TESIS González Felipe.pdf

El Enlace Químico en la Educación
Secundaria. Estrategias didácticas que
permitan superar las dificultades de
aprendizaje.
TESIS DOCTORAL
Presentada por:
María Esther González Felipe
Directores de Tesis
Dra. Ana Vázquez Moliní
Profesor Titular de Universidad
Universidad de Castilla-La Mancha
Dr. Constancio Aguirre Pérez
Profesor Titular de Universidad
Departamentos de Química Física y Pedagogía
Facultad de Educación
Albacete, Julio de 2017
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Glosario de abreviaturas .......................................................................................
Capítulo 1: Presentación y objetivos .........................................................................
1.1 Justificación ..........................................................................................
1.2 Planteamiento del problema ...................................................................
1.3 Objetivos generales .............................................................................
1.4 Estructura de la memoria .....................................................................
Capítulo 2: Fundamentos teóricos ........................................................................
2.1 Fundamentos de la epistemología y de la historia del enlace
químico ...................................................................................................
2.1.1 Evolución histórica del enlace químico ...................................
2.1.2 Epistemología de los modelos de enlace químico ..................
2.1.3 Implicaciones didácticas de la historia y de la
epistemología del enlace químico .............................................
2.2.1 Construcción del conocimiento científico del
estudiante ..................................................................................
2.2.2 Enlace químico y desarrollo cognitivo del alumno .................
2.3 Fundamento de la didáctica de las ciencias .......................................
2.3.1 Dificultades de aprendizaje relacionadas con el enlace
químico ......................................................................................
2.3.2 El concepto de enlace químico en los libros de texto ...........
2.3.3 Las concepciones alternativas de los alumnos .....................
2.3.4 Propuestas didácticas para la enseñanza del enlace
químico ......................................................................................
2.3.4.1 Aprendizaje cooperativo ............................................
2.3.4.2 Enseñanza de las ciencias basada en la
��..................................................................................
2.4 Currículo español .................................................................................
2.4.1 Marco legislativo .......................................................................
2.4.2 Marco legislativo aplicado en la tesis .....................................
2.4.3 Materias impartidas en secundaria con contenidos de
�� .................................................................................................
Capítulo 3: Análisis del tratamiento del enlace químico en los libros de
texto ............................................................................................................................
3.1 Introducción ..............................................................................................
3

�.� �� ......................................

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3.2 Artículo I: Análisis del tratamiento del enlace químico en los
libros de texto ..........................................................................................
Capítulo 4: Análisis de las concepciones alternativas de los alumnos ..............
4.1 Introducción .............................................................................................
4.2 Artículo II: Concepciones alternativas de los alumnos de
�� .......................................
Capítulo 5: Propuesta didáctica para 3º ESO ........................................................
5.1 Introducción .............................................................................................
5.2 Artículo III: Diseño e implementación de una propuesta
didáctica plurimetodológica para introducir el enlace químico en
3º curso de Educación Secundaria Obligatoria (E.S.O.) .....................
5.3 Artículo IV: Motivación de los estudiantes de Educación
Secundaria Obligatoria (E.S.O.) ante el estudio de las
reacciones químicas mediante una secuencia
didáctica plurimetodológica ..................................................................
Capítulo 6: Propuesta didáctica para 1º de bachillerato .......................................
6.1 Introducción .............................................................................................
6.2 Artículo V: Analysis of a New Teaching Approach to teach
�� ..................................
Capítulo 7: Conclusiones finales ..........................................................................
7.1 Conclusiones .......................................................................................
7.2 Limitaciones .........................................................................................
Capítulo 8: Referencias bibliográficas ..................................................................
Capítulo 9: Anexos ....................................................................................................
9.1 Anexo I: Currículo LOMCE .................................................................
9.2 Anexo II: Análisis cualitativo del concepto de enlace químico
en los libros de texto .............................................................................
9.3 Anexo III:Transcripciones de las entrevistas de 4º de ESO 9.4..........
�.� Anexo IV Transcripciones de las entrevistas de 1º de
Bachillerato ..................................................................................................
9.5 Anexo V Carta de envío del artículo II. Revista Eureka sobre
Enseñanza y Divulgación de las Ciencias ............................................
9.6 Anexo VI Ficha de consentimiento de los padres ................................
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9.7 Anexo VII Relación de preguntas correctas respondidas por
los alumnos de 3º ESO ............................................................................
9.8 Anexo VIII Resultados del tratamiento estadístico de los datos
de los alumnos de 3º ESO .....................................................................
9.9 Anexo IX Carta de envío del artículo III. Revista Eureka sobre
Enseñanza y Divulgación de las Ciencias ...........................................
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263
268

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GLOSARIO DE ABREVIATURAS
AC: Aprendizaje cooperativo
CLOA: Combinación Lineal de orbitales Atómicos
CG: Control group
EG: Experimental group
ECBI: Enseñanza de las Ciencias Basada en la Indagación
EN: Electronegatividad
ESO: Educación Secundaria Obligatoria
IBSE: Inquirg Based Science Education
IES: Instituto de Educación Secundaria
GC: Grupo control
GE: Grupo experimental
LO: Learning Objetives
LOMCE: Ley Orgánica para la Mejora de la Calidad Educativa
MC: Mecánica cuántica
NTA: New Teaching Approach
TOM: Teoría de Orbitales Moleculares
SP: Sistema Periódico
SPSS: Software package for Social Sciences
TEV: Teoría de Enlace de Valencia
TTA: Traditional Teaching Approach
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Capítulo 1:
Presentación y
Objetivos
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Presentación y Objetivos
1. PRESENTACIÓN Y OBJETIVOS
1.1 Justificación
La enseñanza de la Química es una tarea compleja, pues es una materia
que suele resultar difícil para los estudiantes, debido al alto nivel de abstracción
que requiere, el uso de un lenguaje específico altamente simbólico, en el que
los tres niveles de representación macroscópico, microscópico y simbólico se
interrelacionan continuamente (Chamizo, 2006). Tras varios años de docencia de
Química en Educación Secundaria, tanto en Educación Secundaria Obligatorio
(E.S.O.) como en Bachillerato, en diferentes Institutos de Enseñanza Secundaria
(I.E.S.) de Castilla-La Mancha, me di cuenta de que la forma en que se introduce
y enseña la Química en estos niveles educativos no es del todo adecuada para
que los alumnos consigan los objetivos propuestos. En general, es una
enseñanza demasiado tradicional, en la que impera la impartición de las clases
teóricas y el seguimiento de un libro de texto. No quiero decir con ello, que la
enseñanza tradicional no sea necesaria, sino que, puede ser complementada
con otros enfoques más motivadores. La lectura de los libros “Comenzando a
aprender Química” de Juan Antonio Llorens Molina (1991) y “Procesos cognitivos
en la comprensión de la Ciencia: Las ideas de los adolescentes sobre la
química” de J. I. Pozo, M. A. Gómez Crespo y M. Limón (1991), me llevó a
plantearme que otra forma de enseñar ciencia era posible y a querer
profundizar en los problemas de la enseñanza/aprendizaje de la Química, y de
sus posibles soluciones mediante la realización de la presente Tesis Doctoral.
La elección del tema sobre el que centrar la investigación no fue fácil, ya que la
Química es una ciencia experimental que impregna multitud de aspectos de
nuestras vidas desde las estrellas, origen de los elementos químicos, hasta la
gran variedad de compuestos químicos que empleamos en nuestro ambiente
cotidiano, como los combustibles, las medicinas, los productos para la
agricultura, los nuevos materiales, etc. El objeto de estudio de la Química, al
igual que el de otras Ciencias Experimentales como la Física o la Biología, es
la materia. Pero lo que diferencia a la Química de éstas, es que relaciona la
composición, propiedades y transformaciones que sufre la materia con las
partículas que la constituyen y las fuerzas que las mantienen unidas. Así el
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currículum de Química de Secundaria, tanto de ESO como de Bachillerato,
incluye una gran variedad de contenidos, desde el estudio de la estructura de la
materia, los principios por los que se rigen los cambios químicos, tanto
termodinámicos como cinéticos, y los distintos tipos de reacciones hasta
contenidos básicos de Química Orgánica.
Me propuse central mi investigación en un concepto básico, que se
iniciará en los primeros años de secundaria y se estudiará en los diferentes
niveles educativos y qué fuera uno de los conceptos fundamentales de la
Química. Después de realizar un estudio del currículum de Química en ESO y
Bachillerato me decide por el concepto de enlace químico.
El concepto de enlace químico es uno de los conceptos estructurantes
de la Química (Gagliardi y Giordan, 1986), que permite entender las
propiedades de los distintos tipos de sustancias, los estados de agregación de
la materia, los procesos que ocurren en el transcurso de las reacciones
químicas, en las que tiene lugar la ruptura y formación de enlaces, los procesos
de disolución, la síntesis de nuevos materiales y multitud de aspectos de la
química como la termodinámica, la cinética y el equilibrio químico. Desde hace
años se viene considerando el concepto de enlace químico crucial a la hora de
desarrollar distintos aspectos de la Química, la Física y la Biología (Solbes y
Vilches, 1991). En palabras de Pauling “El concepto de enlace químico es el
concepto más valioso de la Química” (Pauling, 1992 citado en Alvarado, 2005).
El enlace químico es un concepto que se introduce en los primeros
cursos de la ESO que incluye la concepción de las partículas que constituyen
la materia y de cómo se unen entre sí, para explicar los diferentes estados de
agregación de la materia, hasta los distintos modelos de enlace que permiten
explicar la formación de moléculas, redes cristalinas y estructuras
macroscópicas, y deducir las propiedades de los diferentes tipos de sustancias,
contenidos que se estudian en segundo curso de Bachillerato. Por otra parte, el
concepto de enlace químico es uno de los que presentan mayores dificultades
para los estudiantes ya que se trata de un concepto de elevado grado de
abstracción, no se percibe a través de los sentidos y requiere el uso de
diferentes modelos y teorías según los fenómenos que se quieren explicar. Por
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14
estas mismas razones es también un concepto que resulta complejo de
enseñar a los profesores.
La revisión bibliográfica muestra que existen diversas publicaciones que
tratan sobre las concepciones de los estudiantes sobre el enlace químico en los
diferentes niveles educativos (Özmen, 2004; De Posada, 1999; Riboldi, Pliego
y Odetti, 2004; Erman, 2017) y también hay varias propuestas de diferentes
estrategias de enseñanza-aprendizaje (Levy Nahum, Mamlok-Naaman,
Hofsteint y Taber, 2010; Frailich, Kesner y Hofstein, 2009; Levy Nahun,
Mamlok-Naaman y Hofsteint, 2007). Sin embargo, las diferentes propuestas
didácticas no parecen ser del todo efectivas para lograr el aprendizaje
significativo y modificar las concepciones erróneas de los estudiantes sobre el
enlace químico. Por este motivo, es de gran importancia el desarrollo de
nuevas propuestas de enseñanza.
La realización de la presente Tesis Doctoral pretende llevar a cabo una
investigación profunda del concepto de enlace químico, de las dificultades que
presenta su enseñanza y de cómo se enseña en los distintos niveles
educativos, para basándose en los datos obtenidos, proponer una alternativa
de enseñanza que permitiera a los estudiantes superar las dificultades y llegar
a un aprendizaje significativo enmarcado en el modelo constructivista de
aprendizaje (Ausubel, Novak y Hanesian, 1978) y que les permita comprender
que los distintos modelos de enlace son representaciones mentales creados
por los científicos para interpretar los datos experimentales y predecir el
comportamiento de las sustancias y que estos modelos se modifican y
cambian.
1.2 Planteamiento del Problema
El estudio de la Química pretende conseguir que los alumnos
comprendan el mundo que les rodea y que sean capaces de interpretar los
fenómenos relacionados con la química que ocurren en su vida diaria. Sin
embargo, la Química, como disciplina científica, suele resultar difícil y aburrida
a la mayoría de los estudiantes. La enseñanza de la Química no es sencilla, en
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parte por la propia dificultad de la disciplina y en parte debido a la falta de
motivación de los estudiantes ante su estudio.
La enseñanza de la Química implica trabajar en un plano
fenomenológico, observacional y descriptivo y utilizar representaciones de
entidades no visibles. Conceptos como electrón, molécula, átomo, enlace
químico, transferencia de electrones, etc., son difíciles de asimilar por los
estudiantes ya que están más allá de los sentidos y los estudiantes no tienen
experiencias previas ni cotidianas sobre los mismos. Los alumnos se enfrentan,
en el estudio de esta disciplina, a conceptos nuevos, por lo general que
requieren un alto nivel de abstracción y que además requieren la utilización de
un lenguaje, altamente simbólico, que es desconocido para ellos. El concepto
del enlace químico es uno de los conceptos más difíciles y abstracto al que los
estudiantes tienen que enfrentarse en el estudio de la química. Además, es uno
de los conceptos que se trata a lo largo de los distintos niveles educativos con
distintos grados de profundidad utilizando, para su estudio, distintos modelos
que se van añadiendo y superponiendo a lo largo de los distintos cursos.
El problema de la enseñanza del enlace químico es crucial y debe de ser
abordado desde una perspectiva constructivista que permita al estudiante la
reorganización de su estructura cognitiva y que aporte las herramientas
necesarias para mejorar el proceso de enseñanza-aprendizaje de este
concepto en los distintos niveles educativos.
1.3. Objetivos Generales
El objetivo general que se persigue con esta Tesis Doctoral es contribuir
a mejorar la enseñanza de la Química, concretamente del concepto de enlace
químico, en la educación secundaria.
Este objetivo general se pretende alcanzar a través de los siguientes
objetivos específicos:
1. Realizar una revisión bibliográfica de la evolución histórica y de la
epistemología del concepto de enlace químico.
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2. Analizar el tratamiento dado al concepto de enlace químico por los libros
de texto más frecuentemente utilizados en la enseñanza de la química
en los distintos niveles educativos.
3. Elaborar un cuestionario que permita detectar las ideas previas de los
alumnos relacionadas con el enlace químico.
4. Analizar las ideas previas o concepciones erróneas de los alumnos
relacionadas con el enlace químico
5. Conocer la evolución o persistencia de dichas ideas conforme avanzan
los alumnos en los distintos cursos de la educación secundaria.
6. Diseñar una propuesta didáctica dirigida a los alumnos de 30
de E.S.O.
que permita introducir el concepto de enlace químico
7. Implementar dicha secuencia didáctica y analizar los resultados de dicha
implementación.
8. Analizar la motivación de los estudiantes al emplear dicha propuesta.
9. Diseñar e implementar una propuesta didáctica para el estudio, en
mayor profundidad del enlace químico, para alumnos de 10
de
Bachillerato.
10.Analizar los resultados de la implementación de la propuesta didáctica
desarrollada para 10
de Bachillerato.
11.Extraer implicaciones para la enseñanza del enlace químico.
1.4. Estructura de la Memoria
La presente Memoria de Tesis Doctoral se presenta en la modalidad de
compendio de publicaciones. La Memoria consta de un total de cinco artículos,
dos de ellos publicados en revistas dentro del ámbito de la Didáctica de las
Ciencias Experimentales de la Educación, uno como capítulo de un libro y otros
dos artículos que han sido enviados para su publicación. Los artículos han sido
referenciados con números romanos de I a V.
La presente Memoria está estructura en nueve capítulos.
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17
En el presente capítulo 1, se ha presentado la Justificación del trabajo
realizado, el planteamiento del problema, así como los objetivos que se
pretende alcanzar.
En el capítulo 2, Fundamentos teóricos, se hace una revisión
bibliográfica del estado de la cuestión. En primer lugar se revisa la evolución
histórica del concepto del enlace químico, la epistemología de los modelos de
enlace y las implicaciones didácticas de la historia y la epistemología del enlace
químico. Conocer la historia de la ciencia y su epistemología es fundamental
para comprender los problemas a los que tuvieron que enfrentarse los
científicos y qué solución les dieron. Las investigaciones llevadas a cabo sobre
la utilidad didáctica de la ciencia ponen de relieve que la utilización de distintos
aspectos relacionados con la forma en que se elabora la ciencia, sus avances a
lo largo del tiempo, los cambios de paradigma, la filosofía en las distintas
etapas de construcción, los obstáculos epistemológicos que se han tenido que
superar, los descubrimientos accidentales y su interpretación, etc., contribuyen
de forma relevante no sólo a lograr una adecuada comprensión de la propia
naturaleza de la ciencia, sino también a mejorar y/o clarificar las concepciones
muchas veces distorsionadas que tanto profesores como alumnos tienen de la
misma. De acuerdo con Croft y de Berg (2014) el análisis de la historia de la
ciencia puede ayudar a proponer mejoras en la enseñanza del enlace químico
en la educación secundaria.
Se presenta, así mismo, una revisión bibliográfica de los fundamentos de
la psicología del aprendizaje, con la finalidad de comprender cómo aprende el
alumno y qué factores afectan a la construcción de su conocimiento científico,
así como qué dificultades pueden presentar los alumnos en cuanto al enlace
químico en función de su desarrollo cognitivo. Finalmente, se hace una revisión
bibliográfica de las aportaciones de la didáctica de las ciencias al problema que
nos ocupa, señalando las dificultades de la enseñanza/aprendizaje del
concepto de enlace químico, cómo se presenta este tema en los libros de texto,
las ideas previas de los alumnos y diferentes propuestas didácticas que han
surgido para su enseñanza. Se termina este capítulo con un análisis de las
leyes educativas españolas y que contenidos sobre el enlace químico o
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18
relacionado con el mismo se incluyen en los distintos cursos de educación
secundaria, tanto en la E.S.O. como en el Bachillerato.
Los capítulos 3 a 6 incluyen cada uno de ellos una breve introducción
sobre el trabajo realizado. A continuación, se incluyen el trabajo o trabajos
correspondientes en la forma en que han sido publicados (o enviado para su
publicación) en las revistas científicas. Por tanto, los apartados
correspondientes a materiales y métodos, así como a resultados y discusión
están incluidos en cada uno de los artículos publicados o pendientes de
publicar.
En el capítulo 3, se presenta un estudio sobre el tratamiento dado al
enlace químico, en algunos de los principales libros de texto españoles, de los
distintos niveles educativos. Los libros de texto son el principal recurso utilizado
por el profesorado y pueden ser una buena indicación de la forma en que el
tema del enlace químico es tratado en los distintos cursos. Frecuentemente los
libros de texto presentan conceptos de forma no correcta o incluso de forma
errónea o pueden inducir en los alumnos ideas alternativas por las
explicaciones dadas, ejemplos puestos o imágenes empleadas. Por estos
motivos, hemos considerado conveniente revisar la forma en que el enlace
químico se presenta en los libros de texto de secundaria.
En el capítulo 4, se presenta el estudio realizado sobre las ideas previas
de los alumnos relacionadas con el enlace químico en estudiantes de distintos
cursos de E.S.O. y Bachillerato con el objetivo de conocer que modelos
mentales utilizan en un concepto tan abstracto como el enlace químico y si
dichas ideas evolucionan o permanecen tras el proceso de
enseñanza/aprendizaje.
En el capítulo 5, se presenta una propuesta didáctica dirigida a alumnos
de 30
de E.S.O. para introducir el concepto de enlace químico, surgida desde la
necesidad de interpretar determinados hechos experimentales. Dicha
propuesta se implementa en alumnos de 30
E.S.O. y se analizan sus
resultados. Así mismo se lleva a cabo un estudio sobre cómo afecta, la
propuesta didáctica implementada, en la motivación de los estudiantes para el
estudio del enlace químico.
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19
En el capítulo 6, una vez presentada la propuesta para 30
de E.S.O de
introducción del concepto de enlace químico, se plantea una propuesta
didáctica dirigida a alumnos de 10
de Bachillerato para tratar el enlace químico
en mayor profundidad. Se implementa dicha propuesta y se analizan los
resultados.
El último capítulo de la presente Memoria, capítulo 7, está dirigido a
presentar las conclusiones de los trabajos llevados a cabo y a presentar las
perspectivas de futuro que permitirían ampliar y complementar la investigación
realizada, así como las posibles aplicaciones didácticas de la misma.
En el capítulo 8 de referencias bibliográficas, se incluyen todas las
referencias consultadas a lo largo de la realización de la presente Memoria,
tanto en la Fundamentación teórica de la misma como en los distintos artículos
que la componen. Se han referenciado los diferentes artículos de acuerdo a las
normas (APA).
Finalmente, el capítulo 9 se dedica a los anexos, e incluye todo aquel
material que no se encuentra en los correspondientes artículos, pero que
creemos que puede ayudar en la comprensión de los mismos. Los Anexos
están numerados con números romanos en el orden consecutivo según
aparecen en los distintos capítulos de la presente Memoria.
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21
Capítulo 2:
Fundamentos
teóricos
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22
Fundamentos teóricos
2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
2.1. Fundamentos de la epistemología y la historia del enlace químico
2.1.1 Evolución histórica del enlace químico
Según Fernández González (2000) el saber científico es producto del
saber humano que se produce en un momento histórico determinado y en una
situación social propicia para ello. El enfoque tradicional de la enseñanza de la
ciencia no aporta una comprensión profunda de los conceptos y las teorías
científicas puesto que ofrece una imagen ahistórica de los mismos,
presentándolos fuera de su contexto histórico y social y de la problemática de
la que surgieron. Esto implica que la ciencia se muestra al alumno ya resuelta,
sin plantear problemas. Incluir Historia de la Ciencia a la hora de estudiar los
conceptos químicos permite dar a la enseñanza un enfoque más real y
contribuye a mejorar el proceso de enseñanza-aprendizaje. Para Pedrinacci
(1996) la enseñanza tradicional de la ciencia no dedica mucho tiempo a
estudiar cómo los científicos fueron construyendo la ciencia. La visión
dogmática de la ciencia que poseen muchos estudiantes no es casual. El
mismo Pedrinacci se pregunta ¿Hay mejor forma de evitar una visión
dogmática y acabada de la ciencia que analizar cómo van sustituyéndose unas
teorías a otras, y como las teorías son potenciales?
El estudio de la historia de la ciencia permite que:
• Se tenga una vivencia aproximada de las mismas situaciones y los
mismos problemas que los científicos tuvieron en el desarrollo de sus
investigaciones y de cómo consiguieron superar sus dificultades.
• Se realice una mejor secuenciación de contenidos en el aula, mediante
algunas de las experiencias que permitieron los desarrollos científicos en
cada momento de la historia.
En los libros de texto, por lo general, no se habla apenas de la historia,
salvo alguna referencia a la biografía de los científicos más relevantes, pero
en ningún caso se comenta cual ha sido la evolución de las diferentes teorías,
excepto en algunos temas como el del Sistema Periódico (S.P.) que suele
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23
incluir las distintas propuestas de ordenación de los elementos químicos
anteriores a Mendeléiev. Diversos estudios sobre libros de texto ponen en
evidencia la presentación de los contenidos en un lenguaje
descontextualizado, sin mencionar los diversos paradigmas científicos,
simplemente se aceptan con el fin de poder clarificar conceptos (Chamizo y
Gutiérrez, 2004).
El estudio histórico de la evolución del concepto del enlace químico y de
los distintos modelos empleados nos permitirá proponer una secuencia
didáctica adecuada para una mejor comprensión del enlace químico. A lo largo
de toda la historia se han ido esbozando los modelos que hoy conocemos de
enlace químico.
Alrededor del año 440 a.C. Leucipo de Mileto (Siglo V a.C.) y Demócrito
de Abdera (460 a.C.-370 a.C.) postulan una serie de preceptos sobre partículas
diminutas que teóricamente constituían la materia. A estas partículas las llamaron
átomos (palabra griega que significa “no divisible” En sus ideas sobre el átomo y la
interacción entre ellos se cita lo que quizás es el primer esbozo del concepto de
enlace químico “las diferentes sustancias con sus cualidades distintas están
hechas de átomos con diferentes formas, arreglos y posiciones. Los átomos están
en continuo movimiento en el vacío infinito y colisionan constantemente unos con
otros. Durante estos choques pueden rebotar o pegarse o permanecer juntos
derivado a anzuelos o púas en sus superficies. Así tras los cambios en el mundo
perceptible, se da así un cambio constante que es causado por la combinación y
disociación de los átomos” (Espinoza, 2004).
Las ideas sobre el átomo encontraron fuertes oponentes en Platón (427-
347 a.C.) y en Aristóteles (384-322 a.C.), el más influyente de los filósofos
griegos, que mantenían la teoría de los cuatro elementos. La materia estaba
constituida por cuatro elementos: agua, aire, tierra y fuego. Estos elementos
eran combinaciones de dos pares de propiedades opuestas: frío y calor,
humedad y sequedad.
18

24
Figura 2.1: Los cuatro elementos de los griegos.
Las propiedades opuestas no podían combinarse entre sí. Se forman
cuatro posibles parejas distintas, cada una de las cuales dará origen a un
elemento: calor y sequedad, fuego; calor y humedad, aire; frío y sequedad,
tierra; frío y humedad, agua. Aristóteles supuso la existencia de un quinto
elemento que llamó éter y al que consideró como perfecto, eterno e
incorruptible.
El término afinidad aparece en el siglo XII, según una visión
antropomórfica según la cual los cuerpos se unen entre ellos o bien se
rechazan, debido a “simpatías” o “enemistades”.
Hasta el siglo XVII la preocupación de los científicos era saber de qué
estaba formada la materia y si cambian las propiedades físicas y químicas de
las partículas que constituyen las sustancias cuando se produce una
combinación o descomposición química, y no parecía ser un problema para
ellos como estaban unidas esas partículas entre sí. En el siglo XVII con la
revolución industrial se abandonan prácticamente las teorías Aristotélicas que
durante tantos años habían estado presentes. Descartes (1596-1650) en su
filosofía mecánico-corpuscular lanza la idea de que según la forma que
adopten las partículas constituyentes de las sustancias esto se reflejará en las
propiedades macroscópicas, y concibe que los átomos se mantienen unidos
mediante pequeños ganchos. Es una concepción que mezcla lo macroscópico
con lo microscópico (concepción sustancialista), es decir, iguales propiedades
Tierra
Agua
Aire
Fuego
Frio
Húmedo
Seco
Caliente
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de las partículas que de las sustancias. Robert Boyle (1627-1691), propuso que
partículas diminutas de materia primaria se combinan de diversas maneras
para formar lo que él llamo corpúsculos, y que todos los fenómenos
observables son el resultado del movimiento y reestructuración de los
corpúsculos.
Los historiadores llaman “químicos mecanicistas” a aquellos químicos
que atribuyen a los átomos solo propiedades “primarias” (extensión, forma,
impenetrabilidad y masa) (Bensaude-Vicent y Stengers, 1997). En esta
categoría de “químico mecanicista” podríamos incluir a Nicolás Lemery
(1645-1715) quien formuló una teoría química corpuscular, estrictamente
mecanicista, ya que, según él, todas las sustancias están formadas por
partículas con las mismas propiedades, aunque según el tipo de sustancia,
las partículas tienen formas diferentes y, los procesos químicos son el
resultado de la interacción mecánica entre esas partículas (Sánchez,
Hernández y Perdomo, 2003). La química del siglo XVIII aparece como una
ciencia experimental donde el tratamiento cuantitativo de los resultados es
fundamental. Quedan así experimentalmente establecidas las leyes
ponderales de las reacciones químicas y comienzan los primeros estudios
sobre el enlace químico.
Isaac Newton (1643-1727) en “Query 31” de su Opticks, esbozó su
teoría de enlace al considerar que los átomos se unen entre si por algún tipo de
fuerza. Estas fuerzas, cuando las partículas entran en contacto, son
excesivamente grandes y desaparecen próximas a las partículas (sería lo que
actualmente conocemos como distancia de enlace y que a distancias más
próximas las fuerzas de repulsión aumentan muchísimo y el sistema es
inestable). Se denominó afinidad y no atracción a la tendencia a la unión de
ciertos elementos para formar sustancias compuestas. La noción de afinidad se
usó para distinguir entre uniones físicas y químicas.
Georg Ernst Stahl (1660-1734), médico y químico alemán, considera que
en Química hay que diferenciar la agregación de la unión mixtiva o mixtión.
Esta última es un fenómeno químico, mientras que la agregación es un
fenómeno físico, pues se trata de una unión mecánica. (Bensaude-Vicent y
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26
Stengers, 1997). Stahl utiliza la idea de afinidad y establece que “lo semejante
se une lo semejante”.
Bergman (1735-1784) y Bertholet (1748-1822) a finales del siglo XVIII
atribuye la afinidad química a las fuerzas newtonianas de gravitación universal
Sin embargo este tipo de fuerzas no podía explicar la mayor estabilidad del
agua frente al óxido de mercurio, mucho más pesado.
El conocimiento de la naturaleza eléctrica de la materia cambió la
concepción sobre el enlace químico. Hamphry Davy (1778-1829) fue el que
introdujo las primeras ideas sobre la naturaleza eléctrica del enlace. Encontró
que cuando pasaba una corriente eléctrica a través de algunas sustancias,
estas sustancias se descomponían. La primera descomposición química por
medio de una pila fue llevada a cabo por Nicholson (1753-1815) y Carlisle
(1768-1840), quienes obtuvieron hidrógeno y oxígeno a partir del agua y
descompusieron las soluciones acuosas de una gran variedad de sales. Davy
entendió que la acción de la electrólisis y de la pila era la misma. Por tanto,
propuso que los elementos de un compuesto químico eran sostenidos juntos
por fuerzas eléctricas.
En 1804, John Dalton (1766-1844) expondría su teoría atómica.
Postuló la existencia de átomos como partículas indivisibles en las
reacciones químicas, retomando las ideas de los atomistas griegos, aunque
difieren en su concepción e imagina los átomos enganchados para formar
moléculas.
El descubrimiento en 1877 del electrón por J. J. Thomson (1856-1940)
hizo que los químicos se planteasen el papel del electrón en los enlaces
químicos. En 1812, a raíz de la invención de la pila voltaica, Berzelius (1779-
1848) desarrolló una teoría de combinación química, introduciendo
indirectamente el carácter electropositivo y electronegativo de los átomos
combinantes.
La teoría de valencia, que intenta explicar el número de uniones que un
átomo puede presentar con otros, aplicado fundamentalmente a los
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27
compuestos orgánicos, fue desarrollada a mediados del siglo XIX por
Frankland (1825-1899), Kekulé (1829-1896), Couper (1831-1892), Butlerov
(1828-1886) y Kolbe (1818-1884).
A principios del siglo XX, existe una gran confusión sobre la naturaleza
del enlace químico, pero la descripción del modelo nuclear y de los niveles
electrónicos en la corteza atómica, así como la formulación de una nueva ley
periódica para las propiedades de los elementos químicos basada en la carga
nuclear de los átomos, constituyeron el inicio al estudio de la naturaleza del
enlace químico.
En 1904, J. J. Thomson intento explicar la formación del enlace en
términos de los electrones. Propuso que los electrones se transferían de un
átomo a otro quedando así los átomos cargados con distinta carga que se
atraían para formar un compuesto (Shaik, 2007). Se aceptó esta teoría del
enlace iónico para explicar los enlaces en cualquier tipo de sustancia, incluso
en el caso de moléculas no polares.
En 1916, el químico G.N. Lewis (1875-1946) presentó el modelo de
enlace covalente y desarrolló el concepto de enlace de par de electrones, en el
que dos átomos pueden compartir desde dos hasta seis electrones, formando
el enlace de un solo electrón, enlace simple, enlace doble o enlace triple con el
fin de alcanzar la configuración electrónica de gas noble. En las propias
palabras de Lewis:
“Un electrón puede formar parte de las envolturas de dos átomos
diferentes y no puede decirse que pertenezca a uno simplemente o
exclusivamente”, (Lewis 1916).
Este modelo de enlace covalente fue muy cuestionado por los
químicos de la época ya que no se podía explicar la estabilidad de dos
cargas negativas coexistiendo en una misma región sin experimentar
repulsión. Ese mismo año, Kossel (1853-1921) profundizó en el modelo de
enlace iónico. Lewis y Kossel estructuraron sus modelos de enlace a partir de
la regla de Abegg (1869-1910) conocida como “la ley de Abbeg de la
22

28
valencia y la contravalencia” formulada en 1904 y que establecía que la
diferencia entre el máximo y el mínimo número de oxidación de un
elemento químico es frecuentemente ocho. En 1919, Langmuir (1881-1927)
reúne los dos modelos y establece que hay dos tipos de enlaces: el
covalente y el electrovalente, y admite que los enlaces se forman por
compartir o ceder electrones para construir un “octeto”, siendo esta teoría
una generalización de los trabajos de Kossel y Lewis. Los primeros trabajos
sobre el enlace metálico fueron desarrollados por Drude (1863-1906) y
Lorentz (1853-1928) que propusieron que los metales deberían contener
electrones libres que les permitieran conducir la electricidad. En 1913 Lewis
establece la existencia de tres tipos de enlaces: iónico, covalente y
metálico.
Pero la necesaria profundización llegó a partir de 1927, cuando se
introducen en el pensamiento químico las ideas de la mecánica cuántica
(M.C.) desarrollada por Hund (1986-1997), London (1900-1954) y Heitler
(1904-1981) y que fueron aplicadas al problema del enlace químico (Solbes,
Silvestre y Furió, 2010). En 1926, el físico austríaco Erwin Schrödinger
(1887-1961), publica un artículo donde describe el modelo mecano-cuántico
del átomo, en el que los electrones se concebían como ondas que se
identifican mediante una ecuación de onda. La ecuación de Schrödinger
describe la evolución en el tiempo y en el espacio de dicha onda. Un año más
tarde, el físico alemán W. Heitler (1904-1981) y el físico inglés F. London
(1900-1954), desarrollaron el cálculo mecánico cuántico de la molécula de
hidrógeno, que dio una explicación cuantitativa al enlace químico. Se
demostró que cuando se acercan dos átomos con electrones de spines
opuestos aumenta la densidad de la nube electrónica entre los núcleos
disminuyendo considerablemente la energía del sistema, que se hace así
más estable, lo que explica la formación del enlace. (Solbes et al., 2010).
Sin embargo la resolución exacta de la ecuación de Schrödinger es
imposible para moléculas polielectrónicas, por lo que se utilizaron
diferentes aproximaciones para su resolución. La teoría de enlace de
valencia (TEV) construye la función de onda de la molécula como pares de
electrones localizados entre dos átomos. Slater (1900-1976) y Pauling
23

29
(1901-1994) mejoraron y difundieron esta teoría. Pauling escribió el libro “The
Nature of de Chemical Bond” publicado en 1939. Sobre la base de estos
principios desarrollan la teoría de hibridación de orbitales atómicos que
explica la capacidad de combinación de los átomos y la geometría de las
moléculas.
A pesar de ser aceptada, la TEV, no pudo dar explicación a
determinados hechos experimentales como el paramagnetismo de la
molécula de oxígeno. Este hecho sí pudo ser justificado por la teoría de
orbitales moleculares (TOM) elaborado por R. Mulliken (1896-1986). De
acuerdo a esta teoría los orbitales atómicos al solapar forman orbitales
moleculares, dando un orbital molecular enlazante y otro antienlazante. Los
electrones atómicos se localizan en un conjunto de orbitales moleculares
deslocalizados por toda la molécula que se ocupan de menor a mayor energía
de forma similar a lo que ocurría en los átomos. Por sus estudios ampliando el
conocimiento de los enlaces químicos y la estructura electrónica de las
moléculas, se le concedió el Premio Nobel de Química en 1966. Comienzan a
surgir conceptos nuevos para explicar el enlace químico: orbital molecular,
energía de enlace, distancia internuclear, densidad electrónica y orden de
enlace (Solbes et al., 2010).
Los trabajos de Bloch (1905-1983), Peierls (1907-1995) y Bethe (1906-
2005) allanaron el camino a la teoría de bandas, una extensión de la TOM,
que permite explicar la conducción eléctrica de los sólidos metálicos. El
enlace metálico se considera una extensión del enlace covalente (Kragh,
1999).
En 1929, Lennard-Jones (1894-1954) introdujo el método de
combinación lineal de orbitales atómicos (CLOA), en el que un orbital
molecular se representa por combinación lineal de –n- orbitales atómicos
cada uno multiplicado por su correspondiente coeficiente. Minimizando la
energía total del sistema se obtiene el conjunto de coeficientes apropiado.
Esta aproximación se conoce como el método de Hartree-Fock. Muchos
cálculos cuantitativos en química cuántica moderna usan la TOM o TEV
como punto de partida, aunque existe una tercera aproximación, la teoría
24

30
del funcional de la densidad, desarrollada por Walter Kohn (1923-2016),
“Premio Nobel en Química en el año 1998, por su desarrollo de la teoría
funcional de la densidad, la cual ha revolucionado la comprensión actual de
la estructura electrónica en los átomos con las consiguientes implicaciones
sobre la teoría del enlace” (Espinoza, 2004). La teoría funcional de la
densidad calcula la energía y la distribución electrónica de la molécula
utilizando la función de densidad electrónica en vez de la función de onda y
es empleada para calcular, por ejemplo, “la energía de enlace de las
moléculas químicas y la estructura de bandas de los sólidos en la física”
(Capelle, 2006). Esta nueva teoría abre las puertas a una nueva teoría de
enlace, quizás para volver a romper paradigmas y así superar más
obstáculos epistemológicos, permitiendo a la química avanzar en el
conocimiento de la naturaleza del enlace químico.
En el análisis de las teorías y modelos utilizados a lo largo de la
historia para explicar los átomos y los enlaces vemos como los modelos de
enlace químico va unidos a los distintos modelos atómicos propuestos. En la
tabla 2.1 se muestran los modelos que convivieron en los distintos
momentos.
Tabla 2.1: Modelos y marcos teóricos de átomo y enlace químico
ÁTOMO ENLACE QUÍMICO
Modelo clásico Dalton Átomos enganchados
Modelo precuántico Bohr y Sommerfeld Teoría de Lewis
Modelo cuántico Schrödinger TEV, OM y la teoría de
bandas
25

31
2.1.2. Epistemología de los modelos de enlace químico
En el apartado anterior sobre la evolución histórica del enlace químico
ha quedado demostrada la dificultad intrínseca de este concepto. En este
apartado nos detendremos a presentar una reflexión sobre las implicaciones
epistemológica de los modelos de enlace químico tanto de los diferentes
modelos históricos esbozados en el apartado anterior como de los modelos
utilizados en el proceso de enseñanza. Creemos que los estudiantes presentan
muchas dificultades a la hora de interpretar adecuadamente los distintos
modelos de enlace químico, que se presentan en el proceso de enseñanza-
aprendizaje.
Un modelo es una representación de una idea, objeto o fenómeno que
se construye en un contexto determinado con un objetivo específico
(Chamizo, 2010). La Química es una disciplina en la que se utilizan los
modelos para explicar los datos, predecir y ayudar a comprender el
comportamiento químico de las sustancias. Los químicos utilizan una gran
variedad de modelos para interpretar los enlaces químicos con distintos
dominios de validez. Un modelo será tanto más válido cuando explique un
conjunto más amplio de fenómenos (Dominio de validez de un modelo). Para
determinar el dominio de validez de un modelo hay que tener en cuenta su
coherencia, y simplicidad así como su poder explicativo y predictivo
(Waliser, 1977, citado en Barboux, Chomat, Larcher y Meheut, 1987). Los
modelos utilizados por los científicos suelen presentar un alto nivel de
abstracción.
En la tabla 2.2 se muestran los dominios de validez de los modelos de
enlace vistos en el apartado anterior.
26

32
Tabla 2.2: Relación de los distintos modelos de enlace y sus dominios de validez
MODELOS DE ENLACE DOMINIOS DE VALIDEZ
Leucipo y Demócrito
Daniel Sennert
Robert Boyle
• Cambios químicos como
reorganización de átomos
Newton • Distinción entre elementos y
compuestos
• Afinidad como atracción para
distinguir uniones físicas de
químicas
Hamphry Davy • Fenómenos de electrización y de
electrolisis
John Dalton • Distinción entre elementos y
compuestos
Frankland, Kekule, Couper, Butlerov y
Kolbe
• , Poder combinante por atracción
entre polos opuestos
Lewis • Enlace covalente
• Fenómenos de electrización
• Explicación de propiedades de las
sustancias
Kossel • Enlace iónico
Langmuir • Enlace covalente y electrovalente
• Formación del enlace por
compartir o ceder electrones para
conseguir el octeto
Schrodinger • Explicación de electrones como
ondas de materia
London • Explicación cuantitativa al enlace
químico
Mulliken • Explicación al paramagnetismo de
la molécula de oxígeno
Lennard-Jones • Explicación del enlace covalente
mediante orbitales moleculares
Walter Kohn • Explicación de la distribución
electrónica mediante la función de
densidad, no la función de onda
Para explicar y predecir cómo se unen los átomos, así como las
propiedades que presentan las distintas sustancias, se utilizan los modelos de
enlace, que permiten representar las situaciones en las que al unirse los
átomos maximizan las interacciones atractivas y minimizan las repulsivas. Los
modelos de enlace químico se clasifican en tres grandes tipos: metálico, iónico
y covalente, que representan casos límite de esta situación.
27

33
Figura 2.2: Mapa conceptual de modelos de enlace. Tomado de García-Franco et al., 2008
Para el enlace metálico existen dos modelos: el modelo del mar de
electrones y la teoría de bandas. El modelo del mar de electrones es un modelo
sencillo que se utiliza para explicar las propiedades de los metales
maleabilidad, conductividad eléctrica, brillo metálico y densidad. La teoría de
bandas es un modelo que deriva de la TOM y posee un mayor poder
explicativo. Para el enlace iónico hay dos modelos: un modelo electrostático
basado en la estabilidad de la configuración electrónica de la capa completa y
el modelo basado en el cálculo de la fuerzas presentes en las estructuras
reticulares que es más complejo y con más cálculos matemáticos. El primero
es útil para determinados aspectos de las sustancias iónicas como la
estequiometria de los compuestos pero no útil para explicar su estructura. Para
el enlace covalente se han utilizado hasta cuatro modelos diferentes: la regla
del octeto, la TEV, la TOM y la teoría de del campo de ligandos. La regla del
octeto es rudimentaria y permite explicar la estequiometria pero no las
propiedades de los compuestos covalentes. La TEV permite explicar
28

34
propiedades como la electronegatividad y la polaridad de los enlace covalente.
La teoría de orbitales moleculares explica la mayoría de las propiedades de las
sustancias covalente sin modificaciones, sin embargo, es bastante complicado
y abstracto especialmente para compuesto moleculares grandes. La teoría del
campo de ligandos es una teoría desarrollada para interpretar los propiedades
inusuales de los complejos de los metales de transición (Coll y Treagust, 2001).
2.1.3 Implicaciones didácticas de la historia y la epistemología del
enlace químico.
El análisis histórico-epistemológico puede ser de gran ayuda ya que se
ha presentado cierto paralelismo entre determinados conceptos difíciles de
comprender y algunos de los problemas que se presentaron a lo largo de su
construcción en la historia de la ciencia (Furió, Hernández y Harris, 1987).
¿Puede el estudio histórico del desarrollo del concepto de enlace
químico ayudarnos a comprender las dificultades que presentan los estudiantes
a la hora de comprender dicho concepto? Es más, tendríamos que
preguntarnos: ¿Cómo se construyó históricamente el concepto de enlace
químico? ¿Cuáles son las principales ideas y dificultades de los estudiantes de
educación secundaria respecto al concepto de enlace químico? ¿En qué
medida las dificultades que se opusieron a los avances históricos se asemejan
a los principales problemas de comprensión del alumnado respecto a dicho
problema?
Diversas investigaciones (Blanco y Níaz, 1998; Fischler y Lichtfeld, 1992;
Harrison y Treagust, 2000; Kalkanis, Hadzidaki y Stavrou, 2003; Solbes, 1996)
muestran como el aprendizaje sobre enlace químico presenta grandes
dificultades y una proporción alta de estudiantes no consigue una comprensión
adecuada de los aspectos básicos del mismo. La solución a estas dificultades
podría encontrarse recurriendo al análisis histórico en cuanto a las teorías y
modelos más utilizados para explicar los átomos y sus enlaces (Croft y de
Berg, 2014).
29

35
Por ejemplo, la historia del concepto de valencia se inicia con las leyes
de las proporciones definidas y múltiples, a partir de las cuales Thomas
Thomson (1813) pudo concluir que cada elemento tiene un número
característico de puntos de unión, coincidiendo con lo que 40 años después
propuso Frankland (1852) al decir que cada elemento tiene una atomicidad
definida, considerada ésta como la capacidad de combinación de los átomos
de cada elemento. Posteriormente, y gracias a la proposición de los modelos
atómicos se estableció la relación entre los electrones más externos del átomo
y la capacidad de combinación de los mismos, y se propuso como valencia de
un átomo el número de electrones de su capa más externa. Este fue el
concepto de valencia que utilizaron Lewis (1916) y Languimir (1919) para
desarrollar sus teorías del enlace químico, y que permaneció hasta cuando
Limus Pauling (1932) lo explicó mediante la MC.
Los estudios histórico-epistemológicos pueden proporcionar las bases
para entender los procesos de aprendizaje de las ciencias, ya que permiten:
a) Identificar los cambios conceptuales y los obstáculos epistemológicos
presentados en la construcción de los conceptos.
b) Definir los conceptos estructurantes que pueden favorecer la superación
de obstáculos conceptuales en los alumnos.
c) Presentar en las clases de ciencias argumentos que posibiliten
discusiones sobre la producción, la apropiación y el control de los
conocimientos en el ámbito social e individual, aspectos que se han
convertido en referencia obligada en el profesorado para privilegiar la
construcción del conocimiento de los estudiantes.
Por tanto, se pueden registrar algunas semejanzas entre problemas
encontrados en modelos históricos anteriores y las dificultades de los
estudiantes. Por consiguiente; existe una relación fructífera entre la psicología
del aprendizaje y la epistemología de la ciencia, no sólo para idear estrategias
didácticas sino también para secuenciar contenidos y actividades en el proceso
de enseñanza-aprendizaje de las ciencias. Seguir el devenir de los problemas
30

36
históricos nos va a permitir avanzar hipótesis didácticas sobre posibles
dificultades de aprendizaje.
A lo largo de la historia, algunos modelos y teorías se han ido
modificando para poder interpretar los nuevos datos experimentales que se
iban obteniendo, tal es el caso de la modificación del modelo atómico de Bohr
para dar lugar al modelo de Sommerfeld que amplió las orbitas circulares a
orbitas elípticas que explicaba el desdoblamiento de las líneas del espectro del
átomo de hidrógeno. En otros casos los nuevos modelos han supuesto un
verdadero cambio de paradigma, que ha requerido mucho tiempo su
aceptación por parte de toda la comunidad científica. La teoría de Bohr, incluso
con el perfeccionamiento de Sommerfeld sólo podía aplicarse al átomo de
hidrógeno o átomos hidrogenoides, fue necesario un verdadero cambio de
paradigma con la MC para poder interpretar los espectros atómicos de los
distintos átomos. El proceso de construcción de conocimiento por parte del
alumno puede igualmente suponer una adaptación o modificación de sus ideas
previas, se produce entonces lo que se conoce como un proceso de “captura
conceptual”, o bien consistir en un cambio total de sus ideas previas por
aquellas que son científicamente más correctas, en cuyo caso hablamos de un
proceso de “cambio conceptual”, lo que requiere mucho tiempo y puede
explicar la gran dificultad de los alumnos para la comprensión de los nuevos
conceptos (Cubero, 1997). Esta idea debe reflejarse a la hora de diseñar el
currículum de ciencias, puesto que para que realmente se produzca un
aprendizaje significativo los contenidos más difíciles para los alumnos, como
los relacionados con el enlace químico, deben tratarse dentro de un currículum
vertical a lo largo de los diferentes cursos. Por otro lado, de acuerdo con
Mortimer (Mortimer, 1995) la secuenciación de contenidos es interesante que
se base en la fundamentación epistemológica de la ciencia a enseñar.
La enseñanza tradicional, la mayor parte de las veces, se limita a dar las
definiciones de los conceptos científicos sin más, y a la realización de ejercicios
o al seguimiento más o menos mecánico de guías para las prácticas de
laboratorio.
31

37
Diversos trabajos sobre textos de enseñanza (Cuéllar Fernández, 2004;
García Torres, 2004; Camacho González 2005) confirman que los libros de
texto transmiten una enseñanza limitada a las definiciones y al uso de
algoritmos. Los libros de texto atribuyen poca importancia a la historia de las
ciencias y no hace objeto de trabajo en el aula las correspondientes teorías o
modelos. La falta de perspectiva histórica en la enseñanza muestra un
aprendizaje deficiente de la misma (Solbes y Traver, 1996). Las teorías y
modelos se muestran como algo cerrado y no conectados con el entorno
cultural, social, político y económico en el que los científicos formularon un
modelo y se olvida que las teorías no nacen completas en la mente de los
“genios” ni son el producto de individuos geniales y aislados (Truesdell, 1975).
Un aspecto que conviene no olvidar en la enseñanza del enlace químico
es el destacado papel que desempeñan los modelos en la interpretación
científica del mismo. En ciencia, los modelos son construcciones humanas que
utilizan los científicos para interpretar los datos experimentales de que
disponen, por lo que cada modelo se ajusta a determinados hechos
experimentales y proporciona una perspectiva de los mismos, es decir, los
modelos son parciales. Los modelos científicos son útiles y prácticos para
determinados objetivos, pero no reproducen la realidad.
La transposición didáctica de los modelos científicos es el proceso
mediante el cual los modelos científicos son convertidos en la ciencia que se
transmite en las instituciones escolares. El análisis de la transposición didáctica
de algunos conceptos científicos (Lombardi, 1997) demuestra la importancia
del conocimiento de la historia de la ciencia.
Podemos distinguir entre modelos didácticos y modelos científicos. Los
modelos didácticos son los modelos que se utilizan en la enseñanza y que
generalmente son simplificaciones de los modelos científicos, realizados
mediante la transposición didáctica (Justi, 2006). Para explicar entidades no
observables como los átomos y el enlace químico muchos profesores y libros
de texto utilizan analogías y modelos, en muchos casos confusos por lo que los
estudiantes utilizan los modelos de manera limitada y frecuentemente creen
que hay una correspondencia 1:1 entre un modelo y la realidad e interpretan el
32

38
modelo como una forma de describir un fenómeno (Coll y Treagust; 2001).
Algunos estudios indican que esta confusión puede deberse a la forma en la
que se introducen los modelos en la enseñanza. Silvestre, Solbes y Furió
(2010) han encontrado en el análisis de libros de texto de ESO y Bachillerato
que muchos textos presentan las aproximaciones de un modelo como una
descripción real y correcta y olvidan que todo modelo tiene sus limitaciones y
es útil en un determinado contexto.
La didáctica de la modelización ha de concebirse como un proceso
mediante el cual el profesor de ciencias introduce en el aula un modelo
científico determinado. Para ello hay que recurrir a la historia de la construcción
y admisión de tal modelo, delimitando conceptual y metodológicamente los
problemas que hicieron necesaria su formulación. También el profesor debe
dar razones didácticas y pedagógicas de por qué mantiene en el aula un
modelo científico que fue abandonado.
Solbes et al. (2010) proponen seguir para la enseñanza de los modelos
del átomo y del enlace una secuenciación histórica más que presentar todos
los modelos en todos los cursos. Así el modelo clásico debería introducirse en
30
de ESO, el precuántico en 40
de ESO y 10
de Bachillerato y el cuántico en 20
de Bachillerato, mostrando en cada curso los límites tanto teóricos como
experimentales de cada modelo. Estos mismos autores señalan que
frecuentemente la presentación de los distintos modelos de enlace impide una
visión unitaria del enlace químico. Esta visión unitaria se podría basar en el
carácter eléctrico de las interacciones entre átomos. Coll y Treagust (2001)
señalan que los estudiantes prefieren los modelos mentales simples para el
enlace químico. Los profesores de ciencias utilizan frecuentemente en sus
clases analogías, es decir modelos analógicos, para generar en sus alumnos
representaciones que posibiliten la construcción del conocimiento (Galagovsky
y Adúriz-Bravo, 2001). Los profesores no suelen ser conscientes de cómo
influyen las representaciones que usan en sus enseñanzas en las dificultades
que presentan los estudiantes para comprender el enlace químico (Bergqvist,
Drechsler y Chang Rundgren, 2016). El modelo didáctico-análogo ha de
constituirse en el mediador entre las concepciones histórico-epistemológicas,
33

39
didácticas y pedagógicas del profesor y las concepciones de los estudiantes
(Gallego Badillo, 2004). Todo lo expuesto anteriormente exige necesariamente
la transposición didáctica o la recontextualización didáctica que introducirá a los
estudiantes en la construcción del modelo científico, evitando simplificaciones
pedagógicas en las que las analogías tergiversan los modelos científicos. El
análogo crea el ambiente, para que los estudiantes elaboren el concepto
científico.
El desarrollo histórico de los conceptos químicos nos indica que han de
introducirse y relacionarse primero desde el punto de vista macroscópico para
que los estudiantes se apropien de referentes empíricos. A partir de aquí, la
enseñanza ha de ayudar a que los estudiantes a emitir hipótesis que expliquen
microscópicamente el comportamiento químico de las sustancias. De esta
forma se favorecerá el establecimiento de relaciones adecuadas entre los
niveles macro y micro de representación y con ello la comprensión de los
cambios químicos de forma parecida a como sucedió históricamente.
2.2. Fundamentos de la psicología del aprendizaje
2.2.1. Construcción del conocimiento científico del estudiante
Las investigaciones en Didáctica de las Ciencias han puesto de
manifiesto que el mejor modelo didáctico para que el alumno adquiera
conocimientos científicos es el modelo constructivista. Este modelo se basa en
la teoría del aprendizaje de Ausubel (Ausubel, Novak y Hanesian, 1983) según
la cual el alumno construye de forma activa sus conocimientos basándose en lo
que ya conoce. Sin embargo, paradójicamente, los alumnos tienden a concebir
el aprendizaje como un proceso pasivo, de acuerdo a un modelo didáctico de
transmisión-recepción, más que como un proceso de construcción de
conocimientos. Muchos alumnos piensan que aprender ciencias es aprender,
fundamentalmente, fórmulas que permiten resolver ejercicios o aprender
hechos y fenómenos que los científicos han ido descubriendo a lo largo del
tiempo (Campanario y Otero, 2000).
34

40
El aprendizaje, de acuerdo con el modelo constructivista, requiere que
se establezcan relaciones entre las ideas previas del alumno con las ideas y
conceptos que se pretenden enseñar. El proceso de aprendizaje es, por tanto,
un proceso de reestructuración de la estructura cognitiva del que aprende en el
que es imprescindible una actividad autoconsciente del sujeto (Riboldi et al.,
2004). Una enseñanza por transmisión, que no tiene en cuenta las ideas
previas de los alumnos, difícilmente va a poder modificarlas. Las ideas previas
son muy difíciles de modificar y frecuentemente los estudiantes mantienen una
doble perspectiva; por un lado, los conocimientos académicos sobre
fenómenos, teorías y leyes que son útiles en “la clase de ciencias” pues
permiten “aprobar los exámenes” y por otro, las ideas que realmente utilizan
para interpretar la realidad y el mundo que les rodea.
Las ideas previas de los alumnos deben ser el punto de partida de todo
proceso de enseñanza y deben tenerse en cuenta, como condición necesaria
aunque no suficiente, para que se produzca un aprendizaje significativo. De
acuerdo con Driver y Scott (1996) una secuencia constructivista de enseñanza
debe comenzar con el explicitación de las ideas previas de los estudiantes,
continuar con diversas actividades que ayuden a reestructurar sus ideas y
finalmente proporcionar oportunidades a los estudiantes para que revisen y
consoliden las nuevas ideas. En la figura 2.3 se representan las fases de esta
estrategia de enseñanza (Garcia-Franco y Garritz, 2006).
4. Consolidación. Aplicación de los modelos construidos
3. Confrontacion de las ideas de los estudiantes
2. Trabajo experimental. Construcción de explicaciones
1. Explicitación de las ideas estudianCles
35

41
Figura 2.3 Fases de una estrategia de enseñanza Modificada de (García-Franco y
Garritz, 2006)
La etapa de explicitación de ideas previas, es fundamental, no solo para
que el profesor conozca cuales son las ideas previas de sus alumnos sino
también para que los alumnos sean conscientes de sus propias ideas y de esta
forma puedan constatar cómo se modifican sus ideas a lo largo del proceso de
enseñanza/aprendizaje. Si el objetivo de esta etapa de explicitación de ideas
previas fuese exclusivamente que el profesor conociese las ideas previas de
sus alumnos, posiblemente un profesor experimentado podría evitar esta etapa
de la estrategia didáctica ya que es sabido, que aun siendo construcciones
personales de los sujetos existen muchas semejanzas entre las ideas que
presentan los alumnos, incluso entre alumnos de distintos países y sistemas
educativos (Campanario y Otero, 2000).
Como hemos indicado anteriormente, no siempre que se incluye la etapa
de explicitación de ideas previas de los alumnos se produce un aprendizaje
significativo, pues ésta es condición necesaria pero no suficiente. Puede ocurrir
que, tras el proceso de enseñanza, las ideas previas de los alumnos queden
inalteradas, o incluso, se refuercen. Para que los alumnos cambien o
modifiquen (captura o cambio conceptual) sus ideas deben de sentir
insatisfacción con ellas, para lo cual es necesario enfrentarles a una situación
de conflicto cognitivo, es decir, plantearles una situación problemática que no
puede ser resuelta con sus ideas. Esta situación de conflicto cognitivo
demanda la búsqueda de soluciones y es el momento en el que el profesor
debe aportar nueva información, introducir las ideas científicamente correctas
de una forma coherente y asequible para el alumno. Para que los estudiantes
consideren la concepción científica deben poderla aplicar, aunque sea de forma
superficial, y deben encontrarle la utilidad pues, en caso contrario, seguirán
manteniendo sus ideas previas. La nueva idea debe de “ser mejor” y más útil
para interpretar sus experiencias que sus ideas previas (Posner, Strike,
Hewson y Gertzog, 1982).
La integración y asimilación de la nuevas ideas requiere varias
actividades de confrontación y reflexión y es un proceso lento que lleva su
tiempo, tal como ha ocurrido a lo largo de la historia de la ciencia que pone de
36

42
manifiesto que la aceptación de los nuevos modelos y teorías por parte de la
comunidad científica ha sido también un proceso largo y tedioso.
Harlen (2007) establece entre las funciones del profesor el ayudar a los
alumnos a desarrollar sus ideas, ampliar sus experiencias, dar nueva
información en forma de ideas alternativas sin presentarlas como “correctas”
sino como más útiles para interpretar los fenómenos o experiencias y
proporcionar al alumnado la oportunidad de revisar sus experiencias anteriores
en relación a la nueva idea.
2.2.2. Enlace químico y desarrollo cognitivo del alumno.
El nivel de desarrollo en el que se encuentran los alumnos en relación
con las habilidades intelectuales necesarias para la comprensión de un tema,
es crucial para saber qué son capaces de hacer y aprender (Sánchez y
Valcárcel, 1993).
El enlace químico se imparte en educación secundaria en los niveles de
3º y 4º de ESO y su estudio se profundiza en 1º y 2º de Bachillerato. En ESO
(14-16 años) el alumno se encuentra en el estado de pensamiento operatorio
concreto. En este nivel de desarrollo nos encontraremos (sobre todo en los
niveles de ESO) que algunos alumnos siguen pensando en una estructura
continua de la materia, sin embargo otros alumnos (principalmente los de
bachillerato) están ya familiarizados con la existencia de átomos y moléculas y
con el concepto de cargas eléctricas (García-Franco y Garritz, 2006). La
mayoría de los alumnos de bachillerato se encuentran en un estadio de
desarrollo cognoscitivo “formal inicial” y “formal avanzado”. El enlace químico
es un tema abstracto. No se puede “ver” un átomo, su estructura o cómo se
une con otro átomo (Galagovsky, Rodríguez, Stamati y Morales, 2003). Muchos
alumnos tienen dificultad en comprender estos conceptos y hay un gran
potencial para la formación de concepciones alternativas (Kim-Chwee y
Treagust, 1999). Por otra parte, la interacción entre los niveles microscópico,
submicroscópico y simbólico (Han y Roth, 2005) es una fuente de dificultad
para muchos estudiantes (Ünal, Calik, Ayas y Coll, 2006). El problema surge
37

43
cuando al alumno se le plantea la relación existente entre el conocimiento
científico y la realidad externa. No comprenden que existen distintos niveles de
representación de la materia: el macroscópico de las sustancias con sus
propiedades, interacciones y cambios; y el microscópico que es el que la
química modeliza a base de átomos, iones o moléculas con sus propiedades.
(Gabel 1996; Treagust, Chittleborough y Mamiola, 2003).
La teoría de Ausubel propone que, para que se pueda producir un
aprendizaje significativo, es necesaria la existencia previa de ideas inclusoras
en las mentes de los alumnos, conceptos más generales deben ser inclusores
de conceptos más específicos (De Posada, 1999). En el tema del enlace
químico, el concepto más general es la estructura de la materia, que es un
concepto abstracto, asociado a un aparato matemático muy complejo que
requiere de un pensamiento lógico y formal que el alumno de 14-16 años no
posee. Esto hace que tanto la enseñanza como el aprendizaje de los modelos
cuánticos (necesarios para la comprensión de los enlaces químicos) tengan un
carácter problemático para profesores y alumnos (Solbes, Calatayud, Climent y
Navarro, 1987). El estudio de la estructura de la materia y de las uniones
químicas conlleva una introducción de conceptos fundamentales de física
cuántica que hace que dificulte el aprendizaje del concepto por parte del
alumno que no posee un pensamiento lógico y formal. Los alumnos de
secundaria y de bachillerato no pueden entender la abstracción de los
conceptos cuánticos (De la Fuente et al., 2003), incluso los alumnos de
Universidad que estudiaron un curso de química cuántica presentan confusión
con estos conceptos (Tsaparlis, 1997; Tsaparlis y Papaphotis, 2002). En ESO
y bachillerato parece más apropiado no utilizar aspectos de la mecánica
cuántica para el tema del enlace químico, sino que todo el análisis científico
debe de basarse en la ley de Coulomb y en un modelo de átomo precuántico
como el de Lewis.
2.3. Fundamentos de la didáctica de las ciencias
2.3.1 Dificultades de aprendizaje relacionadas con el enlace químico
38

44
El enlace químico es una de los conceptos más abstractos y complejos
de la química (Levy et al., 2010), pero al mismo tiempo es un concepto clave en
la enseñanza de la química. Se puede afirmar que el estudio del enlace
químico permite responder a diversas cuestiones como:
• La fórmula química y estequiometría determinada de cada sustancia o
compuesto químico.
• La justificación de las propiedades físicas y químicas de las distintas
sustancias existentes.
• La existencia o no de átomos en estado libre, de moléculas o de
estructuras cristalinas.
• Las clases de uniones que se rompen y se forman entre átomos en el
transcurso de las reacciones químicas
Por tanto, vemos que el enlace químico se encuentra presente en
muchos contenidos de Química siendo imprescindible para la comprensión de
los mismos, incluso lo podemos trasladar a otros campos de la ciencia como la
biología. Según Gagliardi y Giordan (1986) se puede considerar un “concepto
estructurante”.
Al mismo tiempo el concepto de enlace químico puede considerarse
como uno de los conceptos más abstractos y complejos de la Química, en el
que los estudiantes presentan mayores dificultades para su comprensión, tal
como demuestra la gran variedad de errores conceptuales que presentan los
estudiantes.
Las dificultades de aprendizaje pueden deberse a (Caamaño y Oñorbe,
2004):
a) Dificultades intrínsecas y terminológicas de la propia disciplina.
b) Al pensamiento y procesos de razonamiento de los estudiantes.
c) A la forma de enseñanza.
En las tablas 2.3 a 2.5 se señalan las principales dificultades debidas a
cada uno de los aspectos indicados.
39

45
Tabla 2.3: Dificultades de aprendizaje intrínsecas al concepto de enlace químico.
Existencia de tres niveles
descriptivos de la materia
Una de las dificultades conceptuales de la química es la
existencia de tres niveles de descripción de la materia:
macroscópico (observacional), microscópico (atómico-
molecular) y representacional (símbolos, fórmulas,
ecuaciones)
Carácter evolutivo de modelos
y teorías
El uso de modelos y teorías con grados de complejidad
creciente para describir un mismo fenómeno, requiere que
los alumnos realicen procesos de integración y
diferenciación conceptual a lo largo del aprendizaje. Entre
los modelos que obligan a estos procesos son los modelos
de enlace.
Ausencia del término
apropiado para un nivel
estructural determinado
A veces no se dispone de un término adecuado para un
determinado nivel estructural. Para referirnos a la entidad
microscópica representada por la formula NaCl, no
podemos hablar de moléculas como en el caso del agua.
Podríamos decir que se trata del par de iones Na
+
Cl
-
, que
forman parte de la estructura multiiónica del cloruro de
sodio.
Términos con distinto
significado según el contexto
Hay muchos términos cuyo significado varía según el
contexto teórico. Por ejemplo el diferente significado de
fuerzas intermoleculares según se utilice haciendo
referencia a las fuerzas dentro de una macromolécula , o
para referirnos al enlace existente entre moléculas en un
sólido molecular.
Fórmulas con significado
múltiple
Las fórmulas químicas presentan significados muy
diferentes según sean fórmulas empíricas, formulas
moleculares o fórmulas de estructuras gigantes.,
Términos con significado
diferente al de la vida
cotidiana
El término cristal que en la vida cotidiana se refiere al
vidrio, en química hace referencia a una estructura
cristalina.
Uso de códigos
representativos diversos
La diversidad de representaciones que se utilizan (bolas en
contacto, enlaces representados por una raya, modelos de
bolas con palillos, redes cristalinas con varillas, etc.)
pueden presentar dificultades de interpretación.
40

46
Tabla 2.4 Dificultades debidas a la forma de enseñanza (Levy Nahum et al., 2008).
Enlace covalente
versus enlace iónico
Se presentan de forma dicotómica: Compartición/transferencia de
electrones.
Se excluye la realidad de una escala continua covalente-iónica.
Aunque los enlaces covalente puros existen entre átomos
idénticos no sucede lo mismo con los iónicos ya que todos se
encuadran dentro de una escala de diferentes
electronegatividades (EN).
Electronegatividad y
polaridad del enlace
Se explica el concepto sólo en el contexto de la predicción del
carácter polar o apolar del enlace o de su carácter iónico o
covalente.
Se obvia la existencia comprobada experimentalmente de enlaces
de marcado carácter covalente entre átomos con grandes
diferencias en sus EN.
La “regla” del octeto
Relegando su naturaleza meramente algorítmica o instrumental, se
presenta como condición obligatoria para formar enlaces
propiamente dichos y además con carácter “explicativo” de los
mismos.
Enlace metálico
Explicación en función de sus propiedades físicas y químicas
obviando que ésas propiedades no son comunes a todos los
metales existiendo una gran variabilidad en esos parámetros (Tf;
Tb; brillo, conductividad térmica o eléctrica, maleabilidad,
ductilidad, etc.).
Se suele hacer referencia al modelo de “iones flotando en un mar de
electrones” que se presenta como un modelo completamente
diferente al del enlace covalente por “compartición” de electrones,
cuando la realidad también se puede explicar en términos de la
teoría de bandas.
Fuerzas
intermoleculares
Se les presenta como simples “fuerzas” en contraposición al término
de enlace sin tener en cuenta la fuerza relativa de los diferentes
tipos de enlace y su importancia ya que incluso las débiles “fuerzas”
de unión pueden tener importantes consecuencias químicas
(bioquímica).
Se reduce el enlace de H tan sólo cuando se da entre el H y los
átomos de de N, O y F, cuando se pueden dar entre otros átomos o
grupos de átomos.
41

47
Tabla 2.5: Dificultades de aprendizaje debidas al pensamiento y proceso de razonamiento de
los alumnos.
Tendencia a transferir las propiedades
macroscópicas al nivel microscópico
La dureza del diamante se atribuye a la
dureza de los átomos.
Tendencia a dar explicaciones
antropomórficas
Explicar el hecho de que los átomos se unen
porque “quieren” o “necesitan” alcanzar la
configuración de gas noble.
Dificultad de transferir los conceptos a
distintas situaciones
Utilización del concepto de ion sólo al
estudiar los electrolitos, pero no ver su
relación con el enlace iónico en los sólidos..
Modificación de los modelos y construcción
de modelos híbridos
Con frecuencia los alumnos modifican los
modelos que se les presentan para hacerlos
compatibles con sus ideas previas o porque
no comprenden el contexto teórico de cada
modelo y construyen modelos híbridos: por
ejemplo la visión molecular de
representaciones multiiónicas de NaCl como
consecuencia de ver parejas de átomos
dentro de la estructura ininterrumpida de
átomos (modelo híbrido estructura gigante-
estructura molecular)
2.3.2. El concepto de enlace químico en los libros de texto
El análisis de los libros de texto es una herramienta muy útil para
conocer cómo se enseña un determinado tema de Química en la Educación
Secundaria, ya que es el recurso didáctico principal, y en ocasiones el único,
utilizado por el profesorado. Los libros de texto guían al profesorado sobre el
qué, cómo y cuándo enseñar (Bergqvist y Chang Rundgren, 2017). Además, en
los últimos años, han incorporado nuevos recursos como guías y material
informático (Malhue, Moraga y Lazo, 2011) Además, los libros de texto son la
principal fuente de información utilizada por los estudiantes (Sikorova, 2012).
En general los libros de texto de ciencias se estructuran y construyen,
siguiendo tendencias similares, para cumplir las necesidades de la educación
en ciencias, especialmente para ayudar a los estudiantes a tener éxito en los
exámenes. Sin embargo la descripción e interpretación de fenómenos que se
da a menudo en los libros de texto son liosos y la transposición de
aproximaciones basadas en propiedades macroscópicas de sustancias y
materiales a otras basadas en características submicroscópicas son
frecuentes.
42

48
Los resultados del análisis cuantitativo de textos de Química hecho por
Chiappetta, Sethna y Fillman (1991) demuestran que la mayor parte de los
libros de Química analizados muestran la ciencia como un cuerpo cerrado de
conocimiento, le dan poca importancia a la ciencia como modo de investigar,
y a la interacción de ciencia , tecnología y sociedad y prácticamente ninguna
a la ciencia como manera de pensar (cómo los químicos descubren ideas y
experimentos, el desarrollo histórico de conceptos químicos, las relaciones
causa-efecto, evidencias y pruebas, y el autoexamen del pensamiento en la
búsqueda del conocimiento).
Guisasola, Almurí y Furió (2005) analiza las graves visiones
distorsionadas de la ciencia, en la organización y secuenciación de los
contenidos de electrostática, en libros de texto de bachillerato, demostrando
que los libros se caracterizan por presentar una visión aproblemática,
definida como la ausencia explícita del problema o problemas generales que
se pretende abordar; la presentación de nuevos conceptos se hace de forma
arbitraria, sin mencionar la problemática de la que surgieron y a la que
intentan dar solución; se hace una presentación acumulativa lineal, no
teniendo en cuenta saltos cualitativos ni reformulaciones conceptuales, y
con una visión excesivamente analítica olvidando las conexiones con otros
conocimientos.
Guirao y Jaen (1997) afirman que en la mayor parte de los libros los
contenidos se presentan como hechos probados, sin dar posibilidades a su
cuestionamiento, no se plantean situaciones conflictivas para que los alumnos
traten de buscar evidencias que refuercen o contradigan sus teorías. Tampoco
se incluyen aspectos relacionados con el desarrollo de esta ciencia como
estrategia didáctica, que podría ayudar al alumno a construir sus conocimientos
utilizando algunos de los problemas que se plantearon a lo largo de la historia,
sino que, en el caso de referencias históricas, éstas son esencialmente de tipo
biográfico.
Gonzáles y Sánchez (2014) han analizado la evolución temporal de los
contenidos de estructura atómica y molecular en los libros de texto españoles
de Química General desde 1928 a 1978. Pascual, Araceli y Martín (2005)
43

49
realizaron un análisis del tratamiento dado a la química en los libros de texto de
la ESO y concluyeron que ninguna de las editoriales analizadas se adecuaba
íntegramente al currículo oficial y que además los libros de texto presentaban
numerosas inexactitudes y errores químicos.
Numerosas investigaciones sobre libros de texto se han dirigido a
analizar los errores conceptuales que aparecen en los libros (Quilez-Pardo y
Quílez-Díaz, 2015; Luxford y Bretz, 2014; Erman, 2017). Si hacemos un
análisis de los libros de texto que los profesores utilizan generalmente en las
aulas para impartir su materia, podemos ver que muchas de las ideas previas
(concepciones alternativas) que presentan los estudiantes vienen
supuestamente del tratamiento que los libros de texto dan a los contenidos. En
muchos textos se tergiversan las ideas por querer simplificarlas y esto provoca
que el estudiante adquiera algunas concepciones alternativas Por este motivo,
Alvarado (2005) resalta, entre otras consideraciones que es necesaria una
rigurosa selección de los libros de texto para evitar la adquisición de errores
conceptuales que aparecen repetidos de forma recurrente en diversos textos.
Las múltiples formas en que las uniones químicas se pueden presentar
y la falta de profundización en las mismas es uno de los motivos de las
dificultades de aprendizaje. Matus, Benarroch y Perales (2008) y Matus,
Benarroch y Nappa (2011) clasificaron las representaciones utilizadas en los
libros de texto según el grado de iconicidad y tipo de lenguaje y han analizado
las imágenes sobre enlace químico usadas en los libros de texto de
Educación Secundaria de Argentina y han encontrado una relación escasa
texto-imagen y un predominio del texto de tipo expositivo.
Bergqvist, Derchsler, De Jong y Rundgren (2013) han analizado los
modelos de enlace químico en libros de texto de secundaria de Suecia y han
demostrado que los modelos utilizados pueden ser la causa de las
concepciones alternativas y las dificultades de aprendizaje de los estudiantes.
Estos autores señalan que los autores de los libros de texto ignoran las
investigaciones llevadas a cabo sobre las dificultades de aprendizaje del
concepto de enlace químico e indican la necesidad de enfatizar lo que
presentan en común, es decir, la naturaleza electrostática de todos los tipos de
44

50
enlaces y reducir el uso de la regla del octeto que presenta serios
impedimentos pedagógicos tal como se muestra en la figura 2.4:
Figura 2.4 Impedimentos pedagógicos Modificada de Bergqvist, 2013
La mayoría de los libros de texto introducen los distintos modelos de
enlace en el orden; iónico, covalente, covalente polar, metálico y fuerzas
intermorleculares (Dhindsa y Treagust, 2014). El enlace iónico se presenta
como una fuerza electrostática de atracción entre iones de signo contrario. Los
iones se forman por transferencia de uno o más electrones de un átomo a otro.
La regla del octeto se utiliza para explicar la estabilidad de la configuración
electrónica de los iones. El ejemplo que se utiliza para explicar el enlace iónico
es el del cloruro de sodio. El enlace covalente se describe como una identidad
Octeto
Marco de
referencia
Uso de la regla del
octeto y su
enfoque en
conﬁguraciones
electrónicas
Falta de razón por
la que se produce
la unión
No señalando que
el enlace químico
se debe a fuerzas
electrostáCcas
Enfoque en
átomos separados
Descripciones
antropomórﬁcas
de procesos
químicos
Impedimento 2
Los estudiantes
ven todas las
partículas
enlazadas como
si se tratase de
moléculas
discretas.
Impedimento 3
Los estudiantes
pueden
desvincular
cualquier cosa
que no encaje con
la descripción de
“compartir
electrón” o
“transferir
electrón”.
Impedimento 4
Los estudiantes
pueden ser
incapaces de
entender los tipos
de enlaces
intermedios como
el enlace
covalente polar.
Impedimento 1
Los estudiantes
mantienen una
idea incorrecta e
inapropiada de
cómo se produce
el enlace.
45

51
que se produce por la compartición de pares de electrones y se enfatiza la
tendencia de los átomos a adquirir la configuración electrónica de gas noble
siguiendo la regla del octeto. Se utilizan los ejemplos de las moléculas de H2,
Cl2 y F2, aunque algunas veces se presenta el ejemplo de moléculas formadas
por átomos diferentes. El enlace covalente polar se presenta como una entidad
distinta que se produce por la compartición desigual del par de electrones,
justificado por la diferente electronegatividad de los átomos. Su estabilidad se
explica, igualmente, en base a la regla del octeto. El enlace covalente
coordinado no se suele presentar en los libros de texto de secundaria. El
enlace metálico se describe como la deslocalización de los electrones de
valencia en todo la estructura cristalina constituida por iones positivos (modelo
del mar de electrones). La fuerza del enlace metálico se asocia con el número
de electrones deslocalizados. Cada tipo de enlace se presenta como
independientes unos de otros y entre los que no hay ninguna asociación entre
ellos.
Una revisión de cómo se enfoca el problema en los libros de texto
israelíes ha sido llevada a cabo por Levy et al. (2008), la mayoría de los cuales
presentan un enfoque tradicional según el cual se clasifica la materia en cuatro
categorías principales: iónica, covalente, molecular y metálica, de acuerdo con
sus propiedades físicas macroscópicas, tales como los puntos de fusión y
ebullición, la conductividad eléctrica o la solubilidad en agua. Los diferentes
tipos de enlace se presentan como entidades conceptuales independientes que
emanan de los distintos modelos explicativos de dichas propiedades. Aunque
este tipo de enfoque, que responde a motivos históricos, presenta las
observaciones experimentales que han conducido en cada momento a la
elaboración de modelos y teorías explicativas, no es menos cierto que la
coexistencia de modelos y teorías en los libros de texto que se van adicionando
según los estudiantes van alcanzando niveles superiores puede originar en
ellos una gran confusión, ya que diversas teorías y modelos tratan de dar una
explicación en diferentes textos y etapas al mismo fenómeno. Por otra parte,
este enfoque tradicional, tan universalmente extendido, se ha realizado al
precio de establecer simplificaciones y generalizaciones que se han convertido
en lo que podríamos denominar “impedimentos de aprendizaje”.
46

52
2.3.3. Las ideas previas de los alumnos
Los alumnos tienen unas ideas previas o preconcepciones sobre los
contenidos científicos, que suelen ser erróneas, y que es un factor clave que se
debe tener en cuenta en un aprendizaje significativo de las ciencias.
(Campanario y Otero, 2000). Las ideas previas son “una especie de filtro
conceptual que permite a los alumnos entender de alguna manera, el mundo
que los rodea” (Giordan, 1996).
Las ideas previas se desarrollan en edades muy tempranas y se
mantiene a lo largo de los años a pesar de la enseñanza. Cada alumno
construye sus propias ideas espontáneas, pero existen muchas semejanzas
entre ellas, incluso entre alumnos de diferentes culturas y distintos
rendimientos académicos (Pintó, Aliberas y Gómez, 1996). Es de destacar,
también, que suele existir un paralelismo entre muchas de las ideas previas de
los alumnos y determinadas teorías que se han dado a lo largo de la historia de
la ciencia, generalmente precientíficas (Pozo y Carretero, 1987).
El origen de las ideas previas es muy diverso. Cabe destacar que
muchas de las ideas previas de los alumnos no sólo tienen su origen en la
propia experiencia (Preece, 1984), sino en el uso de analogías defectuosas en
los centros escolares (Pozo, Sanz, Gómez y Limón, 1991).
Como intento de explicar de manera general los orígenes de las también
llamadas concepciones alternativas (ideas previas), que tienen los alumnos
sobre cualquier fenómeno químico, algunos autores (Carrascosa, 2005)
clasifican estas concepciones en:
1. Concepciones espontáneas, de carácter intuitivo, son las ideas que
los alumnos interiorizan a partir de su propia experiencia en sus actividades
cotidianas. Estas concepciones son muy persistentes ya que se basan en los
sentidos más que en la lógica.
2. Concepciones inducidas, que son las que el alumno adquiere del
entorno sociocultural y de la propia enseñanza (Carrascosa, 2006). Por
ejemplo, el uso de analogías no adecuadas en la enseñanza y/o la utilización
de determinados términos del lenguaje cotidiano o expresiones ya superadas
47

53
científicamente puede fomentar ideas no deseables en los estudiantes. Raviolo
y Lerzo (2014) muestran como al comparar la estequiometría de una reacción
química con la formación de un sándwich se puede fomentar la idea de la
reacción química como una mezcla.
3. Concepciones analógicas, que son las que el alumno genera cuando
no dispone de ideas acerca de los conocimientos científicos tratados e intenta
activar ideas analógicas ya existentes que le permitan comprender los
conceptos científicos.
Las ideas previas de los alumnos suelen ser científicamente incorrectas
pero tienen sentido para los alumnos y les permiten interpretar su mundo. No
se trata de ideas aisladas, sino que suelen presentar cierta organización,
generalmente basada en una causalidad simple y se caracterizan por ser muy
persistentes y resistentes al cambio. Los alumnos tienden a mantener sus
ideas previas y frecuentemente consideran las evidencias empíricas que
contradicen sus ideas como “la excepción que confirma la regla”. Estas ideas
tienen un carácter implícito, esto hace que no sea verbalizadas por los alumnos
lo cual dificulta su detección y su modificación.
Aunque no existe un único método que permita lograr un aprendizaje
significativo, toda estrategia debe de inducir a los alumnos a realizar cambios
en sus ideas previas. La enseñanza tradicional no parece cumplir estas
condiciones. Algunos autores han señalado que es necesario un cambio en la
metodología de enseñanza para lograr un cambio conceptual en los alumnos y
señalan que es necesario exponer a los estudiantes a situaciones repetidas en
las que tengan que emitir hipótesis consistentes con sus ideas, diseñar
experimentos, realizarlo y analizar los resultados para sacar conclusiones
(Campanario y Otero, 2000). Así pues, la enseñanza de las ciencias basada en
la indagación (ECBI) se presenta como una metodología apropiada para
conseguir que los alumnos modifiquen sus ideas previas.
Los principales errores conceptuales detectados en la literatura
científico-didáctica relacionados con el enlace químico vienen recogidos en la
tabla 1 en la introducción del artículo: “Concepciones alternativas de los
48

54
estudiantes de educación secundaria sobre el enlace químico” en el capítulo 4
de la presente Memoria.
Croft y de Berg (2014) señalan seis concepciones alternativas inducidas
por la enseñanza sobre el enlace químico identificadas en la literatura:
1) Igual número de cargas positivas y negativas se cancelan entre sí
para dar una molécula neutra (Taber, 1994; Coll y Treagust, 2002)
2) El enlace iónico en una red cristalina solo existe en los átomos
entre los que se produce una transferencia de electrones, así el
enlace iónico se identifica con el proceso de transferencia de
electrones y no con la atracción entre iones de carga opuesta
(Taber, 2002, 2013; Levy Nahum et al., 2010)
3) El enlace se identifica con una entidad material y no con una
fuerza. (Taber et al., 2012; Ünal et al., 2006)
4) Un ion Na+
tiene un electrón más que el átomo neutro Na, y el ión
Cl-
tiene un electrón menos que el átomo Cl neutro. (Taber, 1994)
5) Los alumnos presentan dificultad en distinguir la estructura
atómica y las propiedades de un átomo neutro y sus iones.
(Taber, 1994)
6) Se utiliza la regla del octeto como justificación de la formación de
enlaces tanto iónico como covalente (Taber, 2013; Taber y Coll,
2002; Tan y Treagust, 1999)
Podemos destacar que los alumnos suelen considerar que las uniones
químicas se producen para formar moléculas y no para formar otras estructuras
cristalinas más complejas. Alvarado (2005) manifiesta que existe una marcada
confusión con respecto a si el enlace químico consiste en la unión o en la
interacción de átomos, electrones, moléculas, cargas, compuestos, sustancias,
orbitales o iones. No comprenden muy bien que un enlace químico no se
establece únicamente a nivel interatómico, sino que también existen
interacciones entre moléculas La idea del enlace químico como interacción
electromagnética casi no aparece en alumnos de secundaria, para la mayoría
el enlace es diferente en función de la posición de los elementos en la tabla
49

55
periódica). Los distintos modelos de enlace son independientes y son
considerados como descripción real de la realidad.
2.3.4. Propuestas didácticas para la enseñanza del enlace químico
Muchos de los errores conceptuales y la falta de comprensión del enlace
químico que presentan los estudiantes están asociados a la forma en que se
enseña. Diversos autores, que se indican a continuación, han señalado el
fracaso de la enseñanza tradicional. De acuerdo con Sibanda y Hobden (2015)
los problemas que se presentan en la enseñanza tradicional son:
- La presentación del enlace químico como una entidad propia.
- La clasificación de los enlaces químicos en cuatro categorías estancas.
- La percepción de los estudiantes de los modelos como descripciones
absolutas de la realidad más que como formas de interpretar esa
realidad.
Estos autores señalan que la mayoría de los profesores prefieren
empezar por el nivel microscópico (fuerzas atractivas entre átomos) y terminar
con el nivel macroscópico (sustancias y sus propiedades), secuencia
designada como “bottom_up approach” (aproximación de abajo-arriba) por
Levy Nahum et al. (2007,2008 y 2010). Esta es la secuencia didáctica que la
mayoría de los profesores utilizan para la enseñanza del enlace químico
comenzando con la estructura del átomo para a continuación introducir el
enlace químico como las uniones que se producen entre los átomos y clasificar
a las sustancias de acuerdo con el tipo de enlace que presentan, para terminar
con las propiedades de los materiales que se explican en función del tipo de
enlace. (Sibanda y Hobden, 2015). Esta secuencia no parte de la experiencia
diaria de los estudiantes, lo que dificulta su aprendizaje. Croft y de Berg (2014)
han señalado las limitaciones que presenta esta aproximación.
Psicológicamente, los estudiantes aprenden partiendo de lo que es conocido
para ellos, lo que les permita establecer relaciones con los nuevos conceptos y
lograr así un aprendizaje significativo. (Dunlosky, Rawson, Marsh, Nathan y
50

56
Willingham, 2013), para que esto ocurra el punto de partida del proceso de
enseñanza/aprendizaje puede ser una situación problema relacionada
preferentemente con contextos reales que despierten la atención y el interés
del estudiante. En el capítulo 5 presentamos una secuencia didáctica para la
enseñanza del enlace químico basada en este principio.
Por otra parte, diversos autores han señalado que algunas de las
dificultades que presentan los estudiantes en el aprendizaje del enlace químico
pueden estar asociadas a la secuencia de enseñanza que se utiliza (Dhindas y
Treagust, 2014; Taber, 2011; Levy et al., 2013). Los profesores utilizan, sin
pensarlo demasiado, la secuencia que encuentran en los libros de texto.
Generalmente el estudio del enlace químico se comienza con el enlace iónico,
seguido del covalente, el metálico y las fuerzas intermoleculares (Dhindas y
Treagust, 2014). El mayor problema asociado con el orden de enseñanza del
enlace químico es que los estudiantes aprenden que los distintos tipos de
enlaces son independientes y que no existe ningún tipo de asociación entre ellos.
Para Taber (1997) para lograr una comprensión del enlace químico en
la enseñanza secundaria debería de partirse de la construcción de un
esquema basado en los principios electrostáticos y no en el marco explicativo
de que los átomos “quieren tener ocho electrones en su última capa”. Este
mismo autor (Taber; 2001) propone que el estudio del enlace debería
comenzar con el enlace metálico, seguido del iónico y posteriormente del
enlace covalente, en estructuras reticulares como el diamante, y finalmente el
enlace covalente en moléculas con el objeto de evitar que los estudiantes
piensen en la existencia real de moléculas iónicas y metálicas. Dhindas y
Treagust, (2014) sugieren, sin embargo, que el enlace covalente debería ser
enseñado en primer lugar seguido del enlace covalente polar y a continuación
el enlace iónico y proponen introducir el enlace metálico como un tipo de
enlace covalente. Para estos autores el enlace químico debería enseñarse en
tres etapas:
1) Enlace covalente, covalente polar y iónico
2) Enlace en estructuras reticulares
3) Fuerzas inter e intramoleculares
51

57
Caamaño (2016) ha presentado una propuesta de secuenciación
didáctica para el aprendizaje del enlace químico en 4º curso de la ESO y 1º
de bachillerato, que se inicia con la diferenciación entre estructuras
multimoleculares y estructuras gigantes. A continuación propone modelizar
el enlace covalente en las moléculas, y posteriormente en los sólidos
reticulares, covalentes, iónicos y metálicos.
García-Franco, Garritz y Chamizo (2008) hacen las siguientes
recomendaciones para la enseñanza del enlace químico a nivel de bachillerato:
- Hacer énfasis en la naturaleza electrostática del enlace químico
- Evitar la dicotomía enlace iónico-enlace covalente
- En el caso del enlace iónico debe hacerse más énfasis en las
interacciones electrostáticas entre iones y la estructura de la red
cristalina que en la formación de los iones
- Evitar que los alumnos desarrollen la noción de que todas las sustancias
están compuestas por moléculas.
- Desarrollar la idea de que los enlaces químicos ocurren en un continuo
“covalente-iónico-metálico”, más que considerar estos modelos como
entidades independientes.
- Evitar hacer énfasis en la regla del octeto como principio explicativo.
- Tener especial cuidado en no manejar indiscriminadamente un lenguaje
antropomórfico (los átomos comparten, necesitan, etc.).
- Explicar las propiedades de las sustancias utilizando el modelo que
mejor se ajuste y mostrar que hay sustancias con propiedades
intermedias que no pueden explicarse con un único modelo de enlace.
Uno de los objetivos de los profesores de química debe ser el desarrollo
de estrategias didácticas que permitan la enseñanza del enlace químico de
forma más eficaz y efectiva. Creemos que un enfoque constructivista de la
enseñanza puede ayudar a los estudiantes a una mejor comprensión de un
tema tan complejo como el enlace químico. Este enfoque requiere que la
secuencia didáctica comience con la explicitación de las ideas previas de los
estudiantes sobre el tema que se va a tratar para, a continuación, promover
actividad que les permitan la reestructuración de las mismas hacia las
52

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