hay ejemplos como el que se relata a continuación que hace pensar sobre el tema: una caja que contiene dos isótopos separados por una pared divisoria se encuentra equilibrada en el filo de una mesa. El isótopo más pesado está en el compartimento justo sobre la mesa, y el ligero en el que está lejos de la misma. Cuando se elimina la separación, el isótopo pesado queda distribuido uniformemente en la caja, con lo cual se perturba el equilibrio mecánico y la caja cae de la mesa. Éste es un ejemplo en el que la no identidad de las sustancias se manifiesta en un cambio mecánico en el mundo, lo cual va contra la decisión de la IUPAC. Por no ir más lejos, los dos isótopos del helio, cuando está en la fase líquida, flota uno 3He sobre el otro 4He por sus diferentes densidades: ¿se trata de la misma sustancia?

Hay autores que afirman que los alumnos desconocen la idea nanoscópica de sustancia como un conjunto de muchísimas partículas todas iguales. Por ello, se ofrecen las siguientes definiciones de sustancia y de mezcla en esta unidad didáctica:

Una sustancia es un tipo de materia homogénea formada por partículas (átomos, moléculas, iones) iguales, en una proporción única.

Una mezcla es materia formada por partículas diferentes, es decir, por partículas de distintas sustancias.

No resulta sencillo distinguir a nivel nanoscópico la diferencia entre sustancia y mezcla. Por ejemplo, cuando se trata el tema de las uniones químicas, se utilizan sustancias como el hierro o el cobre para dar ejemplos de uniones metálicas; pero en aleaciones como el bronce, los átomos de cobre y estaño están unidos también por la unión metálica. Este tipo de materia (aleaciones) es considerado como mezcla; sin embargo, la unión de iones distintos, como el anión cloruro y el catión litio, unidos por la unión iónica constituyen un compuesto, es decir, una sustancia. Este argumento se hace más notable en la estructura de una sal mixta.


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El caso de las aleaciones es un caso particular en el que la composición elemental y la composición sustancial tienen el mismo valor. El criterio de si la composición elemental es fija o variable es el que nos permite distinguir una mezcla de una sustancia. Si la composición es variable, se trata de varias sustancias mezcladas. En cambio, si sólo hay una posible composición se trata de una sustancia. La composición de las aleaciones es variable, la de los compuestos, no.

En algunos casos la proporción única de partículas de la definición de sustancia se corresponde a una sola, es decir, todas las partículas son iguales, por ejemplo el mismo átomo (en gases nobles y sólidos covalentes), la misma molécula (sustancias moleculares), el mismo catión (metales), los mismos catión y anión (redes ióni-cas). En este último caso esta proporción única de partículas puede ser: 1 a 1 (NaCl), 1 a 2 (CaCl

2), 1 a 3 (FeCl

3),

etcétera.

Para definir átomo, molécula e ion podemos tomar las propuestas por Plinio Sosa, uno de los autores de esta unidad, por su sencillez y precisión (Sosa, 2007): un átomo es una partícula mononuclear neutra, una molécula es una partícula polinuclear neutra y un ion es una partícula mono o polinuclear cargada.

El hecho de que estas partículas sean representativas de la sustancia que forman no quiere decir que la partícula posea las propiedades de dicha sustancia. Muchas propiedades van a depender del arreglo o distribución espa-cial que tengan esas partículas y del tipo de fuerzas que las unan. Para las sustancias reticulares (sólidos crista-linos: sus partículas presentan un ordenamiento estricto de largo alcance), se considera que la porción mínima representativa de la estructura de la sustancia (si es cristalina) es la celda unitaria.

Para las sustancias moleculares y gases nobles es posible individualizar partículas libres (moléculas y átomos). También para las reticulares, en condiciones especiales, pueden individualizarse iones para las iónicas y radicales libres para las metálicas y covalentes. Incluso, se ha comprobado la existencia de moléculas de un metal en fase vapor, el Li

2 (moléculas diamagnéticas), también de C

2.

Actividad 3. Qué es y para qué sirve. Tarea a domicilio.

1. Ve la definición de «material» en el glosario. Investiga qué es y para qué sirve cada uno de los siguientes materiales:

a. Acero b. Acetona c. Ácido acético d. Aire

e. Amoniaco f. Azufre g. Benceno h. Cerveza

i. Chapopote j. Cocaína k. Colesterol l. Cortisona

m. Glucosa n. Goma o. Granito p. Hemoglobina

q. Latón r. Leche s. Licra l. Pirita

2. ¿Cuáles de estos «materiales» son una sustancia y cuáles son mezclas?


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Actividad 4. Análisis químico. Dinámica en el aula (o en el laboratorio).

En el aula o el laboratorio:

1. El (la) profesor(a) dará una muestra de algún material a cada equipo.

2. Discutir en equipo si ese material es una sustancia o una mezcla de varias sustancias.

3. Anotar la predicción.

4. Diseñar una estrategia experimental para averiguar si es una mezcla o no.

5. Mostrar el plan de trabajo a el(la) profesor(a).

6. Si el(la) profesor(a) lo autoriza, llevar a cabo el trabajo experimental.

7. Guardar una muestra para llevar a un “Laboratorio Químico” comercial.

8. Acudir a el(la) profesor(a), quien hará las veces de la recepcionista de un “Laboratorio Químico”, y solicitar el análisis químico correspondiente.

9. El(la) profesor(a) dará el resultado.

10. Corroborar si la predicción fue correcta o no.

Actividad 5. Cromatografía en columna. Laboratorio.

1. El(la) profesor(a) proporcionará un líquido colorido.

2. Para averiguar si se trata de una sustancia o de una mezcla de varias sustancias seguir el siguiente pro-cedimiento:

i. Empacar una pipeta Pasteur con gel de sílice (también conocido como sílica gel) (o con alúmina) para formar una pequeña columna cromatográfica.

ii. Colocar una gota del líquido en la parte superior de la columna.

iii. Agregar, por la parte superior de la columna un eluyente y observar si corren dos o más sustancias.

iv. Probar varios eluyentes (disolventes solos o mezclas de disolventes en distintas proporciones.

3. Elaborar un pequeño informe del trabajo experimental realizado.


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Actividad 6. Ejercicios. Dinámica de grupo.

1. Indica cuáles de las siguientes sí son sustancias y cuáles son mezclas:

a) vinagre b) óxido de calcio (cal) c) granito d) ozono e) aire

2. Cuáles son sistemas homogéneos:

a) una cuba con hielo b) un pedazo de madera c) agua de mar

d) oxígeno gaseoso e) aire f) vidrio

g) una caja de cigarros

3. ¿Cuál es la composición elemental de los siguientes compuestos? (darla como un porcentaje en masa):

a) agua b) cloruro de hidrógeno c) sulfuro de hidrógeno

4. ¿Puede construirse una mezcla de alcohol y agua al 50% en masa? ¿Por qué no se puede hacerlo al 99 % de alcohol? ¿O sí?

5. ¿Cuáles de las siguientes sí son propiedades específicas de la fase líquida del compuesto llamado agua?

i. Su temperatura de fusión es de 0°C

ii. Su tensión superficial es de 72.8 dinas/cm a 25°C

iii. Su densidad a 4°C es de 1 g/cm3

iv. Su viscosidad a 20°C es 1.005 x 10-3 kg/(m s)

6. ¿Cómo separaría en sus sustancias constituyentes las siguientes mezclas:

i. Talco y polvo de gis

ii. azúcar y sal mezcladas en grano

iii. alcohol y agua

iv. metanol y éter etílico

DEFINICIÓN MACROSCÓPICA DE REACCIÓN QUÍMICA

Las definiciones clásicas de libros de texto son del tipo (Chang, 2007):

“Es un proceso en el cual una sustancia (o sustancias) cambia(n) para formar una o más sustancias nuevas”.

La definición sugerida por los autores de esta unidad didáctica es muy similar a la anterior:

Una reacción química es un proceso en el cual una sustancia o varias sustancias se forman a partir de otra u otras.

No existe un límite definido entre cambio físico y cambio químico, como tampoco lo hay entre la Física y la Química y, seguramente, entre ellas y otras ciencias. Por ejemplo, y siguiendo a Garritz (1997; 2007),


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la transformación alotrópica del grafito/diamante puede considerarse un cambio químico, dada la transforma-ción enorme del entorno de cada átomo de carbono, ya que a pesar de que ambas especies contienen la mis-ma sustancia (carbono), tienen propiedades físicas diferentes, aunque sus propiedades químicas son similares, como reaccionar con el oxígeno para formar dióxido de carbono. Sin embargo, la vaporización del diamante, que sería un cambio estructural más notable que la transformación alotrópica, se lo considera un cambio físico, en el que se presenta la misma ruptura de los enlaces covalentes.

En los cambios de estado del agua, por ejemplo de sólido a gas, existe un cambio enorme en lo estructural y en las propiedades físicas (como la densidad), y se le considera una transformación física. En cambio, la desnatura-lización de una proteína como la clara de huevo se considera una transformación química; y en ambos casos se ha producido la ruptura de enlaces de hidrógeno, conservando la misma secuencia de átomos unidos por enla-ces covalentes. Estos límites resultan también difusos en transformaciones entre isómeros o entre confórmeros.

Actividad 7. Historia de la reacción química. Lectura y análisis de textos.

Llevar a cabo la lectura del documento llamado Introducción histórica a la reacción química, donde se habla de Becher, Stahl, Scheele, Priestley, Cavendish y Lavoisier.

DEFINICIÓN NANOSCÓPICA DE REACCIÓN QUÍMICA

Son menos frecuentes en los textos las definiciones de reacción química en términos de partículas: “Reacción química es un cambio que implica redistribuciones de electrones y/o átomos para formar productos diferentes de los compuestos de partida” (ACS, 2005). Esta definición recurre a conceptos del nivel nanoscópico, donde los estudiantes tendrían que tener nociones sobre átomos y electrones.

Por su parte, Gillespie et al. (1994; p. 18) definen: “Una reacción química es un proceso en el cual los átomos de las moléculas reactivas se rearreglan hasta formar las moléculas de los productos”.

Cuando la IUPAC define chemical reaction, lo hace de la siguiente forma (McNaught y Wilkinson, 1997), cierta-mente abstracta e inconveniente para la docencia:

Reacción química: Un proceso que resulta en la interconversión de especies químicas. Las reacciones quí-micas pueden ser reacciones elementales o reacciones por pasos (debe hacerse notar que esta definición incluye la interconversión de confórmeros observables experimentalmente). Las reacciones químicas detec-tables normalmente involucran conjuntos de entidades moleculares, como lo indica su definición, aunque es conveniente, conceptualmente, utilizar a menudo el término para cambios que involucran entidades moleculares simples (i.e. ‘sucesos químicos microscópicos’).

Por ello, la definición sugerida por los autores de reacción química en términos nanoscópicos es la siguiente:

En una reacción química hay una redistribución de los átomos o iones, formándose otras estructuras (molécu-las, o redes) diferentes.

Para comprender un tipo de transformación no sólo hay que reconocer qué cambia, sino también qué se man-tiene, qué se conserva. En el cambio químico cambian las sustancias y se conservan los tipos de átomos o elementos. Algunos de los textos mencionan la conservación de la cantidad e identidad de los átomos que par-ticipan en él: “Durante una reacción química los átomos no se crean ni se destruyen, ni cambian su identidad”.


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DEFINICIÓN DE QUÍMICA: ¿SUSTANCIAS VERSUS REACCIONES?

Chemistry is the study of ‘substances and their transformations into other substances’.

Benfey, 1963

Definir lo que estudia la Química representa varios problemas. Uno de ellos es que las definiciones, frecuen-temente, involucran otros conceptos que habría que conocer antes (como materia, sustancia, sistema, trans-formaciones, reacciones, estructura, propiedades, etc.). El otro es a qué aspecto se le presta más atención en Química: a las cosas (las sustancias: sus propiedades, su estructura) o a los procesos (las reacciones). Es decir, ¿la Química es un estudio de cosas estáticas (las sustancias y su estructura, la composición de las mezclas, etc.) o el tiempo sí juega un papel predominante en la esencia de la Química, a través de sus procesos? En este sentido debemos preguntarnos si debemos primero definir sustancia para poder definir entonces qué es una reacción química o es primero la definición de reacción para decir después que algo que tipifica a las sustancias son sus reacciones químicas características.

Schummer (2004) nos habla de las definiciones circulares entre sustancia y reacción química:

¿Es primariamente la Química sobre cosas o sobre procesos, acerca de sustancias químicas o acerca de reacciones químicas? ¿Se define una reacción química por el cambio de ciertas sustancias, o se define a las sustancias por sus reacciones químicas? He argumentado, desde 1996, por un enfoque integrante que combina conceptualmente sustancias y procesos en una red de relaciones dinámicas, tal que sustancias y reactividades se definen mutuamente unas a las otras, tanto a nivel experimental como teórico. (p. 3)

En esta unidad didáctica se toma partido por la posición que defiende que los procesos químicos son el centro de la Química, sin dejar de decir que el aparato conceptual para describir procesos es sorprendentemente po-bre comparado con aquel para describir estructuras. Por eso hemos colocado la definición de química dada por Benfey al inicio de esta sección, a pesar de que también cita el concepto “sustancia”.

Lo anterior lleva a pensar en una estrategia que, de manera integrada y dinámica, se vaya haciendo más com-pleja y retroalimente dichos conceptos, en distintos momentos de la enseñanza.

Son poco frecuentes en los textos las afirmaciones que hacen referencia en la definición de Química a estos dos conceptos centrales: sustancia y reacción química: “La Química estudia las sustancias, su estructura, sus propie-dades y reacciones y las leyes que rigen estas reacciones”. En este sentido, la definición del australiano-británico Ronald Sydney Nyholm es una de nuestra preferencia: “La Química es el estudio integrado de la preparación, propiedades, estructura y reacciones de los elementos y sus compuestos, así como de los sistemas que forman”.

Donde esta definición dice “los elementos y sus compuestos, así como de los sistemas que forman” podría sus-tituirse esta frase por “las sustancias”, para quedarnos con la definición:

La química es el estudio integrado de la preparación, propiedades, estructura y reacciones de las sustancias.

De lo anterior se desprende que la respuesta más general dada por textos y profesores es: “La Química es una ciencia que estudia la materia y sus transformaciones”. Mientras, nosotros sugerimos la definición de Benfey que pone énfasis en las reacciones o la siguiente, que lo hace sobre las sustancias: La Química “estudia la com-posición, estructura y propiedades de las sustancias y las reacciones por las cuales una sustancia se convierte en otra” (Spencer, Bodner & Rickards, 2006, p. 2). En definitiva, se considera esencial que la definición de Química incluya los términos sustancia y reacción química.


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Es necesario asumir como conceptos estructurantes de la Química a los de sustancia y reacción química. Esto deriva en la necesidad de dedicarle más tiempo de enseñanza, por ejemplo, en observaciones de fenómenos cotidianos, en experiencias de separación de mezclas, en identificación de sustancias. Como se trató en este trabajo, ambos conceptos son dependientes entre sí: “Será conveniente estudiar los conceptos de sustancia y reacción química relacionándolos entre sí. Al mismo tiempo, se debe utilizar la teoría atómica para dar una ex-plicación microscópica al comportamiento químico de las sustancias” (Furió & Domínguez, 2007).

Actividad 8. Qué es Química. Dinámica de grupo.

1. En parejas, durante cinco minutos, discutir Qué es Química.

2. Redactar por pareja una definición de Química.

3. Anotar en el cuaderno las primeras 10 palabras que cada quien asocie libremente con la palabra Química.

4. El(la) profesor(a) pedirá a cada estudiante que diga las palabras que anotó.

5. El(la) profesor(a) escribirá las más interesantes en el pizarrón y las discutirá.

6. Elaborar cada quien un mapa conceptual para la Química que incluya entre 10 y 15 conceptos.

7. Entre dichos conceptos tienen que estar: sustancia, reacción química, laboratorio e industria.

8. Otra vez en parejas, redactar una nueva definición de Química.

Actividad 9. Crucigrama. Tarea a domicilio

Elaborar un crucigrama con las siguientes palabras (cuida las definiciones que pongas):

a. Materia b. Material c. Sustancia d. Molécula e. Átomo

f. Ion g. Núcleo h. Electrón i. Protón j. Neutrón

k. Elemento l. Reacción m. Compuesto

Traer a la clase el crucigrama diseñado para el siguiente día y discutir en grupo sobre las definiciones sugeridas para cada una de las palabras planteadas.

Debe aclararse nuevamente que todas las actividades que se proponen son para llevarse a cabo con los estudiantes, a lo largo del curso.


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REFERENCIAS

ACS, American Chemical Society. (2005). Química un proyecto de la ACS. Ed. Reverté: Barcelona.

Ahtee, M., & Varjola, I. (1998). Students’ understanding of chemical reaction. International Journal of Science Education, 20(3), 305–316.

Andersson, B. (1990). Pupils’ conceptions of matter and its transformation, Studies in Science Education, 18, 53-85.

Azcona, R., Furió, C., Intxausti, S. y Álvarez, A. (2004). ¿Es posible aprender los cambios químicos sin compren-der qué es una sustancia? Importancia de los prerrequisitos, Alambique. Didáctica de las Ciencias Experimentales, 40, 7-17.

Benfey, O. T. (1963). Concepts of Time in Chemistry. Journal of Chemical Education, 40(11), 574–577.

Chamizo, J. A. (2006). Los modelos de la Química, Educación Química, 17(4), 476-482.

Chamizo, J. A. (2007). Teaching Modern Chemistry through ‘Recurrent Historical Teaching Models’, Science & Education, 16, 197–216.

Chamizo, J. A. (2010). Una tipología de los modelos para la enseñanza de las ciencias, Revista Eureka sobre En-señanza y Divulgación de la Ciencia, 7(1), 26-41.

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ACTIVIDADES

Núm. Nombre Objetivo Formato

1.

Concepciones previas: ¿Sustancias o mezclas? Elaborar una lista de 10 sustancias

Identificar las concepciones de los estudiantes con relación a «sustancia» y «mezcla», a través de la eleboración de una relación de sustancias.

Presencial

2.Historia de la química. Lectura y análisis de textos

Lectura de un texto de ocho páginas donde se desarrolla la evolución histórica del concepto de «sustancia».

Lectura en casa y discusión en clase. La evaluación es en forma de una tarea para analizar varios textos de biografías históricas

3.Qué es y para qué sirve. Tarea a domicilio

Se trabaja sobre la concepción de la definición de «material» por el estudiante y se contrasta con la del glosario

Se pregunta cuál de los materiales enunciados es una sustancia y cuál es mezcla

4.Análisis químico. Dinámica en el aula (o en el laboratorio)

Trabajo en el laboratorio para identificar mezclas o sustancias

Presencial y experimental

5.Cromatografía en columna. Laboratorio

Trabajo en el laboratorio para montar un experimento de cromatografía en columna para separar los componentes de una mezcla de tinta

Presencial y experimental

6.Ejercicios. Dinámica de grupo

Varios ejercicios para ser realizados y discutidos en la clase

Presencial y foro

7.Historia de la reacción química. Lectura y análisis de textos

Lectura de un texto de nueve páginas donde se desarrolla la evolución histórica del concepto de «reacción química»

Lectura en casa y discusión en clase

8.Qué es química. Dinámica de grupo

Intentar definir qué es «Química», mediante la discusión en un grupo pequeño de estudiantes y, después, con el grupo completo de la clase

Mixto: Presencial y foro

9.Crucigrama. Tarea a domicilio

Elaborar un crucigrama en el que el estudiante debe plasmar definiciones aceptables de algunos conceptos clave sugeridos en el enunciado

Mixto: Presencial y foro


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Introducción histórica al concepto de sustancia

Este estudio histórico empieza con la discusión de los constituyentes básicos de la materia, los cuatro elementos aristotélicos (o principios generales omnipresentes en la naturaleza): tierra, agua, aire y fuego, como combina-ción de cuatro cualidades opuestas: frío y caliente; mojado y seco (ver la Ilustración 1). Aristóteles discutía las propiedades de las sustancias en términos de su composición “elemental”, cómo reaccionaban ante el fuego o el agua. Por ejemplo, el agua, al ser evaporada mediante el calor, se vuelve de fría y húmeda en caliente y húmeda, pues se transforma en aire. Este tipo de análisis se volvió un enfoque coherente y común para comprender el mundo natural. Según el mismo Aristóteles, el movimiento de un cuerpo estaba determinado por el tipo de sus-tancia del que estaba compuesto. Luego, en el siglo XVII, Galileo y Newton rechazaron la doctrina aristotélica, describiendo el movimiento con los parámetros básicos de fuerza y masa.

Ilustración 1. Los cuatro elementos químicos aristotélicos, con sus símbolos, más la combinación de las cuatro cualidades opuestas que los caracterizan: la Tierra tiene características de lo seco y lo frío; el Fuego está entre lo seco y lo cálido; el Aire, entre caliente y húmedo, y el Agua, entre húmedo y frío.

La primera ocasión en que el concepto de «sustancia» fue presentado ante una audiencia científica ocurrió en 1718, cuando Ettiene François Geoffroy (1672-1731) presentó su trabajo en la Real Academia de Ciencia en París (ver la Ilustración 2). Esta tabla, según De Fourcroy (1796, p. 333), sirvió como faro de la Química durante todo el siglo XVIII. La tabla de afinidades (o reactividades) está encabezada por dieciséis ‘sustancias referencia’, con las que sí reaccionan o son afines las sustancias colocadas en la misma columna. Mientras más arriba se ubican en la columna, más afines son con la sustancia de referencia. Por ejemplo, en la sexta columna,


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de derecha a izquierda, está el plomo, que es muy afín con la plata y después con el mercurio, dos metales con los que se alía fácilmente. Los conceptos que utilizó y desarrolló Geoffroy no provinieron de una filosofía natural (Newton), sino de la práctica de las operaciones y experimentos químicos, mediante la sistematización del conocimiento práctico de metalurgistas y farmacéuticos.

Ilustración 2. Geoffroy. Table des différents rapports observés en Chimie entre différentes substances. En la parte baja, el autor señala los significados de los 16 símbolos en la primera fila. En la primera columna de esa descripción: Esprits acides (espíritus ácidos), Acide du sal marine (ácido de sal marina o clorhídrico), acide nitreaux (ácido nítrico), acide vitriolique (ácido sulfúrico), Sel alcali fire (sal alcalina de fuego; carbonato de potasio y de sodio), Sel alcali volatile (sal alcalina volátil; carbonato de amonio). En la segunda columna: Terre absorbante (compuestos de elementos alcalino-térreos), Substances Metalliques (Sustancias Metálicas), Mercure (mercurio), Regule d’Antimoine (antimonio), Or (Oro), Argent (plata). En la tercera: Cuivre (cobre), Fer (hierro), Plomb (plomo), Etain (estaño), Zinc, Pierre calaminaire (carbonato de zinc). Y en la cuarta: Soufre mineral (azufre mineral), Principe huileux ou soufre principe (principio óleo del azufre), Esprit de vinaigre (ácido acético), Eau (agua), Sel (sal), Esprit de vin et Esprits ardents (espíritus ardientes; alcohol etílico y otros compuestos orgánicos volátiles y combustibles).

Fue el irlandés Robert Boyle (1627-1691) quien daría una definición más adecuada de elemento químico (ver la Ilustración 3). Él fue un defensor de la naturaleza corpuscular de la materia y definió « elementos» en su libro Sceptical Chymist (1661) como “ciertos cuerpos primitivos y simples, perfectamente no mezclados, que no están hechos de ningún otro cuerpo y que son los ingredientes de los cuales todos los cuerpos llamados perfectamente mixtos están inmediatamente compuestos y en los cuales pueden ser finalmente resueltos”.1

1 La definición original en inglés es: “certain primitive and simple, or perfectly unmingled bodies; which not being made of any other bodies, or of one another, are the ingredients of which all those called perfectly mixt bodies are immediately compounded, and into which they are ultimately resolved”.


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Ilustración 3. Robert Boyle (1627-1691). Nació en el sureste de Irlanda. Estaba muy interesado en la observación de la naturaleza para llegar a conclusiones sobre el porqué de los fenómenos. Se trató de uno de los primeros científicos que hizo experimentos controlados y que publicó sus trabajos con detalles acerca del procedimiento, aparatos y observaciones. La famosa Ley de Boyle (a temperatura constante los volúmenes y las presiones de los gases son inversamente proporcionales) quizás sea su trabajo más citado. En 1660 fundó, junto con otros 11 científicos, la Real Sociedad Británica, que empezó a delinear las características del trabajo en ciencia. Su famoso libro Sceptical Chymist fue publica-do en 1661.

No obstante, la Química moderna que nace con Lavoisier (ver la Ilustración 4) retoma el tema preguntándose cómo las sustancias interactúan unas con otras para formar nuevos compuestos. Lavoisier logra la primera lista de elementos (a los que llamó ‘sustancias simples’, ver la Ilustración 5), que conduce décadas más tarde a la tabla periódica de Mendeleiev. Además, Lavoisier toma de la Física la noción de la masa y la incorpora dentro de la Química, introduciendo el principio de conservación de la masa en una reacción [aunque se atribuye este principio al trabajo previo de Jean Rey (1583-1645) y de Mikhail Vasilievich Lomonósov (1711-1765)]. De esta manera, empieza a responderse la pregunta ¿qué son las sustancias químicas? Están hechas de elementos. Lo que da lugar a la teoría atómica de Dalton, pero eso tiene que ver más bien con el concepto nanoscópico de sustan-cia, al cual entraremos más adelante.

Ilustración 4. Antoine Laurent Lavoisier, padre de la Química moderna, con su esposa, también química Marie-Anne Pierrette Paulze, en una pintura realizada por Jacques-Louis David en 1788.


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Ilustración 5. Tabla de las sustancias simples de Antoine Laurent Lavoisier, tomada de la página 140 de la traducción mexi-cana de su libro Tratado elemental de chimica, traducido por Vicente Cervantes en 1797 y publicado por el Real Seminario de Minería. Puede verse cómo incluye a la luz y el calor dentro de su lista de elementos.


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Algo de historia adicional del concepto de sustancia, ahora sobre su estructura

Aunque hubo varios intentos para producir teorías atómicas, los químicos reconocemos a John Dalton como el padre de la teoría atómica. Sin embargo, transcurrió todo el siglo XIX con científicos a favor y en contra de esta teoría, hasta la reunión Solvay de 1911, en donde, aparentemente, todos aceptaron el trabajo de Perrin y de Einstein sobre el movimiento browniano, que estableció la existencia innegable de partículas (moléculas com-puestas de átomos de los elementos).

Desde 1858, Couper y Kekulé ya hablaban de las estructuras y de las fórmulas de las sustancias, de sus afini-dades de tipo (un elemento u otro) y de grado (el número de átomos en la fórmula), de la tetravalencia del carbono y de la capacidad de este elemento de enlazarse en cadenas.

Archibald Scott Couper (1858) nos dice al inicio de su único artículo:

El fin de la Química es su teoría. La guía en la investigación química es una teoría. Resulta por tanto de la mayor importancia determinar si las teorías actuales adoptadas por los químicos son adecuadas para la explicación de los fenómenos químicos, o que, al menos, están basadas en principios válidos que permitan regular la investigación científica.

Se dice que por un malentendido con el jefe de su laboratorio, Charles Adolphe Wurtz, Couper publicó su artículo un mes más tarde, con lo cual Kekulé tomó la prioridad de la propuesta de la estructura molecular. Cuando Couper se lo reprochó a Wurtz, éste lo eliminó de su laboratorio. A partir de ese altercado, aunque al poco tiempo Couper recibió un cargo de profesor asistente en Edimburgo, su salud empezó a empeorar y nunca publicó otro trabajo.

Sin embargo, fue Alexander Mikhailovich Butlerov, en 1861, quien menciona que cada sustancia ha de tener una sola fórmula, cuando dice (Larder y Kluge, 1971, p. 291; la mayúscula es de los autores):

Si tratásemos ahora de definir la estructura química de los compuestos tan lejos como sea posible, y fuése-mos exitosos en expresarla en fórmulas, entonces éstas constituirían fórmulas verdaderamente racionales [y]… habría posiblemente sólo UNA de tales fórmulas racionales para cada sustancia. Si para entonces hu-bieran sido derivadas las leyes generales que gobernaran la dependencia de las características químicas de las sustancias con su estructura, tal fórmula expresaría todas esas características.

El par de traductores de Butlerov (Larder y Kluge, 1971, p. 287) mencionan que aquella presentación de But-lerov en el congreso de Speyer, Alemania, del 19 de septiembre de 1861, no fue completamente apreciada por sus coetáneos porque “caía fuera de la corriente principal del pensamiento contemporáneo, ligando la teoría de la valencia con la teoría estructural moderna a través del establecimiento de fórmulas de enlace”.

Al año siguiente, Butlerov publicó su artículo en ruso en la revista de la academia soviética de ciencias: Izdatel’stvo Akademii nauk SSSR, utilizando el término “khimicheskoe stroenie”. En alemán había empleado “chemische Structur” (con “C” en Structur, en lugar de la “k” actual) que significa “estructura química” y ese término fue probablemente utilizado por primera vez en esa ocasión (Hargittai, en línea). Este último autor recuerda que este concepto cumplió 150 años de vida, en 2011.

Theodor Benfey (1958) traduce el discurso de Kekulé de 1890, en el que se celebraba el jubileo de la teoría del benceno. Kekulé hablaba de sus ensoñaciones nanoscópicas de las fórmulas de las sustancias:

Mi concepción en cuanto a la valencia química y la forma de enlace de los átomos –lo que ahora llamamos teoría estructural– surgió durante mi estadía temprana en Londres [como asistente de J. Stenhouse en el Hospital de St Bartholomew’s entre 1854 y 1855].


22

[Allí] residí por un tiempo considerable en Claphan Road en el barrio de Claphan Common. Frecuentemente, sin embargo, pasé mis tardes con mi amigo Hugo Müller en Islington en el extremo opuesto de la metrópoli. Hablábamos de muchas cosas, pero más a menudo de nuestra amada Química. Una agradable noche de verano iba yo regresando en el último autobús, ‘afuera’2, como de costumbre, a través de las desiertas calles de la ciudad, que en otros momentos está tan llena de vida. Caí en una ensoñación [Traümerei] y, hete aquí, ¡que los átomos estaban retozando frente a mis ojos! Siendo que, hasta entonces, cuando esos diminutos seres se me habían aparecido siempre había sido en movimiento; pero hasta ese momento nunca había sido capaz de discernir la naturaleza de su movimiento. No obstante, ahora yo vi cómo, frecuentemente, dos átomos de los más pequeños se unían para formar un par; cómo un átomo más grande abrazaba a los dos pe- queños; cómo átomos aún más grandes todavía sujetaban tres y hasta cuatro de los más pequeños; mientras el conjunto seguía girando en una danza vertiginosa. Vi cómo los más grandes formaban una cadena, arrastran-do a los más pequeños tras ellos, pero en los finales de la cadena. Vi lo que nuestro difunto maestro Kopp, mi altamente honrado profesor y amigo, ha descrito con tal encanto en su ‘Molekular-welt’ [Mundo molecu-lar], pero lo vi mucho antes que él. El grito del chofer: ‘Claphan Road’, me despertó de mi sueño; pero pasé una parte de la noche poniendo al menos en el papel esbozos de estas formas soñadas. Éste fue el origen de la teoría estructural.

2 Debe referirse a la parte superior descubierta de los famosos double-deckers londinenses (desaparecidos en 2005).


23

Introducción histórica a la reacción química

Con relación a la reacción química el antecedente a la Química fundada por Lavoisier fue la Química del flogisto.

La primera persona que, con propiedad, puede decirse que intentó construir una teoría sobre la Química fue Johann Joachim Beccher (1635-1682). Entre la vasta obra de Beccher, la más importante desde el punto de vista químico es Acta laboratorii Chymici Monacensis seu Physica Subterranea, de 1669, que sería posteriormente conocida como Physica Subterranea. La portada y la primera página de esta obra pueden observarse en la Ilustración 6.

a) b)

Ilustración 6. Beccher, J. J., Physica Subterranea, con los fundamentos, documentación y experimentos de G. E. Stahl. a) Portada de la edición de 1733. b) Primera página de la edición de 1659.

Si bien las concepciones de Beccher eran erróneas, su mérito fue el de proponer, en su Physica Subterranea, una teoría química mediante la cual todos los hechos conocidos en este campo se podían conectar y deducir de un conjunto de principios. Sus concepciones acerca de la naturaleza y reactividad de las sustancias fueron adopta-das, y modificadas considerablemente por Georg Ernest Stahl (1660-1734).

El flogisto era considerado como una sustancia hipotética, que representaba la inflamabilidad, según la cual toda sustancia susceptible de sufrir combustión contenía flogisto, y el proceso de combustión consistía básicamente en la pérdida de dicha sustancia. Fue postulada a finales del siglo XVII por los químicos alemanes Johann Joachim Beccher y Georg Ernst Stahl (1660-1734) para explicar el fenómeno de la combustión. Según Stahl, el flogisto era un principio ígneo que formaba parte de las sustancias combustibles. Cuando éstas ardían, el flogisto se desprendía, pasaba a otra sustancia capaz de recogerlo y daba lugar a un movimiento que era el origen del calor y el fuego, observables habitualmente en la combustión. Su gran contribución fue relacionar la combustión con otros procesos como la fermentación o con la calcinación de los metales. Este último fenómeno era conocido desde la antigüedad. Al calentar un metal como el hierro o el plomo se producía una sustancia de aspecto terro-so y sin ninguna de las características metálicas (brillo, ductilidad, maleabilidad) que se denominaba habitual-mente cal metálica, que en la alquimia se denomina sal.

Stahl hizo aportes considerables a las teorías médicas de la época, pero sus concepciones sobre la Química fue-ron trascendentes y, aunque equivocadas, perduraron hasta la mitad del siglo XVIII.


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De los diversos escritos que publicó, el más importante es Fundamenta Chymiæ dogmaticæ et experimentalis. En ella reconoce que todo el mérito de esta obra se debe a su maestro y amigo Beccher. Dividida en dos partes, expone en la primera los conceptos teóricos, mientras que la segunda está dedicada a la práctica química.

Ilustración 7. Stahl, G. E., Fundamenta Chymiæ, 2ª Ed. Nuremberg, (1746).

Ilustración 8. Georg Ernst Stahl y la portada de su obra Opusculum Chymico Physico Medicum.


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Químicos reconocidos como muy competentes, por ejemplo: Carl Wilhelm Scheele (1742-1786), Joseph Priest-ley (1733-1804) y Henry Cavendish (1731-1810) defendieron la teoría del flogisto, por lo cual se piensa hoy que tenía una base cualitativa muy importante para ser considerada como válida.3

Una breve nota biográfica sobre estos tres defensores del flogisto:

� Cavendish en 1766 descubrió las propiedades del hidrógeno. Su trabajo más célebre fue el descubrimien-to de la composición del agua. Afirmaba que “el agua está compuesta por aire deflogistizado (oxígeno) unido al flogisto (hidrógeno)”.

� Priestley es considerado el descubridor del oxígeno, junto con Scheele y Lavoisier. Su abierto apoyo a la Independencia de Estados Unidos, primero, y, posteriormente, con una mayor fuerza, a la Revolución Francesa, le originaron una desconfianza tanto pública como gubernamental. En 1791, una turba furiosa asaltó su residencia de Birmingham y la incendió, obligándolo a huir primero a Londres y luego a los Esta-dos Unidos, a donde emigró en 1794. Pasó los últimos diez años de su vida viviendo en Pensilvania.

� Scheele descubrió otros elementos químicos aparte de oxígeno y nitrógeno, como bario, cloro, magnesio (los tres en 1774), y Molibdeno (en 1778).

Sobre Antoine Laurent Lavoisier nos habla José Ramón Bertomeu4 y nos dice:

Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) es considerado como el autor de un giro copernicano en el devenir de la Química que permitió transformarla en una ciencia moderna. Sin embargo, mucho de lo que se con-sideran las principales aportaciones de Lavoisier, tales como el uso de la balanza, la nueva noción de com-posición química o la interpretación de la combustión, pueden encontrarse en obras de otros autores del siglo XVIII. Lavoisier estudió inicialmente en el Collčge Mazarin donde pudo adquirir una buena formación en matemáticas y física, que complementó con la asistencia a los cursos de física experimental impartidos por Jean-Antoine Nollet (1700-1770), y los de astronomía de Nicolas Louis Lacaille (1713-1762). En 1761, decidió iniciar sus estudios de derecho en la Sorbona, sin por ello dejar de lado su formación científica, que pudo continuar gracias a los cursos de Guillaume François Rouelle5 en el Jardín du Roi. Fue en estos cursos donde Lavoisier debió conocer tanto la teoría del flogisto como los experimentos de Hales sobre Química pneumática. Rouelle era uno de los principales partidarios de la teoría del flogisto en Francia.

Los experimentos de Lavoisier con óxido de mercurio y su visión del oxígeno

Uno de los grandes intereses de la humanidad respecto al mundo natural ha sido el de averiguar de qué están hechas las cosas.

A finales del siglo XVIII, sin los conocimientos ni la tecnología de la actualidad, los científicos utilizaban una estrategia, al mismo tiempo, ingeniosa y rigurosa: primero formaban un compuesto a partir de dos sustancias

3 Scott, John Howe (1952). Qualitative adequacy of phlogiston, Journal of Chemical Education, 29(7), 360-363.4 Bertomeu Sánchez, José Ramón, La revolución Química en la URL http://www.uv.es/bertomeu/revquim/ Último acceso el

7 de junio de 2012. Ver también su libro: Bertomeu Sánchez, José Ramón & García Belmar, Antonio (2006). La revolución química: entre la historia y la memoria, Valencia, España: Universitat de València/Guada Impresores.

5 Wisniak, J. (2003). Guillaume-François Rouelle, Educ. Quím., 14(4), 240-248.


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más simples y, luego, descomponían la sustancia formada para ver si daba lugar a las sustancias originales. Para poder asegurar de qué estaba compuesta cierta sustancia, era necesario haber realizado los dos experimentos: composición y descomposición. En palabras del propio Lavoisier:6

La Química presenta en general dos medios para determinar la naturaleza de las partes constituyentes de un cuerpo, la composición y la descomposición. Cuando, por ejemplo, se combina el agua y el espíritu de vino o alcohol, y a través de esta mezcla, se obtiene el licor que lleva en el comercio por nombre “aguardiente” (eau-de-vie), se debe concluir que el aguardiente está compuesto de alcohol y de agua. Se puede llegar a la misma conclusión mediante la descomposición y, en general, no se alcanza plena satisfacción en química mientras no se ha podido reunir estos dos tipos de pruebas.

Respecto a la idea de que el aire es una mezcla de varias sustancias donde una de ellas es el oxígeno, el experi-mento que Lavoisier realizó fue el siguiente:

Diseñó y construyó un equipo consistente en un horno, un alambique (una especie de matraz de destilación), un baño de mercurio, una campana de vidrio, un barómetro y un termómetro (ver Ilustración 9).

Colocó el alambique dentro del horno y, dentro del alambique, unos 122 g de mercurio. Encendió el fuego del horno y lo mantuvo así durante doce días. A partir del segundo día, aparecieron sobre la superficie del mercurio unas pequeñas laminillas rojas que, durante cuatro o cinco días, aumentaron en número y volumen. Pasado ese tiempo, dejaron de aumentar y permanecieron exactamente en el mismo estado. Al cabo de doce días, viendo que no había más cambios, apagó el fuego y dejó enfriar los recipientes.

Ilustración 9. Cuba hidrargiro-neumática donde Lavoisier hizo los experimentos descritos.

Luego procedió a realizar las mediciones que le interesaban.

� Determinó el volumen del aire adentro del dispositivo.

� Separó y pesó7 las laminillas rojas

6 Lavoisier, Antonie Laurent, Traité élémentaire de chimie, Paris, Cuchet, 1789, Capítulo III: Análisis del aire de la atmósfera.7 Mejor dicho: determinó su masa.


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El volumen del aire había disminuido aproximadamente en una sexta parte. Y la sustancia roja formada pesaba 2.4 g.

Luego probó si las propiedades del aire que quedó seguían siendo las mismas:

El aire que quedó tras esta operación y que había sido reducido a 5/6 de su volumen, por la calcinación del mercurio, no era adecuado ni para la respiración ni para la combustión: los animales que se introdujeron en él murieron en pocos instantes y las llamas se extinguieron rápidamente, como si se las hubiera introducido en agua.

Luego procedió a la descomposición de la sustancia roja. La colocó sobre otro alambique y la calentó. Desapare-ció la sustancia roja y se formaron aproximadamente 2.2 g de mercurio y un gas cuya altura en el recipiente en que se capturó era de unos 20 cm.

Finalmente probó la capacidad de este gas tanto para mantener la combustión como para la respiración de los animales.

Tras pasar una parte de este aire a un tubo de vidrio de una pulgada de diámetro e introducir en él una vela, ésta ofreció un brillo deslumbrante. El carbón en lugar de consumirse lentamente como en el aire ordinario ardía con llama y fuerte decrepitación, a la manera del fósforo, y con una vivacidad de luz que los ojos apenas podían soportarlo.

También volvió a mezclar el aire sobrante del primer experimento con el gas obtenido en el segundo y observó que la mezcla resultante era idéntica “en todo al que existe en la atmósfera y que es adecuado, en la misma me-dida, a la combustión, a la calcinación de los metales y a la respiración de los animales”.

La conclusión de Lavoisier fue la siguiente:

Reflexionando sobre las circunstancias de esta experiencia, se ve que el mercurio al calcinarse absorbe la parte salubre y respirable del aire o, hablando de modo más riguroso, la base de esta parte respirable; que la porción del aire que queda es una especie de mofeta, incapaz de mantener la combustión y la respiración. El aire de la atmósfera está, por lo tanto, compuesto de dos fluidos elásticos de naturaleza diferente y, por decirlo de algún modo, opuesta.

En términos actuales, la explicación es la siguiente:

El aire de nuestra atmósfera es una mezcla de varios gases, pero los que se encuentran en mayor cantidad son el nitrógeno (N

2) y el oxígeno (O

2) en concentraciones aproximadas de 78% y 21%, respectivamente.

En el primer experimento el mercurio, Hg, reacciona con el oxígeno del aire y se forma óxido de mercurio, HgO.

En el segundo experimento, el óxido de mercurio se desestabiliza debido a la acción del calor y se vuelven a formar el mercurio y el oxígeno por separado.

Las reacciones correspondientes son las siguientes:

Composición: 2Hg + O2 g2HgO

Descomposición: 2HgO g2Hg + O2

Y se leen así:

“Dos tantos de mercurio reaccionan con un tanto de oxígeno para obtener dos tantos de óxido de mercurio” y

“Dos tantos de mercurio dan lugar a dos tantos de mercurio y un tanto de oxígeno”.


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El precursor más temprano de la ecuación química moderna es el diagrama de afinidad, introducido al final del siglo XVIII y utilizado para hacer énfasis en las fuerzas o afinidades que compiten entre las partículas en una reacción química dada. Un ejemplo típico tomado del libro Élémens d’histoire naturelle et de chimie de Antoine Fourcroy (de 1789) es presentado por Jensen.8

Louis Jacques Thenard (ver la Ilustración 10) fue contratado en el Collège de France en 1804. Cuatro años antes se había incorporado Nicolas Vauquelin (1763-1829) quien empezó a transformar el espacio ocupado por el falle-cido profesor Jean Darcet (1724-1801), convirtiendo el anfiteatro de medicina en un anfiteatro químico. Allí, Thenard siguió con los cambios, extendiéndolos a toda la planta del edificio e inclusive al primer nivel. El anfiteatro se convirtió en el escenario donde se daban las lecciones, con demostraciones experimentales. Thenard ofrecía en sus cursos tres niveles diferentes de información: descripción, verificación y explicación. Para empezar, ofre-cía una descripción de todos los aspectos relevantes de una sustancia, a lo que denominaba “le exposé [de] tous les faits qui sont connu”. La verificación o “Constater les faits”, comprendía la comprobación experimental de las propiedades físicas y químicas de la sustancia. Para concluir, procedía a la explicación de los fenómenos observados en las demostraciones: la “théorie des faits” ofrecía la explicación de qué sucedía y por qué pasaba bajo ciertas condiciones experimentales. La mayoría de las veces sus explicaciones se basaban en la teoría de las afinidades, un tema en el que los alumnos eran introducidos desde las primeras lecciones (García-Belmar, 2007).9

Ilustración 10. Louis Jacques Thenard (1777-1857). Cortesía de la Biblioteca Interuniversitaria de Medicina, París.

Los experimentos fueron diseñados para apoyar las clases de Thenard y también significaron un entrenamiento sin par de sus “préparateurs”. En ocasiones, fueron el punto de partida de investigaciones relevantes que fueron publicadas en las revistas científicas de la época. En pocas palabras, la enseñanza era la base de la investigación en Thenard.

8 Fourcroy, Antoine-François. (1790). Elements of Natural History and Chemistry, London: Elliot and Kay. Es una traducción de la tercera edición en francés de 1789.La referencia de Jensen es: Jensen, W. B. (2005). The Symbolism of Chemical Equations. Journal of Chemical Education, 82(10), 1461.

9 García Belmar, A. Louis Jacques Thenard’s Chemistry Courses at the Collège de France, 1804-1830, Proceedings of the 6th In-ternational Conference on History of Chemistry, (pp. 137-147) Lovaina, Bélgica, agosto 2007.


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Un caso memorable fue el del alemán Justus von Liebig (1803-1873). La emergencia de nuevos métodos en la en-señanza de la Química se ha mencionado como un asunto personal de este joven químico, quien concibió y montó un método revolucionario basado en la enseñanza en el laboratorio, concebido tradicionalmente como opuesto a la lección tradicional y la experiencia de cátedra. Resulta que Von Liebig fue un alumno de Thenard, Gay-Lussac, Chevreul, y Vauquelin en París en 1822 y, a sus 21 años, en el 24 de mayo de 1824, fue contratado como profesor asistente en la Universidad de Giessen, en Alemania. Interesante este aspecto que no marca a Von Liebig como el creador de la enseñanza basada en el laboratorio, sino en un ejecutor de las enseñanzas de Thenard.

Reat y Munley10 (2008) nos dicen que cuando tenía catorce años le preguntó su instructor en qué estaba pla-neando convertirse; él replicó: “en un químico”. “Esa profesión no existe todavía”, le dijo el instructor, a lo que Von Liebig replicó con una carcajada convulsiva.

La visita a Darmstadt, el pueblo natal de Justus, de un vendedor ambulante fue decisiva en la temprana carrera del joven. Entre otras cosas, el vendedor vendía torpedos potenciados por fulminatos. Después de observar cómo se hacían los fulminatos con materiales fácilmente reconocidos, tales como mercurio, ácido nítrico y alco-hol, pronto Liebig empezó a experimentar por sí mismo y produjo estupendos torpedos que eran vendidos en la tienda de su padre. Cuenta la leyenda que los fulminatos continuaron apareciendo en su vida: una inoportuna explosión de fulminato en su escuela lo condujo a su expulsión del gimnasio; más tarde volaron sus vidrios y las barras de sus ventanas a la calle y sus padres lo llevaron con el apotecario de Heppenheim en un esfuerzo por canalizar sus actividades experimentales hacia una dirección más positiva. En diez meses aprendió todo lo de la apoteca y continuó su estudio de los fulminatos en su tiempo libre. Alguna historia cuenta por ahí que Liebig fue echado de Heppenheim, después de que otra explosión en su ático estremeció fuertemente la casa.

Ese mismo empuje hacia la experimentación lo caracterizó en los años que pasó en Giessen al frente de su la-boratorio, que lo convirtieron en uno de los más influyentes químicos del siglo XIX. Tuvo alumnos de Estados Unidos, de Gran Bretaña y toda Europa, e inclusive un mexicano: Vicente Ortigosa (ver Ilustración 11).

Ilustración 11. El mexicano Vicente Ortigosa, en el laboratorio de Justus von Liebig en Giessen, Alemania, hacia 1842, con las bolas de Geissler en la mano, empleadas para el cuanteo de carbono.

10 Reat, K. y Munley, G. Justus Von Liebig. An Educational Paradox. Documento electrónico que puede consultarse en la URL

http://www.woodrow.org/teachers/ci/1992/Liebig.html. Se consultó por última vez el 7 de junio de 2012.


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Otro ejemplo alemán para recordar es el de Julius Adolph Stoeckhardt (Boeck, 2008),11 no sólo un eminente químico, sino un gran maestro y divulgador de esta ciencia, autor de Schule der Chemie (ver la Ilustración 12a).

La siguiente frase, tomada del artículo sobre Stoeckhardt de Boeck (2008) revela los pensamientos de Ostwald sobre Schule der Chemie:

Pronto aprendí a poner cuidado y fomentarlo como el más grande tesoro que cayó en mis manos hasta ahora. Porque este libro de Química demostró ser una pieza maestra de la instrucción […] Stoeckhardt llenó mi deseo de hacer todos esos excelentes experimentos acerca de los que yo mismo había leído […] con relación a los dispositivos y la habilidad del alumno (en el libro) eran requeridos sólo un poco por el princi-piante, mientras que más tarde era guiado paso a paso con consideración hacia objetivos más complicados. (Ostwald, 1933, pp. 43-44).

Como un ejemplo notable de clasificación de los elementos (en esa ocasión por su tendencia a formar ácidos o bases) se presenta la Ilustración 12b que muestra el “arreglo parabólico de Stoeckhardt”.

Ilustración 12. a) Portada del libro Schule der Chemie, de Stoeckhardt, en su edición de 1863. La primera edición apareció en 1846. (Foto: Cortesía de Gisela Boeck, Universidad de Rostock, Alemania); b) “Arreglo parabólico de Stoeckhardt”. A la derecha están los elementos positivos o primariamente formadores de bases y a la izquierda los negativos o primariamente formadores de ácidos. En la parte baja se encuentran los indecisos.

11 Boeck, G. Celebrating 200 years of Julius Adolph Stoeckhardt, the author of Schule der Chemie. Using history to learn chemistry, Educ. quím., 19(4), 263-270, 2008.

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