La química busca comprender de qué está formada la materia, cómo se comportan las sustancias y qué ocurre cuando estas interactúan entre sí. Para construir y evaluar ese conocimiento, los científicos utilizan diferentes prácticas de investigación basadas en la observación, la formulación de preguntas, la elaboración de explicaciones, la experimentación, el análisis de datos y la comunicación de resultados.
A este conjunto de prácticas se lo suele denominar método científico. Sin embargo, no debe entenderse como una receta rígida que todos los científicos siguen exactamente en el mismo orden. En la investigación real, algunas etapas pueden repetirse, combinarse o modificarse de acuerdo con el problema estudiado. La investigación científica es, en muchos casos, un proceso iterativo en el que las evidencias obtenidas permiten formular nuevas preguntas y mejorar las explicaciones existentes.
En química, este proceso permite estudiar fenómenos, comprobar explicaciones mediante evidencias experimentales, desarrollar nuevos modelos y teorías, y diseñar sustancias y procesos con propiedades determinadas.
1.4.1. Principales etapas de una investigación científica
Para comprender cómo se aplica el método científico a la química, puede utilizarse una secuencia didáctica que incluya las siguientes etapas.
1.4.1.1. Observación
La observación consiste en obtener información sobre un fenómeno mediante los sentidos o mediante instrumentos de medición. En química, las observaciones pueden incluir cambios de color, formación de un precipitado, desprendimiento de un gas, cambios de temperatura, variaciones de presión, modificaciones del estado físico o cambios en otras propiedades.
La observación no tiene que ser necesariamente el primer acontecimiento de una investigación científica, pero constituye un punto de partida útil para plantear determinados problemas.
Ejemplo en química:
Un investigador observa que una sustancia cambia de color cuando se calienta.
Este hecho no explica por sí mismo la causa del cambio, pero proporciona información que puede conducir a nuevas preguntas.
1.4.1.2. Planteamiento de una pregunta
A partir de una observación o de un problema científico, se formula una pregunta de investigación. Esta debe ser suficientemente clara para determinar qué información se necesita obtener.
Ejemplo en química:
¿El cambio de color de la sustancia se debe a una transformación química provocada por el aumento de temperatura?
Una buena pregunta permite definir qué variables deben estudiarse y qué evidencias podrían ayudar a responderla.
1.4.1.3. Formulación de una hipótesis
Una hipótesis es una explicación provisional de un fenómeno que puede someterse a prueba mediante observaciones o experimentos.
Una hipótesis científica debe ser formulada de manera que sea posible obtener evidencia que la apoye o que muestre que resulta incompatible con los resultados obtenidos.
Ejemplo en química:
El calentamiento provoca una reacción química entre los componentes de la sustancia, produciendo compuestos que presentan un color diferente.
La hipótesis no constituye una conclusión definitiva. Su validez debe evaluarse mediante evidencia.
1.4.1.4. Diseño y realización de la investigación
Una vez planteada la hipótesis, se diseña una investigación que permita obtener datos relevantes.
En un experimento, el investigador puede modificar determinadas condiciones y medir sus efectos. Cuando corresponde, se establecen controles y se mantienen constantes determinadas variables para reducir posibles fuentes de error.
No todas las investigaciones químicas tienen la misma estructura. Algunas requieren experimentos controlados; otras utilizan análisis instrumentales, observaciones, simulaciones, cálculos, síntesis químicas o diferentes combinaciones de estas herramientas.
Variables en un experimento químico
Cuando el diseño experimental lo permite, pueden distinguirse:
- Variable independiente: condición que el investigador modifica deliberadamente, como la temperatura.
- Variable dependiente: magnitud que se mide para determinar el efecto de la variable independiente, como una determinada propiedad óptica relacionada con el color.
- Variables controladas: condiciones que se mantienen constantes para evitar que interfieran en la interpretación de los resultados, como la cantidad de muestra, el tiempo de calentamiento o la presión, según el experimento.
Ejemplo en química:
El investigador puede calentar diferentes muestras de una misma sustancia a distintas temperaturas y registrar los cambios observados en cada caso.
1.4.1.5. Obtención y análisis de datos
Los resultados de una investigación deben registrarse de forma organizada. Los datos pueden ser cualitativos, cuando describen características o cambios observables, o cuantitativos, cuando corresponden a mediciones numéricas.
En química pueden medirse, entre otras propiedades, la masa, temperatura, presión, volumen, concentración, pH, conductividad, absorbancia o composición de una muestra.
Posteriormente, los datos se analizan para determinar qué patrones aparecen y si proporcionan evidencia compatible o incompatible con la hipótesis planteada.
Ejemplo en química:
Los resultados muestran que el cambio de color aumenta progresivamente con la temperatura y que, por encima de determinada temperatura, aparece además una nueva sustancia identificable mediante un método analítico.
Estos datos proporcionarían evidencia a favor de la posibilidad de que esté ocurriendo una transformación química.
1.4.1.6. Interpretación y conclusión
A partir del análisis de los datos se construye una conclusión que responde a la pregunta de investigación y evalúa la hipótesis.
Si los resultados son compatibles con la hipótesis, esta recibe apoyo de la evidencia obtenida. Si los resultados contradicen las predicciones de la hipótesis, esta debe modificarse, rechazarse o sustituirse por otra explicación.
Es importante comprender que un experimento normalmente no convierte una hipótesis en una verdad absoluta. La evidencia científica se acumula mediante diferentes investigaciones y puede llevar a explicaciones cada vez más sólidas.
Ejemplo en química:
Los resultados obtenidos indican que el calentamiento está asociado con la formación de nuevas sustancias y, por tanto, apoyan la hipótesis de que el cambio de color está relacionado con una transformación química.
1.4.1.7. Comunicación de los resultados
La ciencia es una actividad colectiva. Los resultados de una investigación se comunican mediante artículos científicos, informes, congresos, bases de datos y otros medios especializados.
La comunicación permite que otros investigadores conozcan los métodos utilizados, analicen los datos y evalúen las conclusiones.
La publicación no significa que una explicación haya quedado demostrada de manera definitiva. El conocimiento científico permanece abierto a nuevas evidencias, revisiones y mejoras.
1.4.1.8. Revisión, replicación y nuevas investigaciones
Otros investigadores pueden revisar los métodos y resultados y realizar estudios independientes para comprobar si obtienen resultados compatibles.
La replicación de investigaciones puede aumentar la confianza en determinados resultados, aunque reproducir un experimento no siempre significa repetirlo de manera idéntica. Dependiendo de la disciplina y del problema, pueden utilizarse diferentes métodos para comprobar la solidez de una conclusión.
Este proceso también puede revelar errores, limitaciones o nuevas preguntas. Por ello, la investigación científica no termina necesariamente con una conclusión: un resultado puede convertirse en el punto de partida de una investigación posterior.
1.4.2. Ejemplos históricos de investigación científica en Química
La historia de la química proporciona numerosos ejemplos de cómo las observaciones, los experimentos, las mediciones y las explicaciones teóricas se fueron combinando para construir el conocimiento científico.
1.4.2.1. El estudio del oxígeno: Priestley, Scheele y Lavoisier
La historia del oxígeno es un buen ejemplo de por qué los descubrimientos científicos no siempre pueden atribuirse a una única persona.
El químico sueco Carl Wilhelm Scheele produjo oxígeno antes de 1774, aunque su trabajo se publicó posteriormente. En 1774, Joseph Priestley produjo el gas calentando óxido de mercurio y publicó sus observaciones. Comprobó que una vela ardía con mayor intensidad en ese gas y observó que podía mantener la respiración de un animal durante más tiempo que el aire ordinario.
Priestley interpretó inicialmente estos resultados dentro de la teoría del flogisto y denominó al gas «aire desflogisticado». Esto demuestra que obtener un resultado experimental y comprender correctamente su significado son procesos diferentes.
Posteriormente, Antoine Lavoisier estudió estos fenómenos mediante mediciones cuantitativas. Reconoció que el gas formaba parte del aire y desempeñaba un papel fundamental en la combustión y en la oxidación de determinadas sustancias. También introdujo el nombre «oxígeno» y contribuyó decisivamente a establecer una interpretación cuantitativa de las reacciones químicas.
Este episodio muestra que el desarrollo científico puede involucrar a varios investigadores y que una observación experimental adquiere significado dentro de un marco teórico que puede cambiar con nuevas evidencias.
1.4.2.2. La teoría atómica de Dalton
A comienzos del siglo XIX, John Dalton utilizó información obtenida de estudios sobre gases y de las proporciones en que los elementos se combinaban para desarrollar una teoría atómica.
Las leyes de las proporciones definidas y de las proporciones múltiples proporcionaban evidencia de que los elementos se combinaban siguiendo relaciones numéricas determinadas. Dalton propuso que cada elemento estaba constituido por su propio tipo de átomos y que los compuestos se formaban mediante combinaciones de esos átomos en proporciones enteras.
Su teoría representó un paso decisivo para interpretar cuantitativamente las reacciones químicas.
Sin embargo, algunas partes del modelo de Dalton posteriormente fueron modificadas. Dalton consideraba los átomos indivisibles, mientras que la química y la física posteriores demostraron que los átomos poseen una estructura interna formada por partículas subatómicas.
Por ello, la teoría de Dalton constituye un buen ejemplo de cómo funciona la ciencia: una teoría puede ser extraordinariamente útil y, al mismo tiempo, contener aspectos que posteriormente sean corregidos o ampliados.
1.4.3. Importancia del método científico en la Química
El método científico y las prácticas asociadas a él son fundamentales para la química porque permiten:
- Obtener conocimiento basado en evidencias: las explicaciones científicas deben relacionarse con observaciones, mediciones y resultados verificables.
- Evaluar hipótesis y modelos: las ideas pueden someterse a pruebas y compararse con los resultados experimentales.
- Detectar errores y limitaciones: la repetición, el análisis crítico y la revisión permiten identificar posibles problemas en los métodos o interpretaciones.
- Construir conocimiento acumulativo: los investigadores pueden utilizar resultados anteriores como base para nuevas investigaciones.
- Desarrollar aplicaciones tecnológicas: numerosos medicamentos, materiales, procesos industriales, métodos analíticos y tecnologías de tratamiento se han desarrollado a partir del conocimiento químico acumulado.
La investigación científica tampoco elimina por completo los errores o sesgos. Su fortaleza reside en utilizar procedimientos, controles, mediciones, análisis crítico y comunicación abierta para que las afirmaciones científicas puedan ser examinadas por otros investigadores.
Ejercicios prácticos
Ejercicio 1: Aplicación del método científico
Considera la siguiente situación:
Una bebida gaseosa pierde progresivamente su efervescencia después de abrir el recipiente.
Formula una pregunta de investigación, plantea una hipótesis, identifica las variables que podrían estudiarse y propone un procedimiento para obtener datos que permitan evaluar la hipótesis.
Objetivo: aplicar conceptos relacionados con la investigación científica a un fenómeno cotidiano.
Ejercicio 2: Investigación experimental
En una demostración supervisada de laboratorio, puede estudiarse la reacción entre bicarbonato de sodio y un ácido alimentario, como el ácido acético presente en el vinagre.
Los estudiantes deben observar la formación de gas, registrar los datos disponibles y explicar qué evidencia permite concluir que está ocurriendo una transformación química.
Objetivo: relacionar observaciones experimentales con conceptos de reacciones químicas y análisis de evidencias.
Ejercicio 3: Estudio de un caso histórico
Investiga un descubrimiento importante de la historia de la química, como el trabajo de William Ramsay sobre los gases nobles.
Identifica las observaciones, preguntas, experimentos, datos y explicaciones que contribuyeron al desarrollo de ese conocimiento.
Objetivo: comprender que los descubrimientos científicos reales no necesariamente siguen una secuencia rígida de pasos, sino que suelen desarrollarse mediante investigaciones sucesivas y conexiones entre diferentes evidencias.
Conclusión
El método científico no debe entenderse como una receta rígida que garantiza automáticamente resultados correctos. Es una forma sistemática de construir y evaluar conocimiento mediante observaciones, preguntas, hipótesis, experimentos, mediciones, análisis, comunicación y revisión.
En química, estas prácticas permiten estudiar las propiedades y transformaciones de la materia con base en evidencias. También permiten corregir explicaciones anteriores, desarrollar nuevos modelos y generar conocimientos que posteriormente pueden utilizarse en la medicina, la industria, la tecnología y la protección del medio ambiente.
La historia de la química demuestra además que la ciencia es un proceso progresivo y colectivo. Las explicaciones científicas pueden modificarse cuando aparecen nuevas evidencias, y los resultados de una investigación pueden convertirse en el punto de partida para nuevos descubrimientos.