Persistencia de errores conceptuales en el estudio del equilibrio químico

INVESTICACION Y EXPERIENCIAS DIDACTICAS PRIMERAS JORNADAS DE INVESTIGACION DIDACTICA DE - LA FISICA Y LA QUIMICA EN EL BACHILLERATO PERSISTENCIA DE ERRORES CONCEPTUALES e EN EL ESTUDIO DEL EQUILIBRIO QUIMICO CARLOS J. FURiO MAS ELENA ORTIZ (I.C.E. de la Universidad de Valencia) SUMMARY This paper exposes the existence of certain conceptual errors in the study of chemical equilibrium, lack of differentiation between full chemical reaction and equilibrium compartimentation of equilibrium, ... and, in particue lar, the strong persistance of the error of mass-concentration of substances. For it, examples were taken from two different groups: Pre-University course students and teachers students. l. INTRODUCCION (I, El interés del estudio de los errores conceptuales que se nianifiesta en la aparicibn reciente de numerosos trabajos en revistas de investigacibn (Nussbaum, 1981) y jorriadris didhct icas (Carrascosa y Gil, 198 1) (Carrascosa y Gil, 1982), radica en la necesidad de su conocimiento por el profesorado para abordar con cierta eficacia el proceso de ensetianza-aprendizaje. La actualidad del estudio de los errores conceptuales en el campo del equilibrio químico viene confirmada por la tercera recomendación del grupo de discusión que, sobre este tema, coordinó el profesor D. Vitorovic (1979) en la Third International Conference on Chemical Education celebrada en Dublin y que sugiere literalmente: Deberían organizarse trabajos experimentales sobre equivocaciones y errores conceptuales de los estudiantes, a consecuencia de los diferentes métodos de ensefianza (del equilibrio químico))). En el presente trabajo tratamos de verificar la persistencia de algunos errores conceptuales dentro del estudio del equilibrio químico, incluso en alumnos que hacen el curso para obtener el certificado de aptitud pedagbgica (C A P), diploma necesario para opositar a una plaza de profesor según la legislación vigente, y que, en su mayoría, es cursado por licenciados universitarios. La gran persistencia de estos errores conceptuales significa, a nuestro entender, el desconocimiento por el profesorado de los esquemas conceptuales de los alumnos, no logrando las diversas metodologías de ensefianza empleadas el cambio conceptual en el alumnado. Cambio conceptual que ha sido propugnado desde hace bastante tiempo por relevantes episte2. PLANTEAMIENTO Y OBJETIVO DEL TRABAJO Es frecuente observar la aparición de reiterados errores conceptuales en los alumnos que los profesores solenos creer que son pequetios fallos debidos a la incomprensión, por parte del estudiante, de los conceptos que se explican o se aplican en la clase ordinaria. Ests justificaciones del profesorado ocultan, en reaiidad. su ignorancia de las causas de la persistencia y existencia de estos errores conceptuales. Si admitimos como hipótesis de trabajo que estos errores son como los icebergs que afloran de una sólida y coherente estructura cognoscitiva del alumnado, comprenderemos que el origen de aquellos habrh que buscarlos en el cuerpo de conocimientos -preconceptos, conceptos o ideasque el alumnado ha asimilado, intercambiado o captado a lo largo de sus viviencias académicas y/o extracadkmicas. (Vygosky, 1973) (Ausubel, 1978) (Carrascosa, Gil y GonzAlez, 1982). La diagnosis de lo que piensan los alumnos en el campo de la Física y de la Química, está siendo abordada en recientes trabajos de investigación educativa y el nuestro tiene como objetivo fundamental comprobar que existen determinados errores conceptuales cuya persistencia, incluso a niveles estudiantiles elevados, es un síntoma de que la estructura cognoscitiva del alumnado no ha sido afectada por la ensefianza recibida. De forma que el alumno conserva intacto su esquema conceptual inicial ya que las metodologfas empleadas no han servido para plantear el debate interior entre la vieja visión del comportamiento de la materia y el nuevo paradigma científico que se pretendía intercambiar en la clase. -. m6logos (Bachelard, 1938). Si, por otra parte, aceptamos como tesis la existencia ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS. 1983. pp. 15-20 1 S INVESTIGACION Y EXPEKlENClAS DlDACTlCAS I de un cierto paralelismo entre el desarrollo intelectual del alumno y el crecimiento de la producción científica, como ha sido mostrado por Piaget (1975), existe una base de partida para analizar las estructuras cognoscitivas del alumnado, viendo como se ha verificado el progreso científico (Kuhn, 197 1) y revisando cual era el pensamiento de la comunidad científica en épocas pasadas, ya que sus conclusiones serían las consecuencias lógicas de sus ideas y, en definitiva, de su visión científica del problema. En este trabajo estudiaremos, entre otros, el llamado error conceptual ((masa-concentración)), tratando de comprobar si persistía no sólo en alumnos de COU que habían estudiado recientemente el tema del equilibrio químico, sino también en licenciados que hacia bastante tiempo que habían tratado el mismo. Ello nos demostraría que la causa de este error habrá que buscarla no en aspectos anecdóticos, sino en una raíz más profunda; en la forma de interpretar el comportamiento quimico de la mateia por los estudiantes de Química. En resumen, el objetivo del trabajo consiste en corroborar la existencia de determinados errores conceptuales sobre el equilibrio químico que han sido tratados por otros autores (Johnstone, Mac Donald y Webb, 1977) (Wheeler y Kass, 1978) (Teterin, 1979) y fundamentalmente verificar la fuerte persistencia del error ((masa-concentración~) en alumnos que por sus conocimientos, al menos en teoria, no lo debían cometer. 3. PROCEDIMIENTO Con el fin de verificar la persistencia de algunos errores conceptuales en el equilibrio químico, se encuestb por una parte a dos grupos de alumnos del Curso de Orientación Universitaria (COU) y por otra, a otros dos grupos de alumnos del CAP, que pueden ser consideradas, a priori, muestras de diferentes poblaciones. A continuación se detalla el material suministrado y los alumnos encuestados. 3.1. Material suministrado Como interesaba contrastar la existencia o no de determinados errores conceptuales detectados en la bibliografía como ya se ha indicado anteriormente, se confeccionó un conjunto de items, uno para cada uno de los errores, todos ellos cerrados, de opción múltiple, incluida la respuesta ((no lo sé>> para evitar la aleatoriedad en las contestaciones. El alumno, después de elegir la respuesta, debía razonar brevemente su contestación, con el fin de detectar, en lo posible, cuales eran las ideas en que basaba aquella. Los enunciados de estos items se encuentran en el Apéndice. Para el enunciado de los items se pensó en distractores adecuados para los objetivos buscados. Los errores fueron los siguientes: Item no 1: Desconocimiento de las condiciones que debe reunir un sistema qulmico, en el que intervienen gases, para poder iniciar el es- @ tudio del equilibrio qulnico (sistema cerrado). Item no 2: Concepción del estado de equilibrio como dos estados, atribuidos a los reaccionantes y a los productos respectivamente (Compartimentación del equilibrio). e Item no 3: Se concibe la constante de equilibrio como una función o como una constante a la misma temperatura? (No constancia de la i Item no 4: Item no 5: constante). El error ((masa-concentración)) -si bien, la masa venía medida en moles de sustancia-. Es decir, el alumno considera de forma automática que el numero de moles de sustancia es la concentración. Equivalencia mental entre la frase «la concentración de sólido)) y la frase ((la masa de sólido)), que vendna a constatar nuevamente el error masa-concentración (item 4) aunque por otra vía. 3.2. Alumnos encuestados Los dos grupos de alumnos de COU (35 y 26 alumnos) fueron encuestados por uno de los autores del trabajo, cuando había acabado el estudio del tema ((Equilibrio químico)), dándoles tiempo suficiente, sin limitaciones, para poder concluir con tranquilidad sus contestaciones. En cuanto a los dos grupos de a!umnos del CAP que fueron encuestados, hay que indicar que el tema de los errores conceptuales formaba parte de su programa de Didáctica de Química y la encuesta se hizo el primer día de clase, sin previo aviso. Después de encuestados se hizo la oportuna discusión sobre el tema. llegando a la conclusión de la necesidad de incluirlo en los programas de enseiíanza de los futuros profesores. Respecto al espectro de especialidades y niveles de estos alumnos en el momento de la encuesta, se indican a continuación: Alumnos del C A P encuestados Ldos. Estud. Estud. Ldos. Grupo Quim. Fís. SOQuim. So Fís. Farm. TOTAL I 13 6 8 I 28 2 13 10 I 3 27 TOTAL 26 6 18 2 3 55 ENSEFIANZA DE LAS CIENCIAS INVESTIGACIOrU' Y EXPERIENCIAS DlDACTiCAS Todos estos alumnos habian estudiado en su carrera que al ser un cuestionario cerrado, las respuestas reel terna del equilibrio químico, si bien en los primeros sultan necesariamente condicionadas. cursos. Es decir, hacia como mínimo tres anos que lo habian tratado. Un rápido análisis global de la tabla 1 hace ver la elevada cantidad de alumnos de COU en los aue ~ersis- . a ten errores fundamentales, a pesar de haberse impar4. RESULTADOS: ANALISIS ' DISCUS1oN tido recientemente el tema del equilibrio químico (se En la tabla 1 se presentan los resultados hallados al encuestar por una parte a los alumnos de COU (grupo A) y por otra a los alumnos del CAP (grupo B). Junto a los porcentajes totales de alumnos equivocados (TOT.EQ). se incluyen las desviaciones estandard s de cada uno de aquellos que, según Garret (1971) vienen dadas por la expresión: donde p representa el porcentaje total de desaciertos y IV, el numero de alumnos encuestados. Dado que el trabajo se considera preliminar, no se ha calculado el factor : para valorar las diferencias significativas de forma rigurosa. No obstante, se comentan de manera cualitativa los resultados encontrados. En algunos casos se ha procedido al análisis de las respuestas incorrectas mayoritarias que proporcionará una idea de los errores más frecuentes del alumnado, dnetro de las opciones plarieadas por los autores. Tengase en cuen'ta les encuestó nada más concluirlo). Es más,' incluso en algunos prerrequisitos como es la consideración de cerrar el sistema químico para poder abordar el estudio de un equilibrio, hay casi la mitad de alumnos de la muestra (45.7) que no ha sabido distinguir aquella situación en aquel sistema evolucionaría hacia un equilibrio (item no 1). Similr consecuencia puede extraerse de las respuestas dadas por los alumnos de COU al item no 2, cosa que ya preveíamos, de los equivocados (un 53%) la mayoría (35.2%) considera que en el equilibrio hay dos estados atribuidos, uno a los reaccionantes -primer miembrode la ecuación químicay otro, a los productos -segundo miembro de aquella ecuacibn-. Hohnstone, McDonald y Webb (1977) obtuvieron un porcentaje más alto (79%) en alumnos de similar nivel educativo. Respecto a la no constancia de la constante de equilibrio sin alterar la temperatura, parece excesiva la cantidad de alumnos de COU (95%) que se equivocan y, a través de sus contestaciones, se puede constatar la utilización de la expresión de la constante de equilibrio en forma mernoristica, ya que para ellos la K no es una constante. sino una función matemática que depende de determinadas variables. Iicm n" 1: No dil'crciic.iac16n entre reacción iotal y equilibrio ltcm n" 2: Compartinieniación del equilibrio Grupo IN9'0 RESPC'ES'TAS (irupo 2a ~b ..L u* ?e 1 TOT. EQ. 1. % RESPLIESTAS N la lb I c. ~ci le 1 TOT. EQ. Iicrn 3: No constancia dc la constante de equilibrio. ltem no 4: Error masa = concentracibn. % RESPUESTAS 3 a 3b 3c 3d' 3e 1 TOT. EQ. S Grupo ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS 17 N Grupo . A B N 61 55 Vo RESPUESTAS 4a* 4b 4c 4d 21.3 O 77.0 1.6 40.0 5.5 54.5 O TOT. EQ. S 78.7 5.2 60.0 6.6 INVESTICACION Y EXPERIENCIAS DI DACTICAS - - - ltcm n" 5: Error rnau = conceiiiraci6n (en \blido\) -- -- -- . ..... -- O'n HI.Sl'1:t-S r!\S (;rupo -- - . - . - -. - - . - -. - - Sa < h 5 t~ 'c ! [.OS, EO. Tabla 1.- Porccrilrr~c dc rcspiicsias dc alumnos de Col! (griipo A) !. dcl (' A f' (grupt) U) al ciic\iioii;trio coi~iciiicli~ cii cl Apéndice. Como era de esperar, en estos tres errores conceptuales hay diferencias significativas entre los resultados encontrados en alumnos de COU y de CAP, debido a la mayor experiencia curricular de estos ultirnos. Sin embargo, al comparar los resultados hallados en el error masa-concentración (itern no $), puede apreciarse que las diferencias entre estas dos muestras ya no son tan grandes (78.7 y 60% respectivamente) y en el error rnasa-concentración (en sólidos) (item no 5) parecen disiparse (70.5 y 72.7% respectivamente). Ello nos permite apuntar que, a pesar de la especialización de los estudiantes universitarios, existe una fuerte persistencia de estos errores que habrá que justificar. Segun nuestra opinión, existe una causa que explica esta gran persistencia del error masa-concentración, causa ya mencionada en la epistemología genética (Piaget, 1975) y comprobada en el campo de la Física (Gil, 198 1 ). Esta causa es el caracter finalista o teleológico del esquema conceptual del alumno en el comportamiento de la riiateria. Nuestra hipótesis que habrá que constatar mAs rigurosamente, consiste en suponer que para el alumno el objetivo final de una reacción química es la cantidad de producto obtenido (masa) sin importar cómo sucede este cambio quimico, de ahí la hegemonía de la cantidad de reaccionantes como la variable que realmente importa en todo proceso químico. Recordemos que el uso de la concentración de sustancias aparece intimamente relacionado con el rnodelo elemental de reacción, organizador previo para poder llegar facilmente a la coricepción del equilibrio quimico a niveles introductorios, con todas las precauciones que se quieran. Este error-masa-concentración en las reacciones químicas, que muchos profesores han observado experimentalmente en sus alumnos, aparece históricamente en el siglo XVIII; cientificos tan famosos como Berthollet en su obra ((Essai de statique chirniqueo (París, 1803), para poder explicar los dos sentidos posibles de ei~olución de un sistema químico, tiene que formular en su tesis sobre las leyes de la afinidad química que ((la fuerza absoluta que provocan las reacciones químicas no sólo depende de las afinidades de cada sustancia para combinarse sino que, también, las cantidades de los cuerpos reaccionantes pueden influir en el sentido de la reacción)) (Leicester, 1967). Fué después de casi un siglo cuando es introducido el concepto de masa activa (similar a nuestro concepto actual de concentración) por los noruegos Guldberg y Waage, como consecuencia de su interpretación cinética de la reacción quimica, para que se pueda deducir la conocida ley de acción de masas. Segun esta concepción, la fiierza impulsora del proceso es proporcional a la velocidad con que sucede y, en consecuencia, a las concentraciones de los reactivos y no a las masas de las sus!ancias combinadas (Lindauer, 1962). DISCUSION La diagnosis de los errores conceptuales, aun siendo una etapa necesaria, no tendría sentido si no se buscan las causas de los mismos y no se ofrece una alternativa didáctica con la que erradicar la interpretación no cientifica del comportamiento de la materia. La persistencia de errores conceptuales en el alurnnado que ha sido mostrada en este trabajo preliminar, nos hace suponer que la causa esencial del fraca\o de iiuestros alumnos en Quimica radica en la utilizacion de una metodología empirista que no tiene en cuenta el conocimiento anterior de los alumnos (Bunge, 1978) (Hempel. 1979). Este conocimiento anterior del ~liirnnado interviene como variable fundamental con 1'1 que debe contar todo profesor para una enseiianza cficrif de la Química (West y Fensharn, 1976). BIBLIOGRAFIA AUSUBEL D.P. 1978 ~Psicologia educatica. Un punto de vista cognoscitivo» (Trillas, Mkxico). BACHELARD G. 1983 «L3 formalion de I'esprit scientifique>) (Vrin. Parls). BUNGE M. 1978 «Filosolla de la ciencia natural)) (Ariel. Barcelona). CARRASCOSA 1. y GIL D. 1981 ((Estudio sobre la persistencia de los errores conceptuales en el aprendizaje de la Física)) (comunicacidn presentada en las Jornadas de F. y Q. Alcala de Henares). 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I tura, en los que A y B están separados como muestran il las figuras 2 y 3: EXPERIMENTO 0 FIGURA 2 EXPERIMENTO Z ¿Cuál de las siguientes afirmaciones te parece correcta? a) En ambos experimentos podrá descomponerse todo el CaC03 inicial. b) En el experimento 2 podrá descomponerse mayor cantidad de CaC03 que en el experimento 1. c) S610 en el experimento 1 podrá descomponerse todo el CaCO3. d) Sólo en el experimento 2 podrá descomponerse todo el CaC03. e) No lo sé. 1 Explicación: la ENSEBANZA DE LAS CIENCIAS 1 UOL DE A 1 HOL DE 8 E FIGURA 3. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones te parece correcta? a) Los gases A y B están en equilibrio sólo en el recipiente de la figura 2. b) Los gases A y B están en equilibrio s61o en el recipiente de la figura 3. C) En los dos recipientes (2 y 3) los gases A y B están en equilibrio. d) En ninguno de los dos recipientes (2 y 3) los gases A y B están en equilibrio. e) No lo sé. Explicación: INVESTIGACION Y EXPERIENCIAS DIDACTICAS 1 el Se desea calcular el valor de la constante de equi!ibrio, Pr~girn~u n" 3 Kc, para dicha reacción. Elige cual de las siguientes respuestas te parece correcta: 1 El sistema de la figura adjunta está en equilibrio según la ecuación N2O4(g) P 2 NO2(g), para lo cual Kp a) No es posible el cálcuio. 1 viene dada por la expresibn: b) KC = -Ti ¿Cual de los siguientes procedimientos es adecuado para aumentar el valor de Kp a 27OC? a) Aumentar la presión total (disminuyendo el volumen a temperatura constante). b) Aumentar la presión parcial del N02 (aiiadiendo N02 al sistema en equilibrio, manteniendo el voliimen y la tcmperatura constantes). c) Disminuir la presión total (aumentando el volumen a temperatura constante). d) La pregunta es absurda. e) No lo sé. Uria mezcla de N?, Hz y NHJ está en equilibrio en un recipiente cerrado, según la ecuación: L3 mezcla en eqiiilibrio contiene: 1 .! moles de NH3 0.1 moles de N2 0.3 moles de H2 Al calentar el sólido NH4CI, se descompone en los gases HCI y NH3. Si la reacción se realiza en un recipiente cerrado, se alcanza un estado de equilibrio, según la ecuación: Seiiala cuál de los siguientes procedimientos te parece adecuado para aumentar la concentración de sólido: a) Aumentar la presión. b) Extraer NH? del recipiente. c) La pregunta es absurda. d) Disminuir la presión. e) No lo sé. Nota.-En el cuestionario pasado a los alumnos de COU y del CAP, habia dos preguntas en cada hoja y no existia ninguna prcgunta partida. ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS