Educació Química EduQ

Educació Química

Societat Catalana de Química - Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

La reacció química

La progresión de los aprendizajes sobre la composición, estructura y transformación química de la materia

Investigar sobre els canvis en la matèria a l’educació primària

Com funciona una flama? Construcció i reconstrucció de models mentals davant d’una espelma

Indagar y modelizar sobre reacciones bioquímicas

Educació Química EduQ

Desembre 2020, número 27

Editors

Fina Guitart, CESIRE, Departament d’Ensenyament, SCQ, Barcelona

Aureli Caamaño, SCQ, Barcelona

Pere Grapí, INS Joan Oliver, Sabadell

Consell Editor

Jordi Cuadros, IQS-URL, Barcelona

Josep Durán, UdG, Girona

Mercè Izquierdo, UAB, Barcelona

Claudi Mans, UB, Barcelona

Àngel Messeguer, CSIC, Barcelona

Neus Sanmartí, UAB, Barcelona

Amparo Vilches, UV, València

Consell Assessor

Consell Assessor Catalunya / Espanya

Joan Aliberas, INS Puig i Cadafalch, Mataró

Miquel Calvet, INS Castellar, Castellar del Vallès

Francesc Centellas, UB, Barcelona

Josep Corominas, Escola Pia, Sitges

Anicet Cosialls, INS Guindàvols, Lleida

Carlos Durán, Centro Principia, Màlaga

Xavier Duran, TV3, Barcelona

Josep M. Fernández, UB, Barcelona

Dolors Grau, UPC, Manresa

Paz Gómez, INS Provençana, l’Hospitalet de Llobregat

Elvira González, Centro de Ciencias, Bilbao

Pilar González Duarte, UAB, Barcelona

Ruth Jiménez, UAL, Almeria

Teresa Lupión, Centro de Recursos UMA, Màlaga

María Jesús Martín-Díaz, IES Jorge Manrique, Madrid

José María Oliva, UCA, Cadis

Gabriel Pinto, UPM, RSEQ, Madrid

Marta Planas, UdG, Girona

Anna Roglans, UdG, Girona Núria Ruiz, URV, Tarragona

Olga Schaaff, Escola Rosa dels Vents, Barcelona

Marta Segura, Escola Pia Nostra Senyora, Barcelona

Romà Tauler, IDAEA-CSIC, Barcelona

Montse Tortosa, INS Ferran Casablancas, Sabadell

Gregori Ujaque, UAB, Barcelona

Nora Ventosa, ICMAB-CSIC, Barcelona

Josep Anton Vieta, UdG, Girona

Consell Assessor Internacional

María del Carmen Barreto, Universitat de Piura, Perú Liberato Cardellini, U. Politecnica delle Marche, Itàlia Agustina Echeverría, Universitat Federal de Goiás, Brasil

Sibel Erduran, Universitat de Bristol, Regne Unit Odilla Finlayson, Universitat de Dublín, Irlanda

Lidia Galagowsky, Universitat de Buenos Aires, Argentina

Marcelo Giordan. Universitat de São Paulo, Brasil

Gisela Hernández, UNAM, Mèxic Èric Jover, Observatori de la Sostenibilitat d’Andorra Isabel Martins, Universitat d’Aveiro, Portugal Eduardo Mortimer, Universitat de Minas Gerais, Belo Horizonte, Brasil

Carlos Javier Mosquera, Universitat Distrital, Bogotà, Colòmbia Fátima Paixão, Castelo Branco, Portugal Vincent Parbelle, Lycée La Martinière, Lió, França Ilka Parchmann, Universitat de Kiel, Alemanya Mario Quintanilla, Pontifícia Universitat Catòlica, Xile Santiago Sandi-Urena, Universidad de Costa Rica Vicente Talanquer, Universitat d’Arizona, EUA

Societat Catalana de Química (SCQ) http://blogs.iec.cat/scq/

President: Carles Bo filial de l’ Institut d’Estudis Catalans (IEC) Barcelona. Catalunya. Espanya

Impressió: Gráficas Rey

ISSN: 2013-1755

Dipòsit Legal: B-35770-2008

ÍNDEX

Editorial

Monografia: «La reacció química» .

Aureli Caamaño, Fina Guitart i Pere Grapí

Monografia: La reacció química

La progresión de los aprendizajes sobre la composición, estructura y transformación química de la materia

.4 Vicente Talanquer

Investigar sobre els canvis en la matèria a l’educació primària . .

Jordi Martí, Arnau Amat, Víctor Grau i Isabel Jiménez

Modelització macroscòpica dels canvis físics i químics. Un diàleg constant entre observació, interpretació, experimentació i argumentació .

Aureli Caamaño i Josep Corominas

Com funciona una flama? Construcció i reconstrucció de models mentals davant d’una espelma

Joan Aliberas

Analogías, simulaciones y experimentos mentales para la construcción del modelo del cambio químico 35 María del Mar Aragón-Méndez i José María Oliva

Indagar y modelizar sobre reacciones bioquímicas

42 Verónica Muñóz Campos, Antonio Joaquín Franco Mariscal i Ángel Blanco López

Experiencias prácticas para la enseñanza y el aprendizaje de las reacciones químicas

Gabriel Pinto Cañón i Marisa Prolongo Sarria

Reacció química i transformació química: dos termes per a destacar el paper dels models en l’ensenyament de la química a França . . .

Isabelle Kermen

Tipos de reacciones químicas

Aureli Caamaño

Drets d’autor i responsabilitats

La propietat intel·lectual dels articles és dels respectius autors. Els autors, en el moment de lliurar els articles a la revista Educació Química EduQ per sol·licitar-ne la publicació, accepten els termes següents:

1. Els autors, cedeixen a la Societat Catalana de Química (filial de l’Institut d’Estudis Catalans) els drets de reproducció, comunicació pública i distribució dels articles presentats per ser publicats a la revista Educació Química EduQ

2. Els autors responen davant la Societat Catalana de Química de l’autoria i l’originalitat dels articles presentats.

3. És responsabilitat dels autors l’obtenció dels permisos per a la reproducció de tot el material gràfic inclòs en els articles.

4. La Societat Catalana de Química està exempta de tota responsabilitat derivada de l’eventual vulneració de drets de propietat intel·lectual per part dels autors.

5. Els continguts publicats a la revista estan subjectes (llevat que s’indiqui el contrari en el text o en el material gràfic) a una llicència Reconeixement-No comercial-Sense obres derivades 3.0 Espanya (by-nc-nd), de Creative Commons, el text complet de la qual es pot consultar a http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/deed.ca Així, doncs, s’autoritza el públic en general a reproduir, distribuir i comunicar l’obra sempre que se’n reconegui l’autoria i l’entitat que la publica i no se’n faci un ús comercial ni cap obra derivada.

6. La revista Educació Química EduQ no es fa responsable de les idees i opinions exposades pels autors dels articles publicats.

Protecció de dades personals

L’Institut d’Estudis Catalans (IEC) compleix el que estableix el Reglament general de protecció de dades de la Unió Europea (Reglament 2016/679, del 27 d’abril de 2016). De conformitat amb aquesta norma, s’informa que, amb l’acceptació de les normes de publicació, els autors autoritzen que les seves dades personals (nom i cognoms, dades de contacte i dades de filiació) puguin ser publicades en el corresponent volum de la revista Educació Química EduQ Aquestes dades seran incorporades a un tractament que és responsabilitat de l’IEC amb la finalitat de gestionar aquesta publicació. Únicament s’utilitzaran les dades dels autors per gestionar la publicació de la revista Educació Química EduQ i no seran cedides a tercers, ni es produiran transferències a tercers països o organitzacions internacionals. Un cop publicada la revista Educació Química EduQ, aquestes dades es conservaran com a part del registre històric d’autors. Els autors poden exercir els drets d’accés, rectificació, supressió, oposició, limitació en el tractament i portabilitat adreçant-se per escrit a l’Institut d’Estudis Catalans (C. del Carme, 47, 08001 Barcelona), o bé enviant un correu electrònic a l’adreça dades.personals@iec.cat, en què s’especifiqui de quina publicació es tracta.

Editorial

Presentació de la monografia: «La reacció química»

Els dos grans àmbits conceptuals que permeten estructurar el currículum de química són els que fan referència, per una banda, als materials i a les substàncies i, per l’altra, a les transformacions físiques i químiques de les substàncies. Aquest monogràfic està dedicat al segon d’aquests àmbits, i especialment a la reacció química. A través de la indagació, la modelització i la contextualització de l’extraordinari procés químic que implica la transformació d’unes substàncies en unes altres de diferents, es presenten tota una sèrie de propostes didàctiques per a l’ensenyament-aprenentatge de les reaccions químiques.

La modelització de la composició i l’estructura de les substàncies i de les seves transformacions físiques i químiques s’inicia a l’educació primària i prossegueix a l’educació secundària obligatòria i a batxillerat. És per això que hem volgut que el monogràfic s’iniciï amb una reflexió sobre quina ha de ser la progressió dels aprenentatges sobre la composició, l’estructura i les transformacions físiques i químiques de la matèria al llarg d’aquests nivells educatius. El segon article tracta de la investigació dels canvis en la matèria a l’educació primària, i la resta d’articles tracten de la indagació, la modelització i la contextualització de les reaccions químiques en els cursos de 2n, 3r i 4t d’ESO, tret de l’últim, que fa esment de les reaccions que condueixen a estats d’equilibri i que s’estudien a batxillerat.

En el primer article, «La progresión de los aprendizajes sobre la composición, estructura y transformación química de la materia», Vicente Talanquer presenta una proposta de progressió dels aprenentatges d’aquests conceptes des dels primers cursos de l’educació primària (6-8 anys) fins als últims de l’educació secundària superior (15-17 anys), basada en els resultats d’investigacions existents sobre el pensament dels estudiants en aquestes àrees.

En el segon article, «Investigar sobre els canvis en la matèria a l’educació primària», Jordi Martí, Arnau Amat, Víctor Grau i Isabel Jiménez reflexionen sobre les idees clau que cal treballar al llarg de la primària per situar els alumnes de cicle superior en disposició de començar a comprendre el que passa en un canvi químic. Consideren que hi ha dues idees clau que cal treballar a fons: la conservació de la quantitat de la matèria i el fet que la matèria està feta de partícules. I defensen passar d’un model macroscòpic a un model corpuscular i, finalment, modificar aquest model per intentar explicar els canvis químics.

Aureli Caamaño i Josep Corominas, en l’article «Modelització macroscòpica dels canvis físics i químics. Un diàleg constant entre observació, interpretació, experimentació i argumentació», presenten una seqüència didàctica per a 2n i 3r d’ESO que té com a objectiu diferenciar els canvis físics dels canvis químics i identificar les substàncies que reaccionen i es formen en un conjunt seleccionat de reaccions químiques. Cada activitat es porta a terme a través d’un procés d’indagació i modelització en set etapes. Al final, es descriuen amb detall dues d’aquestes activitats: l’escalfament de la llana d’acer i la combustió d’una espelma.

En l’article següent, «Com funciona una flama? Construcció i reconstrucció de models mentals davant d’una espelma», Joan Aliberas aborda la interpretació del funcionament de la flama d’una espelma des del punt de vista de la dinàmica racional i emocional que es produeix en l’alumnat d’una classe de 3r d’ESO quan s’investiga experimentalment la flama. S’analitzen els diversos models mentals dels alumnes i com els reconstrueixen fins que resulten plenament satisfactoris. El procés mostra la importància d’una conducció eficient del diàleg a la classe fins a aconseguir un consens entre els participants.

María del Mar Aragón-Méndez i José María Oliva, en l’article «Analogías, simulaciones y experimentos mentales para la construcción del modelo del cambio químico», exemplifiquen la modelització del canvi químic a través d’una sèrie d’activitats que utilitzen com a recursos analogies, experiments mentals, simulacions i animacions. Totes aquestes activitats formen part d’una seqüència didàctica entorn de la contaminació atmosfèrica i els processos de combustió dissenyada per a alumnes de 3r d’ESO. La modelització es realitza a través de cinc fases que impliquen l’elaboració d’un primer model, la seva representació, avaluació i modificació i, finalment, la seva aplicació.

Verónica Muñoz, Antonio Joaquín Franco Mariscal i Ángel Blanco, en «Indagar y modelizar sobre reacciones bioquímicas», mostren una seqüència d’activitats per a indagar i interpretar dues reaccions químiques en què el paper dels bacteris és essencial: l’elaboració del iogurt casolà i la formació de la càries. L’objectiu és ajudar els estudiants de 4t d’ESO a comprendre com tenen lloc aquestes reaccions mitjançant la identificació dels reactius i productes i, en el cas de l’elaboració del iogurt, a explorar les idees dels estudiants sobre aquest procés mitjançant representacions gràfiques i a indagar experimentalment les variables que hi influeixen.

Gabriel Pinto i Marisa Prolongo, en «Experiencias prácticas para la enseñanza y el aprendizaje de las reacciones químicas», proposen una sèrie d’activitats experimentals per a la indagació dels tres tipus de reaccions principals que s’estudien a l’educació secundària: àcid-base, oxidació-reducció i precipitació. Per exemple, es proposen indagacions per a esbrinar què passa quan apropem una solució d’àcid clorhídric a una d’amoníac, quan afegim salfumant a un tros de marbre o vinagre a una closca d’ou, quan encenem un encenedor de gas o quan cremem una cinta de magnesi.

Finalment, Isabelle Kermen, en «Reacció química i transformació química: dos termes per a il·luminar el paper dels models en l’ensenyament de la química a França» reflexiona sobre la distinció que es fa en el currículum francès entre els conceptes de «transformació química» (descripció dels canvis químics que sofreix el sistema) i «reacció química» (el model macroscòpic que caracteritza els reactius i els productes de la reacció). També es diferencia entre transformacions químiques totals i no totals, en les quals l’estat final és un equilibri químic. Aquestes últimes transformacions són interpretades per l’existència de dues reaccions químiques inverses, que es representen per una única equació química a la qual s’associa una constant d’equilibri.

En el proper monogràfic abordarem l’àmbit conceptual de la identitat, la composició i l’estructura de les substàncies químiques i de les seves transformacions físiques.

Aureli Caamaño, Fina Guitart i Pere Grapí Coordinadors del monogràfic Editors d’Educació Química EduQ

Fina Guitart

Aureli Caamaño Pere Grapí

La progresión de los aprendizajes sobre la composición, estructura y transformación química de la materia

Learning progression about the composition, structure and chemical transformation of matter

Vicente Talanquer / Department of Chemistry and Biochemistry, University of Arizona, Tucson AZ, 85745 US

resum

Una progresión de aprendizaje es un modelo instruccional sobre cómo organizar mejor los contenidos y las experiencias y evaluaciones de aprendizaje para desarrollar la comprensión de una idea. Se trata de una conjetura sobre cómo organizar y promover la construcción de esta idea con base en resultados de investigaciones educativas. En este artículo se presenta una propuesta sobre cómo organizar la construcción de conceptos e ideas relacionados con la composición, estructura y transformación química de la materia con base en resultados de investigaciones existentes sobre el pensamiento de los estudiantes en estas áreas.

paraules clau

Composición, estructura, progresión de aprendizajes, reacción química, sustancia.

abstract

A learning progression is an instructional model for how to best organize the content and the learning experiences and assessments to promote student understanding of an idea. It is a conjecture about how to orchestrate and foster the construction of this idea based on findings from educational research. This paper presents a proposal for how to organize the construction of concepts and ideas related to the composition, structure and chemical transformation of matter based on results from existing research on student reasoning in these areas.

keywords

Chemical reaction, composition, learning progression, structure, substance.

Introducción

Las investigaciones educativas realizadas en los últimos treinta años sobre la comprensión y el aprendizaje del concepto de reacción química por estudiantes en diversos niveles educativos revelan las diversas dificultades a las que se enfrentan la mayoría de ellos para comprender cómo y porqué la materia se transforma. Estos estudios nos proporcio-

nan información sobre ideas y concepciones alternativas que los estudiantes expresan al tratar de dar sentido a los cambios observados cuando diferentes materiales interaccionan o son sujetos a distintos tipos de procesos. Aunque investigaciones adicionales son necesarias para adquirir una visión completa sobre cómo las ideas de los estudiantes progresan dependiendo del

currículo utilizado y las experiencias educativas en las que participan, los resultados disponibles sirven de base para discutir cómo estructurar la enseñanza para favorecer aprendizajes significativos en esta área. En esta contribución se presenta un resumen de la literatura en investigación educativa sobre la comprensión del concepto de reacción química,

poniendo énfasis en estudios que revelan cómo las ideas de los estudiantes parecen progresar a medida que avanzan en sus estudios de química. Los resultados de estas investigaciones se utilizan para introducir una progresión en la construcción de conceptos e ideas que puedan facilitar el aprendizaje de este tema.

Progresiones de aprendizaje

En años recientes ha crecido el interés por desarrollar progresiones de aprendizaje de ideas centrales en diversas disciplinas (NRC, 2007; Duschl et al., 2011). Una progresión de aprendizaje puede concebirse como una propuesta o modelo sobre cómo organizar mejor los contenidos y las experiencias y evaluaciones de aprendizaje para desarrollar la comprensión de una idea. Se trata de conjeturas sobre cómo orquestar mejor la construcción y asimilación significativa de ideas centrales con base en resultados de investigaciones educativas sobre los conocimientos previos y formas de pensar de los estudiantes (Duncan & Gotwals, 2015).

Una progresión de aprendizaje típicamente se representa como una secuencia de etapas en la comprensión de los estudiantes, comenzando con ideas iniciales comunes (lo que constituye el «ancla baja» en la progresión) y culminando con el concepto científico normativo que se desea que los estudiantes construyan (lo que constituye el «ancla alta» en la progresión). Los estadios intermedios de la progresión se definen cuidadosamente para representar el avance de formas de pensar de menos a más sofisticadas. También se espera que la progresión de aprendizaje defina la secuencia de experiencias de aprendizaje que facilitarán que los estudiantes se muevan de una etapa a otra, así

como las demostraciones de aprendizaje que pueden utilizarse para evaluar el progreso de los estudiantes (Duschl et al ., 2011).

A la fecha no se han publicado muchos trabajos que presenten progresiones de aprendizaje completas como las descritas en el párrafo anterior. Algunos estudios caracterizan los distintos estadios en una progresión, pero sin incluir las experiencias y demostraciones de aprendizaje asociadas (Stevens et al., 2010; Cooper et al., 2012). Otros investigadores se han enfocado a identificar y describir las formas de pensar de los estudiantes sobre un tema en distintos niveles educativos con el fin de proporcionar las bases cognitivas sobre las que construir progresiones de aprendizaje (Talanquer, 2009; 2018; Hadenfeldt et al., 2016). En este artículo se describen y discuten los resultados de trabajos en esta segunda categoría en el área de reacción química y se utilizan para presentar conjeturas sobre cómo organizar la construcción de ideas sobre la composición, estructura y transformación de la materia.

Lo que sabemos: el concepto de sustancia

Las investigaciones existentes indican que la evolución de las ideas de los estudiantes sobre el concepto de reacción química se relaciona con y depende de cambios en sus conceptualizaciones en otras áreas, como composición y estructura de la materia, propiedades y transformaciones físicas de la materia y conservación de la materia (Liu & Lesniak, 2006; Hadenfeldt et al., 2016). En particular, diversos autores han señalado que la comprensión de las propiedades y transformaciones químicas de la materia se vincula estrechamente con sus ideas sobre el concepto de sustancia (Johnson, 2000; Johnson & Papageorgiou,

2010). Es por ello que la construcción de cualquier progresión de aprendizaje sobre reacción química debe atender al desarrollo de ideas sobre composición y estructura de las sustancias.

Las ideas iniciales de los niños sobre la materia están íntimamente relacionadas con sus experiencias con distintos objetos (Krnel et al., 2003). De hecho, muchos de ellos no necesariamente distinguen entre un objeto y el material del que está hecho y pueden usar las propiedades del objeto, como su tamaño y forma, para diferenciar o clasificar materiales. En estas etapas iniciales, los estudiantes distinguen a los objetos o materiales con base en su apariencia, su origen o su uso (Wiser & Smith, 2008). Por ejemplo, pueden considerar que distintos tipos de sales de color blanco son el mismo material, o pensar que el alcohol proveniente de la fermentación de plantas es distinto del sintetizado en una fábrica.

Dado el rol central que las propiedades perceptibles de los materiales, como su color, textura o brillo, tienen en la diferenciación de materiales en la infancia (Liu & Lesniak, 2006), es de esperar que los estudiantes tengan dificultades para reconocer y aceptar la distinción entre materiales que son mezclas y materiales que están compuestos por una sola sustancia, particularmente en el caso de sistemas homogéneos. Las similitudes o diferencias perceptibles pueden llevar a los niños a considerar que dos sustancias distintas son el mismo material (por ejemplo, considerar que el alcohol es como agua pues los dos son líquidos transparentes) o pensar que una misma sustancia se trataría en realidad de dos materiales diferentes (por ejemplo, considerar que el hierro sólido es distinto del hierro en polvo).

La diferenciación que los niños tienden a hacer entre los distintos materiales no se basa en su composición química sino en su apariencia, origen o función. Sus ideas sobre la composición de los materiales típicamente se refieren a componentes físicos visibles, como la arena está compuesta de pequeños granos y la sal está compuesta de pequeños cristales. Los estudiantes frecuentemente usan una combinación de propiedades extensivas e intensivas para distinguir a los materiales, y las propiedades que utilizan pueden variar dependiendo del contexto o de sus conocimientos o experiencias previas particulares.

La investigación educativa en esta área sugiere que el desarrollo del concepto de sustancia y su distinción del concepto de mezcla toma tiempo y seguramente ocurre de manera fragmentada. Por ejemplo, la distinción puede darse más fácilmente en sistemas compuestos por sólidos homogéneos y heterogéneos que en el caso de gases. El avance conceptual en esta área parece demandar que los estudiantes (Ngai et al., 2014):

— reconozcan que las diferencias entre distintos materiales pueden atribuirse a la presencia de distintos constituyentes con propiedades distintas; — distingan entre las propiedades del material y las del objeto, prestando más atención a propiedades intensivas cuantificables que a diferencias superficiales, y

— reconozcan las limitaciones de las propiedades perceptibles de los materiales como herramientas para diferenciarlos y acepten y comprendan la necesidad de identificar y medir propiedades intensivas características (como puntos de ebullición o fusión).

El desarrollo de las ideas de los estudiantes sobre propiedades intrínsecas de los materiales, tanto

físicas como químicas, es de central importancia para construir el concepto de sustancia química. Las investigaciones existentes sugieren que muchos estudiantes conciben algunas propiedades, como el color o el olor, como entidades separadas o separables de las sustancias mismas (Sanmartí et al., 1995). Esto es, las tratan como entidades cuasi materiales que pueden añadirse o removerse durante un proceso sin que cambie la identidad de las sustancias. Por ejemplo, hay estudiantes que consideran que el resultado de la oxidación de un metal sigue siendo el mismo metal, pero con otro color adquirido durante el proceso (Nieswandt, 2001). Estas ideas llevan a los estudiantes a concebir las sustancias como mezclas de distintos componentes responsables de las propiedades observadas, y a considerar que las propiedades de un material resultan del promedio ponderado de las propiedades de estos componentes (Talanquer, 2008), algunos de los cuales pueden escapar o acumularse en distintas proporciones durante distintos procesos sin cambio en la identidad de las sustancias.

La evolución de las ideas de los estudiantes sufre cambios importantes cuando se introducen modelos sobre la composición y estructura de la materia a nivel submicroscópico. Los estudiantes generalmente adoptan y adaptan estas ideas creando modelos híbridos en los que las partículas inicialmente se conciben como otro componente embebido en el material o como pequeños fragmentos del material mismo (macropartículas). La conceptualización de átomos y moléculas como partículas que poseen las propiedades de la sustancia macroscópica es difícil de modificar y reaparece en distintos contextos en las explicaciones de los estudiantes inclu-

so al nivel universitario (Talanquer, 2018). La idea de que las distintas propiedades medibles de las sustancias emergen de la interacción dinámica entre partículas con una composición atómica y estructura características (micropartículas) en muchos casos no se consolida hasta cursos avanzados.

Las dificultades que tienen los estudiantes para diferenciar la composición y estructura submicroscópica de distintos materiales en sus primeros cursos de química son similares a las que los niños enfrentan para distinguir diferentes tipos de materiales a nivel macroscópico. Su atención tiende a centrarse más en las diferencias explícitas, como el tipo y número de átomos reflejados en la fórmula química de una sustancia, que en las implícitas, como tipo de enlace, geometría molecular e interacciones intermoleculares. Así, muchos estudiantes conciben los compuestos químicos como mezclas de átomos de distintos tipos y consideran que las propiedades de los compuestos son una combinación de las propiedades de estos átomos (Talanquer, 2008). Desde esta perspectiva, no es de sorprender que los alumnos consideren que cuando el agua hierve las burbujas que se forman contienen hidrógeno y oxígeno (los dos componentes elementales que los alumnos reconocen como gases).

En general, muchos estudiantes no establecen conexiones adecuadas entre los modelos submicroscópicos que se les presentan y las sustancias o materiales que buscan modelar. Las conexiones iniciales entre composición-estructura-propiedad se basan en la idea de que las partículas componentes de un sistema tienen las mismas propiedades que se observan a nivel macroscópico (por ejemplo, los átomos de cobre son rojos y

maleables). Las representaciones simbólicas de las sustancias se interpretan de manera superficial, con poca atención a la información implícita que comunican (Talanquer, 2018). De ahí que para muchos estudiantes la única distinción clara entre el monóxido de carbono CO(g) y el óxido de magnesio MgO(s) sea la presencia de dos tipos diferentes de átomos, y no la diferencia en la naturaleza de las interacciones intra e intermoleculares en cada sustancia.

Lo que sabemos: el concepto de reacción química

Diferentes autores han investigado las ideas que los estudiantes manifiestan sobre distintos tipos de transformaciones de la materia (Johnson, 2000; Liu & Lesniak, 2006; Hadenfeldt et al., 2016). En general, las ideas de sentido común están guiadas por características perceptibles de los fenómenos analizados. Por ejemplo, los niños pueden considerar que la materia se conserva en procesos que no provocan cambios visibles en el volumen o apariencia de un sistema, pero juzgar que la masa disminuye en procesos como la combustión de madera donde se producen gases y el volumen de los componentes sólidos disminuye considerablemente. De manera similar, los niños pueden considerar que una sustancia colorida persiste al disolverla en agua, pero expresar que una sustancia desaparece si genera una solución incolora.

Las investigaciones existentes sugieren que las características específicas de cada proceso, junto con los conocimientos y las experiencias previas de cada estudiante, influyen sobre qué aspectos de un proceso se consideran relevantes para analizarlo o explicarlo. Por ejemplo, en procesos como la oxidación de metales los estudiantes tienden a

considerar que la identidad del metal se conserva durante la reacción (Nieswandt, 2001). Sin embargo, en procesos que generan gases como reactivos, sus ideas pueden depender del proceso del que se trata. En algunos casos, como la ebullición del agua, los estudiantes pueden considerar que los componentes elementales se separan, mientras que en otros casos, como la reacción entre un mineral calcáreo y un ácido, pueden pensar que el ácido libera el aire contenido dentro del material sólido.

En general, los estudiantes inicialmente consideran que los cambios en los materiales se producen por la acción de un agente externo que los provoca, ya sea por calentamiento, enfriamiento, o espontáneamente al poner diferentes materiales en contacto (Talanquer, 2018). Estas ideas parecen evolucionar cuando los estudiantes son introducidos a modelos corpusculares de la materia que favorecen la atribución de causalidad a componentes internos de un sistema. En estos casos, es común que los estudiantes consideren que los cambios observados resultan de la acción de un agente interno con alguna propiedad característica o cierta intencionalidad. Por ejemplo, las ideas de que los átomos reaccionan para ganar cierto número de electrones, o que hay compuestos que atacan a otros con el fin de ganar estabilidad, son expresadas de manera común por estudiantes en todos los niveles educativos para justificar diversas reacciones químicas.

Algunas investigaciones sugieren que la introducción de modelos submicroscópicos sobre la composición y estructura de la materia ayudan a los estudiantes a desarrollar ideas centrales tales como la conservación de la masa

durante procesos físicos y químicos, la conservación de la identidad de las sustancias durante cambios físicos y la no conservación de identidad durante cambios químicos (Johnson & Papageorgiou, 2010). Los modelos submicroscópicos también apoyan el desarrollo de explicaciones sobre cómo y por qué ocurren las reacciones químicas. Sin embargo, los estudiantes manifiestan diferentes niveles de dificultad en el uso de estos modelos para analizar y explicar distintos tipos de reacciones. Por ejemplo, los estudiantes utilizan estos modelos de manera más adecuada para analizar reacciones de doble desplazamiento que dan lugar a un precipitado que para dar sentido a reacciones de descomposición de compuestos químicos (Yan & Talanquer, 2015). Existen una gran variedad de estudios sobre las ideas de los estudiantes en referencia a diferentes aspectos de las reacciones químicas, como su direccionalidad, la naturaleza del equilibrio químico y la velocidad de estos procesos. También se han realizado investigaciones sobre concepciones de los estudiantes sobre diferentes tipos de reacciones, como procesos ácido-base, óxido-reducción, o de síntesis de sustancias químicas. Aunque la progresión de ideas en cada una de estas áreas tiene características distintivas, en general se encuentra que los estudiantes inicialmente basan sus análisis en suposiciones de sentido común sobre las propiedades de las sustancias; se guían por características explícitas de las representaciones utilizadas (por ejemplo, tipo y número de átomos en las fórmulas químicas de las sustancias involucradas); típicamente hacen predicciones o toman decisiones con base en la propiedad más distintiva identificada, y atribuyen intencionalidad

Aprenentatge

a los cambios observados (Talanquer, 2018). Esta forma de razonar es persistente y tiende a evolucionar de manera fragmentada y contextualizada. Esto es, los estudiantes pueden aprender a pensar de manera más normativa en ciertas áreas y mantener su razonamiento intuitivo en otras. La progresión tiende a ser lenta y un gran número de estudiantes manifiesta poco avance significativo en sus formas de razonar al finalizar cursos de química tradicionales.

Implicaciones para la enseñanza

Los resultados de las investigaciones educativas resumidos en las secciones anteriores han sido utilizados por algunos autores para proponer progresiones en la introducción de conceptos e ideas en los distintos niveles educativos que favorezcan el desarrollo de aprendizajes significativos sobre composición, estructura y transformación de la materia (Smith et al., 2006; NRC, 2007; 2012; Wiser & Smith, 2008; Johnson & Tymms, 2011). En las tablas 1 y 2 se presenta una versión condensada y adaptada de progresiones propuestas a lo largo de distintas dimensiones importantes como composición, estructura, causalidad y mecanismo. En estas tablas las ideas se organizan en bloques asociados a distintos grados escolares preuniversitarios y se distinguen conceptos y modelos correspondientes a distintas escalas de descripción (macroscópica, corpuscular, atómica, subatómica).

En general, la progresión en las distintas dimensiones se inicia con la observación, análisis y reflexión sobre las propiedades macroscópicas perceptibles y medibles de materiales sólidos y líquidos comunes y de transformaciones simples que involucran cambios de forma o de apariencia. Se pone énfasis en la diferencia-

ción de conceptos tales como objeto, material, mezcla y sustancia y en el reconocimiento de que los cambios en la materia resultan de interacciones que involucran intercambios de energía de distintos tipos (mecánica, térmica, eléctrica). Se busca que los estudiantes reconozcan propiedades intensivas características y cuantificables que pueden utilizarse para identificar y distinguir las distintas sustancias. Adicionalmente se propone centrar la atención de los estudiantes en propiedades que cambian y se conservan durante distintos tipos de transformaciones, y en el análisis de diferencias y similitudes entre varios procesos en distintas dimensiones (material, energética, temporal). En la progresión resumida en las tablas 1 y 2 se considera que los análisis y discusiones sobre composición, estructura y transformación de la materia en la escuela primaria deben mantenerse en el nivel macroscópico, pero ayudando a los estudiantes a reconocer que la materialidad e identidad de las sustancias se conserva aún cuando una muestra se divida en fragmentos imperceptibles. Esta idea es central para introducir el modelo corpuscular de la materia en la escuela media o secundaria, el cual se propone como modelo fundamental a construir, aplicar y evaluar en este nivel educativo. El modelo corpuscular que se resalta va más allá del modelo físico tradicional utilizado para explicar cambios de estado, ya que se propone trabajar con un modelo corpuscular químico que asocia diferencias en identidad y propiedades de las sustancias con diferencias en la composición interna, tamaño, forma y fuerzas de interacción entre las partículas que las componen. En la progresión propuesta, este modelo se

propone como ancla central en la explicación de diferencias y similitudes en los cambios materiales, energéticos y temporales que caracterizan a distintas transformaciones físicas y químicas.

Varios autores consideran que la introducción de un modelo corpuscular químico de la materia apoya la construcción del concepto de reacción química (Johnson & Papageorgiou, 2010; Johnson & Tymms, 2011). También facilita la introducción del modelo atómico que facilita a su vez la diferenciación de conceptos importantes como sustancia elemental y compuesto químico, y fortalece la aceptación de la idea de conservación de la materia en transformaciones que ocurren en sistemas cerrados. En la progresión que se resume en las tablas 1 y 2 se propone trabajar con modelos atómicos simples y modelos subatómicos sencillos de capas de electrones que pueden ser utilizados para explicar diferencias en las propiedades físicas y químicas de las sustancias con base en la existencia de diferentes tipos de enlace químico e interacciones intermoleculares.

Comentarios finales

Diferentes aspectos de la progresión de aprendizaje resumida en las tablas 1 y 2 han sido validados a través de investigaciones educativas en el área. Sin embargo, es necesario más trabajo para determinar el tipo de actividades de aprendizaje que mejor apoyan el avance de los estudiantes a lo largo de la progresión y para desarrollar evaluaciones que permitan determinar de manera válida y confiable el nivel de avance de cada estudiante a lo largo de la secuencia. La progresión propuesta no debe considerarse como un modelo instruccional rígido y

Primaria Baja (C1-3: 6-8 años)

Dimensión/ Escala

Composición Existen diferentes tipos de materiales que se utilizan para elaborar diferentes objetos.

Primaria Alta (C4-6: 9-11 años)

Composición y estructura de la materia

Escuela Media (C7-9: 12-14 años)

Estructura Los objetos pueden construirse a partir de piezas más pequeñas.

La mayoría de los materiales que utilizamos son mezclas de distintos componentes.

Los componentes fundamentales de los materiales pueden ser sustancias elementales o sustancias compuestas (compuestos químicos).

Los materiales pueden subdividirse en piezas más pequeñas hasta el punto de que estas piezas se vuelven imperceptibles.

Propiedades · Los objetos tienen distintas propiedades extensivas que pueden medirse (masa, peso, volumen).

· Los materiales tienen distintas propiedades características que no dependen de la cantidad (color, dureza, flexibilidad).

Tipos de materia Hay distintos materiales sólidos así como diferentes materiales líquidos.

Ciertas propiedades intensivas de los materiales pueden usarse para identificarlos y clasificarlos en distintos grupos con propiedades similares.

Hay distintos materiales que existen en estado gaseoso.

Cada sustancia tiene propiedades características que la distinguen de las demás. Estas propiedades pueden utilizarse para identificarlas, detectarlas, separarlas o cuantificarlas.

Las distintas sustancias difieren en el tipo de partículas que las componen a nivel submicroscópico.

Escuela Media Superior (C10-12: 15-17 años)

Las sustancias elementales están compuestas por átomos del mismo tipo mientras que los compuestos están constituidos por átomos de tipos distintos.

· Las sustancias pueden modelarse como compuestas por partículas submicroscópicas en constante movimiento e interacción.

· Las partículas de distintas sustancias difieren en su composición interna, tamaño, forma y en la fuerza de atracción entre ellas.

· Las propiedades características de las sustancias no son las mismas que las propiedades de las partículas que las componen.

· Las propiedades macroscópicas medibles emergen del movimiento e interacción entre la multitud de partículas componentes.

· Una misma sustancia puede existir en estado sólido, líquido o gaseoso.

· Hay distintos tipos de sustancias con propiedades comunes, como metales, no metales, ácidos, bases.

· Los distintos estados o fases de una sustancia difieren en la posición relativa y movimiento de las partículas que la componen.

· Las sustancias de una misma clase están constituidas por partículas que interaccionan de manera similar entre ellas o con otras sustancias.

Los diferentes tipos de átomos que componen a las distintas sustancias se enlazan y organizan en diferentes formas, como moléculas, redes covalentes, iónicas o metálicas.

Los distintos tipos de átomos están constituidos por distintos números de protones y electrones.

La organización atómica en las sustancias está determinada por las interacciones entre protones y electrones de los átomos constituyentes.

· Los átomos en sustancias de una misma clase interaccionan y se organizan en formas similares.

· La organización atómica afecta las interacciones entre componentes submicroscópicos que determinan las propiedades medibles de las sustancias.

Sustancias de una misma clase (metales, no metales, compuestos iónicos) se caracterizan por tener organizaciones e interacciones atómicas (enlaces químicos) similares.

Las propiedades de las sustancias dependen de cómo se distribuyen los electrones de valencia entre los átomos que las componen y de las interacciones atómicas y moleculares resultantes.

Sustancias de una misma clase se caracterizan por tener distribuciones electrónicas en sus átomos, iones o moléculas con características comunes.

1. Progresión en la construcción de conceptos e ideas relacionados con la composición y estructura de la materia.

Tabla

Aprenentatge

Dimensión/ Escala

Primaria Baja (C1-3: 6-8 años)

Primaria Alta (C4-6: 9-11 años)

Transformación

de la materia

Escuela Media (C7-9: 12-14 años)

Escuela Media Superior (C10-12: 15-17 años)

MacroscópicaMacroscópicaMacroscópicaCorpuscular Atómica Subatómica

Causalidad Los materiales sufren cambios diversos cuando interaccionamos con ellos o entran en contacto con otros materiales.

Podemos utilizar diferentes tipos de energía para inducir cambios en los materiales (energía mecánica, térmica, eléctrica).

· Muchas sustancias cambian de estado cuando sufren un intercambio de energía.

· Muchas sustancias dan lugar a nuevas sustancias cuando interaccionan con otras sustancias o intercambian energía (reacción química).

· Los intercambios de energía causan cambios en la velocidad de las partículas de las sustancias y afectan sus interacciones.

· Las interacciones entre distintos tipos de partículas pueden dar lugar a nuevas partículas con distinto tamaño, forma e interacción entre ellas.

Los intercambios de energía y las interacciones entre los átomos de distintas sustancias pueden dar lugar a redistribuciones atómicas responsables de la formación de nuevas sustancias.

Los intercambios de energía y las interacciones entre electrones y protones en los átomos de distintas sustancias causan redistribuciones electrónicas.

Mecanismo

Conservación de la materia

Hay trasformaciones en las que la cantidad de materia no cambia (cambio de forma en sólidos y líquidos).

Intercambio de energía

Cambio en el tiempo Los materiales sufren cambios en distintas escalas de tiempo.

Hay transformaciones en las que la cantidad de materia no cambia (disolución, cambios de volumen en gases).

Algunos cambios requieren energía y otros producen energía (o es necesario extraer energía para que se lleven a cabo).

Hay transformaciones en las que la cantidad de materia no cambia (disolución, cambios de fase, reacciones químicas).

Algunos cambios de estado requieren energía para llevarse a cabo (endotérmicos) mientras otros generan energía (exotérmicos).

· Durante un cambio de estado, las partículas de las sustancias cambian su posición relativa como resultado de la energía intercambiada.

· Interacciones electrostáticas entre las partículas de distintas sustancias pueden dar lugar a nuevas entidades corpusculares.

El número de partículas que componen a una sustancia no cambia durante cambios de fase en sistemas cerrados.

En procesos endotérmicos las partículas que componen a las sustancias pasan de estados de menor a mayor energía potencial. Lo opuesto sucede en procesos exotérmicos.

La rapidez de los cambios típicamente se incrementa al aumentar la temperatura.

La rapidez de los cambios depende de diversos factores, como temperatura, concentración, área de contacto.

La rapidez de los procesos depende de la velocidad de las partículas y su concentración en un sistema.

En una reacción química, colisiones entre partículas producen una ruptura de enlaces químicos entre átomos de los reactivos, lo que causa reagrupaciones atómicas y formación de nuevos enlaces.

Las interacciones entre electrones y protones en las distintas partículas que participan en una reacción química dan lugar a redistribuciones atómicas.

El número de átomos de cada tipo no cambia durante transformaciones físicas y químicas en sistemas cerrados.

La energía absorbida o liberada en una reacción química resulta del balance entre la energía requerida para romper enlaces y la energía producida cuando nuevos enlaces se forman.

La rapidez de las reacciones químicas se puede entender en términos de frecuencia de colisiones, orientación molecular y energía necesaria para inducir reacomodos atómicos.

Tabla 2. Progresión en la construcción de conceptos e ideas relacionados con la transformación de la materia.

único. Es posible que, dependiendo del contexto y del tipo de estudiantes con los que se trabaja, alteraciones en la progresión resulten beneficiosas para favorecer el aprendizaje. La progresión es parte de un modelo instruccional tentativo que sirve para guiar, orientar y coordinar el trabajo de docentes en diversos niveles educativos, pero debe adaptarse a las condiciones particulares de cada sistema educativo, en cada escuela y en cada aula.

Referencias

Cooper, M. M.; Underwood, S. M.; Hilley, C. Z.; KlyMKowSKy, M. W. (2012). «Development and assessment of a molecular structure and properties learning progression». J. Chem. Educ., n.º 89, p. 1351-1357.

dUnCan, r. G.; GotwalS, A. W. (2015). «A tale of two progressions: on the benefits of careful comparisons». Sci. Educ., n.º 99, p. 410-416.

d USCH l , r .; M aen G , S.; S e Z en , A. (2011). «Learning progressions and teaching sequences: a review and analysis». Stud. Sci. Educ ., vol. 47, n.º 2, p. 123-182.

Hadenfeldt, J. C.; neUMann, K.; BernHolt, S.; liU, X.; parCHMann, I. (2016). «Students’ progression in understanding the matter concept». J. Res. Sci. Teach., n.º 53, p. 683-708.

JoHnSon, P. (2000). «Children’s understanding of substances, part 1: Recognizing chemical change». Int. J. Sci. Educ., vol. 22, n.º 7, p. 719-737.

JoHnSon, p.; papaGeorGioU, G. (2010). «Rethinking the introduction of particle theory: A substance-based framework». J. Res. Sci. Teach., vol. 47, n.º 2, p. 130-150.

JoHnSon, p.; tyMMS, P. (2011). «The emergence of a learning progression in middle school

chemistry». J. Res. Sci. Teach., n.º 48, p. 849-877.

Krnel, d.; GlaZar, S. a.; watSon, R. (2003). «The development of the concept of “matter”: A cross age study of how children classify materials». Sci. Educ., n.º 87, p. 621-639.

liU, X.; leSniaK, K. (2006). «Progression in children’s understanding of the matter concept from elementary to high school». J. Res. Sci. Teach., vol. 43. n.º 3, p. 320-347.

national reSearCH CoUnCil (NRC) (2007). Taking science to school: learning and teaching science in grades K-8. Washington, DC: National Academies Press.

national reSearCH CoUnCil (NRC) (2012). A framework for K-12 science education: practices, crosscutting concepts, and core ideas. Washington, DC: The National Academies Press.

n G ai , C.; S evian , H.; t alanqU er , V. (2014). «What is this substance? What makes it different? Mapping progression in students’ assumptions about chemical identity». Int. J. Sci. Educ ., n.º 36, p. 2438-2461.

nieSwandt, M. (2001). «Problems and possibilities for learning in an introductory chemistry course from a conceptual change perspective». Sci. Educ., n.º 85, p. 158-179.

SanMartí, n.; iZqUierdo, M.; watSon, R. (1995). «The substantialisation of properties in pupil’s thinking and in the history of science». Sci. & Educ., n.º 4, p. 349-369.

SMitH, C.; wiSer, M.; anderSon, C. w.; KraJCiK, J. (2006). «Implications of research on children’s learning for assessment: Matter and atomic molecular theory». Measurement, n.º 14, p. 1-98.

StevenS, S.; delGado, C.; KraJCiK, J. S. (2010). «Developing a hypothetical multi-dimensional

learning progression for the nature of matter». J. Res. Sci. Teach., n.º 47, p. 687-715.

talanqUer, V. (2008). «Students’ predictions about the sensory properties of chemical compounds: Additive versus emergent frameworks». Sci. Educ., n.º 92, p. 96-114. (2009). «On cognitive constraints and learning progressions: the case of structure of matter». Int. J. Sci. Educ., n.º 31, p. 2123-2136. (2018). «Progression in reasoning about structure-property relationships». Chem. Educ. Res. Pract., n.º 19, p. 998-1009.

wiSer, M.; SMitH, C. L. (2008). «Learning and teaching about matter in Grades K-8: When should the atomic-molecular theory be introduced?». En: voSniadoU, S. (ed.). International handbook of research on conceptual change. Nueva York, NY: Routledge, p. 205-239.

yan, f.; talanqUer, V. (2015). «Students’ Ideas about how and why chemical reactions happen: mapping the conceptual landscape». Int. J. Sci. Educ., n.º 37, p. 3066-3092.

Vicente Talanquer

Profesor en la Universidad de Arizona. Autor o coautor de más de diez libros de primaria y secundaria y de más de cien artículos arbitrados de investigación en educación química y pensamiento docente. Su trabajo se centra en el estudio de las formas de razonamiento de los estudiantes y de los profesores de química.

C. e.: vicente@arizona.edu

Investigar sobre els canvis en la matèria a l’educació primària

Inquiries on substance changes in primary education

Jordi Martí, Arnau Amat, Víctor Grau i Isabel Jiménez / Grup de Recerca CODI (Coneixement i Didàctica) de la UVic-UCC

resum

En aquest article reflexionem sobre dues de les idees clau que caldria treballar al llarg de la primària per tal de situar els alumnes de cicle superior en disposició de començar a comprendre allò que passa en un canvi químic. En primer lloc, justifiquem les idees escollides en referència al marc curricular existent i a la idea de progressió d’aprenentatge. Tot seguit, plantegem com treballar-les i acompanyar-les al llarg de tota aquesta etapa a partir de l’evolució de les idees i els models de l’alumnat.

paraules clau

Canvi químic, educació primària, idees i models clau.

abstract

In this article we reflect on two key foundational ideas that should be built up throughout primary education in order to place upper grade students in a comfortable position to understand what is going on a chemical change. First of all, we justify the election of such key ideas in reference to the existing curricular framework and the idea of learning progression. Next, we consider how to work and develop them based on the evolution of students’ ideas and models.

keywords

Chemical change, primary school, key ideas and models.

Dues idees clau per a investigar els canvis en la matèria a primària

El camí per a introduir la idea de canvi químic a l’educació primària passa per treballar una sèrie d’idees i conceptes clau que, en forma de progressió d’aprenentatge, facilitin aquest recorregut. En aquest primer apartat descrivim què planteja el currículum vigent, i com això que planteja encaixa (o no) amb les progressions d’aprenentatge que s’han proposat des de la recerca en didàctica de les ciències.

La taula 1 mostra els continguts que l’actual currículum d’educació primària proposa dins el bloc de Matèria i Energia i que estan més

directament relacionats amb l’estructura i els canvis en la matèria (Departament d’Ensenyament, 2017). Hi podem observar que al cicle mitjà apareix de manera explícita la idea de canvi físic a través dels canvis d’estat, i que no és fins al cicle superior que es fa referència a la idea de canvi químic. En aquest cas s’opta per una aproximació bàsicament descriptiva de tres tipus de canvis químics força comuns: l’oxidació, la combustió i la fermentació. No sembla, per tant, que es persegueixi l’assoliment d’un primer nivell de comprensió de la idea de canvi químic.

Si assumim que l’educació científica hauria de tenir com a finalitat última ajudar els infants

a millorar la seva comprensió dels fenòmens naturals, fàcilment conclourem que aquest enfocament purament descriptiu no serà suficient per a iniciar-se en la comprensió d’un conjunt de fenòmens complexos i poc intuïtius com són els canvis en la matèria. La insuficiència d’aquest enfocament es fa més evident encara quan analitzem la literatura sobre les idees i els raonaments científics dels infants en relació amb les transformacions de la matèria (Driver, 1999). Tenint en compte aquests estudis, i entenent que les idees i raonaments dels alumnes han de ser sempre el punt de partida de qualsevol procés d’aprenentatge en

ciències, darrerament s’han fet diverses propostes de progressions d’aprenentatge (NRC, 2007) que plantegen quines han de ser les idees clau que cal tractar, com cal distribuir-les al llarg d’un període escolar i com cal incorporar-les a les activitats que es porten a terme a l’aula. Un exemple, referit a l’estructura i als canvis en la matèria, és la progressió que proposen Wiser & Smith (2008) que, adaptada per Amat et al. (2016), es pot trobar sintetitzada a la fig. 1. Segons aquesta progressió, a l’educació primària els docents haurien de partir del conjunt d’idees que sovint comparteixen els nens i nenes de 4 a 6 anys i que conformen el que s’anomena teoria intuïtiva de la matèria. Dues idees clau d’aquesta teoria són: és matèria tot allò que puc tocar o percebre i només pesa allò que noto que pesa. A més a més, en aquesta teoria inicial els infants no consideren el principi de conservació de la matèria.

Per això proposem que les activitats a fer entre cicle inicial i cicle mitjà ajudin l’alumnat a fer el trànsit entre aquesta teoria inicial i el que s’anomena teoria macroscòpica. Això suposa ajudar els infants a a) reconstruir els seus conceptes inicials de matèria i de massa, i b) aprendre a determinar la massa i entendre-la com una propietat clau que caracteritza la matèria, per així poder adquirir el principi de conservació de la matèria, tan important per a la comprensió dels canvis físics i químics. A partir d’aquí, i ja a cicle superior, caldria introduir el model de partícules, que ha de facilitar el trànsit des d’una visió contínua i macroscòpica de la matèria cap a una visió corpuscular o particulada, la qual oferirà als infants unes possibilitats molt més àmplies de comprensió dels fenòmens químics perquè té un poder explicatiu més elevat.

Així doncs, considerem que per a ajudar a construir la idea de canvi químic al final de l’educació primària hi ha almenys dues idees clau que cal treballar a fons:

— Idea 1: La quantitat de matèria (que determinem a través de la mesura de la massa) es conserva tant en els canvis físics com en els canvis químics.

— Idea 2: La matèria està feta de partícules (model de partícules).

A continuació descrivim com podríem introduir aquestes dues idees.

El principi de conservació de la matèria

El principi de conservació de la matèria fou formulat explícitament per primer cop al segle Xviii per Lavoisier i afirma que en una reacció química la quantitat de matèria (la massa) és igual abans i després de la reacció. Aquest principi és extensible als canvis físics (canvis d’estat, dissolucions, dilatació, etc.) i, per tant, esdevé clau per a entendre els canvis en la matèria.

Aquest principi no és evident per als infants de cicle mitjà o més petits. Alguns estudis han mostrat que els nens i nenes de 6 a 9 anys consideren que l’aigua que s’obté de la fusió del gel pesa menys (té menys massa) que no pas el gel que s’havia posat a fondre. Molts nens i nenes tampoc no tenen clar que en una dissolució la massa total sigui equivalent a la suma de la massa del solut i la del dissolvent (Driver, 1999).

Per això és important que en les activitats plantejades per a treballar els canvis físics es pari atenció i es dediqui espai a considerar què passa amb les masses de les substàncies implicades abans i després del canvi. Descrivim a continuació una bona activitat per a introduir aquest principi de conservació de la matèria a partir d’un fenomen molt proper: la fusió del gel (Amat et al., 2016).

Cicle inicial

· Observació i descripció d’interaccions que produeixin canvis en un sistema.

· Observació, descripció i classificació de materials en funció d’algunes propietats tot relacionant-les amb els seus usos.

· Distinció entre objectes d’un sol tipus de material o de diferents.

Cicle mitjà

· Mesura, comparació i ordenació de propietats dels materials: longitud, massa, capacitat i temperatura.

· Conservació de la massa i el volum amb els canvis de forma.

· Experimentació dels canvis d’estat en l’aigua i la seva reversibilitat.

Cicle superior

· Mesura i comparació de masses i volums de materials diversos.

· Observació, experimentació i descripció de materials amb diferents densitats.

· Planificació i realització d’experiències sobre el comportament de materials davant de la llum, el so, la calor, la humitat i l’electricitat.

· Propietats dels diferents materials d’una mescla relacionant-les amb l’ús de diferents tècniques de separació de substàncies: imantació, filtració, decantació, evaporació i destil·lació.

· Propietats de l’aigua com a dissolvent.

· Canvis químics en relació amb fenòmens quotidians: combustions, oxidacions i fermentacions. Aplicació a la prevenció del foc i a l’obtenció de compost.

Taula 1. Continguts del currículum de primària relacionats amb la matèria i els seus canvis (font: Dept. Ensenyament, 2017).

Quan a l’aula es fa l’observació de la fusió d’un glaçó, sovint els mestres fan que els infants descriguin els canvis observables entre l’estat inicial (glaçó) i l’estat final (aigua líquida) o investiguin quant tarda un glaçó a fondre’s en diferents circumstàncies. No és tan freqüent, en canvi, demanar que pesin el glaçó i l’aigua líquida resultant, per a així poder qüestionar la seva idea inicial que aquest pes serà diferent i, a la vegada, aportar evidències a favor del principi de conservació de la matèria.

Aprenentatge

Per això és bo iniciar aquesta activitat fent predir a l’alumnat què passarà amb la massa del glaçó quan es fongui i esdevingui aigua líquida i recollir totes les idees i raonaments dels infants a la pissarra. Un cop hàgim comprovat que la massa inicial dels glaçons (que posarem en una bossa de plàstic) i la massa final de l’aigua líquida és la mateixa, encetarem un debat per contrastar els resultats obtinguts amb les prediccions formulades a l’inici. Tant per als nens i nenes que hagin predit que els pesos seran diferents, com per als que hagin considerat que seran iguals (segurament menys que els anteriors), pot ser bo mostrar-los un tros de plastilina i fer-los pensar sobre com ho podríem fer perquè pesi més, o menys. Es tracta d’arribar a la conclusió que només aconseguirem que pesi menys si traiem plastilina, i només aconseguirem que pesi més si n’hi afegim. Aquest raonament pot ajudar a veure que, en el cas de la fusió del glaçó, no ha passat ni una cosa ni l’altra, és a dir, ni hem afegit aigua ni n’hem tret, per la qual cosa és lògic que les masses inicial i final siguin idèntiques. Assentar bé la idea que la quantitat de matèria es conserva en els canvis físics és un pas necessari per a comprendre a fons els canvis químics, però no és suficient. Per tal de seguir ajudant els nens i nenes a comprendre el principi de conservació de la matèria i les propietats dels diferents estats físics de les substàncies, i com a pas previ necessari a la introducció del canvi químic, considerem que també cal ajudar-los a fer un salt d’escala i passar d’una mirada macroscòpica i contínua de la matèria a una mirada microscòpica i particulada. Caldrà, en definitiva, introduir-los al model de partícules.

Introduir el model de partícules Imaginar-se que el món macroscòpic que tenim al nostre voltant està fet d’elements més petits no visibles (cèl·lules, partícules, etc.) és una idea que defensem que caldria començar a introduir de manera explícita als últims cursos de l’educació primària.

Tal com hem defensat en altres ocasions (Jiménez & Martí, 2013), les idees inicials dels infants han de ser el punt de partida real de l’activitat científica escolar. En aquest sentit, quan se’ls demana com està feta la matèria per dins, la majoria se la imaginen com si fos contínua, i no contemplen la idea o la possibilitat que existeixin petites partícules, almenys de manera espontània.

Per tal de progressar des d’una teoria macroscòpica cap a una teoria particulada, alguns autors (Besson & Viennot, 2004) han defensat que segurament és necessari crear primer models intermedis que serveixin de transició entre el nivell macroscòpic i el nivell submicroscòpic. Alguns autors han identificat les característiques que es podrien atribuir a la idea de partícules que usarem en la ciència escolar a primària (adaptat de De Vos & Verdonk, 1996):

1. Tota la matèria està feta d’unes entitats anomenades partícules. Les partícules són massa petites per ser vistes. Aquests partícules, que ens podem imaginar com petites boles de billar, són dures i immutables.

2. Les diferents substàncies poden estar fetes per la mateixa partícula o per diferents partícules. Hi ha substàncies formades pel mateix tipus de partícules i substàncies formades per tipus diferents de partícules.

3. En els sòlids i en els líquids les partícules estan molt juntes i mantenen una forta atracció, que podem representar com a lligams

entre partícules. En els gasos, l’espai buit entre partícules és molt més gran que l’espai que ocupen les partícules mateixes i, per tant, les forces d’atracció són molt febles, pràcticament inapreciables. Per tant, com més curta és la distància més atretes estan les partícules.

4. El moviment és una característica permanent per a totes les partícules sigui quin sigui el seu estat. Hi ha una relació directa entre la temperatura d’una mostra de matèria i el moviment de les partícules.

5. En les reaccions químiques les partícules es conserven en la reacció. Una reacció és, per tant, un procés en el qual les partícules de diferents substàncies s’uneixen de manera diferent donant lloc a substàncies diferents.

Aquestes cinc característiques es poden anar treballant en funció dels tipus de fenòmens que investiguem (canvis d’estat, dissolucions, canvis químics, etc.), però considerem que es tracta de cinc idees importants que al final de la primària els nens i nenes haurien de tenir clares.

Per tal d’introduir a l’aula el model de partícules, podem prendre com a punt de partida un experiment sobre la compressibilitat dels diferents estats de la matèria utilitzant xeringues (Amat et al., 2016). En primer lloc, es presenten els tres materials a treballar: un tros de guix (sòlid), aigua (líquid) i aire (gas), i es demana als nens i nenes que els col·loquin dins d’una xeringa i comprovin si els poden comprimir. Posteriorment es demana als infants que provin d’imaginar com els veurien per dins, tenint en compte el que acaben d’observar i altres propietats de sòlids, líquids i gasos que ja coneixen. Com que en aquests primers dibuixos difícilment apareixeran punts o boletes que representin partícules, la mestra o el mestre

pot introduir la idea de partícula explicant que: «els científics s’imaginen que la matèria està feta per partícules tan petites que no es poden veure; aquestes partícules ens les podem imaginar com boles de billar que no es poden deformar ni dividir». A partir d’aquí es demana que utilitzin aquesta nova idea per a explicar com s’imaginen que deu ser cada material, tenint en compte les propietats de sòlids, líquids i gasos.

Com a resultat d’aquesta activitat, sovint observarem com les nenes i els nens de cicle superior de primària dibuixen les boletes que representen les partícules tal com es mostra a la fig. 2. En els sòlids sovint colloquen les partícules molt juntes i unides per algun tipus de lligam, mentre que en els líquids les dibuixen una mica més separades. Finalment, en els gasos situen les partícules molt separades entre elles i sense lligams.

Aquests models inicials dels infants expliquen bé perquè el sòlid no es comprimeix i perquè el gas es comprimeix, però no expliquen de manera gaire adequada perquè el líquid no es comprimeix si, segons el dibuix, existeixen espais buits entre les partícules. Aquesta incoherència entre el model i l’observació permetrà iniciar un procés de revisió del model que conduirà a refinar-lo tot introduint, per exemple, l’existència de forces més o menys fortes d’atracció-repulsió entre partícules.

Per això proposarem als infants que facin un model amb boletes de plastilina i altres tipus de materials (escuradents, fils, gomes elàstiques, etc.) que puguin representar les forces que mantenen units els sòlids i els líquids. Sovint observarem com alguns infants usen escuradents per a unir les partícules en els sòlids i, en canvi, usen fils per als líquids, perquè això els permet explicar com és que el líquid no té una forma definida i flueix (fig. 3 i 4).

En aquestes primeres versions del model de partícules els nens i nenes solen representar les substàncies fent servir un sol color de plastilina per a les partícules (per exemple: aigua amb plastilina blava, sal amb plastilina blanca). Com veurem més endavant, els mateixos nens i nenes són capaços de revisar aquest aspecte quan intenten explicar un canvi químic. A més a més, solen ser representacions molt estàtiques, perquè els és difícil concebre que les partícules tinguin algun tipus de moviment. Hi ha experiments que poden ser útils per a qüestionar aquesta visió tan estàtica, com ara observar la difusió d’una gota de tinta en aigua a diferents temperatures (Amat et al ., 2016) o usar representacions corporals que els ajudin a imaginar el moviment de les partícules (Cuberes, 2017).

El principi de conservació de la matèria i el model de partícules construït fins aquí poden ser utilitzats pels infants per a explicar molts canvis físics, com ara la dilatació, els canvis d’estat o les dissolucions. En canvi, per a explicar els canvis químics caldrà refinar de nou el model de partícules, tenint en compte, sobretot, els principis 2 i 5 descrits anteriorment.

L’ús del model de partícules per a investigar sobre els canvis químics a primària

Partint del model de partícules descrit en l’apartat anterior podem començar a treballar els canvis químics al cicle superior. En primer lloc, i tal com haurem fet amb els canvis físics, és important fer una primera aproximació a nivell macroscòpic (Caamaño & Corominas, 2020), observant reaccions que ens permetin constatar que unes substàncies amb unes propietats es transformen en unes altres amb propietats diferents (p. ex.: oxidació del ferro, combustió d’una espelma). L’objectiu final és que els infants comprenguin que aquest canvi de substàncies és el que ens indica que estem davant d’un canvi químic. També pot ser interessant que intentem representar amb paraules aquestes reaccions a nivell macroscòpic encara que sigui utilitzant termes

Figura 2. Models dels alumnes sobre els sòlids, els líquids i els gasos.

Figura 1. Progressió d’aprenentatge de models teòrics en relació amb la matèria.

col·loquials per a designar les substàncies, com per exemple: ferro + oxigen de l’aire → ferro rovellat.

Després d’aquesta primera aproximació macroscòpica, podrem començar a donar sentit al canvi químic prenent com a punt de partida el model de partícules presentat anteriorment, però revisant-lo perquè pugui explicar aquest nou fenomen. Descrivim, a continuació, una possible seqüència d’activitats que contempla aquestes dues aproximacions i que parteix de la reacció química que es dona quan barregem vinagre (una solució d’àcid acètic en aigua) i bicarbonat de sodi.

Aproximació macroscòpica

Demanarem als infants que agafin un globus i hi posin 4 cullerades de bicarbonat de sodi a dins. A continuació, demanarem que posin 120 ml de vinagre dins d’una ampolla petita de plàstic o d’un erlenmeyer. Seguidament, posarem el globus al coll de l’ampolla (o erlenmeyer), i quan estigui ben subjectat a la boca de l’ampolla (o erlenmeyer) deixarem caure el

contingut al seu interior fent que es produeixi la reacció química. Observarem que quan es barregen els dos reactius es produeixen bombolles i el globus es va inflant. Quan la reacció hagi acabat haurem observat el globus inflat i tindrem un líquid transparent a l’ampolla. En aquest moment preguntarem: «Quines “substàncies” teníem al començament?», «En quin estat estaven inicialment aquestes dues “substàncies”?», «Què hem fet?», «Què ha passat?», «Podria ser que s’haguessin format noves “substàncies”?», «Quins indicis tenim que s’hagin format noves substàncies?». Aquestes dues darreres preguntes ens conduiran a pensar que l’observació de les bombolles i el fet que el globus s’infli ens permet concloure l’aparició d’una nova substància que no sabem quina és, però que sabem que és un gas.

A partir d’aquí demanarem: «Podria ser que s’hagués format alguna altra substància que no veiem?». Recordarem als nens i nenes, de quan van treballar les dissolucions, que quan barregem sal i aigua no veiem la sal, tot i que hi és present. Per tant, podria ser que hi hagués alguna substància nova dissolta al líquid encara que no la vegem. Per això els proposarem d’evaporar el líquid, i observarem que apareix una substància blanca sòlida, que és acetat de sodi, però que amb els nens i nenes no cal anomenar.

En aquest moment, i per tal de començar a introduir els infants en la representació dels canvis químics, els podem dir que una manera d’expressar els canvis que s’han produït és representant l’equació amb paraules: bicarbonat de sodi + vinagre → substància gasosa + substància sòlida blanca.

Finalment, també pot ser interessant preguntar: «Us sembla que el que hem obtingut al final

pesa igual, o pesa més o menys que el que teníem al començament?». Això ens permetrà comprovar si els infants utilitzen el principi de conservació de la matèria que han treballat en cursos anteriors en aquesta nova situació. És probable que considerin que sí que pesa igual, però també és probable que considerin que no, donat que apareix un gas i alguns nens o nenes pot ser que encara considerin que els gasos no pesen. Per tal de comprovar-ho, podem repetir l’experiència anterior però amb algunes modificacions. Aquest cop posarem el bicarbonat de sodi dins d’un tub que, amb molta cura, introduirem dins un erlenmeyer. A continuació, mesurarem la massa del conjunt. Després, un cop ben tancat l’erlenmeyer, mourem el recipient per provocar la reacció, tal com es mostra a la fig. 5, i col·locarem de nou el conjunt a sobre la balança per constatar que el pes (massa) no ha variat.

Aproximació submicroscòpica, usant el model de partícules

Un cop treballada la idea de canvi químic a nivell macroscòpic i establert que el que ha passat és que dues substàncies inicials han donat lloc a dues noves substàncies, podem atrevir-nos a utilitzar el model de partícules per a intentar interpretar el que ha passat. En aquest sentit primer de tot podem demanar als nens i nenes que usin el model de partícules per a representar les «substàncies» que teníem abans de la reacció, és a dir, el bicarbonat de sodi i el vinagre. A partir d’aquí els podem demanar que formulin una hipòtesi sobre com pot ser que s’hagin originat les noves «substàncies» (substància gasosa i substància blanca sòlida), preguntant: «Com creieu que s’han format aquestes dues substàncies?». Convidarem els nens i nenes a

Figura 3. Model fet amb plastilina i escuradents que representa un sòlid.

Figura 4. Model fet amb plastilina i cordills que representa un líquid.

cercar una explicació al canvi químic observat tot partint del model de partícules treballat. A partir d’un dibuix o de la construcció de maquetes realitzades amb diferents materials (plastilina, cordills, escuradents, etc.) demanarem que mirin d’explicar allò que han vist, fent ús dels models de sòlid, líquid i gas establerts anteriorment. És molt important tenir present que les representacions i idees que apareguin en aquest moment són models i idees en evolució, que cal acollir sense jutjar-les en sentit negatiu, però mirant de confrontar-les amb noves evidències.

Sens dubte, hi ha moltes possibles respostes a la pregunta anterior, i una d’aquestes possibles respostes incorpora les idees que a) una substància pot estar feta de partícules diferents i b) les partícules es poden reagrupar donant lloc a noves substàncies. Aquestes idees pot ser que no haguessin aparegut en cursos anteriors de l’etapa, quan les investigacions i l’ús del model de partícules estava més centrat en la comprensió dels canvis físics. Per això considerem que si els mateixos infants no les plantegen

és interessant introduir-les i incorporar-les com a revisions o millores al model de partícules que s’havia fet servir fins aquest moment. Sense dubte són dues idees molt útils per a generar hipòtesis explicatives del canvi químic observat.

En aquest sentit, a la fig. 6 mostrem com un infant de 5è de primària sí que ha tingut en compte aquestes idees i representa el bicarbonat i el vinagre com a substàncies fetes amb diferents tipus de partícules, i per això utilitza plastilina de colors diferents. A més a més, diferencia l’estat de les dues substàncies a través del tipus de lligam amb què enganxa les partícules entre elles (fil o escuradents). A l’hora d’explicar què ha passat (fig. 6, foto inferior), l’infant mostra una reorganització d’aquestes partícules que dona lloc a un sòlid (la substància blanca que hem observat en la reacció) i a un gas que, en aquest cas, el nen afirma que «surt d’algunes partícules del bicarbonat que s’alliberen quan el bicarbonat i el vinagre s’ajunten».

Veiem, doncs, com infants de 5è de primària són capaços de

Figura 6. Representacions d’un alumne de 5è de primària per a explicar el canvi químic entre el vinagre i el bicarbonat de sodi.

proposar una nova versió del model de partícules per construir una explicació provisional del canvi químic observat, utilitzant la idea que cadascuna de les substàncies inicials estava feta per diferents tipus de partícules i que la seva recombinació ha generat noves substàncies.

Al llarg de l’educació primària, cada canvi en la representació dels infants sobre la matèria s’hauria de produir per la necessitat d’explicar de manera més consistent nous fenòmens. En aquest sentit, pensem que

Figura 5. Experiència per a comprovar que la massa del sistema reaccionant no canvia.

investigar sobre les reaccions químiques a finals del cicle superior és una manera de comprendre com el coneixement científic suposa una avaluació i una revisió constants d’idees i models que han d’estar basats en les evidències disponibles i han de ser útils per a explicar els fenòmens observats.

Referències

aMat, A.; Martí, J.; GraU, V. (2016). Investiguem la matèria. Barcelona: Institut Municipal d’Educació de Barcelona. BeSSon, U.; viennot, L. (2004).

«Using models at the mesoscopic scale in teaching physics: two experimental interventions in solid friction and fluid statics». International Journal of Science Education, vol. 26, núm. 9, p. 1083-1110.

CaaMaño, a.; CoroMinaS, J. (2020). «Modelització macroscòpica dels canvis físics i químics. Un diàleg constant entre observació, interpretació, experimentació i argumentació». Educació Química EduQ, núm. 27, p. 19-26.

CUBereS, C. (2017). «Com podem aïllar millor els edificis?

Potenciar maneres diferents d’expressar idees». Guix, núm. 433, p. 29-33. de voS, w.; verdonK, a H. (1996). «The particulate nature of matter in science education and in science». Journal of Research in Science Teaching, vol. 33, núm. 6, p. 657-664. departaMent d’enSenyaMent (2017). Currículum Educació Primària. Barcelona: Generalitat de Catalunya, driver, R. (1999). Dando sentido a la ciencia en secundaria: investigaciones sobre las ideas de los niños. Madrid: Visor.

JiMéneZ, i.; Martí, J. (2013). «Aprendre a investigar i investigar per comprendre». Educació Química EduQ, núm. 14, p. 4-10.

NrC (2007). Taking science to school: Learning and teaching science in grades K-8. Washington DC: National Academies Press.

Snir, J.; SMitH, C. l.; raZ, G. (2003). «Linking Phenomena with Competing Underlying Models: A Software Tool for Introducing Students to the Particulate Model of Matter». Science Education, vol. 87, núm. 6, p. 794-830.

wiSer, M.; SMitH, C. L. (2008). «Learning and Teaching about Matter in Grades K-8: When Should the Atomic-Molecular Theory Be Introduced?». A: voSniadoU, S. (ed.). The handbook of research on conceptual change. Londres: Routledge.

Doctor en didàctica de les ciències i professor a la Universitat de Vic (UVic-UCC). Investiga sobre la construcció del coneixement didàctic dels mestres per a l’ensenyament de les ciències. Participa regularment en activitats de formació permanent de mestres. Ha publicat diversos llibres i articles sobre l’ensenyament i l’aprenentatge de les ciències a primària.

A/e: jordi.marti@uvic.cat

Arnau Amat

Doctor en didàctica de les ciències i llicenciat en biologia. Coordina-

dor del Màster en Innovació en Didàctiques Específiques i professor de didàctica de les ciències als graus d’educació de la Facultat d’Educació, Traducció i Ciències Humanes de la UVicUCC.

A/e: arnau.amat@uvic.cat

Víctor Grau

Doctor en ciències físiques per la UPC. Professor a temps complet al Dept. de Didàctica de les Arts i les Ciències de la UVic-UCC. Centra el seu treball en la didàctica de les ciències, especialment en la física. Imparteix didàctica de la física als màsters de professorat de secundària de la UB i la UPF. A través de physics.cat col·labora habitualment en projectes per a CosmoCaixa i altres entitats i centres docents.

A/e: victor.grau@uvic.cat

Isabel Jiménez Bargalló

Llicenciada en biologia, mestra d’educació primària i doctora en innovació i intervenció educatives. Actualment treballa com a investigadora i consultora freelance i com a professora col·laboradora a la Universitat de Vic i a la Universitat Oberta de Catalunya. Investiga la construcció del coneixement didàctic per a l’ensenyament de les ciències en l’educació primària.

A/e: isabel.jimenez@uvic.cat

Jordi Martí

Modelització macroscòpica dels canvis físics i químics. Un diàleg constant

entre observació, interpretació, experimentació i argumentació

Macroscopic modelling of physical and chemical changes at the compulsory secondary education. A constant dialog between observation, interpretation, experiments and arguments

Aureli Caamaño i Josep Corominas / Centre Didàctic de Ciències Experimentals, Col·legi de Llicenciats de Catalunya, Barcelona

resum

En aquest article es presenta una seqüència d’activitats que tenen com a objectiu aprendre a diferenciar els canvis físics dels canvis químics i a identificar les substàncies que reaccionen i es formen en les reaccions químiques. Els canvis que s’investiguen se seqüencien atenent als canvis que tenen lloc quan no es fa cap acció externa, als que es produeixen quan escalfem les substàncies o hi fem passar un corrent elèctric i, finalment, als que tenen lloc quan posem en contacte dues substàncies. Cada activitat es porta a terme a través d’un procés d’indagació i modelització macroscòpica en set etapes.

paraules clau

Canvis físics i químics, reacció química, modelització, indagació.

abstract

In this article we present a sequence of activities that have the objective of learning to differentiate physical changes from chemical changes and to identify the substances that react and are formed in chemical reactions. It is also intended to observe a series of characteristics of chemical reactions and to initiate a process of classification. The changes that are investigated are sequenced on the base of the changes that are carried out without any external action, those which are produced when substances are heated or an electrical current pass through them and, lastly, when we put in contact two substances. Each activity is carried out through a process of investigation and modelling in seven stages.

keywords

Physical and chemical changes, chemical reaction, modeling, inquiry.

Indagar una diversitat de canvis físics i químics

En el segon curs de l’educació secundària obligatòria, de forma molt simple, i a tercer curs, amb més profunditat, s’introdueixen els conceptes de substància i de canvi

físic i químic de les substàncies. La modelització dels canvis físics i químics es fa després de l’elaboració del concepte de substància, un requisit conceptual previ per a poder comprendre aquests conceptes (Raviolo et al., 2011; Johnson,

2014; Caamaño & Marchán, 2021; Talanquer, 2020). Paral·lelament a la modelització del canvi químic s’elaboren els conceptes macroscòpics de substància elemental, element i compost químic (Caamaño et al., 2019).

La seqüència didàctica que presentem està dissenyada per a ser utilitzada en el tercer curs de l’educació secundària obligatòria (estudiants de 14-15 anys). Les activitats han estat experimentades amb estudiants d’aquestes edats i també en tallers d’indagació sobre les reaccions químiques portats a terme en diverses jornades d’ensenyament de les ciències per a professorat d’educació primària, organitzades pel Col·legi de Llicenciats i la Fundació “la Caixa”.

La seqüència d’activitats té com a objectius:

1. Diferenciar els canvis químics dels canvis físics de les substàncies.

2. Fer una interpretació macroscòpica dels canvis químics, tractant d’identificar les substàncies que reaccionen i les que es formen, mitjançant un procés indagatiu que implica fer hipòtesis, deduir-ne prediccions i contrastar-les experimentalment, alhora que s’argumenta sobre la base dels principis de conservació de la massa i la conservació dels elements en els canvis químics.

3. Iniciar una classificació de les reaccions químiques utilitzant com a criteri el seguiment dels elements constitutius de les substàncies elementals o dels compostos que hi intervenen. D’aquesta manera podem començar a parlar de reaccions de formació o de descomposició d’un compost, de reaccions de desplaçament d’un element per un altre, etc. Però també es comencen a anomenar algunes reaccions des del punt de vista de les substàncies que hi intervenen: reaccions d’oxidació, entenent el concepte d’oxidació com a combinació amb l’oxigen; reaccions àcid-base, les que tenen lloc entre substàncies que han estat caracteritzades prèviament com a àcids i bases d’acord

amb les seves propietats; reaccions de precipitació, quan un dels productes precipita de la solució.

4. Observar una sèrie de característiques dels canvis físics o químics: reversibles o irreversibles, espontanis o forçats, exotèrmics o endotèrmics, ràpids o lents. Els canvis físics en una substància (per exemple, canvis d’estat, dissolució en aigua) es caracteritzen pel fet que no canvia la naturalesa de la substància. Per aquesta raó, són canvis fàcilment reversibles.

La identificació de les substàncies que reaccionen o que es formen no sempre és fàcil: les substàncies gasoses que reaccionen o es formen generalment no són perceptibles (no tenen color ni olor); els canvis d’aspecte o de color associats a la transformació d’una substància en una altra els estudiants tendeixen a interpretar-los com un canvi de les propietats de la mateixa substància i no com una transformació d’una substància en una altra de diferent; si les reaccions tenen lloc en solució aquosa i es formen productes solubles no acolorits, aquests tampoc són perceptibles.

Pel que fa a les característiques de les reaccions, cal tenir en compte que el terme espontani pot causar dificultats de comprensió, perquè indueix a pensar que un procés té lloc espontàniament (sense fer cap acció sobre ell), quan el que vol dir és que la reacció és possible des del punt de vista termodinàmic, però només observarem que la reacció té lloc si la seva velocitat és suficientment alta.

La sèrie de canvis físics i químics (fig. 1) que es presenten en la seqüència didàctica han estat seqüenciats de la manera següent:

1. Canvis que es produeixen en una substància sense cap acció per part nostra, però que en alguns casos requereixen la presència d’aire.

2. Canvis que es produeixen com a conseqüència d’escalfar una substància o de fer passar un corrent elèctric a través seu.

3. Canvis que es produeixen en posar en contacte dues substàncies, una substància i una solució d’una altra substància o dues solucions de substàncies diferents.

El fet d’abordar inicialment els canvis 2 i 3 en funció de les accions que fem es justifica perquè ens permeten observar què cal fer perquè tinguin lloc. Els estudiants tendeixen a considerar que aquesta acció és la causa de la reacció, però a poc a poc anirem desbrossant i diferenciant els diferents efectes que produeixen aquestes accions.

Els canvis físics o químics concrets de la seqüència s’han seleccionat tenint en compte que hi intervinguin sempre que sigui possible substàncies de la vida quotidiana i que siguin factibles de portar a terme amb el material i els productes que es poden trobar en qualsevol laboratori d’un centre de secundària.

La modelització macroscòpica dels canvis físics i químics que s’indaguen s’ha de continuar amb una modelització submicroscòpica: en els canvis físics utilitzant el concepte de partícula submicroscòpica i en els canvis químics utilitzant els conceptes d’àtom, molècula i ió. Aquesta segona etapa del procés de modelització és abordada en altres articles d’aquest monogràfic, però no és objecte d’aquest article. Altres propostes d’indagació i modelització del canvi químic s’han fet recentment en una línia similar (Dávila et al., 2017; Corominas, 2017; Rodríguez-Arteche & Martínez-Aznar, 2019; Pinto & Prolongo, 2020; Izquierdo et al., 2021).

Fases del procés d’indagació

La fig. 2 mostra les fases del procés d’indagació que se segueix

per a interpretar cada canvi. En cada una de les fases es produeix una interacció dialògica entre el professor o la professora i els estudiants.

1. Descripció de l’acció. Es presenta l’acció que realitzarem sobre una o més substàncies mostrant la substància o substàncies i explicant l’acció que farem sobre elles.

2. Predicció del canvi que es creu que es produirà. Es pregunta als estudiants què creuen que passarà. Aquesta és una activitat exploratòria. Els estudiants responen en funció de les seves idees i experiències prèvies. El que diuen pot ser una descripció d’algun canvi que esperen que tingui lloc o bé una primera interpretació.

3. Realització o visualització de l’experiència. Es realitza l’experiència; algunes les realitza el professor o professora, d’altres, els estudiants. En aquelles experiències que tothom ja ha experimentat (evaporació de l’aigua, dissolució de la sal comuna en aigua, oxidació de la superfície d’una poma tallada en contacte amb l’aire, etc.), l’experiència es pot visualitzar mitjançant una diapositiva que mostra la substància o substàncies abans i després del canvi.

4. Descripció dels canvis observats. Es demana als estudiants que descriguin els canvis observats: canvis de color, augment o disminució de la temperatura,

emissió de llum, efervescència o bombolleig d’un gas a través d’una solució, precipitació d’una substància sòlida d’una solució, la rapidesa o lentitud del canvi, etc.

5. Interpretació del procés que ha tingut lloc: primeres hipòtesis. Es pregunta pel tipus de canvi (físic o químic) que creuen que s’ha produït. Hi ha evidències que s’han produït substàncies noves?; si és així, quines substàncies es creu que han reaccionat i quines s’han produït? Les hipòtesis fetes permeten fer prediccions que es poden contrastar mitjançant proves experimentals.

6. Contrastació experimental de les hipòtesis i prediccions, i argumentació. Es realitzen les proves experimentals i s’avalua si els resultats confirmen o no les hipòtesis (argumentació). Si en el procés d’argumentació es proposen noves hipòtesis, es fan noves experiències per a contrastar-les.

7. Interpretació final i representació del canvi. La interpretació final del canvi es fa a partir de l’avaluació de les proves experimentals realitzades i de l’argumentació que s’ha portat a terme. S’introdueixen nous termes per a designar les substàncies obtingudes i el tipus de reacció que ha tingut lloc. Aquest canvi, conceptualitzat ja com a reacció química, es representa mitjançant una equació química amb paraules, ja que de moment només es pretén una modelització macroscòpica.

Seqüència d’activitats d’indagació

El quadre 1 mostra la seqüència d’activitats d’indagació de canvis físics i químics que es proposa realitzar. Aquest conjunt d’activitats pretén establir un patró de comportament de les substàncies quan les escalfem, quan fem passar un corrent elèctric a través seu o quan posem dues substàncies en contacte; fer una primera modelització macroscòpica dels canvis físics i químics, i plantejar una primera classificació de les reaccions químiques.

En la descripció que fem de les accions que portem a terme sobre les substàncies i en la identificació de les substàncies que han reaccionat fem ús d’una sèrie de termes de tipus genèric (substància elemental, metall, no metall, compost, àcid) o de caràcter específic de substàncies o materials concrets (ferro, coure, magnesi, àcid clorhídric, hidrogen, oxigen, parafina, carbonat de coure, sulfat de coure, etc.).

La indagació i interpretació dels canvis físics i químics de la seqüència permet classificar-los com a canvis físics (A1, A2, A4, A13, A15) o com a canvis químics (la resta). Aquests últims es poden interpretar com a reaccions de formació (A5, A6, A7, A8, A9), reaccions de descomposició tèrmica (A10, A11), reaccions de descomposició electrolítica (A14), reaccions de descomposició

Figura 1. Alguns dels canvis físics i químics que s’investiguen en la seqüència.

Figura 2. Fases del procés seguit en la indagació i modelització dels canvis físics i químics.

Indagació de canvis físics i químics

Canvis en una substància sense fer-hi cap acció

A1. Deixem aigua en un recipient obert

A2. Deixem un glaçó de gel a temperatura ambient

A3. Deixem llana d’acer en contacte amb aire humit (aquesta activitat es pot enllaçar amb l’A5)

Canvis en una substància quan l’escalfem

Escalfem aigua

A4. Escalfem aigua fins als 100 °C a pressió atmosfèrica normal

Escalfem un metall

A5. Escalfem llana d’acer

A6. Escalfem una làmina de coure

A7. Escalfem una cinta de magnesi

Escalfem un no metall

A8. Encenem carbó vegetal

A9. Encenem sofre

Escalfem un compost

A10. Escalfem sucre

A11. Escalfem carbonat de coure

A12. Encenem la parafina d’una espelma

Canvis en una substància quan fem passar un corrent elèctric a través seu

A13. Fem passar un corrent elèctric per un metall

A14. Fem passar un corrent elèctric per aigua acidulada

Canvis quan posem dues substàncies en contacte

Afegim aigua a una substància o una substància a l’aigua

A15. Afegim sal comuna a l’aigua i agitem

A16. Afegim unes gotes d’aigua al sulfat de coure anhidre / Afegim sulfat de coure anhidre a l’aigua i agitem

A17. Fem bombollejar diòxid de carboni per aigua

Posem en contacte una substància amb una altra que accelera la reacció sense consumir-se

A18. Posem en contacte aigua oxigenada i un tros de fetge

Posem en contacte un metall amb un àcid

A19. Afegim magnesi a una solució diluïda d’àcid clorhídric

Posem en contacte un antiàcid amb un àcid

A20. Afegim una pastilla d’antiàcid a un àcid

Posem en contacte un carbonat (o un bicarbonat) amb un àcid

A21. Afegim carbonat de calci a una solució diluïda d’àcid clorhídric

A22. Afegim bicarbonat de sodi a un àcid (suc de llimona, vinagre)

Posem en contacte un metall amb la solució d’una sal

A23. Introduïm una làmina de zinc en una solució de sulfat de coure

Posem en contacte dues sals o les seves solucions

A24. Mesclem nitrat de plom(s) i iodur de potassi(s) / Mesclem una solució de nitrat de plom i una solució de iodur de potassi

Quadre 1. Seqüència didàctica d’indagació de canvis físics i químics.

catalitzada (A18), reaccions de desplaçament d’un element per un altre (A19, A23) o reaccions de doble desplaçament (A24); però també com a reaccions d’oxidació (A3, A5, A6, A7, A8, A9, A10, A12), reaccions àcid-base (A20, A21, A22) i reaccions de precipitació (A24).

La progressió de la modelització de les reaccions d’oxidació, de les reaccions àcid-base i de les reaccions de precipitació requereix utilitzar seqüències didàctiques específiques que es poden iniciar en aquest curs o en el 4t curs de l’ESO, i que prossegueixen

fins a segon de batxillerat (Caamaño & Marchán, 2021). La modelització de les reaccions àcid-base s’inicia amb la indagació de les propietats dels àcids i les bases (Caamaño, 2021); el concepte de reaccions d’oxidacióreducció, que parteix de les

reaccions d’una substància amb l’oxigen, s’amplia per a acabar incloent-hi reaccions que involucren compostos i substàncies elementals, com les reaccions de formació i descomposició (Talanquer, 2020) i reaccions de desplaçament, com les reaccions dels àcids amb metalls no nobles i les reaccions d’un metall amb la solució d’una sal d’un element metàl·lic diferent.

La seqüència de canvis que s’indaguen també permet fer una consideració sobre la seva espontaneïtat (viabilitat) i les condicions en què aquesta espontaneïtat es produeix. Els canvis soferts per la llana d’acer o una poma en presència d’aire són un exemple de canvis químics espontanis, que es poden accelerar augmentant la temperatura. En aquest punt és convenient advertir als estudiants que hi ha reaccions espontànies que són molt lentes a temperatura ambient, com per exemple l’oxidació del ferro o del coure, però que l’augment de la temperatura n’augmenta la seva velocitat. En altres casos ho aconseguim afegint-hi un catalitzador, com en el cas de la descomposició de l’aigua oxigenada. D’altra banda, hi ha reaccions que no són espontànies a temperatura ambient, però que passen a ser-ho a més alta temperatura, com per exemple la descomposició del sucre o del carbonat de coure (reaccions espontànies a alta temperatura). Distingir aquests dos tipus de reaccions, que es produeixen en augmentar la temperatura però per raons diferents, no és fàcil ni tampoc es pretén abordar-ho en aquest nivell. Finalment, hi ha reaccions que no són espontànies a temperatura ambient, però que podem aconseguir que tinguin lloc forçant-les mitjançant el pas d’un corrent elèctric. D’aquestes reaccions en diem reaccions forçades

Descripció del procés d’indagació d’algunes reaccions

Per mostrar el procés d’indagació hem seleccionat dos canvis químics, la reacció de la llana d’acer amb l’oxigen de l’aire i la combustió d’una espelma. En cada activitat es tracta d’interpretar el canvi químic que s’observa, cercant d’identificar les substàncies que hi intervenen. Es fan hipòtesis que condueixen a prediccions o inferències basades en la conservació de la massa i dels elements químics en les reaccions químiques.

Deixem llana d’acer en contacte amb aire humit

1. Descripció de l’acció. Deixem una mostra de llana d’acer en contacte amb aire humit durant alguns dies.

2. Predicció del canvi. Els estudiants tenen experiència d’observar que els objectes de ferro s’oxiden amb el temps, sobretot si es troben en un ambient humit. És probable que diguin que es rovellarà o que s’oxidarà.

3. Realització de l’experiència. La reacció és molt lenta. Es requereix com a mínim una setmana per a poder observar canvis. Per guanyar temps es pot mostrar una fotografia de la llana d’acer oxidada i passar a l’etapa d’interpretació.

4. Descripció de les observacions. S’observa que apareix una coloració marronosa en els fils d’acer.

5. Interpretació: primeres hipòtesis. Els alumnes tendeixen a pensar que el ferro ha canviat la seva coloració, i no que s’ha transformat en una altra substància. Es pot suposar que el ferro de la superfície ha reaccionat amb l’oxigen de l’aire i que, per tant, la substància de color marronós és òxid de ferro.

6. Prediccions i contrastació experimental

Si és certa la darrera hipòtesi, la mostra final haurà de pesar més. Els estudiants poden pensar que,

Figura 3. Experiment per a comprovar la hipòtesi que la reacció que sofreix la llana d’acer consumeix oxigen de l’aire. De fet, només comprovem que es consumeix una part o un component de l’aire, aquell que mostra reactivitat amb l’acer.

com que el rovell té un aspecte porós i sembla menys dens, el fregall pesarà menys. Per contrastar aquesta hipòtesi sense haver d’esperar molt temps, es pot fer que la reacció sigui més ràpida escalfant el fregall amb una flama (activitat A6).

També podem pensar alguna manera de visualitzar que una part de l’aire que envolta la mostra de llana d’acer desapareix quan aquest es rovella. Per exemple, podem muntar un dispositiu com el de la fig. 3 per indagar si durant la reacció es consumeix una part de l’aire (l’oxigen que reacciona amb la llana d’acer). Com que la reacció és lenta, cal deixar que la reacció tingui lloc al llarg d’una setmana. Si es consumeix l’oxigen, disminuirà la pressió a l’interior del tub i el nivell d’aigua dins del tub pujarà fins que la pressió interna i l’externa s’igualin. De la mesura de l’augment relatiu del nivell de l’aigua en el tub es pot deduir la proporció de l’oxigen a l’aire, sempre que s’hagi consumit tot l’oxigen.

Escalfem llana de ferro

1. Descripció de l’acció. Apropem una flama a un fregall d’acer (fig. 4) o bé el posem en contacte amb uns cables elèctrics connectats a una pila (fig. 5).

4. Descripció de les observacions. Observem que alguns filaments de la superfície del fregall es posen incandescents i quan es refreden presenten una coloració marronosa i alguns es trenquen i cauen al fons del recipient.

5. Interpretació: primeres hipòtesis i prediccions. Es pot

suposar que el ferro dels filaments ha reaccionat amb l’oxigen de l’aire i, per tant, que ara pesarà més. Hipòtesi alternativa: la incandescència dels filaments pot fer pensar als estudiants que part del ferro s’ha volatilitzat i que el fregall ara pesarà menys.

6. Contrastació experimental. Per indagar si el fregall després d’encendre’l pesa més o menys es pot realitzar la seva combustió en el platet d’una balança (fig. 4). Observem que el fregall pesa més després de cremar-lo. L’augment de massa ens confirma la hipòtesi que el ferro es combina amb l’oxigen de l’aire.

7. Interpretació final i representació. La substància que resulta de la combinació del ferro amb l’oxigen la denominem òxid de ferro. El procés que ha tingut lloc el podem representar mitjançant l’equació: ferro(s) + oxigen(g) → òxid de ferro(s)

Diem que l’oxigen ha oxidat el ferro (l’ha transformat en òxid de ferro) i considerem que la reacció és una reacció d’oxidació (del ferro). Com que la reacció condueix a la formació d’un compost, l’òxid de ferro, a partir de les substàncies elementals, ferro i oxigen, que proporcionen els dos elements que formen l’òxid de ferro, també podem dir que aquesta és un

reacció de formació o de síntesi de l’òxid de ferro.

Encenem una espelma

1. Descripció de l’acció. Encenem el ble d’una espelma de parafina. L’espelma està subjectada per la base sobre un plat mitjançant una mica de parafina prèviament fosa.

2. Predicció del canvi. L’espelma cremarà produint una flama que proporciona llum i calor.

3. Realització de l’experiència (fig. 6).

4. Descripció de les observacions. A la part superior de l’espelma hi ha parafina fosa. Per sobre del ble es produeix una flama que proporciona llum i calor. La substància de què està feta l’espelma (parafina) es va consumint.

5. Interpretació: primeres hipòtesis. Si partim del coneixement que una flama es produeix per la combustió d’una substància en estat gasós, podem suposar que la flama que observem és conseqüència de la combustió de la parafina volatilitzada, és a dir, de la seva reacció amb l’oxigen de l’aire. Com que aquesta reacció és exotèrmica, la calor despresa fon noves porcions de parafina propera al ble i la volatilitza; també manté la temperatura necessària perquè la reacció tingui lloc a una velocitat suficientment alta.

Figura 4. El fregall de llana d’acer pesa més després de cremar-lo.

Figura 5. Una altra manera de cremar la llana d’acer i de comprovar que pesa més després de cremar-se.

Figura 6. Espelma cremant.

6. Contrastació experimental de les hipòtesis. Per provar que l’oxigen de l’aire participa en la reacció es pot tapar l’espelma encesa mitjançant un vas. Si la hipòtesi és certa, l’espelma s’hauria d’apagar quan s’acabés l’oxigen de dins del vas o bé quan la seva concentració fos tan petita que no fos suficient per a mantenir la reacció a la velocitat que cal per a conservar la temperatura necessària perquè tingui lloc. Efectivament, l’espelma s’apaga al cap d’uns segons.

Noves observacions i noves hipòtesis S’observa que a les parets interiors del vas s’han condensat unes gotes d’un líquid que probablement sigui aigua. D’on prové aquesta aigua? Si prové de la reacció, això implica que hem identificat un dels productes de la reacció. De moment podríem representar la reacció de la manera següent: parafina + oxigen (de l’aire) → aigua(g) + ...

Sabem que l’aigua és un compost format per hidrogen i oxigen; per tant, l’hidrogen ha de formar part de la composició química de la parafina. L’oxigen de l’aigua podem considerar que prové de l’aire. Però ha d’haver-hi un altre element constitutiu de la parafina, a més de l’hidrogen. Una observació que ens pot donar una pista és que les espelmes deixen anar fum negre quan hi ha un corrent d’aire, quan es posen en contacte amb una superfície freda o quan impedim que hi arribi l’oxigen col·locant un objecte per sobre de la flama.

Si introduïm un vidre al mig de la flama o per sobre de la flama observarem que queda ennegrit per la formació de sutge. El sutge està constituït bàsicament per partícules de carboni. Per tant, l’altre element constitutiu de la parafina ha de

ser el carboni. Aquestes partícules de carboni deuen haver-se format per descomposició tèrmica de la parafina. En la part de la flama on la temperatura és més alta, es cremen; on és més baixa, no, o bé on no arriba suficient quantitat d’oxigen (combustió incompleta). La seva incandescència confereix un color groc-vermellós a la flama.

L’oxidació del carboni de la parafina ha de donar lloc a un òxid de carboni. Quin òxid pot ser? El més probable és que sigui diòxid de carboni. Algunes de les propietats característiques d’aquest gas és que és més dens que l’aire, que no manté la combustió i que dona lloc a una solució àcida quan es dissol en aigua. Per comprovar que es desprèn diòxid de carboni en la reacció, podem introduir aigua a la part de sota del plat amb unes gotes d’indicador àcidbase, repetir l’experiència i comprovar si l’aigua es torna lleugerament àcida. Si és així seria una prova que l’altre gas que es produeix és diòxid de carboni. Efectivament, podem comprovar que és així.

Una experiència freqüentment mal interpretada

Una experiència molt habitual per comprovar que una part de l’oxigen de l’aire es consumeix quan crema l’espelma consisteix a col·locar l’espelma en una cubeta amb aigua, encendre-la i tapar-la amb un vas cilíndric alt, amb la idea que, si la reacció consumeix oxigen, el nivell d’aigua en el vas pujarà, com passava amb l’experiència de l’oxidació del ferro (fig. 3). Si ho provem, observem que efectivament el nivell d’aigua puja (fig. 7), però ho fa fonamentalment quan l’espelma s’apaga, i no progressivament mentre l’espelma crema. Per tant, d’aquesta experiència no en podem concloure que l’oxigen

Figura 7. Pujada del nivell de l’aigua quan l’espelma comença a apagar-se.

es consumeix, ja que si fos així la pujada del nivell de l’aigua seria progressiva.

La raó de la brusca pujada final del nivell de l’aigua és la disminució de pressió que es produeix com a conseqüència de la disminució de la temperatura quan s’apaga l’espelma. D’altra banda, hem de tenir en compte que durant la reacció es consumeix l’oxigen, però també es produeixen dos gasos: vapor d’aigua (que es condensa) i diòxid de carboni (que es dissol parcialment). Per tant, la variació del volum dels gasos dins del vas durant la reacció també depèn de les quantitats relatives d’oxigen que desapareix i del diòxid de carboni que es produeix i que encara no s’ha dissolt o que resta en fase gasosa a causa de la saturació de l’aigua. La proporció entre el volum d’oxigen que desapareix i el de diòxid de carboni que es produeix depèn de l’estequiometria de la reacció.

Sorprenentment, en moltes ocasions la pujada relativa del nivell de l’aigua és aproximadament del 20 % del volum total del vas, fet que facilita interpretar erròniament aquesta experiència com una prova que la proporció d’oxigen a l’aire és del 20 %.

7. Interpretació final i representació. La combustió d’una espelma és una reacció química entre la parafina (compost format per carboni i hidrogen) i l’oxigen de l’aire, en què es forma vapor d’aigua (òxid d’hidrogen) i diòxid

de carboni(g). La reacció es pot representar mitjançant l’equació: parafina(g) + oxigen(g) → diòxid de carboni(g) + aigua(l)

Es tracta d’una reacció d’oxidació de la parafina. La identificació del diòxid de carboni i de l’aigua i el coneixement de la composició d’aquests dos compostos ens ha permès concloure que la parafina és un compost químic format per carboni i hidrogen.

A tall de conclusió

La seqüència d’activitats proposada creiem que pot ser una bona manera d’aproximar-se a la modelització dels canvis físics i químics en un primer curs de química (3r d’ESO). Aquesta modelització macroscòpica s’ha de prosseguir introduint hipòtesis atomicomoleculars sobre la composició i l’estructura de les substàncies que reaccionen, fet que ens portarà a fer representacions de les reaccions químiques mitjançant models analògics (per exemple, amb boles i bastonets) o simulacions (Aragón & Oliva, 2020) i, en últim terme, a una representació simbòlica, mitjançant fórmules químiques (Caamaño, 2017).

Referències

araGón, M. M.; oliva, J. M. (2020). «Analogías, simulaciones y experimentos mentales para la construcción del cambio químico». Educació Química EduQ, núm. 27, p. 35-41.

CaaMaño, A. (2017). «Formas y niveles de representación de las reacciones químicas. Un instrumento esencial para la comprensión del cambio químico». Alambique, núm. 90, p. 8-16. (2021). «Reacciones ácido-base: de las propiedades de los ácidos y bases al modelo de Arrhenius». Alambique, núm. 103 [en premsa].

CaaMaño, a.; GUitart, f.; Grapí, p (2019). «L’ensenyament del concepte d’element químic i de la taula periòdica a l’educació secundària». Educació Química EduQ, núm. 25, p. 32-40.

CaaMaño, a.; MarCHán, i., (2021). «La progresión conceptual en el aprendizaje de los conceptos de sustancia y reacción química en la educación secundaria». Alambique, núm. 103 [en premsa].

CoroMinaS, J. (2017). «Reacciones químicas de la vida cotidiana». Alambique, núm. 90, p. 8-26.

dávila, M. a.; Cañada, f.; SánCHeZ, J. (2017). «Aprendizaje cognitivo y emocional de las reacciones químicas». Alambique, núm. 90, p. 27-36.

iZqUierdo, M.; Merino, C.; MarZáBal, A. (2021). «¡La reacción química emociona! La importancia del lenguaje en la modelización del cambio químico». Alambique, núm. 103 [en premsa].

JoHnSon, P. (2014). «An evidence based approach to introductory chemistry». School Science Review, vol. 95, núm. 352, p. 89-97. pinto, G.; prolonGo, M. (2020). «Experiencias prácticas para la enseñanza y el aprendizaje de las reacciones químicas». Educació Química EduQ, núm. 27, p. 49-55.

raviolo, A.; GarritZ, A.; SoSa, P. (2011). «Sustancia y reacción química como conceptos centrales en química. Una discusión conceptual, histórica y didáctica». Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias, vol. 8, núm. 3, p. 240-254.

rodríGUeZ-arteCHe, I.; MartíneZaZnar, M. M. (2019). «¿Qué ocurre en esta reacción? De indagar a modelizar». Alambique, núm. 97, p. 27-34.

talanqUer, V. (2020). «La progresión de los aprendizajes sobre

la composición, estructura y transformación química de la materia». Educació Química EduQ, núm. 27, p. 4-11.

Aureli Caamaño Ros

És doctor en química per la Universitat de Barcelona (UB) i graduat en humanitats per la Universitat Pompeu Fabra (UPF). Ha estat catedràtic de física i química de secundària a Barcelona i ha impartit nombrosos cursos de formació a Espanya i Llatinoamèrica. És autor de diversos llibres i monografies i de més de cent articles sobre l’ensenyament de les ciències i de la química. És coeditor de les revistes Alambique i Educació Química EduQ

A/e: aurelicaamano@gmail.com

Josep Corominas

És llicenciat en ciències químiques per la Universitat de Barcelona. Ha estat professor de física i química a l’Escola Pia de Sitges. Ha impartit nombrosos cursos de formació del professorat tant de física com de química i ha escrit nombrosos articles sobre treballs pràctics en diverses publicacions nacionals i estrangeres. També ha collaborat en diversos llibres de didàctica de la química.

A/e: jcoromi6@xtec.cat

Com funciona una flama?

Construcció i reconstrucció

de models mentals davant d’una espelma

How does a flame work?

Construction and reconstruction of mental models in front of a candle

Joan Aliberas / Professor de física i química de secundària

resum

Es descriu la dinàmica racional i emocional produïda en l’alumnat d’una classe d’ESO quan estudia experimentalment el funcionament de la flama d’una espelma. S’analitzen els diversos models mentals dels alumnes i com els reconstrueixen fins que resultin plenament satisfactoris. El procés mostra la importància d’un bon disseny de la seqüència didàctica i d’una conducció eficient del diàleg a la classe que tingui en compte les emocions associades als models mentals dels alumnes i promogui la seva evolució fins a assolir el consens entre els participants.

paraules clau

Canvi químic, combustió, model mental, emoció, diàleg.

abstract

The rational and emotional dynamics produced on the students of a Secondary School class when experimentally studying a candle’s flame functioning are described. The various students’ mental models and how are reconstructed until they result fully satisfactory are analysed. The process shows the importance of a good didactic sequence design and an efficient dialogue to conduct the class, considering the emotions associated with the students’ mental models, and stimulating its evolution until reaching a consensus among all participants.

keywords

Chemical change, combustion, mental model, emotion, dialogue.

Com ajudem els alumnes a pensar sobre un fenomen?

En una unitat per a tercer d’ESO (fig. 1) proposem l’estudi del foc mitjançant una seqüència didàctica basada en els experiments realitzats públicament per Michael Faraday (1861). Forma part del projecte «Competències de pensament científic, Ciències 12-15» elaborat per la Universitat Autònoma de Barcelona i el Departament d’Educació de la Generalitat de Catalunya (2019), que consta de

nou unitats didàctiques i cobreix els continguts de ciències legalment previstos per als tres primers cursos d’ESO.

Sobre una base experimental volem ajudar els alumnes a comprendre la combustió d’una espelma tot construint models mentals personals de la flama, que percebin com a satisfactoris (Aliberas et al., 2017). Amb aquesta finalitat es posa en marxa una activitat científica escolar (Izquierdo et al. 1999) amb els alumnes, dissenyada sobre

la base del model ONEPSI (Gutiérrez, 2003) i utilitzant-hi el diàleg regulat amb la tècnica teachback per a conèixer les seves idees al respecte i fer-les evolucionar fins a aconseguir el consens amb el grup (Aliberas et al., 2019).

Fent servir aquesta base teòrica descriurem alguns dels mecanismes fonamentals que empenyen els alumnes a l’aprenentatge. Després ho utilitzarem per a analitzar l’evolució de les idees dels alumnes durant

l’estudi de la combustió de l’espelma, tal com sol desenvolupar-se a l’aula.

Disposar de representacions fiables de la realitat forma part de la nostra necessitat vital de connexió amb el món. Per a cada persona, els seus models mentals sobre un sistema físic estan associats a emocions que oscil·len entre satisfacció i insatisfacció

Aquestes emocions sorgeixen de l’autoavaluació dels models mentals dels alumnes des del seu propi punt de vista, equivocat o no, i no pas del científic, i proporcionen a l’alumne un potent mecanisme d’autoregulació. És important entendre que el criteri científic no pot realitzar aquesta funció perquè encara no és al seu abast.

Dinàmica dels models mentals

L’alumne experimenta insatisfacció envers el seu model mental per algun d’aquests tres motius:

— És incapaç de muntar una cadena causal per a interpretar un fenomen. Llavors diem que falta coherència per a construir el model mental.

— Construeix el seu model mental i fa la seva predicció, però el sistema evoluciona de manera diferent de la prevista. Al model mental li falta correspondència amb la realitat.

— Pot elaborar un model mental però no li funciona en altres sistemes amb la mateixa descripció. Al model mental li falta robustesa

Un cop detectada la insatisfacció amb el model mental propi, es genera una necessitat psicològica –tant racional com emocional– de resoldre-la tot reconstruint el seu model mental, un desig que constitueix una motivació intrínseca per a l’aprenentatge.

Conducció d’un diàleg productiu

Per a dirigir la conversa sobre un sistema, el professor utilitza

Figura 1. Portada de la unitat 8, «Què es manté inalterable quan tot canvia? De l’espelma als aliments» (https:// formacio.cesire.cat/ciencies1215/).

la tècnica teachback . Consisteix a detectar ambigüitats en les afirmacions dels alumnes i formular-los preguntes per a intentar aclarir-les. Això els empeny a fer explícits els seus raonaments, a avaluar els seus models mentals i potser a revisar-los i reconstruir-los fins a arribar finalment a una solució que tots els participants percebin com a satisfactòria, assolint un consens.

Les respostes, en tot cas, han de ser formulades pels mateixos alumnes després d’inferir-les del funcionament del seu model mental individual. Quan és el professor qui innecessàriament realitza aquestes inferències, està privant l’alumnat de poder experimentar aquesta satisfacció, i ell mateix perd l’oportunitat de comprovar si ja són capaços de fer-les correctament.

Al llarg de la seqüència didàctica sobre la combustió d’una espelma es busca que cada alumne experimenti aquests moments de satisfacció o d’insatisfacció amb el seu propi model mental, que són els que tenen conseqüències educatives. Els indicarem i numerarem al final

de cada episodi després d’haver-ne concretat el motiu.

Seqüència didàctica: «Com funciona una espelma?»

Tothom sap com funciona una espelma!

Molts alumnes de tercer d’ESO creuen que el que realment es crema en una espelma és el seu ble (tothom veu que la flama surt del ble, i no pas de la parafina); que la parafina només serveix per a sostenir dret el ble i que la parafina no es crema, sinó que va regalimant a mida que es fon i per això la seva quantitat no varia. Una explicació científicament molt deficient, però que per a ells és empíricament claríssima. Hi ha correspondència (1)

Què hi ha al costat del ble?

Per entendre el que passa dins la flama col·loquem un tubet de vidre amb un extrem gairebé tocant el ble. Veurem que el tub s’omple d’un fum blanc que acaba sortint per l’altre extrem (fig. 2) i que ningú no sap explicar. Falta coherència (2)

Amb una mica de paciència fins i tot podrem aconseguir que s’encengui. I si retirem el tub i apaguem l’espelma, apareix de nou fum blanc (fig. 3). Casualitat?

Seguim sense entendre el que succeeix. Falta coherència (3)

Si acostem una flama a aquest fum, encara que sigui a alguns centímetres de distància del ble, amb una mica de traça aconseguirem que sorprenentment la flama viatgi pel fum fins al ble, que es torna a encendre. Va quedant prou clar que el ble de l’espelma encesa –o acabada d’apagar– és un emissor d’aquest misteriós fum blanc combustible. Pot ser que la flama sigui la combustió d’aquest fum blanc? No ens ho expliquem. Falta coherència (4)

Però, què és aquest fum blanc?

En aquest punt el dossier de l’alumne mostra un nuvolet blanc al cel (fig. 4) i pregunta si té cap semblança amb el fum blanc que acabem d’obtenir. Ara el diàleg s’adreça a recordar com es formava el núvol, un procés que han estudiat a primer. Aniran recordant que el que veiem al cel no és vapor, sinó gotetes o petits cristalls d’aigua que es formen a partir del refredament del vapor d’aigua –invisible!– present a l’aire.

Per aplicar-ho al nostre cas, aparentment molt diferent, el primer problema és determinar quin material forma el núvol blanc. La comparació amb el núvol d’aigua contribueix a orientar els alumnes fins que conclouen que la calor de la flama evapora la parafina líquida i la converteix en gas, un gas que al llarg del tub es refreda i forma gotes líquides o partícules sòlides de parafina, que veiem en forma de fum blanc. Els vapors d’aigua i de parafina són sistemes que es comporten de manera semblant. Hi ha robustesa (5)

Però la parafina líquida està situada més avall que la flama. Com pot pujar per si sola pel ble sense cap bombament? Falta coherència (6)

Com vols que pugi tota sola!

Hem tingut la previsió d’haver preparat dos vasos, l’un al costat de l’altre, amb un full de paper de cuina fent de pont entre els dos recipients (fig. 5). En un d’ells hi posem una bona quantitat d’aigua. Passat prou temps trobarem aigua en el vas que estava buit. Un altre misteri per aclarir. Però... això de què ve, ara?

Centrem-nos en les entitats presents i les seves propietats. Per què les molècules d’aigua (ja utilitzades a primer) pugen pel paper? Deuen ser més atretes per les molècules del paper que per les altres molècules d’aigua? El resultat de l’experiment amb els gots ens suggereix que s’atreuen més amb les del paper que amb les de l’aigua, amb les quals també s’atrauen força. Per aquest motiu van pujant espontàniament pel material porós arrosse-

gant altres molècules d’aigua. Un bon moment per a introduir el terme «capil·laritat». Tornant a l’espelma, aviat s’adonen que la parafina líquida ascendeix per capil·laritat pel ble porós de forma semblant a com ho fa l’aigua; els dos sistemes es comporten de manera semblant. Hi ha robustesa (7)

Demanem que completin la seqüència del que ocorre a la parafina. Va quedant clar que la parafina sòlida es va fonent per la calor de la flama propera. Quan ja és líquida ascendeix per capillaritat pel ble i, en la seva part més alta, ja dins de la flama, es vaporitza. Aquest és el vapor que hem apartat amb el tub i que en refredar-se forma el fum blanc. Un fum blanc que també es forma en apagar l’espelma perquè a la punta del ble encara hi ha una part de parafina líquida amb prou energia per a evaporar-se (i que en refredar-se es condensa per a formar també el núvol blanc). Hi ha correspondència! (8).

El núvol d’aigua i els dos gots amb el paper són dos sistemes utilitzats aquí com a models. Un model és un sistema que ens resulta útil per a respondre preguntes sobre un altre sistema (Minsky, 1986). Constitueix un potent recurs didàctic per a transferir la dinàmica d’un sistema a un altre amb entitats diferents.

I aquesta «copa», per què no es fon?

Fixem-nos ara en la «copa» plena de parafina líquida situada

Figura 2. El tub s’omple de fum blanc.

Figura 3. El fum blanc és combustible. També apareix en apagar l’espelma.

Figura 4. Sistema que es proposa per a aclarir la formació del fum blanc.

a la part superior de l’espelma. Aparentment no té res de particular, conté parafina fosa per la proximitat de la flama. Podem aportar imatges (fig. 6) on es pugui comparar una espelma ordinària amb una altra de molt més gruixuda, on la copa faci uns 5 cm de diàmetre.

Si la flama és capaç de fondre la parafina a més de dos centímetres de distància, per què a les nostres «copes», més reduïdes, no se’ls fon la paret tenint la flama molt més a prop? És un sistema on no és aplicable el mecanisme establert per a un altre de semblant. Falta robustesa (9)

Per ajudar els alumnes a trobar quina causa evita la fusió de la vora de la copa en l’espelma prima, fixem la seva atenció en l’intens corrent de gasos calents que puja des de la flama. Podem comparar-ho amb un cas semblant estudiat a primer i que ens servirà de model: la formació d’una tempesta, amb un

corrent ascendent que crea una baixa pressió i que obliga l’aire de l’entorn a dirigir-se cap allà. Això ajuda els alumnes a construir una nova explicació: el corrent ascendent s’emporta gasos cap amunt, creant a la flama una zona de baixa pressió que provoca un flux d’aire fresc cap a ella. Aquest aire, constantment renovat, refreda prou la vora de la «copa» per impedir que es fongui, tot i que la flama sigui tan propera. Hi ha robustesa! (10).

Quan la flama s’inclina per un corrent persistent d’aire es pot acostar massa a la paret sòlida de la «copa» i fondre-la, provocant el vessament de la parafina i els regalims corresponents (fig. 7).

Experimentalment comprovem que la predicció, efectivament, es compleix. Hi ha correspondència (11) I ara, després d’aconseguir explicar diversos processos físics, abordarem el canvi químic. Ja hem vist que la parafina arriba a

la flama i hi desapareix. Però per a formar què?

Què s’està formant?

Posem un vas envoltant la flama sense ofegar-la. Al cap d’uns moments el vas s’entela (fig. 8). Comprovem que s’hi està formant aigua, com als vidres de la classe els dies que fa fred. Els nostres alumnes consideren que, com els dies de fred, el vapor ambiental es condensa sobre un objecte fred. El problema és que la condensació no ha aparegut abans, sinó només a prop d’una flama molt calenta. On hi hauria d’haver fred resulta que hi ha calor. Falta correspondència (12)

Centrem l’atenció sobre el fet que la condensació es produeix a la cara interna del vas, no a l’exterior. D’on pot haver sortit el vapor d’aigua? Sembla clar que només pot haver sortit de la flama i que, en acumular-se vapor d’aigua al costat d’un vidre

Figura 5. L’aigua passa espontàniament del vas de la dreta al de l’esquerra.

Figura 6. Diferències entre la «copa» d’una espelma normal i la d’una altra de molt més gruixuda.

Figura 7. Una flama inclinada pot fondre la paret de la copa i provocar el vessament del líquid.

Figura 8. Al cap de poc el vas s’entela.

relativament fred, s’hi condensa. Hi ha correspondència (13)

Ara és normal preguntar-nos si la parafina contenia aigua. Malgrat les aparences, que al principi poden fer-los dubtar, la resposta dels alumnes s’inclinarà més aviat pel no, ja que es tracta d’un derivat del petroli. Així que no sabem d’on ha sortit. Falta coherència (14)

Buscarem un altre tipus d’interpretació. De què està formada l’aigua? Els alumnes, que ja han utilitzat moltes vegades la fórmula H2O, ho tenen clar: d’hidrogen i oxigen..., encara que mai no s’hagin aturat a pensar què vol dir això exactament. Ara la pregunta és d’on ha sortit l’oxigen per a fabricar aquesta aigua. La resposta apareix amb rapidesa: de l’aire, ja que sense aire l’espelma s’apaga (ho podem comprovar deixant el mateix got de cap per avall sobre la taula amb l’espelma encesa en el seu interior). I d’on ha sortit l’hidrogen? Només pot haver sortit de la parafina. La parafina ha de contenir l’element hidrogen. Això ho fa quadrar tot i proporciona una base empírica al concepte «element químic». Hi ha correspondència (15)

Què més s’està formant?

Si ara posem l’extrem del tub a la part central o superior de la flama, el fum que en surt no és blanc, sinó negre (fig. 9). Això no sembla seriós perquè sembla que les mateixes causes estan produint efectes diferents, i un model mental no pot conduir-nos a dos resultats incompatibles. Falta robustesa! (16).

Si toquem la flama amb un objecte fred, com unes tisores o una reixeta metàl·lica, també es produeix fum negre. A més a més, quan crema amb estabilitat no es produeix fum visible, però si hi ha turbulències també apareix aquest fum negre inexplicable. Falta coherència (17)

En tocar la part superior de la flama, un vidre gruixut o un plat s’ennegreixen. Els nostres alumnes afirmaran que el vidre s’ha cremat. Hi ha correspondència (18) Però ho descarten immediatament quan veuen que el color negre desapareix en passar el dit per la taca i veuen el vidre intacte (fig. 10). El nostre model mental actual no pot explicar la presència d’aquesta misteriosa substància negra. Falta coherència (19)

Amb el residu que ha quedat al dit es pot dibuixar, com si fos al carbonet; ho poden intentar. Coneixen els nostres alumnes algun material de color negre amb el qual es pot dibuixar al carbonet? Naturalment, el carbó. Els hem de fer recordar que també el van veure aparèixer en una unitat anterior en carbonitzar una fulla d’enciam. Es tracta d’una substància elemental ja coneguda: el carboni. Les peces van encaixant. Hi ha robustesa (20)

Sí, la flama conté carboni; però, d’on ha sortit? Aquí ja és més fàcil: la parafina ha de contenir l’element carboni, a més a més de l’hidrogen que abans hi hem descobert. Hi ha correspondència (21)

Podem informar-los que, efectivament, la parafina i altres derivats del petroli són un grup de substàncies anomenades «hidrocarburs» perquè estan compostes

únicament per aquests dos elements. Com en el cas de la capil·laritat, només introduïm un terme nou quan el concepte ja està construït, no abans.

Què li passa al carboni?

El carboni que veiem com a fum negre es deu produir en una etapa de la combustió de la parafina en què, una vegada ja consumit l’hidrogen, el carboni restant encara no ha reaccionat amb l’oxigen. En aquell moment, quin és l’estat del carboni? Si busquem informació esbrinarem que el carboni no es fon, però se sublima a 3.642 °C. Com que la nostra espelma no proporciona tanta temperatura (pot arribar a uns 1.400 °C), el carboni ha d’estar en estat sòlid, i forma el fum negre. Hi ha correspondència (22)

No obstant això, la flama és prou calenta com perquè el carboni sòlid es posi incandescent per la calor produïda a mida que va reaccionant amb l’oxigen i va produint diòxid de carboni. Està incandescent de forma similar al que veiem en la combustió del carbó o del ferro (fig. 11), ja que totes dues substàncies cremen sense flama. Que estrany! Pot cremar alguna cosa sense flama?

Falta coherència (23)

Arribem a la conclusió que en totes dues combustions no es produeix cap gas combustible (no

Figura 9. Amb el tub a la part alta de la flama o tocant-la amb un objecte fred apareix fum negre.

ho són ni el diòxid de carboni ni l’òxid de ferro) i és per aquest motiu que no hi ha flames, però sí incandescència a les parts més calentes. Hi ha robustesa (24) La sorprenent presència de partícules negres a la flama també es pot comprovar illuminant la flama lateralment en un ambient fosc. La part superior de la flama lluminosa de l’espelma efectivament projecta una ombra, però no ho fa la flama oxidant i poc lluminosa d’un Bunsen (fig. 12). Hi ha robustesa (25)

Quina és la part més calenta de la flama?

Els nostres alumnes consideraran que la temperatura màxima deu ser al centre de la flama, ja que sembla la part més lluminosa i també la més allunyada de l’aire fred de l’exterior. Hi ha coherència (26)

Per posar a prova aquesta explicació, el professor sostindrà una petita cartolina una mica més amunt del ble i la hi deixarà immòbil durant uns segons (fig. 13), atent a retirar-la abans que s’encengui. La predicció de l’alumnat serà que es cremarà inicialment pel centre. Sorprenentment, però, el centre del cercle no es crema. Falta correspondència (27)

Per reconstruir el model mental podem fixar-nos millor en la disposició del sistema. Ens adonem que la flama s’ha eixamplat en acostar-hi la cartolina i que el seu nou diàmetre és semblant al de la part cremada. En les condicions de l’experiment, la part més calenta de la flama ha de ser la seva part exterior. Però no ho sabem explicar. Falta coherència (28)

Ja ha quedat clar que la calor es produeix en la reacció de la parafina

amb l’oxigen. Però, on reaccionen?

En arribar aire a la flama –ara eixamplada– es troba amb la parafina vaporitzada que hi ha al seu interior. Només en trobar-se poden reaccionar i formar aigua i diòxid de carboni, alliberant calor en aquell lloc. Una calor suficient perquè allà cremi la cartolina, coincidint amb el que hem observat. Hi ha correspondència (29)

Combustions més eficaces?

Ja que utilitzar una flama d’aquesta mena, molt lluminosa, al laboratori ennegriria els utensilis, s’han ideat flames més eficients. De moment, els alumnes no saben com fer-ho. Falta coherència (30)

En un bec Bunsen, la mescla de gas butà (un altre hidrocarbur) amb l’aire es produeix eficaçment al llarg del tub, permetent així la combustió del carboni de forma molt més ràpida, sense que tingui temps de formar partícules sòlides ni que es posin incandescents (fig. 14). La prova és que la flama del bec Bunsen no és especialment lluminosa si crema correctament, ja que disposa de suficient oxigen per a reaccionar ràpid i sense arribar a formar carboni sòlid. És una flama oxidant per l’abundància d’oxigen. Hi ha robustesa (31)

En canvi, tapant l’entrada inferior d’aire en el tub, la flama es converteix en lluminosa a causa, de nou, del carboni incandescent. Ara és una flama reductora amb dèficit d’oxigen. El carboni que es pugui dipositar en els utensilis és el que no ha acabat de reaccionar amb l’oxigen; per aquest motiu no pot alliberar tot el seu potencial energètic. El mateix ocorre amb els vehicles que emeten fum negre. Hi ha robustesa (32)

Combustions al cos humà?

El que s’ha après en aquesta seqüència connecta bé amb

Figura 10. L’espelma deixa en el vidre un residu negre que es pot retirar fàcilment.

Figura 11. El carbó i la llana de ferro, incandescents, cremen sense flama.

l’experiment, fet a segon curs, de cremar un fruit sec i escalfar aigua amb la calor produïda per mesurar el seu important contingut energètic. La combustió dels aliments es desenvolupa en el cos humà a una temperatura molt menor i sense flama, però alliberant la mateixa energia. Però no de cop, sinó per processos molt més graduals que resulten més eficients. Hi ha robustesa (33)

Tots aquests resultats seran fonamentals per a comprendre el funcionament del cos humà en l’última unitat del tercer curs, que tanca el projecte.

Què hem après?

És important que s’adonin que ara poden considerar insatisfactòries les seves concepcions inicials, posades en dubte al llarg de tot el procés, i superar-les amb altres explicacions més ben fonamentades i satisfactòries. Tal com se sol desenvolupar a classe, aquesta

seqüència constitueix un exigent exercici de la competència científica (Izquierdo et al. 2016), ja que ha suposat resoldre satisfactòriament un mínim de deu problemes (fig. 15) sorgits a partir de l’estudi de la combustió de l’espelma.

Una vegada arribats al final de la indagació, amb models mentals plenament satisfactoris –i compatibles amb la ciència escolar– és el moment de descriure’ls formalment per escrit. A més a més d’explicar tots els processos, l’escrit inclourà també la representació simbòlica de la reacció amb els seus reactius i productes, utilitzant la paraula parafina en comptes de la seva fórmula (inexistent, ja que es tracta d’una mescla d’hidrocarburs).

Cal notar que hem pogut realitzar una investigació química escolar, didàcticament molt productiva, sense necessitat de conèixer la suposada fórmula de la parafina ni haver d’escriure cap

reacció ajustada. El llenguatge químic és tan potent que de vegades eclipsa el seu significat químic i llavors no ajuda gaire a aprendre química.

Tal com hem mostrat amb aquest exemple, en el nostre projecte les seqüències didàctiques s’han pensat per a facilitar a l’alumnat la realització de totes aquestes operacions racionals i emocionals. Dues dimensions que es combinen per a generar a l’aula dinàmiques potents de participació i d’aprenentatge.

Referències

aliBeraS, J.; GUtiérreZ, r.; iZqUierdo, M. (2017). «Introducción a un método para la conducción y análisis de diálogos didácticos basado en la evaluación de modelos mentales». Enseñanza de las Ciencias, vol. 35, núm. 2, p. 7-28. També disponible en línia a: <https://doi org/10.5565/rev/ ensciencias 2028>. (2019). «Identifying changes in a student’s mental models and stimulating intrinsic motivation for learning during a dialogue regulated by the teachback technique: a case study». Research in Science Education [en línia]. <https://doi.org/10.1007/ s11165-018-9810-z>

faraday, M. [1861] (2004). La historia química de una vela Madrid: Nivola Libros y Ediciones

GUtiérreZ, R. (2003). «Conversation theory and self-learning». A: pSilloS, D et al. (ed.). Science

Figura 12. Una flama lluminosa fa ombra però, curiosament, una flama menys brillant no en fa.

Figura 13. Es crema un anell a la cartolina, però no el seu centre.

Figura 14. Un bec Bunsen amb flama oxidant (esquerra) i un altre amb flama reductora.

Figura 15. Els deu problemes plantejats al llarg de la seqüència presentada. Cadascuna de les 33 avaluacions del model mental (numerades com en el text) es representa per les tres lletres inicials de la propietat avaluada (COH: coherència; COR: correspondència; ROB: robustesa), i en color verd o vermell segons que el resultat hagi estat satisfactori o no. La darrera columna numera les situacions que han resultat problemàtiques. Com es pot veure, totes han acabat resoltes satisfactòriament. La primera i la darrera preguntes no han generat problemes a l’alumne.

research in the knowledge-based society Kluwer Academic Publishers, p 43-49.

iZqUierdo, M.; CaaMaño, a; SarraMona, J. (2016). Competències bàsiques de l’àmbit cientificotecnològic [en línia]. Generalitat de Catalunya, Departament d’Ensenyament. <http:// ensenyament gencat cat/web/. content/home/departament/ publicacions/colleccions/ competencies-basiques/eso/ ambit-cientificotecnologic pdf>

i Z q U ierdo , M.; e S pinet , M.; G ar C ia , M. p.; p UJ ol , r . M.; S an M artí , N. (1999). «Caracterización y fundamentación de la ciencia escolar». Enseñanza de las Ciencias , núm. extra: «Aportación de un modelo cognitivo de ciencia a la enseñanza de las ciencias», p. 79-91.

MinSKy, M. (1986). La sociedad de la mente. Buenos Aires: Galápago. UAB-DEGC (2019). Projecte «Competències de Pensament Científic, Ciències 12-15» [en línia]. <https://formacio.cesire.cat/ ciencies1215/>

Joan Aliberas

És llicenciat en ciències químiques i doctor en didàctica de les ciències Professor de física i química de secundària Membre del grup de recerca LIEC (Llenguatge i Ensenyament de les Ciències) de la UAB. Ha col·laborat amb el Departament de Didàctica de les Ciències de la UAB en la formació del professorat i en recerques didàctiques sobre l’elaboració d’activitats i seqüències didàctiques.

A/e: jalibera@xtec.cat

Analogías, simulaciones y experimentos mentales para la construcción del modelo del cambio químico

Analogies, simulations and thought experiments in order to construct the chemical change model

María del Mar Aragón-Méndez / Departamento de Didáctica. Universidad de Cádiz. Instituto de Educación

Secundaria Fernando Aguilar Quignon (Cádiz)

José María Oliva / Departamento de Didáctica. Universidad de Cádiz

resumen

Se ejemplifica la modelización del cambio químico, en su dimensión instrumental, a través del uso de una serie de recursos, como analogías, experimentos mentales, simulaciones y animaciones. Todo ello inserto dentro de una secuencia didáctica en torno a dicho modelo, contextualizada en el marco de la contaminación química, y más específicamente a través del estudio de los procesos de combustión química.

palabras clave

Analogías, animaciones, experimentos mentales, modelo de cambio químico, simulaciones.

abstract

A series of didactic resources addressed to the development of activities of modeling in science is proposed, giving examples of each one of them addressed to the study of chemical change. Specifically, several activities are presented using analogies, mental experiments, simulations and animations. All of them are inside a didactic sequence around that model, contextualized in the frame of chemical contamination, and more specifically, through the study of chemical combustion processes.

keywords

Analogies, animations, chemical change model, thought experiments, simulations.

Introducción

Los modelos ocupan un papel central tanto en la ciencia como en la educación científica. De ahí el auge que ha cobrado la enseñanza basada en modelos en la enseñanza-aprendizaje en este ámbito, y el interés creciente despertado por la modelización como proceso y competencia a poner en juego y desarrollar (Justi & Gilbert, 2002).

En especial, el modelo de cambio químico supone uno de

los núcleos centrales del currículum de ciencias en la educación secundaria (Raviolo, Garritz & Sosa, 2011; Merino & Izquierdo, 2011). Este es un contenido clave para el aprendizaje de otros contenidos y es útil para explicar muchos fenómenos de la vida diaria. Pero la comprensión del modelo de cambio químico puede resultar problemática, pues maneja entidades y relaciones abstractas que son

difíciles de imaginar por su nivel de abstracción (átomos, moléculas, enlaces entre átomos, movimiento molecular, colisiones moleculares, etc.), porque no es sencillo vincularlo con el mundo real, y porque las reglas de representación simbólica usadas para esas entidades tienen cierta complejidad (fórmulas químicas, nomenclatura química, ecuaciones químicas) (Caamaño, 2020).

En este contexto, existen multitud de recursos útiles para facilitar la comprensión del modelo de cambio químico, muchos de los cuales implican la imaginación, la visualización y el pensamiento analógico del estudiante. Entre ellos podemos situar las analogías, los experimentos mentales y las animaciones y simulaciones digitales. En este artículo se describen algunos ejemplos de recursos de este tipo, como base para el desarrollo de prácticas de modelización en química. En concreto, el uso de estos recursos se plantea inserto dentro de una unidad didáctica sobre cambio químico, contextualizada en el marco de la contaminación química, y más específicamente a través del estudio de los procesos de combustión química.

Modelos y recursos para la modelización en química

Un modelo es una representación de un objeto, un proceso o un fenómeno, con objeto de describir, explicar o predecir situaciones y hechos (Adúriz-Bravo, 2012).

Unido a ello, los modelos también permiten representar ideas abstractas, por lo que pueden considerarse mediadores entre las teorías y el mundo real (Morrison & Morgan, 1999).

En un contexto didáctico la idea de modelo juega también un papel esencial en la enseñanza de las ciencias. Así, de una parte, los modelos enseñados proporcionan una representación externa del modelo científico de referencia adaptada a la edad de los estudiantes, fruto de su transposición didáctica. Pero, por otra parte, los modelos han de ser construidos internamente por los propios alumnos, mediante procesos de andamiaje que apelan, entre otros, a recursos instrumentales que acompañan las intervenciones del profesorado. Se entiende así que el diálogo profesor-alumno, como

también el de alumno-alumno, debe articularse a través de recursos de apoyo; entre ellos analogías, modelos físicos, simulaciones, animaciones, experimentos mentales, etc. En conjunto, todos ellos son modelos analógicos escolares (Harrison & Treagust, 2000). Son «escolares» al constituir modelos creados con el propósito de ayudar al alumnado en su aproximación al modelo científico. Y podemos llamarlos «analógicos» ya que, habitualmente, están sustentados en analogías (Chamizo, 2010). Por ejemplo, las analogías aproximan el modelo objeto de aprendizaje a otros más concretos y familiares para el alumnado. Las maquetas y modelos físicos a escala, por otro lado, guardan una relación analógica con el mundo real y facilitan oportunidades de visualizar sistemas abstractos. Por su parte, las simulaciones y animaciones presentan un mundo virtual dinámico que mantiene cierto símil con la realidad, y que suele recurrir a representaciones icónicas que permiten visualizar objetos abstractos como átomos, moléculas, redes cristalinas, etc. Finalmente, los experimentos mentales sumergen al alumno en un escenario imaginario que es análogo al mundo real, incorporando en muchos casos narrativas que incluyen exaltaciones alegóricas, como ocurre en el caso del diablillo de Maxwell, o incluso el uso de analogías. Por tanto, la componente analógica constituye un eje esencial en todos estos recursos.

Pero el potencial de estos recursos depende no solo del que posee cada uno por separado, sino, sobre todo, de la posibilidad de hacer un uso combinado y complementario de varios de ellos (Donati & Andrade-Gamboa, 2004; Reiner & Gilbert, 2000), insertos siempre en el marco de una secuencia de enseñanza-aprendi-

zaje más amplia, solo dentro de la cual cobrarían un verdadero sentido.

Descripción de una secuencia didáctica para el estudio del cambio químico

La propuesta didáctica, dirigida al alumnado de 3º de ESO (14-15 años), pretende la elaboración en el aula de modelos sobre el cambio químico, en el contexto de la contaminación química atmosférica. Al ser un tema amplio, se focaliza el problema en las reacciones de combustión, siendo estas el origen de la emisión de gran parte de contaminantes a la atmósfera. La secuencia diseñada sigue una adaptación del esquema de modelización propuesto por Justi y Gilbert (2002) (fig. 1).

El esquema establece cinco fases en las que se integran diferentes recursos, entre ellos analogías, modelos analógicos, simulaciones, animaciones y experimentos mentales, como herramientas que favorecen la práctica reflexiva de modelización.

I. Fase inicial

En esta fase se formulan cuestiones que justifican y guían el proceso de modelización. En concreto, se propone una lectura reflexiva sobre titulares de prensa y extractos de artículos (Actividad 1), sobre la que luego se lleva a cabo una síntesis que sirve para ilustrar la problemática suscitada y justificar la necesidad de modelos explicativos (Actividad 2). Luego, se realizan actividades prácticas sobre combustiones de sustancias con compuestos de carbono, identificando los productos obtenidos, y se formulan hipótesis sobre su origen. Se trata con ello de proporcionar experiencias directas sobre el fenómeno, retomando el modelo macroscópico sobre el cambio químico, que los estudiantes ya

han comenzado a desarrollar en cursos anteriores (Actividad 3). Luego, el profesor o profesora y los alumnos proponen modelos análogos para favorecer la construcción de los modelos a escala submicroscópica, utilizando unidades que pueden unirse de distinta forma (Actividad 4). Finalmente, se realiza una síntesis en la que se delimita y caracteriza la realidad que se va a modelizar (Actividad 5).

II. Fase de elaboración y representación de los modelos

Primero, se establecen los sistemas de representación de carácter submicroscópico, tanto verbales como icónicos, empleando diagramas de partículas y fórmulas químicas para representar sustancias (Actividad 6). Dichas ideas se apoyan mediante actividades

analógicas para facilitar la comprensión de los sistemas de representación usados y su relación con un modelo submicroscópico. En concreto, se usan primero para representar fórmulas y ecuaciones químicas (Actividad 7) empleando luego nuevos modelos análogos para avanzar hacia un modelo de colisiones (Actividad 8). Esta fase se cierra con la aplicación de los modelos de colisiones en cambios químicos relevantes para la problemática de la contaminación atmosférica (Actividad 9).

III. Fase de comprobación

Se incide en la formulación de problemas, en la realización de predicciones haciendo uso de analogías y en el diseño de experimentos mentales que pueden ser contrastados mediante experiencias reales o simulaciones digitales.

En concreto, se procede a la interpretación del mecanismo de actuación de catalizadores mediante una actividad analógica, en situaciones de indagación, referida a la prevención y disminución de la contaminación (Actividad 10).

Posteriormente, se pasa a la aplicación de los modelos desarrollados en la realización de balances de masas, proporciones de reactivos y productos, y velocidad de reacción, en el contexto de la contaminación atmosférica (Actividad 11).

IV. Fase de formalización

Una vez que los modelos consensuados –modelo atómico y de las colisiones– superan las pruebas a las que son sometidos, es precisa esta fase en la que se sistematizan, se comparan entre sí, y se establecen el rango de validez y las limitaciones de cada uno (Actividad 12).

V. Fase de aplicación

Se trata de transferir el modelo desarrollado a nuevas situaciones, lo que permite constatar su utilidad e implicaciones en la comprensión de la vida diaria y en nuestra actuación ciudadana. En concreto, se justifican acciones que persigan la reducción de los problemas de contaminación atmosférica, concretando agentes y momentos de actuación (Actividad 13).

Tras la finalización de cada fase, los estudiantes realizan una síntesis de las conclusiones de las actividades desarrolladas. Las síntesis personales deben considerarse provisionales y deben ser mejoradas, contrastándolas con las conclusiones de otros y la mediación del docente, guía y conductor de todo el proceso (Sanmartí, 2000).

Las actividades analógicas en el proceso de modelización del cambio químico

En la propuesta didáctica se usan analogías de forma recurren-

Figura 1. Adaptación de la secuencia de modelización de Justi y Gilbert (2002).

te para facilitar la modelización del cambio químico a escala submicroscópica. Las actividades analógicas presentadas a continuación pretenden ilustrar cómo estas pueden favorecer la construcción de los modelos, al permitir trasladar ideas desde un ámbito conocido y familiar a otro desconocido y alejado de sus experiencias cotidianas; en este caso al mundo de átomos y moléculas. Además, las analogías son de utilidad para realizar predicciones, que luego pueden ser contrastadas con la información disponible a partir de experiencias reales y simulaciones digitales.

La analogía del lego, proporcionada en la actividad 4, es una herramienta útil para interpretar el cambio químico a nivel atómico-molecular, ya que este tipo de representaciones ayudan a entender el significado de una ecuación química (Oliva & Aragón, 2009; Caamaño, 2017).

Posteriormente, en la actividad 6, se retoma para establecer la ecuación química como un modelo simbólico de representación, analizando el significado de los coeficientes estequiométricos y diferenciándolos de los subíndices de las fórmulas químicas. Para ello, los alumnos empiezan interpretando las ecuaciones químicas usando las piezas del lego, y otros hacen lo contrario; pero más tarde, si se quiere, se les puede pedir que hagan el proceso

Figura 2. Actividad analógica para favorecer la construcción de un modelo simbólico para representar el cambio químico, la ecuación química.

contrario, esto es, representar mediante fórmulas los procesos de recombinación de piezas.

Además, la analogía del lego puede usarse en la interpretación de la conservación de la masa en los cambios químicos, para ilustrar el concepto de reactivo limitante o la interpretación de la ley de las proporciones definidas.

Para profundizar en la interpretación del cambio químico se recurre a otra actividad analógica, mediante la que se reconstruye el modelo desarrollado, teniendo en cuenta ahora un modelo cinético de colisiones (Actividad 8). El modelo análogo empleado es construido ad hoc con bolas de plastilina, en algunas de las cuales se introducen imanes en su interior, mientras en otras no. Tras agitar un conjunto de bolas de plastilina organizadas de una determinada forma, se produce una reorganización de estas, uniéndose entre sí las que contienen imanes. Los estudiantes deben describir el modelo análogo y transferir sus propiedades al sistema atómico-molecular (fig. 3).

Más tarde, se acude de nuevo a una actividad analógica (fig. 4),

esta vez para ilustrar el mecanismo de actuación de los catalizadores (Actividad 10), que juegan un papel importante en la reducción de la emisión de contaminantes por parte de los vehículos de combustión. El modelo análogo empleado para el catalizador es una palanca que facilita la apertura de un bote para retirar su tapa, que luego se coloca en un bote diferente. Las relaciones analógicas establecidas por los estudiantes deben conducir a considerar los catalizadores como sustancias que facilitan la ruptura de las moléculas de las sustancias iniciales, sin transformarse durante el proceso. Además, empleando la analogía, los estudiantes realizan predicciones sobre el uso de los catalizadores, que luego pueden ser contrastadas. Las cuestiones formuladas son las siguientes: ¿Se agotarían los catalizadores al igual que ocurre con los reactivos?, ¿Podría con el tiempo dejar de ser eficaz un catalizador?, ¿Podría un catalizador acelerar un cambio químico sea cuál sea la cantidad de reactivo que deba reaccionar?, ¿Resuelven los

Figura 3. Actividad analógica para la construcción del modelo de colisiones.

catalizadores todos los problemas de contaminación generados por las combustiones?

Posteriormente, se emplea la misma analogía para transferir ideas e interpretar un proceso de catálisis que se visualiza a escala submicroscópica mediante una animación (fig. 5).

Los experimentos mentales y las animaciones en el proceso de modelización del cambio químico

Los experimentos mentales proporcionan la ocasión de reflexionar sobre los modelos reconstruidos, permitiendo su desarrollo y evaluación. Mediante un experimento mental se recrea un escenario en el que, mediante la imaginación, se visualiza mentalmente una situación, pudiendo modificar alguna variable que provoque un cambio en dicho escenario; el cambio responde a las reglas o principios del modelo que se pone en juego. En el caso del cambio químico, puede ser necesario estimular la imaginación de los estudiantes

para recrear en su mente situaciones dinámicas que se activen al realizar esas modificaciones. Una herramienta que permite reproducir mentalmente escenarios de este tipo son las animaciones. Por ejemplo, al iniciar la actividad 10, tras visualizar una animación sobre la formación de monóxido de nitrógeno (fig. 6), se pide a los estudiantes que, realizando experimentos mentales, respondan a preguntas como: ¿Cómo podemos conseguir que se forme más o menos monóxido de nitrógeno? Posteriormente los estudiantes imaginan que el recipiente de la simulación es el motor de combustión, en el que se introduce aire (mezcla de oxígeno y nitrógeno) para posibilitar la combustión de la gasolina, y se pregunta por la producción de óxidos de nitrógeno en el mismo. La discusión deriva en el tratamiento de los gases emitidos y en el uso de catalizadores.

Del mismo modo, entre las cuestiones formuladas en la actividad 11 y después de poner en

Figura 5. Imágenes de la animación de la reacción de hidrogenación del eteno mediante un catalizador de Pt (http://www.deciencias.net/ proyectos/0cientificos/Tiger/Tiger.htm).

marcha la animación de la fig. 7 sobre la reacción de combustión del hidrógeno, se pregunta sobre cómo podría producirse esta a mayor velocidad. Los estudiantes pueden formular hipótesis sobre cómo afectan determinadas variables, como el volumen del recipiente, la temperatura o la cantidad de moléculas iniciales de reactivos. La animación puede estimular la recreación mental de los sistemas submicroscópicos tras modificar las variables correspondientes. El hidrógeno se discute como alternativa al uso de combustibles fósiles.

Las simulaciones en el proceso de modelización del cambio químico Puesto que las simulaciones permiten la interacción de los estudiantes con el modelo base de su diseño computacional, permiten también inferir sus reglas de funcionamiento. Por ello, pueden contribuir a facilitar su construcción, como también a aplicarlo para resolver situaciones problemáticas, e incluso ponerlo a prueba para evaluar su verosimilitud. En el caso del cambio químico, los modelos submicroscópicos pueden ser evaluados a través de un proceso de indagación experimental, pero los principios que los sustentan pueden ser contrastados mediante simulaciones virtuales, que reflejan, de forma visual e interactiva, el comportamiento de los sistemas submicroscópicos representados.

Figura 4. Actividad analógica para la construcción de un modelo de catalizador.

Figura 6. Secuencias de la animación de la formación de monóxido de nitrógeno (http://www.deciencias.net/ proyectos/0cientificos/Tiger/paginas/ LimitingReactant.html).

En la propuesta descrita, las simulaciones han constituido una herramienta para elaborar y validar los modelos propuestos por los estudiantes.

Para desarrollar el modelo simbólico sobre el cambio químico, como parte de la actividad 4 en la que se usa la analogía del lego descrita anteriormente, los estudiantes usan la simulación PhET de la Universidad de Colorado. Se promueve la reflexión mediante preguntas acerca del significado de los símbolos y subíndices empleados en las fórmulas químicas y de los coeficientes que aparecen en las ecuaciones manejadas.

Como herramienta de contrastación del modelo de colisiones, reconstruido en el aula a través de la actividad analógica descrita en el apartado anterior, se ha empleado la simulación propuesta en el sitio PhET. Los estudiantes, entre las cuestiones planteadas en la actividad 11, deben formular una hipótesis razonada sobre la influencia de la temperatura en la velocidad de formación del ozono troposférico. La hipótesis es contrastada mediante una simulación virtual, en la que se puede inferir el aumento de velocidad con la temperatura en una reacción del tipo A + BC → AB + C (fig. 9).

Conclusiones

Una versión inicial de la propuesta didáctica presentada fue ensayada con un grupo de 23 estudiantes de 3º de ESO de un

Figura 7. Secuencias de la animación de la combustión del hidrógeno (http://www.deciencias.net/ proyectos/0cientificos/Tiger/paginas/Synthesis.html).

centro público. Los resultados obtenidos fueron esperanzadores y avalan la utilidad de la propuesta para el desarrollo de la competencia de modelización. De este modo, 14 de los 21 alumnos experimentaron algún nivel de avance en su desempeño en un cuestionario destinado a evaluar su capacidad para interpretar fórmulas y ecuacio-

nes químicas, así como explicar y predecir fenómenos relacionados con el cambio químico. Los siete alumnos restantes no progresaron, porque ya partían de niveles altos para dicho desempeño. Así mismo, la muestra en su conjunto consiguió avances acerca de aquello en lo que consiste un modelo, su utilidad y su naturaleza evolutiva, entre otros

Figura 8. Secuencias de la simulación del ajuste de la ecuación de combustión del metano (http://www.deciencias.net/proyectos/0cientificos/Tiger/paginas/ LimitingReactant.html).

Figura 9. Simulación digital sobre la influencia de la temperatura en la velocidad de reacción (https://phet.colorado.edu/es/simulation/reactions-and-rates).

aspectos. Ello indica que la unidad didáctica no solo sirvió para mejorar la comprensión y el uso de modelos de cambio químico, sino también para hacer evolucionar sus visiones acerca de la naturaleza de los modelos. Por todo ello, es razonable pensar que los recursos empleados, ejemplificados a lo largo del artículo, jugaron un papel importante en los avances conseguidos.

Agradecimientos

Financiado por: FEDER / Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades – Agencia Estatal de Investigación / Proyecto EDU2017-82518-P.

Referencias

adúriZ-Bravo, A. (2012). «Algunas características clave de los modelos científicos relevantes para la educación química». Educación Química, vol. 23, suplemento 2, p. 1-9.

araGón, M. M.; oliva, J. M.; BlanCo, A. (2017). «Abordando el cambio químico desde una perspectiva de modelización y contextualización: avance de resultados». Enseñanza de las Ciencias, n.º extraordinario, p. 4357-4362.

CaaMaño, A. (2017). «Formas y niveles de representación de las reacciones químicas. Un instrumento esencial para la comprensión del cambio químico». Alambique, n.º 90, p. 8-16. (2020). «La estructura conceptual de la química y su enseñanza». En: CaaMaño, A. (coord.). Enseñar química. De las sustancias a la reacción química Barcelona: Graó, p. 9-43.

CHaMiZo, J. A. (2010). «Una tipología de los modelos para la enseñanza de las ciencias». Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias, vol. 7, n.º 1, p. 26-41.

donati, E. R.; andrade-GaMBoa, J. J. (2004). «Las propiedades de las

disoluciones a través de experimentos mentales». Educación Química, vol. 15, n.º 4, p. 432-435.

HarriSon, A. G.; treaGUSt, D. F. (2000). «A tipology of school science models». International Journal of Science Education, vol. 22, n.º 9, p. 1011-1026.

JUSti, R.; GilBert, J. K. (2002). «Modelling teachers’ views on the nature of modelling, and implications for the education of modelers». International Journal of Science Education, vol. 24, n.º 4, p. 369-387.

Merino, C.; iZqUierdo, M. (2011). «Aportes a la modelización según el cambio químico». Educación Química, vol. 22, n.º 3, p. 212-223.

MorriSon, M.; MorGan, M. S. (1999). «Models as mediating instruments». En: MorGan, M. S.; MorriSon, M. (ed.). Models as mediators. Cambridge: Cambridge University Press, p. 10-37.

oliva, J. M.; araGón, M. M. (2009). «Aportaciones de las analogías al desarrollo de pensamiento modelizador de los alumnos en química». Educación Química, vol. 20, p. 41-54.

raviolo, A.; GarritZ, A.; SoSa, P. (2011). «Sustancia y reacción química como conceptos centrales en química. Una discusión conceptual, histórica y didáctica». Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias, vol. 8, n.º 3, p. 240-254.

reiner, G.; GilBert, J. (2000). «Epistemological resources for thought experimentation in science learning». International Journal of Science Education, vol. 22, n.º 5, p. 489-506. SanMartí, N. (2000). «El diseño de unidades didácticas». En: peraleS, F. J.; Cañal, P. (ed.). Didáctica de las Ciencias Experimentales. Alcoy: Ed. Marfil, p. 239-266.

María del Mar Aragón-Méndez

Licenciada en Ciencias Químicas y doctora en Didáctica de las Ciencias Experimentales. Ejerce como profesora de secundaria de física y química en el IES Fernando Aguilar Quignon de Cádiz y como profesora asociada en el Departamento de Didáctica de la Universidad de Cádiz, con docencia en la formación inicial de profesores de ciencias. Sus líneas actuales de investigación se mueven en el ámbito de la modelización en ciencias y la naturaleza de la ciencia. Es editora de sección de la Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias.

A/e: mariadelmar.aragon@uca.es

José María Oliva

Licenciado en Ciencias Químicas con el grado de doctor, ejerce como catedrático de universidad de didáctica de las ciencias experimentales en la Universidad de Cádiz. Ha sido durante años profesor de educación secundaria, y hoy día dedica su docencia a la formación inicial de profesores de ciencias. Sus líneas actuales de investigación se mueven en el ámbito de la modelización en ciencias, la naturaleza de la ciencia y la formación del profesorado. Entre sus funciones destacan la de editor de la Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias, y la de coeditor del Boletín de la AIA-CTS

A/e: josemaria.oliva@uca.es Analogías,

Indagar y modelizar sobre reacciones bioquímicas

Inquiring and modeling about biochemical reactions

Verónica Muñoz Campos, Antonio Joaquín Franco Mariscal y Ángel Blanco López / Didáctica de las Ciencias Experimentales. Universidad de Málaga

resumen

Este trabajo muestra algunas actividades implementadas con estudiantes de 4º de ESO para estudiar mediante prácticas científicas las reacciones químicas implicadas en la elaboración de yogur casero y en la formación de la caries, en las que el papel de las bacterias es esencial. Se ilustra cómo ayudarles a comprender cómo ocurren estas reacciones, realizando dibujos que expliquen la interacción entre los reactivos implicados (modelización), y diseñando y llevando a cabo la reacción química en distintas condiciones (indagación).

palabras clave

Reacciones bioquímicas, indagación, modelización, prácticas científicas, educación secundaria.

abstract

This paper shows some activities implemented with grade 10 students to study through scientific practices the chemical reactions involved in the preparation of homemade yogurt and in the tooth decay, in which the role of bacteria is essential. It is illustrated how to help students understand how these reactions occur, making drawings that explain the interaction between the reagents involved (modeling), and designing and carrying out the chemical reaction under different conditions (inquiry).

keywords

Biochemical reactions, inquiry, modeling, scientific practices, secondary education.

Introducción

Las reacciones químicas en las que intervienen agentes biológicos, en particular las bacterias, son comunes en la vida diaria. Los distintos tipos de fermentación de alimentos o la aparición de caries son algunos ejemplos. El hecho de que en ellas intervengan agentes que no se ven a simple vista ni se añaden, constituye una dificultad para su comprensión por parte del alumnado de secundaria. Algunos estudios muestran cómo los estudiantes consideran las bacterias como agentes patógenos que son la principal causa de enfermedades, sin hacer distin-

ción entre enfermedad contagiosa y no contagiosa (Brumby, Garrard & Auman, 1985), o, por el contrario, defienden la idea que las bacterias pueden ser útiles para la elaboración de medicinas o vacunas (Maxted, 1984). Sin embargo, no llegan a ser capaces de explicar su intervención en una reacción bioquímica (Muñoz, Franco & Blanco, 2018). En definitiva, considerar esta naturaleza biológica implica una mayor dificultad para el alumnado con respecto a las reacciones químicas inorgánicas.

En la actualidad, el desarrollo de prácticas científicas de indagación y modelización en el aula de

secundaria se considera necesario para producir avances en el proceso de aprendizaje de los estudiantes (Kelly, 2008). La indagación les permite construir conocimientos sólidos, acercando a los estudiantes al modo de trabajo de los científicos. El uso de esta práctica implica realizar actividades que incluyan distintas facetas como la observación, la formulación de preguntas y respuestas sobre el tema de estudio, el planteamiento de hipótesis, la búsqueda de información en diversas fuentes, el diseño de la investigación, el análisis e interpretación de datos y la comunicación de resultados (Romero-Ariza, 2017).

La modelización de los sistemas (entidades y procesos) consiste en abordarlos a través de representaciones simplificadas, que deben ayudar al alumnado a interpretarlos científicamente (Aragón, 2013). Se trata de una práctica fundamental en la enseñanza de las ciencias que implica que el alumnado no solo aprenda ciencias a través de modelos sino que también sea capaz de elaborar estrategias, habilidades y actitudes para que pueda desarrollar modelos que le permitan entender algunos fenómenos.

La integración de estas prácticas en secuencias didácticas (Franco & Blanco, 2015; Muñoz, Franco & Blanco, 2020a) produce ventajas en la enseñanza-aprendizaje de las ciencias (Franco, Blanco & España, 2018; Muñoz, Franco & Blanco, 2020b) y puede ayudar a los estudiantes a comprender mejor este tipo de reacciones y la importancia que tienen los agentes biológicos que intervienen en las mismas.

Considerando estas ideas, este artículo recoge algunas actividades implementadas con estudiantes de 4º de ESO de distintos centros educativos para abordar a través de las prácticas científicas de indagación y modelización dos reacciones químicas en las que intervienen bacterias, concretamente la elaboración de yogur casero y la formación de caries.

Reacciones bioquímicas

El proceso de elaboración de yogur se basa en una reacción bioquímica relacionada con el metabolismo celular de los microorganismos, en concreto para la transformación de la leche en yogur. Esta reacción se conoce como fermentación láctica y se trata de un proceso anaeróbico, en ausencia de oxígeno, cuyo resultado es un producto orgánico. Para que la reacción se lleve a cabo es necesaria la presencia de

microorganismos llamados bacterias, Lactobacillus y Streptococcus, que transforman la lactosa de la leche en glucosa y posteriormente en ácido láctico.

La lactosa (C12H22O11) se hidroliza hasta 2-glucosa (C6H12O6) mediante la lactasa, y, posteriormente, la glucosa a través de la glicólisis se transforma en dos moléculas de ácido pirúvico, liberándose dos moléculas de ATP y dos de NADH + H+. El ácido pirúvico se reduce por la acción de las moléculas de NADH + H+ y se transforma en ácido láctico, cuya reacción está catalizada por la lactato-deshidrogenasa (López & Boronat, 2014).

En la formación de caries, las bacterias presentes en la saliva descomponen los azúcares ingeridos en la dieta produciendo ácidos. Estos ácidos reaccionan con el esmalte del diente, compuesto prácticamente en su totalidad (un 95 %) por un fosfato de calcio básico llamado hidroxiapatita, separando los iones que lo componen (reacción de desmineralización) y originando la caries (Pedro-Núñez & García-Bacallao, 2010). El ataque de los ácidos va avanzando a las distintas partes del interior del diente hasta llegar en algunos casos a la raíz.

Identificación de los reactivos

Como en cualquier reacción química, el primer paso para abordarla en el aula es que los estudiantes identifiquen las sustancias químicas que actúan como reactivos y los agentes biológicos implicados. En el caso de las reacciones bioquímicas es conveniente empezar por los materiales reactivos «visibles» (la leche en el caso de la fermentación láctica y el esmalte del diente para la formación de caries), para luego pasar a identificar los agentes biológicos como reactivos que intervienen pero que no se pueden ver a

simple vista. Así, en el caso del yogur el fermento contiene las bacterias que producen la lactasa, una enzima que actúa de catalizador y acelera la reacción de hidrolización de la lactosa. En la formación de caries, las bacterias presentes en la placa dental producen las enzimas responsables de la transformación de los azúcares en ácidos.

La lactosa como reactivo en la fermentación láctica de la leche

Desde el punto de vista macroscópico la leche es un producto natural en estado líquido de color blanco y aspecto homogéneo. Sin embargo, vista al microscopio la leche ya no aparece como un producto homogéneo y pueden verse en ella distintos componentes, por lo que se recomienda la realización de esta práctica para mostrar que se trata de una mezcla coloidal que contiene uno de los reactivos (la lactosa) implicados en la transformación. Para ello se pueden plantear en el aula distintas preguntas exploratorias: ¿A partir de qué sustancia se elabora el yogur?, ¿Es la leche una sustancia pura?, ¿Cómo podríamos averiguarlo experimentalmente?

Una vez considerado que la leche es el material de partida para la elaboración de yogur, y que se trata de una mezcla, podríamos continuar preguntando cuál es su composición y cómo podríamos saberla. En este punto, se pidió al alumnado traer distintas etiquetas de leche y yogur con idea de elaborar una lista con los ingredientes de cada producto. En su realización en el aula se encontró como dificultad que algunos estudiantes no supieron interpretar los ingredientes de la leche en su etiqueta, al confundirlos con los datos nutricionales en los que se alude a hidratos de carbono, grasas, proteínas o vitaminas. Esta

actividad de indagar las etiquetas de la leche y el yogur estaba encaminada a que surgiera la hipótesis de que la lactosa puede ser el reactivo.

El esmalte del diente y los ácidos como reactivos en la formación de una caries

La materia que constituye el esmalte del diente y el azúcar son los dos sistemas materiales visibles implicados en la formación de una caries.

Conocer cómo es la estructura de un diente se muestra fundamental para entender cómo tiene lugar la aparición de caries. Para ello, se propone realizar una búsqueda de información en la web para identificar en un dibujo las distintas partes de un diente (desde el exterior al interior: esmalte, dentina, pulpa y nervio) y en qué orden se verían afectadas en un posible ataque del ácido.

Los estudiantes conocen la influencia del azúcar en la caries ya que es algo que se trata desde los niveles educativos de infantil y primaria (Mafra, Lima & Carvalho, 2015) y está presente en las campañas de prevención (Ministerio de Sanidad y Consumo, 2008). Ahora bien, este caso es más complejo que la elaboración del yogur, ya que el reactivo no es el azúcar, sino los ácidos, especialmente el láctico, que resulta como producto de la intervención de las bacterias presentes en la cavidad bucal (Pedro-Núñez y García-Bacallao, 2010). Esta información se proporcionó de forma directa al alumnado en la secuencia de enseñanza-aprendizaje.

Identificación de las bacterias como agente biológico que produce el catalizador de la reacción

El agente biológico implicado en ambas reacciones lo constituyen las bacterias, seres vivos microscópicos, siendo el más simple y

abundante de los organismos. Para reconocerlas como posibles agentes que producen las enzimas, se propone una actividad de búsqueda de información en la web sobre las bacterias para terminar con una puesta en común donde cada estudiante expone varias ideas que cree importantes sobre las bacterias. Entre ellas deben aflorar el gran número de tipos de bacterias existentes, las distintas formas en que se presentan y el hecho de que pueden vivir en todos los medios como el suelo o las disoluciones y a cualquier pH (en la leche a pH neutro o en la saliva a pH ácido).

En la leche natural (no en las pasteurizadas) están presentes distintos tipos de bacterias, entre las que se encuentran las denominadas Lactobacillus. Se recomienda observar las bacterias al microscopio para ver cómo se mueven y observar que tienen forma de bastones alargados. En lo que concierne al yogur, su elaboración deriva de la simbiosis entre dos bacterias, Streptococcus thermophilus y Lactobacillus bulgaricus, que se caracterizan porque cada una estimula el desarrollo de la otra.

Por el contrario, las bacterias de la boca son muy numerosas y corresponden a más de 600 especies, siendo los cocos grampositivos anaerobios las predominantes. Un aspecto a destacar en la reacción que comporta la formación de caries es que las bacterias están presentes en una disolución (la saliva). Los estudiantes tuvieron la oportunidad de observar la placa bacteriana de los dientes en un anuncio publicitario de una conocida marca de dentífricos que mostraba el aspecto de la dentadura antes y después de cepillarse los dientes (Franco & Blanco, 2015).

Identificación de otros factores que afectan a la reacción bioquímica

En el estudio de estas reacciones hay que tener en cuenta otros

factores que también afectan a la reacción. Así, la temperatura juega un papel esencial en las reacciones de fermentación láctica. A medida que aumenta la temperatura se produce una reproducción exponencial de las bacterias hasta una temperatura óptima. Por debajo de esta temperatura, se produce una reducción o retraso en la reproducción de microorganismos, y por encima, la alta temperatura causa la inhibición del crecimiento bacteriano.

En el caso de la formación de una caries la composición química del diente es un factor a considerar ya que puede influir en la reacción química. En este sentido, la genética de la persona o los hábitos de alimentación pueden influir en tener dientes más débiles o más fuertes (PedroNúñez y García-Bacallao, 2010).

Las prácticas científicas aplicadas a las reacciones bioquímicas

Cómo ayuda la indagación a entender las reacciones bioquímicas

La indagación ayuda a los estudiantes a comprender los procesos a través de los cuales transcurre una reacción química. En ambas reacciones, identificar los reactivos, emitir hipótesis, diseñar y realizar experimentos, tomar datos y emitir conclusiones son etapas importantes para entender las reacciones bioquímicas.

En el caso del yogur, se propuso como actividad indagar qué variables influyen en la elaboración de yogur casero, tras haber trabajado en clase los ingredientes que forman parte de la leche y del yogur. Se pidió diseñar diferentes recetas para elaborarlo en el aula, dando al estudiante total libertad en la elección de las variables independientes (la cantidad y tipo de leche, la cantidad de fermentos que aportan las bacterias).

Asimismo, se pidió identificar las variables controladas (recipiente, temperatura, tiempo) e indicar la metodología para preparar el yogur, ofreciéndoles una yogurtera y un frigorífico si querían emplearlos. Las variables dependientes de la indagación fueron la cantidad de yogur obtenido, el color, la acidez, el olor y el sabor.

Para acotar todos los diseños, se pidió que se centrasen en una única variable independiente y que planteasen una pregunta a investigar y sus hipótesis (Caamaño, 2012). Una de estas preguntas fue: ¿Hay una temperatura óptima para la obtención del yogur?, que dio lugar a hipótesis como: «La mejor temperatura

para elaborar yogur es guardándolo en el frigorífico a 10 ºC» y a un diseño en que la única variable independiente a modificar fue la temperatura, como recoge a modo de ejemplo la fig. 1. La fig. 2 ilustra el resultado obtenido.

Una vez elaborado el yogur se pidió valorar algunas de las propiedades del producto obtenido (color, sabor, acidez), compararlas con un yogur natural comercial y, finalmente, considerar si el producto obtenido se podía o no considerar yogur.

Los experimentos anteriores, y otros realizados con temperaturas más elevadas, permitieron a los estudiantes concluir que existe una temperatura óptima próxima a la temperatura corporal en la que la reacción transcurre muy rápidamente. A esta conclusión se llegó experimentalmente con los resultados de los productos obtenidos, puesto que los productos obtenidos a partir de diseños con temperatura inferior o superior a 40 °C no tenían aspecto de yogur. Para comprender el proceso de la reacción que ha tenido lugar y por qué en unos casos se obtuvo yogur y en otros no, se realizaron hipótesis sobre la intervención de las bacterias y su relación con la temperatura. Algunas hipótesis

Química en context

Indagar y modelizar sobre reacciones bioquímicas número

Figura 1. Diseño de los experimentos para investigar el efecto de la temperatura en la elaboración del yogur.

Figura 2. Yogures obtenidos por estudiantes de 4º de ESO.

fueron: «He obtenido yogur porque lo puse en la yogurtera y esto ha contribuido a que las bacterias se reproduzcan más rápido» o «No he obtenido yogur y el producto resultante era muy líquido porque lo metí en el frigorífico y hace falta calor para que se reproduzcan las bacterias».

En el caso de la caries, se propuso una indagación en torno a cómo podríamos picar un diente de leche en el laboratorio. Algunos de los diseños propuestos fueron comparar la picadura que se produciría en un diente sumergido en agua o en otro sumergido en una disolución de agua y azúcar durante el día. Al comprobar los estudiantes que no ocurría nada en ese período de tiempo, propusieron ampliar el tiempo de los experimentos a una semana. Finalmente, decidieron añadir un poco de saliva al vaso con el diente en agua y azúcar (Franco, Blanco & España, 2014).

Cómo ayuda la modelización a entender las reacciones bioquímicas

En la elaboración de yogur, una tarea de modelización útil para conocer cómo se imaginan los estudiantes que ocurre esta reacción bioquímica es pidiéndoles que la representen mediante dibujos y explicaciones escritas. Del análisis de sus respuestas se obtiene que el modelo mayoritario es aquel en el que las bacterias son el único agente activo implicado en la reacción bioquímica (Muñoz, Franco & Blanco, 2020c), pudiendo actuar con diferentes mecanismos al interaccionar con los componentes de la leche, de forma física, biológica o química. La fig. 3 muestra un ejemplo de un modelo en términos de una transformación biológica.

La fig. 4 ilustra una representación gráfica que parece implicar una interpretación química, con ruptura y formación de enlaces

entre diferentes componentes, pero acompañada de una explicación en términos físicos, en el sentido que se habla de juntar componentes.

La fig. 5 muestra un modelo en el que se identifica a las bacterias como agente activo y por cuya acción el azúcar se transforma en ácido láctico mediante una reacción química.

Al finalizar la secuencia, los estudiantes lograron ofrecer una

mejor interpretación y representación (modelización) de la reacción química, como muestra la fig. 6.

Consideraciones finales

Como se ha puesto de manifiesto, las reacciones bioquímicas, aunque desde un punto de vista conceptual son complejas, pueden ser abordadas con estudiantes de la ESO con la ayuda conjunta de las prácticas científicas de

Figura 3. Modelo utilizado por estudiantes de secundaria para explicar la fermentación láctica a través de una transformación biológica.

Figura 4. Modelo utilizado por estudiantes de secundaria para explicar la fermentación láctica a través de una transformación que presenta caracteres físicos y químicos.

5. Modelo utilizado por estudiantes de secundaria para explicar la fermentación láctica a través de una transformación química.

6. Modelo utilizado por estudiantes de secundaria al finalizar la secuencia.

indagación y modelización. Aunque en este artículo ambas prácticas se hayan mostrado en secciones diferentes, es importante resaltar su integración. De esta forma, aunque la indagación comience en la fase inicial, la modelización supone una parte del proceso de indagación.

Los estudiantes consideran interesante y novedoso el uso de secuencias que integren las prácticas científicas, mejorando su grado de implicación durante la enseñanza y permitiéndoles aprender sobre el tema estudiado (Muñoz, Franco & Blanco, 2020a).

Los resultados obtenidos muestran que este enfoque ayuda a mejorar los modelos de los estudiantes sobre las reacciones bioquímicas (Franco, Blanco & España, 2018; Muñoz, Franco & Blanco, 2020b) identificando un conjunto de modelos más amplio y avanzado que los modelos recogidos en la literatura para este proceso.

Agradecimientos

Este trabajo forma parte de los proyectos del Plan Nacional: — Proyecto I+D de Excelencia «Desarrollo de competencias en problemas de la vida diaria

mediante prácticas científicas de argumentación, indagación y modelización en enseñanza secundaria y universitaria» (EDU2017-82197-P) financiado por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades. — Proyecto I+D+i «Ciudadanos con pensamiento crítico: Un desafío para el profesorado en la enseñanza de las ciencias» (PID2019-105765GA-I00) financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación.

Referencias

araGón, M. M. (2013). Aportaciones de la enseñanza con analogías al desarrollo del pensamiento modelizador de los alumnos acerca del cambio químico. Tesis doctoral. Cádiz: Universidad de Cádiz. BrUMBy, M.; Garrard, J.; aUMan, J. (1985). «Students’ perceptions of the concept of health». European Journal of Science Education, vol. 7, n.º 3, p. 307-323.

CaaMaño, A. (2012). «¿Cómo introducir la indagación en el aula?» Alambique. Didáctica de las Ciencias Experimentales, n.º 70, p. 83-92. franCo, a. J.; BlanCo, A. (2015). «¿Por qué se pican los dientes? Una propuesta para el 2º ciclo de la ESO sobre la salud e higiene bucodental». En: BlanCo, A.; lUpión, t (ed.). La competencia científica en las aulas. Nueve propuestas didácticas. Santiago de Compostela: Andavira Editora, p. 269-300.

franCo, a. J.; BlanCo, a.; eSpaña, E. (2014). «El desarrollo de la competencia científica en una unidad didáctica sobre la salud bucodental. Diseño y análisis de tareas». Enseñanza de las Ciencias, vol. 32, n.º 3, p. 649-667. (2018). «Identifying and improving students’ mental models of tooth decay». En: finlaySon, O e.; MCloUGHlin, e.; erdUran, S.; CHildS, p (ed.). Electronic Proceedings of the ESERA 2017

Química

Figura

Figura

Conference. Research, Practice and Collaboration in Science Education. Dublín, Irlanda: Dublin City University, p. 118-127.

Kelly, G. (2008). «Inquiry, Activity, and Epistemic Practice». En: dUSCHl, r.; Grandy, r. (ed.). Teaching Scientific Inquiry: Recommendations for Research and Implementation. Rotterdam: Sense Publishers, p. 99-117; 288-291.

lópeZ, J.; Boronat, R. (2014). «Microbiología básica del yogur como recurso en el laboratorio de educación secundaria». Alambique, Didáctica de las Ciencias Experimentales, n.º 76, p. 80-86.

Mafra, p.; liMa, n.; CarvalHo, G. S. (2015). «Experimental Activities in Primary School to Learn about Microbes in a Oral Health Education Context». Journal of Biological Education, vol. 49, n.º 2, p. 190-203.

MaXted, M. A. (1984). Pupils’ prior beliefs about bacteria and science processes: their interplay in school science laboratory work. Tesis MA, University of British Columbia. MiniSterio de Sanidad y ConSUMo (2008). Plan de Salud bucodental «Qué molen tus muelas!» [recurso electrónico]. <https://www. mscbs.gob.es/campannas/ campanas08/bucoDental/ index.html> [Consulta: 5 noviembre 2020].

MUñoZ, v.; franCo, a. J.; BlanCo, A. (2018). «Modelos mentales de estudiantes de educación secundaria sobre la transformación de la leche en yogur». Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias, vol. 15, n.º 2, p. 2106. (2020a). «Secuencia de enseñanza-aprendizaje para el desarrollo de prácticas científicas en el contexto de consumo de yogur». En: CeBrián, D.; franCo, a. J.; lUpión, t.; aCeBal, C.; BlanCo, A. (coord.). Enseñanza de las ciencias y problemas

relevantes de la ciudadanía. Transferencia al aula. Barcelona: Graó [En prensa] (2020b). «Integration of scientific practices into daily living contexts: A framework for the design of teaching-learning sequences». International Journal of Science Education, vol. 42, n.° 15. DOI: 10.1080/09 500693.2020.1821932. (2020c). «Integración de prácticas científicas de argumentación, indagación y modelización en un contexto de la vida diaria. Valoraciones de los estudiantes de secundaria». Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias, vol. 17, n.º 3, p. 3201. pedro-núñeZ, d.; GarCía-BaCallao, L. (2010). «Bioquímica de la caries dental». Revista Habanera de Ciencias Médicas, vol. 9, n.º 2, p. 156-166.

roMero-ariZa, M. (2017). «El aprendizaje por indagación: ¿existen suficientes evidencias sobres sus beneficios en la enseñanza de las ciencias?». Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias, vol. 14, n.º 2, p. 286-299.

Verónica Muñoz Campos

Ingeniera química por la Facultad de Ciencias de la Universidad de Málaga y doctoranda en didáctica de las ciencias experimentales de la Universidad de Málaga. Profesora de secundaria de la Junta de Andalucía, especialidad física y química. Sus intereses de investigación están centrados en el desarrollo de secuencias didácticas integrando prácticas científicas de argumentación, indagación y

modelización. ORCID: https:// orcid org/0000-0003-2647-6560

C. e.: v.munoz@uma.es

Antonio Joaquín Franco Mariscal

Profesor titular de didáctica de las ciencias experimentales en la Universidad de Málaga. Investigador principal del Proyecto I+D+i PID2019-105765GA-I00 del Plan

Nacional y miembro del Grupo de Investigación ENCIC (PAIDIHUM-974). Sus intereses de investigación están centrados en el desarrollo del pensamiento crítico, prácticas científicas y gamificación en la enseñanzaaprendizaje de las ciencias.

ORCID: https://orcid.org/00000002-8704-6065

C. e.: anjoa@uma.es

Ángel Blanco López

Catedrático de didáctica de las ciencias experimentales en la Universidad de Málaga. Responsable del Grupo de Investigación sobre «Enseñanza de las Ciencias y Competencias» (ENCIC) (www. encic.uma.es). Sus intereses de investigación están centrados, actualmente, en el desarrollo de competencias en problemas de la vida diaria mediante prácticas científicas de argumentación, indagación y modelización.

ORCID: https://orcid.org/00000003-3628-0801

C. e.: ablancol@uma.es

Experiencias prácticas para la enseñanza y el aprendizaje de las reacciones químicas

Practical experiences for teaching and learning chemical reactions

Gabriel Pinto Cañón / Universidad Politécnica de Madrid. Grupo Especializado de Didáctica e Historia de la Física y la Química, Reales Sociedades Españolas de Física y de Química. Scientix Ambassadors

Marisa Prolongo Sarria / Grupo Especializado de Didáctica e Historia de la Física y la Química, Reales Sociedades Españolas de Física y de Química. I.E.S. Torre del Prado, Málaga. Scientix Ambassadors

resumen

Se proponen actividades prácticas para el estudio de los tres tipos de reacciones principales abordadas en educación secundaria: ácido-base, oxidación-reducción y precipitación. Estas experiencias contextualizadas y su interpretación pretenden fomentar el razonamiento crítico y el aprendizaje por indagación.

palabras clave

Ácidos y bases, aprendizaje por indagación, oxidación y reducción, pH, precipitación, reacción química, vida cotidiana.

abstract

Practical activities are proposed for the study of the three main types of reactions addressed in secondary education: acid-base, oxidation-reduction and precipitation. These contextualized experiences and their interpretation are intended to promote critical thinking and inquiry learning.

keywords

Acids and bases, chemical reaction, everyday life, inquiry based learning, oxidation and reduction, pH, precipitation.

Introducción

Se suele definir la química como la ciencia que estudia la estructura, las propiedades, la composición y las transformaciones de la materia. Por ello, uno de sus aspectos fundamentales –y que la diferencia de otras ciencias, como la física–, es el estudio de las reacciones químicas, que son los procesos por los que unas sustancias (reactivos) se transforman en otras (productos). Las cuestiones involucradas en el aprendizaje del concepto de reacción química son complejas, puesto que se requiere una asimilación de contenidos por parte de los alumnos de educa-

ción secundaria no siempre fácil. Así, tras distinguir entre cambio físico y químico deben abordarse contenidos como las ecuaciones químicas que representan las reacciones –implican ciertos conocimientos de formulación–, cálculos estequiométricos, cinética de reacción, energía implicada, y el empleo de la cantidad de sustancia como magnitud y el mol como su unidad para relacionar las masas de reactivos y productos –implica cálculos con masas atómicas y moleculares–. Y todo ello, para aplicarlo a la comprensión de la relación entre química y sociedad: procesos industriales, reacciones en la vida

cotidiana, desarrollo sostenible… Además, para interpretar muchas de estas cuestiones, los alumnos deben entender a nivel básico su relación con la estructura atómico-molecular, dado que en una reacción se rompen enlaces químicos y se forman otros nuevos. La tarea de los docentes, que emplean desde hace años múltiples casos prácticos con ejemplos motivadores (Caamaño, 2017; Corominas, 2017; Pinto, 2003a; Tomás Serrano & García Molina, 2015) no es baladí.

Este trabajo se centra en la exposición de propuestas para realizar indagaciones contextualizadas que permitan abordar los

tres tipos principales de reacciones –ácido-base, oxidación-reducción (o redox) y precipitación–, con sustancias conocidas por los alumnos. Se sugiere el desarrollo de fases del proceso indagatorio indicado por Caamaño y Corominas (2020): 1. Descripción de la acción que se realizará; 2. Predicción del cambio que se cree que se producirá, por parte de los alumnos; 3. Realización de la experiencia y observación; 4. Descripción de lo observado; 5. Interpretación (primeras hipótesis); 6. Contraste de hipótesis y argumentación, y 7. Interpretación final. Por razones de espacio, no se especifican aquí y se dejan al criterio del profesor.

En todos los casos deben guardarse las precauciones adecuadas (uso de guantes y gafas de seguridad, distancia entre participantes, empleo de vitrina si es necesario, tratamiento de residuos…) y elegir si se realizan en el aula o en el laboratorio. La manipulación o no de los materiales de forma directa por los alumnos no es óbice para un aprendizaje activo: se trata de fomentar la observación, la interpretación y el razonamiento por parte de los alumnos, no de que necesariamente tengan que realizar experiencias que requieran cierta habilidad y cuidado.

Reacciones ácido-base

Las reacciones ácido-base son las que tienen lugar entre un ácido y una base; también se definen como aquellas en las que se transfieren protones (H+) de una especie química a otra. Antes de abordar su estudio en la práctica docente, suele producirse un acercamiento al tema con la discusión del empleo del pH para caracterizar la acidez y basicidad de las sustancias. Esta magnitud suele ser conocida por los alumnos en contextos como el cuidado de

piscinas, los análisis de sangre u orina, o en la información de productos de aseo.

¿Cuál es el pH de diferentes productos comerciales?

Puede iniciarse una aproximación al concepto de pH a través de una discusión sobre la información que figura en el etiquetado de productos como el gel de ducha, que en ocasiones puede inducir a confusión. Por ejemplo, a veces se indica que el gel tiene «pH neutro» con valores en torno a 5,5; en otros casos, para valores de pH de ese orden, se especifica que son «neutros para la piel» o que tienen el pH «fisiológico de la piel». En realidad, la piel es ligeramente ácida (presenta valores de pH entre 4,5 y 6,0) y, por tanto, no neutra (pH = 7,0).

Aparte de la indagación sobre la información indicada en otros productos (medicamentos antiácidos, líquidos de limpieza…), una experiencia instructiva es la determinación del carácter ácido o básico de un producto comercial mediante un indicador o la medida de su pH con un pH-metro o con tiras indicadoras de pH.

Por ejemplo, se puede utilizar un indicador natural fabricado por los propios alumnos (con pétalos de rosas, lombarda…), otro de laboratorio (como azul de bromotimol) y un pH-metro. Se puede aplicar en productos comerciales, como agua fuerte o salfumán (HCl(aq) concentrado), vinagre (una disolución de ácido acético en agua), amoníaco –los alumnos deben descubrir que estos nombres designan disoluciones acuosas de sustancias: cloruro de hidrógeno, ácido acético o amoníaco– y desatascador de tuberías (suele ser NaOH(aq) concentrado). Hay tablas con el pH de productos cotidianos (Gillespie et al., 1990) y los colores resultantes son atrayentes para los alumnos. Como el vinagre es un producto muy frecuente en propuestas de reacciones ácido-base contextuali-

zadas, se recomienda el uso del denominado «de limpieza» (incoloro) cuando se dan cambios de colores, frente al de uso alimentario.

¿Cómo varía el pH cuando mezclamos las disoluciones de un ácido y una base?

La medida del pH puede servir también para seguir el progreso de una reacción de neutralización entre un ácido y una base fuertes, como, por ejemplo, el HCl(aq) y el NaOH(aq). Se pueden mezclar con cuidado dos disoluciones diluidas de estas sustancias y observar cómo varía el pH debido a la reacción de neutralización: HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(aq)

Se aprecia además que se trata de un proceso exotérmico.

¿Qué ocurre cuando acercamos una disolución de ácido clorhídrico a una de amoníaco?

Se propone una forma original de realizar la reacción ácido-base que tiene lugar cuando se dejan próximas una muestra de ácido clorhídrico y una de amoníaco(aq). Se dispone una pequeña cantidad de ácido clorhídrico y de amoníaco(aq) en sendas placas Petri. Se observa que se forma una «neblina» (fig. 1) en las proximidades de la placa con HCl(aq). ¿Qué puede ser esta neblina? Es fácil que los estudiantes respondan que son pequeñas partículas (podríamos observar en el microscopio que son microcristales) formadas cuando el cloruro de hidrógeno(g) y el amoníaco(g) se encuentran en el aire, al «escaparse» de sus disoluciones, y reaccionan entre sí. Que se trata de un producto sólido puede observarse con mayor nitidez en el cuello de la botella de HCl(aq) (fig. 1). Este producto sólido puede suponerse que es NH4Cl(s), que se formaría mediante la reacción:

HCl(g) + NH3(g) → NH4Cl(s)

Ahora bien, la «neblina» se forma en las proximidades de la placa que contiene el HCl(aq) y el precipitado sólido blanco se forma en el cuello de la botella de HCl. ¿Cuál es la razón que sea así? Se debe a que las moléculas de NH3 son más ligeras (tienen menor masa molecular que las de HCl) y, por tanto, se desplazan a mayor velocidad.

Este proceso se puede realizar de diversas formas (Pinto, 2003b) y es ideal para modelizar cómo se produce una reacción heterogénea a nivel molecular (MEL Science, 2014). Sirve para discutir por qué en los laboratorios se deben separar los ácidos de las bases –ver en la fig. 1 el resultado de tener dos frascos de HCl(aq) y NH3(aq) próximos y no herméticamente cerrados–, lo que se incumple a menudo en establecimientos comerciales (fig. 2).

¿Qué ocurre cuando añadimos salfumán a un trozo de mármol o de piedra caliza?

A partir de la información de productos de limpieza ácidos que indican notificaciones del tipo «no se recomienda su uso sobre superficies sensibles a ácidos, como mármoles y terrazos», se puede discutir con los alumnos sobre la composición esencial del mármol (CaCO3) y otros materiales de construcción calcáreos, así como el efecto que provoca la lluvia ácida en esculturas y en fachadas de edificios de piedra caliza (como las catedrales medievales). Una experiencia sencilla es echar una

gota de salfumán sobre un trozo de mármol (por ejemplo, de restos de obras) o de piedra caliza, apreciándose la producción de burbujas; también puede introducirse el material calcáreo en un vaso con salfumán y observar la efervescencia mientras va consumiéndose. En ambos casos se produce la reacción que puede representarse mediante la ecuación:

CaCO3(s) + 2 HCl(aq) → CaCl2(aq) + CO2(g) + H2O(aq)

o la ecuación iónica:

CaCO3(s) + 2 H+(aq) + 2 Cl–(aq) → Ca2+(aq) + 2 Cl–(aq) + CO2(g) + H2O(aq)

o la ecuación iónica neta, en la que se ha eliminado el ion espectador (Cl-):

CaCO3(s) + 2 H+(aq) → Ca2+(aq) + CO2(g) + H2O(aq)

¿Qué ocurre cuando añadimos vinagre o zumo de limón a una cáscara de huevo?

En dos vasos se coloca cáscara de huevo machacada y se añade vinagre en uno y zumo de limón en el otro. Los alumnos suelen conocer (o lo indicaría el profesor) que la cáscara de huevo está formada esencialmente por CaCO3 y, por ello, piensan que podría reaccionar con los ácidos del limón y del vinagre. Se observa (inicialmente se puede emplear una lupa) que

aparecen burbujas sobre la cáscara, lo que hace pensar a los alumnos que puede haberse producido una reacción química. Se puede discutir con ellos hasta que resuelvan que la reacción es análoga a la del caso anterior, pero en este caso los iones hidrógeno proceden del ácido acético, CH3-COOH, en vez del ácido clorhídrico. Esta reacción, como la anterior, puede hacerse con conchas de moluscos –como mejillón– y con distintos ácidos. Otra experiencia que puede realizarse para indagar el efecto de la temperatura en la reacción es repetir el proceso con vinagre recién sacado del frigorífico y con vinagre calentado levemente (por ejemplo, en un microondas); se observa –por la intensidad del burbujeo– que la velocidad de reacción aumenta con la temperatura.

Reacciones de oxidación-reducción Las reacciones redox implican una transferencia de electrones entre una especie química que los pierde, y por tanto se oxida, y otra que los toma y, con ello, se reduce. La segunda actúa como oxidante –porque oxida a la otra, que es la reductora–. El vocabulario que se utiliza para describir e interpretar estas reacciones no es sencillo para los alumnos. Se suele introducir el estudio de las reacciones redox con un tipo concreto de reacciones,

Figura 1. Formación de NH4Cl(s): a la izquierda en forma de microcristales que producen una «neblina» y a la derecha en el tapón de la botella con HCl(aq).

Figura 2. Envases con productos de uso cotidiano en un comercio (El Arenal, Ávila, 2019).

Treball

Experiencias

con connotaciones relevantes en la historia de la química, que son las combustiones de distintos combustibles (por ejemplo, hidrocarburos) que al «quemarse» con el oxígeno del aire producen CO2 y H2O.

La reacción de combustión que se produce cuando encendemos un mechero

La combustión del gas de un mechero puede ser un buen contexto para interpretar las reacciones de combustión. Este ejemplo suele ser llamativo para los alumnos, por apreciar cómo las reacciones químicas están más presentes en la vida cotidiana de lo que suelen pensar, y por hablarse en el lenguaje común del «gas» del mechero, aunque se trata de un «líquido» (como se observa fácilmente si el material del mechero es translúcido). Los mecheros acostumbran a contener una mezcla de butano y metilpropano que está en estado líquido por introducirse a presión elevada; a medida que se va consumiendo el combustible (en fase gas, puesto que al salir del depósito la presión es menor), hay equilibrio de líquido y gas en el interior, y lo que quema es la sustancia en estado gaseoso. La reacción que deben deducir los alumnos que se produce es:

2 C4H10(g) + 13 O2(g) → 8 CO2(g) + 10 H2O(g)

La reacción es exotérmica y puede dar pie a que surjan entre los alumnos preguntas del tipo: ¿cómo podemos medir el calor desprendido durante la reacción? Hay interesantes propuestas al respecto, como la recogida por Corominas (2017) para determinar el poder calorífico del combustible de un mechero, que se puede complementar con cálculos estequiométricos, como la cantidad de CO2 que se desprende por unidad de masa de combustible. La observación de que hace falta un «iniciador de fuego», sirve para

concluir que muchas reacciones espontáneas necesitan el aporte inicial de cierta energía.

Análisis de la relación entre consumo de combustible y emisión de CO2 en automóviles

Para indagar la relación entre el consumo de combustible y la emisión de CO2, los estudiantes pueden analizar, de forma individual o en grupo, datos –incluidos en anuncios– aportados por los fabricantes de automóviles de gasolina o diésel, como el consumo medio de combustible, en L/100 km, y la emisión de CO2, en g/km.

Se puede sugerir a los alumnos que deduzcan para casos concretos la relación entre ambos datos (el consumo de combustible y la emisión de CO2), para lo que tienen que aplicar factores de conversión y considerar el cambio de volumen de combustible a masa. Se puede considerar que la gasolina es mayoritariamente una mezcla de octanos y, por tanto, responde de forma aproximada a la fórmula C8H18, mientras que el gasóleo de los coches diésel es principalmente un conjunto de dodecanos, C12H26, y que sus densidades respectivas son (en kg/m3 y a 15 °C) entre 720 y 775, y entre 820 y 845 (BOE de 17 de febrero de 2006 donde se determinan las especificaciones de gasolinas y gasóleos).

Necesitan para ello establecer la ecuación de la reacción de combustión y aplicar la estequiometría y las masas moleculares de las sustancias implicadas (Oliver-Hoyo & Pinto, 2008). En el caso de la gasolina, se puede simplificar como:

2 C8H18(l) + 25 O2(g) → 16 CO2(g) + 18 H2O(g)

Controlando por cada alumno, con un coche concreto, la cantidad de combustible repostado y los kilómetros recorridos, se puede establecer si el dato de

consumo se aproxima al aportado por el fabricante, así como calcular la emisión media de CO2 causada por este concepto. Además de concienciar sobre la responsabilidad social y personal en la emisión de gases que favorecen el calentamiento global, esta actividad sirve para ilustrar cómo se calcula la «huella de carbono».

¿Qué reacción permite calentar agua en la caldera de casa?

En combustiones como la anterior, suele surgir la duda en los alumnos de si el agua producida se presenta como líquido o como gas. Aparte de discutirlo, en función de la temperatura, es ilustrativo analizar cómo la obtención de agua en fase líquida desprende más energía de combustión que si fuera en fase gas, lo que sirve de ahorro de combustible y disminución de emisiones de CO2 en las conocidas como «calderas de condensación» domésticas (Pinto, 2013). Cuando el combustible es gas natural, la reacción principal en estas calderas es:

CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(l)

Preparamos un «cohete» con una bolsita de té

Otro ejemplo que se sugiere sobre la combustión es el conocido como «cohete de té». De una bolsita de té se quita el hilo, se vacía su interior y se estira con cuidado –tiene la forma de un cilindro– para que no se rompa; se apoya en una superficie estable, y se prende con un mechero en la parte superior. Los alumnos predicen su combustión, pero no suelen prever nada más. Se asombran al observar cómo asciende (fig. 3).

El papel está formado principalmente por fibras de celulosa, C6H10O5, que reacciona con el oxígeno del aire según la ecuación:

C6H10O5(s) + 6 O2(g) → 6 CO2(g) + 5 H2O(g)

Al prender la bolsita de té se calienta el aire que le rodea y adquiere una menor densidad que el que está a temperatura ambiente; en el momento en el que la bolsita pierde el suficiente peso al transformarse en CO2 y H2O, el empuje del aire vence a la fuerza de la gravedad y la bolsita se eleva.

La vistosa reacción del sodio con agua

Aparte de las reacciones de combustión, se pueden abordar otras reacciones redox con relativa facilidad. Una muy instructiva, por la vistosidad y la cantidad de conceptos implicados –incluida la utilización de un indicador para observar la formación de un medio alcalino–, es la que se produce entre sodio metálico y agua (Martín et al., 2015):

2 Na(s) + 2 H2O(aq) → 2 Na+(aq) + 2 OH–(aq) + H2(g)

Se puede iniciar la actividad preguntando a los alumnos: «¿Qué ocurre si se pone un trozo de metal en agua?». Quizá su primera sorpresa sea apreciar que algunos metales tienen menor densidad que el agua.

La «luminosa» reacción del magnesio con el oxígeno del aire

Otra reacción interesante es la reacción que se produce entre el magnesio y el oxígeno del aire. Se observa la transformación de una sustancia típicamente metálica (color plateado, brillante, maleable…) en otra (de color blanco y frágil) que puede identificarse como óxido de magnesio, MgO (típicamente iónica). La reacción se puede representar mediante la ecuación:

2 Mg(s) + O2(g) → 2 MgO(s)

Esta reacción necesita aporte de energía, a través por ejemplo del fuego de un mechero de bolsillo, y se produce con desprendimiento de

una luz blanca muy intensa (fig. 4) –debe tenerse cuidado y advertir a los alumnos de no mirar directamente a la llama–. De hecho, en el siglo XiX se utilizó para el flash en fotografía.

Los alumnos pueden realizar cálculos estequiométricos, como la cantidad de MgO formada para un consumo determinado de Mg, que se pueden corroborar y discutir con el empleo de la balanza.

La importancia de reciclar aluminio Muchos metales se producen industrialmente por reducción de sus óxidos, como el hierro –por reducción de sus minerales con carbón en los altos hornos–. Por ejemplo, el aluminio se forma por electrólisis de Al2O3 fundido con electrodos de carbono, consumiéndose del orden de 14 kWh de energía eléctrica por kg de aluminio, al producirse la reacción:

2 Al2O3(l) + 3 C(s) → 4 Al(l) + 3 CO2(g)

A través de la búsqueda de datos, los alumnos podrían determinar:

— la cantidad de CO2 que se emite por este proceso para cierta cantidad de aluminio; — una estimación de los años que quedan de bauxita –materia prima del Al2O3– considerando sus reservas, su composición y la producción anual de aluminio, — y qué supone a nivel energético la producción de este metal frente a, por ejemplo, lo indicado en una factura de electricidad de su casa.

Todas estas cuestiones se resuelven a través de la estequiometría de la reacción, pero también se revisan otros conceptos, como el significado del kWh como unidad de energía.

Con esta actividad, los alumnos deberían apreciar la importancia del reciclado del aluminio, su relevancia histórica y el hecho de

Figura 3. Inicio de la combustión y «vuelo» de una bolsita de té.

que –por motivos cinéticos– no se corroe cuando se expone al ambiente. Hay marcas de cápsulas de café que recalcan el uso que hacen de aluminio reciclado para su fabricación, lo que es un ejemplo, entre otros, de cómo se podría introducir el tema en la práctica docente.

Obtención de colores con distintos iones de manganeso gracias a un chupachup

Una adaptación de la experiencia conocida como «camaleón químico», consiste en usar como reactivo la glucosa o fructosa de un chupachup –para hacerlo especialmente atractivo a los alumnos–, que reacciona con una disolución acuosa de KMnO4, que también contiene NaOH disuelto. Se aprecia la aparición de colores distintos (fig. 5) por los estados de oxidación que adquiere el manganeso al reducirse, mientras el azúcar se

Treball

Experiencias

oxida (Prolongo & Pinto, 2018). Para que los alumnos aprecien que los cambios cromáticos se producen independientemente del color inicial del producto utilizado, se puede repetir la experiencia con diferentes tipos de chupachup.

Contenido de hierro en medicamentos

El contenido total de hierro en un medicamento se puede determinar (Prolongo et al., 2014), mediante la realización de la reacción redox:

5 Fe2+(aq) + MnO4–(aq) + 8 H+(aq) →

5 Fe3+(aq) + Mn2+(aq) + 4 H2O(aq)

Reacción redox con un estropajo de acero

En la reducción de sulfato de cobre(II) con el hierro de un estropajo de acero se puede observar que la disolución pasa de azul intenso a verde y el estropajo se recubre de una sustancia rojiza –el cobre–, al producirse la reacción (Prolongo, 2013): Cu2+(aq) + Fe(s) → Cu(s) + Fe2+(aq)

Reacciones de precipitación

En las reacciones de precipitación se forma un sólido insoluble (precipitado) a partir de la mezcla de disoluciones de sustancias solubles.

Obtención de «lluvia de oro»

Una reacción bien conocida, especialmente llamativa, es la denominada «lluvia de oro» en la que, al mezclar una disolución de KI con otra de Pb(NO3)2 se forma un precipitado amarillo de PbI2, muy insoluble en agua, a causa de la reacción:

2 KI(aq) + Pb(NO3)2(aq) →

2 KNO3(aq) + PbI2(s)

El PbI2 es mucho más soluble en caliente por lo que al calentar el recipiente donde se ha producido (normalmente un tubo de ensayo), el precipitado se disuelve y, al enfriarse, se forman escamas brillantes semejantes al oro. El cambio de aspecto se debe a que el

mismo compuesto presenta dos formas distintas (ver fig. 6): en el primer caso es amorfo, por su rápida precipitación, y luego es cristalino. La principal duda de los alumnos es por qué precipita solo el PbI2(s) y no el KNO3(s), lo que debe justificarse en términos de su diferente solubilidad.

Precipitación de oxalato de calcio a partir de espinacas

Por último, se propone la realización de una experiencia en la que se producen reacciones ácido-base y de precipitación. Para ello, se añaden dos cucharadas de Ca(OH)2(s) en medio litro de agua; tras agitar y esperar unas horas, se filtra y se obtiene «agua de cal» transparente. Por otra parte, se cuecen espinacas, se filtra su líquido y, sobre él, se añade el «agua de cal»; los alumnos observan que se forma una turbidez de color amarillo. Son conscientes de que ha tenido que producirse una reacción química. Tras indicarles que las espinacas son ricas en ácido oxálico (COOH-COOH o H2C2O4) y oxalatos (como el Na2C2O4), deducen que, al reaccionar estas especies con el Ca(OH)2, se produce la reacción: H2C2O4(aq) + Ca(OH)2(aq) → CaC2O4(s) + 2 H2O(aq)

Esta experiencia sirve, además, para introducir a los alumnos en una de las causas de la formación de cálculos renales, dado que el oxalato de calcio es uno de sus componentes.

Conclusiones

Se han presentado ejemplos, muchos contextualizados con sustancias de la vida cotidiana, para fomentar, entre los alumnos de educación secundaria, el aprendizaje por indagación de los tres tipos de reacciones más importantes: ácido-base, redox y precipitación. La experiencia de los autores con este tipo de experimentos indica que tal enfoque hace que

Figura. 4. Cinta de Mg sobre la que se acerca la llama de un mechero (sup.) y destello de luz provocado por la energía desprendida al reaccionar el Mg(s) con el O2(g) del aire para dar MgO(s).

Figura 5. De izda. a dcha.: variación de colores causada por las especies con distinto estado de oxidación del manganeso, al reducirse de MnO4–(aq) a MnO2(s) en suspensión, en medio alcalino, por la acción reductora de un chupachup.

muchos alumnos se interesen por la materia y que algunos se planteen preguntas que resolverán cuando aborden tratamientos más profundos (espontaneidad, termodinámica química, cinética química…) y cuantitativos (equilibrio químico, constantes de acidez y basicidad, cálculo con logaritmos, potenciales de reducción, producto de solubilidad…) de estas reacciones en el bachillerato.

Agradecimientos

Se agradece la ayuda prestada por Aureli Caamaño en la redacción del trabajo, así como los apoyos recibidos de la Universidad Politécnica de Madrid

Figura 6. Sup.: El PbI2 precipita cuando se mezclan KI(aq) y Pb(NO3)2(aq) (Creative Commons, por PRHaney, 2008). Inf.: Recristalización de PbI2 por enfriamiento de su disolución (Creative Commons, por Stefano sct, 2015).

(proyecto de innovación educativa «Fomento del aprendizaje STEAM basado en la indagación»), y de la Obra Social “la Caixa” (proyecto divulgativo «Ciencia y tecnología para la sociedad del siglo XXi»).

Referencias

CaaMaño, A. (2017). «Indagar sobre las reacciones químicas en contextos cotidianos». Alambique. Didáctica de las Ciencias Experimentales, n.º 90, p. 4-7. CaaMaño, a.; CoroMinaS, J. (2020). «Modelització macroscòpica dels canvis físics i químics. Un diàleg constant entre observació, interpretació, experimentació i argumentació». Educació Química EduQ, n.º 27, p. 19-26. CoroMinaS, J. (2017). «Reacciones químicas de la vida cotidiana».

Alambique. Didáctica de las Ciencias Experimentales, n.º 90, p. 17-26.

GilleSpie, r. J.; HUMpHreyS, d a.; Baird, n. C.; roBinSon, E. A. (1990). Química. Barcelona: Reverté, p. 645.

Martín, M.; Martín, M. t.; SotreS, f.; paZ, i.; pinto, G. (2015). «Reacción entre el sodio y el agua: Una demostración experimental para ilustrar fenómenos físicos y químicos». Revista Española de Física, vol. 29, n.º 2, p. 33-40.

Mel SCienCe (2014). Ammonium chloride smoke under 100,000,000x microscope [recurs electrònic]. [S. ll.: s. n.].

<https://bit.ly/33hAZbA> [Consulta: 4 novembre 2020].

oliver-Hoyo, M. t.; pinto, G. (2008). «Using the relationship between vehicle fuel consumption and CO2 emissions to illustrate chemical principles». Journal of Chemical Education, n.º 85, p. 218-220. pinto, G. (ed.) (2003a). Didáctica de la química y vida cotidiana Madrid: Sección de Publicaciones de la ETSII de la Universidad Politécnica de Madrid.

— (2003b). «Making Experimental Connections», Education in Chemistry, n.º 40, p. 80-81.

— (2013). «Termoquímica de las calderas domésticas de condensación: un caso de aprendizaje contextualizado por indagación dirigida», Educació Química EduQ, n.º 14, p. 29-38.

prolonGo, M. (2013). «Trabajos experimentales de química y de física con un estropajo de acero». Anales de Química, n.º 109, p. 45-52.

prolonGo, M.; CoroMinaS, J.; pinto, G. (2014). «Química de los medicamentos de hierro: Propuestas educativas contextualizadas». Anales de Química, n.º 110, p. 218-224.

prolonGo, M.; pinto, G. (2018). «Colourful chemistry: Redox

reactions with lollipops». Science in School, n.º 43, p. 41-45. toMáS Serrano, A.; GarCía Molina, R. (2015). Experimentos de física y química en tiempos de crisis Murcia: Universidad de Murcia.

Gabriel Pinto Cañón

Es doctor en Ciencias Químicas por la Universidad Complutense de Madrid y catedrático de ingeniería química en la Universidad Politécnica de Madrid. Ha investigado sobre materiales poliméricos y en didáctica de las ciencias experimentales. Autor de libros y numerosos artículos para promover el aprendizaje contextualizado en áreas STEM, está especialmente involucrado en actividades de formación del profesorado y de divulgación científica. C. e.: gabriel.pinto@upm.es

Marisa Prolongo Sarria

Es licenciada en Ciencias Químicas por la Universidad de Málaga y profesora de física y química en el I.E.S. Torre del Prado de Málaga. Ha participado con sus alumnos en un buen número de actividades de divulgación científica, habiendo recibido premios en diversos certámenes como Ciencia en Acción. Tiene especial interés en el desarrollo de recursos educativos para un aprendizaje más activo por parte de los alumnos. C. e.: marisaprolongo@hotmail.com

Treball

Reacció química i transformació química: dos termes per a destacar el paper dels models en l’ensenyament de la química a França

Chemical reaction and chemical transformation: two terms to highlight the role of models in the teaching of chemistry in France

Isabelle Kermen / Université d’Artois, Laboratoire de didactique André Revuz, Lens, France

resum

A França, des de fa vint anys, els programes de química de batxillerat han introduït un model macroscòpic per a predir l’evolució dels sistemes químics. Aquest model macroscòpic, la reacció química, es distingeix de la descripció química de les modificacions del sistema, la transformació química. Aquest article presenta una anàlisi epistemològica i didàctica d’aquest programa així com una visió de la seva comprensió per part dels estudiants i els docents.

paraules clau

Transformació química, reacció química, equació química, model.

abstract

In the French chemistry syllabus of higher secondary school, 20 years ago, a macroscopic model was introduced to foresee the evolution of chemical systems. This macroscopic model, the chemical reaction, is distinct from the chemical description of the system modifications, the chemical change. This paper presents an epistemological and didactic analysis of this syllabus and an overview of how students and teachers understand it.

keywords

Chemical change, chemical reaction, chemical equation, model.

Les grans línies del programa de batxillerat posades en marxa els anys 2000-2002

A França, els autors del programa de química del liceu que es va començar a aplicar en la classe de segon1 el setembre de 2000 han renovat l’enfocament del concepte de reacció química. En la introducció del programa escrivien que «el 1 L’ensenyament secundari a França es divideix entre el collège (classes de sisè, cinquè, quart i tercer) que corresponen a l’últim cicle de l’ensenyament obligatori ( 15 -12 anys) i el lycée (classes de segon, primer i terminal, 16-18 anys).

concepte de “reacció química” com a model de la transformació química d’un sistema descansa sobre una anàlisi» en la qual la modelització és considerada com un «treball d’elaboració d’una representació abstracta simplificada d’un fenomen» (Ministeri, 1999: 8). A continuació precisaven que «el docent ha de fer la distinció entre la transformació soferta pel sistema i la reacció química que modela aquesta transformació» (Ministère, 1999: 15). Aquesta renovació era un pas previ a un

altre canvi a classe de terminal, la introducció del criteri d’evolució (comparació del quocient de reacció amb la constant d’equilibri) per a abordar l’evolució cap a l’equilibri químic des d’un punt de vista doble, macroscòpic i microscòpic.

Per a la classe de segon, els autors del programa precisen la idea de transformació química associant-hi una representació esquemàtica on figuren les descripcions de l’estat inicial i de l’estat final del sistema químic estudiat, puntualitzant les

espècies químiques presents (Davous et al., 1999: 11). Essent el sistema químic una part del món macroscòpic, quan un dels paràmetres que descriu el sistema varia, el sistema sofreix una «transformació», un concepte macroscòpic sorgit de la termodinàmica. La descripció de l’estat inicial i de l’estat final del sistema és imprescindible per a caracteritzar la transformació observada. Se’n diu química si la naturalesa de les substàncies que constitueixen el sistema canvia. Les transformacions químiques estudiades es diuen totals si hi ha desaparició d’almenys una de les espècies químiques presents inicialment. La reacció química que modelitza una transformació química total és un model macroscòpic que fa intervenir les espècies reactives i les espècies produïdes i que es representa simbòlicament mitjançant l’escriptura d’una equació química

En el programa aplicat l’any 2002 a la classe de terminal S (científic), el camp experimental de les transformacions químiques estudiades es va ampliar a les transformacions no totals. En l’estat final del sistema, els reactius (les substàncies la quantitat de les quals disminueix en el transcurs de l’evolució del sistema) són encara presents, i l’estat final del sistema s’anomena estat d’equilibri químic. Aquestes transformacions obliguen a replantejar els coneixements construïts pels alumnes en els cursos anteriors (els quatre cursos del collège i el segon i el primer del lycée). Es tracta de concebre que hi ha transformacions químiques que poden no ser totals i que són possibles en el sentit contrari del sentit «habitual» de l’equació química (Van Driel et al., 1998).

Una transformació química és llavors interpretada per dues reaccions químiques inverses, per exemple, les reaccions àcid-base:

HA(aq) + H2O(l) → A–(aq) + H3O+(aq)

A–(aq) + H3O+(aq) → HA(aq) + H2O(l)

se simbolitzen per una única equació química:

HA(aq) + H2O(l) = A–(aq) + H3O+(aq)

a la qual s’associa una magnitud que només depèn de la temperatura, la constant d’equilibri K. Els autors del programa introdueixen un criteri que permet preveure i explicar el sentit d’evolució d’un sistema químic referit a una equació de reacció donada. Aquest criteri consisteix a comparar el valor d’una magnitud en l’estat considerat, el quocient de reacció, Q, definit a partir de l’equació de la reacció escrita, a la constant d’equilibri associada a l’equació de la reacció. La comparació permet justificar o preveure el sentit d’evolució del sistema. Aquest criteri d’evolució és una novetat que permet també abordar situacions experimentals en què estan presents inicialment totes les espècies químiques que intervenen en una transformació química, és a dir, els reactius i els productes. Aquest criteri d’evolució només correspon a la visió macroscòpica dels fenòmens estudiats; per desenvolupar una mirada microscòpica, es proposa un model cinètic. Els diferents conceptes que acaben de ser descrits estan resumits en l’esquema 1.

Diferents dominis de coneixement

Descripció de la situació experimental

La utilització del concepte de transformació química és una primera etapa en la construcció dels coneixements; es tracta de fixar-se en detall en la descripció dels canvis en les substàncies. Quan els alumnes són confrontats a experiències de canvi químic, la primera descripció que se’ls demana correspon a les observacions, a allò que es percep, i ho fan en termes d’objectes i d’esdeveni-

ments. Una descripció més elaborada, química, identifica les espècies químiques i solament permet dir, comparant la composició qualitativa de l’estat inicial i de l’estat final, si hi ha hagut transformació química o no.

Per exemple, inicialment hi ha un sòlid rosat-vermell i un líquid incolor i, quan ja no es percep cap més canvi, el líquid s’ha tornat blau i ha aparegut un sòlid gris-blanc en forma de petites agulles. Aquesta descripció s’ha fet a partir de la realitat percebuda. En aquest exemple, en la descripció química de l’estat inicial del sistema s’esmenten les espècies químiques constitutives de la solució de nitrat de plata i del coure sòlid. En la descripció de l’estat final s’hi afegeixen la plata i els ions coure(II), però manca una de les espècies inicialment presents (fig. 1). Aquesta segona descripció dels estats inicial i final constitueix un cens de les espècies químiques en una realitat idealitzada,2 que l’observador construeix amb coneixements concisos (nom, estat físic) de les espècies químiques. La fig. 1 mostra un esquema de dues transformacions químiques per a sistemes que tenen una composició qualitativa inicial idèntica, però una composició final diferent, perquè el reactiu limitant és diferent.

Si considerem transformacions químiques totals que posen en joc sempre les mateixes espècies químiques en l’estat inicial, però en quantitats diferents, l’estat final es caracteritza per l’absència d’una de les espècies inicials, no necessàriament sempre la mateixa (encara que es tracta d’un dels reactius). S’obté llavors una infinitat de transformacions químiques similars, és a dir, una

2 La noció de substància química és una construcció específica que necessita un aprenentatge, tal com ho indiquen les dificultats que experimenten els alumnes debutants.

família de transformacions químiques.

Model d’una família de transformacions químiques

Les transformacions químiques d’una família tenen una característica comuna: totes donen lloc a l’exhauriment de les mateixes espècies químiques, sempre en les mateixes proporcions, que històricament van ser proporcions en massa, i a la formació d’altres espècies químiques, sempre les mateixes i en una proporció invariable. La reacció química és el model (construcció teòrica) que expressa això i permet interpretar o preveure totes les transformacions químiques d’aquesta família. Per a aquelles que posen en joc una solució de nitrat de plata i de coure, aquest model diu que els ions plata reaccionen amb el coure i que es formen ions coure(II) i plata. També precisa que la quantitat de substància de coure consumida és sempre dues vegades més petita que la quantitat de matèria d’ions plata que ha desaparegut, que la quantitat de plata formada és igual a la d’ions plata desapareguts, que la quantitat d’ions coure formada és igual a la meitat de la de plata i igual a la de coure consumit. La representació simbòlica d’aquest model, l’equació de la reacció: Cu(s) + 2Ag+(aq) → Cu2+(aq) + 2Ag(s)

és més curta d’escriure que la precedent.

Aquest enfocament permet posar en evidència el paper unificador del model (la reacció química) i la seva diferència amb cada transformació química. El model és un balanç qualitatiu exhaustiu de la realitat idealitzada (vegeu fig. 2). La reacció química no té en compte determinades espècies químiques (en aquest cas, l’aigua i els ions nitrat) ni tampoc els paràmetres temperatura i pressió. Només proporciona informació de quins reactius es consumeixen

Esquema 1. Principals conceptes que són presents en el programa de segon (part esquerra) i de terminal (part dreta).

i quins productes es formen. No es tenen en compte les quantitats de substància (o les masses) de les espècies químiques que caracteritzen la composició d’un sistema. Les quantitats de substància (o les masses) de les espècies químiques presents que serveixen per a caracteritzar la composició d’un sistema no són tingudes en compte en la reacció, però permeten precisar quantitativament la transformació química del sistema considerat.

Laugier i Dumon (2000) han informat de l’estranyesa dels alumnes de segon quan s’adonen que a partir d’una composició qualitativa inicial idèntica obtenen resultats experimentals diferents, que tanmateix s’interpreten per la mateixa reacció química. Aquesta diferència és una palanca a utilitzar amb els alumnes per a convèncer-los que transformació i reacció no són objectes conceptuals de la mateixa naturalesa. La reacció química conceptualitzada com el model macroscòpic d’una família de transformacions químiques permet preveure la formació de productes i les quantitats de substància o les masses que hauran reaccionat o s’hauran format al final de l’evolució del sistema químic estudiat; es pot qualificar de model comptable de la transformació química descrit.

Interpretació microscòpica d’una transformació química

En tractar-se d’un model macroscòpic, la reacció química no ens diu res sobre com es formen o es consumeixen les diferents substàncies. Diversos estudis han demostrat que si el concepte de substància no s’ha construït, el de transformació química no es construeix correctament (Johnson, 2000: 2002; Solomonidou & Stavridou, 2000), i que una caracterització macroscòpica de les substàncies (per exemple, a través de la temperatura de canvi d’estat físic, el color...) no és suficient perquè els alumnes reconeguin un canvi de substància, mentre que això esdevé possible mitjançant un model de partícules (corpuscular) (Johnson, 2000; 2002). Un model de partícules permet definir una determinada substància com a formada per un nombre gegantí de molècules, d’àtoms o d’anions i cations (un conjunt considerable d’entitats idèntiques)3 en moviment continu més o menys intens segons l’estat físic de la substància. Un model microscòpic elemental d’una transformació química considera les entitats

3 El cas dels sòlids iònics sempre és delicat perquè comprenen dos tipus d’entitats, anions i cations, en proporció invariable per tal que es respecti la neutralitat elèctrica. En aquest cas, el conjunt mínim neutre d’anions i cations és el que constitueix les entitats idèntiques, la repetició de les quals esdevé la substància a escala macroscòpica.

en moviment perpetu, subjectes a múltiples xocs. Quan aquests xocs són efectius, aquestes entitats es dissocien o s’associen i es reordenen en noves entitats.

L’actual programa de la secundària obligatòria a França proposa interpretar les transformacions químiques «com una redistribució d’àtoms». Això implica utilitzar un model microscòpic de la matèria (fig. 3) per a interpretar el model macroscòpic i la situació experimental en la realitat idealitzada. No obstant, la reacció química no es presenta clarament com un model macroscòpic, de manera que l’únic ús que se’n pot fer és verificar que la massa de les substàncies que han reaccionat és igual a la massa de substàncies formades. En absència dels conceptes de quantitat de substància i massa molar d’una substància, l’ús macroscòpic que es pot fer d’una reacció química resta limitat. Els llibres de text ometen l’estatus de model macroscòpic de la reacció química i en fan un ús que el transforma en un model microscòpic. Per exemple, per a la combustió de metà, es diu: «l’equació de la reacció es llegeix així: una molècula de metà reacciona amb dues molècules d’oxigen per donar una molècula de diòxid de carboni i dues molècules d’aigua» (Amauger & Le Besnerais, 2017: 110). La fig. 3 reuneix les característiques principals d’allò exposat anteriorment.

La transició de la realitat percebuda a la realitat idealitzada (que correspon a la fletxa corbada de la fig. 3) requereix d’un aprenentatge que té lloc a mitjà termini. Quan a segon curs es posa en contacte un tros de coure i una solució aquosa d’àcid nítric, alguns estudiants fan les següents descripcions del que passa: «l’àcid es torna blau», «el coure es torna líquid», «el coure es transforma en un gas vermellós» (Laugier & Dumon, 2003). Si es demana als estudiants de 15 anys que descriguin el que veuen quan se’ls mostra un tros de coure escalfat a l’aire, la majoria diuen que «el coure s’ha tornat negre» (Treagust et al., 2000). Aquests exemples mostren que els estudiants no fan una descripció científicament vàlida, possiblement perquè no són conscients que una espècie química es reconeix per les seves propietats com ara el color. Les argumentacions revelen que aquests estudiants consideren que hi ha hagut un canvi de les propietats de la substància (el coure o l’àcid) sense un canvi de la seva identitat química (Ngai et al., 2014).

Implementació del programa a l’aula

La implementació d’aquest programa a la classe de terminal es va avaluar mitjançant qüestionaris passats als estudiants i entrevistes amb el professorat (Kermen, 2007) realitzades durant

1. Esquemes de dues transformacions químiques que posen en joc les mateixes espècies inicialment, però que condueixen a un resultat final diferent, que cal construir a la classe. Sistema A (el coure està en excés). Sistema B (els ions plata estan en excés).

els primers tres anys d’aplicació del programa. Les respostes dels estudiants mostren que no tots són conscients del caràcter predictiu de l’equació de reacció, ja que un terç prediuen un canvi quan només hi ha les substàncies A i C en un sistema susceptible de reaccionar segons l’equació A + B = C + D. A més, la redacció de les respostes a moltes preguntes mostra que molts no distingeixen entre reacció química i transformació química. La majoria del professorat entrevistat admet no distingir del tot entre ambdues (per a una visió general, vegeu Kermen, 2018). La implementació d’una doble mirada macroscòpica-microscòpica sembla poc eficaç en la mesura que cap coneixement relatiu al model microscòpic forma part dels que s’han avaluat en l’examen final, la qual cosa implica una manca d’ensenyament d’aquest model per part d’alguns professors (Kermen & Méheut, 2008). Tot i això, una observació de classe feta al final de l’aplicació d’aquest programa (2011) mostra l’interès d’aquest model per a donar sentit als conceptes. El fragment proposat comença en una sessió de treball pràctic a la classe de terminal. El model àcid-base de Brönsted i les transformacions àcid-base no totals s’havien introduït algunes setmanes abans. La professora indica als estudiants que hauran de fer dues

2. Esquema que categoritza els dominis de coneixement i que pot servir de referència al docent.

Figura

Figura

Reacció

mescles a partir de quatre solucions contingudes en quatre recipients col·locats a la taula que tenen al davant. Cada solució conté un àcid o una base de la mateixa concentració; ella escriu a la pissarra les fórmules dels dos àcids i les seves bases conjugades. La professora assenyala la naturalesa inusual de les mescles previstes que «contindran finalment les quatre espècies de les quals s’està parlant». Abans de realitzar les mescles, la professora mana una tasca de reflexió individual als estudiants: «Proposeu-me una equació de la reacció al vostre full».

Tenint en compte la realitat percebuda (les solucions incolores) i la realitat idealitzada (àcid etanoic, CH3COOH; àcid metanoic, HCOO; ions etanoat, CH3COO–; ions metanoat, HCOO–), se suposa que els estudiants implementaran el model de Brönsted i proposaran una interacció entre un dels dos àcids i la base conjugada de l’altre. Han de deixar de banda la realitat percebuda, que no proporciona cap informació, i centrar-se en les espècies químiques de la realitat idealitzada per mobilitzar el model de Brönsted, tot recordant que un àcid és una espècie capaç de subministrar l’espècie ió hidrogen a una altra espècie capaç de captar-la, una base.

La professora espera dues equacions de reacció, una inversa de l’altra. Els estudiants cerquen en silenci; després la professora passa a veure el que fan i s’atura davant de la parella formada per la Chloé i la Lucile. La Chloé ha escrit «CH3COOH(aq) + HCOO–(aq) + CH3COO–(aq) + HCOOH(aq) =» i no sap com continuar, mentre que la Lucile ha escrit «CH3COOH(aq) + HCOO–(aq) → CH3COO–(aq) + HCOOH(aq)».

La professora manté una discussió amb la Lucile per fer-li entendre que no hauria d’haver posat una fletxa, reservada a reaccions que són transformacions

Figura 3. Articulació dels diferents dominis de coneixement: model macroscòpic, model microscòpic i registre experimental.

totals. Aquí hi són presents totes les espècies, de manera que les entitats de les espècies escrites a la dreta de la fletxa també xoquen i formen les entitats de les espècies escrites a l’esquerra. Després d’aquest recordatori dels xocs constants de les entitats, la Lucile substitueix la fletxa per un signe igual (que representa dues fletxes oposades). El recurs al model microscòpic dinàmic li permet adonar-se que, de fet, també ha de tenir en compte la naturalesa reactiva de les espècies escrites a la dreta de l’equació, i que calen dues reaccions per a interpretar-ho. La Chloé, que ha estat present en la discussió sense dir res, es pregunta llavors: «bé, no entenc que si mesclem totes les espècies, totes són reactius?» . La Lucile li respon que això no és possible i la professora deixa que la Chloé reflexioni sobre allò que s’acaba de dir.

Fins aleshores, les situacions en què es trobaven els estudiants només incloïen les espècies escrites a l’esquerra de l’equació de la reacció. L’error de la Chloé representa una continuació del que havia estat fent fins ara, ha actuat com si totes les espècies presents inicialment tinguessin una funció de reactius. El costat esquerre de l’equació de la reacció sembla, doncs, que representa l’estat inicial del sistema (Gauchon & Méheut, 2007), la qual cosa indica una forma de confusió entre realitat idealitzada i model,

o una dificultat per a distingir aquests dominis de coneixement. Això pot haver estat accentuat per no haver anotat les espècies catiòniques no reactives a la pissarra. La notació d’aquestes espècies podria haver servit com a pista del fet que calia descartar algunes de les espècies presents per tal de proposar una reacció, atès que els estudiants saben de la manca de reactivitat dels ions sodi en solució. En conseqüència, la Chloé no es pregunta què s’ha de fer per a determinar quina espècie pot reaccionar amb una altra i, per tant, com utilitzar el model de Brönsted. Per a ella, la descripció en la realitat idealitzada predomina sobre l’ús del model. L’ús del model cinètic microscòpic ha ajudat la Lucile a corregir la seva equació i, finalment, ha permès a la Chloé esbossar un canvi, ja que el seu dubte final manifesta una presa de consciència del seu error (la resta de la sessió ho confirma).

Situació actual

Després d’un programa de batxillerat (2010-2019) que ignorava la diferència entre allò que correspon al registre experimental i allò que correspon al model de transformacions de la matèria, el programa que va entrar en vigor el 2019 ha tornat a posar de manifest la distinció entre transformació química i reacció química, recomanant treballar la modelització que constitueix la transició de les

transformacions a la reacció, prestant una major atenció a la distinció entre el nivell macroscòpic i el nivell microscòpic. Aquesta modelització a partir de situacions experimentals requereix centrar-se en la caracterització de les transformacions químiques. Un estudi de recerca recent per a un treball de fi de màster (Bouard, 2020) mostra que alguns professors redueixen la identificació experimental de les espècies presents en el sistema a una lectura de la situació experimental descrita en les instruccions proporcionades als estudiants. A més, el paper predictiu o explicatiu de l’equació de la reacció és poc reconegut i treballat, perquè aquestes característiques dels models no s’han avaluat fins ara en els exàmens. Tot i destacar la manca de formació pel que fa a la distinció entre transformació química i reacció química, aquests professors diuen que pretenen l’eficàcia en la seva docència i que per això es limiten a ensenyar el que realment s’avalua.

Referències

aMaUGer, f.; le BeSneraiS, C. (2017). Physique-chimie cycle 4. Nathan. BoUard, R. (2020). Enseignement de la modélisation des transformations chimiques en classe de seconde [mémoire de master de didactique des sciences]. Universitat de París. [Inèdit] davoUS, D.; féore, M.-C.; fort, L.; lévêqUe, T.; MaUHoUrat, M.-B.; perCHard, J.-P.; JUllien, L. (1999). «Le nouveau programme de la classe de seconde. Transformation chimique d’un système. Le modèle de la réaction chimique». Bulletin de l’Union des Physiciens, vol. 93, núm. 817, p. 1-35.

GaUCHon, L.; MéHeUt, M. (2007). «Learning about stoichiometry: from students’ preconceptions to the concept of limiting reactant». Chemistry Education Research and Practice, vol. 8, núm. 4, p. 362-375.

JoHnSon, P. (2000). «Children’s understanding of substances, part 1: recognizing chemical change». International Journal of Science Education, vol. 22, núm. 7, p. 719-737.

— (2002). «Children’s understanding of substances, part 2: Explaining chemical change». International Journal of Science Education, vol. 24, núm. 10, p. 1037-1054.

KerMen, I. (2007). Prévoir et expliquer l’évolution des systèmes chimiques [thèse de didactique des disciplines option didactique des sciences physiques]. Université Paris Diderot.

— (2018). Enseigner l’évolution des systèmes chimiques au lycée. Savoirs et modèles, raisonnements d’élèves, pratiques enseignantes. Presses Universitaires de Rennes.

KerMen, i.; MéHeUt, M. (2008). «Mise en place d’un nouveau programme à propos de l’évolution des systèmes chimiques: impact sur les connaissances professionnelles d’enseignants». Didaskalia, núm. 32, p. 77-116.

laUGier, A.; dUMon, A. (2000). «Travaux pratiques en chimie et représentation de la réaction chimique par l’équation-bilan dans les registres macroscopique et microscopique. Une étude de cas en classe de seconde (15-16 ans)». Chemistry Education Research and Practice, vol. 1, núm. 1, p. 61-75.

— (2003). «Obstacles épistémologiques et didactiques à la construction du concept d’élément chimique: quelles convergences?». Didaskalia, núm. 22, p. 69-97.

MiniStère de l’édUCation nationale (1999). Bulletin Officiel de l’Éducation Nationale, hors série nº 6, París.

nGai, C.; Sevian, H.; talanqUer, V. (2014). «What is this Substance? What Makes it Different? Mapping Progression in Students’ Assumptions about Chemical Identity». International

Journal of Science Education, vol. 36, núm. 14, p. 2438-2461.

SoloMonidoU, C.; StavridoU, H. (2000). «From inert object to chemical substance: Students’ initial conceptions and conceptual development during an introductory experimental chemistry sequence». Science Education, vol. 84, núm. 3, p. 382-400. treaGUSt, d.; nieSwandt, M.; dUit, r. (2000). «Sources of students difficulties in learning Chemistry». Educación Química, vol. 11, núm. 2, p. 228. van driel, J. H.; de voS, W.; verloop, N.; deKKerS, H. (1998). «Developing secondary students’ conceptions of chemical reactions: the introduction of chemical equilibrium». International Journal of Science Education, vol. 20, núm. 4, p. 379-392.

Nota: Article traduït del francès per Aureli Caamaño, Pere Grapí i Josep Corominas.

Isabelle Kermen

És professora de química a la Universitat d’Artois i investigadora al laboratori de didàctica André Revuz. Ha ensenyat física i química durant una desena d’anys al liceu abans d’ensenyar química a la universitat des de 1992. Els seus temes de recerca principals tracten de l’ensenyament i la comprensió dels models en la química de l’ensenyament secundari, de les pràctiques dels docents i de l’ensenyament experimental a la universitat. És coeditora en cap de la revista Recherches en didactique des sciences et des technologies (RDST).

A/e: isabelle.kermen@univ-artois.fr

Reacció química

Tipos de reacciones químicas

Aureli Caamaño / Centre Didàctic de Ciències Experimentals, Col·legi de Llicenciats de Catalunya, Barcelona

Alambique, núm. 103, gener 2021

La revista Alambique (núm. 103, gener 2021) dedica el monogràfic «Tipos de reacciones químicas» a la presentació de propostes didàctiques sobre la modelització de les reaccions químiques i, en particular, dels diferents tipus de reaccions: àcid-base, redox i de precipitació. El monogràfic està constituït per un conjunt de sis articles que en certa manera complementen els temes tractats en el present monogràfic d’Educació Química EduQ sobre la reacció química, en abordar específicament la modelització d’aquests tres tipus de reaccions.

En el primer article, «La progresión en el aprendizaje de los conceptos de sustancia y reacción química», Aureli Caamaño i Iván Marchán presenten una proposta de progressió de les idees centrals de substància i reacció química al llarg dels cursos de 2n, 3r i 4t de l’educació secundària obligatòria (13-16 anys).

En l’article següent, «¡La reacción química emociona! La importancia del lenguaje en la modelización», Mercè Izquierdo, Cristina Merino i Ainoa Marzábal proposen algunes idees sobre el disseny de seqüències d’ensenyament-aprenentatge orientades a la modelització del canvi químic a través d’una sèrie d’etapes on el llenguatge té un paper primordial com a instrument per a interpretar i argumentar sobre els fenòmens.

Els quatre articles restants tracten de la modelització de les reaccions àcid-base, les reaccions redox i les reaccions de precipitació.

Aureli Caamaño, en l’article «Modelización de las reacciones

ácido-base. De las propiedades de los ácidos y las bases al modelo de Arrhenius», proposa una sèrie de qüestions guia que orienten les activitats que cal fer per a interpretar les propietats dels àcids i les bases i les seves reaccions mitjançant l’elaboració progressiva de tres models successius: model macroscòpic empíric, model macroscòpic basat en la composició química i model d’Arrhenius, en els cursos de 3r i 4t d’ESO.

M. Rut Jiménez Liso, Luisa López Banet i Justin Dillon, en el seu article «Cambiar la forma de enseñar las reacciones químicas. Del modelo de Arrhenius al modelo de Lewis», proposen una seqüència didàctica basada en el desenvolupament històric dels conceptes d’àcid i de base (Arrhenius, Brönsted-Lowry i Lewis) per a ser desenvolupada al llarg del currículum de l’educació secundària (12-16 anys).

Vicente Talanquer, en l’article «Reacciones redox. De la transfe -

rència de carga eléctrica en las pilas a las reacciones de oxidación», suggereix una seqüència d’activitats per a aprendre les idees centrals sobre els processos redox, que impliquen la redistribució o transferència d’electrons entre diferents àtoms. Proposa començar per les reaccions redox que tenen lloc a les piles perquè és on millor es pot aportar l’evidència experimental de la transferència de càrrega elèctrica.

Finalment, Fina Guitart i Teresa Lupión, en l’article «Formación de precipitados y reacciones de precipitación. Estrategias de contextualización y modelización», reflexionen sobre els processos de formació de precipitats i fan una proposta per abordar conjuntament els processos fisicoquímics de formació de precipitats i les reaccions de precipitació en contextos relacionats amb la potabilització i la qualitat de les aigües i la fabricació de sabó.

NORMES DE PUBLICACIÓ

Preparació dels manuscrits

Els articles han de fer referència a qualsevol dels temes de les seccions de la revista per a qualsevol nivell d’educació, des de primària fins a l’educació universitària. Han de ser inèdits i han d’estar escrits en català, tot i que també es publicaran articles en castellà, francès, portuguès, italià i anglès, si l’autoria és de persones de fora de l’àmbit de la llengua catalana.

Els treballs han de tenir una extensió màxima de 25.000 caràcters sense espais i han de ser escrits amb un espaiat d’1,5 i han de tenir el nombre de caràcters amb espais especificat en cadascuna de les seccions de la revista. El text ha d’estar en format Microsoft Word i lletra Times New Roman de cos 12.

La primera pàgina ha de contenir el títol del treball, el nom o noms dels autors i el centre o centres de treball, un resum de 500 caràcters (incloent-hi espais) i cinc paraules clau. El títol, el resum i les paraules clau han d’anar seguits de la seva versió en anglès. Cal enviar també l’adreça postal dels autors o la del centre de treball per poder enviar-los el número de la revista en què han participat.

Els articles han d’anar acompanyats de fotografies i imatges en color que il·lustrin el contingut del text. L’article haurà de contenir fotografies en color del treball a l’aula, dels muntatges dels experiments o altres fotografies relacionades amb el contingut. També han de contenir gràfics, esquemes, dibuixos i treballs o produccions dels alumnes que il·lustrin i facin més comprensible el contingut del text. Les il·lustracions han de portar títol (peu d’imatge) i cal indicar on cal situar-les dins l’article. Les fotografies i imatges s’han d’enviar en arxius separats en format .tif o .jpeg (resolució mínima: 300 píxels/polzada) i, si es tracta de gràfics, en Excel o Corel Draw.

L’article ha d’estar estructurat en diferents apartats. Els autors han de seguir les normes recomanades per la IUPAC a l’hora d’anomenar els composts químics i utilitzar el sistema internacional d’unitats. És convenient el fet d’assenyalar 3 o 4 frases de l’article que es destacaran amb una lletra més gran i de color en l’article maquetat.

Les referències bibliogràfiques han d’anar al final del text, escrites com els exemples següents:

Per a llibres:

VILCHES, A.; GIL, D.(2003). Construyamos un futuro sostenible: Diálogos de supervivencia. Madrid: Cambridge University Press. Citació en el text: (Viches i Gil, 1994).

Per a articles:

SARDÀ, A.; SANMARTÍ, N.(2000). «Ensenyar a argumentar científicament: un repte de les classes de ciències». Enseñanza de las Ciencias, vol. 18, núm. 3, p. 405-422. Citació en el text: (Sardà i Sanmartí, 2000).

Per a documents digitals (webs): OCDE (2006). PISA 2006 [en línia]: Marco de la evaluación. Conocimientos y habilidades en Ciencias, Matemáticas y Lectura. París: OCDE. <http://www.oecd.org/dataoecd/59/2/39732471.pdf> [Consulta: 11 setembre 2013].

Per a altres exemples, consulteu un número recent de la revista.

Al final de l’article ha de constar una breu ressenya professional i una fotografia de les persones autores de l’article. Cada ressenya ha de contenir el nom i cognoms, càrrec, centre de treball, camp principal en el qual desenvolupa la seva tasca i correu electrònic (màxim de 400 caràcters amb espais). Cal enviar els arxius de les fotografies de carnet dels autors en format .tif o .jpeg (resolució mínima: 300 píxels/polzada).

Enviament d’articles

Els articles han de ser enviats per correu electrònic a l’adreça següent: EduQ@iec.cat Revisió dels articles

Els articles seran revisats per tres experts. Els articles revisats i enviats als autors hauran de ser retornats als editors en el termini màxim de 10 dies. Sempre que sigui possible, les proves de maquetació seran enviades als autors abans de la seva publicació.

SECCIONS

ACTUALITZACIÓ DE CONTINGUTS

Articles que revisen i posen al dia continguts propis de la disciplina o en relació a altres àmbits del coneixement, i que faciliten i promouen un ensenyament actualitzat de la química.

APRENENTATGE DE CONCEPTES I MODELS

Articles que tracten sobre conceptes i models químics, des del punt de vista de les concepcions alternatives dels alumnes i les dificultats d’aprenentatge conceptuals, així com les estratègies didàctiques per a l’elaboració i l’aplicació dels models químics a l’aula.

CURRÍCULUM, PROJECTES I UNITATS

Presentació i anàlisi dels currículums de química de diferents països, de projectes curriculars i unitats i seqüències didàctiques.

DIVULGACIÓ DE LA QUÍMICA

Articles que presenten temes d’actualitat química amb caràcter divulgatiu i que posen de manifest les relacions de la química amb la societat i altres àmbits del coneixement o bé presenten activitats i experiències de caràcter divulgatiu de la química adreçades a l’alumnat o al públic en general.

ESTRATÈGIES DIDÀCTIQUES

Presentació i anàlisi d’enfocaments i estratègies didàctiques per a l’ensenyament i l’aprenentatge de la química: modelització, indagació, resolució de problemes, treball cooperatiu, avaluació, etc.

FORMACIÓ DEL PROFESSORAT

Propostes i investigacions sobre la formació inicial i en actiu del professorat de química i ciències en general que contribueixin al seu desenvolupament professional.

HISTÒRIA

I NATURALESA DE LA QUÍMICA

Articles sobre la història i la naturalesa de la química i sobre l’interès didàctic d’aquestes disciplines en l’ensenyament de la química. Activitats per treballar aspectes de la naturalesa de la ciència.

INNOVACIÓ A L’AULA

Articles que descriuen la planificació i l’experimentació a l’aula d’experiències didàctiques de caràcter innovador. La secció pretén ser un espai per compartir experiències d’aula.

LLENGUATGE, TERMINOLOGIA I COMUNICACIÓ

Articles relacionats amb l’aprenentatge de les habilitats comunicatives (llegir, escriure i parlar) en relació amb l’aprenentatge de la química. I també sobre el llenguatge i la terminologia científics.

NOVES TECNOLOGIES

Articles relacionats amb la utilització de les noves tecnologies en l’ensenyament de la química: simulacions, ús d’Internet, mitjans audiovisuals, laboratoris virtuals, experiències amb equips de captació de dades, etc.

QUÍMICA EN CONTEXT

Articles que presenten contextos rellevants –de la vida quotidiana, tecnològics, industrials, socials, mediambientals, de salut o culturals– que puguin ser presos com a punt de partida per a un ensenyament de la química en context i per promoure l’alfabetització científica.

QUÍMICA, EDUCACIÓ AMBIENTAL I SOSTENIBILITAT

Articles que facin palesa l’estreta de relació entre la química i els aspectes del medi ambient, i temàtiques mediambientals d’actualitat des d’una vessant química, així com propostes educatives per a la sostenibilitat

RECERCA EN DIDÀCTICA DE LA QUÍMICA

Articles que difonguin investigacions didàctiques d’utilitat per a la millora de l’ensenyament de la química. Descripció i resultats d’experiències didàctiques que hagin estat avaluades de forma qualitativa o quantitativa.

RECURSOS DIDÀCTICS

Articles que presentin qualsevol tipus de recurs i material didàctic per a l’ensenyament de la química. Poden incloure, entre d’altres, audiovisuals, jocs, visites, textos dels mitjans de comunicació, etc.

TREBALL EXPERIMENTAL

Articles sobre diferents tipus de treballs pràctics experimentals: demostracions, experiències interpretatives, aprenentatge de tècniques, investigacions, etc.

TREBALLS DE RECERCA DELS ALUMNES

Articles descriptius de treballs de recerca dels alumnes dins l’àmbit de la química. En aquesta secció, els alumnes són els autèntics protagonistes.

Properes monografies

Substància química

Filosofia de la química