La enza de la quimica by Ely Torres Muñoz

LA ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA EN LA ESCUELA SECUNDARIA

LECTURAS

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LA ENSEÑANZA DE LA QuíMICA EN LA ESCUELA SECUNDARIA

LECTURAS

PRIMER NIVEL

PROGRAMA NACIONAL DE ACTUALIZACIÓN PERMANENTE

La enseñanza de la Química en la escuela secundaria. Lecturas. Primer nivel. Programa Nacional de Actualización Permanente fue elaborado en la Dirección General de Materiales y Métodos Educativos de la Subsecretaría de Educación Básica y Normal COORDINACIÓN

José Antonio Chamizo Guerrero Armando Sánchez Martínez COMPILADORES

José Antonio Chamizo Guerrero Margarita Petrich Moreno Minerva Guevara Soriano Jorge Ortiz Franco Armando Sánchez Martínez ASESOR

Renato Sergio Rosas Domínguez COORDINACIÓN EDITORIAL

María Ángeles González Teresa Mira Hatch José Manuel Mateo Calderón DISEÑO

Mauro Calanchina Poncini Benito Antón Gracia FORMACIÓN

Amaltea Editores, S.A. de C.V. Kenia Salgado S. Tipos Móviles, S.A. de C.V. DISEÑO DE PORTADA

Stega Diseño Primera, edición, 1995 Primerá edición revisada, 1996 D.R. ©Secretaría de Educación Pública, 1995 Argentina núm. 28, col. Centro, C.P. 06020, México, D.F. ISBN 968-29-7513-1 Impreso en México DISTRIBUCIÓN GRATUITA. PROHIBIDA SU VENTA

Indice 9

Presentación

Introducción

Química y sociedad

¿Podemos conocer el universo? Reflexiones sobre un grano de sal Carl Sagan

Falacias acerca de la química Pierre Laszlo y Arthur Greenberg

Ozono y lluvia ácida en la Ciudad de México Humberto Bravo, Rodolfo Sosa y Ricardo Torres

¿Un futuro factible o un sueño más? Estado de la química en México en el año 2025 Eusebio Juaristi

La gestión del planeta Tierra William C. Clark

Historia de la química

La química en México; un poco de la historia científica mexicana Andoni Garritz y José Antonio Chamizo

La teoría atómica durante el siglo XIX José Antonio Chamizo

La génesis de la Tabla de Mendeleev Bernadette Bensaude-Vicent

95 1O1 103

La noción de obstáculo epistemológico: plan de la obra Gastan Bachelard

Temas de química cotidiana Jabones, saponinas y detergentes Antonio Romo

111

Guerras químicas, accidentes químicos Antonio Romo

121

Fertilizantes y fijación de nitrógeno Diana Cruz

127

Las maravillas del quinto elemento Rosalinda Contreras Theurel

135

Elementos metálicos de la vida Rodolfo Acevedo Chávez

145

Costo energético, opio y neuroquímica Andoni Garritz y José Antonio Chamizo

153 155

Enseñanza de la química Ciencia y construcción del pensamiento M. Moreno Marimón

165

Objetivos para niños que aprenden ciencia Simón & Shuster

173

Las ideas de los niños y el aprendizaje de las ciencias Rosalind Driver, Edith Guesne y Andrée Tiberghien

181

La constitución de la materia como conjunto de partículas en la fase gaseosa Joseph Nussbaum

197

Más allá de las apariencias: la conservación de la materia en las transformaciones físicas y químicas Rosalind Driver

217

Algunas características de las ideas de los niños y sus implicaciones en la enseñanza Rosalind Driver, Edith Guesne y Andrée Tiberghien

227

La investigación como recurso didáctico Sergio Renato Rosas Domínguez

237

Piaget para químicos. Explicando lo que los "buenos" estudiantes no pueden entender J. Dudley Herron

249

Enseñar seguridad es enseñar química Rosa María Catalá y José Antonio Chamizo

255

Química en secundaria Fedro Carlos Guillén

259

Cómo incrementar el interés por la química Armando Sánchez Martínez

265

Anexos

266

Tabla de desechos de reactivos químicos

268

Tabla de accidentes químicos

Presentación

a Secretaría de Educación Pública ha elaborado el presente material, que forma parte del paquete didáctico de Química destinado a los maestros que laboran en los planteles de educación secundaria. Los paquetes didácticos son uno de los componentes del Programa Nacional de Actualización Permanente para maestros de educación básica en servicio, el cual desarrollan conjuntamente la SEP y las autoridades educativas de los estados; su propósito es apoyar al personal docente en la puesta al día de sus conocimientos y en el fortalecimiento de sus recursos didácticos, para que alcance una mayor calidad en el desarrollo de su ejercicio profesional. Los paquetes didácticos son el principal medio para que los maestros de los distintos niveles, grados y asignaturas realicen con éxito programas y cursos relacionados con la aplicación de los planes vigentes de educación básica. Los maestros podrán utilizar estos materiales de diversas maneras, conforme a sus preferencias y al tiempo del que dispongan: podrán estudiar sistemáticamente de manera individual; organizar grupos autónomos con sus compañeros de trabajo; laborar en grupo con asesoría del personal de centros de formación y actualización de maestros; o participar en cursos escolarizados ofrecidos por instituciones especializadas. La Guía de estudio que forma parte de este paquete didáctico será útil para que el maestro logre sistematicidad y flexibilidad en el estudio y utilización de los diversos componentes de cada paquete: las Lecturas, los Libros para el maestro, las orientaciones de autoevaluación y otros recursos complementarios. Los maestros que así lo deseen podrán obtener la acreditación del curso al cual corresponde el presente paquete, que será tomada en cuenta para la Carrera Magisterial y otros mecanismos de estímulo profesional. Con la finalidad de que los maestros tengan las mismas oportunidades, independientemente de la forma de estudio que hayan utilizado, la acreditación será realizada por un órgano técnico, con criterios objetivos, estandarizados y de validez nacional. La Secretaría de Educación Pública y las autoridades educativas confían en que este material corresponda a los intereses y las necesidades reales de los maestros en servicio y que sea de utilidad en la elevación de la calidad de la educación que reciben los niños y jóvenes mexicanos.

Secretaría de Educación Pública

Introducción

a presente antología, integrada en el Paquete didáctico para el profesor de química en secundaria, busca presentarle al docente diversos materiales agrupados en cuatro secciones:

Química y sociedad Historia de la química Química cotidiana Enseñanza de la química Las dos primeras recogen diversos artículos y fragmentos de libros que se consideran importantes para establecer un marco de referencia adecuado para el estudio de esta disciplina. La ubicación de la química en nuestra sociedad a lo largo de la historia, por fragmentaria que pueda aparecer en un texto tan pequeño como el presente, no deja de ser un aspecto fundamental para que tanto profesores como alumnos puedan asomarse a este vasto campo. La sección tres siempre estará incompleta. Aquí sólo se apuntan algunos de los fascinantes temas que el profesor puede incorporar en su clase, una vez que resulta indispensable que la relacione con la vida de todos los días de sus estudiantes. Química cotidiana es prácticamente todo lo que nos rodea, por lo que se optó por escoger algunos artículos, la mayoría de autores mexicanos: la química también se escribe en español. La última sección concreta cómo la información anterior puede discutirse en el aula. Se enfatiza en las ideas que los jóvenes tienen sobre el mundo material al presentar resultados de diversas investigaciones sobre la enseñanza de la química, algunas con más de una década de antigüedad. Aunque las cuatro secciones son importantes, la lectura de esta última es indispensable para entender los fundamentos del cambio curricular que dio origen al nuevo programa. Se ha cuidado que a lo largo de las cuatro secciones existan materiales bibliográficos escritos en México. Ya que resulta escasa esta producción, se invita a los profesores a que con su incomparable experiencia la incrementen.

Laeducáción Científica debe contribuir a que .la gente conozca los valores compartidos de científicos, matemáticos e ingenier,o~; al reforzamiento de los valores generales de la sociedad, y a: in<Jú.lcar en la gente una idea informada y balanceada del valor; social'de la ciencia, las matemáticas y la tecnología. La ciencia, las ·matemáti~as y la tecnología.jncorporan valores particulares, algunos de los cuales son de distinto tfpo o intensidad de los de otras o~p~:io11es ~~m.a11as, C()~b l()s ~e?C>~i()s, . las leyes o las artes .. Pára entender la ciencia, las matemáticas yla tecnología, es esencial los valores que subyac(;!rt en ellas que estar consCiente de algunos les dan su cárácter,. y que so.ncompartidós podas: personas que trabajan en esos tres campos .... La.educadóncie11tífica tiene una po~i~i<?!l particul~rm~nte fuerte para promover la curio.sida.d, la apertura bada nuévas ideás y el escepticismo.

La .conclusión más i.ni.pórtante acerca dd lugar y el avance de la ciencia

en nuestra sociedad es que ha adquirido demasiada importancia para dejada en manos· de los. científicos o de los políticos exclusivamente. Para hacer deellau:na }?endición ynq\Jn.flag~lq, ~s pr(;!dso qu~ todo el pueblo intervenga. en su controL

Química y sociedad

a química, como cualquier otra actividad humana, se desarrolla en el interior de un grupo social, grupo que, como todos, se pregunta si le es posible conocer. Aquí se presentan diversas facetas de la permanente interacción entre la química y la sociedad en la actualidad. Desde las que ubican el papel de la química y la defienden de los ataques simplistas lanzados contra ella, ubicándola como germen de muchos de los males que nos agobian, hasta lo que, empleando el conocimiento químico, nos presentan diversos escenarios ambientales, tanto en México como en el mundo. El penúltimo artículo nos proyecta al siglo XXI, con el tema de la envidiable situación de la química en el México futuro.

¿Podemos conocer el universo? Reflexiones sobre un grano de sal Carl Sagan El cerebro de broca. Reflexiones sobre el apasionante mundo de la ciencia, Grijalbo, México, 1974.

a ciencia es mucho más una determinada manera de pensar que un cuerpo de conocimientos. Su objetivo es descubrir cómo funciona el mundo, detectar las regularidades que puedan existir, captar las vinculaciones que se dan entre las cosas -desde las partículas elementales, que pueden ser los constituyentes últimos de toda materia, para organismos vivos, la comunidad social de los seres humanos y, cómo no, el cosmos contemplado en su globalidad-. Nuestra intuición no es ni por asomo una pauta infalible. Nuestras percepciones pueden verse falseadas por la educación previa y los prejuicios, o simplemente a causa de las limitaciones de nuestros órganos sensoriales que, por descontado, sólo pueden percibir directamente una pequeña fracción de los fenómenos que se producen en el mundo. Incluso una cuestión tan directa como la de que si, en ausencia de fricción, cae más rápidamente un kilogramo de plomo que un gramo de lana, fue resuelta incorrectamente por casi todo el mundo hasta llegar a Galileo, y entre los equivocados se hallaba, cómo no, el propio Aristóteles. La ciencia se fundamenta en la experimentación, en un ansia permanente de someter a prueba los viejos dogmas, en una apertura de espíritu que nos permita contemplar el universo tal como realmente es. No puede negarse que en ciertas ocasiones la ciencia exige coraje; como mínimo el imprescindible para poner en entredicho la sabiduría convencional.

QUÍMICA Y SOCIEDAD

El principal rasgo definitorio de la ciencia es pensar de verdad toda cosa: el tamaño de las nubes y las formas que adoptan, incluso en su estructura más profunda, en cualquier parte del cielo para una altitud dada; la formación de una gota de rocío sobre una hoja;·el origen de un nombre o una palabra; la razón de una determinada costumbre social humana, como por ejemplo, el tabú del incesto; por qué una lente sobre la que incide la luz solar puede quemar un papel; qué razón nos hace ver un bastón de paseo como una pequeña ramita; por qué parece seguimos la Luna cuando paseamos; qué nos impide perforar la Tierra con un agujero que llegue hasta el centro del planeta; qué sentido tiene el término "abajo" en una Tierra esférica; de qué modo el cuerpo puede convertir la comida de ayer en el músculo y el nervio de hoy; dónde están los límites del Universo, ¿puede éste expandirse indefinidamente, o no?; ¿tiene algún significado la pregunta de qué hay más allá? Algunas de estas interrogantes son singularmente fáciles de responder. Otras, especialmente la última, son misterios de los que no conocemos la solución incluso en nuestros días. Son interrogantes naturales a resolver. Toda cultura se ha planteado, de una u otra forma, tales cuestiones. Las respuestas sugeridas casi siempre han sido de categoría "narrativa" o "fabulada", con explicaciones divorciadas de toda tarea experimental, e incluso de toda observación comparativa cuidadosa. Pero la mentalidad científica examina el mundo críticamente, como si pudieran existir otros muchos mundos alternati vos, como si aquí pudiesen existir cosas que ahora no encontramos. Y en consecuencia, nos vemos obligados a responder por

qué cuanto vemos es así y no de otra forma. ¿Por qué son esféricos el Sol y la Luna? ¿Por qué no piramidales, cúbicos o dodecaédricos? ¿Por qué tal simetría en el mundo? ¿Por qué, incluso, no tiene formas irregularmente caprichosas? Si alguien gasta parte de su tiempo proponiendo hipótesis, comprobando si tienen sentido y si concuerdan con cuanto ya conocemos, pensando en pruebas experimentales que den validez o se la nieguen a nuestras hipótesis, este alguien está haciendo ciencia. Y a medida que van tomando más y más fuerza estos hábitos de pensamiento, más a gusto se halla el individuo con ellos. Penetrar en el corazón de las cosas -incluso en el de las más pequeñas, en el de una brizna de hierba, como dijera Walt Whitman- produce un tipo de excitación y alegría que parece muy posible que, de todos los seres que pueblan este planeta, sólo puedan experimentarla los seres humanos. Somos una especie inteligente, y un uso adecuado de nuestra inteligencia nos produce placer. En este aspecto, el cerebro es como un músculo. Cuando pensamos bien, nos sentimos bien. Comprender es un cierto tipo de éxtasis. Pero, ¿hasta qué punto podemos conocer en realidad el universo que nos rodea? a veces esta pregunta la plantean individuos que esperan obtener una respuesta de tonos negativos, que sienten temor ante la idea de un universo del que algún día se llegue a conocer todo. A veces encontramos científicos que confidencialmente expresan su creencia de que todo cuanto es digno de ser conocido pronto lo será -o que incluso ya lo es-, y que nos pintan el cuadro de una edad dionisíaca o polinésica en la que se habrá marchitado el entusiasmo por la ad-

¿PODEMOS CONOCER EL UNIVERSO?

ronas, los circuitos elementales y conexiones responsables de las actividades química y eléctrica que hacen funcionar nuestras mentes. Una neurona típica tiene como mucho un millar de pequeñas terminaciones, las dendritas, que establecen su conexión con las contiguas. Si, como parece ser, a cada una de tales conexiones le corresponde el almacenamiento de un bit de información, el número total de cosas cognoscibles por el cerebro humano no excede de 10 14 es decir, la cifra de los 100 billones. En otros términos, algo así como ell% del número de átomos que contiene una pequeña partícula de sal. Desde tal punto de vista el Universo se nos convierte en inabordable, asombrosamente inmune a todo intento humano de alcanzar su completo conocimiento. Si a este nivel no nos es dado comprender la exacta naturaleza de un grano de sal, mucho menos lo será determinar la del Universo. Pero observemos con mayor atención nuestro microgramo de sal. La sal es un cristal que, a excepción de eventuales defectos que pueden presentarse en su estructura reticular, mantiene posiciones bien predeterminadas para cada uno de los átomos de sodio y de cloro que lo integran. Si pudiésemos contraemos hasta posibilitar nuestra incursión en tal mundo cristalino, podríamos ver, fila tras fila, una ordenada formación de átomos, una estructura regularmente alternante de átomos de sodio y cloro, con lo que tendríamos especificada por completo la capa de átomos sobre la que estuviésemos colocados, y todas las demás situadas por encima y por debajo de ella. Un cristal de sal absolutamente puro tendría completamente especificada la posición de cada

quisición de nuevos descubrimientos intelectuales; lo habremos reemplazado por cierta languidez sumisa, nos alimentaremos de lotos y beberemos leche de coco fermentada o algún otro suave alucinógeno. Además de calumniar a los polinesios, que fueron intrépidos exploradores (y cuyo breve descanso en el paraíso hoy está llegando lastimosamente a su fin), y a los estímulos para el descubrimiento intelectual que proporcionan ciertos alucinógenos, este punto de vista se nos muestra como obviamente erróneo. Planteemos de momento una pregunta mucho más modesta. No nos preguntemos si podemos conocer la naturaleza del Universo, la Vía Láctea, una estrella o un mundo, sino si nos es dado conocer, en última instancia y de forma pormenorizada, la naturaleza de un grano de sal. Consideremos un microgramo de sal de mesa, una partícula apenas lo suficientemente grande como para que alguien con una vista muy aguda pueda detectarlo sin la ayuda de un microscopio. En este grano de sal hay alrededor de 1016 millones de átomos de cloro y sodio, es decir, 1O 000 billones de átomos. Si deseamos conocer la estructura de este grano de sal, necesitamos determinar como mínimo las coordenadas tridimensionales de cada uno de sus átomos. (De hecho precisamos conocer muchas más cosas, como por ejemplo la naturaleza de las fuerzas con que interactúan los átomos, pero para el caso nos contentaremos con cálculos de gran modestia). Pues bien, ¿la cifra indicada es mayor o menor que el número de cosas que puede llegar a conocer el cerebro humano? ¿Cuál es el límite de informaciones que puede albergar el cerebro? En nuestro cerebro quizá haya un total de 1011 neu17

QUÍMICA Y SOCIEDAD

fuso revoltillo de eventos imprevisibles y carentes de regularidad se encuentran en grave peligro. El Universo pertenece a quienes, al menos en cierta medida, lo han descifrado. Es un hecho realmente asombroso que existan leyes de la naturaleza, reglas que sinteticen de forma adecuada -no sólo cualitativa, sino también cuantitativamente- el funcionamiento del mundo. Podemos imaginar un universo sin tales leyes, un universo en el que las 1080 partículas elementales que lo integran se comportaran con absoluto e intransigente abandono. Para comprender tal tipo de universo necesitaríamos un cerebro con una masa casi tan grande como la suya. Parece bastante inverosímil suponer que en dicho universo pudiese existir vida e inteligencia, pues los seres dotados de cerebro requieren cierto grado de estabilidad y orden internos. Pero incluso si en un universo mucho más aleatorio que el nuestro existieran seres con inteligencia muy superior a la nuestra, es indudable que no podrían alcanzar demasiado conocimiento ni experimentar excesiva pasión o alegría. Para nuestra fortuna, vivimos en un universo en el que son susceptibles de conocimiento, al menos, algunos de sus más importantes aspectos. La experiencia acumulada por nuestro sentido común y la historia evolutiva de la humanidad nos han preparado para comprender algo del mecanismo cotidiano que mueve el mundo. Sin embargo, cuando nos introducimos en otros ámbitos, el sentido común y la intuición ordinaria pueden llegar a convertirse en muy malos consejeros. Es pasmoso el hecho de que al aproximarnos mucho a la velocidad de la luz nuestra masa crece indefinidamente, nuestro

uno de sus átomos con unos 1O bits de información.* Evidentemente, tal estado de cosas no abrumaría en lo más mínimo la capacidad de almacenar información propia del cerebro humano. Si el Universo tiene un comportamiento regulado por leyes naturales con un orden de regularidad similar al que determina la estructura de un cristal de sal común, es obvia nuestra capacidad para abordar su conocimiento. Incluso en el supuesto de que existan muchas de tales leyes, de considerable complejidad cada una de ellas, los seres humanos gozan de la capacidad necesaria para comprenderlas todas. Y en el supuesto de que los conocimientos precisos sobrepasaran la capacidad de almacenamiento de información de nuestros cerebros, quedaría la posibilidad de almacenar información adicional fuera de nuestros propios cuerpos -por ejemplo, en libros o en memorias magnéticas de computadora-, de modo que, en cierto sentido, seguiría siendo posible el conocimiento del Universo. Los seres humanos se hallan enormemente moti vados para emprender la búsqueda de regularidades, de leyes naturales, cosa por lo demás perfectamente comprensible. La búsqueda de leyes, el único camino posible para llegar a comprender un universo tan vasto y complejo, recibe el nombre de ciencia. El Universo obliga a quienes lo pueblan a entenderlo. Aquellos seres que se topan en su experiencia cotidiana con un con-

* El cloro es un gas letal que se utilizó en los campos de batalla europeos durante la primera guerra mundial. El sodio es un metal corrosivo que entra en combustión en contacto con el agua. La combinación de ambos origina una sustancia agradable e inocua, la sal común. El estudio de las propiedades de ambas sustancias constituye precisamente el objetivo de la química, y para comprenderla se necesitan más de 10 bits de información.

¿PODEMOS CONOCER EL UMVERSO?

espesor llega a ser prácticamente nulo en la dirección del movimiento y el tiempo parece detenerse para nosotros. Mucha gente cree que esto es una necedad, y no hay semana sin que alguien me escriba lamentándose de esta situación. Pero no hay vuelta de hoja. Son consecuencias virtualmente ciertas, no sólo por la experimentación, sino también debido al brillantísimo análisis de Albert Einstein sobre la naturaleza del espacio y el tiempo, conocido como teoría especial de la relatividad. No viene al caso que tales efectos puedan parecemos escasamente razonables, pues no tenemos el menor hábito de viajar a velocidades próximas a la de la luz. En el terreno de las altas velocidades, el testimonio de nuestro sentido común resulta irrelevante. Imaginemos ahora una molécula aislada, compuesta por dos átomos cuya estructura pueda recordamos por su forma a la de unas pesas de halterofilia. Por ejemplo, puede muy bien ser una molécula de sal común. Dicha molécula gira alrededor de un eje en dirección idéntica a la línea que une ambos átomos. Pues bien, en el mundo de la mecánica cuántica, en el reino de lo extraordinariamente pequeño, nuestro juego de pesas no puede tomar cualquier orientación. Es perfectamente posible, para fijar un supuesto, que esté orientado horizontal o verticalmente, pero no será posible que lo esté en muchas de las inclinaciones angurlares intermedias. En otras palabras, le están prohibidas ciertas inclinaciones rotacionales. ¿Prohibidas por quién? Pues por las leyes de la naturaleza. El Universo está construido de tal forma que limita, o cuantifica, las posibilidades de rotación. No tenemos evidencia experimental de este hecho en nuestra vida co-

tidiana. Podemos encontrarlo tan sorprendente como si al efectuar ejercicios de gimnasia sueca fuéramos tan torpes como para poder colocamos con los brazos en cruz. o extendidos hacia el cielo pero nos fuera imposible adoptar un buen número de posturas intermedias. Sin embargo, téngase en cuenta que nuestra vida no se desarrolla en el ámbito de lo minúsculo, dentro de una escala del orden de 1o- 13 cm, en un mundo donde hay doce ceros entre la coma que separa las unidades y la primera cifra significativa. Las intuiciones de nuestro sentido común no cuentan para nada. Lo que vale es el experimento; en el caso que nos ocupa, la observación de las frecuencias de infrarrojos en los espectros 1noleculares. Y éstos nos muestran que la rotación molecular debe ser cuantificada. La idea de que el mundo plantea restricciones a las posibilidades de acción humana es frustrante. ¿Por qué no podemos tener ciertas posiciones rotacionales intermedias? ¿Por qué no podemos viajar más deprisa que la luz? Sin embargo, todo cuanto podemos decir hasta el presente es que el Universo está construido precisamente así. Tales limitaciones no sólo nos obligan a ser más humildes, sino que convierten el mundo en algo más comprensible. Cada constricción corresponde a una ley natural, a una regularidad en el Universo. Cuanto más grande sea el número de constricciones acerca de las posibilidades reales de la materia y la energía, mayor conocimiento del Universo podremos alcanzar los hombres. En cualquier caso, la cognoscibilidad del Universo no sólo depende de cuántas sean las leyes naturales que nos permiten enmarcar para su análisis una amplia serie de fenómenos divergentes en apariencia,

QUÍMICA Y SOCIEDAD

sino también de la apertura mental y capacidad intelectual que mostremos respecto a la comprensión de tales leyes. Seguramente nuestras formulaciones de las regularidades de la naturaleza dependen del modo en que está construido nuestro cerebro, pero también, y en buena medida, de aquél en que lo está el Universo. Por mi parte, me gusta vivir en un universo que encierra aún mucho de desconocido y que, al mismo tiempo, es susceptible

de llegar a ser interpretado. Un universo del que lo conociéramos todo sería estático y deprimente, tan aburrido como el cielo que nos prometen ciertos teólogos pobres de espíritu. Un universo que se nos muestre incognoscible no es lugar ciertamente adecuado para un ser que piensa. El universo ideal para nosotros es algo bastante más similar al sitio en que vivimos. Y me atrevo a conjeturar que no es simple coincidencia.

Falacias acerca de la química Pierre Laszlo y Arthur Greenberg Educación Química, número 1, volumen 2, 1991.

a química tiene una mala imagen. La gente desconfía de ella por considerarla una ciencia compleja e incomprensible. Existe la tradición de aprender la química de memoria en lugar de comprenderla. Los químicos aparecen como personas retraídas y un poco peligrosas, aislados en sus laboratorios, donde confeccionan mezclas elaboradas que son peligrosas al olerlas y quizá hasta venenosas. Es cierto que la totalidad de la ciencia con frecuencia es vista desfavorablemente y hasta temida. Varios estudios recientes lo demuestran. En Francia, la tercera parte de una muestra de población de 18 años en adelante estuvo de acuerdo con la proposición siguiente: "El progreso científico es usado siempre para aumentar el poder gubernamental". El 80% de la misma muestra pensaba que "el progreso técnico aumenta el desempleo", mientras que dos terceras partes estaban convencidas de que "los científicos, gracias a sus conocimientos, tenían un poder potencialmente peligroso". 1 Estudiantes de los Estados Unidos en cursos de 7o. a 12o. grado tienen prejuicios similares sobre la ciencia. Un estudio reciente de 933 estudiantes en Nueva Jersey indicó que el.38% de ellos piensa que los investigadores "se sientan todo el día en aburridos laboratorios, vaciando productos químicos de un tubo a otro"; el 34% dice que el resultado final del trabajo de los científicos es generalmente la contaminación; y del20 al30% ve

QUÍMICA Y SOCIEDAD

a los científicos como alguien demasiado envuelto en su trabajo, como solitarios con pocas aficiones y poca vida social. 2 Es posible agrupar estos estereotipos asignados a (y contra) la química en nueve falacias.

naturaleza, una verdadera ciencia sólo existiría en proporción a su contenido matemático". Esta fue la idea clave que surgió en el siglo XVII y que justifica la sumisión de la química a la física. Así, en un gran número· de escuelas, la enseñanza de la quí~ca era confiada a los físicos, que daban a sus alumnos un punto de vista de la química descriptivo y dogmático. Era dogmático porque su tratamiento matemático de la química era tanto superficial como agobiante. La química era entonces reducida a una colección heterogénea de matemáticas aplicadas. Esto llevó al excesivo énfasis en algunos temas mucho más allá de su real importancia; algunos ejemplos son los productos de solubilidad, los cálculos del pH de mezclas complejas, o la cinética formal. Aun cuando la química obedece las leyes de la física, es una disciplina autónoma, que se declaró a sí misma una ciencigt independiente en el final del siglo XVIII con los estudios cuantitativos de Lav<?isier. Más adelante, la química adquirió su propio grupo de problemas, lo que podríamos llamar su paradigma,6 con el nacimiento de la teoría atómica y la llegada de la tabla periódica de los elementos. La física del siglo XIX no tenía ni el equipo -experimental o conceptual- ni el interés para analizar el átomo, que así se mantuvo como jurisdicción exclusiva de los químicos por cien años. A partir de entonces, la física y las matemáticas perdieron su precisión mítica. Existen diversas razones para esta falibilidad moderna: por un lado, la mecánica cuántica ha terminado con la ficción de que al examinar un sistema el observador realiza una medición objetiva del mismo. Cualquier observación al sistema lo perturbará, así que no puede existir una medición perfectamente precisa. Otro ejemplo se originó

Primera falacia La química sólo es física aplicada. Esta idea por lo menos se remonta hasta Descartes y Kant. El primero no tenía una buena opinión de los químicos. En 1646 escribió al marqués de Newcastle3 : "Estoy de acuerdo con el juicio de su Excelencia sobre los químicos y creo que solamente murmuran palabras raras para así pretender saber lo que ignoran ... En mi opinión, su sal, su azufre y su mercurio no difieren entre ellos más que lo que difieren entre sí los cuatro elementos de los filósofos, un poco más de lo que diferencia al agua del hielo, de la espuma y de la nieve; porque yo sostengo que todos los cuerpos están formados de la misma materia". Como resultado de la revolución científica iniciada por Galileo, la mecánica se convirtió en el mejor ejemplo de una ciencia exitosa y las matemáticas parecieron ser el instrumento para conseguir este éxito. Como consecuencia, una nueva jerarquía en las ciencias, basada en su contenido matemático, vino a reemplazar la subdivisión medieval en quadrivium y trivium. 4 En el nivel más alto estaba la ciencia más racional, la física, "una cadena de razones y consecuencias" .5 Mucho más abajo se encontraba la química, una disciplina en la que las leyes no eran matemáticas sino simplemente "leyes derivadas de la experiencia". 5 Para Kant, "la química debía ser llamada un arte. sistemático más que una ciencia", ya que "en cada teoría particular sobre la, 22

FALACIAS ACERCA DE LA QUÍMICA

con la demostración de Kurt Godel en 1931, que decía que cualquier conjunto deductivo de proposiciones equivalentes a una aritmética era incompleto e inconsistente.7 La mística de la física, como la ciencia capaz de predecir con precisión cualquier comportamiento, dados los conocimientos suficientes, ha llegado a ser anacrónica. Quizás existe más belleza en los conceptos modernos de la ciencia física en donde comprendemos que "el intercambio de información entre el hombre y la naturaleza, y entre el hombre y el hombre, sólo puede ocurrir hasta cierto nivel de tolerancia". 8

los problemas de la. psicología eluden este análisis simple. Aún más, los cursos introductorios rara vez ilustran la solución de problemas y la creatividad que son los denominadores comunes de todo gran trabajo científico, prescindiendo del contenido matemático. Un físico puede ser considerado un excelente matemático, y aun así, puede ser incapaz de interpretar a la naturaleza, mientras que un biólogo con ·un entrenamiento matemático rudimentario puede ser un científico creativo y brillante. Además de las calculadoras de bolsillo que han llegado a ser comunes en los laboratorios y clases de química, ésta utiliza extensivamente las computadoras. Las teorías de la química cuántica permiten que los cálculos tengan una aproximación suficientemente buena de numerosas propiedades moleculares. Utilizamos computadoras para derivar información de datos -por ejemplo, constantes de equilibrio o de cambio. Procedimientos para el ajuste de multiparámetros pueden ser usados para obtener valores confiables a partir de parámetros correspondientes a una curva experimental dada. Como en toda ciencia experimental, existe la necesidad de hacer modelos de los fenómenos observados. Para comprender los resultados de un experimento, debemos escribir las ecuaciones matemáticas que reproducen, de la forma más simple y efectiva, el mayor número de observaciones experimentales. Las matemáticas son igualmente necesarias para la descripción de formas moleculares y de todas las rutas posibles para sus ínterconversiones. La química no puede ser reducida a ser matemáticas aplicadas; sin embargo, las matemáticas son esenciales para la química y un bloqueo mental hacia ellas pudiera incapacitar a un químico.

Segunda falacia Nos metemos a la química cuando nuestra comprensión de las matemáticas es débil. Si hiciéramos caso a esta idea, la química hubiera permanecido siempre bajo la sombra de las matemáticas y de la física, ya que hubiera estado limitada a realizar experimentos con resultados impredecibles y a tener un enfoque totalmente empírico. Este concepto erróneo es muy dañino. Como toda ciencia, como la física, la biología o la psicología, la química tiene una necesidad constante de las matemáticas, y éstas son absolutamente vitales para los químicos. Pregúntese a un estudiante sobre la dificultad relativa de las diferentes materias y el orden siempre será el de física (la más difícil), química, biología y psicología (la menos difícil), que es el orden aproximado del contenido matemático de las mismas. Sin embargo, el orden de complejidad de los problemas es el inverso: los problemas de la física son lo suficientemente sencillos y están lo suficientemente idealizados para alcanzar soluciones matemáticas simples, mientras que

QUÍMICA Y SOCIEDAD

boratorio. La asociación metafórica de la química con la cocina también partió de la frecuente necesidad de calentar la mezcla de reacción para que ésta se lleve a cabo a una velocidad útil. Por el contrario, muchas reacciones modernas se llevan a cabo a temperatura ambiente. Es por esto que la química no puede ya ser representada como una ciencia "de la cocina". Al ver viejos dibujos o grabados que muestran laboratorios químicos (o alquímicos) aún podemos reconocer e identificar los recipientes que aparecen ahí. Pero actualmente el material de vidrio y los productos químicos no son los únicos símbolos verdaderos de nuestra actividad profesional. Al entrar a un laboratorio químico moderno, lo que impacta es el número y la variedad de instrumentos que se utilizan. Reproducir los experimentos con una confiabilidad mayor al 0.01% y analizar las impurezas a niveles de partes por billón, son requerimientos que no se les piden ni a los más grandes chefs del mundo.

Tercera falacia La repetición mecánica es suficiente para aprender química. La química no es más elaborada que la cocina. ¿De dónde viene esta interpretación errónea? Surge de una gran tradición de transmisión oral, tal vez de maestro a aprendiz, y de la jerga del lenguaje técnico. Los alquimistas dejaron pocos documentos explícitos y la mayor parte de la enseñanza era como una iniciación secreta. Se debía esconder de la Iglesia una actividad que era marginal y vista con malos ojos. Los escasos manuscritos sobrevivientes utilizan un lenguaje críptico con un simbolismo complejo y válido para diferentes niveles. El opus alquímico puede entenderse de dos formas: como un esfuerzo por alcanzar la perfección moral, y como el éxito de una serie de operaciones concretas. Los químicos han heredado de los alquimistas este hábito de una notación taquigráfica de los procesos que se efectúan, y también utilizan un vocabulario que, aunque preciso, es al mismo tiempo voluminoso. Nuestros procedimientos experimentales a veces parecen recetas. Para ser honestos, aún ahora, no siempre comprendemos con precisión y en detalle la razón de cada serie de operaciones sucesivas. Sin embargo, somos capaces, en principio, de justificar cada uno de los pasos de cualquier proceso que hayamos establecido. Nuestros procedimientos experimentales, ya sea que sólo los sigamos o que los desarrollemos, siguen una secuencia ordenada de instrucciones precisas. En la era de la programación por computadora esto no es ya nada raro. Es claro que las computadoras están jugando un papel cada vez mayor en la concepción, y aún en el desempeño, de las síntesis químicas en ella-

Cuarta falacia La cocina es mucho más que química. Una

vez más, aquí nos encontramos con una unión de conocimientos e ignorancia. Existe una idea recurrente según la cual dentro de la olla se lleva a cabo una sutil y hasta mágica elaboración de los ingredientes reunidos por el cocirr~ro. El filósofo francés Gastón Bachelard expresó muy bien la poesía que hay detrás de estas oscuras fermentaciones, de estas germinaciones ocultas, de estos procedimientos misteriosos de la cocina que son enriquecidos por todo lo que la imaginación permite. Nuestro propósito aquí no es eliminar el fulgor "míti-

FALACIAS ACERCA DE LA QUÍMICA

co" de una imaginación material tan rica, tan prometedora, y que está llena de una anticipación a un placer ya experimentado -el del gourmet. Sin embargo, sería ridículo mantener que los procesos que ocurren dentro de una olla son de algún modo diferentes a los que organizan los químicos en sus tubos y matraces. La única diferencia -si podemos decir que hay alguna- es que nosotros trabajamos bajo condiciones controladas con más cuidado, para que así puedan ser reproducidas (sin embargo, hoy en día los chefs no hacen otra cosa) y que nuestras mezclas son mucho más simples. El chef francés Michel Guérard dejó el área de París, donde tenía su propio restaurante, para cocinar en un hotel en Eugénie-les-Bains, un balneario en el suroeste francés. Su cocina tiene una gran reputación por su imaginación e integridad; su meta es mantener el sabor natural de cada ingrediente. El resultado ha sido llamado cuisine minceur debido a que ha logrado hacer posible comer platillos deliciosos, aun estando a dieta. Parece que Guérard se tomó el trabajo de aprender química durante su entrenamiento para así comprender con detalle las transformaciones llevadas a cabo durante la preparación de un platillo.

sostenían que todos los fenómenos biológicos podían ser explicados en términos de la física y la química; por el contrario, los vitalistas creían en el punto de vista holístico, en donde el todo trasciende a las partes, en donde siempre habrá un residuo inexplicable, y en donde la vida no podrá nunca ser constreñida a un estrecho marco físicoquímico. Para dar un ejemplo de esta disputa, Balzac en La Peau de Chagrin (La Piel de Zapa) presenta estos dos puntos de vista opuestos en dos personajes, dos médicos, Cameristus, el vitalista, y Brisset, el mecanicista (sus modelos reales fueron Récamier y Broussais ). Según Cameristus, el héroe Raphael sufre de una enfermedad moral -es el cerebro el que maneja el epigastrio, y no lo contrario. Por lo tanto, recomienda un "tratamiento totalmente moral, un examen profundo del interior de la persona. Encontremos, como él dice, la causa de la enfermedad en las entrañas del alma, en lugar de en las entrañas del cuerpo". 9 Sus ideas son las de un especialista actual en lo psicosomático. Las explicaciones del tipo mecanicista ocasionalmente se han extralimitado. Sin embargo, los mecanicistas estaban en lo correcto y ésta es la forma en la que la ciencia se ha desarrollado durante los últimos 150 años. Aun así, la mentalidad vitalista ha permanecido: muchos de nuestros estudiantes de ciencia biológica y veterinaria, por ejemplo, no ven la necesidad de aprender ciencias básicas, tales como la física y la química, como parte del entrenamiento para su profesión futura. Lejos de ser un hijo postizo de padres solteros, la química es una ciencia central que tiende un puente entre la biología y la física. Es en el dominio de la química que la física cuántica y la biolo-

Quinta falacia La química es de poca ayuda para comprender la vida. Disminuidos según el punto de vista de los físicos clásicos, los químicos fueron prácticamente ignorados por algunas escuelas de biólogos. Durante la primera mitad del siglo XIX, una enom1e discrepancia científica colocó a los mecanicistas contra los vitalistas: los primeros

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gía celular comparten un terreno común. Si se necesitaran pruebas, la lista de premios Nobel de Fisiología y Medicina ganados durante los últimos treinta años apoya elocuentemente el papel preponderante que la química ha jugado en el desentrañamiento de los complejos mecanismos de la vida. Hay muchos capítulos de la biología en los que la química ha hecho contribuciones determinantes: el establecimiento por Pauling del origen molecular de la anemia de células falciformes; el descubrimiento por Watson y Crick del apareamiento de bases en la doble hélice del ADN; la estructura de las inmunoglobulinas que explica la especificidad de las reacciones antígeno anticuerpo; la explicación hecha por Perutz y otros del enlace cooperativo entre el oxígeno y la hemoglobina; la estructura y los mecanismos de reacción de las enzimas proteolíticas, la demostración de la función de almacenamiento de energía fundamental del trifosfato de adenosina; los mecanismos de transporte de iones a través de las membranas celulares; el descubrimiento de diferentes mediadores químicos del impulso nervioso: el muy reciente descubrimiento de autoanalgésicos en el cerebro, etcétera. La lista de contribuciones fundamentales de la química al progreso de las ciencias biomédicas es en verdad muy larga. La biología también nos provee de nuestro futuro, de nuestros problemas más difíciles, sean de naturaleza analítica o sintética. Hemos estado sintetizando moléculas orgánicas, incluyendo vitaminas y hormonas, desde que Wohler hizo la urea en 1828. El siguiente paso es la síntesis de un complejo macromolecular preciso como un ribosoma. Y todavía tenemos que sintetizar una hoja o un ojo ...

Sexta falacia Los productos químicos no son algo natural. Este prejuicio se encuentra muy extendido, y sirve de base a una lucrativa industria de producción y distribución de alimentos "orgánicos", que son, en principio, aquellos que crecen sin necesidad de ser utilizado ningún producto químico. Los alimentos, después de todo, no son más que grupos de sustancias químicas. Todo químico deberá sentirse comprometido a demostrar la falacia de este mito. N o existe ninguna diferencia entre un producto aislado, por ejemplo, de una planta o de un producto sintético. Una serie de técnicas de laboratorio, desde medición de puntos de fusión hasta espectroscopía, puede utilizarse para demostrar la profunda connaturalidad que existe entre el producto del hombre y el de la madre naturaleza. Además, uno no debe imaginar al estado natural como el de una idílica Edad de Oro. La naturaleza también incluye enfermedades como la peste, la rabia, el cólera, el escorbuto, epidemias devasta.doras de influenza que, debemos recordar desde nuestra posición protegida, no son benignas. La mayoría de las veces los gérmenes responderán con mutaciones a los antibióticos, formando cepas resistentes. ¿Debemos esperar algunos millones de años para que estas cepas vuelvan a mutar de tal forma que sean sensibles a nuestros medicamentos? La humanidad podría desaparecer mientras tanto. ¿No es preferible apoyar a los químicos, que constantemente están sintetizando nuevos antibióticos efectivos contra las nuevas generaciones bacterianas? Se ve claramente que los caminos de la naturaleza son demasiado lentos e indirectos: nuestra sobrevivencia colectiva en este planeta nos demanda una comprensión de los

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do aditivos de diferentes tipos y contaminantes) parece estar ligada a casi el 50% de todos los cánceres. Solamente baños de sol causan el 5-8% de todos los cánceres, sin mencionar el cigarro, que ha sido relacionado aproximadamente al 80% de los cánceres de pulmón. 10 Claro que el cáncer puede ser causado por sustancias químicas tóxicas dispersas en el ambiente o presentes en los alimentos. Es verdad que, entre los aditivos para alimentos, antioxidantes del tipo del 2,6-di-t-butil-para-cresol, estimulan algunas enzimas producidas por los microsomas del hígado, y por lo tanto pudieran aumentar la toxicidad de hidrocarburos inhalados o ingeridos. 11 - 15 Pero a este respecto, ¿no es verdad que la absorción de benzopireno y de compuestos similares es causada principalmente por fumar cigarrillos, por quemar combustibles fósiles y por comer alimentos asados tocados por la grasa que cae en el carbón? ¿No sería posible que las mujeres evitaran los tintes para el pelo, que pueden contener hasta un 4% de 4-metoxi-metafenilen- diamina, un carcinógeno potencial? 16 Las almendras y los cacahuates pueden contener trazas de aflatoxinas, que están entre los carcinógenos más potentes conocidos -los cánceres primarios del hígado son particularmente numerosos en las poblaciones de países subdesarrollados en donde la dieta se basa principalmente en cacahuates, frijol de soya, arroz y frijol, frecuentemente contaminados con hongos del tipo Aspergillus flavus. 17-21 También se han hallado correlaciones entre el cáncer de esófago y la absorción inmoderada de los taninos naturales presentes en el café y el té. 22 Los patrones de alimentación han cambiado durante los últimos cincuenta años. La cantidad de grasa de nuestras dietas ha

procesos naturales para así permitir hasta cierto punto controlarlos. Sin embargo, debemos saber cuándo aceptar a la naturaleza bajo sus propios términos. Después de todo este sistema ha funcionado durante cientos de millones de años sin nuestra ayuda. La idea errónea de que existe una diferencia fundamental entre los productos naturales y compuestos químicos es nefasta. Parecería preferible mantener o restaurar los equilibrios existentes en lugar de destruirlos y el usar, por ejemplo, feromonas de insectos en lugar de recurrir al DDT. Sin embargo, deben recolectarse millones .de insectos y someterlos a una extracción para poder aislar sólo unos pocos miligranlos de feromona -ya que éstas son moléculas extraordinariamente potentes- para poder determinar su estructura. Entonces es relativamente sencillo el diseñar una síntesis del compuesto activo y así conseguir, como resultado final, la protección de nuestras cosechas. Una vez más, la feromona "sintética" será idéntica en todos los aspectos a la feromona natural.

Séptima falacia La química es responsable de contaminación y muerte. Cualquier actividad humana es responsable de la contaminación. Los químicos y las industrias químicas deben compartir su responsabilidad -el pedir lo contrario no tendría sentido. Sin embargo, nuestra profesión es el chivo expiatorio de varios temores difusos. Aunque la contaminación industrial parece estar relacionada con la incidencia de cáncer, ¿es el contribuyente dominante? Se reporta que los productos químicos industriales causan entre el 1 y el 5% de todas las formas de cáncer. La dieta (exceptuan-

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aumentado de un valor medio de 125 g por día en 1910 a 160g por día en 1974,23 llevando así a un aumento en las cantidades de colesterol y de ácidos grasos saturados y no saturados ingeridos. Durante el mismo periodo, la cantidad de fibras (normalmente celulosa) de la dieta ha disminuido de aproximadamente 7 g a 5 g por día, lo que probablemente provoca un tránsito intestinal más lento. Las poblaciones de países industrializados que toman alimentos refinados con alto contenido de grasas y bajo contenido de fibras tienen una proporción mayor de microflora estricta.;. mente anaeróbica en el intestino -estos microorganismos pueden transformar los esteroides biliares en estrógenos. Esto probablemente podría ayudar a explicar la gran incidencia de cáncer de pecho en las poblaciones de nuestros países desarrollados. 23 -24 El cáncer es la enfermedad más temida, pero las grandes asesinas son las enfermedades de tipo circulatorio, en donde, otra vez, la nutrición es un elemento importante. La influencia de interacciones cruzadas entre medicamentos IMAO (inhibidores de monoaminoxidasa) y la absorción de alimentos ricos en tiramina (como los quesos) es bien conocida; el resultado pueden ser crisis de hipertensión. Además de los quesos, otros alimentos ricos en tiramina son el vino de Chianti, la cerveza, el jerez, el arenque en salmuera, los extractos de levadura, el hígado de pollo, el chocolate, los frijoles, la crema ácida, los higos enlatados, las pasas y la salsa de soya. 15 Esta es la razón por la que los médicos que administran los inhibidores de monoaminoxidasa a sus pacientes, les advierten en contra de este tipo de alimentos y bebidas. En el análisis anterior, la mayoría de las preguntas relacionadas con la contamina-

ción fueron psicológicas, sociales y económicas, más que técnicas. Un manejo mejor de los cacahuates disminuirá los niveles de aflatoxina. ¿Estamos dispuestos a pagar precios mayores por los cacahuates? Las gasolinas libres de plomo están disponibles. ¿Estamos dispuestos a pagar mayores precios y renunciar a los caballos de fuerza y a viajes de placer para así limpiar el aire? Los aditivos para alimentos son a veces respuesta a las demandas gratuitas de los consumidores. Un pastel de queso que puede almacenarse en un estante de supermercado a temperatura ambiente no es natural, ni una cena que está constituida por una charola con pollo frito, vegetales, sopa y postre, calentada durante 25 minutos.

Octava falacia Los químicos son hacedores de bombas. ¡Ésta es una idea errónea que, como muchas otras, parece estar muy cercana a la verdad! La gente mantiene estas creencias, no por perversidad en su pensamiento, sino porque se asemejan a los conceptos correctos. Los arsenales, llenos por los progresos de la ciencia y de la técnica, se encuentran repletos no solamente con las armas clásicas y nucleares sino que también de gases letales y toxinas. A pesar de la prohibición del Acuerdo General Multinacional a las armas bacteriológicas y químicas, el desarrollo e investigación de las mismas ha continuado. Por lo tanto, cuando los químicos nos sentimos culpables por participar en su producción y cuando somos acusados por la multitud de inventar tales artefactos, la acusación no carece de bases. La invención y utilización de tales armas sobrepasa a la química, pero el razonamiento primitivo 28

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nos sigue incriminando a los químicos, porque por siglos hemos estado asociados a la magia, especialmente a aquella ligada al fuego, a los fuegos artificiales, a las explosiones y al humo. ,_ Todo esto es a un nivel de pensamiento irracional que por lo tanto puede ser fácilmente despejado. Pero debemos también enfrentar el hecho brutal de que el pensamiento racional puede a veces ser más perverso que el irracional. Tenemos el caso de las bombas que deliberadamente iniciaban tormentas de fuego durante la Segunda Guerra Mundial. Los británicos tuvieron éxito dos veces, en Hamburgo, causando 40 000 muertes, y en Dresden, 250 000 defunciones. Los americanos también salieron con éxito dos veces, durante el bombardeo a Japón -uno de estos bombardeos sobre Tokio ocasionó 100 000 muertes, casi tantas como en Hiroshima y más en Nagasaki.25 Todo esto fue en respuesta a los caprichosos excesos de los países del Eje, cuyos pobladores eran considerados entre los más racionales del mundo. Sin embargo, las perversiones del pensamiento racional no pueden servir de excusa para recurrir sistemáticamente al irracionalismo. La capacidad de los químicos para hacer bombas no debe excluirlos de la sociedad. Por el contrario, la sociedad debe luchar en contra de estos prejuicios ancestrales que se remontan a los tiempos de los alquimistas, cuyas actividades eran siempre tomadas como peligrosas porque eran ocultas, y quienes fueron injustamente acusados de viciar el aire y envenenar los pozos. Nuestros conocimientos específicos nos dan la responsabilidad especial de garantizar que las consecuencias directas de nuestras acciones no hagan daño a la comunidad y a la humanidad. Los científicos deben

ser tratados como ciudadanos normales, no diferentes a otros profesionales. Pero los científicos deben recordar que tienen responsabilidades con la sociedad, además de con sus compañías y carreras profesionales. Lo que es claro es que necesitamos científicos e ingenieros que regularmente se comuniquen con sus conciencias; una sociedad que sea lo suficientemente cultivada para comprender que los científicos y los técnicos de buena conciencia e igual habilidad pueden no estar de acuerdo; y sobre todo representantes elegidos que comprendan ambos puntos.

Novena falacia La industria química es la única salida para los químicos. Un gran número de químicos e ingenieros químicos están empleados en la industria. No todos trabajan en la producción a gran escala de productos químicos. Aún dentro de la industria, el trabajo del químico está muy diversificado: además de la propia producción, la investigación y el desarrollo van ganando importancia. La protección del medio ambiente requiere de una gran cantidad de químicos para medir la concentración de desperdicios de las fábricas, y para mantenerla dentro de los límites prescritos. De la misma forma, el constante aumento de agencias reguladoras, gubernamentales y privadas, está siendo igualado en la industria por el incremento de recursos destinados a los laboratorios de control y análisis. Esta tendencia no sólo se limita a la industria química; la de alimentos, por ejemplo, requiere de químicos que examinen que los alimentos cumplan con las normas legales al respecto. Los químicos trabajan en labora-

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sociedad. Estas creencias surgen como simplificaciones y generalizaciones que tienen connotaciones más emocionales que de tipo racional. Es posible que la ciencia misma haya sido la causante de la aparición de estos estereotipos en el pensamiento occidental, y de las ideas totalitarias que las colectan. Por ejemplo, ciertos estudios llevados a cabo en la Alemania nazi para apoyar los puntos de vista genéticos arios, evidencian esta forma de ver la ciencia. Sin embargo, las ideologías totalitarias, por sus medios y su naturaleza, no armonizan con la ciencia, ya que, como Bronowski ha aclarado, la filosofía y la práctica que se han llevado a cabo por Hitler y otros tiranos representan una contraconcepción del Principio de Incertidumbre: "un principio de monstruosa certidumbre". 8 ¿Qué puede hacerse en contra de estos estereotipos? Parece que poco ha cambiado desde Sócrates y que la función de la filosofía sigue siendo ayudar a liberarnos de los clichés, de las verdades absolutas y de los estereotipos.

torios médicos. El incremento de los trabajos que utilizan productos químicos y farmacéuticos finos se justifica por el valor agregado al precio de los mismos. Los problemas de energía, ya sea que se relacionen con la búsqueda de nuevas formas de producción o de almacenamiento de la energía, necesita también de los químicos. Bibliotecas y museos importantes tienen entre su personal a químicos que datan objetos, que detectan falsificaciones, y que restauran y conservan obras maestras del pasado. Todo esto sin mencionar a los químicos que están relacionados con la enseñanza. Hay otro factor que debe tomarse en cuenta: los químicos son ubicuos- pueden encontrarse en cualquier tipo de trabajo. Aparentemente el entrenamiento químico tiene una polivalencia tal, que los químicos también están teniendo demanda en áreas fuera de la química, o que tienen la suficiente seguridad -y esto debe estar relacionado con su entrenamiento- para arriesgarse a lanzarse a otras profesiones, algunas veces alejadas de su campo original. Aunque es difícil hacer referencia a miembros de nuestra profesión -desde Borodin hasta Margaret Thatcher- que se han transferido a varias profesiones no-químicas, un símbolo de esta tendencia es el alto número de exquímicos muy distinguidos que han alcanzado la cima en otros campos; como se observa, por ejemplo, en una reciente colección de autobiografías recopiladas de diferentes volúmenes de los Annual Reviews. 26

AGRADECIMIENTOS Y NOTAS

Estamos particularmente agradecidos por las sugerencias de William Holder l. Documentation Francaise, febrero de 1978. 2. Chem. Eng. News, núm. 7, de 1978,28 de agosto. 3. René Descartes, Oeuvres et lettres, Bibliotheque de la Pléiade. París, Gallimard, 1941, p. 1012.

Conclusión

4. Durante la Edad Media el quadrivium consistía en las cuatro mayores artes liberales (aritmética, música, geometría, astronomía) mientras que el trivium era la división menor que consistía en gramática, lógica y retórica.

Los estereotipos sobre la química y los químicos que hemos llamado aquí "falacias" son creencias muy extendidas en nuestra

5. Emmanuel Kant, Premiers príncipes métaphysiques de la science de la nature, París: J. Vrin. 1971 (traducción de los autores). p. 7.

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6. T.S. Kuhn, The Structure of Scientific Revclutions, Chicago University Press, 1962.

17. M. E. Alpert, M. S. R. Hutt y C. S. Davidson, Lancet, 1968, 18, 1265; Am. J. Med., 1969, 46, 794.

7. E. Nagel y J.R. Newman. Godel's Proof. New York University Press, 1958.

18. F. G. Peers and C.A. Lindsell, Br. J. Cancer, 1973, 27, 473.

8. J. Bronowski, The Ascent of Man, p. 365. Little, Brown and Co., 1973.

19. S. J. van Rensburg, J. J. van der Watt y J. F. Purchase, S. Afr. Med. J. 1974, 48, 2508A.

9. H. de Balzac, La Peau de Chagrin, (S. de Sacy ed. ), Collection Folio, p. 329. París: Gallimard, 1974.

20. C. Stora, Compt. Rend. Acad. Sci. París, 1978, 286 D, 917.

10. J.F.Schmitz, Chem.Eng.News, 1978, 16 Enero, 37. American Industrial Health Council, Che m. Eng News, 1978, 30 Enero, 30.

21. IARC Monograph on the Evaluation of Carcinogenic Risk of Chemicals to Man: Sorne Naturally Ocurring Substances, vol. 10, p 51. Lyon, Francia: IARC, 1976.

11. T. R. Fears, J. Scotto y M. A. Schneiderman, Am. J Epidemial., 1977.105,420.

22. J. W. McClure, in The Flavonids, (J. B. Harbone, T. J. Mabry y H. Mabry eds.), p. 970. Londres: Chapman and Hall, 1975.

12. P. J. Creaven, W. H. Davies y R. T. Williams, J.Pharm. Pharmacol., 1966, 18, 485.

23. P. W. Newbeme, Bull. N. Y. Acad. Med., 1978, 54, 385; S.N. Heller y L. R. Hackler, Am. J. Clin. Nutr., 1978, 31, 1510.

13. G. Fener and F. Granda, Toxico/. Appl. Pharmacol., 1970, 16, 626. 14. D. Gilbert and L. Goldberg. Biochem. J. 1965, 97, 28p.

24. M. J. Hill, et. al. Lancet, 1971, (i), 95. 25. Ver por ejemplo: K. Brower, The Starship and the Canoe. Holt, Rinehart and Winston, 1978.

15. C. Jeleff Carr, Neurotoxicology, (L. Roizin, H. Shiraki y N. Grcevic eds.), p 511. Nueva York: Raven Press, 1977.

26. The Excitement and Fascination of Science. Reflections by Eminent Scientists, (W. C. Gibson ed.) vol2. Palo Alto: Annual Reviews, 1978.

16 Chem. Eng. News, 1978, 9 Enero, 16; 1978, 20 Febrero, 21; 1978,4 Septiembre, 22.

Ozono y lluvia ácida en la Ciudad de México (fragmento) Humberto Bravo A., Rodolfo Sosa E. y Ricardo Torres J. Ciencias, número 22, 1991.

a Ciudad de México conurbada en ex.tensión con algunos municipios del Estado de México, constituye la Zona metropolitana de la Ciudad de México (ZMCM), la cual se localiza en la parte suroeste de una cuenca cerrada a 19°35' de latitud norte, 99°40' de longitud oeste, y a una alti. tud de 2 240 m sobre el nivel del mar. Se encuentra rodeada de montañas, lo que propicia una circulación de vientos provenientes del noroeste-noreste (figura 1). Tiene una alta incidencia de calmas e inversiones térmicas todo el año 1• El número de días despejados está entre 100 y 200 al año, y la incidencia de radiación solar es de entre 450 y 475 callcm2/días. 2 Además de las condiciones geográficas, se conjuntan emisiones de contaminantes atmosféricos, producidos por las actividades propias de una población urbana de 18 millones de habitantes, situada en una zona en la que circulan más de 2.3 millones de vehículos y en la que se concentra el25% de las industrias de todo el país, con su correspondiente cantidad de emisiones de contaminantes atmosféricos. Su situación geográfica y las emisiones de contaminantes atmosféricos (tabla 1), conforman los elementos de un gran contenedor natural, en el que ocurren complejas reacciones fotoquímicas que dan lugar a compuestos oxidantes, como el ozono, PAN y otros, 3 así como a la formación de ácido sulfúrico y ácido nítrico que constituye el fenómeno de lluvia ácida.

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Las fuentes de emisión de precursores antropogénicos son, en primer lugar, los automóviles (NOx, NMHC); industria ligera y pesada (NOx, NMHC), y expendios de gasolina (NMHC), así como todas las actividades en las que se emplean solventes orgánicos: pintura, limpieza, etcétera. La situación geográfica contribuye a agravar el problema, dado que la formación del ozono depende en gran parte de la radiación solar. Cuanto más cerca se está del ecuador, mayor es el potencial energético que se recibe. Uno de los precursores, el dióxido de nitrógeno (NO), es un absorbente muy eficiente de la energía ultravioleta solar que llega a la superficie de la Tierra. Esta interacción genera lo que se conoce como reacción fotolítica; la molécula N02 se rompe en dos: NO y o, con la cual se inicia el mecanismo de formación de ozono4 (figura 2). El ciclo descrito explica la formación inicial de ozono en las atmósferas contaminadas, pero no aclara el por qué de niveles tan altos en algunos ambientes urbanos. De acuerdo con el ciclo fotolítico, el 0 2 y el NO deberían destruirse en las mismas cantidades, pero no sucede así debido a que intervienen ciertos hidrocarburos que provocan una serie de reacciones mucho más extensas5 (figura 3).

Figura l. Cuenca del Valle de México y el patrón regular del flujo del viento dominante.

Mecanismos de formación de los contaminantes Contaminantes fotoquímicos La contaminación atmosférica fotoquímica, conocida comúnmente como smog, es una mezcla de varios compuestos químicos: óxidos de nitrógeno (NO), hidrocarburos reactivos (NMHC) y ozono (0 3), principalmente. El ozono es un contaminante secundario formado en la atmósfera a través de una compleja serie de reacciones químicas de los contaminantes primarios, conocidos como precursores. De estos últimos, los más importantes son los NOx y los NMHC.

Lluvia ácida Se ha asignado el nombre de "lluvia ácida" a aquello que presenta valores de pH menores a 5.6, tomando en cuenta que este valor corresponde al agua que está en equilibrio con el C0 2 de la atmósfera, lo que provoca que se cree un ácido débil, carbónico6. Cuando se tiene un pH menor a 5.6, esta acidez se debe a la presencia de ácidos fuertes, como el sulfúrico y el ácido nítri, co, que tienen, como principales precurso-

OZONO Y llUVIA ÁCIDA EN MÉXICO

Las causas a las que se han atribuido el origen de este fenómeno, son las emisiones atmosféricas, por el uso de combustibles fósiles en las operaciones industriales, transporte, agricultura y calefacción doméstica; la utilización de fertilizantes y otros productos químicos en la agricultura, y la combustión de desechos industriales, urbanos y agrícolas. La lluvia ácida puede causar daños en diversos materiales, así como alteraciones, tanto del crecimiento y desarrollo de la vegetación terrestre, como alteraciones químicas y biológicas en los sistemas acuáticos. 7•8 Esta descripción se puede aplicar también al fenómeno de deposición ácida9 , que incluye deposición seca y deposición húmeda (lluvia), en el cual interaccionan diferentes compuestos, como nitratos y sulfatos principalmente (figura 4).

Figura 2. Ciclo fotolítico del dióxido de nitrógeno. (Tomado del Air Quality Criteria for Photochemical Oxidants, NAPCA, 1970).

res, óxidos de azufre (SO) y óxidos de nitrógeno (NO) respectivamente, junto con la humedad de la atmósfera (H20). Loanterior se explica, en forma general, por las siguientes reacciones: 7

2S02 + 0 3 ---+ 2S03 S0 3 + H 20 ---+ H 2 SO4 2NO + 0 2 ---+ 2N02 3N02 + H 20 ---+ 2HN0 3 + NO 4N0 2 + 2H20 + 0 2 ---+ 4HN03

Niveles de contaminación Del plomo al ozono En el decreto del ejecutivo federal publicado el 14 de febrero de 1986 en el Diario Oficial de la Federación, se dan a conocer 21 medidas, cuya aplicación tiene como finalidad mejorar la calidad del ambiente en la Ciudad de México. La medida 17 tiene como objetivo el abastecimiento de gasolina con bajo contenido de plomo a la ZMCM y la medida 18, en el mismo contexto, contempla incluir aditivos premezclados en las gasolinas. La fecha establecida para cumplir con estas medidas fue junio de 1986, y la dependencia responsable de llevar a cabo tales acciones fue la Secretaría de Energía, Minas e Industria Paraestatal (SEMIP) a través de Petróleos Mexicanos. Para el

Figura 3. Interacción de los hidrocarburos con el ciclo fotolítico del dióxido de nitrógeno. (Tomado del Air Quality Criteria for Photochemical Oxidants, NAPCA, 1970).

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Figura 4. Adaptación de la figura aparecida en "The Acid Precipitation Problem" (Llorvalis, Oregon U.S. EPA Enviromental Research Laboratory).

31 de agosto de 1986 el avance en estas acciones fue del100% (SEDUE, 1986). La nueva gasolina producida (novaplus) tiene un contenido promedio de 0.64 ml de tetraetilo de plomo por galón (IMP, 1987). La reducción del contenido de tetraetilo de plomo en las gasolinas nacionales ha sido progresiva, ya que la gasolina nova que se produjo entre 1973 y 1980 contenía 3.5 mi/galón; en 1981 se redujo a 3.0; en 1982 a 2.19; en 1983 a 2.0 y, de 1984 a 1985, a 1.0 (PEMEX, 1981). En 1986 la reducción llegó hasta 0.64 mi/galón. Del plomo total emitido en la República Mexicana, aproximadamente el 30% se emite en la ZMCM, lo que arroja una cantidad aproximada de 28424 toneladas de plomo emitidas en 16 años (1970-1985; PEMEX, 1986) o sea, un equivalente a 1 776 ton/año promedio; esto, lógicamente, ha sido causa de gran preocupación en el medio académico.

Diversos programas de monitoreo de plomo en la atmósfera realizados por instituciones como el Centro de Ciencias de la Atmósfera (UNAM), la Escuela Nacional de Ciencias Biológicas (IPN), la Universidad Autónoma Metropolitana, el Instituto de Geofísica (UNAM) y la propia SEDUE, demostraron que en años anteriores la problemática de la contaminación atmosférica por plomo se habían incrementado notablemente (Bravo et al., 1970, Espinoza, 1978, Bravo y Rodríguez, 1981, Salazar et al., 1991, Grana, 1983, López, 1985, Velázquez, 1986, Saborio 1986, Díaz, 1986 y SEDUE, 1987). Este incremento se atribuyó a la emisión de los vehículos automotores. Petróleos Mexicanos ha establecido programas de reducción gradual del contenido de tetraetilo de plomo en las gasolinas, como medida para mejorar la calidad del aire. En cuanto al plomo, la calidad del aire en la ZMCM, ha mejora-

OZONO Y llUVIA ÁCIDA EN MÉXICO

do considerablemente, ya que se observan concentraciones por abajo de la norma recomendada de calidad del aire, que es de 1.5 f.lg/m 3 como promedio trimestral. El uso de gasolinas con un menor contenido de tetraetileno_ de plomo, como la magna sin, traerá como consecuencia una disminución del plomo en el aire, sin embargo, estas medidas deberán ser respaldadas por estudios científicos con el fin de poder detectar los efectos colaterales negativos. Sin embargo, al mismo tiempo, las continuas medidas que se han efectuado en la estación de monitoreo del Centro de Ciencias de la Atmósfera (CCA), indican que, a partir del mes de septiembre de 1986, las concentraciones de 0 3 se incrementaron con respecto a los años anteriores (Bravo etal., 1987 y 1988).

El valor más alto de las concentraciones máximas de 0 3, detectadas en el CCA antes de septiembre de 1986, fue de 0.15 ppm, y el promedio de tales concentraciones fue de 0.063, mientras que después se tuvieron valores de 0.355 y 0.147, respectivamente. Como era de esperarse, las concentraciones de sus precursores NMHC y NOx también se incrementaron. En la actualidad el ozono es un problema grave de contaminación atmosférica en la ZMCM. La norma de calidad del aire en los Estados Unidos de América señala 0.12 ppm (promedio horario máximo), no más de una vez al año, y en la estación de monitoreo del CCA de la UNAM se registraron en 1987, 740 horas arriba de la norma mexicana de calidad del aire, cifra que se incrementó en 1988 a 959 violaciones (horas), y a 1 224 en 1989.

Norte~

Figura 5. Representación esquemática teórica de isolíneas de concentración máxima de 0 3 en ppm en la ZMCM, 29/XU86 (de acuerdo con datos de monitoreo del Centro de Ciencias de la Atmósfera y SEDUE).

QUÍMICA Y SOCIEDAD

Como consecuencia del transporte de contaminantes emitidos en la parte norte y centro de la ZMCM, por la acción de los vientos, y por la radicación solar que pudieran recibir, se registran altos niveles de ozono en la parte sur y, por ende, mala calidad del aire en esta zona. En la figura 5 se presenta un ejemplo de esta situación, basado en la información de valores máximos horarios registrados por el CCA y la SEDUE.

- Proporcionar gasolina sin plomo en una fase compatible con el uso de sistemas de conversión catalítica en vehículos. - Implementar estrategias a mediano y largo plazo, como:. control de fugas de hidrocarburos en tanques de almacenamiento, válvulas y duetos; control de emisiones de hidrocarburos en el transporte, almacenamiento y servicio de gasolina; regulación del contenido de hidrocarburos en pinturas y otras fuentes misceláneas, así como inspección-mantenimiento de vehículos.

En la Ciudad de México, por tenerse grandes• emisiones de precursores (soX y NOX) extste el llamado fenómeno de lluvia ácida y aunque no se ha demostrado que afecte directamente a la salud, sí tiene efectos negativos sobre materiales, vegetación y ecosistemas acuáticos, además de ser un buen indicador del grado de contaminación existente de sus precursores. Para mejorar la calidad del aire en la ZMCM es necesario unir esfuerzos entre las distintas dependencias gubernamentales encargadas del problema ambiental, instituciones de investigación y el sector industrial.

Conclusiones

Los niveles de ozono a los cuales nos enfrentamos en la actualidad en la ZMCM ( 1 000 violaciones/año en 1988) demuestran que es prioritario tomar medidas inmediatas para resolver este problema, ya que lo que está en juego es la salud de· sus habitantes, misma que ya ha sido afectada. Al definir claramente queJos niveles de ozono se incrementaron, a partir del cambio de gasolina realizado porPEMEX, en el segundo semestre de 1986, y que esta afirAgradecimientos mación no se basa solamente en la simple coincidencia, sino en estudios y experienLos autores agradecen al personal de apocias de otros países al realizar una dismiyo de la Sección de Contaminación Amnución del contenido de plomo en las biental: Bióloga Rosaura Camacho C., gasolinas, así como en conocimientos de Físico Fran~ois Perrin G ., Química. Ma. l. química atmosférica y en un análisis de las , Saavedra, Biólogo Guillermo Torres J., tendencias de ozono desde 1984, en forma Srita. Leticia Valdéz B. y Sr. Calixto Cuecontinua, es necesario, como medida inmevas S., por su colaboración en la realizadiata para reducir la contaminación atmosción de este estudio. férica por ozono: - Cambiar la formulación de la gasolina. - Programar la reducción del contenido de tetraetilo de plomo en las gasolinas, vigilando la calidad del aire con interés especial en el plomo, precursores de ozono, y ozono.

REFERENCIAS

l. Bravo, A. H., R. Torres J., Ozone monitoring and night concentration events at the campus of

OZONO Y Ill.NIA ÁCIDA EN MÉXICO

10. Bravo, A. H., F. Perrin G., R. Sosa E., R. Torres J., Incremento de la contaminación atmosférica por ozono en la Zona Metropolitana de la Ciudad de México. Ingeniería Ambiental, año 1, No. 1: 8-14, 40. Enero-febrero 1988.

the University of Mexico, Paper 85/59.B.4 Annual Meeting of the Air pollution Control Association, Detroit, Michigan, Junio 16-21, 1985. 2. SAHOP, Programa Nacional de Ecología Urbana, anexo gráfico, Dirección General de Ecología Urbana, México, febrero 1981.

11. Bravo A. H., F. Perrin G., Sosa E., R. Torres J., Efecto del cambio en la formulación de la gasolina sobre los niveles en la atmósfera de plomo y ozono en la Ciudad de México, Memoria del VI Congreso Nacional de Ingeniería Sanitariay Ambiental, Quéretaro, Qro., 10-13 agosto. 1988.

3. Bravo, A.H., Contaminación atmosférica, Reporte técnico, Sección de Contaminación Ambiental, Centro de Ciencias de la Atmósfera, UNAM, México 1981. 4. USA, 1970, Department of Health, Education and Welfare, Air quality criteria for photochemical oxidants, National Air Pollution Control Administration, AP-63, Washington, D.C.

12. Bravo A. H., F. Perrin G., R. Sosa E., R. Torres J., Gasoline's Lead Reduction in Mexico City -It's Effects in the A ir Quality, SAE Technical Paper Series 890584, International Congress and Exposition, Detroit, Michigan, Febrero 27-Marzo 3, 1989.

5. Seinfeld, V. H., 1980, Air pollution chemistryGas Phase, Lectures Atmospheric Chemistry, American Institute of Chemical Engineers, Monograph Series, No. 12, vol. 76.

13. Aguilar A. S., H. Bravo A., R. Magaña Z., M. l. Saavedra R., R. Torres J., Estudio preliminar de la lluvia ácida en la Cuenca del Valle de México, Unión Geofísica Mexicana, Manzanillo, Col., mayo 1981.

6. EPA 1979, Acid Rain, Research Summary. Office of Research and Development, EPA-600/8-79, Octubre, USA. 7. Krupa, S.U., 1977. Impact ofAir Pollutants on terrestrial Vegetation, Course notes, Department of Plant Pathology, University of Minnesota.

14. Aguilar A. S., H. Bravo A., M. l. Saavedra R., R. Torres J., Acid precipitation in the Mexico City Basin, Conferencia técnica sobre. climatología urbana y sus aplicaciones con especial referencia a las zonas tropicales, México, D. F., 26-30 noviembre, 1984.

8. Galloway, J. N., Cowling E. B., 1978. The effects of precipitation on aquatic and terrestrial ecosystems: a proposed precipitation chemistry network, JAPCA, 28: 229-35.

15. Bravo A. H., R. Camacho C., F. Perrin G., M. l. Saavedra R., R. Sosa E., R. Torres J., Contaminación atmosférica en la Ciudad de México, Tercer Encuentro Nacional de Conservadores del Patrimonio Cultural, México, D. F., 19-23 octubre, 1987.

9. Niemann, B. L., Ruot J., Zwalenburg N. V., Mahan L. A.,1979. An integrated monitoring networkfor acid deposition: a proposed strategy, R-02322-EPA-79.

¿Un futuro factible oun sueño más? Estado de la química en México en el año 2025 Eusebio Juaristi

Educación Química, número 2, volumen 3, 1992.

ebido a que la voluntad de las autoridades educativas y políticas en México ha propiciado, a partir de los años noventa del siglo pasado, el desarrollo de la química, tanto con el objeto de satisfacer las necesidades sociales y económicas como de saciar la curiosidad de los científicos nacionales, el estado actual de la química muestra una notable actividad en siete áreas primordiales:

La química al servicio de la salud Se han desarrollado en México los medicamentos adecuados para curar la artritis, la sinusitis, la obesidad, la hipertensión, las enfermedades dentales, una gran variedad de alergias, depresiones nerviosas, males cardiacos, y el SIDA.

El mejoramiento del medio ambiente La química en México ha sido determinante para lograr metas ecológicas, como son: evitar el calentamiento gradual de nuestro planeta (por ejemplo, habiendo desarrollado fuentes alternas de energía, que evitaron la combustión del petróleo y la madera para no generar C02), la destrucción de la capa de ozono (encontrando sustitutos de los compuestos fluoroalcanos ), la presencia de contaminantes en el aire y agua (median-

QUÍMICA Y SOCIEDAD

te el desarrollo de moléculas quelantes que los eliminaron), el manejo de los desechos urbanos e industriales (a través de catalizadores más eficientes para su destrucción).

racterísticas de las enzimas y otros agentes biológicos.

La síntesis asimétrica Gracias a los avances alcanzados en síntesis orgánica, se han desarrollado en México muchas síntesis enantioselectivas; es decir, reacciones en las que un sustrato aquiral se convierte en el laboratorio en un producto quiral. Los avances en este campo han sido aprovechados por la industria química. Por ejemplo, muchos fármacos con un centro esterogénico en la molécula, que en los años noventa se vendían como mezclas racémicas, se comercializan ahora con un solo enantiómero.

Fuentes alternas de energía Tras considerar la rapidez con que el petróleo mexicano (una fuente de energía no renovable) se consumía en el siglo xx, se desarrollaron en México mejores baterías, así como agentes conductores y materiales aislantes para lograr un mejor aprovechamiento de la energía eléctrica y solar.

La química de los materiales

La química computacional

El avance en esta área ha permitido comprender la naturaleza de los materiales, de modo que ahora es posible anticipar las propiedades macroscópicas de lamateria a partir del conocimiento de su estructura microscópica. Asimismo, se han preparado nuevos materiales con propiedades útiles; por ejemplo, materiales "inteligentes" que responden a la influencia del medio ambiente con cambios en sus propiedades. Además, se han producido en México superconductores de alta temperatura y conductores orgánicos, que juegan un papel determinante en el brillante estado tecnológico del país.

Los resultados obtenidos en esta técnica superan en ocasiones a los experimentales en su capacidad para identificar tendencias, y para aislar las contribuciones de los factores individuales que actúan simultáneamente sobre un mecanismo o estructura química. Finalmente, el procesamiento electrónico de datos ha jugado un papel relevante en la producción de instrumental analítico (resonancia magnética nuclear, difracción de rayos X, espectrometría de masas, etc.), búsquedas bibliográficas, simulación de procesos y estructuras, entre otros. BIBLIOGRAFÍA

La química biológica

Juaristi, E., "El mundo químico que nos rodea", Avance y perspectiva, 10, 185-196 (1991), y las referencias que ahí se citan.

Se comprenden ahora a nivel molecular los procesos característicos de la actividad biológica, lo que permite diseñar en México sistemas con las propiedades de reconocer y activar selectivamente las ca-

Juaristi, E., "Problemas y perspectiva de la química en México", Rev. Soc. Quim. Méx., 34, 32(1990).

La gestión del planeta Tierra William C. Clark Investigación y Ciencia, número 158, noviembre, 1989.

ada forma de vida afronta continuamente el problema de reconciliar su capacidad innata de crecimiento con las facilidades y las limitaciones surgidas de su interacción con el entorno natural. Ciertas analogías pueden resultar útiles al tratar de imaginar las distintas vías por las que esta historia podría discurrir. El motivo luminoso que a escala global han creado las civilizaciones de hoy no es disímil de las pautas de exuberante crecimiento que pronto acontecen tras introducir bacterias en un disco de Petri rico en nutrientes. En el limitado mundo del disco, tal crecimiento no se puede sostener indefinidamente. Tarde o temprano, conforme las poblaciones bacterianas agotan los recursos disponibles y se hunden en sus propios desechos, su florecimiento inicial queda reemplazado por el estancamiento o el desplome. El paralelismo deja de existir en la medida en que las colonias bacterianas carecen de control sobre su ambiente finito y, en consecuencia, no son responsables de su definitiva colisión con él. En cambio, los manantiales mismos de la inventiva y la energía humana, que tanto están transformado la Tierra, nos han dado, al propio tiempo, una comprensión sin precedentes de cómo funciona el planeta, de la forma en que nuestras actividades actuales ponen en peligro su desenvolvimiento y de cómo podemos intervenir para mejorar las perspectivas de un desarrollo viable. Nuestra capacidad

QUÍMICA Y SOCIEDAD

para volver la vista hacia nosotros mismos desde el espacio exterior es símbolo de lapanorámica excepcional que de nuestro entorno disponemos, y de hacia dónde nos encaminamos como especie. Conocimiento que entraña una responsabilidad no imputable a las bacterias, a saber, la responsabilidad de gestionar el uso que los humanos hacen del planeta Tierra. Los individuos han comenzado a responder a la conciencia cada vez más difundida de que se está produciendo un cambio ambiental global, y lo han hecho reajustando sus valores, sus convicciones y sus actos. Tales cambios en la conducta individual son, sin duda, necesarios, pero no suficientes. Por nuestra condición de especie de implantación global estamos transformando el planeta. Será sólo como especie universalista -haciendo fondo común de nuestros conocimientos, coordinando nuestras acciones y compartiendo lo que el planeta pueda ofrecemos- como tendremos alguna expectativa de gestionar y orientar la transformación del planeta por el camino de un desarrollo viable. La administración responsable, reflexiva e inteligente de la Tierra, constituye uno de los grandes retos que ha de encarar la humanidad al acercarse al siglo XXI. Aunque los esfuerzos por organizar las interacciones entre los humanos y su entomo son tan antiguos como la civilización humana, el problema de gestión se ha visto transformado, en nuestros días, por la aceleración sin precedente en el ritmo, escala y complejidad de tales interacciones. Lo que antaño eran incidentes de contaminación a escala local implica ahora a varios países: véase, si no, la preocupación por las precipitaciones ácidas en Europa y Norteamérica. Lo que en otro tiempo fueron episodios agudos, con daños relativamente reversi-

bles, afecta ahora a muchas generaciones, como da testimonio la controversia sobre eliminación de residuos químicos y radiactivos. Lo que en otro tiempo fueron confrontaciones directas entre preservación ecológica y crecimiento económico, comporta ahora multitud de conexiones, según atestiguan los bucles retroactivos entre consumo energético, agricultura y cambio climático que concurren, según se cree, en generar el efecto de invernadero. Hemos entrado en una era caracterizada por síndromes de cambio global emanados de la interdependencia entre ambiente y desarrollo humano. Al esforzamos por pasar de ser mera causa de tales síndromes a querer controlarlos conscientemente, es preciso atender a dos cuestiones fundamentales. Primera: ¿qué clase de planeta deseamos? Segunda: ¿de qué clase de planeta disponemos? La clase de planeta que deseamos es, en última instancia, cuestión de valores. ¿Cuán grande debería ser la diversidad de especies que nuestro mundo ha de mantener? ¿Deben imponerse límites al tamaño o a la tasa de crecimiento de la población humana, con objeto de proteger el ambiente global? ¿Qué grado de cambio climático es aceptable? ¿Cuánta pobreza? ¿Deberíaroo~ pensar en las grandes profundidades oce~icas para verter en ellas residuos peligrosos? La ciencia puede arrojar luz sobre estas cuestiones, pero no resolverlas. Hemos de ser nosotros quienes decidamos las respuestas: a nuestros nietos tocará vivir sus consecuencias. Dado que diferentes personas poseen distintas circunstancias vitales, y no menos distintos sistemas de valores, es de esperar que las decisiones individuales varíen enormemente. Como Gro Harlem Brundtland señala, pobres y ricos tienden

LA GESTIÓN DEL PLANETA TIERRA

a conceder muy diferentes valores al crecimiento económico y a la conservación ambiental. Pero el viejo debate sobre la antinomia desarrollo económico-conservación ambiental ha alcanzado ya cierto nivel de maduración. Ha empezado a concretarse un amplio consenso, según el cual las interacciones entre los humanos y su ambiente deberían gestionarse teniendo por meta un desarrollo viable. La Comisión Mundial de Ambiente y Desarrollo (World Commision on Environment and Development, WCED ), que preside la primera ministra Brundtland, describe el desarrollo viable como el conjunto de vías de progreso económico, social y político que atienden a "las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus propias necesidades". Así pues, el desarrollo viable refleja un sistema de valores para la gestión del planeta Tierra en el que es importante la equidad; equidad entre las gentes que hoy pueblan el mundo; equidad entre los padres y los nietos. Encaminar la gestión del planeta Tierra hacia un desarrollo viable no resulta empresa menos intimidante por su urgencia. Las dimensiones humanas fundamentales de la tarea son exploradas por N athan Keyfitz en El crecimiento demográfico, y por Jim MacNeil en Estrategias para un desarrollo económico viable. Aunque la situación nos sea familiar, vale la pena mencionarla a grandes rasgos. Nuestro planeta está habitado por más de 5 000 millones de personas, que se apropian cada año del 40% del material orgánico fijado sobre el suelo por fotosíntesis, que consumen el equivalente de dos toneladas de carbón por persona y producen, por término medio,

150 kg de acero por cada hombre, mujer y niño que hay sobre la Tierra. La distribución geográfica de estas personas, su bienestar y el impacto que producen sobre el ambiente varían de forma muy importante de unos países a otros (véanse las figuras 2-5). En un extremo, el15% más rico de la población mundial consume más de la tercera parte del fertilizante del planeta y más de la mitad de su energía. En el otro, alrededor de una cuarta parte de la población mundial pasa hambre, como mínimo, durante algunas estaciones del año. Más de una tercera parte vive en países donde la mortalidad infantil supera el 1O por ciento. La gran mayoría subsiste con rentas per cápita inferiores a los niveles oficiales de pobreza en los Estados Unidos. Al mirar hacia el futuro, nos anima observar que la tasa de crecimiento de la población humana está declinando virtualmente por doquier. Empero, aun cuando las tendencias responsables de tal declive continúen, el siglo próximo verá probablemente cómo se duplica el número de personas que tratan de extraer del planeta su propia subsistencia. Casi todo el aumento de población tendrá lugar en los países que hoy son más pobres. Según el WCED, durante los 50 años venideros sería necesario incrementar de cinco a diez veces la actividad económica mundial para atender las necesidades y aspiraciones básicas de la población futura. Las consecuencias que semejante aumento de la actividad económica podrían tener sobre un entorno ya sobrecargado son, cuando menos, problemáticas y potencialmente catastróficas. En consecuencia, los esfuerzos por gestionar el desarrollo viable de la Tierra han

QuiWICA Y SOCIEDAD

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100-150

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Figura l. Mortalidad infantil, un parámetro indicativo del bienestar de una población. El mapa nos muestra los fallecimientos de niños de hasta cinco años por millar de nacidos vivos. Más de la tercera parte de la población mundial vive en países donde la mortalidad supera ellO por ciento. Los datos, que son estimaciones para el quinquenio 1985-90, han sido tomados del Departamento de Asuntos Sociales y Económicos Internacionales de la ONU.

de guiarse por tres objetivos específicos. El primero es la propagación del conocimiento y de los medios necesarios para controlar el crecimiento de la población humana. El segundo consiste en facilitar un crecimiento económico lo suficientemente vigoroso y una equitativa distribución de sus beneficios, para atender a las necesidades fundamentales de ésta y de sucesivas generaciones. El tercero, estructurar el crecimiento en formas que mantengan su enorme potencial de transformación ambiental dentro de límites seguros, límites que todavía están por determinar. Si bien las metas que el desarrollo viable se propone describen el tipo de planeta que los humanos deseamos, la segunda pregunta sigue abierta: ¿qué clase de planeta podemos conseguir en realidad? Al abordar esta cuestión, el foco se desplaza de lo que valoramos a lo que sabemos. En última instancia, las estrategias de desarrollo viable han de plasmarse en ac-

ciones locales para poder producir algún efecto. Sin embargo, como ya he hecho notar, muchas de las dificultades más correosas que plantea dicha viabilidad comportan escalas temporales de decenios, cuando no de siglos, y su desarrollo espacial ha de medirse a escala global. Cualesquiera mejoras de importancia en nuestras capacidad para gestionar el planeta Tierra exigirán que aprendamos a poner en relación las acciones de desarrollo local con la perspectiva ambiental global. Por fortuna, nuestra comprensión del cambio ambiental global ha experimentado una revolución durante los últimos años. Tal revolución se enraiza en los años veinte, con los escritos seminales del mineralogista ruso Vladimir l. Vemadsky sobre la biosfera. El Año Geofísico Internacional de 1957 le proporcionó un vigoroso impulso, que en la actualidad conserva merced a una activa red de su-

LA GES11ÓN DEL PlANETA 11ERRA

pervisión e investigación extendida por todo el mundo, que tiene por cimera un nuevo y ambicioso Programa Internacional de la Geosfera y la Biosfera. Aunque la revolución del "cambio global" dista de estar completa, podemos ver sus rasgos principales en la figura 6. La imagen del cambio ambiental esbozada en la ilustración nos presenta un planeta dominado, a lo largo de decenios y siglos, por las interacciones entre el clima y los flujos químicos de los principales elementos, interacciones entretejidas por el ciclo hidrológico global e influidas de forma notoria por la presencia de vida. El sistema climático incorpora procesos atmosféricos y oceánicos que gobiernan la distribución global de vientos, lluvias y temperaturas. Entre los procesos que desempeñan un papel central en la transformación y gestión humana del

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0.35-0.45

•

planeta Tierra, se cuentan los cambios en la concentración de los gases de invernadero y su efecto sobre la temperatura; los efectos de la circulación oceánica sobre la temporización y la distribución de los cambios climáticos; y el papel desempeñado por la vegetación en la regulación del flujo hídrico entre las tierras emergidas y la atmósfera. Un segundo componente de interés en el ambiente planetario estriba en la circulación y procesamiento de los principales elementos químicos: carbono, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre. Estos elementos son los principales componentes de la vida. En forma de compuesto (dióxido de carbono, metano y óxido nitroso), ejercen también una notable influencia sobre el clima. Incluso en ausencia de actividad humana, el clima y la química terrestre han experimentado cambios bruscos y ligados entre sí, como refleja el registro de hielos eter-

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0.35-0.55

Figura 2. Tierra cultivable per cápita. Se trata de un índice de la flexibilidad de las sociedades para ajustar los usos a que dedican sus tierras. Mostramos aquí la tierra cultivable en hectáreas per cápita correspondiente a mediados de nuestro decenio. Los países que disponen de menos de 0.2 hectáreas per cápita padecen duras limitaciones en sus opciones para gestionar el ambiente. (Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura.)

QUÍMICA Y SOCIEDAD

nos. Sumada a estas fluctuaciones naturales, la intervención del hombre ha creado perturbaciones en los flujos químicos globales, que se manifiestan en forma de bruma química ("smog"), lluvia ácida, disminución del ozono estratosférico y otros problemas. El tercero de los componentes de la figura, el ciclo hidrológico, abarca los procesos de evaporación y precipitación, de escorrentía y circulación. El agua es agente clave en el cambio topográfico y reguladora general de la química, así como del clima global. Como describe J .W. Maurits la Reviere en su artículo Los recursos hídricos, amenazados, entre los impactos de origen humano sobre el ciclo hidrológico que exigen atención se cuentan la contaminación de las aguas freáticas, de las aguas superficiales y de los océanos, la redistribución de los acuíferos sobre la superficie terrestre y las potenciales alteraciones del nivel de los mares que son inducidas por el calentamiento del globo. La vida, el último de los componentes de la figura 6, ha encontrado el ambiente del planeta Tierra repleto de posibilidades, que han resultado en un grado pasmoso de diversidad biológica, diversidad que está disminuyendo rápidamente. N o se ha reconocido, hasta hace muy poco, que la vida constituye también un agente clave en el condicionamiento y regulación del ambiente global, por su influencia en los ciclos químico e hidrológico. Finalmente, una forma de vida -la especie humana- ha crecido de forma tal, a lo largo de los últimos siglos, que ha pasado de una posición de influencia despreciable a escala planetaria a otra de gran trascendencia como agente del cambio global. A pesar de que nuestro conocimiento del sistema terrestre está en rápida expansión,

todavía no sabemos lo suficiente acerca de él para afirmar con certeza cuánta perturbación puede tolerar el sistema en su conjunto, o cuál pueda ser su capacidad para sostener el desarrollo humano. Mas no es poco lo que sabemos sobre las interacciones entre componentes individuales del ambiente global y determinadas actividades específicas humanas. Tal conocimiento, que confesamos incompleto, proporciona no obstante perspectivas útiles en lo atinente a la gestión planetaria. La población humana se ha multiplicado por ocho desde los comienzos del siglo XVIII hasta nuestros días. La esperanza media de vida se ha duplicado, cuando menos. Durante el mismo periodo, la actividad económica humana ha adquirido un carácter más y más global; las demandas de bienes y servicios de una parte del planeta son atendidos hoy con suministros venidos de la otra mitad del mundo. El volumen de los bienes intercambiados en el comercio internacional se ha multiplicado por 800 o más, bienes que representan en nuestros días más de un tercio del producto económico total del mundo. Los tres componentes de tal crecimiento y globalización de la actividad humana que han producido máximo influjo en el ambiente son la agricultura, la energía y la industria. La agricultura ha sido el agente dominante de la transformación global de las tierras: desde mediados del siglo pasado, nueve miÍlones de kilómetros cuadrados de la superficie terrestre se han convertido en tierras cultivables permanentes. El consumo de energía se ha elevado 80 veces a lo largo del mismo periodo, con profundas consecuencias para los flujos químicos de carbono, azufre y nitrógeno. Finalmente, la producción 48

LA GESTIÓN DEL PLANETA TIERRA

industrial del mundo se ha centuplicado, de lejos en 100 años, sostenida por tasas de incremento anual a largo plazo de más de tres por ciento en el consumo de metales tan básicos como el plomo, el·cobre o el hierro. La transformación del ambiente planetario inducida por tal explosión de la actividad humana resulta especialmente evidente en los cambios que muestra el paisaje físico. Desde los comienzos del siglo XVIII, el planeta ha perdido seis millones de kilómetros cuadrados de bosque, una superficie mayor que toda Europa. La degradación de los suelos ha aumentado en grado incierto, pero importante (véase la figura 5). La carga de sedimentos se ha triplicado en los cursos fluviales principales y octuplicado en las cuencas menores que soportan una intensa actividad humana~ el consecuente flujo de carbono hacia el mar se cifra entre los mil y dos mil millones de toneladas

anuales. En igual periodo histórico, la masa de agua que los humanos detraen del ciclo hidrológico ha debido incrementarse desde unos 100 km3 anuales hasta aproximadamente unos 3 600, un volumen equivalente al de lago Huron, que se encuentra en la región de los grandes lagos, en América del Norte. También se han producido muchos cambios sustanciales en los restantes flujos químicos del planeta. Durante los 300 últimos años, el desarrollo industrial y agrícola ha duplicado el contenido en metano de la atmósfera y ha incrementado en un 25% la concentración de dióxido de carbono. Los flujos globales de elementos importantes, como el azufre y el nitrógeno, a resultas de la actividad humana, son comparables con los flujos naturales de dichos elementos, cuando no mayores. Entre los metales traza, muchos de ellos perniciosos para la vida, Jerome O. Nriagu, del Instituto Canadiense de Estudio de las Aguas, y Jozef M .

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Figura 3. Emisiones de dióxido de carbono; constituyen uno de los elementos agresivos de la actividad humana sobre el ambiente. Vemos aquí las emisiones de C02 debidas al uso de energía, a la industria y a la deforestación, expresadas mediante toneladas anuales de carbono per cápita. Los valores más altos corresponden a los Estados Unidos y la República Democrática Alemana; los más bajos, a Burundi y Bhutan. Datos recopilados por S usan Subak.

QUÍMICA Y SOCIEDAD

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territorios con riesgo elevado o muy elevado de desertización

territorios que sufren acidificación

territorios donde la población puede superar la l:!.J. capacidad de la agricultura local

Figura 4. Degradación de las tierras. Es consecuencia de múltiples actividades humanas. Se ilustran aquí las regiones amenazadas por la desertización, por la excesiva recolección de leña, por las lluvias ácidas y por otras agresiones resultantes de tener que alimentar más personas de las que la tierra puede sustentar. Datos de la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura y de la comisión científica sobre Problemas Ambientales.

Pacyna, del Instituto Noruego de Investigación de la Contaminación Atmosférica, han hecho ver que las emisiones humanas de plomo, cadmio y zinc, exceden los flujos emanados de fuentes naturales en factores de 18, cinco y tres, respectivamente. Por lo que atañe a otros metales, entre los que se cuentan el arsénico, el mercurio, el níquel y el vanadio, la contribución humana es ahora no menor del doble de la procedente de fuentes naturales. Finalmente, de los más de 70 000 compuestos químicos sintetizados por los humanos, cierto número de ellos, como los compuestos clorofluorcarburos y el DDT, afectan de modo importante al ambiente global, incluso a muy bajas concentraciones. La evaluación de las posibilidades de desarrollo viable que ofrece la Tierra muestra que la aceleración del ritmo al que las actividades humanas están transformando el planeta pueden revestir tanta importan~ cia como las magnitudes absolutas que intervienen. B. L. Turner, Robert K. Wates y

el autor han analizado las tasas históricas de transformación correspondientes a diversos componentes del sistema ambiental global. Empezamos por definir el carácter reciente del cambio, fijando la fecha hacia la cual había tenido lugar la mitad de la transformación, desde los tiempos prehis. tóricos hasta el presente. A continuación, evaluamos la aceleración del cambio, comparando la tasa presente de transformación con la de hace una generación. La impresión dominante de este análisis es la breve historia de la mayor parte del cambio ambiental global. Ninguno de los componentes que examinamos había alcanzado el 50% de su transformación global antes del siglo XIX. La mayoría sólo llegó a superar el nivel del 50% en la segunda mitad del siglo XX. Amén de esta conclusión general, son apreciables cuatro grandes pautas de transformación. La primera de ellas, caracterizada por cambios establecidos desde antiguo y todavía en aumento, se distingue

LA GES11ÓN DEL PLANETA 71ERRA

por la deforestación y la erosión del suelo. La segunda, establecida hace relativamente poco y todavía en aceleración, se distingue por la destrucción de la diversidad floral, la detracción de agua del ciclo hidrológico, los flujos de sedimentos y la movilización humana del carbono, nitrógeno y fósforo. Hay pocos motivos para creer que la sociedad humana haya aprendido hasta ahora a gestionar a escala global alguna de estas transformaciones del ambiente, cuya aceleración vemos persistir. Un poco menos descorazonadoras son las dos tendencias en deceleración. Las

extinciones de vertebrados terrestres inducidas por los humanos alcanzaron la mitad del total presente a finales del siglo XIX y, al parecer, se están produciendo más lentamente hoy que hace una generación. El grupo restante de transformaciones que examinamos (emisiones de azufre y plomo, precipitación radiactiva, un disolvente orgánico representativo y la extinción de mamíferos marinos) suponen también fenómenos peculiares del siglo XX, que es'tán hoy decelerando. La burda medida de deceleración a largo plazo aquí presentada no asegura que tal declive en las tasas de transformación

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Figura S. Interacciones entre el clima y los principales flujos químicos. Dichas interacciones, que dominan el cambio ambiental global durante decenas o cientos de aiios, están medidas por los seres vivos y el ciclo hidrológico, en el cual se retira agua de la atmósfera por precipitación y se le devuelve por evaporación y transpiración. Los océanos desempeñan papeles de primer orden, dotando de gran inercia a los cambios climáticos y actuando como reserva de carbono y de agua. La agricultura afecta al sistema planetario, por sus efectos en los flujos de nitratos, fosfatos y compuestos de carbono. La respiración y la putrefacción liberan metano (CH4). La combustión de combustibles fósiles descarga en la atmósfera grandes cantidades de carbono en forma de C02, que, como el metano, tiende a calentar el planeta. Las emisiones de dióxido de azufre (S02) y de óxido de nitrógeno (NOx) son causas importantes de lluvia ácida. Las emisiones industriales de clorofluorcarburos (CFC) provocan la pérdida de ozono (03) y contribuyen al cambio climático.

QUÍMICA YSOCIEDAD

utilizables todavía por las gentes de los países menos desarrollados. Hasta hace muy poco, tales regiones soportaban poblaciones escasas; las intrusiones del mundo industrializado estaban confinadas a unas pocas plantaciones e instalaciones mineras. La situación ha cambiado radicalmente a1lo largo de los últimos 20 años, al ser invadidas por seres humanos dedicados a la explotación maderera y a la cría de ganado a gran escala. La mezcla de agricultura comercial y de subsistencia, sumada a la extracción industrial de recursos, ha suscitado un patrón singular de trans-

sea reflejo de una mayor competencia en la gestión planetaria. (Por ejemplo, las tasas específicas de transformación podrían estar declinando sencillamente porque no quedan especies que exterminar o porque hemos recurrido a combustibles más baratos, que emiten contaminantes diferentes.) No obstante, en la mayoría de los casos mencionados, al menos una fracción de la deceleración es atribuible a esfuerzos deliberados de gestión ambiental, concebidos a gran escala y a largo plazo. Las pautas globales esbozadas hasta el momento proporcionan una panorámica necesaria, aunque insuficiente, desde la cual reflexionar sobre las posibilidades de mejorar la gestión del planeta Tierra. No menos necesaria es la estimación de los aspectos regionales del cambio. El análisis pormenorizado de situaciones regionales desborda el alcance de este ensayo; no obstante, convendría tener presente la extraordinaria gama de circunstancias locales con las que será necesario habérselas, si se pretende conducir la transformación humana del planeta por la senda del desarrollo viable. Toda clasificación de las perspectivas regionales de desarrollo viable· simplificará inevitablemente la realidad. Una de las simplificaciones más instructivas distingue, de las asociadas con la opulencia, las interacciones entre el ambiente y el desarrollo asociadas a la pobreza. Otra distingue interacciones que suponen bajas densidades de población de las que acompañan a las grandes densidades de población. Al combinar estas dos simplificaciones, se obtiene la clasificación que vemos en la figura 7. Las zonas de baja renta y densidad humana, como la Amazonia y Malasia-Borneo, constituyen fronteras de asentamiento

Baja

Riqueza relativa per cápita

Alta

Figura 6. Variedades regionales de transformación ambiental. Se ponen de manifiesto representando la densidad de población en función de la riqueza relativa. Entre las regiones de baja densidad y escasa industrialización, se cuentan muchas de las fronteras de asentamiento que todavía existen en la Tierra, en las cuales acaba de dar comienzo su desarrollo agrícola. En cambio, las zonas de baja densidad e inversiones elevadas suelen corresponder a los ambientes crudos, cuyos recursos son explotados por grandes empresas que buscan combustibles y minerales. Las regiones de elevada densidad y baja renta tienen tras de sí una historia dilatada de desarrollo agrícola; el reto al que se enfrentan estriba en producir más alimentos y aliviar, al tiempo, las cargas que ya pesan sobre la tierra. La responsabilidad en el diseño de estrategias de desarrollo viable recae en las regiones ricas y de alta densidad de población, que han impuesto cargas desproporcionadas sobre el ambiente (B. L. Tumer, Robert W. Kates y el autor.)

LA GES11ÓN DEL PLANEI'A 71ERRA

formación del paisaje, cuyas consecuencias aún no es posible evaluar plenamente. De todas formas, parece inevitable la reducción de la diversidad biológica y la degradación de la productividad orgánica. La pobreza de los colonos sin tierras, empeñados en limpiarlas para cultivo, unida a la relativa indolencia de las instituciones indígenas que podrían guiar el desarrollo viable de tales regiones, harán de ellas componentes especialmente problemáticos en cualquier estrategia tendente a la gestión planetaria. En cambio, los clásicos ambientes hostiles de la Tierra son ejemplos ilustrativos de regiones con baja densidad de población, pero elevadas inversiones en técnicas muy refmadas. Podemos mencionar entre ellas las zonas árticas circumpolares, los desiertos, las plataformas de extracción de minerales y las "factorías pesqueras" en alta mar. La transformación a gran escala de estas regiones tan sólo ha resultado posible en los últimos decenios, mediante la convergencia de conocimientos, precios y técnica en inducir su desarrollo. Algunos de los cambios ambientales asociados con tal desarrollo -derrames de petróleo, desviaciones de ríos, transformación del paisaje- han sido objeto de amplia atención. Otros, como la contaminación atmosférica y el desplazamiento cultural, la han recibido en menor cuantía. La base de conocimiento para su gestión sigue siendo mala. Pero dado que es verosímil que, en la mayoría de las transformaciones de importancia, las protagonistas sean grandes corporaciones multinacionales, opulentas y de escaso número, las posibilidades de institucionalizar estrategias de desarrollo viable para tales regiones podrían resultar bastante buenas.

Entre las regiones de renta baja y elevada densidad de población se cuentan la llanura de Ganges, en el subcontinente indio, y las llanuras Huang-Huai-Hai de China. En una y otra ha venido produciéndose desde hace siglos un intenso desarrollo agrícola, al que se ha sumado en los últimos decenios el rápido ascenso del desarrollo industrial de los centros urbanos en crecimiento. La degradación del paisaje es el problema central, al ser empleadas más y más personas sobre terrenos agrícolas explotados ya a plena capacidad. A mayores, el rápido surgimiento de industria pesada en tales zonas ha creado problemas de contaminación similares a los que hubo de afrontar Europa hace varios decenios. En este caso, el desafío crítico consiste en la creación de empleo que genere renta y alivie la presión sobre la tierra, sin agravar los problemas de urbanización ni acentuar la competición regional por las industrias de "chimenea". La máxima responsabilidad y el mayor potencial inmediato para el diseño de estrategias de desarrollo viable se halla seguramente en las regiones de alta densidad de población y elevada renta per cápita del mundo industrializado. Como tantas veces se ha reiterado en los análisis de la pérdida de ozono estratosférico y del efecto de invernadero, la sociedad industrial avanzada ha sido responsable de una parte desproporcionada de las cargas ambientales que pesan sobre el planeta. A pesar de lo cual, durante los últimos decenios, puntos tan diferentes como Suecia, Japón y el nordeste de los Estados Unidos han logrado mejoras dignas de atención en numerosos aspectos de sus ambientes regionales. Sus bosques han crecido, las emisiones sulfurosas han disminuido y diversas especies extintas

QUÍMICA Y SOCIEDAD

Figura 7. "Pintar el futuro" es el título de un estudio sueco, en el cual colaboraron el ecólogo Lars Emmelin y el pintor Gunnar Brusewitz, al objeto de plasmar pictóricamente el aspecto que ofrecería el paisaje escandinavo a resultas de diversas sendas de desarrollo. En estos dos dibujos, basados en los originales de Gunnar Brusewitz, se muestra el hipotético aspecto de la región de Dyback, en el sur de Suecia, hacia el año 2015. Vemos ilustrada arriba la zona de una "Suecia solar", basada en la energía eólica y las plantaciones de biomasa; la visión de abajo correspondería a una "Suecia nuclear".

se han reintroducido con éxito. Algunas de estas victorias ambientales son, desde luego, efectos secundarios, resultados involuntarios de cambios económicos que no guardan relación entre sí. Otros son reflejo de la exportación de actividades destructoras del entorno a otros puntos del mundo, menos afortunados. De todas formas, tales regiones se están beneficiando cada vez más de estrategias sistemáticas encaminadas a mitigar el impacto del desarrollo incontrolado, y están comenzando a diseñar el tipo de ambiente donde la gente desea vivir.

¿Qué clase de ambientes proporcionarán tales estrategias? ¿Qué clase de desarrollo podrán sostener? Además de un conocimiento básico del funcionamiento del ambiente global y de la forma en que el desarrollo humano interactúa con él, se requiere conocer las consecuencias que determinadas políticas pueden suponer para el cambio ambiental. Ya de partida, resulta imposible insistir demasiado en que una política de gestión del planeta Tierra ha de·ser, ante todo y sobre todo, adaptativa. Nuestra comprensión de la ciencia subyacente a un

LA GESTIÓN DEL PlANETA TIERRA

chos lugares del planeta. Ciertos subsidios gubernamentales demasiado específicos han sido ·responsables directos de un tanto por ciento nada desdeñable de la deforestación global de nuestros días. Al diseñar políticas adaptativas para un desarrollo viable, es preciso atender atodas estas señales de información distorsionada. El segundo requisito para una gestión planetaria adaptativa ha de ser la invención y puesta en práctica de técnicas idóneas para el desarrollo sostenido. Técnicas que no deberán consumir recursos ni producir contaminantes, sino erigirse en restauradoras del ambiente, al tiempo que ser económicamente soportables. Diversos artículos sobre agricultura, energía e industria muestran que se han efectuado ya progresos técnicos importantes encaminados a suministrar determinados servicios a costos ambientales notablemente más baratos. Con sorprendente frecuencia, los costos económicos de las "técnicas conservacionistas" resultan ser también inferiores. Han sido las ventajas en costos, y no la preocupación por el ambiente, las responsables de reducir a la mitad el cociente entre consumo energético y producto nacional bruto en los Estados Unidos, desde que esa razón alcanzó su máximo valor a principios de los años veinte. Se han desarrollado también técnicas encaminadas a la restauración de ambientes degradados por la salinización y la acidificación de las aguas, o por la minería; se emplean con eficacia a escala regional. La política adecuada consiste en confeccionar las innovaciones técnicas a la medida de las condiciones locales específicas que encontramos en diversos conflictos entre desarrollo y conservación ambiental en muchos puntos del globo.

cambio global es incompleta, y así seguirá en el futuro previsible. Continuarán apareciendo sorpresas como la del agujero estratosférico de ozono, sorpresas que exigirán adoptar acciones mucho antes de que se tenga una certidumbre científica. Nuestra comprensión de los procesos económicos y sociales que contribuyen al cambio ambiental es aún más endeble. Las previsiones al uso relativas al crecimiento demográfico y energético podrían muy bien resultar bobadas habituales. La ciencia puede ayudar, pero nuestra capacidad para crear políticas adaptativas, que nos permitan afrontar las sorpresas, será determinante en nuestra eficacia como gestores del planeta Tierra. La formación de semejante capacidad exigirá cultivar la competencia institucional y su liderazgo en cuatro campos cuando menos. El primer requisito consiste en hacer que la información en que los individuos y las instituciones fundan sus decisiones respalde en mayor medida los objetivos de desarrollo viable. Parte de la tarea -y no es posible insistir en ello lo bastanteestriba sencillamente en apoyar las actividades de investigación científica básica y de supervisión planetaria subyacentes a nuestro conocimiento del cambio global. No menos esencial es mejorar el flujo de información implícito en los sistemas de precios, regulaciones e incentivos económicos hoy existentes. El fracaso de las actuales descripciones económicas al valorar el costo ambiental real de las actividades humanas estimula el empleo ineficiente de recursos. Los elevados precios de muchos productos agrícolas, mantenidos artificialmente, han exacerbado de forma notoria los problemas de degradación y contaminación del suelo en mu-

QUÍMICA Y SOCIEDAD

Una tercera condición que ha de cumplir la gestión planetaria adaptativa ha de ser la construcción de mecanismos nacionales e internacionales que se encarguen de la coordinación de las funciones de gerencia. La necesidad de acuerdos internacionales formales en este campo ha quedado puesta de relieve en el Protocolo de Montreal sobre sustancias que atentan contra la capa de ozono y en la discusión de una posible ley internacional de la atmósfera. De hecho, se encuentran vigentes ya más de una docena de convenios globales para la protección del ambiente. Y sin embargo, bajo esta superficie de apariencia ordenada, un gran número de entidades privadas, de agencias gubernamentales y de organizaciones internacionales están apresurándose a hacerse cargo de algún papel en la gestión del planeta Tierra. Mucho es lo que de recomendable tiene el pluralismo; pero, ¿no estaremos llegando al punto en que interviene la ley de rendimientos decrecientes, donde un número excesivo de reuniones, un exceso de declaraciones y un sinfín de asesores y expertos visitantes dejan un número demasiado pequeño de personas y recursos demasiado escasos para poder hacer nada efectivo? Lo que se necesita de inmediato en el plano internacional es un foro de rango ministerial, donde se pueden analizar y concretar, periódica y regularmente, las actividades de gestión ambiental, de forma muy similar a como ya se está haciendo en la política económica internacional. Lo mismo que en el caso de la política económica, la existencia de tal cumbre gubernamental, de carácter formal y de alto nivel, dedicada a los problemas de ambiente y desarrollo podría proporcionar ocasión para análisis paralelos en los que intervienen in-

tereses no gubernamentales y del sector privado. Por último, la creación de una capacidad de gestión adaptativa del planeta Tierra exigirá el deseo y la facultad de reflexionar continuamente sobre los valores y los objetivos que guían nuestros esfuerzos. En un sentido importante, la noción de desarrollo viable ha resultado tener más sustancia incluso de lo que los doctos miembros de la Comisión Mundial pretendían. Individuos, organizaciones e incluso naciones han tomado dicha noción como punto de partida para replantearse sus interacciones con el medio global. Las cuestiones de deterioro ecológico llegaron a constituir uno de los puntos centrales de debate en el primer Congreso de Diputados del Pueblo, en la Unión Soviética. En Kenya, un proyecto innovador patrocinado por la Academia Africana de Ciencias ha comenzado a explorar y enunciar posibilidades alternativas para el desarrollo del continente africano a lo largo del siglo XXI. En Alemania Federal, una comisión de alto nivel, en la que estaban representados todos los partidos políticos y la comunidad científica, ha logrado acordar una Vorsorge, una previsión, un principio-guía de la política ambiental nacional. En Suecia, cuando los científicos ambientalistas y el pintor Gunnar Brusewitz colaboraron en "pintar el futuro" que tendrían los paisajes suecos en función de la~ distintas vías de desarrollo, surgió un libro muy vendido en todo el país, que desempeñó un papel central en el debate político. La fuerza de estas y similares exploraciones, que se están desarrollando en todo el mundo, puedan tener para guiar la transformación humana del medio ambiente dista

LA GESTJÓN DEL PLANETA TJERRA

de ser clara. Pero no cabe duda de que, contra lo que se esperaba, todas estas exploraciones reflejan que está aflorando el compromiso de ponerse manos a la obra en la gestión responsable del planeta Tierra.

Sustainable Development of the Biosphere. Dirigido por William C. Clark y R. E. Munn. Cambridge University Press, 1986. Our Common Future. World Commission on Environment and Development. Oxford University Press, 1987.

BmuoGRAFÍA CoMPLEMENTARIA

Resources and World Development. Dirigido por Digby J. MeLaren y Brian J. Skinner. John Wiley & Sons, 1987.

The Major Biogeochemical Cycles and Their Interactions. Dirigido por Bert Bolin y Robert B. Cook, John Wiley & Sons, 1983.

The Earth as Transformed by Human Action. Dirigido por B. L. Turner. Cambridge University Press, en prensa.

Allí donde termina el telescopio, comienza el microscopio. ¿Cuál de los dos proporciona una visión más amplia? VíctorHugo El comportamiento humano puede ser genuinamente deliberado ya que sólo los seres humanos se guían en sus conductas por un conocirniento de lo que ocurrió antes de que nac;ierarí y por una idea preconcebida de lo que puede ocurrir una vez que hayan muerto; así pues, sólo los seres humanos se orientan por una luz que ilumina una extensión mayor que la parcela de tierra sobre la qtie se encuentran~ P.B. Medwar y J.S. Medwar

La química en México; un poco de la historia científica mexicana Andoni Garritz y José Antonio Chamizo Del tequesquite al ADN, FCE, México, 1989.

ierto es que la química, junto con las demás ciencias, es un patrimonio universal. Cualesquiera de sus leyes y teorías pueden ser verificadas en cualquier punto del planeta, siempre que se siga la experimentación adecuada. No obstante, el desarrollo de una ciencia sigue patrones cambiantes de un lugar a otro. La actividad científica misma se desenvuelve en un medio local que influye sobre ella. Por esta razón, diversos pasajes de este ensayo contienen citas, datos y anécdotas correspondientes al desarrollo de la química en México. Por diversas razones, es cierto que la investigación científica ha prosperado muy lentamente en el país. En particular, la investigación química sufre de un retraso adicional cuando se le compara con la que se realiza en otras ciencias básicas, tales como la física o la biología. Sin embargo, aquí se han dado diversos hallazgos sobresalientes, algunos de los cuales vale la pena relatar. Desde antes de la Conquista, los pobladores del Valle de México sabían de la existencia y el aprovechamiento de las sales alcalinas. En tiempo de secas, estas sales afloraban a la superficie y formaban costras, que recibieron el nombre de tequixquitl o tequesquite. Sahagún menciona: "La tierra salitrosa se llama tequixquitlalli, que quiere decir 'tierra donde se hace el salitre'". El lago de Texcoco contiene un 81% de sales, entre las que sobresalen el carbonato de sodio, Na2C03 , con 45%, y el cloruro

HISTORIA DE LA QUÍMICA

de sodio, NaCl, con 34%. El comercio del tequesquite se hacía en lztapalapa, nombre que significa "pueblo donde se recoge la sal o ixtail ". Como vemos, en el nombre Ixtapan de la Sal se hace uso redundante de dos lenguas. La adición del tequesquite a la comida permitía su condimentación con sal y facilitaba la cocción de las legumbres. También se le empleó como detergente alcalinizante ligero.

de minerales servía para la fabricación de colores para pintura, especialmente los óxidos de hierro, el negro de humo y las arcillas mineralizadas. El color rojo que obtenían de la cochinilla (nocheztli), o sangre de tunas, fue exportado a todo el mundo por los españoles y utilizado durante siglos. El barro y el adobe fueron materiales comunes de edificación, a partir de las más antiguas construcciones del Valle de México (el cerro del Tepalcate y la pirámide de Cuicuilco). Los aztecas obtenían una especie de cemento al mezclar la cal con una arcilla negra. Por otra parte, los muros de las casas de Moctezuma estaban revestidos con jaspe, una variedad cristalina del cuarzo, de muy diversos colores. Para construir armas emplearon el vidrio volcánico (obsidiana). Extraían diversas resinas (incluido el hule) que empleaban como pegamentos en la pintura y la medicina. Los aztecas producían varios tipos de tejidos. El más común era el de henequén,

Otras sustancias conocidas antes de la Conquista La sal común era preciada por los antiguos mexicanos. Se ha relatado que su carencia fue motivo de guerra entre aztecas y tlaxcaltecas. Entre otras sales, conocieron también el alumbre, la mica, el yeso y la calcita, con las que fabricaron colorantes, recubrieron muros y labraron columnas. Respecto a piedras preciosas, trabajaron la turquesa, el jade, el azabache, el ojo de gato, el rubí y el ámbar. Los dignatarios aztecas usaban, en forma exelusiva, piedras preciosas verdes constituidas de fluorita (fluoruro de calcio), un mineral del que México sigue siendo primer productor mundial. ·El cristal de roca (cuarzo) fue bellamente trabajado en el México antiguo. En Monte Albán, Oaxaca, se encontraron copas, orejeras y cuentas de este material. Se piensa también que son mixtecas las calaveras de cristal de roca que se hallan en el Museo del Hombre en París y en el Británico de Londres. Su cerámica era poco técnica, pero muy artística. Los olleros de Tlaxcala, a juicio de Gómara, hacían tan buena loza como la que había en España. Un buen número

Figura l. El "caracol". Las aguas del lago de Texcoco siguen siendo aprovechadas hoy para obtener carbonato de sodio, cloruro de sodio y sosa cáustica. Como primer paso, la industria Sosa Texcoco emplea un enorme evaporador solar, ¡de 800 hectáreas!, que concentra en sales las aguas extraídas del subsuelo.

LA QUÍMICA EN MÉXICO

genio de Bartolomé de Medina. Su proceso de recuperación de la plata por amalgamación con mercurio ha sido calificado por Bargalló como "el mejor legado de Hispanoamérica a la metalurgia universal". La formación de la amalgama de los metales preciosos con el mercurio permite su extracción "en frío", la cual era mucho más barata que mediante fundición. Posteriormente, hacia 1758, este proceso metalúrgico fue modificado por el clérigo minero Juan Ordoñez y Montalvo, a partir de un método de amalgamación en caliente, desarrollado en Perú. Irónicamente, una misión alemana intentó introducir esta técnica en 1786 a México, indicando que "acababa" de ser descubierta en Austria por el barón de Bom. Un vasco, Fausto de Elhuyar, se encargó del Real Cuerpo de Minería de la Nueva España en 1792. Diez años antes había descubierto el elemento químico llamado hoy tungsteno, al que bautizó como wolframio (por eso su símbolo es W). Elhuyar fue el primer profesor de quír:p.ica en México. El libro de texto que empleaba era el Tratado elemental de química (1789) de Antonine Laurent Lavoisier, el creador de la química moderna. Esta obra fue traducida al español en México un año antes que en España, en 1797. Dentró del Real Cuerpo de Minería, el mexicano Andrés Manuel del Río destacó por su trabajo de análisis químico de minerales mexicanos. En 1801, como resultado del estudio de un mineral de Zimapán, del Río descubrió un nuevo elemento químico, al que llamó eritronio. Posteriormente lo convencieron de que había confundido al eritronio con el cromo (Cr), lo que resultó falso. El metal fue redescubierto en 1830 por Sefstrom, quien lo denominó vanadio (V), como hoy lo conocemos.

fabricado con las fibras de magueyes y agaves. La clase alta empleaba vestidos de algodón blanco. Hacían papel con la corteza del árbol amatl. Usaban el azúcar, que obtenían por evaporación del aguamiel, lo cual era un lujo en la Europa de aquella época. También conocían la fermentación, por medio de la cual fabricaban pulque. Respecto a los metales, los aztecas conocían los siete elementos de los alquimistas (oro, plata, cobre, estaño, mercurio, plomo y hierro). Se ha insistido en que sólo trabajaban los metales nativos, o sea que nunca alcanzaron la Edad de Hierro, ya que este metal lo encontraron únicamente en meteoritos. Sin embargo, según Humberto Estrada, un hacha hallada en Monte Albán, con 18% de hierro, prueba lo contrario. La herbolaria se desarrolló enormemente en el México precortesiano. Los aztecas curaban sus males con plantas medicinales. En 1555, un médico indígena de Xochimilco, Martín de la Cruz, recopiló en un libro los medicamentos empleados por los mexicas. Este libro, con material gráfico excepcional, apareció en 1925 en la Biblioteca del Vaticano, después de siglos de aparente pérdida. Ha sido reeditado recientemente por el IMSS.

La química en la Colonia Cierto es que la llegada de los españoles alentó la producción en beneficio de la metrópoli; pero ello también rigió la formación y desarrollo de la Nueva España. Por muchos años se asentó aquí el liderazgo en diversas ramas de la mineralogía. La primera industria original de nuestro país se creó en Pachuca en 1555 gracias al

HISTORIA DE LA QUÍMICA

vida y costumbres del México de aquella época. Respecto al comercio del jabón, que fuera introducido al país con la llegada de los españoles, menciona: En Puebla, México y Guadalajara, la fabricación del jabón sólido es objeto de comercio considerable. La primera de estas fábricas produce cerca de 200 000 arrobas al año [más de 17 000 kilogramos]. En la intendencia de Guadalajara se cuentan por el valor de 260 000 pesos. Favorece mucho a esta fabricación la abundancia de sosa, que se encuentra casi por todas partes en la meseta interior de México, a 2 000 o 2 500 m. El tequesquite cubre la superficie del terreno sobre todo en el mes de octubre, en el Valle de México, en las orillas de los lagos de Texcoco, de Zumpango y de San Cristóbal; en los llanos que rodean a la ciudad de Puebla; en los que se extienden desde Celaya hasta Guadalajara ... Ignoramos si se debe su origen a la descomposición de las rocas volcánicas o a la acción lenta de la cal sobre la sal. En México, por 62 pesos se compran 1 500 arrobas de tierra tequesquitosa, una tierra arcillosa impregnada de mucho carbonato y de un poco de sal. Estas 1 500 arrobas, purificadas en las fábricas dejabón, dan 500 arrobas (43 kg) de carbonato de sodio puro.

Figura 2. Página del libro sobre herbolaria medicinal mexicana de Martín de la Cruz, importante legado para la botánica y la medicina tradicional.

En realidad, la primera aportación americana a la tabla de los elementos fue el platino (Pt), que era conocido por los indígenas de Sudamérica y fue presentado al mundo científico en 1748. Salvo esta contribución prehispánica, el eritronio (vanadio) fue el primer elemento químico descubierto en América. Habrían de pasar 125 años para que se diera el siguiente, en un laboratorio de los Estados Unidos.

Después de que lturbide asumiera el poder, se creó la Sección de Farmacia dentro del Establecimiento de Ciencias Médicas. En ella laboró Leopoldo Río de la Loza, un mexicano ilustre que nació en la capital de la República en 1807. Aquí obtuvo los títulos de cirujano y farmacéutico, y el diploma de médico. Es autor del primer tratado mexicano de química, que lleva el título de Introducción al estudio de la química (1849-1862). Río de la Loza fue, por muchos años, profesor de química, y estudió los productos naturales existentes en diversos vegetales mexicanos. En uno de ellos halló el ácido pipitzahóico, descubrimiento que le hizo merecedor de

El siglo XIX Antes del movimiento de independencia, en 1803 para ser precisos, recorrió México el ilustre barón alemán Alejandro de Humboldt, quien describió con lujo de detalle la

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un importante premio internacional. Fundó la Sociedad Farmacéutica Mexicana, cuyo principal objetivo f~e la edición de la Farmacopea mexicana, que consta de multitud de sustancias y preparaciones curativas utilizadas en el país. En esa misma época, cuando la química orgánica daba sus primeros balbuceos como ciencia, un mexicano llamado Vicente Ortigosa trabajó en Europa, donde aisló y analizó el alcaloide del tabaco, la nicotina. Gracias a la fundación del Instituto Médico Nacional, en 1888, se amplió la investigación de las plantas mexicanas y se analizó la posibilidad de fabricar medicamentos en gran escala.

Juan Salvador Agraz, a la mitad del movimiento revolucionario, se creó la Escuela Nacional de Química Industrial, que en febrero de 1917 se incorporó a la UNAM (hoy es su Facultad de Química). La idea de Agraz era "instalar los cursos de peritos químicos industriales ... obreros químicos y p~queños industriales, y a los ingenieros químicos y doctores en química". Aunque este último programa no pudo arrancar sino décadas después, Agraz fue un gran visionario que apreció la necesidad de complementar la formación de profesionales con la de investigadores químicos, ésta es la manera correcta de formar personal técnico que vaya más allá de la simple actitud imitativa y dependiente. Fue una desdicha que, por falta de fondos, el doctorado no haya podido iniciarse entonces. Hacia 1919 se anexa a la Escuela la carrera de Farmacia, que hasta entonces se realizaba en la Escuela Nacional de Medícina. Pronto se crearon los laboratorios de análisis y el de preparación de productos químicos orgánicos e inorgánicos. Además, se instaló una planta de éter y se levantaron nuevos edificios destinados a las industrias orgánicas de fermentación, azúcares y almidones, tanantes y curtientes, y farmacéutica.

La creación de la primera escuela de química Durante este siglo, la ciencia central ha prosperado notablemente en México. Sin embargo, su desarrollo no ha sido espectacular, sino moderado. Tal vez sea la más rezagada de las ciencias básicas. A principios de siglo, la incipiente industria se reducía a la producción cervecera, minera, de azúcar, de hilados y tejidos, así como de algunos productos farmacéuticos. El pavoroso dato de un 80% de analfabetismo en el país reflejaba el generalizado atraso cultural e intelectual. La fuga de técnicos extranjeros, debida al inicio del movimiento revolucionario y a la primera Guerra Mundial, marcaba la urgente necesidad de formación de personal especializado. Desde luego, poco puede prosperar una ciencia sin la existencia de un semillero de científicos y técnicos. Para la química, esta fecha llegó en 1916. Por iniciativa de don

Figura 3. Fórmula desarrollada de la nicotina, el alcaloide del tabaco.

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Los primeros becarios

nes de estudio y fue uno de los asesores de PEMEX que hicieron posible la producción del antidetonante de las gasolinas, inmediatamente después de la expropiación. Casi veinte años después de que se fundó la Escuela de Química, se creó el Instituto Politécnico Nacional, y en él la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas. En 1941 se creó en la UNAM el Instituto de Química, con fondos provenientes de la Casa de España y del Banco de México. El instituto vino a llenar el vacío de investigación química que existió durante tantos años. Su primer director fue don Antonio Madinaveitia, uno de los refugiados españoles que México acogió después de la guerra civil. Don Antonio participó también en el diseño del proceso que hizo factible el aprovechamiento de las aguas del lago de Texcoco, para la fabricación de sosa cáustica y carbonato de sodio. Esta moderna "tecnología del tequesquite" se implantó en la empresa Sosa Texcoco en 1942. Como relataremos más adelante, la especialidad del instituto fue la química orgánica. En el año de 1947 se recibió el primer doctor en química formado en el instituto. Se trataba de Alberto Sandoval Landázuri. Empezaba a ser una realidad lá formación de científicos de la química en México. Aunque han sido muy diversas las aportaciones de la química mexicana en este siglo, a manera de ejemplo relatamos a continuación algunas de ellas.

Cuando José Vasconcelos ocupó la Secretaría de Educación Pública, surgió la iniciativa de becar a los mejores alumnos para realizar estudios complementarios en Europa. Así, por acuerdo de la Presidencia, en 1921 se otorgaron las primeras diez becas para estudiar en diferentes universidades alemanas. Durante la estancia de estos primeros becarios mexicanos de la química ocurrió en Alemania un hecho sin precedentes: la gran inflación. Mientras que en febrero de 1922 un dólar se cambiaba por 300 marcos, hacia mediados de 1923 el dólar llegó a valer cuatro billones de marcos. ¡Y resulta que las becas se pagaban en dólares! En realidad, bastaba menos de la décima parte de la beca para cubrir todos los gastos de estancia. Se cuenta que uno de los becarios, Fernando Orozco (luego director de la escuela y del Instituto de Química), vivía en una de las alas de un elegantísimo castillo alemán. ¡Qué contraste con los becarios de décadas más tarde! Hacia 1924 estudiaban becados en Europa un total de 22 estudiantes mexicanos de química. Al año siguiente, casi todos regresaron al país en busca de un lugar donde aplicar los conocimientos adquiridos. Se encontraron con una ausencia total de la infraestructura necesaria para realizar investigación. Algunos se colocaron en industrias, a las que dieron una importante renovación, otros participaron de cerca en el desarrollo de la Escuela de Química, y habrían de jugar un importante papel en su consolidación. Tal vez sobresalió entre ellos ese mismo Fernando de Orozco, doctorado en la Universidad de Ramburgo en análisis inorgánico de metales, quien promovió la actualización de los pla-

Los anticonceptivos orales y la cortisona En la misma década de su fundación, el Instituto de Química habría de participar

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en uno de los descubrimientos modernos más sobresalientes: la píldora anticonceptiva. La historia empieza en 1943, cuando el norteamericano Marker descubrió en México un vegetal (llamado "cabeza de negro") con un alto contenido de diosgenina, una sustancia que Marker sabía transformar en progesterona (compuesto de la familia de los esteroides). Esta hormona es segregada por las mujeres durante el embarazo. Para industrializar su descubrimiento, Marker se asoció con dos mexicanos, Somlo y Lehmann, y creó la empresa Syntex. El éxito científico y comercial que tuvo la producción de hormonas en México fue espectacular. Hacia 1959, los científicos de Syntex habían publicado más artículos sobre esteroides que cualquier otra institución académica o industrial en el mundo. En cuestión de diez años nuestro país, del que no constaba previamente ninguna contribución notable en química básica, se había transformado en uno de los centros

mundiales de una rama especializada de la química orgánica. Nos visitaron los más renombrados investigadores del mundo y se formaron en México importantes grupos de científicos. Tal vez la labor más sobresaliente fue la del hidrocálido Jesús Romo Armería, investigador del Instituto de Química y de Syntex, que participó en diversos proyectos de síntesis a partir de progesterona, los que culminaron en 1951 con la síntesis de la cortisona, la cual. contiene tres átomos de oxígeno más en posiciones cruciales que la convierten en un eficaz antiinflamatorio y antiartrítico. Pocos años más tarde se produjeron en México los primeros antiovulatorios orales; éstos impiden que el óvulo abandone el ovario e interfieren por lo tanto en la gestación. Cinco años después, millones de mujeres los utilizaban en todo el mundo. Actualmente hay muy diversos tipos de antiovulatorios, y sigue estudiándose cómo establecer la inocuidad de su empleo prolongado. Por otra parte, Syntex fue vendida a una compañía norteamericana y se transformó en una corporación internacional. Hoy alcanza ventas anuales por más de mil millones de dólares. El centro de sus operaciones administrativas, de mercado e investigación, se ubicó en Palo Alto, California. En México continuó la fabricación de productos esteroidales intermedios, mientras que la de los productos terminados se desplazó a Puerto Rico y las Bahamas.

Instituto Mexicano del Petróleo Figura 4. La "cabeza de negro" es un vegetal mexicano de raíz tuberosa que sirvió de materia prima para fabricar progesterona en los años cuarenta. Anteriormente, un gramo de esta sustancia costaba unos doscientos dólares. Cinco años más tarde, por los trabajos desarrollados en México, costaba sólo dos dólares.

A raíz de la nacionalización del petróleo en 1938, las compañías extranjeras negaron la

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venta de tetraetilo de plomo Pb(C2H5) 4 ( antidetonante de la gasolina) a México. Aunque el tetraetilo de plomo mejora el desempeño de las gasolinas, la presencia de plomo en este compuesto es un agente grave de contaminación. La mayoría de los metales pesados son tóxicos para los humanos. Después de un primer intento fallido, los ingenieros químicos mexicanos lograron, con la tenacidad que inspiran los bloqueos, echar a andar una planta de tetraetilo que se instaló en el mismo lugar donde 27 años -más tarde ( 1966) se crearía el IMP. En el instituto se han diseñado cerca de 100 plantas petroquímicas y de refinación

de petróleo. Sin embargo, no todo ha sido diseño. El IMP cuenta con más de 150 patentes con registro internacional, entre las que destacan las de procesos de hidrodesulfuración (eliminación de azufre) y de desmetalización selectiva de residuos pesados (conocido como proceso DEMEX), con plantas que trabajan en el país y el extranjero. México no sólo es el cuarto productor de petróleo crudo en el mundo, sino también el décimosegundo de productos petroquímicos. Hasta antes de 1982 se encontraba entre los primeros cinco por el número de plantas en desarrollo, situación que debe haber empeorado con la escasa inversión de los últimos años. Tal vez la tecnología mexicana más conocida en el extranjero sea la que desarrolló la compañía Hojalata y Lámina (HYLSA), de Monterrey, respecto al llamado "hierro esponja". Sobre dicha tecnología se informa en la Encyclopedia of Chemical Technology. En 1957 un efecto de la guerra de Corea fue la elevación de los precios de la chatarra. HYLSA, que producía aeroplanos a partir de chatarra, hubo de iniciar un programa de investigación, cuyo resultado fue el proceso de reducción directa del mineral de hierro. Una tecnología tercermundista de primera línea. Treinta años más tarde, cuando la producción mundial de hierro ha alcanzado los mil millones de toneladas, la tecnología de HYLSA sigue siendo líder en el campo de obtención de hierro por reducción directa. En el proceso de hierro esponja, la proporción de oxígeno que se encuentra combinada químicamente con el hierro en el mineral se va reduciendo paulatinamente gracias a la acción de una mezcla de hidró-

CH3 1

c=o

e =o

Figura 5. Si la posición de uno o más átomos difiere de una molécula a otra, las propiedades de las sustancias pueden variar enormemente. (a) Fórmula molecular de la progesterona, la hormona del embarazo. (b) Fórmula molecular de la de la cortisona, un potente antinflamatorio.

LA QUÍMICA EN MÉXICO

pos mexicanos de investigación, como el del Centro Internacional para el Mejoramiento del Maíz y del Trigo (CIMMYT), el del Instituto Nacional de Investigaciones Agrícolas (INIA) y el del Colegio de Posgraduados de Chapingo. En veinte años, la productividad de maíz por hectárea pasó de 97 5 a 1770 kg, y la de trigo, de 1417 a 3480 kg. Este aporte alivió en parte los problemas de escasez de alimentos y desnutrición. Es cierto que se hace necesario un importante apoyo financiero y tecnológico para lograr la generalización de este sistema en todo el país, dado que los problemas del campo siguen siendo severos. Además de las citadas, son varias las instituciones nacionales que realizan investigación de carácter biológico y bioquímico, orientada al reino vegetal. En la Facultad de Química de la UNAM, en el Centro de Investigación y Estudios Avanzados del IPN de Irapuato, y en el Centro de Investigación Científica de Yucatán, hay también grupos especializados en esta área. Parte de la investigación se orienta hacia el mejoramiento de las poblaciones vegetales para obtener mayor resistencia genética a las enfermedades y a las plagas, y a desarrollar mayor tolerancia a la sequía y el almacenamiento. Todo esto es de gran importancia en un país en el que el maíz y el frijol son la base de la alimentación, y donde el 80% de la superficie cultivada depende de la lluvia como única fuente de humedad.

Figura 6. Aspecto del "hierro esponja", mineral de hierro, después de ser sometido al tratamiento de reducción directa.

geno (H2) y monóxido de carbono (CO), que se alimenta a 800°C. Ambas sustancias toman átomos de oxígeno del mineral (se oxidan) para formar H20 y C02 • De esta manera el óxido de hierro del mineral, Fe20 3, seconvierteenFe30 4, luego en FeO, y finalmente en el elemento Fe. Es decir, el mineral de hierro se reduce. El resultado es un hierro poroso, esencialmente con la misma forma y tamaño que la partícula de mineral, que es una magnífica carga para la elaboración de acero en un horno eléctrico, pues está libre de impurezas metálicas, es fácil de manejar y transportar y posee una composición química uniforme y precisa.

La revolución verde En México se inició y desarrolló el proceso conocido como "revolución verde", el cual permitió a Norman Borlaug acceder al premio Nobel de la Paz de 1970, por sus descubrimientos en el campo de la agricultura. Este proyecto, con influencia política pero esencialmente biológico y bioquímico, revolucionó la producción agrícola e influyó en la consolidación de importantes gru-

Un problema grave y una enorme potencialidad Después de presentar esta panorámica de la química mexicana, vale la pena re-

HISTORIA DE L4. QUÍMICA

rácter dependiente. De esta manera, el ejercicio creativo de la química y la ingeniería química se restringió a los espacios académicos universitarios, en franca desconexión con la producción, ya que ésta no necesitaba de creatividad, pues surgió como una actividad refleja. Este es el gran reto de la química en México: lograr que se realicen nuevos descubrimientos que luego transiten, en el tiempo necesario, de la mesa de laboratorio a la instalación industrial o al campo, y que se conviertan en beneficios para lapoblación. Es urgente que se deje de concebir a la química como una ciencia "para hacer cosas", y que se piense en ella "para conocer más cosas" que luego nos beneficien. Los pocos ejemplos citados deben repetirse con más frecuencia. Ello se logrará cuando se adquiera total conciencia de la capital importancia que tiene para un país el desarrollo de la ciencia y de sus aplicaciones originales. Otro será el estado de este país cuando tengamos menos cosas que aprender y más que enseñar. Por ahora, seguimos aprendiendo.

saltar las razones por las que el desarrollo de la ciencia central ha sido tan moderado. Desde luego, la química mexicana comparte con otras ciencias una serie de problemas de financiamiento, apoyo y ausencia de tradición, heredadas de nuestra condición de país tercermundista. De aquí se deriva la tragedia de la ciencia mexicana. Sin embargo, esta ciencia presenta una característica muy peculiar, ya que de ella procede una de las industrias más dinámicas de la economía: la industria química. Esto representa una gran ventaja y potencialidad, pero también un grave problema. Las aplicaciones de la química empezaron a darse aún antes de que ésta se estableciera como ciencia. Por ejemplo, la edad de hierro sólo pudo ocurrir mediante el aprendizaje de la transformación de los minerales en metales, pero ello tuvo lugar milenios antes del nacimiento de Lavoisier yDalton. Así, el conocimiento empírico se adelantó grandemente al conocimiento científico, el cual es muy reciente. Con ello, mucha gente se contentó con el "saber hacer", sin importar mucho el "saber por qué". Fueron pocos los países donde se utilizó la química para comprender todos esos hechos y técnicas, producto de la experiencia acumulada. Muy pronto esos mismos países pudieron acoplar la investigación fundamental con la producción de nuevos bienes. Nosotros importamos la manera de hacerlos, pero no cultivamos ni trasladamos la forma de conocer cómo desarrollar otros. Así, cuando en México ocurrió el fenómeno de la industrialización, la química participó como una actividad técnica (más que científica), modulada por nuestro ca-

Los quimioderivados del petróleo y expropiación Hacia 1935 operaban en México alrededor de veinte compañías petroleras, todas ellas extranjeras salvo alguna excepción. Los primeros lugares en la producción eran ocupados por subsidiarias de la Royal Dutch Shell, la Standard Oil y la Sinclair. El primer conflicto laboral de los trabajadores con las compañías extranjeras se presentó con la huelga de 193 7, una vez que se había constituido el Sindicato 70

LA QUÍMICA EN MÉXICO

las empresas impusieron sobre la paridad del peso con el dólar, que entonces se mantenía en 3.60 pesos, la expropiación se anunció en todas las estaciones radiofónicas el18 de marzo de 1938. En el decreto, el gobierno se obligaba a pagar una indemnización a las empresas. El hondo impacto que esto causó sobre la opinión pública no ha tenido repetición en los años subsecuentes. Puede decirse que todo México estuvo con el gobierno frente a las compañías petroleras. Cita Eduardo Suárez:

de Trabajadores Petroleros de la República Mexicana. Durante esos días, en que dejó se surtirse combustible a todo el país, la población adquirió conciencia plena de la importancia del petróleo. Las fábricas sin suficientes reservas comenzaron a detener actividades. Las máquinas agrícolas no tenían forma de trabajar. Las calles de la ciudad de México empezaron a verse semidesiertas. La fuerza y necesidad del energético se hicieron sentir con toda su magnitud. Eduardo Suárez, quien participó en la solución del conflicto y fue firmante del decreto expropiatorio como Secretario de Hacienda y Crédito Público, cita un dato que revela el provecho injusto que esas compañías sacaban de sus operaciones en México:

"El 12 de abril hubo una manifestación de mujeres frente al Palacio de Bellas Artes. Miles de mujeres de todas las clases sociales, desde la más humilde hasta las aristócratas, fueron a entregar su contribución para pagar la deuda petrolera. Algunas entregaron joyas valiosas, y otras objetos de valor escaso. Hubo una viejecita de la clase humilde que llevó una gallina, la cual seguramente representaba una buena parte de su exiguo patrimonio. Actos ingenuos y conmovedores, pero de todos modos dan idea de lo que en momentos difíciles somos capaces de realizar los mexicanos."

"Mientras el precio en Nueva York de un barril de petróleo, en promedio, en el año de 1936, era de 3.19 dólares, la compañía mexicana de petróleo El Aguila se lo entregaba a su filial a 1.96 dólares. ¿Con qué objeto?, se preguntarán algunos. Sencillamente con el propósito de ocultar aquí las utilidades para reducir el pago del impuesto sobre la renta y trasladar parte de la contribución sobre utilidades a otro país. Así, revisando la contabilidad encontramos numerosas triquiñuelas."

El probl~ma técnico después de la expropiación

El dictamen de la Junta Federal de Conciliación y Arbitraje en diciembre de 1937, confirmado ello. de marzo de 1938 por la Suprema Corte, obligaba a las empresas a cubrir veintiséis millones de pesos a los trabajadores. Las compañías se negaron a pagar y adoptaron una posición soberbia, intransigente y retadora frente a la máxima autoridad legislativa de la nación, y ante el mismo presidente, general Lázaro Cárdenas. A pesar de las continuas y graves amenazas, y de las presiones económicas que

El 19 de marzo se presentó un problema esperado, pero no por ello menos pavoroso. Todos los técnicos de las compañías expropiadas habían abandonado el país y no existía un solo buque-tanque en nuestros puertos. En realidad, apenas se había iniciado la batalla de las empresas contra México. El boicot establecido por las empresas extranjeras expropiadas tuvo enorme magnitud, pues incluía la amenaza sobre todas las compañías que hubieran podi71

HISTORIA DE L4. QUÍMICA

do comprarnos petróleo o vendernos maquinaria, refacciones o materia prima (como el tetraetilo de plomo, que antes citamos), indispensables para la industria petrolera. Hizo falta un esfuerzo titánico para no dejar al país sin combustible. Los actos heroicos se dieron tanto en las fábricas como en la distribución de los productos. Afortunadamente, las dificultades técni-

cas fueron vencidas con gran oportunidad. Mucho tuvieron que ver en ello los profesionales de la química que habían empezado a formarse en el país desde 1916. A los veintidós años de su creación, la Escuela Nacional de Ciencias Químicas de la UNAM empezaba a cubrir con eficiencia el número de químicos e ingenieros químicos que la nueva industria nacionalizada requería.

La teoría atómica durante el siglo XIX José Antonio Chamizo El maestro de lo infinitamente pequeño. Dalton, Pangea, México, 1992. (Viajeros del conocimiento).

lgunas de las tesis principales de Dalton sobre. los átomos están equivocadas a la luz de lo que hoy sabemos de la estructura atómica. Sobre todo porque J. J. Thomson, con su descubrimiento del electrón, demostró a finales del siglo XIX que los átomos eran divisibles. En 1808, el mismo año de la publicación del New system, Joseph Gay-Lussac estableció por segunda vez el hecho (previamente observado por Cavendish) de que el hidrógeno y el oxígeno formaban agua en la relación volumétrica 2: l. Después de estudiar con todo detalle relaciones similares para otros gases, GayLussac concluyó: "Me parece que los gases se combinan siempre en la relación más simple cuando interactúan entre sí, y que éstas relaciones son 1:1, 1:2 y 1:3." Estos resultados experimentales jamás fueron aceptados por Dalton, ya que para él la relación debería ser 1 a l. Así, en su defensa argumentó que existían errores en las mediciones de GayLussac, pues al repetir él mismo los experimentos encontró que: " ... Los gases no se unen en medidas iguales o exactas en ningún caso: cuando parecen hacerlo es debido a la inexactitud de nuestros experimentos." Como hoy sabemos, quien en realidad estaba equivocado era Dalton, precisamente por sus propios errores experimentales. El químico italiano Amadeo Avogadro logró resolver dicha dificultad al establecer la distinción entre lo que denominó mo-

HISTORIA DE L4 QUÍMICA

Médico Carolino, su obsesión por la exactitud dio origen a uno de sus principales programas de investigación: la determinación de los pesos atómicos. Escribió:

léculas integrales, que en la actualidad conocemos como moléculas y que Dalton llamó átomos compuestos, y las que llamó moléculas elementales, que son nuestros átomos. Avogadro supuso que los átomos de un gas podían combinarse entre sí, formando moléculas de dos o más átomos del mismo elemento. Al reaccionar con otro gas, estas moléculas integrales podrían volver a separarse en átomos, para formar posteriormente nuevas moléculas integrales compuestas ahora de átomos de diferentes elementos. Según el mismo Avogadro " ... la molécula de agua estaría formada por media molécula de oxígeno y por una o, lo que es lo mismo, por dos medias moléculas de hidrógeno". Otra aportación importante de Avogadro nos permite conocer cuántos átomos se encuentran en una determinada cantidad de sustancia. Por ejemplo, en un pedazo de alambre de cobre de uncentímetro de longitud y un gramo de masa hay 9 480 000 000 000 000 000 000 átomos. Para contar este enorme número necesitaríamos aproximadamente 300 000 000 000 000 años, muchos más que la edad del Universo. jNo cabe la menor duda de que los átomos· son pequeños! En 1814 el físico francés André Marie Ampere propuso una idea muy similar a la de Avogadro. Ambas contribuciones se mantuvieron en un olvido casi total durante 50 años, debido a que la máxima personalidad de la química del siglo XIX, el sueco Jons Jacob Berzelius, no concebía, como tampoco Dalton, que dos átomos semejantes pudieran unirse. Berzelius fue un gran impulsor de la teoría atómica. Cuando en 1807 fue nombrado profesor de química en el Instituto

Nuevos experimentos me convencieron de que los números de Dalton necesitaban esta precisión que era fundamental para la aplicación de su teoría. Percibí entonces que para que se propagase la luz que se había levantado sobre toda la ciencia, había que determinar, con la máxima precisión que pudiese alcanzarse, los pesos atómicos de un número de elementos, tan grande como fuera posible, y sobre todo de los más comunes.

Durante la realización de esta empresa, descomponiendo sustancias (con lo que mejoró notablemente las técnicas experimentales de laboratorio) y aislando nuevos elementos (el cerio, el selenio, el silicio, el torio y el circonio), tropezó con la limitación de la falta de un sistema propio de símbolos que le permitiera simplificar sus anotaciones. La simbología desarrollada por Dalton le resultó insuficiente, y por ello inventó la nomenclatura química que utilizamos en la actualidad: la letra inicial mayúscula del nombre latino del elemento, seguida a veces por la segunda o tercera letra minúscula. Berzelius determinó, después de muchos años de paciente trabajo, los pesos atómicos de todos los elementos conocidos en la época, y construyó una tabla mucho más amplia y precisa que la de Dalton. Al conocer el trabajo de Davy sobre la electrólisis de sales fundidas (experimentos con los cuales Davy separó, por ejemplo, el sodio del cloro, elementos que forman la sal de mesa), Berzelius se convenció de que la electricidad es la principal causa de toda la actividad química. En 1819 consideró a los átomos de los diversos ele-

LA TEORÍA ATÓMICA DURANTE EL SIGLO XIX

toria y no hemos indicado un asunto fundamental, asunto que escapó a Dalton y a los científicos de su tiempo. Las propiedades macroscópicas de las sustancias que nos rodean no son las de los átomos de los que están constituidas. Así, aunque el azufre sea amarillo, los átomos de azufre no lo son; si el naftaleno huele, los átomos que lo componen no; si la cera de una vela es blanda, los átomos que la constituyen son duros, tan duros como los del hierro; si el cobre es maleable y conduce la electricidad, los átomos de cobre no lo hacen. Las propiedades que poseen las sustancias que nos rodean no son las propiedades de los átomos, sino de la manera en la que estos átomos se han enlazado. Se requiere entonces entender la forma en que se unen los átomos para poder llegar a comprender propiedades de la materia, como el color, el olor, la dureza, la conductividad eléctrica, etcétera. Esto aún se está investigando, y tú podrías ayudar, --como lo hizo Dalton en su tiempo- a tener una mejor idea de cómo está constituida la materia. El siglo XX fue testigo de una concepción atómica muy diferente a la que propuso Dalton, el maestro de lo infinitamente pequeño, pero ésa es otra historia ...

mentos como dipolos eléctricos, es decir, que tenían una carga predominantemente positiva o negativa. Que los átomos tenían carga eléctrica era algo que ya prácticamente nadie ponía en duda a fines del siglo XIX. Los experimentos electroquímicos de H. Faraday lo habían demostrado ya en 1834. Él mismo dice: "Aunque no sepamos nada de lo que es un átomo, no podemos evitar formarnos alguna idea de una pequeña partícula que se nos representa en la imaginación; y aunque nuestra ignorancia de la electricidad sea al menos igual, porque somos incapaces de decir si es una materia, o varias, o simplemente un movimiento de la materia común... existe sin embargo un número inmenso de hechos que nos autorizan a pensar que los átomos de materia están en cierta manera dotados de potencias eléctricas."

Fue en 1897 cuando, al hacer pasar intensas corrientes eléctricas a través de un gas, Joseph J. Thomson descubrió, o más bien propuso, la existencia del electrón, la partícula eléctrica fundamental que se encontraba en los átomos, y por la cual entendemos hoy todos los fenómenos eléctricos. El átomo, contrariamente a lo que indicaba su nombre, se había dividido. Aquí vale la pena hacer una aclaración, porque ya está cerca el final de esta his-

La génesis de la tabla de Mendeleev Bernardette Bensaude-Vincent Mundo Científico, número 42, volumen 4, 1984.

racias a la c.lasificación periódica de los elementos a la que se ha vinculado su nombre, Dimitri Ivanovitch Mendeleev figura entre los padres -fundadores- de la química moderna. Pero su famosa tabla, como recuerda Bernardette Bensaude-Vincent, no fue resultado de una iluminación repentina e inexplicable. De hecho, antes que él, varios químicos habían propuesto clasificaciones. Si se quiere comprender la originalidad de Mendeleev y las razones de su éxito, es conveniente ver qué camino siguió para formular su "Ley periódica" y representarla concretamente. Hace más de cien años que la tabla periódica preside, como un monumento, todos los laboratorios de química en el mundo. Se ha estirado y alargado un poco, y ya no se fundamenta sobre las mismas bases, pero su aspecto general no ha cambiado. Mendeleev aún podría reconocer a su hijo. Sin embargo, cuando elaboró su clasificación en 1869, ignoraba las razones atómicas que explican la periodicidad de las propiedades químicas y conocía bastantes menos elementos que nosotros. ¿Cómo pudo hacer un descubrimiento en esas condiciones? Resulta tentador atribuirlo a una "intuición genial", a un "sueño visionario" o profético. Pero la realidad histórica es otra. La clasificación periódica no brotó como chispa repentina en terreno virgen. Por una parte, Mendeleev se esforzó durante años

HISTORIA DE LA QUÍMICA

ferentes sustancias, el químico se enfrentaba a la dificultad de transmitir sus conocimientos. ¿Cómo es posible almacenar la suma de conocimientos acumulados acerca de miles de sustancias? ¡Sólo para aprender sus nombres ya se necesita toda una vida! Ello era posible cuando esa variedad podía reducirse a los cuatro elementos fundamentales heredados de Aristóteles: la tierra, el aire, el agua y el fuego. Pero he aquí que en el siglo XVIII los progresos conjuntos de la metalurgia y el análisis químico hicieron estallar estas cuatro unidades: se identificaron varios tipos de tierra en las minas y en el laboratorio. Priestley y Cavendish aislaron varias clases de aire, el agua fue descompuesta en 1783 por Lavoisier, que también descubrió, algún tiempo después, la composición exacta del aire. Fue un rudo golpe para los químicos que, en la Enciclopedia de Diderot, pretendían sistematizar su ciencia y rivalizar con la física. Todo sucedía como si los progresos obligaran a renunciar al deseo racional de volver a llevar lo múltiple a la unidad. En la Antigüedad griega ya había sido necesario convertir la unidad en cuatro, pasar del principio único de Tales (el agua) o de Heráclito (el fuego) a la doctrina de Empédocles y Aristóteles: ahora debía pasarse de los cuatro elementos a varias decenas, o sea, aceptar una pluralidad indefinida y cualquiera de elementos. Pero la definición del elemento varía con su número. En lugar del elemento primordial, concebido como soporte y vehículo de propiedades, Lavoisier propuso una definición operati va y completamente relativa: "Si(... ) vinculamos al nombre de elementos o de principios de los cuerpos la idea del último término al que llega el análisis, todas las sustancias que todavía no

para conseguir la tabla que expresa la ley periódica; por otra, no fue el primero ni el último en intentar clasificar los elementos químicos. Antes que la suya, se propusieron decenas de tablas, más o menos aproximadas, que han caído en los "olvidos" de la historia. Como lo ha demostrado J. W. Van Spronsen en su magistral estudio sobre cien años de la historia de la clasificación periódica, los predecesores de Mendeleev han representado un papel determinante en la génesis de la tabla periódica; tan determinante, que Van Spronsen llega a la conclusión de que el descubrimiento no debe atribuirse únicamente a Mendeleev, sino a seis químicos que, entre 1862 y 1869, construyeron progresivamente el sistema periódico. 1 Aquí no se trata de redistribuir los premios y la escala de los méritos, sino más bien de circunscribir las circunstancias y condiciones de la construcción de la tabla periódica. ¿Cuándo y cómo se planteó el problema de una clasificación de los elementos? ¿Cuáles son las grandes etapas de su génesis? ¿Cuál es la aportación personal de Mendeleev que justifica su celebridad? Sólo considerando estas tres preguntas puede llegarse a comprender mejor el "milagro" que ha permitido agrupar en una tabla los ladrillos elementales que forman todo el universo material.

Hacia las fuentes del problema Rápidamente se comprende por qué se planteó el problema de una clasificación de los elementos si se imagina la embarazosa situación de un profesor de química hace aproximadamente dos siglos. Al dedicarse al estudio de las propiedades estrictamente individuales de las di78

LA GÉNESIS DE LA TABLA DE MENDELEEV

hemos podido descomponer por ningún medio son para nosotros elementos."2 Lavoisier reconstruyó toda la química sobre la base de esta definición y le dio un cariz racional y sistemático. Se convirtió en una ciencia del análisis, basada en experimentos verificables y reproducibles, realizados con instrumentos cada vez más precisos y estandarizados. Además, gracias a la nomenclatura racional concebida por Lavoisier y sus colaboradores, el nombre debía reflejar la composición de la sustancia. Lavoisier pretendía así poner la química al alcance de los niños, y presentó el nuevo sistema en 1789, en forma de un Tratado elemental de química destinado a los principiantes. En el todo están ordenadas alrededor de 33 sustancias simples bien aisladas, catalogadas y clasificadas de acuerdo con su naturaleza y los compuestos que las forman (figura 1). Después de un primer grupo, un poco especial, de elementos que se consideraban integrantes de todos los cuerpos y en el que figuraban el calórico y la luz, el segundo grupo reunía a los cuerpos simples que forman los ácidos, el tercero a los que forman las bases y el cuarto a las sales. Así, la química quedaba limpia de todo el fárrago de especulaciones sobre las cualidades ocultas y los primeros principios de todas las cosas. Los profesores de la época expresaron su alivio: la química podía enseñarse fácilmente con algunos experimentos y la cuenta rigurosa de los balances de reacción. Pero este descanso fue de corta duración. Las dificultades renacieron a principios de siglo cuando apareció una nueva técnica de análisis que utilizaba el principio de la pila de Volta, la electrólisis. A partir de entonces, los cuerpos simples se multiplicaron: Lavoisier enumeraba 33 (no todos simples); en 1830 ya eran 50, y en la

década de 1860, más de 60, cuando se instauró el análisis espectral. Ciertamente, la teoría progresó con igual ritmo y ofreció medios mucho más poderosos que los de Lavoisier para identificar y describir el número creciente de cuerpos simples. Efectivamente, en 1808, el químico inglés John Dalton introdujo la preciosa noción del "peso atómico" para designar

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Plomb. TungiU:ne. Zinc. Terte calcaire, c:haux. Magnélie, bafe ~u fel <l'Epfom. Subfiar~ctl firn.· ,Baryte. • • • • • • • • • • Barote, terre peCante. plt:6 falijillhles'. Alumine ~ , • • • • • • • Arr:ile ~ terre de l'alun, baf'e terrt:ufe6. J de l'alut•• jl (Silice ••~~ Tcn•efiliu:uf~:,te!rcv~[r:fiable_:__!

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Figura l. En su Traité élémentaire de Chimie, Lavoisier propuso una "tabla de sustancias simples" donde eran clasificadas en función de los compuestos que sirven para formarlas. Sin embargo, reservó un lugar privilegiado a cinco de ellas, que denominó "elementos". Esta denominación recuerda la antigra "teoría de los cuatro elementos", muy cara a los griegos y a los medievales; el hecho de que Lavoisier los utilizase en una obra tan revolucionaria como la suya muestra hasta qué punto era difícil admitir un número indefinido de elementos.

HISTORIA DE LA QUÍMICA

Por un lado se intentaba conjurar la fatalidad del crecimiento galopante suponiendo la existencia de un elemento originario, una materia primera de la que se derivarían todos los elementos conocidos. Tal es el sentido de la hipótesis formulada por Prout a principios de siglo. Suponía que todos los cuerpos simples derivan de una materia primera única, que sería el hidrógeno. Su idea se abrió paso rápidamente porque la mayoría de pesos atómicos atribuidos a los elementos en aquella época eran múltiplos enteros del valor atribuido al hidrógeno en el sistema de Dalton. También conoció un enorme éxito y desempeñó un papel importante en la historia de la clasificación de los pesos atómicos y, por otra, agudizó la necesidad de sistematización de los resultados experimentales, activando en particular la investigación de parentescos y relaciones entre los elementos; finalmente, impuso la primacía de un sistema de clasificación: el peso atómico. Así acabó el artificio de las clasificaciones que, como la de Ampere, seleccionaban arbitrariamente diversas propiedades más o menos barrocas. La química dispuso entonces de un principio numérico de clasificación que la liberó de los tormentos de los clasificadores naturalistas. Pero el envite también era muy glorioso: se trataba de recomponer, sobre la base de consideraciones aritméticas muy sencillas, los parentescos y las filiaciones de los elementos. Las relaciones numéricas entre los pesos atómicos, considerados como índices de filiación, debían permitir tejer poco a poco una red de familias químicas, en el propio sentido del término, hasta formar el árbol genealógico de la materia inerte. Primeras mallas de la red: las triadas de Dobereiner. En 1817, este profesor de J ena descubrió una notable relación: el peso

la masa relativa de un elemento que se combina con una cierta cantidad de hidrógeno elegida, arbitrariamente, como unidad. Así, para cada elemento se dispuso de un carácter individual, numérico, y que además podía determinarse por vía experimental gracias a una impresionante serie de nuevas leyes: la más célebre de ellas es la ley de Avogadro-Ampére (1811); en ella se establece que, en condiciones iguales, volúmenes iguales de gases diferentes contienen la misma cantidad de moléculas. Entonces, más que nunca, la química parecía apta para aceptar el desafío de una ciencia racional de los individuos.

En busca de la unidad perdida Pero ¿a. qué precio? ¿Había que decidirse por presentar la química en forma de una serie interminable de monografías detalladas sobre cada elemento conocido? La rápida inflación de los cuerpos simples impidió de nuevo a la química la claridad de la física, y la limitó a una especie de historia natural de las sustancias. Empeñada en la difícil vía del pluralismo material, la química continuaba siendo rebelde a las exigencias pedagógicas. Cada unó de sus progresos parecía acrecentar la dificultad; así, el rápido desarrollo de la química orgánica a partir de los años 1840 añadió al problema de la clasificación de la población elemental el de una multitud de nuevos compuestos que, además, trastornaban las categorías del sistema de Lavoisier. Todas las clasificaciones de elementos intentadas durante el siglo XIX eran esfuerzos por eliminar esta incómoda situación. Sin embargo, procedían de dos puntos de vista diametralmente opuestos sobre la cuestión del pluralismo de los elementos. 80

LA GÉNESIS DE LA TABLA DE MENDELEEV

"equivalente" (hoy se diría molecular) del óxido de estroncio (50) es igual a la media aritmética del óxido de calcio (27 .5) y del óxido de bario (72.5), en un sistema en el que H = 1 y O = 7.5. En aquella época fue un descubrimiento puntual y aislado. Pero doce años más tarde, armado con los pesos atómicos más precisos de Berzelius. Dobereiner empezó a generalizar sistemáticamente la idea de las triadas. Propuso toda una serie. Pero cuando descubrió las mismas relaciones aritméticas entre N, C y O, Dobereiner lo atribuyó a la casualidad y no hizo con ellas una tríada, ya que no hay una fuerte analogía entre estos elementos. Esto demuestra que la correlación entre las analogías químicas y las relaciones aritméticas de los pesos atómicos ya se consideraba como la condición esencial para formar un sistema de elementos. Parece que el asunto empezaba bien: diez años después de Dobereiner, L. Gmelin, profesor en Heidelberg, pasó de las triadas a las series de elementos. Convencido de que la hipótesis de Prout debía ser una ley natural, Gmelin concentró toda su atención en las relaciones aritméticas entre los pesos atómicos y despreció las analogías químicas. Formó tres grupos de elementos: los que tienen un peso atómico igual o muy cercano, los que tienen pesos atómicos múltiplos y, finalmente, los que tienen un peso atómico que es la media aritmética de otros dos, como hizo Dobereiner. Por más importantes que sean, estas dos primeras tentativas no tuvieron una resonancia inmediata entre los químicos. De hecho se observa una pausa en el impulso clasificador hasta los años 1850. Pero entonces ¡qué ardor, qué fiebre! Decenas de químicos de todos los países proponían sistemas, los discutían y los corregían. Esta brusca re-

novación de un tema dormido se debió al desarrollo de la química orgánica en los años cuarenta del siglo XIX. Son los radicales orgánicos (alcohol o éter, por ejemplo) los que vuelven a encender la esperanza de confirmar la hipótesis de Proust. En el momento en que empezaba a vacilar, porque la mayor precisión de las mediciones había introducido inoportunos decimales en los valores de los pesos atómicos, se encontró un apoyo en la correspondencia establecida entre las series de elementos de la química mineral y las series de radicales de la química orgánica. El término de la comparación era esencialmente la diferencia entre los pesos atómicos de elementos de propiedades análogas. Pettenkoffer, un antigüo alumno de Liebig, demostró en 1850 que hay una diferencia constante entre los pesos atómicos de ciertos elementos, como Li, Na y K, y sugirió utilizar esta propiedad para calcular el peso atómico de un elemento, en el caso de que sea difícil de determinar. Independientemente de Pettenkoffer, J.B. Dumas, el "gran jefe" de la química francesa de la época, trabajó en el mismo sentido. Su caso es particularmente interesante, puesto que era célebre por su prudencia experimental y su desconfianza con respecto a las hipótesis. Tanto es así, que en 1836, en sus lecciones en el College de France decía: "Si estuviese en mi mano, borraría la palabra átomo de la ciencia, convencido de que va más lejos que la experiencia; y nunca, en química, debemos ir más lejos que la experiencia"3 • Y sin embargo, Dumas no vaciló en reactualizar la hipótesis de Prout en una forma que la hace inverificable por la experiencia: supuso un elemento primordial, todavía desconocido, cuyo peso atómico sería igual a un cuarto o a la mitad que el del hidrógeno. ¿En qué

HISTORIA DE LA QUÍMICA

el origen geognóstico, porque telus significa 'tierra' en el sentido más positivo, más familiar, en el sentido de tierra nutricia". Efectivamente, este sistema es la muestra más bella de la corriente pitagórica puesta en marcha por la hipótesis de Prout. Béguyer de Chancourtois partía del principio de que las propiedades de los cuerpos obedecían a las leyes aritméticas, y no lo oculta: "Es únicamente tomando en consideración la ley de Prout ha llegado a una teoría perfectamente demostrada". 5 Sin embargo, el tornillo telúrico no tuvo mucho éxito; incluso pareció ser totalmente ignorado por los químicos en los años sesenta del siglo XIX. Esto puede explicarse por dos inconvenientes importantes del sistema: por una parte, mezcla los cuerpos simples y los compuestos porque en él figuran óxidos y ácidos, e incluso radicales; por otra, su representación gráfica es compleja y poco legible. Es tan poco esclarecedor, que incluso en los Comptes Rendus de l'Academie no se juzgó oportuno adjuntar las ilustraciones al texto del autor. Sin embargo, esta primera ocurrencia de la periodicidad testimonia la extraordinaria fecundidad de la corriente inspirada por la hipótesis de Prout. Por tanto, lógicamente puede esperarse que la tabla periódica que conocemos haya salido de la misma vena.

basó una conjetura tan audaz? En una de radicales orgánicos y de las familias de los cuerpos simples. Estableció el paralelo actualizando ciertas regularidades en la progresión de los pesos atómicos (prefería decir "equivalentes") y llegó a la conclusión aparentemente sabia: "Los radicales de la química mineral, al igual que los radicales de la química orgánica, están dispuestos en cuanto al peso de sus equivalentes sobre una misma recta para una misma familia, y se sitúan sobre rectas paralelas para dos familias comparables". 4 Hay que decir que la comparación se aprovechaba más de la hipótesis de Prout que de la clasificación propiamente dicha de los elementos. Dumas no formó ninguna familia nueva; en cambio, sugirió fuertemente la posibilidad de descomponer los cuerpos simples rebautizándolos "radicales de la química mineral". De otras muchas tentativas hechas durante los años 1850 por Gladstone, Cooke, Lenssen e incluso Carey Lea, que admitían pesos atómicos negativos, no diremos nada puesto que todas conducen sensiblemente al mismo resultado: familias de elementos agrupados sobre la base de las relaciones entre los pesos atómicos. Pero con ellas no se consiguió ni una clasificación del conjunto de los elementos conocidos ni una noción de periodicidad. La idea de una función periódica entre los elementos y su peso atómico procede de un mineralogista y geólogo. Béguyer de Chancourtois expuso en 1862, en la Academia de Ciencias, las grandes líneas de un sistema en hélice cuyo eje vertical estaba formado por la serie de números enteros correspondientes a los pesos atómicos de los elementos. Lo denominó "tornillo telúrico" por dos razones: el telúrico ocupaba una plaza central en el sistema, y "el epíteto telúrico recuerda muy felizmente

Un congreso decisivo: Karlsruhe, 1860 Y, no obstante, no es así. Como veremos, no solamente Mendeleev es el enemigo jurado de la hipótesis de Prout, sino que sus dos próximos antecesores, Newlands y Odling, también son opuestos a ella. ¿Por qué la línea continua se rompe repentinamente? ¿Había agotado su fecundidad la hipótesis de una materia primera única? 82

LA GÉNESIS DE LA TABLA DE MENDELEEV

léculas y átomo, y una divergencia cada vez más acusada en los sistemas de pesos atómicos. La finalidad del congreso era llegar a un acuerdo. Después de numerosas discusiones, el sistema de Cannizzaro, formado sobre la base de la ley de Avogadro y revisado por Gerhardt, fue el que finalmente obtuvo la adhesión de la mayoría de los químicos, a excepción de algunos antiatomistas tenaces, como Marcelin Berthelot. Los sucesivos ensayos de Newlands demostraron la decisiva importancia de aquel nuevo sistema de pesos atómicos. Newlands había formado once grupos de elementos con propiedades análogas y observado que la diferencia de los pesos atómicos entre dos elementos de un mismo grupo es aproximadamente igual a 8 o un múltiplo de 8. Pero en 1864, con los pesos atómicos de Cannizzaro, consiguió formar un verdadero sistema y anunció en 1865 la "ley de las octavas", según la cual, las propiedades se repetían cada 7 elementos a la manera de los tonos en la gama musical. Newlands fue el primero en hacer previsiones de elementos, a veces erróneamente, como la de un elemento intermedio entre el paladio y el platino, y otras acertadamente, como la de un elemento de peso atómico 73 entre el silicio y el estaño, que corresponde al lugar del germanio. En el mismo año que Newlands, e independientemente del mismo, W. Odling formó un sistema más completo. Contaba 57 elementos (de 60 conocidos) y era más fiel al orden de crecimiento de los pesos atómicos; Odling no permitía otras infracciones que cuando lo exigía el respeto de las analogías químicas. Así fue el primero en invertir el orden del teluro (peso atómico= 129) y del iodo (127) para no traicionar el parecido del iodo con los demás halógenos. Odling también dejó lugares

Ciertamente no. En los años 1860 era más vigorosa que nunca, rejuvenecida por el análisis espectral del Sol y por la teoría darwiniana que relanzaba la idea de una evolución análoga de la materia inerte, y seguía dando nacimiento a sistemas de clasificación complejos y labórados, como el sistema de Hinrichs en 1866, que se basaba en una correspondencia establecida entre las rayas espectrales de los elementos y los planetas. Incluso después del descubrimiento de Mendeleev, todavía fueron engendrados los sistemas más diversos, en espiral, en hélice o en forma de "bretzel" (pastelillo alemán en forma de 8), como el sistema propuesto por W. Crookes. Pero al mismo tiempo que alentaba la sistematización de los elementos, la hipótesis unitaria producía obstáculos a su realización. Para descubrir la ley periódica había necesidad de renunciar al culto de los nombres y el fetichismo de la aritmética, y concentrarse sobre todo en las analogías de las propiedades químicas. Curiosamente, este hito se produjo en el momento en que las tentativas se basaban en un sistema coherente de pesos ató micos. En este aspecto, el acontecimiento decisivo fue el congreso de Karlsruhe de 1860. Es una fecha doblemente importante, ya que fue el primer congreso internacional de química, el principio de un proceso de institucionalización de los intercambios, de formación de una especie de internacional sabia; el fin de una larga querella de medio siglo de duración que opuso los atomistas a los equivalencistas, quienes como Dumas, preferían hablar de "peso equivalente" y, por tanto, rehusaban cualquier hipótesis sobre la constitución de la materia. Esta disputa tuvo como puntos principales el rechazo de la distinción entre mo-

HISTORIA DE LA QUÍMICA

Figura 2. Julius Lothar Meyer (1830-1895), quien era profesor de química en la universidad de Karlsruhe, construyó en 1868 un sistema periódico muy semejante al de Mendeleev un año antes que él. Pero como no lo publicó hasta 1870, tuvo una áspera querella de prioridad durante la cual Mendeleev siempre subrayó que ningún químico, antes que él, se había atrevido a prever las propiedades de elementos desconocidos.

temática. Clasificar los elementos es dibujar el plano de la obra. He aquí que los intereses pedagógicos pudieron haber sido el origen de un gran descubrimiento. ¡Felices los tiempos en los que las funciones de profesor y de investigador podían maridarse! De hecho, Meyer llevaba una buena ventaja sobre Mendeleev, puesto que la primera edición de su manual apareció en 1864 con una tabla de elementos fundada en su valencia. En 1868 puso a punto, para la segunda edición, una nueva clasificación, que esta vez era un verdadero sistema periódico de todos los elementos comunes, comprendidos los metales de transición entre el hierro y el níquel, que dejaban lugares vacíos para elementos aún por descubrir (figura 2). En 1870 Meyer fue más lejos y verificó la periodicidad de las propiedades sobre un notable caso, el volu-

vacíos para elementos por descubrir, particularmente entre los pesos atómicos 40 y 60, y entre el65 y el 75. Por tanto, se trataba de una disposición muy próxima a la de Mendeleev. Pero sorprendentemente, en 1868, Odling retrocedió y formó un sistema bastante menos completo y menos satisfactorio que en 1864. Todavía más cerca de Mendeleev -tanto que no se puede evitar una querella de prioridad- es la tabla de Julius Lothar Meyer. Los dos rivales tenían más de un punto en común: ambos habían asistido y aplaudido en el congreso de Karlsruhe; los dos partieron a la búsqueda de una clasificación por los mismos motivos; eran profesores de universidad, empeñados en hacer un manual de química general para sus estudiantes y preocupados en presentar la química de manera ordenada, racional y sis-

LA GÉNESIS DE LA TABLA DE MEN!JELEEV

dividualidad de los átomos y nunca perdió la esperanza de que se descubriese una materia primera originaria que diese cuenta de las analogías expuestas en su tabla.

Abarcar lo múltiple con una ley única Mendeleev, por el contrario, rechazaba en bloque todas las hipótesis de una materia primera. Las consideraba "utopías de la razón", residuos metafísicos que se alimentaban a buen precio de los resultados experimentales. Su convicción de la pluralidad irreducible de los elementos se oponía a esta corriente dominante. Proclamaba su individualidad y la imposibilidad de transmutarlos. Se esforzaba, con una punta de énfasis, en situarlos dentro del orden de la naturaleza: "Kant pensaba que existen en el Universo dos objetos que provocan la veneración de los hombres: 'La ley moral dentro de nosotros y el cielo estelar fuera de nosotros'. Al profundizar en la naturaleza de los elementos y de la ley periódica es necesario añadir un tercer objeto: 'La naturaleza de los individuos, que se expresa por todas partes a nuestro alrededor', puesto que, sin estos individuos, no podríamos hacernos una idea del cielo estelar y de que la noción de los átomos revela al mismo tiempo la singularidad de las individualidades, la reiteración infinita de los individuos y su sujeción al orden armónico de la naturaleza". 6

men atómico, que ilustró en forma de curva. Desafortunadamente para Meyer, la publicación de su segunda edición sufrió algún retraso y la tabla concebida en 1868 no apareció sino hasta 1872, después de la de Mendeleev. Aun sin entrar en el detalle de la querella de prioridad es posible subrayar las diferencias entre los dos sistemas rivales. La más evidente es que Meyer no previó las propiedades de los elementos por descubrir ni se atrevió a corregir pesos atómicos. Ahora bien, esto no es un signo de falta de confianza porque, en su manual de 1872, Meyer reorganizaba sistemáticamente toda la exposición de la química inorgánica a partir de la tabla periódica. Se trata verdaderamente del primer tratado moderno de química. Pero Meyer, sin ser un partidario militante de la hipótesis de Prout, dudó siempre de la in-

Este abandono sin nostalgia de la unidad material es un factor esencial del descubrimiento de Mendeleev. No rechazaba todo deseo de unidad, sino que lo desplazaba simplemente hacia la búsqueda de una l~y única que pudiera regir la multitud de elementos. Así esperaba encontrar en la unidad legal una compensación a la unidad

HISTORIA DE LA QUÍMICA

'cuerpo simple' le corresponde la idea de "molécula". ( ... ) Por el contrario, debe resolverse el nombre de elementos para caracterizar las partículas materiales que forman los cuerpos simples y compuestos y que determinan la manera en que se comportan desde los puntos de vista físico y químico. La palabra elemento conduce a la idea de átomo". 7 Por tanto, Mendeleev formó una red de cuatro conceptos fundamentes que pueden presentarse de la siguiente manera. Aparentemente, esta puesta a punto es un simple asunto de palabras, una precaución útil en un cuadro escolar, pero sin efecto en las investigaciones de punta. Y sin embargo, Mendeleev se tomó el trabajo de subrayar la distinción entre cuerpo simple y elemento en el propio enunciado de la ley periódica: "Las propiedades de los cuerpos simples y compuestos dependen de una función periódica de los pesos atómicos de los elementos por la sola razón de que estas mismas propiedades son las de los elementos de que se derivan estos cuerpos." 8 ¿No es el signo de su importancia en el descubrimiento de esta ley? ¿No era indispensable esta precaución de vocabulario para construir una verdadera clasificación? El cuerpo simple, definido como un residuo factual de análisis, ¿era verdaderamente susceptible de ser clasificado? En primer lugar debemos señalar que su individualidad química nunca está garantizada, dado que se caracteriza solamente por su indescomposición y aún provisional. Por el contrario, el elemento es esta realidad abstracta -aunque materialque se conserva en las combinaciones químicas y presenta propiedades individuales que se manifiestan para los cuerpos simples o compuestos. Su individualidad está caracterizada por un carácter positivo, el

elemental perdida. En lugar de buscar, como la mayoría de sus antecesores, algunas líneas de parentesco para remontarse hasta un ancestro común, Mendeleev as piraba a abarcar lo múltiple en la unidad, a deducir una ley única, que quería absolutamente general, sin excepciones ni fallos. Entre la exigencia de una ley y su descubrimiento sólo debía aportarse una tarea. La ley periódica no fue una inspiración súbita, una visión salida de un sueño, como la presentó Inostransev, un amigo de Mendeleev. Fue el fruto de una larga maduración de por lo menos nueve años, si se da crédito a Mendeleev, quien siempre había declarado que había tenido una primera intuición de la periodicidad después del congreso de Karlsruhe en 1860. Si el congreso fue la chispa del inicio, no lo fue sólo porque se corrigieron algunos pesos atómicos. O por lo menos estas correcciones no fueron sólo numéricas. Incitaron una importante puesta a punto teórica, puesto que con la ley de Avogadro se impuso finalmente una distinción, hasta entonces ignorada, entre átomo y molécula. Esta distinción condujo a Mendeleev a eliminar un segundo obstáculo fundamental: la confusión, mantenida desde la famosa definición de Lavoisier, entre las nociones de elemento y cuerpo simple: "Al igual que hasta Laurent y Gerhardt se han empleado indistintamente las palabras 'molécula', 'átomo'. y 'equivalente', hoy también se confunden a menudo las expresiones 'cuerpo simple' y 'elemento'. Sin embargo, cada una de ellas tiene un sentido muy diferente que es necesario precisar para evitar las confusiones en los térniinos de la filosofía química. Un cuerpo simple es algo material, metal o metaloide, dotado de propiedades físicas, y capaz de reacciones químicas. A la expresión de

LA GÉNESIS DE LA TABLA DE MENDELEEV

vida, mantuvo el texto primitivo en su versión original. Se contentó con añadir notas a los pies de página. Estas llegaron a ser tantas, que su volumen terminó por superar el del propio texto. Si Mendeleev escogió esta sobrecargada presentación -y a menudo incómoda-, ¿no fue porque deseaba, a cualquier precio, llamar la atención del lector sobre su marcha creadora, sobre las condiciones del descubrimiento y los desplazamientos conceptuales que la acompañaron? Sigámosle pues en las grandes líneas de la obra. En el punto de partida hay una definición de la química, centrada en la noción de cuerpo simple y acompañada de un vibrante homenaje a Lavoisier. Mendeleev termina la introducción con una lista de cuerpos simples conocidos destinada "a marcar el estado actual de nuestros conocimientos sobre el tema". 9 Esta primera tabla, establecida según varios criterios esencialmente programáticos, es una especie de clasificación provisional, el punto de partida necesario para la construcción de una clasificación verdaderamente racional. La distancia que separa la lista inicial de los cuerpos simples de la clasificación final de los elementos nos permite estimar la amplitud del trabajo de maduración conceptual efectuado. En primer lugar, está claro que el progreso conseguido no es de orden cuantitativo. La lista de introducción comprende ya 70 cuerpos simples, como la primera clasificación. Mendeleev le añade también cuerpos que la clasificación periódica ha ayudado a descubrir, como el escandio, el galio y el germanio. O sea que el número exacto no tiene que ver con el asunto, desde el momento en que ·se ha admitido la pluralidad indefinida de los elementos. Pero eligiendo los criterios más arbitrarios

peso atómico. Además, la abstracción del elemento es la condición necesaria para las famosas previsiones de Mendeleev. Como el cuerpo simple, por definición, sólo puede tener un estado experimental, no puede existir antes de ser aislado y, por tanto, no es previsible. Insistiendo sobre esta distinción, ya ajustada por Odling, Mendeleev no sólo introdujo una precisión de vocabulario. Redibujó todo el paisaje de la teoría química. La distinción entre simple y compuesto, que constituía el eje director de la teoría de Lavoisier, fue relegada a la periferia, y dejó el lugar central a esta otra distinción entre el elemento abstracto invisible, por una parte, y la realidad concreta de los cuerpos simples y compuestos, por otra. Este desplazamiento tradujo la evolución de la química de una problemática de la composición -y descomposición- en una problemática de la combinación, en la que el envite ya no era sólo la conservación de la cantidad de materia, sino también la calidad.

Los caminos del descubrimiento Este recorrido conceptual se manifiesta en la lectura del manual de Mendeleev Los principios de la química (1869-1871). Es al escribirlo cuando Mendeleev descubrió la ley periódica. La tabla aparece en mitad de la obra, al final de la primera parte, traducida únicamente al francés y al inglés, en forma de dos volúmenes. Por tanto, la primera parte expone el itinerario que conduce a la ley periódica. Ahora bien, contrariamente a su rival L. Meyer, Mendeleev nunca reestructuró el conjunto de la obra a partir de la tabla periódica. En todas las ediciones sucesivas que publicó en 87

HISTORIA DE LA QUÍMICA

de clasificación -entre otros, el orden alfabético- Mendeleev expresa perfectamente la imposibilidad de hacer una clasificación racional de los cuerpos simples. Sólo puede formarse una colección. La clasificación exige un paso adelante en la abstracción del elemento individual con un criterio único: el peso atómico. La elaboración del concepto de elemento y la construcción de la tabla periódica se basan así en un solo paso, que se realiza a lo largo de los capítulos de los Principios. Mendeleev parte de lo concreto: después de un capítulo dedicado al agua, estudia el aire, posteriormente los compuestos carbonados y la sal de cocina. Partiendo de sustancias familiares para los estudiantes, define poco a poco las propiedades elementales del hidrógeno, del oxígeno, del nitrógeno, del carbono, del sodio y del cloro. Todos cabeza de fila (excepto el sodio, que es el segundo) de grupos verticales de la futura clasificación. Mendeleev empieza, pues, por definir los "elementos típicos", de propiedades bien dilucidadas, que por ser muy conocidos tienen un valor ejemplar y pueden servir de instrumentos para conocer otros. A cada paso, los ele~entos se ordenan en relación con ellos mismos, tejiendo así una red de analogías. Siguiendo obstinadamente el orden escolar que proviene de lo conocido o familiar, a lo desconocido, Mendeleev edificó pacientemente la clasificación periódica colocando los primeros hitos. Estos elementos típicos tienen otra virtud heurística porque manifiestan un contraste. De ahí la importancia del capítulo diez, dedicado a la sal de cocina, puesto que el cloro y el sodio sirven de referencia no sólo para el relleno de su propio grupo, sino, como todo elemento típico, también para los grupos intermedios que encuadra. A este nivel, las grandes lí-

neas de la tabla están en un sitio y el estilo de la exposición cambia bruscamente. Ya no se trata de un paseo por el universo de la química, sino de un estudio sistemático. El capítulo once está dedicado a los halógenos: cloro, bromo, yodo y flúor; los capítulos siguientes a los metales alcalinos; el capítulo doce al sodio; el trece al potasio, rubido, cesio, litio, etcétera; el capítulo catorce forma el grupo 11 de los alcalinotérreos, y estudia el magnesio, el calcio, el estroncio, el bario, y el glucinio (futuro berilio). Así, de forma completamente natural, la clasificación periódica llega al capítulo quince.

Una ley única y general Este plan de construcción muestra la originalidad del proceso de Mendeleev. Mientras que la mayoría de sus predecesores en busca de una genealogía de los elementos consideraban sobre todo sus parecidos para formar familias, Mendeleev observó las diferencias y confrontó los elementos según sus propiedades químicas más contrastadas. Como buscaba una ley única y general, atacó el problema al nivel más global antes de entrar en el detalle. Este es, según su propia confesión, el secreto de su acierto: "Hacia 1860, el terreno ya estaba preparado para esta ley, y si se ha enunciado más tarde, la causa reside, a mi parecer, en que se comparaban entre sí elementos semejantes, tJejando de lado los elementos desemejantes" .10 Fue comparando los extremos, metales alcalinos y halógenos, como Mendeleev pudo advertir una regularidad en el crecimiento de los pesos atómicos de los dos grupos: Li = 7; Na= 23; K= 39; Rb = 85; Cs = 133; F = 19; Cl = 35.5; Br = 80; 1 = 125. 88

LA GÉNESIS DE L4 TABL4 DE MENDELEEV

La serie de los elementos típicos y estos dos grupos constituyen el armazón del edificio. Una vez denominado este esquema general, el orden y la razón de las analogías locales fueron manifestándose poco a poco; las diferentes familias -ya conocidas en su mayoría- iban disponiéndose de acuerdo con el orden de crecimiento del peso atómico de los elementos. Sin embargo, no vayamos a creer que la tabla se formó y llenó sola; una vez descubierta la función periódica, Mendeleev buscó durante mucho tiempo una ilustración adecuada de la ley periódica. Al principio vaciló entre una representación tabular o espiriforme. Después renunció a la espiral, puesto que sugería una continuidad de la periodicidad, mientras que la originalidad de esta función es precisamente la discontinuidad de los valores de los pesos atómicos. Por tanto, optó por una tabla, pero también aquí tuvo que tener en cuenta ciertos compromisos. Para valorar la potencia de su ley, Mendeleev había elegido en primer lugar una presentación horizontal de la series (figura 3A). La sucesión de los elementos en cada serie corresponde a la progresión de las ocho formas de óxido R20, RO, R20 3, etcétera. También permite mostrar la variación inversa de los hidratos ácidos RH4, RH3 , RH2, y RH. De manera más general, expresa la variación regular de las formas de combinaciones RX, RX 2 , RX 3 •• RX 8 • Pero en el mismo artículo Mendeleev también proponía una representación vertical (figura 3B). Esta es menos adecuada para expresar la variación periódica de las propiedades muy características y las series más largas. Finalmente, Mendeleev recomendó, en 1879, una tercera representación (figu-

ra 3 C). En ella separó también los elementos típicos, pero introdujo un tema suplementario: la distinción entre series pares e impares. Ya que manifiesta la existencia de analogías químicas más fuertes entre los elementos pertenecientes a una de las series alternadas, esta tabla es indiscutiblemente más rica en información. También permite encontrar un lugar más satisfactorio para los elementos del grupo VIII: Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt. Pero en contrapartida, presenta el inconveniente de romper la unidad de la tabla y el orden regular de crecimiento de los pesos atómicos. En resumen, Mendeleev no encontró la tabla ideal; se detuvo en una fórmula de compromiso cuyos límites conocía bien, en particular, la imposibilidad de expresar en una tabla periódica las analogías "diagonales" entre el Li y el Mg, el Be y el Al, el B y el Si. Pero al parecer eligió la solución que, con un mínimo de postulados, proporcionaba la mayor cantidad de información sobre los elementos con suma claridad. Estos son pues, rápidamente mencionados, los grandes principios epistemológicosque presiden el trabajo de Mendeleev. El rechazo de las hipótesis sobre el origen de los elementos, la exigencia de una ley general, la necesidad de una clasificación que recapitule y ordene al máximo de hechos experimentales, son otros tantos temas favoritos del positivismo del siglo XIX. Y este otro, más aún, "saber para prever" que Mendeleev ilustra a las mil maravillas. Si bien asumió compromisos para expresar la ley periódica, Mendeleev no la consideró en absoluto como una simple regla cómoda que permitía una construcción elegante e ingeniosa. Una ley es general o no es una ley. Esta convicción inspiró la famosas previsiones del eka-aluminio, del

HISTORIA DE lA QUÍMICA

Figura3A.

eka-boro y del eka-silicio. Mendeleev no se contentó con mencionarlos en la tabla: calculó sus propiedades a partir de las de los elementos que los encuadran. El descubrimiento efectivo de los tres elementos correspondientes, el galio, el escandio y el germanio, confirmó ampliamente las previsiones de Mendeleev y redobló su confianza (figura 4 ). Para defender la generalidad de su ley, Mendeleev hizo apuestas todavía más arriesgadas. Invirtió, como Odling, el orden del teluro y del yodo, esperando que esta anomalía local se suprimiese por una rápida corrección del peso atómico del teluro, que estimó entre 123 y 126. De hecho, Mendeleev murió sin haber podido suprimir ni explicar esta inversión. En cambio, otras se confirmaron rápidamente; la del indio, que era completamente imposible de clasificar con un peso atómico =75

y un óxido InO, puesto que no hay ninguna casilla vacía entre Zn = 65 y Sn = 87; Mendeleev le atribuyó un peso atómico de 114 y, considerando el óxido ln20 3 , lo clasificó en el tercer grupo. Lo mismo sucedió con el uranio, cuyo peso atómico se duplicó (240 en lugar de 120). En todos los casos se observa que no se trató simplemente de rectificar algunos decimales. Las correcciones eran tan numerosas como audaces. Mendeleev llevó aún más lejos la fecundidad de su ley, deduciendo consecuencias teóricas. Debía resolver el problema de la valencia y de su variabilidad. Reforzaba la teoría atómica estableciendo la dependencia de las propiedades químicas en función del peso atómico. Garantizaba la indi vi dualidad de los elementos químicos asignándole una posición única en la tabla periódica. En definitiva, daba acceso a lo

LA GÉNESIS DE LA TABLA DE MENDELEEV

Figura3B.

Figura3C.

Figura 3. Si Mendeleev fue firme y rápido en el enunciado de la ley periódica, dudó largamente sobre la mejor forma que dar a su tabla. Para subrayar la variación regular de las formas de combinación eligió una tabla compacta (A) con grupos verticales y periodos horizontales. Pero también propuso otra figura (B), con los periodos en la vertical, para destacar los elementos típicos que desempeñaron un papel importante en el descubrimiento de la ley periódica. Finalmente recomendó como la más rica en informaciones una tercera representación (C) que separa los periodos pares e impares. Sin embargo, esta última no se ha usado después con frecuencia, puesto que trastorna el orden de crecimiento de los spesos atómicos y ~ompe la unidad de la tabla compacta.

HISTORIA DE LA QUÍMICA

Puntos críticos

que Mendeleev denominaba una "sistemática de los elementos". Esta expresión debe entenderse en dos sentidos; por una parte, la clasificación periódica transformaba el estatuto del concepto de elemento, ahondando más su.distancia con respecto al concepto empírico de cuerpo simple; por otra parte, sistematizaba la química elemental con sus tres funciones; primeramente, como recapitulación o balance ordenado de los conocimientos químicos adquirirdos desde principios de siglo; después, como programa de investigación encaminado a completar y rematar estos conocimientos; finalmente, reinterpretando lo antiguo generaba lo nuevo. De esta manera, Mendeleev esperaba seviría de trampolín para dejar atrás la química elemental y penetrar en las causas de la individualidad química y la ley periódica. Estas tres funciones permiten circunscribir con precisión la situación histórica de la clasificación periódica. Esta supone un cierto desarrollo de los conocimientos, desde el cuerpo simple de Lavoisier hasta la multiplicación de su número, la teoría atómica y el congreso de Karlsruhe. Por tanto, parece imposible, o por lo menos poco probable, que su descubrimiento se produjese antes de 1860. Pero también puede definirse simétricamente, desde más abajo, un umbral más allá del cual este descubrimiento habría sido difícil de realizar, si no improbable. Como la clasificación periódica se basa en el principio de la individualidad de los elementos y de la invariabilidad de los pesos atómicos, se adivina que cualquier descubrimiento que altere uno de estos caracteres lo aleja de la clasificación. Ahora bien, desde los años 1870, varios descubrimientos vinieron a amenazar el equilibrio y los postulados del sistema.

El primer choque fue la multiplicación de las tierras raras (hoy llamadas lantánidos). Mendeleev sólo conocía cinco y ya no sabía muy bien dónde encajarlas. En cada edición sucesiva de los Principios modificó sin acierto los pesos atómicos: clasificó el erbio y después lo retiró. Nunca consiguió encontrar un sitio para el terbio. Venció ciertas dificultadas corrigiendo el peso atómico y la valencia del cerio, y reuniendo todas las tierras raras como colas de los grupos 111 y V, previendo incluso casillas vacías entre el cerio y el erbio. Pero no podía hacer más, puesto que estos elementos son prácticamene indiscemibles a partir de los criterios utilizados en su clasificación: sus propiedades químicas son muy semejantes y sus pesos atómicos tan próximos, que no se puede establecer con seguridad la progresión. Además de esta falta de individualidad, junto con un comportamiento de grupo bien tipificado, estas tierras raras presentaban dificultad suplementaria que no se resolvió sino hasta 1892-1895; había que romper la sucesión regular de las series y abrir una falla en el sistema. En una época en que se ignoraba completamente la estructura electrónica de los átomos, estos elementos eran tan difíciles de integrar que puede decirse, sin demasiada temeridad, que el sistema periódico no pudo construirse rápidamente después del congreso de Karlsruhe sólo porque no se conocían todas las tierras raras. Aunque aparentemente más fáciles de clasificar, los gases raros también sacudieron violentamente el sistema. En 1985 Ramsay aisló el argón y el helio: dos recién llegados muy embarazosos que no habían sido previstos y que son difíciles de clasifi-

LA GÉNESIS DE LA TABLA DE MENDELEEV

car, puesto que no manifiestan ninguna propiedad química, y de ahí que sus pesos atómicos sean difíciles de determinar. Sin embargo, Ramsay y Rayleigh consiguieron fijar, gracias a la densidad y al calor específico para el helio, un peso atómico de 4 y de 40 para el argón. Pero he aquí un nuevo problema: atendiendo al calor específico, el argón debía ser monoatómico, y por su peso debía situarse entre el potasio y el calcio. Esta posición es inconcebible, puesto que no hay ningún espacio entre los grupos I y II. Para salvar el sistema periódico en peligro, Mendeleev, después de otros, dudó de la elementariedad del argón: supuso una molécula triatómica de nitrógeno N 3 , más inactiva que el nitrógeno ordinario. Finalmente, fiándose de la regularidad de la función periódica, Ramsay y Rayleigh consiguieron resolver la dificultad: previeron un elemento intermedio entre el He y el Ar, y formaron el grupo O, rápidamente completado por el descubrimiento del neón, el criptón y el xenón. Así, aunque al precio de una nueva inversión de los pesos atómicos ente el argón y el potasio, la clasificación periódica había triunfado. Y sin embargo, el entusiasmo de Mendeleev quedó muy mitigado. Se decepcionó porque, por un momento, creyó que estos nuevos gases iban a eliminar la inversión del teluro y del yodo. Mendeleev no estuvo dispuesto en absoluto a aceptar un suplemento, y lo rechazó hasta el fin de su vida. Además, estos gases inertes hicieron más pesado el sistema y perturbaron el bello efecto de simetría creado, en los dos extremos, por los grupos de elementos muy reactivos y de propiedades contrastadas. La numeración especial del grupo reflejaba, por otra parte, la marginalidad de estos elementos, un poco extraños, extranjeros, inmigrados.

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Argent. Arsenic. Carbone. Ctiivre .. Etain. Fer. Mercure. Or. Pbosphore. Plomb. Soufre.

Beryllium. Bismuth. Chlore. Cbrome. Cohalt. Fluor. Hydrogime. M.ansan~se. Molybd~ne.

Nickel. Oxyscne. Platine. Strontiutn. Tellilre. Titan e. TungsH~nc.

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Ca.leium. Cérium. Erbium. Jode. J.anthane. lridium. Lithium. Masn6siuw. Niohium. Osmium. Palladiu'm. Potassium. Ruhidium. 3élénium. Silicium. Sodium. Tanta le: Thorium. VanadÍum.

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1900-1949

.\.ctinium .

Americium .4statinc. Curium. Europium. rroncium. Hafnium. Lutétium .. Neptunium Plutonium. Promet1tiwn Protacti-' .ni u m. lladium.

Argo o. Césiun1. Dysprosium Gadolinium Gallium. Germanium Hélium. Holmium. lndium. ]{:rypton. ~éodymc.

Néon. Poloniü.m. Praséodyme IU10dium. lluthénium Samarium.

na~on.

Rhénittm. fcclmctiurn. Terhium.

~candiuw.

l:hallium. Thulium. Xénon. Ylterbium.

Figura 4. Esta tabla muestra la extraordinaria "explosión demográfica" de los elementos en el siglo XIX. Su número se había más que duplicado: a finales del siglo XVIII se conocían 33. Entre 1800 y 1849 se descubrieron 24, y todavía 23 de 1850 a 1899. De ahí la imperiosa necesidad de encontrar una clasificación para poner un poco de orden en esta multiplicidad.

Las consecuencias de estos estremecimientos no se hicieron esperar. En 1902, tomando como pretexto la extrañeza de los gases raros, Mendeleev se aventuró a clasificar elementos tan inesperados como el éter -este medio hipotético de propagación de las ondas luminosas, y el coronio- que se creía haber descubierto en el espectro de la corona solar. Así pretendía responder a una doble amenaza: el descubrimiento de los electrones y la radiactividad. A su vuelta de una visita a París, en el laboratorio de Becquerel y los Curie, redactó un pequeño ensayo que fue traducido al inglés en 1904 con el título An attempt towards chemical conception of ether. Veía en la radiactividad un retomo a los extravíos de la alquimia; en el electrón el último hallazgo del oscurantismo. Para encauzar esta teratología química, intentaba explicar los fenómenos radiactivos por un movimiento del éter en las cercanías de

HISTORIA DE LA QUÍMICA

el resultado que consiguió -y que otros habrían podido obtener en la misma épocaque por la originalidad del proceso de construcción que utilizó.

los átomos pesados, y clasificaba el éter, como elemento químico, por encima de los gases inertes en la tabla periódica. Siguiendo el mismo proceso que en sus célebres previsiones, Mendeleev se esforzó en definir sus propiedades mediante valores aproximados. Ciertamente, tenía menos confianza que en el pasado, y reconoció que su tentativa era desesperada. Pero quería ir hasta el fin de las posibilidades de su sistema y salvaguardar, costase lo que costase, la individualidad de los elementos. De ahí el interés de este ensayo porque confirma, después de todo, la estrecha solidaridad entre un concepto de elementos y la construcción del sistema periódico. Entre los primeros intentos de principios del siglo XIX para clasificar los cuerpos simples con la obsesión de llegar a un elemento único y originario, y este último intento de principios del siglo XX para resistir a la desintegración de los elementos químicos, la construcción de la tabla periódica se sitúa en pleno corazón de la química del siglo XIX. No es ni un descubrimiento puntual ni una profecía que anticipa los descubrimientos del siglo XX. Por el contrario, se trata de un largo y paciente trabajo de sistematización de los conocimientos de la época. Mendeleev no estuvo solo en esta aventura, pero su obra marca un viraje decisivo. Y si se distingue de sus predecesores o continuadores, puede ser menos por

BIBLIOGRAFÍA

l. J.W. Spronsen, The periodic system of chemical elements. A history of the first hundred years. Elsevier, 1969. 2. Lavoisier, Traité élémentaire de chimie, 1789, in Euvres, 1864, t. 1, p. 7. 3. Dumas, Se_ons sur la philosophie chimique, París, 1937, reed. Bruselas 1972, p. 246. 4. Dumas, Memoire sur les équilvalents des corps simples, Annales de chimie et de physique, 55,201, 1858. 5. Béguyer de Chancourtois, Comptes rendus de l'Academie de sciences, 54, 842, 1862. 7. Mendeleev, Loi périodique des élements chimiques, 1871, trad. franc. en Le moniteur scientifique, 21 de marzo de 1874, p. 643. 8: Mendeleev, Principes de chimie, París, 1896, t. 2, p. 351. 9. Mendeleev, Principes de chimie, t. 1, p. 36. 10. Mendeleev, Faraday lecture, op. cit., (6), p. 892. Para más información: -Bachelard, Le pluralisme cohérent de la chimie moderne, París, 1930, 2a. ed., Vrin, 1973. -D. M. Knight, Classical scientific papers. 2nd series, Nueva York, 1970; The trascendental part of chemistry, Dawson, Folkestone, 1978.

La noción de obstáculo epistemológico: plan de la obra Gaston Bachelard La formación del espíritu científico, Siglo XXI, México, 1981.

uando se investigan las condiciones psicológicas del progreso de la ciencia, se llega muy pronto a la convicción de que hay que plantear el problema del conocimiento científico en términos de obstáculos. No se trata de considerar los obstáculos externos, como la complejidad o la fugacidad de los fenómenos, ni de incriminar a la debilidad de los sentidos o del espíritu humano: es en el acto mismo de conocer íntimamente donde aparecen, por una especie de necesidad funcional, los entorpecimientos y las confusiones. Es ahí donde mostraremos causas de estancamiento y hasta de retroceso, es ahí donde discerniremos causas de inercia que llamaremos obstáculos epistemológicos. El conocimiento de lo real es una luz que siempre proyecta alguna sombra. Jamás es inmediata y plena. Las revelaciones de lo real son siempre recurrentes. Lo real no es jamás "lo que podría creerse", sino siempre lo que debiera haberse pensado. El pensamiento empírico es claro, inmediato, cuando ha sido bien montado el aparejo de las razones. Al volver sobre un pasado de errores, se encuentra la verdad en un verdadero estado de arrepentimiento intelectual. En efecto, se conoce en contra de un conocimiento anterior, destruyendo conocimientos mal adquiridos o superando aquello que, en el espíritu mismo, obstaculiza a la espiritualización. La idea de partir de cero para fundar y acrecentar los bienes no puede surgir sino en culturas de simple yuxtaposición, en

HISTORIA DE LA QUÍMICA

hubo pregunta, no puede haber conocimiento científico. Nada es espontáneo. Nada está dado. Todo se construye. Un conocimiento adquirido por esfuerzo científico puede declinar. La pregunta abstracta y franca se desgasta; la respuesta concreta queda. Con eso, la actiVidad espiritual se invierte y se endurece. Un obstáculo epistemológico se incrusta en el conocimiento no formulado. Costumbres intelectuales que fueron útiles y sanas pueden, a la larga, trabar la investigación. "Nuestro espíritu -dice justamente Bergson- tiene una tendencia irresistible a considerar más claras las ideas que le son útiles más frecuentemente". 1 La idea conquista así una claridad intrínseca abusiva. Con el uso, las ideas se valorizan indebidamente. Un valor en sí se opone a la circulación de los valores. Es un factor de inercia para el espíritu. A veces una idea dominante polariza el espíritu en su totalidad. Hace unos veinte años, un epistemólogo irreverente decía que los grandes hombres son útiles a la ciencia en la primera mitad de su vida, nocivos en la segunda mitad. El instinto formativo es tan persistente en ciertos hombres de pensamiento que no debemos alarfilarnos por esta ocurrencia. Pero al final, el instinto formativo acaba por ceder frente al instinto conservativo. Llega un momento en el que el espíritu prefiere lo que confmna su saber, no lo que lo contradice, prefiere las respuestas a las preguntas. Entonces el espíritu conservativo domina, y el crecimiento espiritual se detiene. Como se ve, no titubeamos en invocar los instintos para señalar la cabal resistencia de ciertos obstáculos epistemológicos. Es una concepción que nuestros

las que todo hecho conocido es inmediatamente una riqueza. Mas, frente al misterio de lo real, el alma no puede, por decreto, tornarse ingenua. Es entonces imposible hacer, de golpe, tabla rasa de los conocimientos usuales. Frente a lo real, lo que cree saberse claramente ofusca lo que debiera saberse. Cuando se presenta ante la cultura científica, el espíritu jamás es joven. Hasta es muy viejo, pues tiene la edad de sus prejuicios. Tener acceso a la ciencia es rejuvenecer espiritualmente, es aceptar una mutación brusca que ha de contradecir a un pasado. La ciencia, tanto en su principio como en su necesidad de coronamiento, se opone en absoluto a la opinión. Si en alguna cuestión particular debe legitimar la opinión, lo hace por razones distintas de las que fundamentan la opinión; de manera que la opinión, de derecho, jamás tiene razón. La opinión piensa mal; no piensa; traduce necesidades en conocimientos. Al designar a los objetos por su utilidad, ella se prohibe el conocerlos. Nada puede fundarse sobre la opinión; ante todo es necesario destruirla. Ella es el primer obstáculo a superar. No es suficiente, por ejemplo, rectificarla en casos particulares, manteniendo, como una especie de moral provisoria, un conocimiento vulgar provisorio. El espíritu científico nos impide tener opinión sobre cuestiones que no comprendemos, sobre cuestiones que no sabemos formular claramente. Ante todo, es necesario saber plantear los problemas. Y dígase lo que se quiera, en la vida científica los problemas no se plantean por sí mismos. Es precisamente este sentido del problema el que indica el verdadero espíritu científico. Para un espíritu científico todo conocimiento es una respuesta a una pregunta. Si no

l. Bergson: La Pensée et le Mouvant, París, 1934.

LA NOCIÓN DEL OBSTÁCULO EPISTEMOLÓGICO: PLAN DE LA OBRA

ta necesidades. Si se considerara de forma adecuada, por ejemplo, la modificación psíquica que se realiza a través de la comprensión de doctrinas como la relatividad o la mecánica ondulatoria, quizá no se encontrarían estas expresiones exageradas, sobre todo si se reflexionara en la real solidez de la ciencia prerrelativista. Se repite también frecuentemente que la ciencia es ávida de unidad, que tiende a unificar fenómenos de aspecto distinto, que busca la sencillez o la economía en los principios y en los métodos. Esta unidad la encontraría muy pronto, si pudiera complacerse con ello. Por el contrario, el progreso científico marca sus más puras etapas abandonando los factores filosóficos de unificación fácil, tales como la unidad de acción del Creador, la unidad de plan de la naturaleza, la unidad lógica. En el hecho, estos factores de unidad que aún actuaban en el pensamiento científico del siglo XVIII, ya no se invocan más. Al sabio contemporáneo que quisiera reunir la cosmología y la teología se le reputaría de muy pretencioso. Y entrando en el detalle mismo de la investigación científica, frente a una experiencia bien determinada que pueda ser registrada como tal, verdaderamente como una y completa, el espíritu científico jamás se siente impedido de variar las condiciones, en una palabra, de salir de la contemplación de lo mismo y buscar lo otro, de dialectizar la experiencia. Así es como la química multiplica y completa sus series homólogas, hasta salir de la naturaleza materializando cuerpos más o menos hipotéticos sugeridos por el pensamiento inventivo. Es así como, en todas las ciencias rigurosas, un pensamiento ausioso desconfía de las identi-

desarrollos tratarán de justificar. Pero, desde ya, hay que darse cuenta de que el conocimiento empírico compromete al hombre sensible a través de todos los caracteres de su sensibilidad. Cuando el conocimiento empírico se racionaliza, nunca se está seguro de que los valores sensibles primitivos no afecten a los raciocinios. De una manera muy visible, puede reconocerse que la idea científica demasiado familiar se carga con un concreto psicológico demasiado pesado, que ella amasa un número excesivo de analogías, imágenes, metáforas, y que poco a poco pierde su vector de abstracción, su afilada punta abstracta. En particular, es caer en un vano optimismo cuando se piensa que saber sirve automáticamente para saber, que la cultura se toma tanto más fácil cuanto está más extendida y que, en fin, la inteligencia, sancionada por éxitos precoces o por simples concursos universitarios, se capitaliza como una riqueza material. Aun admitiendo que una buena cabeza escapa al narcisismo intelectual tan frecuente en la cultura literaria, en la adhesión apasionada a los juicios del gusto, puede seguramente decirse que una buena cabeza es, desgraciadamente, una cabeza cerrada. Es un producto de escuela. En efecto, las crisis del crecimiento del pensamiento implican una refundición total del sistema del saber. Entonces, la cabeza bien hecha debe ser rehecha. Cambia de especie. Se opone a la especie precedente por una función decisiva. A través de las revoluciones espirituales que exige la invención científica, el hombre se convierte en una especie mutante o, para expresarlo aún mejor, en una especie que necesita mutar, que sufre si no cambia. Espiritualmente, el hombre necesi-

HISTORIA DE LA QUÍMICA

dades más o menos aparentes, para reclamar incesantemente mayor precisión, ipso facto mayores ocasiones de distinguir. Precisar, rectificar, diversificar, he ahí los tipos de pensamiento dinámico que se alejan de la certidumbre y de la uni-

dad, y que en los sistemas homogéneos encuentran más obstáculos que impulsos. En resumen, el hombre animado por el espíritu científico sin duda desea saber, pero es, por lo pronto, para interrogar mejor.

El mundo d(;; la experiencia c1oméstica es tan .reducido frente al universo, los datos. deJos sentidos son tan engañosós,Jos reflejos condicionados son t~n poco proféticos, que ~t~ejor método para averiguar nuevas verdades es asegurar lo conttar,io de lo que aconseja el sentido común. Ernesto •Sábato

Temas de química cotidiana

odo lo que nos rodea es química. El piso en el que descansamos, el desayuno, la ropa, el papel en el que esto está escrito, la posibilidad de que lo leamos y de que lo entendamos también es química. Por ello, una sección sobre el tema será siempre corta. Reconociéndolo, se ha querido poner a disposición de los profesores materiales bibliográficos muy diversos, desde algunos provenientes de nuestra propia cultura, como son las saponinas, pasando por los fertilizantes, los metales de la vida, las maravillas del boro, el costo energético de las actividades humanas, el opio, la neuroquímica y las terribles guerras químicas.

Jabones, saponinas y detergentes Antonio Romo Química, universo, tierra y vida, FCE, 1988. (Colección La ciencia desde México, 51).

uchas veces hemos visto maravillados cómo en una fría mañana invernal los patos nadan en el estanque sin preocuparse por las frías aguas; cuando por fin dejan el estanque, simplemente se sacuden de las gotas superficiales y su plumaje queda tan seco como antes de su contacto con el agua. Al observar las aguas estancadas es frecuente ver insectos que con gran seguridad van y vienen corriendo sobre la superficie del agua. Ambos fenómenos tienen que ver con el hecho, muy conocido, de que el agua y el aceite no se mezclan. Tanto el cuerpo del insecto como el plumaje de los patos se encuentran cubiertos por una capa de grasa que los hace impermeables. Cuando la ropa u otros objetos se manchan con grasa y tratamos de lavarlos con agua sucederá lo mismo que con el plumaje de los patos: el agua no moja a la mancha de aceite. El agua, por lo tanto, no sirve para limpiar objetos sucios con aceites o grasas; sin embargo, con la ayuda de jabón o detergente sí podemos eliminar la mancha de grasa. El efecto limpiador de jabones y detergentes se debe a que en su molécula existe una parte lipofílica por medio de la cual se unen a la grasa o aceite, mientras que la otra parte de la molécula es hidrofílica, tiene afinidad con el agua, por lo que se une con ella; así, el jabón toma la grasa y la lleva al agua formando una emulsión (figura 1).

~~SDEQmM~ACOTIDMNA

Con frecuencia se agrega brea en el proceso de saponificación, con lo que se obtienen jabones en los que, junto con las sales de sodio de ácidos grasos, se tendrá la sal de sodio de ácidos resínicos, lo que los hace más solubles y más apropiados para lavar ropa. Evidentemente, se podrán obtener sales de ácidos grasos con otros metales, especialmente con calcio, ya que el hidróxido más abundante y barato es la cal, Ca(OH) 2 • Ahora bien, si la saponificación se hace con cal, el producto será el jabón de ca~cio, Ca(OCOR) 2 • El problema es que este Jabón es un sólido duro e insoluble, por lo que no sirve para los fines domésticos a los que se destinan los jabones de sodio. Los jabones de sodio tienen un amplio uso en nuestra civilización, por lo que la industria jabonera es una de las más extensamente distribuidas en el mundo entero.

porción lipofilica

_..._

porción hidrofilica

COONa palmitato de sodio =jabón

Figura l.

Saponificación Los jabones se preparan por medio de una de las reacciones químicas más conocidas: la llamada saponificación de aceites y grasas. Los aceites vegetales, como el aceite de coco o de olivo, y las grasas animales, como el sebo, son ésteres de glicerina con ácidos grasos. Por eso cuando son tratados con una base fuerte como sosa o potasa se saponifican, es decir, producen la sal del ácido graso conocida como jabón, y liberan glicerina. En el caso de que la saponificación se efectúe con sosa, se obtendrán los jabones de sodio, que son sólidos y comunmente usados en el hogar. En caso de hacerlo con potasa, se obtendrán jabones de potasio, que tienen consistencia líquida. La reacción química que se efectúa en la fabricación de jabón se puede representar en forma general como sigue:

CH-0-CO-R + 3 NaOH

El proceso de fabricación de jabón es, a grandes rasgos, el siguiente: se coloca el aceite o grasa en un. recipiente de acero inoxidable, llamado paila, que puede ser calentado mediante un serpentín perforado por el que se hace circular vapor. Cuando la grasa se ha fundido, alrededor de los 80°, o el aceite se ha calentado, se agrega lentamente y con agitación una solución acuosa de sosa. La agitación continúa hasta obtener la sap0nificación total. Se agrega una solución de sal común (NaCl) para que el jabón se separe y quede flotando sobre la solución acuosa. Se recoge el jabón y se le agregan colorantes, perfumes, medicinas u otros ingredientes, dependiendo del uso que se le quiera dar. El jabón se enfría y se corta en

CH-OH + 3 R-CO-ONa

C~-OH

CH2-0-CO-R Aceite + sosa

Fabricación de jabón

glicerina+ jabón

104

jABONES, SAPONINAS Y DETERGENTES

rior, el ablandamiento de las aguas es de gran importancia.

porciones, las que enseguida se secan y prensan, dejando un material con un contenido de agua superior al 25%.

Detergentes

Acción de las impurezas del agua sobre el jabón

Los primeros detergentes sintéticos fueron descubiertos en Alemania en 1936, en lugares donde el agua es muy dura y, por lo tanto, el jabón formaba natas y no daba espuma.· Los primeros detergentes fueron sulfatos de alcoholes, y después alquilbencenos sulfonados, más tarde sustituidos por una larga cadena alifática, generalmente muy ramificada (figura 2). Los resultados fueron positivos, pues al usarse en agua muy dura siguieron dando abundante espuma por no formar sales insolubles con calcio y otros constituyentes de las aguas duras. Dado que los detergentes han resultado ser tan útiles por emulsionar grasas con mayor eficiencia que los jabones, su uso se ha popularizado pero, contradictoriamente, han creado un gran problema de contaminación, ya que muchos de ellos no son degradables. Basta con ver los ríos que llevan las aguas municipales para darse cuenta de cómo se elevan en ellos verdaderas montañas de espuma. Para evitar esto, se han hecho esfuerzos por sustituir la cadena lateral (R) ramificada por una cadena

Cuando el agua que se usa para lavar ropa o para el baño contiene sales de calcio u otros metales, como magnesio o fierro, se le llama agua dura. Este tipo de agua no coce bien las verduras ni disuelve el jabón. Esto último sucede así porque el jabón reacciona con las sales disueltas en el agua y, como consecuencia, produce jabones insolubles, de acuerdo con la siguiente reacción:

estearato de sodio

esterearato de calcio + sal

jabón de sodio + sal

jabón de magnesio

de magnesio

Por tanto, cuando se utilizan aguas duras, la cantidad de jabón que se necesita es mucho mayor, ya que gran parte de éste se gasta en la formación de sales insolubles. Como consecuencia de ello, el jabón no produce espuma hasta que todas las sales de calcio o magnesio se han gastado, produciendo una sustancia insoluble, la cual, además de su mal aspecto, une su acción deteriorante de las telas, puesto que ese material duro queda depositado entre los intersticios de los tejidos. De la misma forma, cuando el agua dura se usa en calderas, la sal de estos metales se adhiere a los tubos dificultando el intercambio de calor y, por lo tanto, disminuyendo su eficiencia. Debido a lo ante-

}

SO,Na

R= cadena alifática que se puede tener de 12 a 18 átomos de carbono

Figura2.

105

TEMAS DE QUÍMICA COTIDIANA

que ser reforzados con activadores, pues en agua tibia los blanqueadores pierden eficiencia.

Enzimas

Estos materiales adquirieron gran popularidad en Estados Unidos y Europa en la década de los sesenta, debido a su facultad de eliminar manchas proteicas o carbohidratos, aun en el remojo. Los detergentes con esta formulación son capaces de eliminar manchas de sangre, huevo, frutas, etcétera. Con todo, estos detergentes han producido problemas de salud a los obreros que trabajan en su elaboración. Por suerte, hasta ahora no los han provocado en las amas de casa. El problema con los obreros se debió principalmente a que los detergentes producen un polvo que, al ser aspirado, pasa a los pulmones. Esto se ha resuelto fabricando detergentes con gránulos mayores, para que no produzcan polvo. Los fabricantes de detergentes de Europa y Japón están poniendo enzimas en la mayor parte de sus productos. Entre las sustancias que se agregan a los detergentes para mejorar sus características, se encuentran algunas que protegen las telas contra la fijación del polvo del suelo o el atmosférico. Estas sustancias, que mantienen las telas limpias por más tiempo al evitar la reimplantación del polvo, son sin duda de gran utilidad, ya que evitan trabajo y deterioro de la tela. Una sustancia con esas propiedades es la carboxi-metilcelulosa, que es eficiente en algodón y otras telas celulósicas, pero falla con telas sintéticas. Para estas últimas es útil el uso de 1 a 6% de ácido poliacn1ico o de poliacrilatos.

o calotropina

gomofósido

Figura3.

lineal, la que sí sería biodegradable. Los detergentes son muy variados, y los hay para muy diversos usos; tan sólo, para ser efectivos en las condiciones de temperatura que se acostumbran en el lavado industrial de los distintos pueblos de la Tierra, tiene que variar su formulación. El lavado industrial en Europa se acostumbra hacer a alta temperatura, entre 90° y 95°. Por su parte, en los Estados Unidos se hace entre 50° y 60°, mientras que en México se realiza a temperatura ambiente. Las diferentes condiciones de temperatura en las que se realiza el lavado trae problemas a los fabricantes de detergentes. Éstos deben estar seguros de que el producto se disuelve en agua a la temperatura adecuada. Los detergentes más comunes en Estados Unidos no son fácilmente solubles en frío. Los agentes blanqueadores como el perborato, que funciona bien en caliente, cuando se utilizan en frío tienen 106

jABONES, SAPOMNAS Y DETERGENTES

Los ácidos carboxílicos secuestran la dureza del agua reaccionando con las sales metálicas presentes en esas aguas. El tripolifosfato de sodio es un excelente secuestrante, y por muchos años se ha usado con óptimos resultados. Por desgracia, en los Estados Unidos se empezaron a observar efectos de eutrofisación de las aguas, por lo que su uso está siendo severamente restringido. Lo mismo sucede en Europa, donde también se han descubierto daños por eutrofisación, fenómeno que consiste en el aumento de nutrientes a un ritmo excesivo, por lo que al descomponerse la materia prima orgánica que ingresa (detergentes), disminuye el oxígeno disuelto, alterando la vida en las aguas. La industria de jabones y detergentes que contribuye a mantener nuestro mundo libre de inmundicias, es muy grande. En 1984 fue de 24 millones de toneladas y, tan sólo en América Latina, se produjeron 2. 7 millones de toneladas.

Las saponinas se han usado también como veneno de peces, macerando en agua un poco del órgano vegetal que lo contiene, con la ventaja de que los peces muertos por este procedimiento no son tóxicos. Las saponinas producen hemólisis a grandes diluciones y están constituidas por grandes moléculas orgánicas, como esteroides o triterpenos, unidas a una o varias azúcares, por lo que contienen los elementos necesarios para emulsionar la grasa: una parte lipofílica, que es el esteroide o triterpeno, por medio del cual se unirá a la grasa, y una parte hidtofílica, que es el azúcar, por medio de la cual se unirá al agua. Entre las saponinas de naturaleza esteroidal son muy importantes los glicósidos o :/o

Saponinas Antes de que el hombre creara la gran industria del jabón se usaban jabones naturales llamados saponinas (nombre derivado del latín sapo, jabón) y conocidos por los mexicanos como amole. Muchas raíces y follaje de plantas tienen la propiedad de hacer espuma con el agua, por lo que se han utilizado desde la antigüedad para lavar ropa. Los pueblos prehispánicos del centro de México llamaban amole a estas plantas, que eran sus jabones. Aún en la actualidad, en muchas comunidades rurales se emplea el amole, tanto para lavar ropa fina, como para evitar que se deteriore, ya que es un detergente neutro perfectamente degradable.

o', calactina

a o

o', use harina

voluscharina

Figura4.

107

TEMAS DE QUÍMICA CO'flDIANA

desaniman a las aves de consumirlas como alimento. Algunos de estos glicósidos se ilustran en la figura 3. Entre las asclepidáceas que han interesado a los investigadores se encuentra la Calotropis procera que crece en Asia y en África. Es una planta venenosa que ha sido utilizada para la medicina popular y como veneno de flechas, es decir, los nativos usan el látex venenoso de la planta para impregnar los dardos. Así, en la práctica de la cacería, los animales, aunque sean heridos muy levemente, mueren. La carne no representa ningún problema, ya que la sustancia se descompone durante el cocinado, y si algo llega al estómago, el ácido clorhídrico del jugo gástrico se encargará de hidrolizarlo, quitándole su toxicidad. Las sustancias que contiene esta planta son una serie de lactonas, entre las que se han podido caracterizar las llamadas calactina, calotropina y las sustancias que

HO digitoxigenina

digoxigenina

HO gitoxigenina

FiguraS.

cardiacos, obtenidos de la semilla de la dedalera o Digitalis purpurea. El extracto obtenido de estas semillas, que contienen una mezcla de saponinas, es muy útil en el tratamiento de enfermedades del corazón. Sin embargo, un exceso de estas sustancias es peligroso y puede causar incluso la muerte. Debido a esto, las infusiones de dedalera se utilizaron en la Edad Media en los juicios de Dios. Los glucósidos cardiacos se encuentran no sólo en la dedalera, sino que hay otras plantas que también los contienen, tales como las distintas especies de la familia Asclepidacea. Esta familia de plantas es rica en ellos, y su principal característica es la producción de un jugo lechoso cuando se le cortan hojas o tallos. Ha adquirido notoriedad por ser una de las plantas que alimentan a la mariposa monarca en su estado larvario. De esta planta las mariposas toman los glicósidos cardiacos que la volverán tóxica, y por consiguiente,

glucosa--cimarosa estrofantina

eH=O 1

eH 1

H - eH-OeH 1

H - e - OH 1

H - e - OH

estrofantidina

Figura6.

108

+glucosa

OH cimarina

jABONES, SAPONINAS Y DETERGENTES

contienen nitrógeno y azufre en su molécula, como la voluscharina y la uscharina (figura 4 ). La hidrólisis de los glicósidos cardiotónicos de la dedalera (Digitalis purpurea) elimina la parte hidrofílica constituida por azúcares y deja en libertad la parte lipofílica que en este caso son los esteroides digitoxigenina, digoxigenina y gitoxigenina, que además de ya no tener propiedades detergentes, han perdido su actividad biológica (figura 5). Los glicósidos cardiacos son saporunas producidas también por otras plantas venenosas, entre ellas las del género Strophantus. Por ejemplo, tenemos la strofantina, que contiene glucosa, la cual, unida directamente al esteroide, contiene una azúcar muy rara llamada cimarosa. La estrofantidina es un veneno muy

activo, capaz de matar en dosis tan bajas como 0.07 mg a un ratón de 20 g (figura 6). BIBUOGRAFÍA

Th. F. Stadros, Suifactants, Academic Press, Harcourt Brace Jovanovich, editores, Londres, Orlando, San Diego, San Francisco, Nueva York, Toronto, Montreal, Sidney, Tokio, Sao Paulo, 1984. J. Davidsohn, E. J. Better y A. Davidson, vol. 1, Interscience publishers, Inc. New Yorklnterscience publishers, Ltd., Londres, 1953. P. L Layman, "Brisk detergents activity Changes picture for chemical suppliers", en Chem. and Eng. News, enero 23, 1984, p. 17. C.N. Roeske, J.N. Seiber, L.P. Brower y C.M. Moffitt, "Milkweed cardenolides and their comparative processing by Monarch butterflies (Danaureds plexippos)" en "Recent Advances in Phytochemistry", 10, 93 (1975).

109

Guerras químicas, accidentes químicos Antonio Romo

Química, universo, tierra y vida, FCE, 1988. (Colección La ciencia desde México, 51).

ntes de que el hombre apareciera sobre la Tierra ya existía la guerra. Los vegetales luchaban entre sí por la luz y por el agua, y sus armas eran sustancias químicas que inhiben la germinación y el crecimiento del rival. La lucha contra insectos devoradores ha sido constante durante millones de años. Las plantas mal armadas sucumben y son sustituidas por las que, al evolucionar, han elaborado nuevas y más eficaces sustancias que las defienden. Los insectos también responden, adaptándose hasta tolerar las nuevas sustancias; muchos perecen y algunas especies se extinguen, pero otras llegan a un acuerdo y logran lo que se llama simbiosis, brindándose ayuda mutua, como el caso de la yucca y la Tegeticula mexicana. En esta vida en simbiosis, la yucca proporciona alimento y materia prima hormonal a la mariposa nocturna. Ésta, en cambio, se encarga de polinizar las flores de la planta, asegurando así su fructificación y reproducción. De la misma forma, las abejas toman néctar y polen de las flores, pero a cambio ayudan a la fructificación y por consiguiente a la reproducción de la planta al polinizar sus flores. La Acacia cornigera, que tiene espinas huecas, es hogar de gran cantidad de hormigas del género Pseudomyrmex, que no sólo viven en la planta, sino que se alimentan del líquido azucarado que ésta secreta por medio de sus glándulas foliares. A cambio de casa y comida, las hormigas defienden a la planta de otros depredadores.

TEMAs DE QUÍMICA COTIDIANA

Otras armas químicas usadas por las hormigas para su defensa son las que se muestran en la figura 3. La gente que es alérgica se puede sentir muy mal por un solo piquete de abeja, de manera que, por ejemplo, la abeja africana puede llegar hasta causar la muerte a estas personas sensibles. Otros insectos producen repelentes para su defensa: algunos gusanos malolientes producen aldehído butírico (CH3CH2CH2 CHO). Los escarabajos, como las catarinas y las luciérnagas, producen alcaloides tetracíclicos que tienen muy mal olor. El insecto bombardero del que hablamos anteriormente escupe con violencia una mezcla de quinonas, como benzonona y toluquinona (figura 4). Los mamíferos también poseen armas químicas. Es bien conocido por todos el arma tan poderosa que 'posee el zorrillo. Cuando este animal es atacado por un depredador, ya sea el hombre u otro animal, utiliza su arma química: lanza con fuerza un líquido irritante con un olor desagradable que persiste por horas, y aun por días, en los objetos que tocó. Entre los componentes del olor a zorrillo se encuentra el butil mercaptano.

CH,-CH,-NH,

Figura l.

Guerra entre insectos y de insectos contra animales mayores Muchos insectos poseen aguijones conectados a glándulas productoras de sustancias tóxicas, con los que se defienden de los intrusos. Las avispas y las abejas son insectos bien conocidos por inyectar sustancias que causan dolor y alergias. El hombre conoce bien estas cualidades, pues muchas veces por perturbar la tranquilidad del enjambre ha sido inyectado con dopamina o histamina, sustancias que, entre otras, son responsables del dolor, comezón e hinchazón de la parte atacada (figura 1). Las hormigas, por su parte, incluyen entre sus armas, además del ácido fórmico o ácido de hormiga, los alcaloides monomerina 1, 11 y m, que, además de ser sustancias de defensa, le sirven para marcar sus caminos. Algunos insectos escupen sustancias tóxicas sobre el enemigo, como lo hace el escarabajo bombardero (figura 2).

C4H9 monomerinal

C4H9

-A

tridecano

citronelal

CSHII

monomerina II

undecano

/'-N~ CSHII

(CH2)4-CH=CH2

geranial

monomerina III

Figura3.

Figura2.

112

CH=OºH CH=O

neral

Q~ CHpH

2,6 dimetil-5 -hepten-1--ol

CH=o

2,6dimetil heptan-5-al

GUERRAS QUÍMICAS, ACCIDENTES QUÍMICOS o

Al pasar el tiempo el hombre inventa un explosivo, la mezcla de salitre, azufre y carbón, que es usada en un principio para hacer cohetes que alegraron fiestas y celebraciones. Este descubrimiento, atribuido a los chinos, fue utilizado posteriormente por el hombre para disparar proyectiles y así poder cazar animales para su sustento. Pero el hombre, siempre agresivo, terminó por emplear el poder explosivo de la pólvora para hacer armas guerreras y así enfrentarse a sus enemigos. Más tarde, se fueron descubriendo explosivos más poderosos. Varios productos nitrados, por su alto contenido de oxígeno, son buenos explosivos. Así, la nitración de la glicerina, C~(OH)-CH2 (0H) CH2(0H), con mezcla sulfonítrica (H2SO4 + HN03), produce la nitroglicerina. Esta sustancia es sumamente peligrosa pues explota con mucha facilidad, por lo que debe tenerse mucho cuidado a la hora de su fabricación. Con todo, a pesar de su peligrosidad, el hombre la fabrica y la usa para la guerra, debido a la gran cantidad de gases que produce al explotar, pues 1 kg de nitroglicerina produce 782litros de gases, además de una gran cantidad de calor: 1 kg produce 1 616 K cal. En la segunda Guerra Mundial se usó otra sustancia orgánica nitrada, el trinitrotolueno o TNT, obtenida por tratamiento del tolueno con mezcla sulfonítrica. El TNT es también un potente explosivo, pero de manejo mucho más seguro que la nitroglicerina. 1 kg de TNT produce 730 litros de gases y 1 080 K cal. Es decir, un volumen de+/~ llitro se expande a 730 litros (figura6). Por su parte, la cantidad de energía liberada es tan grande que la temperatura alcanza los 4 000°C.

o u Figura4.

Muchos insectos poseen glándulas en donde se acumula el veneno, teniendo cada uno una manera propia de inyectarlo. Las arañas, por ejemplo, tienen sus glándulas venenosas en el cefalotórax y le inyectan veneno a su presa. Los escorpiones inyectan una sustancia venenosa que contiene sustancias de bajo peso molecular. Entre ellas se han identificado la histamina así como algunos compuestos indólicos (figura 5).

El hombre usa la química para la· guerra Posiblemente la primera reacción química que el hombre aprovechó para destruir a su enemigo fue el fuego. La misma reacción de oxidación que logró dominar para tener luz y calor, para cocinar alimentos y fabricar utensilios, en fin, para hacer su vida más placentera, fue usada para dar muerte a sus congéneres, quemar sus habitaciones y cosechas.

(CJNH NH 2

6 ~

triptami~a

¿?

dopanúna

noradrenalina

/'--..... _, O........_ / (CH) N/ "-../ CO 32

CH3

acetilcolina

FiguraS.

113

'lEMAS DE QUÍMICA C011DIANA

+HNO,

o,N~~ H,so, V ---=--~

N0 3

TNT explosión

TNT

Figura6.

Pero el hombre no se ha conformado con fabricar armas basadas en reacciones químicas, sino que ha manipulado el átomo para crear la bomba atómica.

La bomba de Hiroshima La bomba lanzada sobre Hiroshima fue una bola de uranio 235 no mayor de 8 cm de diámetro, y de m_ás o menos 5 kg. Pero como la fisión del uranio tiene un poder explosivo aproximadamente to millones de veces mayor que el TNT, la bomba debió equivaler a 20 000 toneladas de TNT.

Las fuerzas aliadas pronto fueron protegidas con máscaras que, aunque rudimentarias, evitaron un desastre que parecía inminente. Un poco más tarde los alemanes continuaron con la guerra química lanzando granadas con gases lacrimógenos. Sin embargo, el arma química más poderosa usada en la primera Guerra Mundial fue el gas mostaza. Empleado por primera vez en julio de 1917 por los alemanes en la batalla de Ypres, Bélgica, causó terribles daños a las tropas francesas. El gas mostaza se llamó de esta manera por tener un olor parecido al de la mostaza. No es realmente un gas, sino un líquido irritante que hierve a alta temperatura, y que, debido a su baja tensión superficial, produce vapores, los que por su alta toxicidad, basta con que exista una muy baja concentración en el aire para causar molestias a la gente o incluso causarles la muerte. El gas mostaza se prepara haciendo reaccionar etileno .con cloruro de azufre, como se muestra en la siguiente reacción: CH2 =CH2

Cl-CH2-CH2

..............

Cl-CH2-CH2

+ Cl-S-S-CL --+ CH2 =CH2

Uso de sustancias tóxicas en la guerra

Etileno

Las sustancias de alta toxicidad fueron utilizadas como armas químicas en la primera Guerra Mundial. Los alemanes lanzaron, en abril de 1915, una nube de cloro sobre los soldados franceses, quienes, al no estar protegidos, tuvieron que retirarse varios kilómetros. Pocos días después, los alemanes repitieron el ataque contra las tropas canadienses con los mismos resultados.

Cloruro de azufre

S+S

gas mostaza o sulfuro de ~~dicloro etilo

Una vez repuestos los ejércitos aliados de la sorpresa que representó la guerra química, se protegieron adecuadamente, y sus científicos comenzaron, a su vez, a idear y preparar sus propias armas químicas. Las sustancias empleadas por ambos bandos conforman una larga lista, entre la 114

GUERRAS QUÍMICAS, ACCIDENTES QUÍMICOS

que se cuenta a los gases lacrimógenos, como cloro y bromoacetona, y diversas sustancias como cloro, sulfato de dimetilo, etil carbazol, fosgeno, etcétera y venenos de la sangre, como el ácido cianhídrico (HCN). Este último es el gas que se usaba en la cámara de gases contra los condenados a muerte. / CH2 -Cl C=O """CH2 - Cl

ser dotado de ellas, sin contar con que son muy fáciles de arrojar contra el enemtgo.

Espionaje químico El polvo de los espías

/ CH2 -Br C=O """CH2 - Br

El aldehído aromático 5(4-nitrofenilo)-2,4pentadien-1-al (figura 7) ha sido usado para marcar el camino seguido diariamente por personas sometidas a investigación. El aldehído, que es un polvo amarillo, se colo- . ca sobre objetos que normalmente se tocan, tales como el volante del automóvil, el pasamanos de la escalera y la cerradura de la · puerta. La sustancia, colocada en pequeñas cantidades, se adhiere a la mano, y luego puede ser detectada en los objetos que el individuo tocó posteriormente. De esta manera se puede conocer el trayecto de la persona investigada. Para detectar el aldehído se desarrolló un procedimiento analítico que consiste en pasar un algodón humedecido con alcohol sobre el objeto tocado. Se pone el algodón en un tubo de ensayo con 0.5 ml de metanol, además del mismo volumen de naftoresorcinol al 1% en metanol; al agregar 0.5 ml de ac. clorhídrico concentrado se desarrolla un color que va del rosado al violeta. El color también se puede desarrollar directamente sobre el algodón con que se

Para la segunda Guerra Mundial se eliminaron la mayor parte de las sustancias tóxicas utilizadas en la primera, y sólo quedaron unas cuantas, como el gas mostaza, el fosgeno, yel ácido cianhídrico para usos especiales.

Gases neurotóxicos Los alemanes desarrollaron a finales de la segunda Guerra Mundial los gases neurotóxicos sarina o GB y tabun.

F 1

CH -P-0-CH

N -P-0-CH /

""'

Sarina o GB

o Tabun

Estos gases son más letales que las armas químicas usadas en la primera Guerra Mundial. Son inodoros, por lo que es muy difícil detectarlos antes de que hayan hecho daño mortal. La ventaja de las armas químicas es que son baratas y no requieren de una tecnología muy avanzada, de manera que prácticamente cualquier ejército puede

CH=O

Figura 7.

115

TEMAs DE QUÍMICA C011DIANA

limpió el objeto tocado por la persona investigada. Si a este algodón se le añade el naftoresorcinol y una gota de ácido clorhídrico, y se tiñe de rosa o de violeta, indicará la presencia de polvo de aldehído. El método es tan sensible que se ha podido detectar la presencia de 150 nanogramos de polvo de los espías distribuidos en 100 cm2 • Éste no se elimina de las manos con un simple lavado con agua, pero si se lavan cuidadosamente con agua y jabón, la prueba es negativa, lo que indica su total eliminación.

que un bloqueo, y menos repugnantes que el uso de la bomba atómica.

El agente naranja El agente naranja es una combinación de dos herbicidas que, en pruebas hechas en selvas tropicales africanas, mostró ser muy eficiente como defoliador de árboles. El agente naranja contiene d9s herbicidas, el ácido 2,4,0 y el 2,4,5,T. Al ser aplicado a los campos de cultivo, hace que las plantas crezcan demasiado rápido y mueran antes de producir sus frutos. En la guerra de Vietnam fue,utilizado para hacer que los árboles perdieran sus hojas, y que de esta manera no se pudiese esconder el enemigo, aunque sin tener en cuenta el daño que se pudiera causar a largo plazo en el ambiente y las personas. Años después se ha visto el daño, pues grandes extensiones del territorio vietnamita se volvieron áridas, la población ha desarrollado cáncer y se han dado malformaciones en los recién nacidos. Los excombatientes estadounidenses que estuvieron en contacto con estos herbicidas durante la guerra en Vietnam han pedido una indemnización de 180 millones de dólares por el deterioro de su salud. El uso del 2,4,5,T ha sido prohibido en los Estados Unidos y en algunos otros países.

Los herbicidas como arma química Su uso en Vietnam Las auxinas sintéticas usadas para matar las maiezas de los cultivos y así obtener mejores cosechas fueron desarrolladas en Inglaterra desde los años treinta, poco después del descubrimiento del ácido indolacético como regulador natural del crecimiento de las plantas. Estas sustancias fueron preparadas en una gran variedad, dependiendo de la planta que se pretendía matar. El ácido 2,4,0 fue un herbicida selectivo que mata plantas de hojas anchas sin dañar los cereales, por lo que protege en forma eficiente cultivos de trigo, avena, cebada y otros granos. En cambio, existen herbicidas tan potentes como el ácido 3,4-diclorofenoxiacético, que mata a todo tipo de plantas, por lo que en vez de proteger los cultivos, los aniquila. Ya en 1947 fue reconocido por algunas autoridades británicas el potencial que pueden tener los herbicidas en la guerra química, ya que podrían ser usados contra algunas naciones con efectos más rápidos

Efectos del agente naranja El agente naranja que se aplicó sobre los bosques de Vietnam venía contaminado con dioxina, una sustancia altamente tóxica que provocó trastornos en la salud de los veteranos de la guerra de Vietnam. 116

GUERRAS QUÍMICAS, ACCIDENTES QUÍMICOS

Las compañías químicas que proporcionaron el agente naranja contaminado con dioxina fueron condenadas a pagar 180 millones de dólares a los afectados. Así, unos 15 000 veteranos y los que de ellos dependen, además de alrededor de 40 000 miembros del personal que pudieron demostrar que estuvieron en contacto con el herbicida, fueron indemnizados. Si más de 50 000 excombatientes de Vietnam pudieron demostrar que fueron dañados por el agente naranja, ¿cuántos vietnamitas habrán sido dañados? Esto no se sabe, pero deben ser, indudablemente, mucho más de 50 000.

Lluvia amarilla, posible uso de micotoxinas como armas de guerra Dadas las historias contadas por los montañeses del sureste de Asia acerca de la aparición de nubes amárillas que matan rápidamente a quienes toca en forma directa y que enferman con extraños síntomas a la gente más alejada, y las de algunos nativos de Laos y Kampuchea que hablaban de lluvia amarilla que provoca muerte y enfermedad, la embajada de los Estados Unidos y después la comunidad científica internacional comenzaron a inquietarse. Se pensó en la posibilidad de que la lluvia amarilla tuviese que ver con alguno de los productos químicos usados en la guerra, tales como gases neurotóxicos. A pesar de que las víctimas presentaban síntomas como irritación de la piel, vómitos, diarrea, temblores y muertes frecuentes, los primeros análisis no encontraron en las víctimas evidencias de gases lacrimógenos, gas mostaza o gases neurotóxicos.

El mundo entero se alarmó cuando el 13 de septiembre de 1981 el secretario de Estado estadunidense, Alexander Haig, anunció en Alemania que la lluvia amarilla era provocada por armas rusas. Desde ese momento, la investigación se ha hecho más activa, aunque sin lograr confirmar la aseveración de A. Haig. Muchos científicos han encontrado pequeñas cantidades de micotoxinas en muestras de alimentos recogidos en el sureste de Asia. Las micotoxinas que se cree que se encuentran en la lluvia amarilla son las llamadas tricotecenos, y son producidas por un hongo del género Fusarium. Una de estas toxinas es la llamada deoxynivolenol (DON) o vomitoxina (figura 8). La existencia de numerosas especies de Fusarium fueron bien documentadas desde 1939 por el micólogo francés F. Bugnicourt, por lo que existe la posibilidad de que algunos de ellos sean los productores de las toxinas presentes en la lluvia amarilla. Muchos científicos creen que este tipo de lluvia es producida po,r el hombre y llevaron sus argumentos a la reunión llamada Primer Congreso Mundial sobre Nuevos Compuestos en Guerra Química y Biológica. Sin embargo, las evidencias presentadas no convencieron a la comunidad científica, y menos al bioquímico

Hoc········· HO

FiguraS.

117

i DON

TEMAS DE QUÍMICA COTIDIANA

de la Universidad de Harvard, Matthew Meselson, quien asegura que la lluvia amarilla es un fenómeno natural, que el color amarillo se debe a las heces de una abeja silvestre y que las micotoxinas a los niveles encontrados de partes por millón pueden ser producidas por hongos que viven en forma natural, siendo sus toxinas las que infectan alimentos y producen los síntomas de la enfermedad. En un viaje a Tailandia, Meselson y sus colegas fueron sorprendidos por una lluvia amarilla producida por abejas. De inmediato, Meselson tomó 40 muestras, las que al ser analizadas revelaron la presencia de Fusarium. Ahora sólo resta comprobar si son productoras de toxinas. De confirmarse que la lluvia amarilla es un fenómeno natural, no se podrá acusar a nadie de violar los tratados que prohiben el uso de armas químicas y biológicas. Éstos son el "Protocolo de Ginebra de 1925", que prohibe el uso pero no la posesión de armas químicas y bacteriológicas, y la "Convención de armas biológicas de 1972", que prohibe no sólo el uso, sino también la posesión de armas biológicas y toxinas.

Las sustancias tóxicas como accidentes

frió un accidente con el escape de isocianato de metilo (figura 9). Este gas, altamente tóxico, se emplea en la fabricación del insecticida carboril (1-naftil-metil carbonato), el que a su vez se prepara con metil amina y con el también muy tóxico gas fosgeno. Las concecuencias de dicho accidente son de imaginarse. La fábrica había operado normalmente por varios años, hasta que la noche del 2 de diciembre de 1984, después de haber ocurrido una inesperada reacción en el tanque que contenía la muy reactiva sustancia química, isocianato de metilo (CH 3 N=C=O), el tanque se calentó, la presión aumentó y a media noche liberó con violencia toneladas de isocianato de metilo, que como una niebla mortal, cubrió gran parte de la ciudad de Bhopal. Mucha gente murió sin levantarse de su cama, algunos se levantaron ciegos y tosiendo, para caer muertos un poco más adelante. Mucha gente que vivía lejos de la planta quedó viva, pero con severos daños en las vías respiratorias. Murieron más de 2 000 personas, algunas 1O 000 quedaron seriamente dañadas y 200 000 o más sufrieron daños menos graves. BIBLIOGRAFÍA

Recientemente, en la planta de insecticidas de Bhopal en el centro de la India, se su-

CH3-

NH2 + COCI 2

CH3-

metilamina + fosgeno

C. N. Roeske, J. N. Seiber, L. P. Brower y C. M. Moffut, "Milkweed cardenolides and their comparative processing by Monarch butterflies (Danaus plexippus L.)", en Recent Advances in Phytochemistry JO, 93 (1975). Ed. W. Wallace y R. Mancele, Plenum Press, Nueva York, Londres.

N=C=0+2HCI

isocianato de metilo + ácido clorhídrico

~NH-CH,

naftol

Piña Luján, l. y Matuda, E., Las plantas mexicanas del género Yucca, México, Libros de México, 1980.

Gómez Pompa, A., Estudios botánicos en la región de Misantla, Ver., tesis de doctorado, Facultad de Ciencias, UNAM 1966.

carbarilo

Figura9.

118

GUERRAS QUĂ?MICAS, ACCIDENTES QUĂ?MICOS

S. W. T. Batra, "Polyester Making bees and other innovative insect chemist", en J. of Chem. ed. 62, 121 (1985).

L. R. Ember, "Yellow rain controversy remains unresolved", en Chem. and Eng. News, junio 25, 1984, p. 25.

Rudolf Meyer, Explosives, Verlag Chemie, Weinheim, Deerfueld begel, Florida, Basilea, 1981.

J. Perea y A. Thomas, "This Horrible War", en New Scientist, 18 de abril de 1985, p. 34.

C. W. Jameson, R. F. Moseman, B. J. Collins y N. D. Hooper, "Spy dust, detecting a chemical tracking agent", en Anal. Chem. 58 (8), 915 A (1986).

L. R. Ember, "Yellow Rain", en Chem. and Eng. News, enero 19, 1984, p. 8. Linus Pauling, No More War, Dodd, Mead and Company, Nueva York, 1958.

119

Fertilizantes y fijación del nitrógeno Diana Cruz

Información Científica y Tecnológica, número 137, volumen 10, 1988.

1 término fertilizante proviene de la palabra fertilizar, que significa "hacer susceptible de producir". Un campo es fértil cuando produce abundantes alimentos. La tierra infértil propicia un problema mundial: el hambre. Existen, por lo menos, dos mecanismos por medio de los cuales es posible contar con campos fértiles: uno biológico, relacionado con los procesos íntimos de la naturaleza, y otro artificial, resultado de la habilidad de la especie humana para aprovechar el conocimiento científico, consumado en la aplicación tecnológica, para mejorar la producción agrícola mediante el uso de fertilizantes. La tierra es propicia para la producción agrícola en tanto que contiene los requerimientos químicos necesarios para que las plantas crezcan sanas. Particularmente, el nitrógeno es un elemento esencial para el desarrollo de la vida vegetal y, en consecuencia, de la animal. La cantidad de nitrógeno presente en este planeta es del orden de 4 x 109 toneladas en la atmósfera -en forma de dinitrógeno-- y un máximo asombroso de 2 x 1011 toneladas en las rocas primarias y sedimentarias debajo de la superficie terrestre -como sales nitrogenadas. Sin embargo, ninguna forma de nitrógeno es accesible a las plantas hasta que no ha sido fijada (convertida en nitrógeno orgánico) por los microorganismos.

TEMAs DE QUÍMICA COTIDIANA

El ciclo del nitrógeno Se ha estimado que el nitrógeno de todos los seres vivos del mundo suma, aproximadamente, 1.5 x 10 10 toneladas. Los seres vivientes reciclan constantemente los elementos químicos de los que están compuestos. En estos procesos, se producen derivados esenciales para la existencia de la vida en el planeta. El ciclo del nitrógeno es un ejemplo claro y que puede simplificarse esquemáticamente (figura 1). Esencialmente, en el diagrama se simbolizan las transformaciones experimentadas por el nitrógeno mediante la acción de los seres vivos. La parte izquierda y el sector inferior muestran la síntesis de la materia viviente nitrogenada (principalmente proteínas), a partir de compuestos inorgánicos (iones nitrato, nitrito y amonio), durante el crecimiento de las plantas y su consumo por los animales, seguido de su incorporación al suelo como resultado de la putrefacción y descomposición de la materia vegetal y animal. El sector superior muestra una pérdida de nitrógeno en la atmósfera a partir de los nitratos, y su regreso al ciclo por el proceso conocido como fijación.

La fijación de nitrógeno ha contribuido en el hábitat natural desde la aparición de la vida en la Tierra. Cada año, el ciclo de nitrógeno transforma unas 109 toneladas de nitrógeno. La mayor parte del ciclaje se realiza a través de los mecanismos mostrados en la parte inferior del ciclo; pero, aproximadamente, 2 x 108 toneladas participan en la porción superior de la figura. Esto significa que la entrada de nitrógeno en la biosfera, por el proceso denominado fijación de nitrógeno, es un factor limitante para la productividad biológica de la mayor parte de las regiones del mar o de la superficie terrestre.

La fijación del nitrógeno En la mayor parte de las regiones agrícolas la productividad biológica está determinada por la disponibilidad de nitrógeno inorgánico del suelo. La asimilación de nitrógeno es una expresión general para la conversión biológica de compuestos nitrogenados en forma de nitrato, nitrito o amoniaco, en nitrógeno orgánico. Una planta o microorganismo asimila el nitrógeno en forma de nitrato y lo convierte en proteínas, ácidos nucleicos y compuestos nitrogenados. Por otra

Figura l.

122

FER11IJZANTES Y FI]AGÓN DE NrrRÓGENO

parte, los animales asimilan los aminoácidos que provienen de las plantas y componen con ellos sus proteínas y demás polímeros biológicos. La capacidad para fijar nitrógeno se halla limitada a los seres vivos más primitivos: las bacterias y las algas. Incluso, dentro de este grupo la propiedad no es de ningún modo universal. Estos microorganismos. son capaces de convertir el dinitrógeno atmosférico en amoniaco. Desde el punto de vista agrícola, los fijadores de nitrógeno más importantes son los que fijan en asociación con una planta, porque el nitrógeno fijado es suministrado precisamente donde se nece~ita: cerca de las raíces. El ejemplo típico es el de las legumbres que pueden utilizarse entres formas diferentes: l. Directamente en alimentación. 2. Transformándolas en productos cárnicos a través del pienso del ganado. Las legumbres y la alfalfa se utilizan de modo creciente como suplemento de alimento para el ganado, tanto en forma de planta como después de su conversión en forraje. 3. Como estiércol fresco: los tréboles y el alfalfa se hacen crecer y se cubren con el arado, para sacar provecho del terreno agrícola estéril o agotado, especialmente en comunidades donde se emplea el cultivo rotatorio.

Fertilizantes nitrogenados artificiales La fijación no biológica o artificial de nitrógeno se lleva a cabo mediante la adición de fertilizantes nitrogenados a la tierra de cultivo. La producción técnica de amoniaco puro -proceso Haber-Bosch-, que combina catalíticamente nitrógeno e hidrógeno, es considerada uno de los más grandes triunfos

de la física moderna y de la ingeniería química, una innovación revolucionaria esencial para la sobrevivencia humana. A principios del siglo, la fuente natural para la producción de fertilizantes y ácido nítrico dependía de las agotables salinas de Chile. Haber y sus colaboradores demostraron que el amoniaco puede sintetizarse a partir de nitrógeno e hidrógeno bajo altas presiones y, preferentemente, a relativas bajas de temperatura, si se añade un catalizador activo. En la actualidad, el abono nitrogenado se prepara, en su mayor parte, a partir de nitrógeno atmosférico e hidrógeno que se produce, a su vez, del gas natural. La producción industrial de abono nitrogenado en el mundo aumenta anualmente 107 toneladas de nitrógeno, o sea, alrededor del15% de la entrada total en el ciclo de este elemento. La radiación solar, especialmente la ultravioleta, provoca la formación de óxidos de nitrógeno, sobre todo en la atmósfera superior, y la combustión y descargas eléctricas producen óxidos de nitrógeno a nivel del suelo (en las ciudades los óxidos de nitrógeno de los gases de desecho en motores de combustión interna son un .grave contaminante atmosférico). Estos gases.so11 arrastrados por la lluvia y el rocío. Su contribución a la entrada de nitrógeno total es aproximadamente de 10%. Por consiguiente, es razonable aceptar que más de 70% de la entrada de nitrógeno en el suelo y en el agua procede a través de bacterias fijadoras de nitrógeno.

Factores energéticos y económicos Una característica importante de la fijación de nitrógeno, especialmente para los cam-

123

TEMAS DE QUÍMICA COTIDIANA

pos estériles, es que la energía para la transformación de dinitrógeno en amoniaco proviene del Sol. En marcado contraste, el proceso Haber-Bosch necesita una energía relativamente desproporcionada para preparar amoniaco. Por ejemplo, se requiere gas natural para obtener hidrógeno, comprimir los reactivos y calentarlos; se precisa de una instalación industrial compleja y costosa, y se exige un consumo de energía adicional para transportar el fertilizante desde la fábrica hasta el punto en que se utilice. En los sistemas simbióticos no existe problema alguno de transporte. La transferencia de nitrógeno fijado desde la bacteria hacia la planta es rápida y eficaz. Esta simbiosis representa, con mucho, el agente más importante de la fijación de nitrógeno biológica en lo que se refiere a la productivi dad agrícola mundial. El ritmo de crecimiento de la población mundial no ha cambiado considerablemente en los últimos años, pero en la actualidad es evidente que las provisiones energéticas del planeta tienen que conservarse. Los precios del petróleo no afectan gravemente en la producción de abonos amoniacales -aunque los costos del gas natural tienden a subir con la tendencia de otros costos energéticos-, pero influyen directamente en los costos secundarios de envase, transporte, etcétera. Podrían construirse más fábricas y producirse más abono artificial; pero, a la larga, los costos energéticos llegarían a ser prohibitivos para muchos países. Veamos algunas cifras al respecto. Se estima que un 80% del hidrógeno requerido para producir amoniaco proviene del gas natural o de fracciones ligeras del petróleo. Más aún, la producción de amoniaco, por sí misma, requiere enormes cantidades de

energía (unos once millones de kilocalorías para producir una tonelada métrica de amoniaco a partir de gas natural). El consumo total de fertilizantes, en general, se incrementó cinco veces en veinte años, mientras que para los fertilizantes nitrogenados el aumento fue de ocho veces en el mismo tiempo: de 5.2 millones a 40 millones de toneladas. Este incremento exponencial de consumo de fertilizantes en el mundo, especialmente con nitrógeno, se tradujo. únicamente en un aumento anual de 3% en la producción de cereales. En 1972la producción de amoniaco en el mundo utilizó un equivalente a 800 mil barriles de petróleo al día. Varios informes indican que la manufactura anual de fertilizantes nitrogenados significa el 2% del consumo total de gas natural en Estados Unidos y representa el87% de la energía usada para preparar los tres nutrimentos primarios de los vegetales (nitrógeno, fósforo y potasio). En resumen, la forma artificial de suplir la fijación de nitrógeno biológica significó, en 20 años, 40 millones de toneladas de fertilizantes nitrogenados, que costaron entre ocho y diez mil millones de dólares. Para el año 2000 se requerirá cuadruplicar la producción.

La investigación y el futuro alimentario Es claro, entonces, que la necesidad mundial de conservar los combustibles fósiles: el carbón, el metano y el petróleo, es un motivo importante para la explotación de la fijación de nitrógeno biológico como recurso para intensificar la producción de alimentos. Durante los últimos años del siglo XX la población se incrementará de 5 x 109 a 6 o

124

FER71LIZANIES Y FlJACIÓN DE NITRÓGENO

7 x 109 habitantes. Como la demanda de alimento será más del doble de la actual, el abastecimiento adecuado de nitrógeno será el reto impuesto para producir esa cantidad de alimentos. En este contexto, los estudios sobre fijación de nitrógeno a nivel mundial están enfocados, fundamentalmente, desde dos puntos de vista. Por un lado, la bioquímica ha tenido avances importantes en relación con el conocimiento de la enzima responsable del proceso (que se sabe contiene dos metales: hierro y molibdeno). Asimismo, se hacen enormes esfuerzos por transmitir la información genética de microorganismos que fijan nitrógeno hacia otros que no la presentan. Por otro lado, los estudios químicos amplían el conocimiento de la reactividad del nitrógeno frente a sistemas metálicos, con lo cual se enriquece el entendimiento, tanto biológico como catalítico, del proceso. Se abren, por tanto, excitantes perspectivas para:

l. Investigar nuevos métodos para utilizar más eficazmente el nitrógeno. 2. Incrementar la cantidad de nitrógeno fijado o desarrollar nuevas y mejores relaciones simbióticas para el sistema plantamicroorganismo. 3. Idear mutan tes microorgánicos que usen desechos orgánicos y luz solar como fuente de energía para que funcionen como fábricas biológicas de amoniaco. 4. Introducir capacidades genéticas de fijación de nitrógeno en plantas y granos. 5. Preparar catalizadores que fijen nitrógeno a temperatura ambiente y presiones atmosféricas. Bastaría adicionarlos y mantenerlos en el suelo para obtener una fertilización permanente.

Los grupos actuales de investigación en este campo reúnen a microbiólogos, químicos, físicos, bioquímicos e ingenieros. Hoy, más que nunca, las relaciones interdisciplinarias, las políticas de planeación científica y tecnológica, y la definición de intereses comunes, deben fortalecerse para lograr, en el futuro, lo que hoy podría sonar a ciencia ficción.

125

Las maravillas del quinto elemento Rosalinda Contreras Theurel

Información Científica y Tecnológica, número 137, volumen 10, 1988.

1 boro es el quinto elemento de la tabla periódica; pero a pesar de ser el vecino anterior del carbono, no participa de manera tangible en la construcción de las sustancias biológicas. En el mundo inanimado su presencia es modesta, pues solamente se encuentra en forma de ácido bórico en el mar o en manatiales volcánicos y en yacimientos terrestres en forma de borosilicatos. Se han encontrado dos ejemplos únicos de sales fluoradas de boro en el monte Vesubio: la avogadrita y la ferrucita. En contraste con la modestia que el mundo inorgánico de este planeta tiene para la construcción de compuestos de boro, el hombre ha sabido crear en el laboratorio cientos de miles de compuestos químicos basados en el boro. Todos ellos tienen en común estructuras originales, formas de enlace y comportamiento químico novedosos. Cuando el boro se une a los compuestos orgánicos da lugar a derivados extraordinariamente útiles e interesantes, como veremos más adelante, y cuando se une a elementos inorgánicos da origen a la química más compleja y diversa de toda la tabla periódica. El boro ha provocado avances espectaculares en la áreas de la síntesis orgánica, la química inorgánica -especialmente en la construcción de cúmulos que son estructuras poliédricas de gran simetría-, la química estructural y la teórica. Ha estado relacionado con los viajes espaciales, la bomba atómica y el tratamiento del cáncer.

TEMAS DE QUÍMICA COTlDIANA

Se sabe que el boro es un componente inevitable de todos los tejidos animales en cantidades menores a una parte por millón, y que es indispensable para la vida marina. En la nutrición de las plantas superiores su deficiencia causa trastornos, pero su exceso es tóxico. Se piensa que, en los vegetales, interviene en la absorción de los metales, en la bioquímica de los azúcares, en la proporción del agua en las células y en la germinación del polen.

El hecho de encontrarse en cantidades tan pequeñas ha impedido el estudio minucioso de su bioquímica. Afortunadamente, en el futuro cercano, cuando se tengan mejores condiciones técnicas, el estudio del boro y de otros elementos que sólo se encuentran en cantidades de trazas en los seres vivos, será un campo de investigación importante. En 1971 se dio a conocer el primer compuesto orgánico natural completamente caracterizado que contenía boro. Se trata de la boromicina (figura 1), un antibiótico producido por el Streptomyces antibioticus. Actualmente se estudian compuestos de boro con posible acción biológica o farmacológica. Parte de su interés se basa en una idea muy sencilla: la vecindad del boro y del carbono, que los hace tan semejantes; tienen una talla similar y pueden unirse fácilmente a tres o cuatro vecinos a través de enlaces covalentes. Esto se traduce en que un átomo de boro puede fácilmente sustituir a un átomo de carbono en una estructura orgánica, manteniendo la geometría, pero ocasionando cambios en la distribución de la densidad eléctrica de los enlaces. Este hecho tiene un efecto importante en la modificación de la actividad biológica por análogos de boro isoelectrónicos e isoestructurales de moléculas biológicamente pertinentes; a tal grado que estas nuevas sustancias pueden ser utilizadas como nuevos fármacos. En particular se han sustituido los carbonos de los aminoácidos. Un ejemplo simple es el análogo de la glicina (figura 2). Los análogos de los aminoácidos en los estudios previos hechos en animales han mostrado actividad antitumoral, antiartrítica e hipolipedémica. Otros compuestos orgánicos en que interviene el boro como parte de un anillo tienen también efectos

12' 27' 13' (R) e~ 11' O--eH" eR:z 10' 25' j \ e~OH 16'(R)eH I4'c~ eH 9'(R)

17'~c/15'(S) "-eH/

19'H3e...._ 1 2o· '-C.,.... .. ~

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1 23 024

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... "2

IS(S)1H / ~

14~C

16(R)eH

u e:::::=: 'H + ~N

17 ..,.CH3

ox 21

11 X= -CO-C-H

lX=H

CH(C~) 2

Figura l. Estructura de la boromicina tal como aparece descrita en la revista Helvetica Chimica Acta 54, 1712 ( 1971 ).

128

LAS M4RAWUAS DEL QUINTO ELEMENTO

Figura 2. El análogo horado de glicina protonada se muestra junto con la estructura de la glicina, aminoácido esencial.

anticancerígenos, y otros más son fungicidas e insecticidas (figura 3). Existen dos isótopos de boro: el boro 1O, que se encuentra naturalmente en un 20%, y el boro 11, en un 80%. El primer isótopo tiene una capacidad extraordinaria para absorber neutrones térmicos o lentos. Esta absorción produce una reacción de fisión que emite gran cantidad de energía. Este comportamiento hizo pensar a muchos investigadores que los compuestos fabricados con boro 1O podrían ser instrumento importante en el tratamiento del cáncer, pues si se concentra un compuesto que contiene boro 1O en un tumor canceroso y se somete a una radiación de neutrones lentos, se produce dentro de la célula que absorbió al compuesto una reacción nuclear que la destruye. Para esto es necesario ad-

......... / N

OH 2a R'

.AvÁ-~-"N-·+0 YAx

yo R"

· Figura 3. Algunos heterociclos de boro, de actividad anticancerígena, según se informa en la revista Monatshefte für Chemie 113, 1025. (1982).

ministrar al paciente un compuesto de boro 1O no tóxico y que se absorba de manera específica en el tumor. Los tumores cerebrales son los más permeables, así que los estudios se enfocaron principalmente al tratamiento de éstos. Esta posibilidad de utilización del boro estimuló la síntesis y la investigación de las propiedades farmacológicas de gran número de compuestos. Durante veinte años se analizaron aproximadamente unos doscientos compuestos, la mayoría de los cuales resultó ser altamente tóxica. Sólo algunos compuestos resultaron interesantes; desgraciadamente todos los casos de tratamiento de cáncer resultaron negativos. Los estudios anteriores han derivado en la síntesis fija de anticuerpos humanos marcados~éon boro. Estos anticuerpos se fijan de manera más s~lectiva en las células cancerosas, lo que permite usar el tratamiento con boro en cualquier tipo de tumor y, además, deja una gran esperanza en el tratamiento del cáncer. La semejanza entre el boro y el carbono vuelve a sorprender si se toma en cuenta otro aspecto: millones de moléculas forman la química del carbono, debido a que este elemento tiene la rara propiedad de unirse con él mismo, para dar largas cadenas, ramificaciones y anillos en donde intervienen decenas de átomos. El boro era hasta hace poco tiempo el segundo elemento conocido que podía combinarse consigo mismo para dar grandes moléculas, con la diferencia fundamental de que el boro se asocia en forma de poliedros, conocidos como cúmulos . El boro puede combinarse con casi todos los elementos de la tabla periódica para dar cientos de materiales diferentes, conocidos como boruros. En éstos el boro puede ir asociado con uno o dos elementos. Cuando el boro se asocia con el carbono 129

TEMAs DE QUÍMICA COTIDIANA

carbono da origen a una gran familia de compuestos llamados hidrocarburos, cuyo empleo principal es como combustibles. En 1900, en Berlín, Alfredo Stock descubrió los primeros ejemplos de una clase de compuestos formados de boro e hidrógeno: los hidruros de boro. Stock observó que cuando hacía reaccionar un boruro metálico y un ácido se producía un gas que se inflaba espontáneamente en el aire. Él pensó en la posibilidad de que el gas fuera algún compuesto de boro e hidrógeno inestable en el aire. Para poder estudiarlo ideó un sistema de vacío provisto de válvulas de mercurio. Sus estudios y el equipo diseñado permitieron el inicio de la química inorgánica covalente y la facilidad del manejo, en el laboratorio, de sustancias reactivas al aire y a la humedad. La exposición al mercurio produjo en Stock una intoxicación crónica que desvió su atención hacia el estudio de las causas y los efectos de la intoxicación por mercurio. Los estudios sobre los hidruros de boro durmieron veinte años a causa de la gue-

Figura 4. Estructura del carburo de boro. En el centro se muestran tres átomos de carbono alineados, rodeados por siete de los ocho icosaedros que forman la celda unitaria.

da el carburo de boro (figura 4). La estructura unitaria de este material es de tres átomos de carbono unidos linealmente, rodeados de ocho icosaedros. Los boruros normalmente se presentan como bellas estructuras de gran polimorfismo. Abundan las estructuras prismática, cúbicas o icosaédricas (figuras 5). Los boruros tienen puntos de ebullición altos y gran dureza (en muchos casos superior a la del diamante) y químicamente son muy inertes. Por estas características son muy empleados como refractarios, polvos abrasivos, para hacer electrodos y crisoles, y para endurecer el acero. En la industria nuclear sirven como barrera para los neutrones, y en la industria química como catalizadores heterogéneos para acelerar las reacciones químicas. Insistiendo en la semejanza del boro con el carbono hay otro punto importante que debe destacarse. Es bien sabido que la combinación del hidrógeno con el

Figura Sa. Estructura del boruro de aluminio.

130

LAS MARAVILLAS DEL QUINTO ELEMENTO

rra. Al fin fueron retomados por dos estadounidenses: Schlesinger y Lipscomb. Se descubrió que los hidruros de boro tienen un contenido energético mayor que los hidrocarburos, y el gobierno de los Estados Unidos pensó que sería interesante utilizarlos como combustible de las naves espaciales. Así que se dedicaron enormes sumas de dinero al desarrollo de las investigaciones sobre estos compuestos, lo que dio como resultado un gran avance en el conocimiento de sus estructuras, propiedades químicas y físicas, síntesis y apli.caciones. La utilización de los boranos como combustibles fue un fracaso, porque la combustión de éstos produce óxidos de boro sólidos que son difíciles de manejar, por lo que el gobierno dejó de interesarse en ellos. La parte positiva de todo esto es que nos dejó conocimientos de valor incalculable que permitieron el desarrollo de la química moderna del boro. Los hidruros de boro presentan características físicas y químicas diferentes a las de los hidrocarburos. La mayor parte son piro-

Figura Se. Estructuras cubo octaédricas de boruros métalicos MB 12 •

fóricos, que, al entrar en contacto con el aire, producen una flama verde brillante (figuras 6). Uno de los hidruros de boro más estudiados es el diborano (B 2H6) análogo del etano (C 2H6), con el que, sin embargo, presenta diferencias fundamentales (figura 7). El diborano, gas de preparación muy simple, de una oscura curiosidad de laboratorio pasó a ser uno de los reactivos más estudiados y utilizados en química. Este compuesto dio origen a fuertes discusiones en tomo a su estructura. En los años treinta se puso en evidencia la estructura del diborano por difracción electrónica e infrarrojo. Ésta muestra dos hidrógenos puente entre dos boros y cuatro hidrógenos tenninales. Con todo, tal hecho fue condenado a la sombra porque violaba los conocimientos del momento sobre el enlace químico. El diborano carecía de suficientes electrones para situar dos electrones en cada enlace. La disputa cedió veinte años más tarde, cuando la estructura fue confirmada irrefutablemente por otros mé-

Figura Sb. Estructura cúbica de boruros metálicos MB 6•

131

TEMAS DE QUÍMICA COTIDIANA

Figura 6a. Estructura del borano M 2B 10H 14•

Figura 6b. Estructura del borano B 16H20•

todos analíticos. Con ello se derrumbó el concepto clásico de enlace y se aceptó la existencia de enlaces entre átomos con un número menor de dos electrones. Esto tuvo un gran impacto en la química teórica y en

el concepto de enlace químico. En 1976 se dio el premio Nobel de Química a Lipscomb, exalumno de Linus Pauling, por sus hallazgos concernientes a las estructuras químicas de los boranos, hallazgos que logró a través de sus estudios tanto teóricos como experimentales. Una de las principales aplicaciones del boro en la química moderna es la utilización de sus derivados como reactivos químicos. Especialmente son importantes los hidruros del boro o boranos, que son excelentes reductores, es decir, que adicionan hidrógeno a sistemas insaturados. En 1956 Herbert Brown y su alumno Suba Rao descubrieron la reacción de hidroboración. Esta reacción consiste en la adición de un enlace boro-hidrógeno a un doble o triple enlace de carbono deficiente en hidrógeno (figura 8). Cuando el boro queda unido a un carbono se habla de

1 \H

--e .....,H

H.-,,'•

/"""' ""'"/

~\'''~ H

,,t '

f\C

6) -

~H, .....a . .

··•OH

Figura 8. Esquema de la reacción de hidroboración del a -pineno que conduce a un organoborano y por oxidación al alcohol del pineno.

Figura 7. Comparación entre las estructuras del etano C2H6 y la del diborano B 2H6 •

132

LAS MARA\t7LLAS DEL QUINTO ELEMENTO

un organoborano, especie química muy reactiva que puede transformarse fácilmente en otros grupos químicos de interés sintético. La calidad y cantidad del trabajo de Brown lo han convertido en el químico más citado del mundo. Hasta el momento ha publicado más de mil trabajos sobre la química del boro y sus aplicaciones en síntesis orgánica. En 1979 mereció el reconocimiento de la Fundación Nobel. El relato de las propiedades y aplicaciones del boro podría continuar a través de

muchas páginas, en donde se podrían citar usos menos espectaculares y más cotidianos, como es el empleo de los boratos en la fabricación del vidrio pyrex, resistente al calor. Pero tal vez lo más importante sea mencionar que la investigación sobre este elemento y sobre todos los otros de la tabla periódica está todavía en estado incipiente y que es necesario continuar los trabajos para acrecentar los conocimientos fundamentales y las aplicaciones naturales que deriven de ellos.

133

Elementos metálicos de la vida Rodolfo Acevedo Chávez Información Científica y Tecnológica, 136 (10), 1988.

esde hace muchos años, los médicos saben que algunas enfermedades y alteraciones metabólicas se asocian ya sea a una deficiencia o a un exceso de ciertos iones metálicos en el organismo humano. Sin embargo, compete a la química y a la bioquímica, entre otras áreas del conocimiento científico, estudiar a escala molecular el origen de estas perturbaciones, así como las funciones que desempeñan los iones metálicos. Sobre este problema, sumamente complejo, preguntas tales como: ¿cuáles son los elementos químicos metálicos necesarios para las formas diferentes de vida hasta hoy conocidas?, y ¿a qué estructuras se integran los iones metálicos?, han encontrado algunas respuestas, apoyadas en gran medida por estudios sobre la química de los compuestos de coordinación. Esta situación se debe, por un lado, al enorme grado de dificultad del problema, así como al hecho de que los trabajos en esta área de estudio se iniciaron en la segunda mitad de este siglo. No obstante, la concepción científica contemporánea, referente a que las reacciones biológicas diversas son esencialmente un entramado de eventos fisicoquímicos regidos por leyes generales, ha contribuido sin duda a un avance notable en el conocimiento fundamental de la química de la vida. En el presente artículo se exponen brevemente algunos puntos sobre este problema, verdaderamente apasionante, en el cual interviene íntimamente la bioinorgánica.

TEMAS DE QUÍMICA C071DIANA

Distribución de los elementos químicos en la biosfera En nuestro planeta todos los organismos vivos se encuentran distribuidos en una capa que es realmente muy delgada si se compara con las dimensiones de la Tierra. Conocer la composición química elemental de la biosfera ha sido una de las inquietudes fundamentales del ser humano, dado que contribuye, entre otros aspectos, a esclarecer la naturaleza de la diversidad de los ni veles organizati vos y asociativos de la materia viviente y de sus transformaciones. Los avances en el conocimiento de dicha composición química han fascinado a los especialistas, con relación a las formas y mecanismos en que los organismos vivos han ido "seleccionando", en su evolución, ciertos elementos químicos como ladrillos para su constitución y funcionamiento. A este respecto, la composición química de la biosfera, también en tra_p.sformación incesante, desempeña un papel fundamental para la disponibilidad de dichos elementos. En relación con ello, ocho elementos químicos de la corteza terrestre (0, Si, Al, Fe, Ca, Na, K y Mg) contribuyen aproximadamente con el 98% de los átomos de ella (tabla 1). De estos 8 elementos sólo cinco (0, Ca, K, Na y Mg) se encuentran entre los once que aportan cerca del 100% de los átomos del organismo humano. No es sorprendente que 9 de estos once elementos sean también los más abundantes del mar. Una de la fuerzas directoras en la selección evolutiva de los elementos esenciales para la vida se asocia con las propiedades fisicoquímicas del H20, y de su ubicuidad, que la convierte en disolvente base de todas las formas de vida hasta hoy conocidas. Muchos de los com-

ponentes esenciales para la vida derivan su carácter de la manera en que se comportan durante las interacciones con el H20, -ya sean solubles o insolubles a ciertas condiciones, que presenten o no cargas eléctricas en disolución acuosa- así como también de su efecto sobre propiedades fisicoquímicas diversas de las disoluciones correspondientes.

Elementos metálicos esenciales para la vida Los organismos vivos están constituidos por átomos de los elementos químicos que existen en forma natural. Sin embargo, no se han encontrado los 90 elementos químicos naturales en los sistemas biológicos. La tabla periódica adjunta (figura 1) presenta los 30 elementos que hasta la fecha han mostrado ser esenciales para la vida. De ellos, el H, el C, el N y el O son los más abundantes en los or-

Figura l. Ferricromo. Compuesto de coordinación de Fe3+, cuya molécula orgánica es sinterizada por ciertos microorganismos, con el fin de "atrapar" al hierro y hacerlo biodisponible.

136

ELEMENTOS MEI'ÁIJCOS DE LA WDA

ganismos vivos, constituyen más del99% de todos los átomos del organismo humano (tabla 1). Estos cuatro elementos forman parte esencial de compuestos imprescindibles para la vida, como los carbohidratos, los lípidos, las proteínas, los ácidos nucleicos y las vitaminas. Por otra parte, las propiedades electroquímicas de la materia viviente dependen en forma crítica de los elementos (o combinaciones de ellos) que experimentan pérdida o ganancia de electrones en disolución acuosa, formando iones. Así, los cationes principales provienen de los metales N a, K, Ca y Mg. A su vez, los aniones principales son aportados por el ion cloruro, y por el S y el P como sulfato y fosfato, respectivamente, entre otras formas. Estos 7 iones mantienen en gran medida la neutralidad eléctrica y los volúmenes adecuados de fluidos corporales, a consecuencia del mantenimiento de la relación adecuada entre la presión osmótica y la distribución de cargas en ambos lados de la membrana celular~ Uno de los rasgos sobresalientes de la distribución de los iones es su especificidad: las células son ricas en K+y Mg2+y el plasma circundante en Na+ y Ca2+; en este último hecho se refleja el origen oceánico de los antecesores celulares. Sobre esto, una inquietud ha sido conocer cómo "aprendieron" las células primitivas a excluir al Na+ y al Ca2+, así como a desarrollar un medio interno lleno de ejemplos sobre la participación biológica de los siete elementos químicos esenciales citados con anterioridad y que, en suma, contribuyen con algunas décimas al porcentaje total de los átomos del organismo humano. Otro grupo de elementos químicos esenciales en la vida es el de los elementos denominados traza. El hecho de que ellos sean

requeridos por los .organismos vivos en concentraciones muy bajas no disminuye en absoluto su importancia; en este sentido, son comparables a las vitaminas. En la actualidad se sabe que la gran mayoría de estos elementos químicos, en particular los iones metálicos de transición, se relacionan a nivel celular principalmente con la actividad" biológica de las enzimas, o de otras proteínas que también tienen funciones vitales, como la hemoglobina y la hemocianina, transportadoras de oxígeno. Cabe decir que, de todas las enzimas hasta hoy estudiadas, aproximadamente un tercio requiere de los iones metálicos como participantes esenciales en su actividad catalítica óptima (en la tabla 3 pueden verse algunos ejemplos). Es conveniente destacar el hecho de que dichos iones metálicos desempeñan varias funciones, entre las que se encuentra la integración de porciones moleculares com-

Tabla l. Selectividad química del organismo humano. Los valores numéricos son el porcentaje del número total de átomos. Debido al carácter aproximado de los valores, su suma no es igual a 100 en forma rigurosa.

137

TEMAS DE QUÍMICA COTIDIANA

D 0 [0

Elementos estructurales r--

1- 1Macroelemenros ~

[§]

~ @i]

Be 11 Elementos traza esenciales

-Cl

~ ~

N p

-Na

LYJ [Q] [M!!] ~ ~

[M2]

1!!

[!]

[lli

'-.....

lliil

~ Lantánidos

1--- Actínidos

Figura 2. El sistema periódico y el número actual de elementos esenciales para la vida.

plejas que confieren la actividad biológica a dichas proteínas; éste es el caso de las metaloproteínas. Un grupo de' éstas, de importancia fundamental, es el de las metaloenzimas, en el que la eficiencia y especificidad de la actividad catalítica resultan de una combinación amplia, compleja y delicada de factores, que van desde la naturaleza misma de los iones metálicos y su estado de oxidación, así como de sus ambientes químico y electrónico, hasta aspectos tan finos como la naturaleza y secuencia de los componentes de las porciones proteicas, su distribución y orientación espacial, así como de las asociaciones de estos conglomerados moleculares, con otros de la misma naturaleza o con características diferentes. Por citar algunos casos, se encuentra el grupo de metaloenzimas que contiene en sus centros catalíticos a los iones Zn, Fe o Cu. En las enzimas de Zn, el ion metálico, entre otras funciones, es un centro superácido. En las metaloenzimas de Fe o Cu, los iones metálicos realizan el transporte de electrones (en .función del cambio de su estado de oxidación), favore-

ciendo la oxidación de moléculas que participan en diferentes ciclos metabólicos. En la tabla 4 se dan algunos ejemplos concretos de metaloenzimas y su función biológica. De lo anterior se desprende que los sistemas enzimáticos han proporcionado el mejor modelo de avance del conocimiento acerca de la participación biológica de los elementos traza esenciales. Sin embargo, se carece aún de información tanto teórica como experimental sobre la naturaleza de sistemas enzimáticos con otros iones metálicos traza, entre ellos Cd, Sn, Pb y Li.

Antagonismo y sinergismo Los comentarios anteriores sobre la participación de los elementos metálicos en los organismos vivos obligan a considerar la influencia que tiene un elemento particular sobre otro u otros. Este problema es fundamental, dado que los sistemas biológicos, en su conjunto, son el ejemplo más elocuente de la complejidad de las interacciones, tanto de los elemen-

138

ELFMENJOS METÁIJCOS DE LA WDA

tos esenciales, como de los sistemas químicos más complejos de los que forman parte. Con relación a esto, se han podido encontrar diversos efectos, tanto de antagonismo como de sinergismo. Como ejemplos de efectos antagónicos se tiene que la absorción del Zn2+ se ve impedida por el Fe2+, a la vez, la concentración elevada de Zn2+ induce una deficiencia relativa de Cu2+; el Mo y el S también antagonizan con el Cu2+; el W es antagonista del Mo en diversas reacciones oxidativas que requieren de este último elemento metálico. La figura 2 muestra otros ejemplos de antagonismo de elementos metálicos esenciales. Un ejemplo del segundo tipo de efectos es el caso del Cu, que es un elemento esencial para el metabolismo adecuado del Fe: un organismo privado del primer metal (aunque no del segundo) desarrolla anemia, debido a que la maquinaria biosintética no realiza la incorporación adecuada del Fe en la formación de la hemoglobina. Este hecho se relaciona íntimamente con la ceruloplasmina, metaloproteína de cobre presente en el plasma sanguíneo que actúa como puente entre los dos metales al promover la movilización del Fe del hígado, de tal manera que la proteína transferrina pueda enlazarse a dicho ion y transportarlo a los eritrocitos en desarrollo para la utilización directa del metal en la biosíntesis de la hemoglobina.

¿Cuántos elementos químicos más son esenciales para la vida? Esta pregunta nos remite a un campo de investigación sumamente fructífero, con horizontes aún insospechados; aunque también eS incuestionable que el establecimien-

'Thbla 2. Ejemplos de participación biológica de los macroelementos.

139

TEMAS DE QUÍMICA C071DIANA

Tabla 3. Ejemplos de participación biológica de los elementos traza.

140

ELEMENIOS METÁ!lCOS DE LA WDA

to del carácter esencial de un elemento químico en un organismo vivo particular es un problema de complejidad creciente, en el que se entrelazan el concepto mismo de esencialidad y estrategias metodológicas y técnicas, cada vez más refinadas, para la realización experimental de dichos estudios. El estado actual de la investigación de los elementos traza en los sistemas biológicos se apoya en los avances que se han logrado con el diseño de métodos experimentales de inducción de cambios en niveles de concentración de elementos traza específicos en sistemas biológicos de experimentación, lo que requiere de un mantenimiento bajo regímenes de alimentación con formulaciones sintéticas especiales, en cámaras con ambiente rigurosamente controlado. Sobre este mismo problema cabe preguntarse cómo varía la respuesta del organismo frente al cambio en la concentración de un elemento químico esencial. Los elementos traza esenciales proporcionan una información muy valiosa: bajo una deficiencia absoluta del elemento esencial puede sobrevenir la muerte; con un suministro limitado, el organismo sobrevive pero puede mostrar insuficiencia marginal; con un incremento subsecuente de la concentración del elemento se establece una meseta, que repre. senta un funcionamiento óptimo; a medida que el elemento esencial es proporcionado en exceso, se establece primero una toxicidad marginal y posteriormente una letal. En tanto que esta curva puede variar cuantitativamente, según el tipo de elemento químico, el patrón fundamental se cumple para la virtual totalidad de los elementos traza esenciales. En la figura 3 se ilustra el comportamiento descrito anteriormente. Por último, y para mostrar tan sólo con algunos datos el camino que ha seguido

' Tabla 4. Algunos ejemplos de metaloenzimas.

el establecimiento del carácter esencial de los elementos químicos, conviene decir que entre 1928 y 1935 se constató que los elementos Cu, Mn, Zn y Co son esenciales para la vida. Entonces se llegó a pensar que esos cuatro metales podrían ser los últimos de la lista de los elementos traza esenciales. Sin embargo, durante los 30 años siguientes, tres elementos más se incorporaron a ella; a saber: Cr, Se y Mo. Los elementos F, Si, Sn y V se incorporaron, a principios de los años setenta, a la lista de los elementos esenciales, con lo que el número de estos as141

~SDEQmM~ACOVDMNA

OPTIMA

~ c..

--@B

~IIl

IIl

...l

DOSIS DEL ELEMENTO ESENCIAL _ _ . . . .

microgramos/día - 1 0 - 5 0 - S e - 200----+ miligramos/día - . 5

Figura 3. Antagonismos en la biodisponibilidad de algunos me-

IOl~

10'

-F-10-20-----;..100

Figura 4. Patrón de respuesta biológica a la dosis de un elemento esencial (ejemplos: selenio y flúor).

tales y no metales. Cada flecha continua indica un antagonismo elevado entre los dos elementos. Las flechas discontinuas sugieren antagonismos más débiles.

sentativos del tema. La intención general ha sido mostrar un poco sus "entrañas" y el reto que significa su estudio. En éste, es fundamental que converja un buen número de disciplinas científicas (entre las que se encuentran la bioquímica, la fisiología y la química), con la finalidad de participar de manera concertada tanto en la solución y detección como en la elaboración de problemas nuevos, con formulaciones teóricoexperimentales unitarias. Para concluir, y en relación con el estado de desarrollo que presenta en el país una de las disciplinas que intervienen en estos trabajos, la química bioinorgánica, es necesario destacar que ésta apenas rebasa los diez años. Sin embargo, existen ya resultados sumamente meritorios y de relieve internacional. Estos estudios se concentran en instituciones de educación superior, entre las que sobresalen la Universidad Nacional Autónoma de México, la Universidad Autónoma de Puebla,

cendió a 24. Después de poco más de diez años de investigaciones, el número de elementos químicos conocidos como esenciales para la vida llegó a 25; para la segunda mitad de este decenio, este número creció a 30. Como se puede ver, el libro de registro sigue abierto, y aunque es posible elaborar algunas predicciones sobre el carácter esencial de ciertos elementos químicos naturales, éstas deben hacerse con cautela, dado que los estudios son todavía muy jóvenes, y el tema de gran dificultad, pues concierne a sistemas no solamente complejos, sino también dinámicos, en los que debe tenerse en cuenta su capacidad de adaptación y evolución.

Amodo de comentario final Los puntos que se tocaron brevemente en este material no son necesariamente repre142

ElEMENTOS METÁLICOS DE L4 V7DA

el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, la Universidad Autónoma de Guanajuato y la Universidad Autónoma Metropolitana. BIBLIOGRAFÍA

l. B.E. Douglas, D.H. McDaniel y J.J. Alexander, lnorganic Chemistry, 2a. ed., John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1983.

2. M.M. Bloomfield, Chemistry, 3a. ed., John Wiley & Sons Inc., N.Y., 1984. 3. M.N. Houghes, The Inorganic Chemistry of Biological Processes, 2a. ed., John Wiley & Sons Ltd., N.Y., 1981. 4. E. Frieden, Journal of Chemistry Education, 62, 917, 1985. 5. I. Bertini, C. Luchianat y R. Monnani, Journal of Chemistry Education, 62, 924, 1985. 6. S. J. N. Burgmayer y E.I. Stiefel, Journal of Chemistry Education, 62, 943, 1985.

143

Costo energético, opio y neuroquímica Adoni Garritz y José Antonio Chamizo

Química, Addison-Wesley, Iberoamericana, Wellington, 1994.

as actividades diarias de todas las personas requieren energía: la circulación de la sangre, hacer la digestión, res pirar, pensar, es decir, todo lo que implica vivir. La cantidad de energía necesaria para cada persona depende de la edad, el sexo, el tamaño y el tipo de actividades que realiza. A la energía mínima necesaria para vivir se le conoce como requerimiento metabólico basal (RMB), y sus unidades son kJ/(m2hr). Una persona en estado de coma requiere, para sobrevivir, de su RMB, el cual se le administra por vía intravenosa. En la figura 1 se muestra el RMB para los dos sexos, en función de la edad. El RMB depende de la superficie corporal de la persona, la cual puede estimarse a partir del peso y la estatura mediante la siguiente fórmula empírica:

A =0.202 x Peso0.425 x Altura0·725

donde A es el área, en metros cuadrados, el peso se expresa en kg y la altura en m. El producto del RMB y la superficie de una persona indica la cantidad de energía que necesita para vivir cada hora, lo que se conoce como requerimiento energético basal, REB. REB=RMBxA

Sí, además de subsistir, se realiza alguna otra actividad, el costo energético aumenta. La tabla 2 muestra la cantidad de energía

· TEMAS DE QUÍMICA COTIDIANA ~54~--------------------------~

se acaba, el cuerpo empieza a consumir sus propias proteínas, lo que da lugar a un deterioro físico importante.

'"a 5o 7a 48

~ <3 46 ]

Gasto energético de una estudiante

Hombres

-§ 40

----------------------~~)-~:~~-------------------------:::_:::::~

36 34 ·~ 32

Calcula el gasto energético diario de Andrea, una estudiante de 15 años de edad que pesa 45 kg y mide 1.55 m. Inventa las actividades que realiza cada día. En la figura 1 podemos ver que el RMB es de 164 kJ/m2 hora. El área corporal de Andrea se obtiene con la fórmula empírica

~30~--~---~-··-_---~---~---_----~---~---_---~---~---~----~---~---~---_---~---~---~----~---~---~---_---~---~----_---~---~---~--

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

Edad (años)

Figura l. Requerimiento metabólico basal.

necesaria para realizar algunas actividades además de la RMB, para un hombre de 70 kg y 1.70 m de altura. La energía que consumen las actividades humanas proviene de la comida que ingerimos. Las características energéticas de algunos alimentos se muestran en la tabla l. El cuerpo no tiene otros mecanismos, excepto la actividad, para eliminar el exceso de energía ingerido en forma de eomida. Si la ingestión sobrepasa el gasto (cuando se realiza poco ejercicio), se concentran grasas en el tejido adiposo. Como dato curioso, el libro Guiness de récords de 1992 informa que en 1982 un equipo de cirujanos de Nueva York extirpó 67 kg de tejido adiposo de las paredes abdominales de un hombre de 362 kg, empleando para ello un elevador de poleas para ir retirando las capas de grasa que iban extirpando. Como ves, no cabe duda de que la mejor manera de perder peso en hacer ejercicio. Por otro lado, ocurre un déficit energético si el alimento suministra menos energía de la que se gasta. Esto da lugar a que se consuma la grasa corporal. Por cada 38 kJ de déficit se consume aproximadamente 1 gramo de grasa; cuando la grasa

A= 0.202 X 45°·425

1.55°·725 = 0.202 X 5.04 X 1.37 = 1.40 m 2

Por tanto, su REB es REB

=164 kJ/m

hr x 1.40 m 2 =230 kJ/hr

Andrea necesita, para mantenerse con vida, 230 kJ cada hora, es decir, 5 520 kJ al día. Como realiza diversas actividades, estima-

Tabla l. Porcentajes aproximados de carbohidratos, grasas, proteínas y agua en algunos alimentos.

146

COSTO ENERGÉTICO, OPIO Y NEUROQUÍMICA

remos el gasto energético con base en la tabla 2.

<>{·::,.·~

E)otillirj: . . , ..·

Actividad

'~s~d~splé~~

Gasto energético, kJ

f :E~Uii s~~tad¿{TV) ·.·

· EstudÍa,isenta(io . Est.ar de' pie . : .caniliiatiéntíillefiie Copíe~ yy~stirse

8 horas para dormir 3 horas para comer, bañarse y vestirse 6 horas de estudio 1 hora de natación 2 horas de caminar 4 horas de lectura y TV

450 1 200 1 800 1 000 520

Total

4 970

kJ!hr

Bañarse Bailar Jugar tenis · Jugar. voleibol. Jugai fútbÓI Nadcir Correr

14S 2000 ')800 630 2100 1800. '2300

200 220

sao' 150

Tabla 2. Consumo metabólico aproximado en diversas actividades de un hombre de 70 kg y l. 70 m.

Los alcaloides del opio El opio, producto obtenido de secar el líquido lechoso extraído de las semillas inmaduras de amapola, es una compleja mezcla de más de 20 compuestos de nitrógeno (como son bases o álcalis, se les ha dado el nombre de alcaloides), azúcares, ceras y resinas. El alcaloide principal, la morfina, se usó ampliamente en el siglo XIX para reducir el dolor causado por las heridas de guerra. Fue entonces cuando se descubrió que causaba adicción, además de letargo, sueño, euforia y, en el peor de los casos, depresión del sistema respiratorio. Un cambio pequeño en la arquitectura molecular de la morfina produce efectos fisiológicos muy diferentes. Al sustituir un grupo -OH por uno -OCH3 se obtiene la codeína que, aunque también induce el sueño, es menos potente. El reemplazo en el laboratorio de los dos grupos -OH de la morfina por grupos acetilo CH3COO- da lugar a la heroína, producto que se vendía comercialmente a inicios del siglo XX como una medicina segura para curar la tos. Años después se descubrió que era una droga más potente que la morfina, y que su adicción era más difícil de curar (figura 2). La heroína causa una adicción tan intensa que en ocasiones una o dos inyecciones

Los valores anteriores corresponden a la actividad de un hombre de 70 kg y 1.70m, es decir, con 1.8 n12 de superficie. Para estimar los de Andrea podemos corregir de acuerdo con su superficie corporal. El factor de corrección es el cociente entre ambas superficies: Factor de corrección= AAnctre/1.8 m 2 = 1.4/1.8 = 0.77

Las actividades diarias de Andrea requieren entonces Actividades REB diario Total

Actividad ':··(,'''

4 970 (0.77) = 3 827 kJ 5 520 kJ 9 347 kJ/día

El resultado anterior nos indica que cerca de dos terceras partes de la energía que Andrea utiliza cada día se emplea exclusivamente en mantener su cuerpo "funcionando", a 37 grados centígrados. Como la energía proviene de la comida, Andrea come principalmente para mantener la temperatura de su cuerpo, a la cual se llevan a cabo los procesos metabólicos. Con base en la tabla 1 puedes ahora escoger una alimentación balanceada que proporcione requerimiento energético.

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TEMAs DE QUÍMICA COTIDIANA

son suficientes para inducir dependencia. Su uso genera tolerancia, de ahí que las personas adictas requieran dosis cada vez mayores para sentir el mismo efecto. La muerte se produce generalmente por sobredosis. Como la producción de heroína es ilegal, el control de calidad que sobre ella se ejerce es nulo, y usualmente se vende adulterada ("cortada", en el argot empleado en el medio) con otros productos, como azúcar o lactosa. Por esta razón, la concentración de heroína que un heroinómano se inyecta directamente en las venas puede variar considerablemente, y no es difícil alcanzar una sobredosis. Además, el uso de jeringas contaminadas da lugar a · diversas enfermedades, como hepatitis, tétanos y SIDA.

Ricardo Tapia Ibargüengoytia, neuroquímico

yH3

TH3

H)O~ ~] ~oH mp~oH o

(a) Morfina

(b) Codeína (metilmorfina)

(e) Heroína (diacetilmorfina)

Figura 2. Fónnulas de la morfina, la codeína y la heroína. Son muy pequeñas las diferencias de estructura entre estos tres compuestos. La morfina (a) representa ell 0% del peso del opio, y es una droga peligrosa. El opio contiene apenas 0.5% de codeína (b), compuesto que se emplea todavía en algunos jarabes para la tos. La heroína (e) no es un producto natural, sino sintético. Causa adicción mucho más fácilmente que la morfina.

forman puentes disulfuro, -S-S-, con lo cual pierde actividad. Las células, incluyendo las neuronas que son el objeto de investigación del doctor Tapia, cuentan con mecanismos para regular y controlar de una manera muy precisa estos mecanismos de óxido-reducción. Cuando una neurona muere, una de las teorías propuestas para explicar su degeneración es, precisamente, que se generan radicales libres debido a que dejan de funcionar los mecanismos de control de la óxido-reducción. Ricardo Tapia ha investigado durante treinta años algunos de los mecanismos moleculares del cerebro, trabajo por el que ha recibido el premio de la Academia de la Investigación Científica, el Premio Universidad Nacional (en investigación en ciencias naturales), el Premio de Investigación en Epilepsia (de la Secretaría de Salud) y el Premio Rosenkranz (del Instituto Syntex). La neuroquímica -nos dice el doctor Tapia- es una rama de las neurocien-

En los procesos bioquímicos, la transferencia de electrones desempeña un papel primordial, nos dice Ricardo Tapia, investigador del Instituto de Fisiología Celular de la UNAM. La óxido-reducción es el proceso por el que se transfiere la energía en la cadena respiratoria, y lleva finalmente a la síntesis del compuesto clave que permite a las células desarrollar todas sus funciones: el ATP. Por otro lado, en el interior de la célula se lleva acabo una serie de reacciones de óxido-reducción que son importantes para que funcione adecuadamente. Por ejemplo, si las proteínas se oxidan, puede alterarse su función, y esto ocurre en las que poseen aminoácidos con azufre (por ejemplo, cisteína). La forma reducida de la proteína posee grupos -SH, indispensables para funcionar adecuadamente. Al perder hidrógeno, la proteína se oxida y se 148

COSTO ENERGÉTICO, OPIO Y NEUROQUÍMICA

cias, o sea, del conjunto de las disciplinas que se ocupan del funcionamiento del sistema nervioso. El objetivo de la neuroquímica es determinar cuáles son los mecanismos químicos específicamente relacionados con el funcionamiento del tejido nervioso. En su trabajo utiliza animales pequeños como sujetos experimentales, por ejemplo ratones y ratas. La comunicación nerviosa se lleva a cabo a través de las células llamadas neuronas. Lo que una neurona hace es enviar, o no, impulsos nerviosos a través de una prolongación del cuerpo neuronal-llamada axóncon objeto de comunicarse, sea con otra neurona o con un músculo (en el caso de las neuronas motoras). Los impulsos nerviosos son de origen eléctrico, y se conducen y transmiten a lo largo de axón mediante iones que atraviesan su membrana, en la que existen "canales" específicos para el Na+ y el K+. Sin embargo, cuando el impulso nervioso llega al final de axón, como cada neurona es independiente de las otras (hay un espacio entre ellas que mide 20 nm), es necesario que se establezca un puente de comunicación entre ellas, que en este caso es de naturaleza química. El efecto del impulso nervioso que termina en la membrana del axón es liberar un neurotransmisor: una molécula que se encarga de cruzar el llamado espacio sináptico. El neurotransmisor alcanza la siguiente neurona y reconoce una molécula proteica (receptor) de su membrana. Al ocurrir este contacto, el neurotransmisor actúa, y reactiva el mensaje eléctrico. El receptor de un neurotransmisor puede ser bloqueado por una droga cuya estructura química sea similar. La droga se convierte entonces en un inhibidor competitivo de la actividad de la proteína receptora, e impide la comunicación nerviosa.

Un ejemplo muy claro ocurre en la unión neuromuscular, en la que el neurotransmisor es la acetilcolina. Hay drogas que se unen al receptor en el músculo e impiden la llegada de la acetilcolina, por lo que el músculo no se contrae. Una de estas drogas es el curare, veneno que empleaban los indígenas del Amazonas en la punta de sus flechas. Al inhibirse la contracción muscular, se presenta parálisis respiratoria en la víctima. Si esto mismo lo extrapolamos al sistema nervioso central y a sus cientos de miles de millones de neuronas, del funcionamiento de cuyos circuitos dependen todas las actividades mentales, no es difícil

Figura 3. Viaje sináptico de un mensajero químic9: un neurotransmisor. (a) El impulso nervioso en el axón es una señal eléctrica. En reposo, la neurona tiene un potencial negativo, lo que significa que hay más cargas negativas en su superficie interior que en la exterior. Cuando la célula se estimula, ingresan más fácilmente iones Na+, con lo que cambia el signo potencial. Este impulso se mueve hasta llegar al fin del axón. (b) Los neurotransmisores se encuentran, al parecer, en pequeñas vesículas al final del axón. El impulso eléctrico, mediante un mecanismo que todavía no está completamente claro, pero que requiere iones Ca2+, hace que la vesícula se abra para que el neurotransmisor pase al espacio sinático. Ya en el otro lado, alcanza la molécula de su receptor y hace que se abran los canales de iones en la dendrita de la neurona adyacente.

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Th\Ms DE QUÍMICA C071DIANA

CH3

CHC- 0 3

f"'1.T....... "'2

enN•CH3 .. "'2 1

Acetilcolina

CH3

Figura 4. Fórmula de la acetilcolina, el neurotransmisor en las neuronas motoras.

imaginar lo que sucede cuando una droga entorpece la comunicación molecular ~e los neurotransmisores. Las drogas alucinógenas o antidepresivas son ejemplos de sustancias que pueden afectar la acción cerebral para mal o para bien; esto último ocurre cuando hay algún trastorno cuyo fundamento sea una alteración de la comunicación intemeuronal, como sucede en ciertos tipos de epilepsia,· en la enfermedad de Parkinson, en el mal de Huntington y en otras perturbaciones mentales, de las que desafortunadamente aún ignoramos casi todo. Gran parte del trabajo del doctor Tapia se ha centrado en el neurotransmisor llamado ácido gamma aminobutírico (GABA), un aminoácido que no forma parte de las proteínas y cuya acción es inhibir la actividad neuronal. La proteína que lo reconoce sobre la membrana neuronal está asociada a un canal, específico para iones cloruro, e¡-. Cuando el GABA se une a su receptor, se abre este canal y penetran a la célula iones negativos, incrementándose el potencial de la membrana en reposo (hiperpolarización), lo que provoca que se requiera más excitación sobre esa neurona para que se estimule. Esto tiene que ver con la epilepsia, mal que parece provenir -entre otras cosas- de la ausencia de esta inhibición que produce el GABA normalmente y sin la cual las neuronas se disparan sin control. Las investigaciones realizadas en el laboratorio del doctor Tapia han hecho posible pro-

ducir modelos de epilepsia en animales, mediante la inyección de sustancias que actúan sobre el sistema de control del GABA. Por ejemplo, se puede inyectar una droga que impida al GABA unirse a su receptor, o bien inhibir la enzima que produce el GABA (la descarboxilasa glutámica); en cualquier caso, el animal cae inmediatamente en una convulsión. La existencia del GABA en el cerebro de descubrió en los Estados Unidos en 1950. En México, el doctor Tapia contribuyó desde el inicio de los años sesenta a demostrar de una manera muy clara su papel en la regulación de la excitabilidad en relación con la epilepsia, en experimentos in vivo (en animales completos) e in vitro (en preparaciones o extractos del cerebro, fuera del animal). Para funcionar, la descarboxilasa glutámica requiere una coenzima de bajo peso molecular (un "ayudante de la actividad enzimática"), que es el fosfato de piridoxal, mejor conocido como vitamina B 6, en su forma activa. En 1971 el doctor Tapia postuló que existen dos formas enzimáticas: una en la que la enzima carece de la coenzima y, por consiguiente, ésta debe unirse a aquélla para activarla, y otra donde la coenzima está firmemente unida a la enzima. Este hecho acaba de ser verificado veinte años después mediante técnicas de biología molecular en dos laboratorios estadounidenses, y el grupo mexicano ha recibido el reconocimiento correspondiente.

A /"'. . . .Jl

He(

"v'

~ Ácido glutámico

Descarboxilasaglutámica

}\N~ OH

Vitamina B 6

GABA

Figura 5. Biosíntesis del GABA. En el organismo, el GABA se produce a partir de un aminoácido, el ácido glutámico, en una reacción catalizada por una enzima y con ayuda de una coenzima.

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COSTO ENERGÉ11CO, OPIO Y NEUROQUÍMICA

mos más que una pequeña fracción de los neurotransmisores y de los mecanismos de su síntesis y regulación. También ignoramos qué alteraciones ocurren en muchos padecimientos neurológicos, y qué modelos experimentales podemos utilizar para simularlos. Más allá del nivel celular, falta mucho para que podamos entender las funciones superiores como la memoria y el aprendizaje. Lo mismo sucede con las alteraciones emocionales, como la depresión. Mucho menos sabemos de la neuroquímica de la inteligencia o de la conciencia, de lo que significan ambas en términos moleculares y de funcionamiento de circuitos neuronales. Esas son las preguntas más difíciles; podemos decir que en neuroquímica ignoramos mucho más de lo que sabemos. El doctor Tapia se despide de nosotros con un mensaje a los bachilleres, instándolos a que estén abiertos a la belleza y creatividad.de las ciencias, en especial de las neurociencias. "La actividad científica en un país determina en muy buena medida su desarrollo. Si no hay cuadros científicos y no hay interés por las ciencias, todo se nos va a ir en copiar (si es que podemos hacerlo). El mensaje final sería que los profesores traten de fomentar las actividades creativas en la ciencia y que los estudiantes las exploren; no se van a arrepentir. Debido a su belleza intrínseca, éste es un trabajo que retribuye con satisfacción a cada momento".

Las investigaciones actuales del doctor Tapia siguen estando relacionadas con el GABA, pero se han extendido a la liberación de otros neurotransmisores. Ultimamente, estudia los efectos de drogas que bloquean los canales del ion calcio, que parece ser el disparador de la liberación hacia el espacio sináptico de todos los neurotransmisores. La técnica para estudiar la liberación de neurotransmisores in vitro consiste en tomar una porción del cerebro, licuarla, y aislar las terminales nerviosas para experimentar con ellas. El rojo de rutenio (un compuesto inorgánico con seis cargas positivas) administrado a un ratón produce una parálisis total del animal, lo cual se debe probablemente a que se inhibe la liberación de neurotransmisores entre los nervios y los músculos. Al realizar in vitro el experimento equivalente, se verificó que en presencia de rojo de rutenio el calcio no entra a la terminal nerviosa y el neurotransmisor no se libera. Para ello se usó el isótopo calcio-45, que es radioactiva y se puede detectar con un contador. En el terreno de la neuroquímica, y en general en el de las neurociencias, hay multitud de aspectos desconocidos, nos dice el investigador mexicano. La neurobiología molecular ha abierto un campo enorme de investigación, pues se empieza a conocer la estructura misma de los receptores proteicos de los neurotransmisores en las membranas; sin embargo, aún no conoce-

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Hoy el mundo parece lleno de certezas. Todo pensamiento es afirmativo, todo discurso constitutivo. Ya no se puede hablar ni escribir sin el respaldo de un saber. El derecho de expresión se ha transformado. en derecho de aserción.· En lugar de las preguntas sin respuesta se opta por las respuestas sin pregunta. ¡Qué poderosa es la coerción social que obliga a aquellos que tienen en el pensarriÚ:!nto su profesión a convertirse en mercaderes de verdades, y a asumir constantemente los hábitos intelectuales de rigor! · · Al ver a tanta gente que corre con precipitación de una certeza a otra que la .contradice, a uno le vienen ganas .de proponer, en vez de apresuradas astucias dialécticas, una mayéutica ingenua y paciente. Pues no hay reflexión verdadera qu~ no acabe planteando más interrogantes de las que resuelve . Una actividad, ya sea filosófica, científica o artística, sólo ·adquiere sentido en función de las certezas que refuta, de los prejuicios que destruye, aunque sean aquéllos en los que ella misma se basa. Muchos investigadores deben enfrentarse, tarde o temprano, con una serie de interrogantes temibles, a menudq antiguas y elementales, y que durante mucho tiempo se han considerado resueltas, pero que surgen de nuevo en el interior mismo de un trabajo local y especializado, poniendo en crisis toda una visióndel mundo. Metafísicos o.políticos tienen la costumbre de no confesar sus perplejidades ·más que al resguardo que les proporciona tal o cual sistema de pret apenser. ¿Nos atrevemos nosotros a avanzar a pecho descubierto, a recuperar la capacidad de interrogarnos, a confesar nuestra ignorancia y a reivindicar nuestras dudas? Jean-Marc Lévy.:.Leblo:nd

Enseñanza de la química ocos textos hay sobre la enseñanza de la química. Por ello es de particular importancia la selección aquí presentada, ya que no únicamente se discute sobre la enseñanza de la ciencia en general con elementos para comprender y poder aplicar el enfoque propuesto en los programas, sino también con material que permite entender el origen y la evolución de las ideas científicas de los niños y los adolescentes. Además se discuten experiencias concretas en el ámbito de la enseñanza de la química, particularmente con jóvenes adolescentes, los objetivos para la enseñanza de la ciencia desde una visión constructivista; y el resultado de los trabajos pioneros de Piaget en el campo de la educación. Resalta la importancia que tienen las ideas de los niños sobre los fenómenos naturales que permean el nuevo currículum de química en secundaria apuntando, entre otros factores educativos, hacia una reconsideración de la evaluación escolar.

Ciencia y construcción del pensamiento M. Moreno Marimón

Enseñanza de las Ciencias, número 4, Barcelona, 1986.

a enseñanza de las ciencias puede cifrarse como objetivo que los alumnos lleguen a aprender y a entender los conocimientos científicos que se consideran oportunos en cada edad- y esta oportunidad viene determinada por los programas de enseñanza- o bien, puede proponerse, como finalidad, utilizar estos conocimientos como una herramienta para desarrollar el pensamiento, centrando la prioridad en este desarrollo que posibilitará la comprensión y la construcción de nuevos conocimientos. · Estas dos concepciones constituyen puntos de partida distintos que determinarán diferentes formas de enfocar la enseñanza. El primer enfoque, avalado por muchos años de experiencia, puede parecer el más realista. El segundo puede considerarse ingenuo, utópico y hasta imposible. Intentaré demostrar qué ingenua e imposible es la primera postura. La segunda sólo es utópica, y forma parte de esta utopía necesaria que ha hecho que la Luna ya no sea un objetivo romántico e inalcanzable. Cada una de estas posturas, y en general cualquier concepción de la enseñanza, supone implícita o explícitamente una determinada concepción de la inteligencia y de su funcionamiento. La primera supone una concepción de la inteligencia que la supone suceptible de enriquecerse y ampliarse con la aportación

ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

de conocimientos que el sujeto va incorporando a medida que se le transmiten. Puede además estar salpicada de ideas empiristas que exigirán que la aportación de nuevos conocimientos por parte del profesor vaya acompañada de demostraciones experimentales que los corroboren. Se apoya en teorías que conceden, en el aprendízaje, un lugar tan importante a los elementos procedentes del exterior, que llegan prácticamente a prescindir de la actividad del sujeto. La segunda postura tiene su punto de partida en las teorías que postulan la existencia de un equilibrio entre el sujeto y el objeto. Esquematizando, podríamos llamar a las primeras empiristas y a las segundas constructivas La pedagogía basada en la primera concepción ha estado vigente durante muchos años y nadie puede negar que gracias a ella, o tal vez a pesar de ella, la humanidad ha producido grandes científicos. Veamos lo que dice uno de ellos: "El problema era que para los exámenes había que embutirse todo ese material en la cabeza, quisieras o no. Semejante coacción tenía aspectos tan espantosos, que tras aprobar el examen final se me quitaron las ganas de pensar en problemas científicos durante un año entero". Estas son palabras de Albert Einstein en sus Notas autobiográficas. Sería interesante hacer una encuesta entre los más destacados científicos actuales para ver qué opinan de la enseñanza que recibieron, pero no creo que sus opiniones difieran mucho de las de Einstein. Hace 20 años, en 1965, Piaget se lamentaba de la falta de comprobación a largo plazo de los resultados de la enseñanza. Decía: "No sabemos nada de los conocimientos de geografía o historia que conserva un campesino de 30 años, ni de

lo que recuerda un abogado de la química, la física o la geometría que aprendió en el bachillerato". N o hacen falta tantos años para ver cómo se desvanece el aprendizaje escolar. Analicemos datos recientes: el resultado de unas encuestas realizadas hace un año para averiguar la pervivencia de los conocimientos de ciencias adquiridos por una muestra de 160 niños de 7° y go grados de enseñanza básica. Se trata de encuestas orales que fueron aplicadas individualmente, encaminadas a profundizar, mediante un largo diálogo con los niños, en la comprensión, y no sólo en la retención memorística, de lo que habían estudiado el año anterior. N os detendremos en los resultados de los niños de So. grado, a los que se hizo una serie de preguntas sobre contenidos del programa que habían estudiado. La elección de las preguntas se había realizado a partir de una encuesta previa a 400 profesores, quienes indicaron los temas que consideraron fundamentales. Del total de respuestas obtenidas, tan sólo el 26% era lo que podríamos denominar "aceptable escolarmente", tanto por su formulación como por el nivel de comprensión que se registraba en la encuesta clínica. El 74% indica conceptos erróneos o ignorancia del tema. De éstas, el36% explicita un claro desconocimiento con un "no sé" o "no me acuerdo", y el38% constituye interpretaciones personales de los alumnos que tienen escasa relación con lo que se pretendía transmitir. Entre las preguntas que obtuvieron mejores respuestas se encuentra el enunciado de la fórmula de la velocidad, con un ~4% de éxitos, sólo un 10% de ignorancia explícitamente confesada y un 36% de ideas incorrectas más o menos aproxima-

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CIENCIA Y CONSTRUCCIÓN DEL PENSAMIENTO

das o intuitivas, como por ejemplo: "es una fuerza muy grande que hace que vayas más deprisa", o "el espacio multiplicado por el tiempo". Algunos aseguran que no se puede hablar de velocidad en el caso de una tortuga o de una hormiga, porque van muy despacio y no tienen velocidad. Persisten, pues, ideas intuitivas de velocidad que no se han modificado en absoluto a pesar del aprendizaje. La pregunta "¿qué es la gravedad?" obtuvo un 69% de respuestas aceptables, sin embargo, de éstas sólo un 41% la diferencia claramente de la atmósfera. El 59% del total de las respuestas indica una confusión entre gravedad y atmósfera. Así, por ejemplo, dicen: "la gravedad es la masa de aire que está dentro de la atmósfera", "la atmósfera es lo que hace que no nos caigamos. Se pone encima de nosotros como si nos empujara." El niño elabora espontáneamente la idea de que las cosas caen porque pesan, considerando el peso como una propiedad intrínseca de los cuerpos, no como una relación entre masas. Esta propiedad es natural y evidente, y no necesita más explicación. La escuela les proporciona gratuitamente una explicación suplementaria que no constituye la propia, sino que se añade a ella, lo cual lleva a muchos niños a creer que los cuerpos caen por dos razones: porque pesan y porque hay gravedad. Algunos aseguran que si no hubiera gravedad también caerían, "pero más despacio". A estas dos causas se añade en ocasiones una tercera que algunos alumnos infieren por su cuenta, y que pone de manifiesto un niño que nos dice: "la atmósfera hace una presión atmosférica sobre los cuerpos para que no se caigan". Es evidente que, con estas tres

razones: peso, gravedad y atmósfera, la estabilidad de los cuerpos queda tan bien asegurada que el niño no necesitará interrogarse nunca más sobre esta cuestión. Éstas fueron, sin embargo, las preguntas que obtuvieron un mayor número de éxitos. Entre las más desafortunadas se encuentran el enunciado de una ley de Newton, con un 0% de éxitos (aunque todo hay que decirlo, al 58% le parecía familiar); la diferencia entre masa y peso, que sólo obtuvo un 4% de aciertos, y la formulación del principio de Arquímedes, con un 6% de respuestas correctas, aunque el 41% intentó formularlo. Así, por ejemplo, un niño lo enuncia de esta manera: "la presión que ejerce un cuerpo sobre un líquido es igual al peso del volumen del cuerpo que el líquido desaloja". "¿Y esto qué quiere decir?" -le preguntamos-. "Que los cuerpos pesan dentro del agua". Otros dicen: "cuando sumerges un cuerpo dentro del agua, si pesa tres subírá tres". Estas afirmaciones reflejan la traducción que el niño ha hecho de un enunciado incomprensible para él a un sistema de conceptos que, aunque no tiene mucho sentido, al menos posee la ventaja de que le resulta bastante más comprensible, lo cual constituye un sano mecanismo de defensa intelectual ante lo que le parece absurdo. Para la pregunta: "¿por qué no se hunden los trasatlánticos que pesan varias toneladas?", tan sólo hay un 9% de respuestas aceptables, el 3% de éstas se apoya en el principio de Arquímedes. El6% del total asegura que es algo incomprensible, mientras que el 85% intenta encontrar cualquier explicación. Muchos lo atribuyen a causas semimágicas; por ejemplo: "tienen algo especial que hace que floten".

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ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

En todo acto de comunicación existen un emisor y un receptor. Para que la comunicación sea posible es necesario que el emisor y el receptor participen del mismo código de interpretación que les permita conferir al mensaje un significado común. Cuando lo que se trata de transmitir no es un hecho o un suceso puntual, sino un conocimiento que no se da aislado sino inserto en una red de otros conocimientos que le confieren un significado, es decir, cuando está formando parte de un determinado sistema de interpretación de los hechos -un sistema epistémico- como es el caso de cualquier interpretación científica, para que la comunicación sea posible es necesario que el emisor y el receptor participen del mismo sistema epistémico que permite una determinada interpretación de los datos. Pero si el alumno y el profesor participaran del mismo sistema epistémico, la enseñanza sería innecesaria. Y si no participan del mismo, la enseñanza es imposible. Toda información emitida por el profesor es reinterpretada por el alumno y traducida a su propio sistema. De aquí que haya tres razones que expliquen la caída de los cuerpos -peso, gravedad y atmósfera-, y que el principio de Arquímedes diga que "todos los cuerpos pesan dentro del agua". La pregunta que surge inmediatamente es: ¿Cómo entonces es posible llegar al conocimiento? He dicho que considero que enseñar es imposible, pero no que sea imposible aprender. Intentaré plantear la problemática desde otro punto de vista. El premio Nobel de Medicina Ni el Jeme escribió hace poco: "Nosotros que estamos dotados de inteligencia y de capacidad de pensar, nos negamos a atribuir la misma capacidad a las células. Tenemos la presunción primaria de negar a las células el pen-

Otros lo atribuyen al hecho de que tienen una "hélice" o "casco", o cualquier otro artefacto que los empuja hacia arriba. No falta quien tergiverse el principio de Arquímedes y nos diga: "el principio de Arquímedes dice que si metemos un cuerpo dentro del agua, hace fuerza en todas direcciones". El trasatlántico irá haciendo presión en todas las direcciones. Es evidente que el niño realizó una síntesis muy sui generis de lo que ha oído en las clases. Si al cabo de tan sólo un año de haber adquirido teóricamente conocimientos de ciencias encontramos un 74% de fracasos -olvidos totales o confusiones graves- (y no estoy hablando, por supuesto, de los niños considerados como "fracasados escolares", sino de los que aprobaron el curso), ¿podemos considerar que ha habido un aprendizaje de las ciencias en la gran mayoría de la población escolar estudiada? Los datos extraídos de la encuesta que se realizó previamente entre los profesores de los niños encuestados, en la que se les pedía una descripción detallada de la metodología que utilizan en la enseñanza de las ciencias, muestran que las preocupaciones de todos ellos están encaminadas a que los niños lleguen a aprender y a comprender los conocimientos que se les transmiten, y no simplemente a retenerlos en la memoria. Una gran parte de los profesores asegura que utiliza para ello, además de las explicaciones en clase, la observación y la experimentación, hecha por el maestro o por los propios niños. ¿A qué se deben, entonces estos fracasos? No hace mucho, dirigiéndome a profesionales de la educación, les decía que estoy absolutamente convencida de que enseñar es imposible. Enseñar, que viene del latín insignare, quiere decir señalar, mostrar algo a alguien, transmitir o comunicar un conocimiento.

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CIENCIA Y CONSTRUCCIÓN DEL PENSAMIENTO

samiento: están vivas, es cierto, pero no tienen cerebro, las dirige el azar." Podría repetir estas afirmaciones de Jeme sustituyendo la palabra "célula" por la palabra "niño", pero no lo voy a hacer, dado que no es mi intención incurrir en terrorismo pedagógico; aunque sí me parece interesante señalar que, si este teórico de la biología se apresura a reconocer que las células no tienen cerebro pero les concede la posibilidad de tener un funcionamiento similar a lo que llamamos "inteligencia"; parece muy lógico suponer que el niño, quien posee un cerebro semejante al del adulto -como son semejantes su hígado o su aparato circulatorio- tenga, en lo esencial, un funcionamiento intelectual similar al de aquél. Sólo podríamos negar esta similitud si aceptáramos que el psiquismo en general, y el pensamiento en particular, no tienen relación alguna con el cuerpo, y que, por tanto, la producción intelectual del ser humano es totalmente independiente de su configuración anatómica, lo cual nos llevaría necesariamente a aceptar que si un lagarto no elabora teorías es pura y simplemente porque carece de. alma. Pero, afortunadamente, están ya bastante lejos los prejuicios cartesianos que tan afanosamente se empeñaban en divorciar la carne del espíritu. Si realmente están superados, no tenemos más remedio que admitir la similitud de funcionamiento intelectual entre el niño y el adulto, similitud que no quiere en modo alguno suponer identidad, sino simplemente la existencia de unas constantes de funcionamiento que hay que deslindar de las diferencias existentes entre ambos pensamientos; estas diferencias son, indudablemente, muchas y muy importantes. Si suponemos admitida esta similitud funcional entre el pensamiento infantil y

el del adulto, aún nos interesa resaltar otra importante semejanza que concierne a una característica evidente en el niño, pero mucho menos evidente en los adultos si se les considera de forma aislada. Se trata de la capacidad que posee el pensamiento infantil para evolucionar hacia formas de organización más complejas y más adecuadas a la explicación de los fenómenos que ocurren en su mundo. Si bien esta característica no siempre es perceptible en todos los adultos de nuestra especie, destaca claramente si, haciendo abstracción de los individuos, nos fijamos en la trayectoria seguida por lo que llamamos pensamiento científico. Este carácter evolutivo de la ciencia que nos parece hoy día tan evidente, y que los historiadores de la ciencia no cesan de señalar, constituye el hilo conductor sin el cual no es posible explicar el pensamiento, ya sea del niño, del adulto, o el colectivo que ha dado lugar a la ciencia. Los descubrimientos científicos realizados a lo largo de la historia, no nos parecen islotes de lucidez que aparecen aquí y allá sin estar relacionados entre sí, sino que, por el contrario, los contemplamos como eslabones de una cadena continua de reflexiones, de aciertos y de errores, tan necesarios los unos como los otros para el avance del pensamiento colectivo como lo ha sido en el campo de la biología la teoría de la evolución de las especies. También la conciencia de la evolución del pensamiento ha requerido un cambio del enfoque y de las explicaciones que se daban anteriormente a los fenómenos intelectuales; esto repercute, necesariamente, en el enfoque y en los planteamientos que debemos dar a la enseñanza. Además de este carácter evolutivo, del que partici-

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ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

pa tanto el pensamiento del niño como el del científico, existen algunos aspectos funcionales comunes para todo pensamiento en desarrollo. Reflexionar sobre algunos de ellos nos ayudará a aproximarnos a la comprensión del funcionamiento intelectual en general, y a poder valorar el grado de adecuación entre este funcionamiento y los procedimientos didácticos más habituales. Los descubrimientos científicos no se producen simplemente por la acumulación de nuevos datos empíricos, por la sencilla razón de que los datos no tienen ningún sentido si no son interpretados de acuerdo con un determinado sistema de pensamiento que les confiera un significado u otro. Lo que podríamos llamar "sistema epistémico" determina el lugar que deben ocupar los datos observados, e incluso el tipo de datos que se observan, así como el uso que se les va a dar dentro del sistema. Los sistemas epistémicos por los que se rigen los científicos evolucionan a lo largo de la historia y cambian también, las explicaciones que se dan a un mismo fenómeno observado. A esta evolución es a lo que denominamos "progreso científico". Los nuevos conocimientos son el resultado -y no la causa- de nuevas formas de interpretar los hechos. En el niño se puede observar la elaboración espontánea de sistemas organizados de interpretación de los hechos que ocurren a su alrededor, sistemas que evolucionan y se hacen más complejos a medida que crece. Los datos que le llegan del exterior, incluidas las percepciones directas, son elaborados, transformados e interpretados de acuerdo con su sistema, de tal manera que puedan integrarse a éste y le resulten comprensibles. La información que le transmi-

te el adulto corre exactamente la misma suerte. Los razonamientos que para el profesor pueden ser enormes evidencias susceptibles de desmontar las concepciones erróneas el alumno, pueden dejar a éste perfectamente insensible y no constituir para él ninguna contradicción, lo que le permite mantener su concepción y agregarle la del profesor. Sólo pueden provocar contradicción aquellos elementos que, una vez traducidos en términos comprensibles para el sujeto, chocan con las convicciones anteriormente asumidas por éste. Si esta traducción no se lleva a cabo, el dato exterior no entra en el sistema y es simplemente re~ chazado. Existe entre los científicos una actitud, señalada por Kuhn, que consiste en no considerar o conceder poco valor. a aquellos hechos o datos que no encajan dentro de lo que él denomina "paradigma científico", y tienden a ser considerados como casos aislados o aspectos marginales de su sistema explicativo. La no consideración de estos datos les permite seguir manteniendo su paradigma. Esta misma actitud la encontramos en los alumnos, quienes en virtud de este mecanismo intelectual conservador, que comparten con los científicos, tienden a mantener su sistema de equilibrio intelectual y a transformar los nuevos datos para adaptarlos a su sistema o, simplemente, a ignorarlos. La enseñanza olvida o desconoce la existencia de estos sistemas de organización intelectual del niño, que al igual que los sistemas epistémicos -o los paradigmas kuhnianos- de la ciencia, evolucionan con el tiempo y tienden a formas cada vez mas complejas y equilibradas de organización. Ahora bien, es-

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CIENCIA Y CONSTRUCCIÓN DEL PENSAMIENTO

tos sistemas intelectuales tienen, a la vez que la capacidad de evolucionar, otra característica importante: su estabilidad. Y no es en absoluto contradictorio que algo sea estable a la vez que capaz de evolucionar, porque cada una de estas características predomina en momentos diferentes y bajo la influencia de determinadas circunstancias. Si los sistemas de pensamiento -tanto del niño como del científico- no tuvieran estabilidad, el pensamiento y la ciencia serían imposibles, ya que no podrían conservarse las ideas a las que dan lugar. Esta estabilidad es pues, imprescindible, sana y necesaria. Sabemos por la historia que los periodos de estabilidad de los sistemas epistémicos que dan lugar a las teorías científicas pueden tener una duración de varios siglos y que los cambios de un sistema a otro se producen con gran dificultad y lentitud, acompañados a veces por la densa humareda de las hogueras inquisitorias, como en el caso de Miguel Servet y Giordano Bruno, quienes se empeñaron en defender que lo inamovible podía moverse. Las dificultades que presenta un cambio de sistema epistémico y sus causas las expresa maravillosamente André Koyré cuando dice: "Lo que los fundadores de la ciencia moderna, y entre ellos Galileo, debían hacer, no era criticar y combatir ciertas teorías erróneas para corregirlas o sustituirlas por otras mejores. Debían hacer algo distinto. Debían destruir un mundo y sustituirlo por otro. Debían reformar la estructura de nuestra propia inteligencia." Esta transformación de la estructura de la inteligencia que enuncia Koyré como condición necesaria para pasar de

unas convicciones científicas a otras, es exactamente lo que debe hacer el alumno para acceder a un nuevo sistema de pensamiento que le permita asimilar, de manera comprensiva, un conocimiento de nivel superior, porque los conocimientos científicos nunca se dan aislados sino formando sistemas de conjunto coherentes entre sí. Si no se produce un cambio de sistema epistémico los conocimientos con un nivel de complejidad superior serán deformados y traducidos a un sistema interpretativo más elemental ya que el conocimiento científico no es equiparable a la mera información sobre un suceso desligado de otros conocidos, que podría o no acontecer -como puede ser el hundimiento del Titanic- sino un elemento que forma parte de un sistema estructurado cuyo entramado lógico provoca una red de conocimientos derivados unos de otros y cuyo encadenamiento no tiene nada de arbitrario. Si para un científico resulta tan difícil abandonar la estabilidad de su sistema epistémico, ¿no resulta ingenuo pretender que un sujeto -el alumno- menos habituado al ejercicio intelectual que un científico, cambie el' suyo en el tiempo récord de dos o tres horas de clase? Pero por si esto fuera poco, veamos de qué manera se pretende que tenga lugar este milagroso cambio. No es conduciéndole en peregrinación a un santuario del saber -lo cual podría cuando menos despertar la curiosidad del alumnosino, en el peor de los casos, recitando y haciéndole recitar devotamente las verdades derivadas del nuevo sistema epistémico y, en el mejor de los casos, mediante una inteligente y amena aunque necesariamente rápida por exigencias de experimentos y demostraciones que las corroboran. Pero esta corroboración sólo es percepti161

ENSEÑANZA DE L4 QUÍMICA

ble para quien ha comprendido previamente el sistema en que se apoya la teoría y cuando esto no acontece, la interpretación de los resultados de la experiencia se convierte en un dato más que hay que creer. Y esto es lo que sucede en la inmensa mayoría de los casos. Otra característica común para la construcción del pensamiento científico y para la del niño es la existencia del error. La historia de las ciencias es también la historia de los errores del pensamiento científico. Existe el prejuicio, muy extendido todavía, de creer que la inteligencia es lo que conduce al descubrimiento de la verdad, y este es un prejuicio que hay que desterrar. El pensamiento humano conduce por igual al error y al acierto. Si no hay error no hay pensamiento, no hay construcción intelectual porque uno es el complemento del otro. Tanto en la historia de las ciencias como en la psicogénesis del conocimiento, la inteligencia no es lo que produce verdad -que nadie sabe, por otra parte, lo que essino más bien lo que es capaz de transformar los datos del exterior ordenándolos en sistemas organizados que posean una coherencia interna. Esta concepción está mucho más allá del simple modelo dualista de verdad-falsedad el cual tiene reminiscencias morales que arrancan de las nociones de bien y mal. Una idea similar expresa Poincaré cuando afirma que: "La función de una teoría no es la de ser verdadera sino la de ser útil". Las teorías como las ideas erróneas son útiles en la medida en que permiten avanzar. La epistemología genética ha insistido mucho en la importancia del error en la construcción intelectual hasta el punto en que hemos llegado a la evidencia de que

los errores son necesarios porque constituyen los eslabones que permiten llegar a nuevos conocimientos. La enseñanza, sin embargo, se muestra aterrorizada ante el error del alu:r:nno, negándole así el derecho y la necesidad que la historia concede a los científicos. Albert Einstein, en "El significado de la relatividad", dice: "El objeto de toda ciencia, sea natural o psicológica, consiste en coordinar nuestras experiencias de modo que el todo forme un sistema lógico." El pensamiento del niño, como el del científico, tiende espontáneamente a coordinar los datos de los que toma conciencia de tal manera que formen un sistema lógico o, si se prefiere, coherente. Las diferencias esenciales entre ambos consisten en que los datos de los que toman conciencia uno y otro no son los mismos, y el sistema lógico por el que se rigen tampoco lo es. Los cambios en estos sistemas de organización no se producen simplemente por la aportación de nuevos datos sino por la toma de conciencia de que estos nuevos datos se hacen incompatibles con los sistemas interpretativos previos y surge entonces la necesidad de modificarlos. Ello implica una reestructuración del pensamiento que requiere un esfuerzo e implica una serie de dificultades. Este cambio no conduce solamente a estar en posesión de una cantidad mayor de conocimientos sino sobre todo a un enriquecimiento y a una mayor complejidad de las estructuras intelectuales. El individuo, ya sea niño o científico, desarrolla nuevos recursos intelectuales, que tienen para él las características de un verdadero descubrimiento. Pasar de la teoría medieval del "ímpetus" a la mecánica newtoniana no es saber definir la noción de inercia o de

162

CIENCIA Y CONSTRUCCIÓN DEL PENSAMIENIO

gravedad ni recitar las leyes de Newton, sino reinterpretar los datos observados día a día, en función de una concepción distinta. Lo que se observa no ha cambiado, sigue siendo lo mismos de siempre, lo único que ha cambiado es la interpretación que se hace de ello, la forma de concebir el movimiento. Esta interpretación implica un cambio en el pensamiento, y este cambio no puede imponerse desde el exterior, es un proceso interno de reflexión y de construcción que debe realizar cada individuo por sí mismo. El conocimiento científico es el resultado de un proceso largo, complejo e inconsciente. Si aceptamos estas similitudes de funcionamiento intelectual entre niño y científico, parece sensato admitir que, o bien la enseñanza no tiene por qué tener en cuenta este funcionamiento y puede conseguir sus objetivos contrariando el proceso natural del pensamiento -cosa que hemos podido comprobar que no es cierta- o bien debe modificar sus métodos para adaptarse a él. Adaptarse al pensamiento del alumno quiere decir, en primer lugar, aceptar que existe. Que las ideas previas que posee no son fruto del azar, lo que Jeme negaba incluso en las células, sino el reflejo de un sistema que tiene mucha más coherencia de lo que le puede parecer a un adulto que lo contempla desde otro sistema. Empecé diciendo que había dos formas -cuando menosde enfocar el aprendizaje de las ciencias, los que se proponían dos objetivos diferentes. El primero consiste en pretender que el alumno no llegue a los conocimientos por transmisión directa. El segundo aspira a ayudarle a desarrollar los sistemas de pensamiento, mediante un ejercicio intelectual

que le permita plantearse preguntas, discutir sus ideas, elaborar hipótesis, cometer errores y encontrar soluciones propias a problemas propios. El primero es ingenuo e imposible; el segundo implica una nueva forma de considerar a la enseñanza. Este nuevo enfoque deberá desterrar la idea de que los conocimientos constituyen unidades aisladas o sistemas interpretativos sin ninguna relación con los sistemas de pensamiento del sujeto que los detenta. Por el contrario, son hasta tal punto ínterdependientes que los conocimientos no pueden evolucionar si no evoluciona el sistema de pensamiento del sujeto y, a la vez, una evolución de este sistema capacita para acceder a nuevos conocimientos. Centrar la enseñanza en favor de la evolución de los sistemas intelectuales que posibilitan el conocimiento, no quiere decir que se olviden los contenidos del aprendizaje sino, por el contrario, que se dé un sentido nuevo a estos contenidos, planteando la exigencia didáctica de que el alumno, lejos de adaptar los conocimientos que se intentan transmitir a su sistema, modifique éste para que los contenidos puedan serie comprensibles. Los problemas que plantean las investigaciones sobre aprendizaje bajo el enfoque de la epistemología genética no son en absoluto simples ni fáciles de resolver. Consisten fundamentalmente en averiguar qué tipo de intervenciones externas o elementos del medio favorecen el paso de un sistema de pensamiento dado a otro de mayor complejidad o, si se prefiere, más evolucionado. Sabemos que no se trata simplemente de intentar que el sujeto reproduzca el mismo proceso seguido por los científicos a lo largo de la historia, entre otras muchas razones porque los científicos no reprodujeron

163

ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

ningún proceso seguido previamente por otros, y esto introduce ya una diferencia tan fundamental que hace totalmente imposible dicho intento. Sabemos también que para realizar el esfuerzo de diseñar nuevas herramientas intelectuales, es preciso que el individuo tome conciencia de que las viejas ya no le sirven. Dicho de otro modo, que al intentar generalizar su uso a nuevos casos, compruebe la ineficacia de sus vie-

jos instrumentos. Pero esta comprobación no basta. Es preciso, además que no se limite a ella, sino que experimente la necesidad de crear otros nuevos, y que encuentre los recursos para hacerlo. Todo ello supone una serie de procesos interrelacionados, cuyo estudio nos lleva a profundizar en el conocimiento del funcionamiento intelectual humano, campo en el que, hemos de reconocerlo, nos falta todavía mucho por recorrer.

Objetivos para niĂąos que aprenden ciencia Simon & Shuster Science, Models and Toys. A unit for teachers. London 5 (13) 1990.

Reconocer patrones y relaciones Para el desarrollo de una mente inquisitiva y un acercamiento cientĂfico a la resoluciĂłn de problemas

Comunicar

ENSEÑANZA DE lA QUÍMICA

Etapa 1, Etapa 2 y Etapa 3 de los niños pequeños

Actitudes, intereses y conciencia estética

Etapa l. Cambio de intuición a operaciones concretas

Las características del pensamiento de los niños pequeños varían mucho comparadas con las de niños de siete años o mayores. El pensamiento de los niños pequeños fue descrito como "intuitivo" por Piaget; se encuentra muy asociado con las acciones físicas, y dominado por la observación inmediata. En general, el infante no es capaz de pensar o imaginar las consecuencias de una acción a menos que él la haya realizado, tampoco puede todavía sacar conclusiones lógicas de su experiencia. En esta etapa los objetivos se asocian con la exploración activa del medió inmediato y el desarrollo de la habilidad de discutir y comunicarse en forma eficaz; es decir, se relacionan con las actividades 'que son adecuadas para estos niños pequeños y que constituyen una introducción a formas de explorar y ordenar observaciones.

1.01 Interés en hacer preguntas. 1.02 Interés en manejar material vivo e inanimado. 1.03 Sensibilidad a la necesidad de cuidar de forma adecuada a los seres vivos. 1.04 Gusto por utilizar todos los sentidos para explorar y discriminar. 1.05 Interés en reunir material para observación e investigación.

Operaciones concretas

En esta etapa, los niños desarrollan la habilidad de manejar cosas mentalrilente. Al principio, esta habilidad se limita a objetos y materiales que pueden manipularse concretamente, aun cuando sólo lo hagan de manera limitada Los objetivos en esta etapa tienen que ver con el desarrollo de dichas operaciones mentales a través de la exploración de objetos y materiales concretos, es decir, objetos y materiales que, como cosas físicas, tienen significado para el niño. Ya que los niños mayores, e incluso los adultos, prefieren la introducción a nuevos problemas e ideas a través de ejemplos concretos y exploraciones físicas, estos objetivos son adecuados para ·cualquier niño que sea introducido por primera vez a las actividades científicas, sin importar su edad.

1.06 Deseo de entender las cosas por él mismo. 1.07 Interés en participar en trabajos de grupo. 1.08 Interés en seguir reglas de seguridad al manejar herramientas y equipo. 1.09 Apreciación de la necesidad de aprender el significado de nuevas palabras y utilizarlas correctamente.

Etapa2. Operaciones concretas. Etapa posterior

En esta etapa, continuación de la que Piaget llama "de las operaciones concretas", las manipulaciones mentales se vuelven más ' variadas y poderosas. La habilidad para manejar variables -por ejemplo, al tratar con una clasificación múltiple- implica que los problemas puedan ser resueltos de formas más ordenadas y cuantitativas que con anterioridad. Los objetivos comienzan a estar específicamente orientados a la exploración de aspectos científicos del medio, en vez de estarlo, como hasta entonces, a la experiencia general. Estos objetivos se desarrollan a partir de los señalados en la etapa 1 y dependen de ellos. Son apropiados para cualquier niño que haya pasado la etapa 1; y no solamente para los de nueve a once años.

2.01 2.02 2.03 2.04 2.05 2.06 2.07 2.08 2.09

Etapa3. Cambio ala etapa de pensamiento abstracto

En esta etapa algunos niños desarrollan la habilidad de pensar en abstracciones. Cuando se completa este desarrollo, su pensamiento es capaz de manejar lo posible e hipotético, y no se encuentra atado a lo concreto, al aquí o el ahora. En algunos niños puede darse entre los once y trece años, en otros después, y en algunos más puede no darse nuncá Los objetivos de esta etapa incluyen el desarrollo de la habilidad para utilizar el razonamiento hipotético y para separar y combinar variables de forma sistemática. Son apropiados para aquellos que han pasado la mayor parte de la etapa 2 y muestran señales de habilidad en el manejo mental de idea y proposiciones.

166

Interés en cooperar con otros en actividades científicas. Interés en observar objetivamente. Apreciación de las razones para las reglas de seguridad. Gusto por examinar la ambigüedad en el uso de las palabras. Interés en elegir medios adecuados para expresar resultados y observaciones. Interés en asumir responsabilidad en el cuidado adecuado de seres vivos. Interés en examinar críticamente los resultados del trabajo propio y de otros. Preferencia por poner a prueba las ideas antes de aceptarlas o rechazarlas. Apreciación de que los métodos aproximativos de comp3ración pueden ser más apropiados que las mediciones cuidadosas.

3.01 Aceptación, al realizar experimentos, de responsabilidad en la seguridad propia y de otros. 3.02 Preferencia por usar las palabras con corrección. 3·.03 Sometimiento alá idea de causa y efecto físicos. 3.04 Apreciación de la necesidad de estandarizar mediciones. 3.05 Interés en realizar un examen crítico de evidencias. 3.06 Interés en considerar con anterioridad la utilidad de los resultados de un posible experimento. 3.07 Preferencia por elegir el significado más apropiado de expresiones como resultado de observaciones. 3.08 Apreciación de la necesidad de adquirir nuevas habilidades. 3.09 Interés en considerar el papel de la ciencia en la vida diaria

0B]EI1VOS PARA NIÑOS QUE APRENDEN CIENCIA

Actitudes, intereses y conciencia estética

Observar, explorar y ordenar observaciones 1.21 Apreciación de la variedad de seres vivos e inanimados del medio.

1.22 Conciencia de los cambios que ocurren con el transcurso del tiempo. 1.23 Reconocimiento de formas comunes (cuadrado, círculo, triángulo). 1.24 Reconocimiento de regularidad en patrones. 1.25 Habilidad para agrupar cosas consistentemente según criterios dados o elegidos.

1.11 Conciencia de que existen diferentes fonnas de probar ideas y hacer observaciones. 1.12 Interés en comparar y clasificar seres vivos e inanimados. 1.13 Gusto por comparar las mediciones con las estimaciones. 1.14 Conciencia de que existen varias formas de expresar resultados y observaciones. 1.15 Interés en esperar y registrar para observar cambios en las cosas. 1.16 Gusto por explorar la variedad de seres vivos en el medio ambiente. 1.17 Interés en discutir y comparar las cualidades estéticas de los materiales.

1.26 Conciencia de la estructura y la forma de los seres vivos. 1.27 Conciencia de cambio en los seres vivos y materiales inanimados. 1.28 Apreciación de la acción de una fuerza. 1.29 Habilidad en agrupar seres vivos e inanimados por sus atributos observables. 1.29a Habilidadendistinguirregularidadeneventosymovimiento.

2.11 Gusto por desarrollar métodos para resolver problemas o probar ideas. 2.12 Apreciación del papel que las cualidades estéticas de los materiales juegan respecto a la detenninación de su uso. 2.13 Interés en la forma en la que se hicieron descubrimientos en el pasado.

2.21 Conciencia de la estructura interna de los seres vivos e inanimados. 2.22 Habilidad para construir y utilizar claves de identificación. 2.23 Apreciación de formas similares y congruentes. 2.24 Conciencia de simetría en fórmas y estructuras. 2.25 Habilidad para clasificar seres vivos e inanimados de diversas formas. 2.26 Habilidad para visualizar objetos desde diferentes ángulos y formas a partir de secciones transversales.

3.11 Apreciación de los principios fundamentales en el cuidado de los seres vivos. 3.12 Interés por extender los métodos utilizados en actividades científicas a otros campos de experiencia.

3.21 Apreciación de que los criterios de clasificación son arbitrarios. 3.22 Habilidad para distinguir las obseiVaciones que son relevantes en la solución de algún problema de las que no lo son. 3.23 Habilidad para valorar el orden de la magnitud de cantidades físicas.

167

ENSEÑANZA DE L4 QUÍMICA

Desarrollar conceptos básicos y pensamiento lógico

Hacer preguntas y plantear experimentos e investigaciones para responderlas

1.31 Conciencia del significado de las palabras que describen formas de cantidad. 1.32 Apreciación de que las cosas que son diferentes pueden tener rasgos comunes.

1.41 Habilidad para encontrar respuestas a problemas sencillos a través de la investigación. 1.42 Habilidad para hacer comparaciones en función de una propiedad o variable.

Operaciones concretas

1.3 3 Habilidad para predecir el efecto de ciertos cambios gracias a la observación de cambios similares. 1.34 Formación de las nociones de horizontal y vertical. 1.35 Desarrollo de los conceptos de conservación de la longitud y de la sustancia. 1.36 Conciencia del significado de la velocidad y de su relación con la distancia cubierta.

1.43 Apreciación de la necesidad de medir. 1.44 Conciencia de que un cambio particular podría involucrar más de una variable.

Etapa2.

2.31

2.41

Operaciones concretas. Etapa posterior

2.32

Etapa l. Cambio de intuición a operaciones concretas

2.33 2.34 2.35

Habilidad para apreciar la medición como división en partes regulares y comparación repetida con una unidad. Apreciación de que las comparaciones pueden hacerse indirectamente utilizando un intermediario. Desarrollo de los conceptos de conservación de peso, área y volumen. Apreciación del peso como una fuerza que se dirige hacia abajo. Comprensión de la relación entre la velocidad, el tiempo y la distancia.

2.42 2.43 2.44 2.45 2.46

Etapa3. Cambio ala etapa de pensamiento abstracto

3.31 3.32 3.33 3.34 3.35

Familiaridad con relaciones que implican velocidad, distancia, tiempo y aceleración. Habilidad para separar, excluir o combinar variables al empezar a resolver problemas. Habilidad para formular hipótesis que no dependan directamente de la observación. Habilidad para extender el razonamiento más allá de lo real hasta lo posible. Habilidad para distinguir una prueba que parece lógica de otras que no lo parecen tanto.

168

Habilidad para formular preguntas que puedan ser respondidas a través de investigaciones. Habilidad para investigar variables y descubrir las que se encuentran verdaderamente relacionadas. Apreciación de la necesidad de controlar variables y utilizar controles en investigaciones. Habilidad para elegir y utilizar apropiadamente unidades arbitrarias y estándares de medición. Habilidad para seleccionar un grado de aproximación adecuado y trabajar con él. Habilidad para utilizar modelos representativos al investigar problemas y relaciones.

3.41 Intentar identificar los pasos esenciales al acercarse científicamente a un problema. 3.42 Habilidad para diseñar experimentos con controles efectivos para probar hipótesis. 3.43 Habilidad para visualizar una situación hipotética como la simplificación útil de observaciones reales. 3.44 Habilidad para construir modelos a escala que sean útiles en la investigación y para apreciar las implicaciones del cambio de escala.

0B]E11VOS PARA NIÑOS QUE APRENDEN GENCIA

Adquirir conocimientos y aprender habilidades

1.51 Habilidad para discriminar entre diferentes materiales. 1.52 Conciencia de las características de los seres vivos. 1.53 Conciencia de las propiedades que pueden tener los materiales. 1.54 Habilidad para usar material de referencia mostrado para identificar seres vivos e inanimados.

1.55 Familiaridad con las fuentes de sonido. 1.56 Conciencia de las fuentes de calor, luz y electricidad. 1.57 Conocimiento del cambio que puede producirse en sustancias comunes. 1.58 Apreciación de que la habilidad de moverse o producir movimientos requiere de energía. 1.59 Conocimiento de las diferencias entre las propiedades de grupos comunes de materiales (entre diferentes grupos y dentro del mismo grupo).

1.61 Apreciación del uso que el hombre hace de otros seres vivos y de sus productos. 1.62 Conciencia de la forma en que la vida del hombre ha cambiado a lo largo de la historia. 1.63 Habilidad para manejar herramientas y materiales. L64 Desarrollo de técnicas para manejar seres vivos correctamente. 1.65 Habilidad en el manejo de libros para complementar ideas e información.

2.51 Conocimiento de las condiciones que provocan cambios en los seres vivos y en los materiales inanimados. 2.52 Familiaridad con un amplio rango de fuerzas y con las formas en las que pueden ser cambiadas. 2.53 Conocimiento de las fuentes y las propiedades simples de formas comunes de energía. 2.54 Conocimiento de los orígenes de los materiales comunes. 2.55 Conciencia de algunos descubrimientos e invenciones de científicos famosos. 2.56 Conocimiento de las formas de investigar y medir las propiedades de los seres vivos y de los materiales inanimados. 2.57 Conciencia de los cambios en el diseño de herramientas e instrumentos de medición durante la historia del hombre. 2.58 Habilidad en el diseño y construcción de aparatos sencillos. 2.59 Habilidad para seleccionar información relevante en libros u otros materiales de referencia. 3.61 Apreciación de los niveles de organización de los seres vivos. 3.62 Apreciación del significado del trabajo y las ideas de científicos famosos. 3.63 Habilidad para aplicar conocimientos relevantes sin la ayuda de claves contextuales. 3.64 Habilidad al utilizar equipo e instrumentos científicos para ampliar el alcance de los sentidos humanos.

3.51 Conocimiento de que los cambios químicos son el resultado de interacciones. 3.52 Conocimiento de que la energía puede ser almacenada y transformada de diversas formas. 3.53 Conciencia de la naturaleza universal de la gravedad. 3.54 Conocimiento de los principales constituyentes y de las variaciones en la composición del suelo y la tierra. 3.55 Conocimiento de que las propiedades de la materia pueden ser explicadas con referencia a su naturaleza corpuscular. 3.56 Conocimiento de ciertas propiedades de la energía calorífica, luminosa, sonora, eléctrica, mecánica y química. 3.57 Conocimiento de una amplia gama de organismos vivos. 3.58 Desarrollo del concepto de medio ambiente interno. 3.59 Conocimiento de la naturaleza y variaciones de los procesos básicos de la vida.

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ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

Reconocer patrones y relaciones

Comunicar

Etapa l. Cambio de intuición a operaciones concretas

l. 71 Habilidad para utilizar con propiedad nuevas palabras. l. 72 Habilidad para registrar la secuencia de eventos. l. 73 Habilidad para discutir y registrar impresiones acerca de seres vivos e inanimados en su medio ambiente. l. 74 Habilidad al utilizar símbolos representacionales para registrar información en mapas o gráficas.

1.81 Conciencia de las relaciones de causa y efecto.

Operaciones concretas

l. 75 Habilidad para tabular información y utilizar tablas. 1.76 Familiaridad con los nombres de los seres vivos e inanimados. l. 77 Habilidad para registrar impresiones en modelos, dibujos o pinturas.

1.82 Desarrollo de un concepto de medio ambiente. 1.83 Formación de una idea general de variaciones en los seres vivos. 1.84 Conciencia de cambios, durante las diferentes estaciones, en los seres vivos. l. 85 Conciencia de diferencias en las condiciones físicas de las diferentes zonas de la Tierra.

Etapa2. Operaciones concretas. Etapa posterior

2. 71 Habilidad para utilizar símbolos no representacionales en planos, mapas, etcétera. 2. 72 Habilidad para interpretar observaciones en función de tendencias y estimaciones de cambios. 2. 73 Habilidad para utilizar histogramas y otras formas simples de graficar para comunicar datos. 2.74 Habilidad para construir modelos como un medio de registro de observaciones.

2.81 Conciencia de secuencia de cambio en fenómenos naturales. 2.82 Conciencia de la relación estructura-función en las partes de los seres vivos. 2.83 Apreciación de la interdependencia ue los seres vivos. 2.84 Conciencia del impacto de las actividades humanas en otros seres vivos. 2.85 Conciencia de los cambios producidos en el medio ambiente físico por la actividad humana. 2.86 Apreciación de las relaciones entre un todo y sus partes.

3. 71 Habilidad al seleccionar la gráfica más apropiada para la información que se va a registrar. 3. 72 Habilidad en la utilización de modelos tridimensionales o gráficas para registrar resultados. 3.73 Habilidad para deducir información a partir de gráficas: de la inclinación, el área, las intersecciones. - 3.74 Habilidad para utilizar analogías al explicar ideas y teorías científicas.

3.81 Reconocimiento de que la relación entre el volumen y la superficie es significativa. 3.82 Apreciación de la escala del Universo. 3.83 Comprensión de la naturaleza y significado de los cambios en los seres vivos e inanimados. 3.84 Reconocimiento de que la energía tiene muchas formas y que se conserva cuando cambia de una forma a otra. 3.85 Reconocimiento del impacto del hombre en los seres vivos (conservación, cambio, control). 3.86 Apreciación de las implicaciones sociales del cambio en el uso que dio el hombre a los materiales, a lo largo de la historia y en la actualidad. 3.87 Apreciación de las implicaciones sociales de la investigación en ciencia. 3.88 Apreciación del papel de la ciencia para cubrir las cambiantes J).ecesidades humanas.

Etapa3. Cambio ala etapa de pensamiento abstracto

170

0B]E11VOS PARA NIÑOS QUE APRENDEN CIENCIA

Interpretar descubrimientos críticamente 1.91 Conciencia de que el tamaño, la forma y las relaciones aparentes de las cosas dependen de la posición del observador.

Las etapas que hemos seleccionados se ajustan a las ideas modernas sobre el aprendizaje de los niños. Describen de forma conveniente el desarrollo mental, de niños entre cinco y trece años, pero debe recordarse que aunque los niños atraviesan estas etapas en el mismo orden, no pasan por ellas a la misma velocidad. Algunos niños alcanzan las etapas posteriores a edad temprana; algunos holgazanean en las primeras etapas durante cierto tiempo, y algunos no tienen nunca la habilidad mental de desarrollarse hasta las etapas posteriores. Todos se ven afectados cuando cambian de una etapa a otra. Entonces, nuestras etapas no se encuentran atadas a la edad cronológica y en cualquier clase existirán, con toda seguridad, niños que se encuentren en diferentes etapas de desarrollo mental.

1.92 Apreciación de que las propiedades de los materiales tienen influencia en su utilización.

2.91 Apreciación de la adaptación al medio. 2.92 Apreciación de cómo la forma y la estructura de los materiales se relacionan con su función y propiedades. 2.93 Conciencia de que deben considerarse muchos materiales cuando se elige alguno para un uso particular. 2.94 Reconocimiento del papel del azar al hacer mediciones y experimentos.

3.91 Habilidad para obtener conclusiones, imposibles de anticipar, a partir de la observación. 3.92 Interés en aceptar la evidencia factual a pesar de las contradicciones perceptuales. 3.93 Conciencia de que el grado de precisión de las mediciones debe ser tomado en cuenta al interpretar los resultados. 3.94 Conciencia de que las suposiciones no formuladas pueden afectar las conclusiones obtenidas a partir de argumentos y de los resultados experimentales. 3.95 Apreciación de la necesidad de integrar los descubrimientos a una generalización simplificadora. 3.96 Interés en revisar que las conclusiones sean consistentes con nuevas evidencias.

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Las ideas de los niños yel aprendizaje de las ciencias Rosalind Driver, Edith Guesne y Andrée Tiberghien

Ideas científicas en la infancia y en la adolescencia, Morata, Madrid, 1989.

os niños de once años, Tim y Ricky, estudian cómo se alarga un muelle a medida que añaden canicas al recipiente de poliestireno que cuelga del mismo. Ricky deposita cada canica y mide la nueva longitud del muelle antes de añadir la siguiente. Tim lo observa; entonces le interrumpe: "Espera, ¿qué pasa si lo subimos más arriba?" Tim descuelga el muelle, lo eleva y mide de nuevo su longitud. Aparentemente satisfecho de que la longitud no haya variado, continúa el experimento. Más tarde, cuando se le pidió que explicase la razón para hacer esto, Tim cogió dos canicas, sosteniendo una más alto que la otra y dijo:

"Ésta está más arriba y la gravedad tira de ella más fuerte que de la otra. Cuanto más elevada, mayór es el efecto de la gravedad porque si te pones de pie allí y alguien le lanza una piedra, te daría, pero no te haría daño. Pero si la lanza desde un avión, se aceleraría cada vez más y cuando le diese a alguien en la cabeza lo mataría".

La idea de Tim sobre el incremento del peso cuando los objetos se elevan, alejándose de la superficie de la Tierra, no es irracional, como indica su argumento (aunque desde el punto de vista del científico parezca referirse aquí a la energía potencial gravitatoria). Como Tim, muchos niños llegan a sus clases de ciencias con ideas e interpretaciones de los fenómenos que estudian, aunque no hayan recibido ninguna enseñanza sistemática al respecto.

ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

cer incoherentes, al menos desde el punto de vista del profesor. Asimismo, se comprueba que a menudo persisten aunque no concuerden con los resultados experimentales o con la explicación del docente. En otras palabras, pueden ser ideas estables. Expondremos ahora con mayor detalle estas características de las ideas de los niños: su naturaleza personal, su coherencia y su estabilidad. Recipiente _ _ con canicas

Estas ideas son personales Cuando los niños de una clase escriben sobre el mismo experimento pueden hacer diversas interpretacion~s. Cada uno lo ha "visto" e interpretado a su modo. Nuestra propia conducta es semejante: cuando leemos un texto o discutimos un tema con otra persona, podemos o no modificar nuestro punto· de vista. La medida en que modifiquemes nuestra forma de pensar depende, al menos, tanto de nuestras ideas de partida como de lo escrito o dicho. Cuando diversas personas escuchan la misma conferencia o leen el mismo libro, incluso un texto científico, no necesariamente aprehenden o retienen los mismos aspectos. Los sujetos interiorizan su experiencia de una forma propia, al menos parcialmente: construyen sus propios significados. Estas "ideas" personales influyen sobre la manera de adquirir la información. También encontramos esta forma personal de enfocar los fenómenos en el modo de generarse el conocimiento científico. Lamayoría de los filósofos de la ciencia aceptan que las hipótesis o teorías no representan los llamados datos "objetivos", sino que constituyen construcciones o productos de la imaginación humana. Según esto, las observaciones de los hechos están influi-

Figura l.

Los niños crean estas ideas e interpretaciones a partir de las experiencias cotidianas en todos los aspectos de sus vidas: a través de actividades físicas prácticas, de las conversaciones con otras personas acerca de aquéllas y de los medios de comunicación. Este libro presenta las concepciones descubiertas en niños de edades comprendidas entre diez y dieciséis años, en diferentes aspectos físicos, y señala su importancia para los profesores y para aquellas otras personas relacionadas con la educación científica. ¿Qué podemos decir en relación con esas ideas? ¿Las ideas de los niños representan modelos coherentes de los fenómenos que se presentan con frecuencia en los ambientes de clase? Los profesores experimentados comprueban que los estudiantes tienen sus propias concepciones sobre los fenómenos, aunque a veces éstas puedan pare174

LAS IDEAS DE LOS NIÑOS Y EL APRENDIZAJE DE LAS CIENCIAS

das por las estructuras teóricas del observador. Las observaciones que hacen los niños y sus interpretaciones de las mismas también están influidas por sus ideas y expectativas1 • El carácter personal de estas ideas, sean del niño o del científico, no significa necesariamente que no puedan ser compartidas por muchas personas (en la historia de la ciencia ha ocurrido en diversas ocasiones que científicos distintos han desarrollado y utilizado independientemente la misma estructura teórica). Los capítulos siguientes pondrán de manifiesto que los estudiantes, aun de paises diferentes, pueden tener las mismas ideas o hacer idénticas interpretaciones de hechos semejantes.

tes, no son los mismos del científico: el niño no dispone de un modelo único que incluya el conjunto de fenómenos que el científico considera equivalentes. Por otra parte, no siente indefectiblemente la necesidad de una perspectiva coherente, puesto que puede parecer que las interpretaciones y predicciones ad hoc acerca de los hechos naturales funcionan perfectamente en la práctica.

Estas ideas son estables Con frecuencia podemos apreciar que, incluso después de haber sido enseñada una cuestión, los estudiantes no modifican sus ideas a pesar de los intentos del profesor para: combatirlas mediante pruebas en contra de las mismas. En los capítulos que siguen aparecen unos cuantos ejemplos que ilustran el problema: los niños pueden ignorar las pruebas en contra, o interpretarlas de acuerdo con sus ideas antecedentes. Aunque las nociones infantiles pueden ser persistentes, como hemos manifestado ya, el estudiante no tiene por qué tener un modelo completamente coherente del fenómeno presentado, al menos en el sentido científico de la palabra "coherente". Sus interpretaciones y concepciones son a menudo contradictorias, pero no por ello menos estables.

Las ideas personales del niño pueden parecer incoherentes ¿Qué profesor no ha quedado sorprendido por las distintas y a veces contradictorias interpretaciones de fenómenos propuestas por los alumnos en clase? Aun cuando el docente enfrente a los estudiantes con lo que parecen contradicciones, éstos no necesariamente se darán cuenta de ellas. Además, veremos que el mismo niño puede mantener diferentes concepciones de un determinado tipo de fenómeno, empleando a veces argumentos distintos que conducen a predicciones opuestas en situaciones que son equivalentes desde el punto de vista del científico e, incluso, cambiando de uno a otro tipo de explicación del mismo fenómeno. A lo largo de este libro veremos muchos ejemplos de estas contradicciones del pensamiento de los estudiantes. ¿Por qué se producen? La necesidad de coherencia y los criterios para la misma, tal y como los perciben los estudian-

¿Cómo afectan estas ideas el proceso de aprendizaje? Un posible modelo Las mentes de los niños no son tablas rasas capaces de recibir la enseñanza de modo neutral; por el contrario, se acercan a las experiencias de las clases de ciencias con

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ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

nociones previamente adquiridas que influyen de formas diversas en lo aprendido a partir de las nuevas experiencias. Esas nuevas experiencias abarcan las observaciones, de hechos, las interpretaciones ofrecidas sobre esas observaciones y las estrategias que utilizan los estudiantes para adquirir nueva información, incluyendo la lectura de textos y la experimentación. El niño, aun cuando es muy pequeño, tiene ideas sobre las cosas, y esas ideas desempeñan un papel propio en las experiencias de aprendizaje. Muchos autores, como Ausubel, Piaget y Wallon, incluyeron esta noción como elemento integrante de sus teorías. Lo que los niños son capaces de aprender depende, al menos en parte, de "lo que tienen en la cabeza", así como del contexto de aprendizaje en el que se encuentren. El modelo introducido por los científicos cognitivos se ajusta bastante bien a lo que conocemos de la interacción entre las distintas ideas del niño y la forma de evolución que experimentan con la enseñanza. Este modelo se basa en la hipótesis de que la información se almacena en la memoria de diferentes formas, y de que todo lo que decimos y hacemos depende de los elementos o grupos de elementos de esta información almacenada, que han sido denominados "esquemas"*. Un esquema puede referirse al conocimiento del sujeto acerca de un fenómeno específico (por ejemplo, a la sensación de frío suscitada por un objeto metálico), o a una estructura de razonamiento más compleja (por ejemplo, la asociación de una

variable con otra que lleva a que algunos niños prevean lo siguiente "cuanto más brille el foco, mayor será la sombra"). Por tanto, el término "esquema" denota las diversas cosas almacenadas e interrelacionadas en la memoria. Asimismo, estos esquemas influyen sobre la forma que tiene una persona de comportarse y de actuar con el ambiente y, a su vez, puede ser influida mediante retroalimentación (feedback) por ese mismo ambiente. Ilustraremos la idea de "esquema" utilizando como ejemplo la noción que un sujeto tiene de un instituto de bachillerato2 • Este esquema puede incluir relaciones entre hechos o situaciones comprendidas en él y que son, ellas mismas, esquemas. Algunas representan características físicas, por ejemplo: uno o más edificios, escaleras, pasillos, salas, campos de deportes; o personas, incluyendo gran cantidad de estudiantes, profesores, técnicos, limpiadoras y un director. Otros aspectos del esquema general del sujeto pueden incluir los tipos de relaciones o actitudes presentes entre las personas implicadas, como amistad, sumisión y poder, y las actividades de estas personas, como subir o bajar las escaleras, escribir, hablar, tocar instrumentos musicales y enseñar. Por tanto, este "esquema" relativamente sencillo del instituto contiene diferentes elementos organizados entre sí para formar una estructura. Esta puede hallarse ligada a esquemas de otras estructuras (por ejemplo, profesores, estudiantes, educación, etcétera). En la teoría científica hay algunos "esquemas" muy elaborados que representan el conocimiento correspondiente a un campo concreto, como mecánica, luz o reacciones químicas. Estos "esquemas" científicos, integrados en estructuras, se

* Aquí el término "esquema" no tiene el sentido que le atribuye Piaget, sino más bien el derivado de los estudios sobre la memoria y el proceso de información.

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LAS IDEAS DE LOS NIÑOS Y EL APRENDIZAJE DE LAS CIENCIAS

componen, de manera similar, de elementos y de relaciones entre ellos. Sin embargo, difieren del ejemplo del instituto antes utilizado en que algunos elementos de una teoría científica no corresponden a percepciones directas. Estos modelos de la organización de esquemas integrados en estructuras pueden ser utilizados para describir el aprendizaje o la adquisición de una nueva porción de conocimientos. En primer lugar, consideraremos una analogía con la agrupación de los estudiantes de una clase. Estos se relacionan entre sí y forman grupos para actividades distintas, como deportes, teatro o ciencias. Estos grupos no son estáticos, sino que se modifican cuando cambian las amistades y los intereses; puede que algunos estudiantes no se relacionen con los otros y permanezcan aislados. Pensemos en lo que sucede al incorporarse un nuevo alumno. Cuando llega, pueden darse varias posibilidades: puede no relacionarse con ninguno de los otros alumnos, permaneciendo aislado; puede unirse a un grupo ya existente, o su presencia puede provocar la reorganización general de los grupos de amigos. El mismo estudiante se integrará de forma distinta según la clase que lo acoja. La analogía con el aprendizaje es clara: el modo de asimilación de un nuevo elemento de información depende tanto de la naturaleza de dicha información como de la estructura del aprendiz de "esquemas". Por tanto, la misma experiencia facilitada a los estudiantes en sus clases de ciencias puede ser asimilada de manera muy distinta por cada sujeto. Estas imágenes de la organización de esquemas y de la adquisición de otros nuevos pueden dar cuenta de la existencia de ideas personales contradictorias y estables. Cada uno de nosotros tiene una

organización característica de esquemas. La información adquirida está ligada a otra información y, aunque la nueva sea idéntica para varias personas, hay pocas probabilidades de que el enlace establecido entre esta información adquirida y la ya almacenada sea el mismo para dos personas distintas. Cuando un estudiante manifiesta diversos conceptos contradictorios, se ponen en juego diferentes esquemas; estas ideas pueden ser estables todas ellas en cuanto los esquemas las mantengan integradas en estructuras, de manera que el cambio de una de ellas requiera la modificación de una estructura y no meramente de un elemento de la misma. · Al aprender ciencias, un alumno puede darse cuenta de que un hecho se opone a sus expectativas, de que no se ajusta a sus esquemas. Sin embargo, la simple comprobación de esta discrepancia no implica necesariamente la reestructuración de las ideas del estudiante; esa reestructuración requiere tiempo y circunstancias favorables. Para ayudar a los niños a llevar a cabo esta reestructuración de su pensamiento acerca de los fenómenos naturales, la enseñanza de las ciencias puede desarrollar un importante papel para proporcionar a los alumnos una amplia muestra de experiencias relacionadas con determinadas ideas clave.

¿Qué ganamos al comprender las ideas de los estudiantes? Una de las estrategias," si bien no es la única, que permite adaptar mejor la enseñanza a los estudiantes consiste en tener en cuenta sus ideas previas. Esta adaptación puede darse de diversos modos:

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ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

l. La elección de los conceptos que se enseñarán. En ciertos esquemas de enseñanza utilizados con alumnos de secundaria algunos conceptos se consideran obvios y se dan por sabidos al planificar el curso. Sin embargo, el estudio de las ideas de los niños sugiere que incluso nociones aparentemente tan sencillas como la conservación de la materia o la naturaleza intensiva de la temperatura pueden no ser captadas por muchos estudiantes de secundaria. La incomprensión de estas ideas fundamentales puede, en tal caso, llevar a posteriores y más serios problemas de aprendizaje .. 2. La elección de experiencias de aprendizaje. Si conocemos las ideas previas de los estudiantes, podemos atacarlas de modo directo mediante experiencias que entren en conflicto con sus expectativas, de manera que les obliguen a reconsiderarlas. No obstante, no es suficiente, para promover tal cambio, ponerlas en tela de juicio; hay que presentar otras alternativas, que han de ser consideradas por los estudiantes no sólo como necesarias, sino como razonables y plausibles. El conocimiento de las ideas infantiles nos permite escoger actividades de aprendizaje que puedan ser interpretadas más fácilmente por los estudiantes en el sentido que pretendemos. Tenemos un ejemplo en el caso de la reflexión de la luz por los objetos. La mayoría de los niños de trece y catorce años reconoce que un espejo tiene la propiedad de reflejar la luz, pero piensan que los otros objetos no lo hacen. En apoyo a esta idea, manifiestan que con un espejo podemos iluminar un objeto o lanzar ráfagas hacia alguien. El profesor puede proponer experiencias semejantes para convencerles de que la luz es reflejada por los objetos corrientes. A mediodía, en verano, un trozo de papel

blanco deslumbra cuando recibe la luz del sol. En una habitación oscura, podemos percibir con facilidad un objeto ligeramente coloreado cuando lo iluminamos mediante la luz reflejada por una hoja de papel blanco. Por otra parte, vemos también que el conocimiento de las concepciones de los niños nos permite rechazar algunos experimentos clásicos de la enseñanza que no son interpretados por el niño en el sentido deseado. 3. La presentación de los objetivos de las actividades propuestas. Al formular los objetivos de las tareas de aprendizaje es importante tener en cuenta que los alumnos pueden reinterpretar las intenciones del profesor a su modo. El siguiente ejemplo, de unas alumnas de enseñanza secundaria que seguían la programación de una serie de actividades en fichas de trabajo, ilustra esta cuestión. Un grupo de niñas realizaba un experimento en el que se colocaba un calentador por inmersión en bloques de igual peso, pero de diferentes metales (figura 2). El experimento pretendía demostrar la variación del calor específico entre los distintos metales. Las alumnas tenían que dibujar un gráfico que relacionara temperatura y tiempo cuando calentasen cada bloque. Hacia el final de la clase, se pidió a las niñas que mirasen los gráficos y los comparasen, proponiendo una explicación de lo observado en ellos. La profesora (P) toma parte en la conversación. P: ¿Qué os muestra el experimento? A2: Que los diferentes ... mm ... , que los materiales diferentes y que ... vemos cómo puede viajar el calor a través de ellos. P: ¿Qué habéis descubierto? Al: Bueno ... pues... que el calor iba a través del... del... hierro más fácilmente que a través del esto ... A2: Aluminio.

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LAS IDEAS DE LOS NIÑOS Y EL APRENDIZAJE DE LAS CIENCIAS

Las alumnas habían tenido una experiencia directa: recogieron los datos, pero los habían incorporado a un esquema relacionado con la conductividad, en vez de hacerlo con el que se pretendía. Si bien es necesario tener en cuenta las ideas de los alumnos al enseñar, ciertamente no es fácil llevar esta exigencia a la práctica. El profesor tiene la responsabilidad de la clase como un todo y puede considerar poco realista prestar atención a las distintas nociones de cada estudiante. Sin embargo, aunque los conceptos que los alumnos emplean para interpretar los fenómenos son diferentes, existen ciertas pautas generales en los tipos de ideas que tienden a utilizar los niños de diversas edades. Los estudios de las concepciones infantiles relativas a cierta cantidad de temas científicos se han realizado en distintas partes del mundo con niños cuya experiencia de enseñanza formal de ciencias variaba considerablemente. A pesar de ello, estudios de investigación independientes entre sí han mostrado que los niños mantienen pautas semejantes de ideas. Por ejemplo, los estudios efectuados en el área de las concepciones de los alumnos sobre la dináJllÍ.ca, sobre sus puntos de vista acerca de la Tierra y el calor, se han realizado en países distintos y los resultados muestran un cuadro coherente con la afirmación de que las experiencias previas de los niños con los fenómenos dominan su pensamiento. Los estudios mencionados en relación con la teoría de partículas de la materia muestran lo difícil que resulta para muchos estudiantes asimilar aspectos de ese modelo, a pesar del cuidado puesto en el diseño de las secuencias de enseñanza. El informe sobre las ideas de los niños en cuanto a la electricidad muestra un hallazgo bastante perturbador: domina a lo largo de la ense-

Toma de corriente Termómetro

Ioque metálico

Figura2.

ñanza secundaria la proporción de estudiantes que utilizan un modelo de "secuencia" de corriente eléctrica incorrecto. Los estudios de este tipo muestran que, a pesar de la aparente variedad de ideas sugeridas en las clases de ciencias, puede ser útil tratar de tener en cuenta las tendencias generales del pensamiento infantil, tanto para planificar las actividades de aprendizaje como para mejorar la comunicación interna de la clase. Hasta aquí hemos subrayado una perspectiva particular del aprendizaje, en la que consideramos que éste tiene lugar en la interacción entre, por una parte, las experiencias del aprendiz y, por otra, las "entidades mentales", las "ideas" o "esquemas" utilizados para interpretar y dar sentido a aquellas experiencias. Para describir las "entidades mentales" utilizamos diversos términos y, cada uno

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ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

A nuestro parecer, esta pluralidad de términos refleja tanto la naturaleza polifacética como la variabilidad que caracterizan las ideas infantiles; variabilidad que· se manifiesta de un tipo de fenómeno a otro, entre contextos y entre los mismos niños.

con connotaciones ligeramente distintas. Algunos términos, como "noción intuitiva" o "intuición" se refieren a los orígenes de las ideas; otros, como "concepción", "regla" o "visión prototípica", se relacionan con la generalidad del uso de las ideas. En ciertos casos, la organización de las ideas y la relación entre ellas se realza mediante el empleo de expresiones como "estructura cognitiva", "estructuras" o "modelos de los niños". En otros casos, el término empleado se califica con la palabra "alternativo" (p. ej., "concepción alternativa", "estructura alternativa"), haciendo hincapié en la diferencia entre las ideas de los niños y la teoría científica aceptada.

NorAs l. Driver, R. (1983). The Pupilas Scientist? Open University Press: Milton Keynes.

2. Tiberghien, A. (1980). "Quel rapport y a-t-il entre ce que les éleves ont dans la tete' et ce qu'ils font ou disent?" En Sciences Physiques, pp. 197202. Livre du Professeur 3eme coll. Libres Parcours, Hachette, París.

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La constitución de la materia como conjunto de partículas en la fase gaseosa* Joseph Nussbaum Ideas científicas en la infancia y en la adolescencia, Morata, Madrid, 1989.

no de los principales objetivos educativos de la mayor parte de los currícula de ciencias de los cursos superiores de la enseñanza básica consiste en que los alumnos logren entender el modelo de partículas de la materia, pues, en la ciencia actual, la noción fundamental de que toda la materia está compuesta de partículas y no es continua es de primordial importancia para toda explicación causal de cualquier tipo de cambio material. Los primitivos atomistas de Grecia y Roma concibieron átomos individuales que se movían libremente a través del vacío, chocando y rebotando, apiñándose y trabándose. Fueron capaces de racionalizar esta visión mediante la analogía imaginativa con la observación perceptiva. Como dice Lucrecio (Siglo I a.C.) en su poema De la naturaleza de las cosas: "Ante nuestros propios ojos. Pero observa: siempre que los rayos recorren su camino y derraman la h~z del sol por las umbrías habitaciones de la casa, verás muchos cuerpos diminutos confundiéndose de muchos modos en esos rayos de luz por todo el espacio vacío, y como si estuvieran en perpetuo conflicto, en oleadas de guerra, combatiendo y contendiendo guerrero con guerrero sin pausa, en permanente moví-

*El trabajo original correspondiente a este capítulo fue realizado con el doctor S. Novick, del Israel Science Teaching Centre, de The Hebrew University, en Jerusalén. Desgraciadamente, Novik murió, dejando éste y otros importantes proyectos inacabados. Cualquier idea novedosa que el lector encuentre útil en este capítulo debe quedar asociada a su recuerdo.

ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

específica que implantamos y desarrollamos para iniciar y estimular la deseada adaptación de las ideas de los alumnos en relación con la estructura de los gases.

miento, en continuos encuentros y separaciones; así, esto puede ayudarte a imaginar lo que significa que las partículas primordiales de las cosas están en perpetuo movimiento por el magno vacío." 1

No obstante, como es bien sabido, los puntos de vista atomistas no fueron universal y plenamente aceptados por la comunidad científica hasta los albores de nuestro siglo. Aunque Herón de Alejandría (en el siglo Id. C.) explicó sistemáticamente las propiedades específicas del aire en relación con partículas separadas por el vacío, la perspectiva que prevaleció durante cientos de años sostenía que el vacío total era imposible. Estas someras observaciones tomadas de la historia de la teoría de la materia indican que la incorporación del modelo de partículas exige un difícil acomodo de los preconceptos populares, tratándose de un modelo que no puede ser construido fácil ni rápidamente por los niños. En este artículo pasaremos revista a diversos estudios que revelan las ideas infantiles acerca de determinados aspectos de la estructura de los gases. Preferimos centrarnos en los fenómenos de su comportamiento de éstos porque, a través del estudio de su conducta, los científicos accedieron gradualmente al modelo de partículas. Muchos programas de introducción a la ciencia tienden a seguir este desarrollo histórico e introducen el modelo al examinar la conducta de los gases. Tras describir estos estudios y sus descubrimientos, proponemos un análisis de los aspectos del área que pueden causar dificultades a los alumnos. En el análisis trataremos de delinear el modo de desarrollo de concepciones alternativas sobre la conducta de los gases y de poner de manifiesto sus posibles fundamentos filosóficos y metafísicos. Hacia el final del artículo nos referiremos a la estrategia

Revisión de estudios seleccionados Revisaremos cuatro estudios seleccionados que tratan de investigar la comprensión de los alumnos acerca de la naturaleza de partículas de gas. Estos estudios se realizaron en tres países distintos, con niños de edades muy diversas. Los tres primeros investigaban las concepciones de los alumnos en diferentes estratos de edad; no obstante, cada niño fue evaluado sólo una vez. Por tanto, no se estudió directamente la dinámica del cambio conceptual que puede darse en un individuo en relación con el modelo de partículas, sino que fue inferida por métodos indirectos. El cuarto estudio trata de seguir la dinámica del cambio conceptual en los mismos sujetos, a medida que éstos participaban en un conjunto estructurado de lecciones.

Estudio basado en entrevistas, realizado en Israel (1978)2 El objeto de este estudio consistía en investigar hasta qué punto eran capaces los alumnos israelíes de catorce años (octavo grado) de aplicar distintos aspectos del modelo de partículas para explicar fenómenos físicos sencillos producidos en la fase gaseosa. Estos alumnos habían recibido enseñanza formal en el programa de ciencias físicas de séptimo grado. Este, titulado "La estructura de la materia", incluía actividades que implicaban gases, líquidos y sólidos. Al estudiar las diversas fases de 182

LA CONSllTUCIÓN DE LA MATERIA

la materia, los alumnos podían aprender distintos aspectos de propiedades características y seleccionadas de la materia, como densidad, fluidez, compresibilidad, cristalinidad, difusión, cambio de fase, descomposición, separación y mezcla. Una parte significativa del programa estaba dedicada a interpretar estas propiedades en relación con partículas o en términos de átomos y moléculas. Diseñamos un procedimiento de entrevista de 30 minutos para presentar algunos fenómenos y para probar los distintos marcos conceptuales que utilizaban los alumnos para interpretarlos.

Contenido y estructura de la entrevista La entrevista se basaba en tres fenómenos e incluía ocho cuestiones o tareas concretas. Cada fenómeno constituía un centro de atención para probar la comprensión de los siguientes aspectos del modelo de partículas de los gases: l. Un gas está compuesto de partículas invisibles 2. Las partículas de gas se reparten uniformemente por cualquier espacio cerrado 3. Entre las partículas de un gas hay un "espacio vado" 4. Las partículas de un gas tienen movimiento intrínseco, incluso cuando no son afectadas desde el exterior 5. Cuando dos sustancias gaseosas distintas interactúan para formar una tercera, sustancia, la representamos como una reunión de distintos tipos de partículas

ción de su funcionamiento. Se conectaba la bomba al frasco y se accionaba con el fin de extraer algo de aire del frasco (figura 1). Hecho esto, se pedía a los alumnos que llevasen a cabo la primera tarea. Tarea l. Supón que dispones de unas gafas mágicas con las que puedes ver el aire que está en el interior del frasco. Dibuja cómo lo verías antes y después de utilizar la bomba de vacío para extraer algo de aire. Los alumnos hicieron la tarea que se les pedía sombreando ciertas áreas del frasco (representando aparentemente un modelo continuo) o punteando determinadas zonas del mismo (representando aparentemente un modelo de partículas). Esta tarea pretendía examinar la aplicación espontánea de la idea de la naturaleza parcelada del aire y de que las partículas del mismo se reparten de un modo uniforme. Tarea 2. Aquí tienes algunos esquemas de "antes y después" dibujados por alumnos de otra escuela (figura 2) cuando con~ templaron el mismo fenómeno. ¿Qué dibujo crees que representa mejor el aire del interior del frasco antes y después de la extracción? A los alumnos que dibujaron una "representación continua" en la tarea 1, se les mostró en primer lugar una página con diversas predicciones basadas en un modelo continuo (figura 2a). Después de responder ante los dibujos de esta primera pági-

Bomba de vacío

Fenómeno 1 Se presentaron un frasco de un litro, que contenía aire, y una bomba de vacío accionada a mano, efectuándose una demostra-

Figura l. Aparato para extraer aire de un frasco (fenómeno núm. 1).

183

ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

Tarea 4. Explica por qué no se caen todas esas partículas al fondo del frasco, quedando sencillamente amontonadas allí. ¿Qué las mantiene suspendidas? Esta tarea comprobaba la idea del movimiento intrínseco de las partículas. Antes

Después

Antes

Después

Fenómeno2

a. Primera página: representación continua de la estructura del aire

Antes

Después

Antes

Después

Antes

Después

Antes

Después

b. Segunda página: representación mediante partículas de la estructura del aire

Se presentaron dos frascos cerrados que contenían líquidos incoloros. Se abrió el primero (amoniaco concentrado) y se ftjó a la boca del mismo una tira de papel indicador de color naranja. La tira se volvió azul. Se tapó el primer frasco y se abrió el segundo (ácido clorhídrico concentrado), fijándose a la boca del mismo la tira azul, que se tomó roja (figura 3). Entonces se plantearon las siguientes preguntas: Tarea 5. ¿Qué provocó que la tira de papel se volviese azul en el primer frasco y roja en el segundo? Haz un esquema. ¿En qué aspecto fundamental son diferentes los dos líquidos incoloros? Esta tarea pretendía comprobar la idea de que los vapores y los líquidos están formados por partículas.

Figura 2. Páginas de diagramas para la tarea 2.

na, se les mostró la segunda, que contenía las mismas predicciones en relación con el modelo de partículas (figura 2b). Esta tarea trataba de examinar la capacidad para reconocer la representación que mejor se ajustase a la distribución uniforme del aire en un espacio cerrado y a su naturaleza parcelada. Tarea 3. Explica qué hay entre los puntitos de los dibujos (figura 2b). Esta tarea comprobaba la idea de la existencia de "espacio vacío" entre las partículas de gas.

Papel indicador

Amoniaco concentrado

Acido clorhfdrico concentrado

Figura 3. Aparatos para el fenómeno núm. 2.

184

LA CONSTITUCIÓN DE LA MATERIA

Tarea 6. ¿Cómo llega la sustancia desde el líquido hasta el papel? Esta tarea comprobaba la idea del movimiento intrínseco de las partículas.

Fenómeno3 Se emplearon nuevamente los dos frascos que contenían los líquidos incoloros. Se pusieron unas gotas de cada líquido en una pequeña incisión, rellena de algodón, que se efectuó en dos tapones de corcho. Estos se insertaron simultáneamente en ambos extremos de un tubo de vidrio de 30 cm. Pasado un minuto, apareció un pequeño anillo de humo blanco en el interior del tubo, más próximo a uno de los extremos (figura 4 ). Entonces se planteó a los alumnos la siguiente cuestión: Tarea 7. ¿Qué es la "sustancia blanca" y cómo se ha formado? Haz un esquema. Esta tarea comprobaba la idea de que un cambio químico consiste en una interacción entre partículas. Tarea 8. Explica por qué el anillo blanco no se forma en medio del tubo. Esta tarea comprobaba la idea de que las partículas tienen un movimiento intrínseco y que las diferentes partículas pueden ir a distintas velocidades. (Las respuestas de los alumnos, tanto a las preguntas estructuradas como a las posteriores comprobaciones, fueron inmediatamente recogidas en hojas, aliado de sus dibujos, junto con las impresiones genera-

Tapón de algodón con amoníaco concentrado

Anillo blanco Tapón de algodón con ácido clorhídrico concentrado

Figura 5. Formato de una pregunta, a modo de ejemplo, tomada de la Figura 4. Aparato para el fenómeno núm. 3.

prueba administrada en el estudio transversal de Estados Unidos.

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ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

Figura 6. Formato, a modo de ejemplo, de una pregunta de la prueba empleada en Inglaterra con estudiantes de bachillerato.

les pertinentes. Las respuestas fueron categorizadas más tarde de acuerdo con la relación que tuviesen con los cinco aspectos del modelo de partículas enumerados anteriormente).

Descubrimientos del estudio mediante entrevista La muestra sometida a estudio (alrededor de 150 alumnos) se extrajo de nueve escuelas urbanas, escogidas de forma que representaran la variabilidad de la población. Las diversas respuestas, relativas a los cinco. aspectos del modelo de partículas fueron comprobadas en la entrevista, y su frecuencia (porcentajes) se presenta a continuación. Aspecto l. El gas se compone de partículas invisibles. Esta proposición es la más elemental de las del modelo de partículas. El 64% de los alumnos apuntaron espon-

táneamente que el aire está constituido por partículas. Cuando se les pidió que escogieran la mejor representación visual de la estructura del aire de entre una serie de alternativas, el78% escogió el diagrama que representaba la forma de partículas. ¿Hemos de presumir que quienes escogieron el diagrama de partículas como la mejor representación comprendían básicamente otros aspectos del modelo? Los siguientes descubrimientos muestran que tal supo sición es prematura . Aspecto 2. Las partículas de gas se distribuyen uniformemente por un espacio cerrado. La tarea de explicar la propiedad de los gases de "rellenar el espacio" en relación con la distribución homogénea de partículas trataba de forzar a los alumnos a demostrar que habían superado el concepto de continuidad de la materia, estando capacitados para pensar en el comportamiento de las partículas individuales. Se descubrió que uno de cada seis alumnos de los que escogieron la representación de partículas en las tareas 1 y 2 creía que éstas no estaban distribuidas homogéneamente en un recipiente cerrado, sino que se concentraban en alguna parte del mismo. Esta respuesta indica la necesidad percibida por un número significativo de alumnos, que admitían la parcelación, de retener cierto sentido de continuidad en la estructura del aire. Aspecto 3. Entre las partículas de gas hay un espacio vacío. Sólo alrededor del 45% de los alumnos que admitían la parcelación (el 35% de la muestra) explicaba rotundamente que entre las partículas quedaba un espacio vacío; el 16% se mostraba inseguro acerca de la naturaleza del vacío y acababa por aceptar esta proposición únicamente ·después de ser pre186

LA CONSTffUCIÓN DE LA MATERIA

sionado. Estos alumnos respondían inicialmente que entre las partículas representadas en el dibujo habrían más partículas. Entre los alumnos que manifestaban no percatarse de la existencia de un espacio vacío, surgían ideas muy distintas cuando trataban de explicar lo que había entre las partículas: "polvo y otras partículas"; "otros gases, como oxígeno y nitrógeno"; "las partículas están apretadas unas contra otras; no hay espacio entre ellas"; "aire, suciedad, gérmenes"; "vapores desconocidos";

"partículas expandidas por el espacio vacío", etcétera. Aspecto 4. Las partículas de un gas tienen un movimiento intrínseco. Sólo alrededor del 50% de los alumnos que optaban por la parcelación (aproximadamente el 40% de la muestra) apuntó que las partículas de un gas están dotadas de movimiento intrínseco. Muchos de ellos no atribuían la propiedad de los gases de rellenar el espacio (tarea 4) al movimiento intrínseco de las partículas. Entre otros

Figura 7. Unidad didáctica: lecciones y contenido de las hojas de trabajo.

187

ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

Antes

Después

iBl:l l\ . Lección 3

Antes

ntamien~o D:::u: ~ P~:~:a j~;~·: ··:;~~~~;~.

-.·:· ~

i . .do..i.t~~,....~~ /l.JlAII>I.~~~

j Hoja de trabajo 7

1-- _

Figura 8. Caso núm. 3: Las respuestas de Roger a diversas cuestiones de una unidad de diez lecciones.

factores mencionados estaban: "las partículas quieren elevarse" (o sea, una propiedad animista); "el peso de las partículas es muy pequeño y, por tanto, ascienden", o "el aire flota en el espacio a causa de su bajo peso específico" (o sea, el aire tiende naturalmente a flotar en el espacio: éste es el lugar natural del aire); "si todas las partículas cayeran al fondo, habría un vacío y esto es imposible en el aire" (o sea, el vacío es imposible: la materia es absorbida por el vacío para rellenarlo, en todo caso). Aspecto 5. La formación de una nueva sustancia a partir de otras dos distintas se representa como la reunión de distintos tipos de partículas. Sólo el 50% de los alumnos que optaron por el modelo de partículas (alrededor del 40% de la muestra) dijo que la sustancia blanca (clorhidrato amónico) era un compuesto formado por la combinación de diferentes partículas. Generalmente, esta respuesta no apareció de un modo espontáneo, sino sólo cuando se preguntó a los alumnos específicamente la naturaleza de la sustancia blanca.

Los descubrimientos efectuados en este estudio de entrevista indican que una proporción significativa de la muestra no lograba utilizar en sus respuestas importantes aspectos del modelo de partículas. Nuestra explicación de este hecho consiste en que los alumnos afrontan el aprendizaje del modelo de partículas con un modelo alternativo bastante estable según el cual la materia se concibe básicamente como continua y estática. En la escuela se espera que los alumnos abandonen este modelo perceptivamente sensible para abrazar otro abstracto, desarrollado por los científicos para interpretar los resultados de sus investigaciones sobre las propiedades físicas y químicas de la materia. Efectivamente, la representación de partículas contradice a veces la propia percepción sensitiva de la materia. El primer aspecto del modelo científico, el de la existencia de partículas invisibles, también es el más sencillo. Hoy en día, incluso los niños más pequeños oyen hablar de cosas invisibles, como de gérmenes y virus que afectan su salud. Saben que cuanto más pequeño es el objeto, más difícil es de ver. Por tanto, la afirmación de que la materia está compuesta por partículas invisibles debe parecerles muy verosímil, lo que se demuestra por el hecho de que más del60% de la muestra estuvo de acuerdo con este aspecto en sus respuestas. No obstante, únicamente cuando se comprenden las diversas perspectivas y sus mutuas relaciones, el modelo cobra todo su significado. Los aspectos de la teoría de partículas más difícilmente asimilables por los alumnos son los más disonantes con sus concepciones antecedentes de la naturaleza de la materia. Estos aspectos son: el espacio vacío (el concepto de vacío), el movimien188

L4 CONSTITUCIÓN DE LA MATERIA

to intrínseco (cinética de partículas) y la interacción entre partículas (transformación química).

Un estudio transversal en los Estados Unidos (1981)3 Este estudio trataba de descubrir cómo se transforman las concepciones de los alumnos a medida que crecen y reciben mayor cantidad de información al ir accediendo a los grados superiores de la enseñanza. Dado que se trataba de efectuar una prueba a una muestra muy grande, abarcando un conjunto de edades amplio, se hizo necesario reemplazar la entrevista clínica por la prueba de papel y lápiz. Se desarrolló a este efecto una prueba escrita basada en los fenómenos utilizados en el estudio mediante entrevista descrito anteriormente. Se pedía a los alumnos que: a) completaran un dibujo; b) escribiesen una explicación (respuesta libre); o e) escogiesen entre varias explicaciones o dibujos presentados de antemano (elección obligatoria). A modo de ejemplo, puede verse una muestra de esta prueba en la figura 5. El estudio en cuestión se realizó en Iowa City. La muestra estaba compuesta por 576 alumnos, desde la escuela elemental hasta la universidad. Se descubrió que el porcentaje de alumnos que mostraba elementos de ideas científicamente aceptadas aumentaba, en general, con la edad, aunque en determinadas tareas no se apreciaba un incremento significativo más allá del ciclo superior de la enseñanza básica. Nuevamente, la mayoría de los alumnos afirmaba que el aire está compuesto de partículas, pero sólo una minoría demostraba haber asimilado la idea del espacio

vacío entre éstas (como máximo, el 50% de un grupo de edad) y la del movimiento intrínseco de las partículas (como máximo, el 40% de un grupo de edad).

Un estudio sobre estudiantes de bachillerato en Inglaterra (1984)4 Este estudio al que nos referimos formaba parte de un proyecto nacional de investigación en Inglaterra. Se administró una prueba, fundamentalmente de papel y lápiz, sobre algunos aspectos de la naturaleza parcelada de la materia a una muestra de 300 alumnos de quince años. La mayor parte de las preguntas estaban relacionadas con la fase gaseosa. Una muestra de la prueba, a modo de ejemplo, aparece en la figura 6. Los investigadores comunicaron los siguientes descubrimientos: • Más del 50% de los estudiantes utiliza las ideas referidas a las partículas, sin que comprenda necesariamente otros elementos esenciales del modelo. El resto de la muestra no hace referencia a las partículas en sus respuestas.

Antes

Después

~~--~}\

L\7Aa Antes

Después

Figura 9. Caso núm. 2: Las respuestas de Lisa a diversas cuestiones de una unidad de diez lecciones.

189

ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

• En el mejor de los casos, uno de cada cinco estudiantes daba respuestas parcialmente completas basadas en la teoría de partículas comúnmente aceptada (esta proporción llegaba a ser de uno a tres entre los estudiantes que habían cursado física o química). • Al menos uno de cada tres estudiantes utilizaba ideas de partículas alternativas (concepciones mixtas), como expansión y contracción de partículas,. calentamiento de partículas, fusión de partículas, comportamiento animista de partículas . • Alrededor de uno de cada cuatro estudiantes daba respuestas macroscópicas sin referencia a teoría alguna de partículas (otros resultaron inclasificables a causa de sus confusas respuestas).

Cambio conceptual de los alumnos individuales: un estudio de casos en Estados Unidos (1982)5 Los estudios anteriores proporcionaron una evaluación de la comprensión de los alumnos concretos en un determinado momento de su desarrollo conceptual. Este estudio de casos fue el único que trató de seguir la dinámica del cambio conceptual durante una unidad didáctica. Los alumnos considerados en este estudio se encontraban en sexto grado (doce años) en una ciudad universitaria del estado de Nueva York. Se diseñó y aplicó una serie de diez lecciones relativas a la naturaleza de partículas de los gases (véase en la figura 7 el contenido de una lección). La mitad de las clases fueron grabadas en video para permitir que los investigadores siguiesen el cambio conceptual de los sujetos a través de sus participaciones orales en las discusiones de clase. Las hojas de trabajo de los alumnos se recogieron y analizaron con el fin de obtener mayor información.

e Figura 10. Red de conceptos de sentido común y de sus relaciones

percibidas.

Este análisis mostró que los alumnos no abandonaban fácilmente sus preconcepciones y que tendían a mezclar la nueva informacton con sus ideas previas, construyendo una concepción mixta (denominada como "ideas alternativas sobre partículas" en el informe de investigación). Hemos seleccionado dos casos.

Caso 1 (figura 8) Antes de comenzar las clases, Roger creía que el aire que quedaba en un frasco tras haber extraído parte del que contenía permanecería alrededor de sus extremos "tra,tando de reventar" (es decir,· relacionaba la materia con algún tipo de animismo). Después de la exposición de la naturaleza de partículas del aire, rellenó su hoja de trabajo como muestra la figura 8. Su 190

LA CONS7TIVCIÓN DE LA MATERIA

guió demostrando que había asimilado la perspectiva mecánica. No obstante, aún afirmaba, al final de la unidad didáctica, que el vacío ejerce una fuerza de succión. La complejidad de la dinámica del cambio conceptual se pone claramente de manifiesto en este estudio de casos. En él podemos contemplar la tenacidad de las concepciones preexistentes y cómo persisten a través de muchas etapas del proceso educativo e, incluso, cuando éste ha finalizado. Las preconcepciones fuertes pueden persistir y permanecer activas ayudando a que el alumno asimile nuevas informaciones. En este proceso, el significado científico de la información quedaría distorsionado.

dibujo y su comentario indican claramente que, para él, el aire que restaba seguía formando un "tejido continuo, ligero y claro", aunque ahora contenía "partículas de aire" flotantes. Para él, la extracción del aire significaba retirar este medio, el aire genuino, dejando las partículas en el fondo, como un pez sin agua. Sin embargo, creía que las partículas de aire ascenderían después de calentarlas (es decir, un supuesto "movimiento natural" del aire caliente) y que "tratarían de salir" (es decir, concediendo algún tipo de naturaleza animista a las partículas). Esta creencia se repetía en la hoja de trabajo 9. En la lOa relacionaba el movimiento de partículas con la succión del vacío. En la hoja de trabajo lOb daba cuenta parcialmente del comportamiento de las partículas.

Caso 2 (figura 9) Lisa demostró, en su hoja de trabajo 4, que aún retenía su creencia antecedente sobre la continuidad del aire. En la lección 5 mostraba un cierto cambio en sus concepciones cuando representó el olor en forma de puntos esparcidos por toda la habitación, dejando espacio entre ellos. La idea del espacio vacío aparece claramente en la hoja de trabajo 7. Sin embargo, de manera simultánea retuvo su creencia de que las partículas de aire se expandían cuando aumentaba la temperatura (o sea, traspasando la propiedad de la masa de aire a sus partículas). En la hoja de trabajo 9 demostró que había descartado la idea de que las partículas de aire se expanden al calentarse, siendo capaz de utilizar una explicación mecánica de su comportamiento. En la lección 10 y en la hoja de trabajo 10 si-

Figura 11. Red combinada de conceptos de sentido común y de algunas construcciones teóricas de la teoría cinética de partículas.

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ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

Origen de las dificultades de los alumnos: análisis de conceptos, construcciones teóricas y supuestos metafísicos En esta sección proponemos un análisis de las dificultades que presentan los alumnos mediante el estudio de la estructura del conocimiento de esta área. En la figura 1O aparecen algunos conceptos prima~os sobre el mundo físico, junto con sus Interrelaciones. Los conceptos escogidos para esta figura son de "sentido común", que evolucionan de manera relativamente acompasada con la experiencia directa de los fenómenos físicos. Veamos algunos ejemplos de estos conceptos y de sus interrelaciones: los cuerpos pueden ejercer fuerzas; el volumen aumenta cuando lo hace la temperatura; la materia aparece en forma sólida, líquida o gaseosa. El intento de comprender es una característica natural y espontánea de los seres humanos. Así, estos conceptos de

Figura 12. Algunos constructores seleccionados de la_ mecánica newtoniana. Se recuerda la existencia de estructuras alternativas no causales.

"sentido común" y las relaciones entre ellos han constituido siempre el centro de la curiosidad intelectual y de las investigaciones físicas. En el transcurso de la historia de la ciencia han sido propuestas y defendidas diversas teorías en relación con estos conceptos en distintas culturas y por diferentes estudiosos 1, siendo la teoría cinética de partículas la única aceptada normalmente por la moderna comunidad científica. Por tanto, su asimilación por los alumnos se considera a menudo como uno de los objetivos más importantes de la educación científica actual. En la figura 11 se añade al conjunto precedente de conceptos de "sentido común" una breve y esquemática representación de esta teoría, aplicada a la conducta de los gases. La teoría cinética de partículas se presenta como una estructura adicional de nociones hipotéticas conectada por muy diversas relaciones con la red de conceptos de "sentido común". Estas nociones hipotéticas explican los conceptos de "sentido común" y sus interrelaciones. Por ejemplo, la presión, que puede ser correctamente sentida, se explica como el resultado de las colisiones entre partículas. Es importante reconocer que los conceptos de la teoría de partículas son construcciones intelectuales basadas en diversas suposiciones que superan la observación directa. Una suposición importante que podemos encontrar en la teoría cinética de partículas es que el comportamiento cinético de las partículas hipotéticas es análogo en muchos aspectos al "comportamiento mecánico de los cuerpos". Superficialmente, esta suposición puede parecer sencilla y con implicaciones claras, pero no es así. El comportamiento mecánico de los cuerpos no tiene

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LA CONSTIIVGÓN DE L4 MA1ERIA

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Figura 13. Algunas estructuras metafísicas no causales. Se recuerda la mecánica newtoniana como estructura alternativa.

una descripción o interpretación sencilla, sino que puede ser explicado de forma diferente por distintas teorías alternativas, como veremos más adelante. Al suponer que las partículas se comportan como los cuerpos macroscópicos, la teoría cinética de partículas se refiere específicamente a la teoría de la mecánica de N ewton, que incluye como característica fundamental el concepto de movimiento de inercia en línea recta y a velocidad constante (figura 12). La presunción de la idea del movimiento de inercia requiere la aceptación del "espacio vacío ilimitado" como noción necesaria. Cuando aplicamos la mecánica de Newton a las partículas gaseosas, las concebimos como moviéndose en líneas rectas en el vacío, chocando entre ellas y con las paredes del recipiente, y creando estadísticamente un movimiento aleatorio. Con esta idea podemos describir y explicar diversos fenómenos de la fase gaseosa, como la naturaleza tendiente a "re-

llenar el espacio" del gas en un recipiente cerrado, la presión del gas ejercida en todas direcciones, la difusión del gas, etcétera. Cuando decimos a nuestros alumnos que las partículas tienen un movimiento intrínseco, ¿podemos dar por supuesto que piensan en el movimiento de las partículas en el contexto del marco newtoniano? Es más bien arriesgado. En muchas escuelas, los alumnos estudian determinadas ideas antes que la mecánica newtoniana. Incluso cuando han estudiado mecánica, las ideas relativas a fuerza y movimiento resultan difíciles de entender y de utilizar para la mayoría de los alumnos de la escuela secundaria. Precisamente, encontramos alumnos en las escuelas, e incluso estudiantes universitarios, que utilizan ideas intuitivas o marcos alternativos que reúnen las características del modo de pensar aristotélico. El marco newtoniano y los alternativos rivales se basan en distintos supuestos metafísicos. Una característica común a todos los marcos alternativos mencionados seguidamente es la suposición de que hay factores "no físicos", "no causales", que pueden crear fuerzas y movimientos. Estos factores se relacionan con las siguientes nociones (figura 13). Animismo. Es la asignación de determinadas características animales a la conducta de objetos inanimados. Estas características incluyen intenciones, deseos y, a veces, incluso fobias. El animismo prevalece en el pensamiento mágico, aparece en determinadas culturas y en los niños pequeños. El lugar natural de las sustancias. Esta noción prevaleció durante el periodo clásico y en la Edad Media. Se creía que cada sustancia tendía a moverse hacia su lugar natural. Un "lugar natural" podía ser el cen-

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ENsEÑANZA DE út QUÍMICA

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alumnos de séptimo u octavo que "las partículas de gas se mueven" es razonable esperar que .sus procesos espontáneos de pensamiento con respecto al movimiento y a sus factores incluirán al menos algunos elementos de estas nociones alternativas. Esto quedó demostrado mediante los descubrimientos de los diversos estudios antes descritos. Hasta ahora, en los análisis anteriores, nos hemos centrado en las nociones alternativas que pueden tener los alumnos en relación con el movimiento y sus posibles factores. Hay otra noción esencial en la que se funda la teoría de partículas: la de "espacio vacío". Mencionamos anteriormente que el concepto de espacio vacío, como una parte natural del mundo material, no es fácilmente asimilado por los alumnos. Debemos reconocer que la cuestión de la existencia o inexistencia del espacio vacío natural fue debatida durante siglos por los filósofos. Si nos percatamos de ello, podemos entender mejor las dificultades de nuestros alumnos. Este problema tiene su raíz en las disputas metafísicas acerca de la cualidad básica del "espacio". Hoy día, la ciencia acepta la concepción del espacio de Newton, que sostiene que el espacio es una entidad independiente de los diversos cuerpos del mundo y así el mundo en su conjunto debe ser ilimitado.* Esta concepción fue sostenida también por los atomistas griegos. No obstante, la concepción alternativa, defendida vigorosamente por Aristóteles, prevaleció durante la mayor parte de la historia occidental. Aristóteles defendía que el "espacio" no es una entidad en sí misma, sino dependiente y definida por los cuerpos materiales. Se-

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Figura 14. Distintas respuestas metafísicas sobre la naturaleza del espacio.

tro de la Tierra (hacia abajo) para algunas sustancias (tierra, agua) o lejos del centro (hacia arriba) para otras (aire, fuego). Un ejemplo de este modo de pensar sería: "el aire es una sustancia que asciende porque es ligera y refinada, más espiritual y menos terrena y no porque tenga un peso específico relativamente bajo". Según esta noción, las sustancias se mueven, de no mediar barrera alguna, hacia su lugar natural a causa de sus tendencias intrínsecas y no como resultado de interacciones. El vacío es imposible. Según esta noción, "la naturaleza aborrece el vacío". Por tanto, si se crea momentáneamente un vacío, será "rellenado" de inmediato por las sustancias adyacentes, que "entrarán con gran rapidez en donde se haya producido". Se creía que el movimiento de estas sustancias era causado por alguna "fuerza absorbente" originada en el vacío. Nótese que, como en el caso de las nociones anteriores, el movimiento no se inicia a causa de la interacción entre dos cuerpos materiales. Estas nociones fueron mantenidas por grandes estudiosos del pasado que confiaban en su intuición y elaboraron sus teorías sobre esta base. Cuando decimos a los

* Ciertamente, la concepción del espacio de Einstein es diferente, pero se aplica tan sólo en niveles avanzados de física.

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LA CONS'fl1UCIÓN DE LA MATERIA

gún esto, el "espacio vacío natural" es una noción sin sentido. La materia debe ser continua y el espacio sólo alcanza hasta el límite del mundo material continuo. Así pues, el mundo material con su espacio es limitado. La figura 14 representa esquemáticamente esta disputa. El análisis precedente de la teoría cinética de partículas y de sus teorías rivales con raíces metafísicas nos ayudará a adquirir una mejor visión de conjunto de las dificultades de los alumnos, y de los marcos alternativos que utilizan en su pensamiento.

Hacia una estrategia de enseñanza eficaz Después de leer el apartado anterior, podemos adoptar una perspectiva pesimista acerca de la posibilidad de enseñar con plenitud de sentido ~1 modelo de partículas en el período de la escuela elemental o en el del ciclo superior de la enseñanza básica. El autor no comparte ese punto de vista. Las descripciones y argumentos presentados en la sección precedente han tratado de despertar nuestra conciencia y nuestra sensibilidad acerca de las creencias alternativas de los niños en relación con la estructura de la materia y con la naturaleza parcelada de la misma. La lección aprendida sobre la naturaleza tenaz de las preconcepciones de los niños debe motivarnos para buscar estrategias de enseñanza más eficaces. Basándonos en nuestra propia experiencia y en la revisión de la investigación de otras personas hemos llegado a apuntar una estrategia para iniciar y estimular los cambios conceptuales deseados. La estrategia que proponemos se basa en dos supuestos fundamentales.

El primero consiste en que los principales cambios conceptuales se inician únicamente como resultado de algún conflicto entre la concepción previa de una persona y las pruebas que entren en contradicción con ella -"el acontecimiento discrepante". N o tiene nada de especial ni de innovadora la suposición planteada y otros educadores y psicólogos la han propuesto y tratado de aplicar anteriormente. Nuestra única contribución consiste en añadir el segundo supuesto: salvo que los alumnos sean muy conscientes de los elementos de su propia concepción preexistente, es improbable que perciban un auténtico conflicto. Esto implica que, si queremos capacitar a nuestros alumnos para que saquen el beneficio esperado del conflicto conceptual, debemos ayudarles a que expongan y articulen abiertamente sus preconcepciones. En el caso de la naturaleza parcelada de los gases 6 , planeamos un "acontecimiento de exposición" en el que animamos a todos los niños a que pusieran de manifiesto su postura acerca de la naturaleza continua o discontinua del aire. En este acontecimiento el profesor demuestra el fenómeno 1 del estudio de entrevista descrito en las páginas anteriores (figura 1), y pide a los alumnos que imaginen cómo se vería el aire a través de las gafas mágicas. Entonces inicia y dirige la discusión del grupo en el que aparecerán normalmente todas las respuestas mostradas en la figura 2a, y algunas otras propuestas por los alumnos. La mayor parte de estas respuestas representan la perspectiva de que el aire es continuo. Según nuestra experiencia, si este coloquio se dirige adecuadamente, los alumnos se hacen conscientes de su propia creencia sobre la naturaleza continua del aire. La mayoría se percata de que puede haber perspectivas racionales alternativas acerca de la natura-

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ENSEÑANZA DE 1..4 QUÍMICA

leza del aire y de que su propio punto de vista no es sino uno más. El profesor, entonces, plantea la cuestión: "¿Qué parte del volumen del recipiente está vacío a causa del aire que falta?" En otras palabras, la pregunta es: "En el dibujo, ¿dónde indicarías el espacio vacío que anteriormente estuvo lleno con el aire que falta?" El "acontecimiento discrepante" constituye una demostración de la compresibilidad del aire. El aire contenido en una jeringuilla se comprime hasta ocupar la mitad de su volumen original. Entonces se pide a los alumnos que averiguen lo que en la estructura del aire hace posible que se comprima. Los alumnos comienzan a darse cuenta de que si el.aire es continuo es difícil explicar su compresibilidad. En la siguiente etapa de la. prueba, los chicos llegan a apuntar que puede ser que "el aire contenga naturalmente espacios vacíos en su seno" y que esta característica lo hace compresible. La experiencia acumulada en relación con este enfoque indica que, incluso si sólo una minoría de alumnos propone espontáneamente esta idea, el resto del grupo estará bien preparado y listo para aceptarla en toda su amplitud. El hecho de sentar las bases cognitivas de la posibilidad de que exista un "espacio vacío natural" en el interior del aire provoca subsiguientemente que la idea de la naturaleza discontinua del aire sea mucho más razonable y asimilable. En otro lugar7 aparece una descripción más detallada de este enfoque.

Hasta aquí dejamos constancia de una posible estrategia de enseñanza. No obstante, es preciso realizar una mayor cantidad de trabajos orientados a mejorar las estrategias y las actividades para enseñar adecuadamente el modelo de partículas. BIBUOGRAFÍA

l. Toulmin, S .E. y Goodfield, J. ( 1962 ), The Architecture ofMatter, Harmondsworth: Penguin. 2. Novick S. y Nussbaum J. (1978), "Junior high school pupils' understanding of the particular nature of matter. An interview study". Science Education, 62 (3 ), 273-281. 3. Novick S. y Nussbaum J. (1981), "Pupils' understanding of the particular nature of matter: A cross age study". Science Education, 65 (2), 187-196. 4. Brook A., Briggs H. y Driver R. ( 1984), Aspects of Secondary Students' Understanding of the Particular Nature of Matter. Children's Learning in Science Project. Centre for Studies in Science and Mathematics Education, Universidad de Leeds. 5. Nussbaum J. y Novick S. (1982), A study of canceptual change in the classroom. ·Trabajo presentado en la reunión anual de la NARST, Lake Geneva, Chicago, U .S.A. 6. Nussbaum J. y Novick S. ( 1981 ), "Brainstorming in the classroom to invent a model: A case study". School Science Review, 62 (221), 771-778. 7. Nussbaum J. y Novick S. ( 1982), "Altemative frameworks, conceptual conflict and accommodation: Toward a principled teaching strategy." · Jnstructional Science, 11, 183-208.

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Más allá de las apariencias: la conservación de la materia en las transformaciones físicas y químicas Rosalind Driver Ideas científicas en la infancia y en la adolescencia, Morata, Madrid, 1989.

lgunos de los fenómenos más espectaculares que los niños presencian en la vida cotidiana conllevan reacciones químicas en las que la naturaleza de una sustancia parece sufrir un cambio irreversible. Entre estas experiencias, el proceso de combustión es probablemente la más común. La madera en una hoguera crepita y comienza a ponerse al rojo, aparecen las llamas y desaparece el humo; cuando la hoguera se apaga sólo queda un montón de cenizas grises. Cuando los niños miran una vela encendida, ven la llama que surge alrededor del pabilo y la cera que "desaparece". Para algunos será corriente la escena de la chimenea en la que arden carbón y maderas, o el gas que arde en la estufa. Con frecuencia habrán visto quemarse una hoja de papel y habrán observado cómo la llama avanza por la hoja dejando a su paso un material negro y frágil. Los niños hacen este tipo de observaciones desde la primera infancia. Cuando realizan su primer encuentro formal con la química en los primeros años de la escuela secundaria, los estudiantes pueden introducirse en un amplio abanico de fenómenos fascinantes: hermosos cambios de color, explosiones excitantes, sustancias con propiedades poco corrientes, como metales blandos que pueden cortarse con un cuchillo. Ven sustancias que parecen ir y venir como por arte de magia; líquidos fluidos que producen un sólido cuando se mezclan; cristales oscuros que producen un gas coloreado cuando se calientan. Sería

ENSEÑANZA DE lA QUÍMICA

porcionada a los alumnos se relaciona con raro que los estudiantes no se interesaran la reorganización de los bloques básicos de por estudiar estos fenómenos si sólo conconstrucción, en este caso, la combinación tase el efecto de sorpresa. Pero si la impredictibilidad de los fenómenos llama la de átomos de oxígeno con los del material que arde. atención de los jóvenes estudiantes, la quíConviene reflexionar brevemente acermica tiene como objeto tratar de imponer ca de la transformación que estos camregularidades en esta diversidad. Desde los bios provocan en el pensamiento de los días de los alquimistas, los químicos han niños, pasando del razonamiento dominatratado de esclarecer lo que en todos los do por la percepción (en el que las sustancambios observables de la materia permacias van y vienen y la materia "desaparece") nece inmutado. al dominado por los conceptos, en el que, El punto de vista que presentamos a los a pesar de las apariencias cambiantes, los niños en la escuela muestra que, a pesar de niños aceptan que la materia está formada las apariencias, la materia no va y viene; por partículas y que (en el dominio de los que consiste en bloques básicos de consfenómenos que les enseñan en la escuela) trucción o átomos (alrededor de 100 tipos estas partículas componentes no desaparediferentes) y que la diversidad de las mutacen, sino que cambian su energía y conficiones observables se debe a los cambios guración. Aunque los niños pueden haberse de las configuraciones de estos bloques encontrado con esta interpretación en sus básicos de construcción . clases de ciencias de la escuela secundaria, Unos de los cambios ·más sencillos que a menudo se plantean inicialmente a los niños hemos de preguntarnos cómo y en qué meen las clases de ciencias son los relativos al . dida han sido capaces de construir y utilizar ese modelo en su propio pensamiento. estado de agregación. Con frecuencia se les En este artículo exploraremos diversos aspide que consideren lo que ocurre cuando el pectos de esta cuestión observando hielo se calienta y pasa a ser agua y, posteriormente, vapor. Se ve cómo algo sólido y los tipos de razonamiento utilizados por los rígido se transforma en un líquido "escurridichicos de edades comprendidas entre los once y los dieciseis años con relación a zo" que adopta la forma de cualquier recipiente en el que se introduzca. Luego, a su tres tipos de cambios: el cambio de estado, vez, parece "desaparecer'' en el aire. Por una el proceso de disolución y el de combustión. Se han realizado estudios sobre estos parte los niños ven estos cambios, bastante fenómenos en diversos países, incluyendo espectaculares,. de propiedades físicas; por Gran Bretaña, Francia, Suecia y Nueva otra, se les dice que en todos los casos se trata de los mismos bloques de construcción Zelanda. A pesar de las diferencias lingüís(las moléculas de agua); que los cambios obticas y de las que existen en los programas de ciencias que se utilizan en estos países, servables se deben simplemente a su configuración y energía. surgen características comunes en los tipos de ideas que pueden señalarse en el Más adelante, los alumnos pueden conrazonamiento de los niños. La mayor parte siderar en sus clases cambios químicos sende los estudios revisados en este capítulo cillos, como la combinación de sustancias con oxígeno en el proceso de combustión. investigan las ideas empleadas por los niDe nuevo, la interpretación científica proños a diferentes edades, proporcionando 198

AMS ALÚ DE LAS APARIENCIAS: LA CONSERVACIÓN DE LA MATERIA EN LAS TRANSFORMACIONES FÍSICAS Y QUÍMICAS

una "instantánea" de los tipos de pensamiento utilizados. Algunos estudios han sido efectuados en el contexto de una secuencia didáctica, y proporcionan más información sobre la medida en que el pensamiento de los niños cambia a consecuencia de las experiencias de aprendizaje organizadas.

nuevamente se funde y vuelve a ser agua (trece años).

La mayoría de los estudiantes daba cuenta de las mutaciones refiriéndose únicamente a los cambios macroscópicos observables. A partir de los trece años, algunos alumnos describieron espontáneamente lo que sucedía en relación con las partículas y las moléculas. Un chico de quince años describió de este modo lo que ocurre cuando hierve el agua:

Cambio de estado

Todos los átomos del agua ... líquida se mueven muy deprisa porque se calientan y... algunos se escapan en forma de vapor porque se están convirtiendo en gas.

En un cambio de estado la apariencia extema de una sustancia se transforma, pero, desde un punto de vista científico, sabemos que se trata todavía de la misma sustancia. ¿Se dan cuenta de esto los niños en la escuela? y, si es así, ¿qué se imaginan que ocurre cuando un sólido se transforma en líquido, un líquido en gas y viceversa? En Nueva Zelanda se han estudiado estas cuestiones con escolares de edades comprendidas entre ocho y diecisiete años. 1 Los estudiantes fueron entrevistados para comprobar sus ideas acerca de lo que sucede cuando el agua hierve, el vapor se condensa y el hielo se funde. En algunos casos, las respuestas de los estudiantes apuntaban que la naturaleza de la sustancia cambiaba durante estas transformaciones (uno de ellos manifestó que el agua se transforma en aire cuando hierve, considerando idénticos el aire y el vapor). En la mayor parte de los casos, sin embargo, los estudiantes eran conscientes de que el agua y el vapor son fundamentalmente la misma sustancia:

La noción de que las moléculas aumentan su velocidad cuando se calientan es utilizada frecuentemente por quienes se expresan en términos moleculares. La idea de que las partículas tienden a separarse cuando se calientan también aparece a menudo: El elemento calienta las moléculas del agua haciendo que se expandan y se muevan más rápidamente, escapando en forma de vapor... (¿Qué quieres decir con "expandir"?) ... Se apartan unas de otras (catorce años).

Esta noción de la separación de las partículas se aplica también corrientemente al cambio de estado de hielo a agua: (Las partículas del hielo) son las mismas partículas pero están en un estado diferente ... en el estado sólido están juntas ... en el estado de agua se sueltan (quince años).

La utilización de ideas referidas a las partículas para describir los tres estados de la materia ha sido investigada con cerca de 1000 alumnos escoceses de edades comprendidas entre doce y trece años 2 • El objetivo de los investigadores consistía en descubrir la medida en que los chicos llegaban a comprender la constitución de la materia a base de partículas que se enseña-

Se forma un vapor... es agua que ha cambiado del estado líquido al gaseoso (quince años),

o que el hielo es agua en forma sólida: El hielo se funde ... cuando el agua llega a cierto grado se congela... cuando se calienta

199

ENSEÑANZA DE lA QUÍMICA

ba según el esquema Scottish Integrated Science. Dentro del estudio se pidió a los alumnos que dibujaran diagramas en los que presentasen la forma, disposición y distribución en el espacio de los átomos o moléculas de un sólido, un líquido y un gas, todos ellos típicos. En la figura 1 se muestra una selección de los dibujos hechos por los estudiantes. Prácticamente todos mostraban partículas en los tres estados, pero alrededor de la mitad las representaban en los estados líquido y gaseoso con un tamaño más pequeño que el correspondiente al estado ~sólido. Las entrevistas mantenidas con algunos alumnos pusieron de manifiesto que no se trataba de una simple cuestión de cambio de escala de los dibujos, sino que reflejaba el punto de vista subyacente de que el diámetro molecular disminuye progresivamente desde el estado sólido hasta el líquido y el gaseoso. Asimismo, se estudió la distribución espacial de las partículas en los dibujos. Como muestra la mayoría de los dibujos de la figura 1, la mayor parte representó las partículas en estado sólido de modo ordenado en comparación con la distribución desordenada que aparece en el estado líquido y en el gaseoso. No obstante, muchos muestran un notable incremento de la distancia espacial entre las partículas desde el estado sólido al líquido. Mientras la razón de la separación espacial real entre las partículas en sólidos, líquidos y gases es del orden de 1: 1: 1O, los autores de este estudio encontraron que los dibujos de los alumnos mostraban una notable coherencia, al representar la separación espacial de las moléculas, en los tres estados, en tomo a la razón 1:2-3:5-8 (la media de separación entre las partículas de un gas tiende a ser subestimada, mientras que la correspondiente a los líquidos se sobresti-

ma). Aunque la mayoría de los estudiantes indicó que las partículas que se encuentran en cuerpos en estado líquido y gaseoso se mueven, alrededor de un tercio no señaló movimiento alguno en el estado sólido. Muchos de los modos de pensar descubiertos en el estudio escocés han sido detectados también en una investigación realizada con alumnos ingleses de quince años 3 • Se pidió en este caso que respondieran a cierto número de cuestiones en las que deberían explicar determinados fenómenos utilizando el concepto de que la materia está formada por partículas. Estas

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Figura l. Dibujos de niños de 11-12 años representando los estados de la materia.

200

Jl.í4S ALLÁ DE LAS APARIENCIAS: LA CONSERVACIÓN DE LA MATERIA EN LAS TRANSFORMACIONES FÍSICAS Y QUÍMICAS

preguntas se distribuyeron, en forma de cuestionario escrito, a unos 300 estudiantes, de los que también fue entrevistado un pequeño grupo. Una de las preguntas pedía a los estudiantes que utilizaran conceptos relacionados con las partículas para explicar lo que le ocurre a un bloque de hielo cuando la temperatura se eleva desde -1 ooc a 1°C. En la tabla 1 se muestran los diferentes tipos de respuesta. La mayor parte de los estudiantes (aproximadamente los dos tercios) utilizó en sus respuestas conceptos relativos a las partículas, pero sólo alrededor de un quinto empleó ideas impartidas en clase. Una señalada característica de las respuestas consistía en la tendencia a transferir las transformaciones de las propiedades macroscópicas al nivel microscópico, indicando, por ejemplo, que las partículas se fundirían, calentarían o cambiarían de tamaño. Asimismo, es notable la fuerte asociación entre separación de partículas y temperatura (figura 2). Aparecían muy pocas referencias a las fuerzas de cohesión entre partículas (aspecto que también ponía de manifiesto el estudio escocés), y quizá por eso se apreciaba una tendencia a considerar que el hielo se funde desde el momento en que la temperatura comienza a aumentar (figura 3). Debemos hacer notar, asimismo, que más del 25 % de los alumnos no empleó en absoluto conceptos relativos a las partículas para elaborar sus respuestas: algunos describieron simplemente lo que sucede al bloque de hielo en relación con la experiencia perceptiva, otros no respondieron en absoluto. Todos estos estudios muestran que la mayor parte de los estudiantes de las escuelas secundarias empleará conceptos re-

Tabla l.

lativos a las partículas para describir los estados de la materia, especialmente cuando se les motiva a ello. Podemos señalar cierto número de aspectos acerca del modo de utilizar estas ideas: no se toma en consideración el movimiento de las partículas ni las fuerzas de cohesión entre las mismas en un sólido; se tiende a asociar el incremento de la separación entre partículas con el aumento de temperatura y, quizá lo

201

ENSEÑANZA DE L4 QUÍMICA

nos utilizó la palabra "fundir" para describir el proceso, dándose algunos casos en los que se consideraban sinónimas las palabras "fundir" y "disolver".

más importante de todo, se tiende a atribuir propiedades macroscópicas a las mismas partículas. Muy pocos alumnos dieron muestras evidentes de prestar atención a las interrelaciones entre la acción de las fuerzas de cohesión, por una parte, y .la energía cinética de las partículas, por otra, en los sólidos.

El azúcar se disuelve ... el agua está fundiendo de alguna manera los cristales de azúcar (trece años). ·

Algunos rechazaron que el azúcar siguiese allí cuando se disolvía:

El proceso de disolución

No, se habría disuelto en el agua ... el azúcar se ha combinado con toda el agua para formar esta sustancia... el azúcar y el agua se han combinado (doce años).

Piaget e Inhelder estudiaron las ideas de los niños con relación al proceso de disolución dentro del marco de sus investigaciones en el desarrollo de las ideas sobre la conservación de la materia4• Pedían a los niños- que predijeran lo que ocurriría, en cuanto a los cambios en peso y volumen, al disolver azúcar en agua. Estos investigadores pusieron de manifiesto que el razonamiento de los niños pequeños está regido por la experiencia perceptiva: predecían que no se darían cambios de peso ni de volumen en el agua, puesto que el azúcar "desaparecería" al disolverse. Los niños mayores de diez años no se veían tan influidos por la percepción inmediata. Por ejemplo, podían afmnar que el azúcar todavía estaba allí, aunque repartida en trozos muy pequeños. Aun cuando no pudiesen verlo, los niños basaban su razonamiento en la continuada existencia sustantiva del azúcar. Esta tendencia general se confirma en las respuestas dadas por estudiantes neozelandeses de escuela secundaria al ser entrevistados en relación con un problema semejante*. Se les mostró una cucharada de azúcar disolviéndose en agua y se les preguntó lo que le pasaba. Más del25% de los alum-

Este tipo de respuesta sugiere que el estudiante considera que la sustancia "azúcar"

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"Cuando la temperatura aumenta. las moléculas chocan entre sí, más deprisa cuanto mayor es el calor. Las moléculas se apartan unas de otras también."

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"Las partículas de hielo se liberan y comienzan a separarse de las demás, lo que hace que el hielo se funda."

* En este trabajo, los alumnos de quince años estaban estudiando una asignatura de ciencias. y los de dieciséis y diecisiete, otra de química.

Figura 2. Explicaciones de alumnos· de 15 años a la pregunta sobre el calentamiento del hielo.

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.MAS ALLÁ DE LAS APARIENCIAS: LA CONSERVACIÓN DE LA MA1ERIA EN LAS TRANSFORMACIONES FÍSICAS Y QUÍMICAS

se define mediante sus propiedades macroscópicas, su estructura cristalina rígida. Cuando cambia su forma ya no es azúcar. Otras respuestas reflejan la misma idea afrrmando que ya no hay azúcar, aunque permanezca el sabor. Otros alumnos mostraron un razonamiento menos ligado a las características perceptivas, afrrmando que el azúcar seguía estando allí: "A la temperatura de -1 O"C, las partículas están expandidas porque a bajas temperaturas el hielo se expande. Pero cuando la temperatura se eleva hasta -1 °C, va a fundirse si aumenta más y cada partícula se va haciendo más pequeña, de manera que el tamaño total del bloque de hielo se alternará ligeramente."

Se han deshecho todos los pedazos y se han ido al agua ... (¿Están todavía ahí?) ... Sí, pero no se pueden ver porque están todos mezclados con el agua (trece años).

Figura 3. Respuesta de un alumno de 15 años a la cuestión del calentamiento del hielo.

Algunos alumnos, a partir de trece años, hacían referencia a las partículas en sus explicaciones:

química y quienes no )6 • En este caso, se pidió a los alumnos que dijeran cuál sería la masa de la solución de azúcar al disolver 200 g de azúcar en 1 000 g de agua, y por qué razón. Alrededor de un tercio predijo que la masa de la solución sería la misma que la de los constituyentes (cerca de la mitad de los que estudiaban química dieron esta respuesta). En algunos casos, las razones aportadas por los estudiantes indicaban claramente que, aunque el azúcar se había disuelto, no había desaparecido:

Bueno, no es que se disuelva ... se rompe ... en trozos tan pequeños que ya no se pueden ver (quince años).

Las moléculas de azúcar se separan y entonces sus moléculas se mezclan (quince años). Las moléculas de azúcar son separadas por las moléculas de agua y se difunden por el agua (diecisés años). Parte de una investigación realizada por escrito5 con alumnos ingleses se dedicó a explorar su razonamiento cuantitativo. Se !lJ.OStró a los chicos, de edades comprendidas entre nueve y catorce años, una determinada masa de azúcar disolviéndose en una masa dada de agua en un vaso, y se les pidió que predijeran la masa de la solución. Aproximadamente dos tercios de los estudiantes de todas las edades predijeron que la masa de la solución sería menor que la suma de las masas iniciales de azúcar y agua. U na tarea similar fue propuesta a una amplia muestra de estudiantes ingleses y suecos de quince años (entre los que se encontraban quienes habían estudiado

Si se juntan las dos sustancias y no hay transformación química, sino únicamente física, la masa del azúcar será la misma y la del agua también. Parece que el azúcar desaparece, pero está allí y, por tanto, también su masa. Ninguna de las dos sustancias puede haber escapado a un sitio distinto del recipiente ... aunque no veamos el azúcar, ahí esta.

En algunos casos, los alumnos no respondieron más que con la suma de masas, escribiendo sencillamente: 200 + 1 000

= 1 200

Más de la mitad de los alumnos predijo que la solución tendría una masa menor que la

203

ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

Como el azúcar se ha disuelto, no queda peso de azúcar (porque los gránulos se han disuelto) por lo que sólo puede pesarse el del agua.

de sus constituyentes, aduciendo para ello diversas razones:

El azúcar desaparece al disolverse. En muchas respuestas de este tipo se sugería que la masa de la solución sería la misma que la masa original de agua:

En el siguiente ejemplo, el alumno indica que la materia en forma líquida pesa menos que en forma sólida: El azúcar se descompondrá y formará un líquido con el agua, por lo que pesará menos.

Porque el azúcar no le hace nada al agua ... sólo se disuelve en ella y nada más. Cuando el azúcar se disuelve en el agua, el azúcar no tiene masa, por lo que sólo quedan los 1000 g de agua.

Las respuestas dadas a esta cuestión muestran que la no conservación de la masa por los estudiantes no significa que piensen necesariamente que el azúcar haya desaparecido. Se pone de manifiesto, no obstante, que la palabra "masa" tiene para ellos diversas connotaciones que incluyen la asociación con ideas de volumen, densidad, solidez, y presión que actúa sobre una superficie. Cuando animamos a los niños para que piensen sobre lo que ocurre en este fenómeno desde diversos puntos de vista (como sucede en una entrevista), pueden ir más allá de sus respuestas iniciales, perceptivamente fundadas, convenciéndose ellos mismos por diversas razones de que el azúcar sigue estando en la solución. Así ocurrió en la siguiente entrevista con una niña de once años a la que se preguntó si una solución en agua sería más pesada, más ligera o del mismo peso que el azúcar y el agua antes de ser mezclados7 •

Confusión de masa y volumen. En algunos casos, las razones dadas por los alumnos parecen señalar que responden en relación con el aumento del nivel del agua al añadirle el azúcar; o sea, igualan masa (en gramos) con el volumen: Porque el azúcar se disuelve haciendo que la masa sea un poco mayor.

Este tipo de razonamiento puede aparecer incluso cuando el alumno en cuestión utiliza conceptos de partículas: El azúcar ocupa el espacio que queda entre las moléculas de agua para formar una solu. ción, por tanto, la masa no cambia.

El alumno que da la siguiente contestación utiliza conceptos relativos a las moléculas, pero traslada los cambios que ocurren en el nivel macroscópico al molecular: Los cristales de azúcar se disolverán en el agua y sus moléculas adoptarán una estructura menos compleja, siendo más ligero que antes.

Alumna: creo que puede ser más ligera. Entrevistador: puede ser más ligera. Es curioso. ¿Por qué crees que puede ser más ligera? A: Porque se ha disuelto todo. E:Mmm ... A: El azúcar en el agua y no hay rastro de que esté allí. E: Disuelto en el agua ... A: Sí. E: Mmm, ¿y cómo crees que afecta al peso el hecho de que se disuelva en el agua? A: Porque el azúcar... ahí adentro .. , no tiene peso. Creo.

El azúcar está todavía presente en la solución, pero es "más ligero". Las razones de este estilo indican que los estudiantes se refieren a la masa en términos del peso de un sólido sobre una superficie. Dado que el azúcar se dispersa en el agua, su "peso" no puede, pues, actuar del mismo modo que en estado sólido. 204

.MAS ALLÁ DE LAS APARIENCIAS: LA CONSERVACIÓN DE LA MATERIA EN LAS IRANSFORMACIONES FÍSICAS Y QUÍMICAS

E: El azúcar no pesa. ¿Tú crees que hay algo de azúcar ahí? A: Sí, pero está disuelto. E: ¿Pero crees que el peso ha desaparecido? A: No; creo que está ahí. E: Te parece que es el mismo? A:Mmm ... E: Bueno, algunos niños me han dicho lo que tú me dijiste al principio, que pierde peso al entrar en el agua. ¿Por qué crees que me dijeron eso, que desaparecía el peso? A: Porque no quedan restos de ello ni de nada. E: Ya veo; es interesante. A: Todavía está allí, aunque esté disuelto en el agua, pero todavía está allí. E:Mmm ... A: Porque si se evap... mmm... se pone encima de un mechero Bunsen para que se evapore y se recoge el azúcar, porque lo hemos hecho antes. E: ¿Lo hicisteis?

la mayor parte describió lo que observaba en relación con las llamas, el humo y la ceniza, sin apuntar ningún mecanismo. Alguno hablaba de la llama como si se "comiera" la madera, otros decían que "disolvía" o "fundía" la madera. Se mostró a los mismos niños un manojo de tablillas ardiendo, y se sopló sobre ellas, provocando una combustión más intensa. Entonces se pidió a los niños que explicaran por qué al soplar sobre un fuego éste arde más intensamente. Cerca de un tercio de los niños indicó que sabían que el aire o el oxígeno eran necesarios para la combustión, aunque la función que asignaron al aire varió:

Las respuestas de este tipo indican que los alumnos pueden tener información o conocer experiencias a partir de las cuales construir un punto de vista de conservación de cantidad en la materia, pero que no ha sido estructurada de manera inmediatamente recuperable.

Al preguntarles si una cerilla ardería en el espacio exterior, las respuestas pusieron de manifiesto la íntima asociación que hacían algunos niños entre aire y gravedad. Aproximadamente el20% de los entrevistados dio respuestas semejantes a ésta:

El proceso de combustión

Otros estudios muestran que los niños tienden a asociar el aire con la gravedad. En algunos casos "explican" la atracción de la gravedad como un efecto del empuje hacia abajo ejercido por el aire sobre los objetos. En otros casos, las ideas de los estudiantes sobre el aire son menos sustantivas, considerándolo como un· medio necesario para la "acción a distancia", medio para la transmisión de las fuerzas, incluyendo la gravitatoria y la magnética (en este sentido, los estudiantes utilizan el término "aire" con un significado muy parecido al que los físicos prerrelativistas daban al término "éter"). Algunas de las ideas manifestadas reflejan la creencia en un "contagio" del fuego

Porque el fuego necesita oxígeno para alimentarse; ... al fuego le gusta el aire.

No ardería a causa de la falta de gravedad en el espacio exterior.

En un estudio sobre el pensamiento de los estudiantes de secundaria acerca del proceso de combustión, se investigaron los conceptos de un grupo de niños de once y doce años, tanto antes como después de recibir enseñanza al respecto8 • En primer lugar revisaremos los tipos de ideas intuitivas utilizadas por los niños antes de la enseñanza.

Ideas intuitivas de los alumnos Cuando se pidió a los niños que dijesen lo que le pasaba a una tablilla cuando ardía,

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ENSEÑANZA DE L4 QUÍMICA

y de las llamas por contacto de una parte con otra. En este sentido, se considera que los sólidos ayudan al desarrollo de este proceso:

En general, en estas respuestas podemos contemplar una perspectiva prototípica de la combustión: perspectiva basada en las observaciones que los niños hacen del fuego, de las cerillas, de las tablas, etcétera, cuando arden. Las características generales de esta perspectiva son:

Si se sopla, la llama va hacia las partes no encendidas.

Al hablar sobre la ceniza que queda al final, algunos niños se refirieron espontáneamente a ella como el material incombustible que hay en la madera, y cuando se les pidió que comparasen el peso de la ceniza con el de las tablillas originales, la mayoría dijo que sería menor. Se adujeron dos tipos principales de razones. Una se centraba en el humo que se había desprendido, dando por sentado que desaparecía algo de la madera:

- la combustión implica que las cosas se pongan al rojo y aparezcan llamas - el oxígeno (o el aire) es necesario (su función no aparece clara, pudiendo considerarse que se "consume" en el proceso) - cuando arden, las cosas pierden peso - la combustión arroja humo o parte del material se pierde en forma de humo - los residuos sólidos o ceniza son las partes incombustibles que restan (a menudo son de color gris o negro y en forma de polvo, y se deshacen con facilidad).

Será más ligero, porque al arder la tabla gran parte del material de la madera se transforma en humo, quedando sólo la ceniza.

Un estudio realizado con niños franceses de edades comprendidas entre once y doce años arroja resultados semejantes 12 • Los autores muestran que, cuando las sustancias entran en contacto con una llama, los niños consideran que ocurre una de estas dos cosas: la sustancia puede permanecer, aunque adoptando otra forma; los niños tienden a considerar de este modo la combustión del alcohol o de la cera, y describen el suceso como "fusión" o "evaporación". La alternativa consiste en que consideren que la sustancia que arde se transforma en otra materia, como ceniza, humo o carbón (la perspectiva prototípica de la combustión). Estos son los tipos de ideas utilizados por los niños que no han recibido enseñanza formal sobre los procesos químicos de combustión. Volveremos ahora sobre las ideas de los chicos ingleses tras una lección en la que se presentaron y discutieron las siguientes ideas en el contexto de diversas demostraciones prácticas:

Porque el humo (carbón) se escapa de la madera. En algunos casos no se menciona adónde va la materia que desaparece: Porque cuando se quema y queda la ceniza, algo desaparece y por eso creo que pesará menos.

La otra razón se centra en el cambio de apariencia de la madera al transformarse en ceniza, afirmando que el polvo es más ligero que un sólido. Antes de recibir enseñanza al respecto, un tercio de los niños afmnó que el peso de la ceniza sería el mismo que el de la tablilla, empleando un tipo de razonamiento relacionado con la conservación (es la misma tablilla, aunque ha cambiado de apariencia): ... porque tiene el mismo peso que al principio, ya que las cenizas de la tablilla son la tablilla misma, aunque parezca distinta.

(Muy pocos alumnos utilizaron este tipo de razonamiento después de las clases.)

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MAs ALLÁ DE LAS APARIENCIAS: LA CONSERVACIÓN DE LA MATERIA EN LAS TRANSFORMACIONES FÍSICAS Y QUÍMICAS

- el aire es una mezcla de gases de la que el oxígeno es un componente - el oxígeno es necesario para la combustión - cuando una sustancia arde, se combina químicamente con el oxígeno - los productos de la combustión pueden ser sólidos, líquidos y gaseosos - la masa total de los productos es la misma que la masa de sus constituyentes

Se ha colocado una pequeña cantidad de estropajo de hierro en el platillo P y se han colocado pesas en el platillo Q para equilibrar la balanza. Se retira entonces el estropajo de hierro y se calienta el aire. Se forma un polvo negro y se recoge cuidadosamente, poniéndolo en P. ¿Qué piensas que ocurrirá al platillo P? Explica tu respuesta.

En los siguientes apartados consideraremos dos aspectos del pensamiento de los estudiantes: el papel del aire o del oxígeno en la combustión y la conservación de la materia en dicho proceso.

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El papel del aire/oxígeno en la combustión

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Figura 4. La pregunta relativa al estropajo de hierro y la respuesta de un chico de 15 años.

Parece que los alumnos no tienen dificultad para apreciar que el aire o el oxígeno es necesario para que se produzca la combustión. Después de tener lugar la enseñanza al respecto, todos los miembros del grupo de niños de 11 y 12 años utilizaron este concepto al contestar a la pregunta sobre la combustión de la cerilla en el espacio exterior, y al explicar por qué una vela se apaga si se tapa con una jarra invertida. La mayor parte de los estudiantes captaron, asimismo, que el aire es una mezcla de gases y que el oxígeno es un componente de dicha mezcla. Aunque la mayoría de los niños captó que el aire o el oxígeno es necesario para que se produzca la combustión, pocos entendieron que, en este proceso, el oxígeno se combina químicamente con la sustancia que se quema. Al discutir lo que sucedía cuando se colocaba una jarra invertida sobre la vela encendida, unos cuantos niños dijeron que pensaban que el aire o el oxígeno se "consumiría", apagándose la vela:

Porque la vela ha consumido todo el oxígeno que necesita para arder. Porque el aire encerrado en la jarra se ha consumido.

Se preguntó a los mismos niños, tras la enseñanza, por qué el carbón arde pero el óxido de cobre (un polvo negro también) no. A pesar de que los estudiantes tenían reciente la experiencia de quemar carbón y habían quemado, asimismo, cobre para producir óxido de cobre, sólo una pequeña parte del grupo dijo que el óxido de cobre no podía arder porque el cobre y el oxígeno ya habían reaccionado. La respuesta más corriente, dada por cerca de la mitad del grupo, fue que el óxido de cobre contenía algo que no ardía y que detenía la combustión (poniendo de manifiesto un aspecto de las ideas prototípicas sobre la combustión subrayadas anteriormente).

207

ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

FiguraS.

quince años 10• Los alumnos de quince años fueron clasificados en dos grupos, el de los que habían estudiado química durante los dos años anteriores y el de los que no. En ambos grupos de edad se descubrieron los mismos tipos de razonamiento en las respuestas dadas, aunque las proporciones de los distintos razonamientos empleados variaban con la edad y con la cantidad de enseñanza recibida al respecto. En la figura 5 se resumen los tipos de razones dadas. Alrededor de un cuarto de los niños de doce años predijo que el estropajo metálico se haría más pesado, pero sólo algunos dieron la razón de que el hierro se combina con el oxígeno:

Aunque la mayor parte de los niños captó que el aire era necesario para la combustión, muchos no lo consideraban activamente implicado en el proceso, descubrimiento que también fue puesto de manifiesto en relación con escolares de secundaria de N ueva Zelanda9 • La dificultad que muestran los estudiantes para captar que la combustión implica combinación química se refleja también en sus respuestas a las preguntas sobre los cambios de masa en la combustión. En la figura 4 se muestra una pregunta acerca de la combustión de una porción de estropajo metálico utilizada tanto con el grupo de niños de once y doce años como en una investigación con estudiantes ingleses de 208

MAS ALLÁ DE LAS APARIENCIAS: LA CONSERVACIÓN DE LA MATERIA EN LAS TRANSFORMACIONES FÍSICAS Y QUÍMICAS

El platillo P pesará más .... La ceniza habrá captado oxígeno durante la combustión y el oxígeno se habrá añadido al peso (doce años).

Un número mayor indicó que el incremento se debía a los cambios físicos, incluyendo la adición de hollín procedente de la llama. Asimismo, en las respuestas se puso de manifiesto una confusión existente entre peso y densidad: El platillo P pesará más que el Q .... Cuando se puso al principio el estropajo metálico en la balanza, el aire pasaba a través de él, pero ahora es polvo y, al ocupar menos espacio, es más pesado (doce años).

humo que escaparía, o a la ceniza o polvo que quedarían más ligeros que el estropajo original. Alrededor de un cuarto de los alumnos aportó la razón de que el gas o el humo habría escapado (y este razonamiento predominaba tanto entre quienes habían estudiado química en años anteriores como entre los más pequeños). Quienes dijeron que la ceniza o polvo serían más ligeros que el estropajo de hierro representaban una proporción semejante: Será más ligero porque el polvo es más ligero que el estropajo metálico (quince años). Creo que el platillo P pesará menos porque ahora hay polvo y antes había estropajo de hierro que es más sólido que el polvo (doce años).

Más de un cuarto de los estudiantes más jóvenes dijo que los pesos no cambiarían después de calentar el estropajo metálico, argumentando que era aún el mismo estropajo de hierro (un tipo de razonamiento semejante al utilizado para describir la combustión de una tablilla).

Ambas respuestas reflejan la conexión que tienden a hacer los alumnos entre peso y solidez: el polvo, menos sólido que el estropajo metálico, será por tanto, más liviano. Hay que señalar especialmente que cerca de la mitad de los alumnos de todas las edades indicó que el peso disminuiría (y esta proporción no cambiaba con la edad ni era influida significativamente por el hecho de que los alumnos hubieran estudiado química). Los argumentos utilizados reflejaban el empleo que los estudiantes hacen de las ideas prototípicas sobre la combustión, según las cuales un sólido se transforma en ceniza y en humo que se escapa. Es interesante hacer notar cómo las ideas enseñadas acerca del papel del oxígeno en la combustión son integradas en este esquema previo de los alumnos que han estudiado química; éstos tienden a utilizar razonamientos como: "el óxido de hierro que se produce se escapa en forma de humo" o "el oxígeno desplaza el hierro, dejando así ceniza".

Será el mismo ... porque después de arder seguirá siendo el mismo en forma de polvo (doce años). ... será el mismo porque el polvo es el estropajo calentado, por lo que realmente no hay diferencia (quince años).

Aunque las consideremos incorrectas, estas respuestas indican que los alumnos piensan que las cosas se conservan a pesar de los cambios de apariencia. La idea de que el estropajo-de hierro se hace más ligero al ser calentado constituía la respuesta más extendida en todos los grupos de edad. Algunos, especialmente los más pequeños, dijeron que se consumiría algo del estropajo: El platillo P subirá porque no pesará tanto como antes, porque algo se habrá consumido (quince años).

La mayoría de las razones dadas para avalar la pérdida de peso se refería al gas o al

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ENSEÑANZA DE L4 QUÍMICA

El hierro ha reaccionado únicamente con el oxígeno del aire que no pesa nada. El hierro sólo se ha oxidado, ha reaccionado con el oxígeno, no desaparece nada y el oxígeno no pesa.

Ciertas características del pensamiento de los estudiantes sobre la combustión se encuentran también en sus ideas sobre la corrosión. Si se les pide antes de que les sea enseñado el tema, que predigan lo que le sucederá a la masa de un montón de limaduras de hierro si se deja al aire libre hasta que éstas se oxiden, es probable que la mayoría diga que se perderá masa. Consideran que el polvo de óxido es menos sustantivo que las limaduras de hierro; dicho óxido se contempla aún como si se comiese el hierro. Estas ideas se ponen en evidencia incluso después de la enseñanza. En la misma investigación realizada con alumnos ingleses de quince años 10 , se les pidió que dijeran cómo cambiaría la masa de algunos clavos cuando se oxidaran. Alrededor de un tercio de los estudiantes predijo que la masa de los clavos aumentaría, un tercio dijo que permanecería igual y otro tercio afirmó que disminuiría. Sólo una minoría adujo que la masa de los clavos aumentaría porque el clavo se combina con el oxígeno del aire formando óxido. Algunos (algo más del lO% de los que estudiaban química) adujeron que la masa aumentaría porque "el peso del óxido se sumaría al de los clavos". No aparece en sus respuestas indicación alguna acerca de que el hierro de los clavos tenga algo que ver con la producción del óxido. Algunos estudiantes dijeron que la masa de los clavos oxidados sería la misma que antes de oxidarse a causa de que nada se añadía ni se quitaba:

La mayoría de los estudiantes, perteneciente al tercio que afirmaba que los clavos oxidados pesarían menos, adujo que el óxido se comía los clavos. Algunos emplearon el argumento, que señalamos anteriormente, de que el óxido, que es un polvo, es menos sólido que el clavo de hierro y, por tanto, pesa menos. Como en la cuestión precedente, hay alumnos que utilizan las ideas que les han enseñado, aunque adaptándolas a sus nociones intuitivas de oxidación, dando razones como ésta: ... el oxígeno disuelve algo del hierro.

En general, observamos la tendencia de los alumnos a mantener sus perspectivas prototípicas sobre la combustión y la oxidación a pesar de la enseñanza. La combustión es un proceso en el que el peso de la sustancia que arde se reduce y el humo y otras partes combustibles se esfuman. Al entrar en conflicto esta idea con el punto de vista de la combustión introducido en la escuela, según el cual los productos de la misma pueden ser sólidos y pueden pesar más que la sustancia inicial, una amplia proporción de estudiantes demuestran que su pensamiento está influido por características perceptivas y mantienen ciertos aspectos de su pensamiento prototípico. Hemos señalado también otras características de las ideas de los estudiantes que incluyen problemas de conceptuación del peso, específicamente la tendencia a pensar que el polvo es más ligero que una sustancia "sólida", y de apreciación de que el oxígeno, el aire o los gases en general son sustancias materiales y tienen masa (o peso).

... el óxido forma parte del clavo. No ha sido formado por otra sustancia. ... el óxido es hierro transformado.

En algunos casos, los estudiantes reconocen que el óxido implica una reacción entre el hierro y el oxigeno de la atmósfera; sin embargo, dicen que:

210

.ilf4S ALLÁ DE LAS APARIENCIAS: LA CONSERVACIÓN DE LA MATERIA EN LAS TRANSFORMACIONES FÍSICAS Y QUÍMICAS

que su pensamiento solía estar dominado por características perceptivamente evidentes. Surge una pauta semejante cuando se plantean a los alumnos cuestiones referidas a la combustión en un sistema cerrado. En el estudio efectuado con estudiantes ingleses de once y doce años se plantearon dos preguntas con objeto de comprobar este tema. Una de ellas mostraba el dibujo de un astronauta encerrado en su vehículo espacial fumando un cigarrillo antes del despegue. Se preguntaba a los alumnos si la nave (con todo lo que tenía en su interior) pesaría más, menos o igual que antes de fumar. Algunos alumnos dijeron que pesaría menos porque el humo o la ceniza pesarían menos que el cigarrillo o porque el humo producido carecía de peso. También fue utilizado el argumento del oxígeno consumido:

Este último aspecto ha sido explorado con chicos ingleses de edades comprendidas entre once y dieciséis años 11 • Se les pidió que predijeran lo que sucedería en una balanza, mantenida originalmente en equilibrio y con recipientes en ambos lados, cuando se bombease más aire hacia el interior de uno de los recipientes. La mayoría de los muchachos de todas las edades investigadas se percataron de que el aire tenía masa. No obstante, cerca del 50% de los más pequeños y el 25% de los de quince años dijeron que, al introducir más aire en un recipiente, el lado de la balanza en el que estuviese subiría. Algunos adujeron que esto ocurriría "porque el aire es muy ligero", o porque "el aire lo hace más ligero". Otros dijeron que el aire tiene tendencia a elevarse: El aire ascenderá en el recipiente, por lo que el recipiente mismo ascenderá (doce años).

... como para que un cigarrillo se queme necesita consumir tanto oxígeno como tabaco, algo de oxígeno habrá desaparecido .

... el aire es muy ligero y hace que las cosas suban (once años). ... porque, como un balón, cuando se mete aire, sube (once años).

La mayoría de los. estudiantes dijo que la nave espacial pesaría más a causa del humo producido o del peso añadido por los productos de la combustión. Sólo un pequeño número (alrededor del 10%) afirmó que el peso no cambiaría:

Aunque en este contexto sólo una minoría no logró darse cuenta de que el aire tiene masa y, por tanto, pesa, las respuestas dadas a las preguntas sobre el papel del aire o del oxígeno en la combustión sugieren que la comprensión de la naturaleza sustantiva del aire o del oxígeno constituye un problema cuando se trata de entender los cambios que se producen en el peso al quemarse las sustancias.

... porque no ha salido nada de la nave espacial aunque el cigarrillo se haya quemado.

Parece que, en vez de considerar el sistema completo, los estudiantes se centran en los aspectos componentes al pensar en los cambios de peso: la combustión del cigarrillo o la producción de humo. Descubrimos que se utilizan los mismos tipos de conceptos al responder a otra pregunta semejante," relativa a la comparación de la masa de un frasco sellado y de su contenido antes y después de quemar éste. Dicha pregunta fue planteada también a los alum-

Conservación de la materia durante la combustión Las ideas empleadas por los estudiantes en el proceso de disolución indicaban la medida en

211

ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

tión parece orientarse hacia el aspecto en el que se centran los estudiantes al preparar su respuesta. Podemos no ser capaces de inferir que los alumnos no conservan la masa ante una reacción química, pero sí podemos afirmar, no obstante, que otras características perceptivas más evidentes, como las señaladas en este apartado, suelen dominar el pensamiento de los estudiantes y regir sus respuestas.

Sol _-.--Tapón ¡yustado

Como muestra el diagrama, un trozo de fósforo se coloca en un matraz. La masa del matraz y de su contenido es de 205 g. Los rayos solares están enfocados hacia el fósforo que se inflama. El humo blanco producido se disuelve en el agua poco a poco. Una vez enfriado, fue pesado de nuevo el matraz con su contenido. (a) ¿Cuánto crees que pesará? (Señala la casilla que corresponda)

A más de 205 g

B 205g

D D

Conclusiones

menos de 205 g

De los estudios sobre la comprensión que tienen los alumnos de la naturaleza de las sustancias materiales surge una serie de aspectos interesantes. Los chicos de edades correspondientes a la escuela secundaria no tienen dificultad para apreciar la naturaleza sustantiva de los sólidos y los líquidos, y la mayor parte de los alumnos mayores se dan cuenta de que también los gases son de naturaleza sustantiva. Es complicado saber lo que para ellos cuenta como evidencia a este respecto. Aún más problemático es cómo medir la cantidad de sustancia. La noción de masa tiene diversas connotaciones para los estudiantes, que incluyen el volumen y el peso. No obstante, consideran que el peso de una sustancia, que a menudo se emplea informalmente en las clases como alternativa a la masa, varía con las circunstancias. Por ejemplo, el peso se asocia con nociones relativas a la densidad: una sustancia en forma de polvo es considerada como menos pesada que en estado sólido. Asimismo, el peso se ve influido por los efectos de la flotabilidad: se considera que el aire pesa menos, no porque no· sea sustantivo, sino porque se piensa que "flota" en vez de "presionar" sobre las superficies horizontales.

D no dispongo de información suficiente para responder

(b) Razona tu respuesta:

Figura 6. La pregunta sobre la combustión del fósforo y la respuesta de un chico de 15 años.

nos de quince años 10 y los tipos de respuestas de los estudiantes de ambas edades están resumidos en la figura 7. Nuevamente vemos las ideas previas: pérdida de peso debida al oxígeno consumido, el humo es más ligero que un sólido, o las sustancias pierden peso cuando se disuelven. Quizá es interesante señalar la semejanza que aparece entre la prevalencia de estas ideas entre los alumnos más jóvenes y los mayores, y entre los que han estudiado química y los que no lo han hecho. Aunque sólo una minoría de alumnos respondió a estas cuestiones poniendo de manifiesto que se conservaba la masa, puede desorientar el hecho de que la mayoría de los alumnos de secundaria piensan que la materia "va y viene". Como en el caso del problema de la disolución, la cues-

212

MAS ALLÁ DE LAS APARIENCIAS: -LA CONSERVAGÓN DE LA MATERIA EN LAS TRANSFORMAGONES FÍSICAS Y QUÍMICAS

Estos factores pueden interferir con los _ intentos de los alumnos para construir un concepto adecuado de cantidad, sustancia y masa. Bajo esta perspectiva subyace la idea de que hay algo que no cambia, a pesar de las transformaciones de la apariencia física. Cuando esas mutaciones son suficientemente importantes, como en un cambio de estado, o cuando las sustancias se disuelven, a los estudiantes se les hace considerablemente más difícil apreciar que las transformaciones son de alguna forma reversibles y, por tanto, no ven el modo de asimilar la idea de la existencia continuada de las sustancias componentes. Las percepciones son inmediatas e influyentes: asimilar la idea de que alguna cosa sigue allí aunque no pueda ser percibida requiere recurrir al conocimiento aparte del hecho mismo: apreciar que el azúcar permanece, incluso después de haberse disuelto, puede exigir pensar sobre el sabor

de la disolución o sobre lo que ocurriría si el agua se evaporase. Cuando los alumnos comienzan a pensar por primera vez sobre estas transformaciones, las ideas requieren, de su parte, imaginación para cambiar el enfoque desde la evidencia perceptiva de las situaciones hacia el pensamiento sobre otros aspectos menos obvios de las mismas. La tendencia de los estudiantes a centrarse en aspectos limitados de las tareas, en donde las sustancias arden en un sistema cerrado, constituye una prueba clara de esta forma de pensamiento dominada por las percepciones. Con el tiempo, algunos estudiantes desarrollan la noción de sustancia como algo que se conserva y, por tanto, no necesitarán hacer este esfuerzo de imaginación cuando tengan que utilizar el concepto en el futuro. Es probable que la medida en que esta idea sea rápidamente accesible para el alumno dependa del uso que se haya hecho de ella anteriormente.

Figura7.

213

ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

Puede ser, como indicaba Piaget, que la construcción del concepto de que la materia está formada por partículas, fundamente el desarrollo de la conservación de la materia: los cambios de apariencia pueden ser modelados en relación con redistribuciones de partículas indestructibles. Ciertamente, la mayoría de los estudiantes de secundaria a quienes se les presenta este modelo emplean el concepto de que la materia está compuesta de partículas, en vez de considerarla continua. Sin embargo, cuando utilizan conceptos relativos a las partículas, tienden a no pensar que las partículas son invariables en sí mismas y a menudo consideran que éstas poseen las mismas propiedades macroscópicas que la sustancia de la que forman parte. Por tanto, las ideas relativas a las partículas, por sí mismas, no concuerdan necesariamente con las referidas a la conservación de la materia (ya que las partículas podrían fundirse, encogerse, etcétera). Asistimos a una transposición al nivel microscópico de las perspectivas que ya tienen los estudiantes de las propiedades de la materia. Esta tendencia a integrar los nuevos conceptos en el marco de las formas de pensamiento preexistentes se pone de manifiesto claramente en los estudios de las ideas de los alumnos sobre la combustión y la oxidación. En estos casos, las nociones prototípicas influyen claramente sobre el pensamiento de los chicos acerca de los fenómenos, incluso después de la enseñanza. La asimilación de lo que sucede durante una reacción química exige la comprensión de la atomicidad de la materia y de su indestructibilidad. Anderson6 ha propuesto un modelo general de la comprensión infantil de las reacciones químicas, y afirma que en el desarrollo del pensamien214

to de los niños con respecto a esta área pueden señalarse las siguientes características: l. así suceden las cosas: los niños no se plantean si tiene lugar una reacción química al oxidarse unos clavos de hierro o al arder una tabla. 2. el desplazamiento de materia: los niños afirman que cuando se produce un cambio, una sustancia "nueva" aparece sencillamente porque ha venido de otro sitio; se considera que el humo formado al arder la madera sale de la misma empujado por la llama. 3. modificación: en este caso se estima que la nueva sustancia es la original, pero en forma diferente. Algunos niños hablaban de este modo al referirse a la combustión de una madera, diciendo que la ceniza era aún la misma tabla, pero en una forma distinta. 4. transmutación: aquí se considera que la materia original se transforma en otra completamente nueva. 5. interacción química: desde esta perspectiva, se considera que las sustancias están compuestas por átomos de distintos elementos. Las nuevas sustancias pueden estar formadas por la disociación o recombinación de los átomos de las materias originales.

Aunque la interacción química es la única que se presenta en la enseñanza, parece que las otras perspectivas e interpretaciones de los cambios químicos prevalecen notablemente en el razonamiento de los estudiantes. Es posible que los alumnos hayan asimilado conceptos acerca de los átomos, de las moléculas y de sus representaciones simbólicas, del modo pretendido en las clases de ciencias, pero cuando se hallen ante un fenómeno físico que deban explicar, tiendan a considerar relevantes, no las nociones que se les han enseñado, sino sus ideas intuitivas basadas en la experiencia. La cuestión crucial a considerar no es, por tanto, si los alumnos entienden los conceptos o modelos teóricos que se les enseñan, sino

MAS ALLÁ DE lAS APARIENCIAS: lA CONSERVAGÓN DE lA MAmRIA EN lAS TRANSFORMAGONES FÍSICAS Y QUÍMICAS

si pueden utilizarlos y tenerlos como útiles y adecuados para interpretar los hechos a los que se enfrenten.

6. Andersson, B. (1984). Chemical Reactions. Ekna Group, Universidad de Gothemburg. Gothemburgo, Suecia. 7. Holding, B. "lnvestigation of ~choolchildren's understanding of the process of dissolving with special reference to the conservation of matter and the development of atomistic ideas". Tesis Doctoral inédita. Universidad de Leeds, Leeds.

BmuOGRAFÍA l. Cosgrove, M. y Osborne, R. (1981). "Physical change". Trabajo no. 26 Learning in Science Project, Universidad de Waikato, Hamilton, Nueva Zelanda.

8. Knox, J. (1985). "A study ofsecundary student's ideas about the process of buming". Tesis Doctoral. Universidad de Leeds, Leeds.

2. Dow. W. M., AULD, J. y Wilson, D. (1978). Pupil's Concepts of Gases, Liquids .and Solids. Dundee College of Education: Dundee.

9. Schollum, N. (1981). "Chemical change". Trabajo no. 27. Leaming in Science Project, Universidad de Waikato, Hamilton, Nueva Zelanda.

3. Brook. A., Briggs, H. y Driver. R. (1984). "Aspects of secondary student's understanding of the particulare nature of matter. Children 's Learning in Science Project", Centre for Studies in Science and Mathematics Education, Universidad de Leeds, Leeds.

10. Driver, R., Child, D., Gott, R., Head, J., Johnson, S. Worsley, C. y Wylie, F. (1984). Science in schools: Age 15. Trabajo de investigación no. 2, Assessment of Performance Unit; Departament of Education and Science, Londres. 11. Miller, S., Robinson, D., y Driver, R. (1985). "Secondary students ideas about air and air pressure". En Leaming, doing and understanding in science. (Eds. Bell, B., Watts, D.M. y Ellington, K.) SSCR: Londres.

4. Piaget, J. e Inhelder, B. (1974). The Childs Construction of Quantities. Routledge and Kegan Paul: Londres. Trad. esp.: Desarrollo de las cantidades físicas en el niño, Barcelona, Nova Terra, 1977. 5. Driver, R. y Russell. T. (1982). ''An investigation of the ideas of heat temperature and change of state of children aged between 8 and 14 years". Centre for Studies in Science and Mathematics Education. Universidad de Leeds, Leeds.

12. Meheut, M., Saltiel, E. y Tiberghien, A. ( 1985). "Student's conceptions about combustion (11-12 years old)". European Journal of Science Education (en prensa). 7 (1), 83-93.

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Algunas características de las ideas de los niños y sus implicaciones en la enseñanza Rosalind Driver, Edith Guesne y Andrée Tiberghien

Ideas cientificas en la infancia y en la adolescencia, Morata, Madrid, 1989.

Características generales de las concepciones de los niños Pensamiento dirigido por la percepción

n tema que aparece reiteradas veces en diversos ensayos consiste en la tendencia de los alumnos a basar inicialmente su razonamiento en las características observables de una situación problemática. Por ejemplo, sólo consideran que existe luz cuando es lo suficientemente intensa como para producir efectos perceptibles, como una zona iluminada en una superficie, en vez de pensar en una entidad que atraviesa el espacio. Del mismo modo, el azúcar "desaparece" cuando se disuelve, en vez de permanecer aunque en forma de partículas excesivamente pequeñas como para poder ser vistas; y la Tierra es un plano sobre el que está el cielo. Al enseñar ciencias, conducimos a nuestros alumnos a "ver" los fenómenos y las situaciones experimentales de una forma especial, a ponerse las "gafas conceptuales" del científico 1• Esto implica que los alumnos construyan modelos mentales para las entidades que no son directamente percibidas, como la luz, la corriente eléctrica o las partículas de la materia. El proceso de modelado que aquí se requiere es complejo: exige que los alum-

ENSEÑANZA DE L4 QUÍMICA

ma, aparece asociada a esta tendencia a centrarse en aspectos limitados de una situación dada. Por ejemplo, algunos niños eligen un recipiente de hierro para conservar frío el hielo durante el mayor tiempo posible a causa de las propiedades específicas del hierro (por ejemplo es un sólido, o es frío por naturaleza): no se mostraban proclives a pensar en el problema en términos de interacciones entre el hielo, el recipiente y el aire ambiental. De igual modo, al explicar la acción de un popote o de una jeringuilla, pudimos ver cómo muchos alumnos consideraban únicamente lo que ocurría en el interior, atribuyendo el movimiento del líquido a la fuerza de "succión", en vez de tener en cuenta que el flujo de líquido era una consecuencia de las diferencias de presión entre el interior y el exterior del popote o de la jeringuilla. Desde una perspectiva científica, el proceso de combustión implica la interacción de la sustancia combustible y del oxígeno; sin embargo, los niños tienden a considerar que la posibilidad de que una sustancia arda constituye exclusivamente una propiedad de la misma.

nos construyan y utilicen determinadas entidades, que pueden ser conjuntos de objetos o sistemas, que las describan de manera exacta utilizando determinados parámetros (por ejemplo masa, volumen, temperatura, carga) y que tengan en cuenta los procesos de interacción entre los parámetros, describiendo las relaciones que haya entre ellos (empleando conceptos como fuerzas, calor, corriente eléctrica). La construcción de estos modelos complejos exige considerable esfuerzo por parte del aprendiz y es probable que pase algún tiempo antes de que estas formas de ver el mundo se conviertan en parte estable y útil del "armazón" conceptual del niño.

Enfoque limitado Hemos visto que, en muchos casos, los niños toman en consideración únicamente aspectos limitados de situaciones físicas particulares, centrando la atención sobre los elementos sobresalientes de determinadas características especiales. Por ejemplo, la cuestión relativa a la combustión de un cerillo en un recipiente cerrado dirigió la atención de los alumnos hacia determinadas características que cambiaban durante la combustión: la combustión misma del cerillo, el "humo" que salía, el "humo" que se disolvía. Al predecir la masa del sistema, los alumnos tendían a centrarse en una de estas características manifiestamente cambiantes, en vez de considerar la interacción entre los contenidos del recipiente como sistema cerrado. La propensión de los niños a interpretar los fenómenos en relación con sus propiedades o cualidades absolutas adscritas a los objetos, en vez de hacerlo con respecto a la interacción de los elementos de un siste-

Enfoque centrado en el cambio, en vez de en los estados constantes Esta tendencia de los niños, caracterizada por situar el centro de atención en el cambio, en vez de hacerlo en los estados constantes, puede considerarse como un tipo de enfoque limitado. No obstante, creemos que constituye una característica tan importante del pensamiento infantil que la comentaremos por separado. En varios ensayos hemos visto ejemplos de la tendencia de los niños a centrarse en las secuencias de hechos o en las modificaciones que ocurren en las situaciones con 218

ALGUNAS CARACJ'ERÍS71CAS DE LAS IDEAS DE LOS MÑOS Y SUS IMPLICACIONES EN LA ENSEÑANZA

el transcurso del tiempo. Esto indica que tienden a centrarse en los estados de transición de un sistema más que en los de equilibrio. Por ejemplo, al razonar sobre el comportamiento de los fluidos, los niños tienden a considerar que la presión actúa únicamente en las situaciones de desequilibrio, dejando de lado las presiones presentes durante las situaciones de equilibrio. Se da una situación parecida en el dominio de la mecánica, cuando los niños reconocen la acción de una fuerza si perciben algún movimiento; les cuesta más reconocerla cuando los sistemas en cuestión están en equilibrio estático. Sospechamos que en los circuitos eléctricos sencillos aparece un problema conceptual debido a la confusión sufrida por los niños en relación con los estados de equilibrio y con los de transición (por ejemplo, cuando un interruptor está cerrado o abierto en un circuito). Aunque el tratamiento analítico de la corriente requiere el empleo de unas matemáticas notablemente complejas, pensamos que el planteamiento descriptivo de la distinción entre los estados de transición y los de equilibrio en la enseñanza puede ser útil para el aprendizaje de los alumnos. Quizá podamos comprender mejor esta tendencia a tener en cuenta los cambios en vez de los estados de equilibrio con respecto a lo que los niños creen necesario explicar, lo que pone de manifiesto un aspecto importante del razonamiento causal infantil: el cambio exige una explicación, lo cual requiere la postulación de un mecanismo sencillo que relacione los diferentes estados que presenta un sistema en el curso del tiempo; las situaciones de equilibrio, por otra parte, dado que no presentan modificaciones en el transcurso del tiempo, no requieren explicación, puesto que "las cosas son asf'.

Razonamiento causal lineal Cuando los niños explican los cambios, su razonamiento tiende a seguir una secuencia causal lineal. Postulan una causa que produce una cadena de efectos, como si se tratase, de una secuencia dependiente del tiempo. Esta tendencia a pensar explicaciones en relación con las direcciones preferidas de las cadenas de hechos indica que los alumnos pueden encontrar problemas a la hora de tener en cuenta la simetría de las interacciones entre sistemas. Por ejemplo, al considerar un recipiente que se calienta, creen que el proceso se desarrolla en una dirección, partiendo de una fuente suministradora de calor hasta un receptor; sin embargo, desde un punto de vista científico, la situación es simétrica, con dos sistemas en interacción, uno de los cuales gana energía mientras el otro la pierde. Como hemos visto, en mecánica los alumnos tienden a pensar que una fuerza, o acción, produce un efecto, como es un movimiento; no les resulta fácil apreciar la naturaleza recíproca de las fuerzas que actúan (por ejemplo, la tercera ley de Newton) desde esta perspectiva, dado que exige que los alumnos abandonen el modo de pensamiento secuencial con su dirección "preferida". Otra consecuencia de la tendencia apuntada de pensamiento secuencial y de adopción de una dirección preferente consiste en que el proceso, considerado reversible por el científico, no es estimado necesariamente así por los alumnos. Hemos visto, por ejemplo, que éstos se dan cuenta del efecto del incremento de la presión en una masa de gas encerrada, pero les resulta difícil anticipar el efecto de la reducción de

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la presión. De igual modo, los alumnos pueden entender que la aportación de energía puede transformar en líquido un sólido; sin embargo, les cuesta más comprender lo que sucede cuando un líquido se transforma en sólido.

obstante, los alumnos no ven la necesidad de efectuar tales distinciones cuando interpretan los hechos.

Conceptos indiferenciados

En la sección anterior hemos mostrado cómo distintos conceptos científicos pueden resultar indiferenciados en el pensamiento de los niños. Por el contrario, a menudo éstos emplean ideas distintas para interpretar situaciones que el científico explicaría del mismo modo. Así, en un estudio dedicado al calor, un niño escogía un recipiente de aluminio para conservar caliente la sopa porque "las cafeteras conservan bien el calor, y el aluminio conserva bien el calor"; sin embargo, cuando se le pidió que escogiese un recipiente en el que el agua se mantuviese caliente durante un corto periodo, escogió uno de metal porque "es un conductor... el calor del agua se irá hacia las paredes ... y desde allí se irá hacia afuera". De la misma forma, vimos que los niños de trece a catorce años solían hacer manifestaciones de sentido opuesto sobre la reflexión de la luz, dependiendo de si pudiera verse o no una zona iluminada en la superficie. Como demuestran estos ejemplos, distintas ideas concurrentes pueden aportarse a la explicación de situaciones que difieren en algunos aspectos perceptivos. En efecto, uno de los problemas que surgen al investigar las ideas de los niños consiste en descubrir modos de comprobar el pensamiento que nos permitan separar la categoría de las respuestas que nos dan, para distinguir entre las ideas que desempeñan un papel destacado en el pensamiento de un sujeto o de un grupo y las que se gene-

Algunas de las ideas de los niños tienen una amplitud de connotación distinta y considerablemente mayor que las de los científicos. Por ejemplo, con el fin de describir o interpretar un circuito eléctrico sencillo, los niños emplean una noción (que pueden denominar electricidad, corriente, fuerza), que reúne propiedades de distintos conceptos científicos, como corriente, carga y diferencia de potencial. De igual modo, las nociones de peso utilizadas por los niños a menudo incluyen connotaciones de volumen, presión y densidad. El "aire" suele presentar significados notablemente más amplios para los niños que para los científicos, incluyendo la noción de mediador general en las situaciones que conllevan la acción a distancia, como las fuerzas debidas a los campos gravitatorios o magnéticos, o como medio necesario para la transmisión del "calor". Ya que las nociones sostenidas por los niños suelen incluir mayor cantidad de aspectos y ser más globales que las de los científicos, aquéllos tienden a pasar, en ciertas circunstancias, de un significado a otro de forma no necesariamente consciente. Por ejemplo, las palabras conductor o aislante pueden ser empleadas tanto en el sentido de "calentarse más o menos rápidamente" como en el de "mantener el calor o el frío". Se trata de nociones claramente diferenciadas desde el punto de vista científico, no

Dependencia del contexto

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ALGUNAS CARACTERÍSTICAS DE LAS IDEAS DE LOS NIÑOS Y SUS IMPLICACIONES EN LA ENSEÑANZA

ran como respuestas ad hocen relación con la presión social sufrida en una situación de entrevista o de prueba.

algo se mantenga en movimiento, hace falta la aplicación continuada de una fuerza. Otras ideas que aparecen reiteradamente incluyen la noción de la "succión" provocada por el vacío. Esta idea basada en la percepción se invoca no sólo para describir el movimiento de los líquidos, sino incluso para proporcionar la fuerza motriz de las partículas de los gases. La idea de la ligereza del aire influye sobre la comprensión de los niños acerca del comportamiento del aire atmosférico, así como sus interpretaciones de los fenómenos asociados con la combustión. Estas ideas, una y otra vez reiteradas, que impregnan la comprensión de los niños en relación con un amplio marco de fenómenos naturales, reflejan muchas de las características generales que hemos descrito; suelen derivarse de las percepciones y ponen de manifiesto el razonamiento causal lineal que con sidera que una acción produce un efecto. Aunque puede que tales ideas no constituyan modelos coherentes y bien articulados para cada sujeto individual, hemos de reconocer que prevalecen en el conjunto de la población. Asimismo, es evidente que están profundamente arraigadas y reaparecen a pesar de la enseñanza. Por tanto, puede ser necesario dedicarles especial atención en la planificación a largo plazo de la educación durante los años de la escuela secundaria.

Algunas concepciones predominantes Hemos señalado hasta aquí un cierto número de rasgos generales que caracterizan el pensamiento infantil acerca de determinados fenómenos físicos. Aunque estos aspectos generales son útiles y deben ser tenidos en cuenta por los profesores y los técnicos de planificación del curriculum, cuando se trata de planear y enseñar temas concretos es importante disponer de información específica acerca del pensamiento infantil respecto a determinados tipos de fenómenos. El lector se habrá dado cuenta de que ciertas concepciones alternativas aparecen una y otra vez en los estudios referidos a diversas áreas temáticas; aparentemente hay determinadas ideas que prevalecen e influyen en el pensamiento de los niños en relación con situaciones diversas. Una de estas nociones predominantes es la asociación que hacen entre la acción de una fuerza y el movimiento resultante. Esta idea no sólo aparece en las interpretaciones que los niños hacen del movimiento de los objetos que aprecian en el mundo cotidiano, sino que influyen evidentemente también sobre su pensamiento acerca de otras áreas. En el caso de los fluidos, por ejemplo, hemos visto cómo los niños tienden a considerar la presión que se ejerce solamente en un sentido: aquél en la que aparece alguna "acción". Los problemas que presentan los alumnos a la hora de apreciar el movimiento intrínseco de las partículas pueden partir también de la creencia de que, para que

El desarrollo de las concepciones Las ideas de los niños y la historia de las ciencias En ciertas áreas es tentador trazar paralelismos entre las ideas de los niños y el

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progreso de éstas en el seno de las ciencias mismas. Efectivamente, en varios estudios se pone de manifiesto la notable semejanza entre algunas ideas sostenidas por los niños y ciertas teorías científicas vigentes en el pasado. Hemos tenido oportunidad de ver la descripción del calor como una sustancia, a semejanza de la teoría del calórico. Hemos podido observar las descripciones que los niños hacen de la visión como fenómeno que procede desde los ojos a los objetos, recordando el "fuego visual" de la escuela pitagórica. Hemos visto la explicación del movimiento como una fuerza inherente al objeto, como en la teoría del ímpetu, que afirmaba que el movimiento implica una causa, y que ésta puede localizarse en el mismo cuerpo en movimiento. No sería conveniente, sin embargo, llevar demasiado lejos el paralelismo entre la historia de la ciencia y las ideas de los niños. En primer lugar, a menudo sólo aparecen algunas características comunes entre la idea empleada por los alumnos y su contrapartida histórica. Cuando los niños describen la visión como un movimiento que arranca de los ojos, no tiene las connotaciones sustantivas del "fuego visual" de las antiguas teorías. En segundo lugar, cuando las ideas en cuestión fueron manejadas por los científicos del pasado, formaban parte de sistemas conceptuales coherentes, mientras que las ideas utilizadas por los niños suelen serlo mucho menos. Las nociones que poseen sobre la fuerza y el movimiento, por ejemplo, carecen de la amplitud y coherencia interna de la teoría pregalileana de los ímpetus (la cual, a diferencia del pensamiento de la mayoría de los niños, comprendía de manera patente ideas relativistas). 2

El cambio conceptual como proceso a largo plazo Los cambios conceptuales constituyen un proceso lento y a largo plazo. Como todos los seres humanos, los niños tienden a interpretar las nuevas situaciones en relación con lo que ya conocen, reforzando, por tanto, sus concepciones precedentes. La excepción se produce cuando el aprendiz es incapaz de interpretar una situación de forma coherente. Éste puede hacer interpretaciones alternativas, posiblemente conflictivas, o bien, la situación puede ser tal, que le impida la construcción de cualquier interpretación adecuada. Cuando se producen estas situaciones, en las que el aprendiz ve la necesidad de encontrar un sentido coherente, pueden darse las condiciones necesarias para el aprendizaje conceptual. En algunos casos, el resultado de la enseñanza parece ser la incorporación del vocabulario científico a las concepciones antecedentes de los alumnos. En un estudio dedicado al estado gaseoso, por ejemplo, contemplamos cómo los chicos utilizaban la palabra "presión", transmitida mediante la enseñanza, pero implicando la noción de "succión". De igual manera, los alumnos añadían a su vocabulario las palabras "conductor" y "aislante" sin modificar sustancialmente sus ideas relativas a la transferencia de calor. Hemos observado, asimismo, casos en los que las nuevas ideas eran modificadas por los alumnos para adaptarlas a sus formas de pensar. En una investigación relacionada con el concepto de la Tierra se daban casos en los que reconocían inicialmente que es redonda, sin embargo, al comprobar las ideas auténticas que sostenían, sus concepciones al respecto eran adaptaciones del modelo de Tierra 222

ALGUNAS CARACIERÍS11CAS DE LAS IDEAS DE LOS NIÑOS Y SUS IMPLICACIONES EN LA ENSEÑANZA

plana. Al estudiar el papel del oxígeno en la combustión, los alumnos aceptaban rápidamente que el oxígeno era necesario para que ésta se produjese pero, en vez de desarrollar las ideas referidas a la combinación química, tendían a considerar que el oxígeno se consumía. En otros casos, los niños comienzan a utilizar un determinado concepto en un número limitado de situaciones. Sin embargo, la integración y el uso coherente de los nuevos conceptos constituye un proceso a plazo mucho más largo. Cuando las nuevas ideas entran en conflicto con los puntos de vista de los niños, pueden ser un obstáculo para el aprendizaje. Para integrar estos conceptos nuevos, los chicos quizá tengan que modificar la organización de sus ideas de modo radical, lo que supone una auténtica "revolución" de su pensamiento3 • Incluso cuando esto ocurre, las. ideas nuevas y las antiguas pueden coexistir. Este tipo de aprendizaje, que no se produce frecuentemente, requiere que los niños acumulen nueva información sobre la base de la reorganización de sus concepciones. Con frecuencia es difícil evaluar la eficacia de la enseñanza en relación con la promoción del cambio conceptual a corto plazo. Efectivamente, es posible que necesitemos reconsiderar nuestros puntos de vista sobre la enseñanza, con el fin de prepararnos a adoptar objetivos a largo plazo en relación con el aprendizaje conceptual de nuestros alumnos. Los niños no adoptan ideas nuevas o modifican las que tenían de manera radical durante el periodo de tiempo dedicado normalmente a una clase ni, incluso, a un conjunto de clases. No obstante, se les puede estimular a que empleen ideas de tipo científico en un marco progresivamente más amplio de situaciones durante un extenso periodo de tiempo.

Algunas cuestiones relativas a la planificación del cumculum Tener en cuenta los conocimientos antecedentes del alumno Convencionalmente, la planificación del curriculum de ciencias arranca del análisis conceptual de los temas implicados. Las posibles secuencias de enseñanza se preparan mediante el análisis de las ideas más básicas, desde un punto de vista científico, y construyendo el curriculum desde ese lugar de partida. Hemos de reconocer que las pruebas aportadas en este libro indican que nuestros esquemas de ciencias pueden dar por supuesto que los alumnos han elaborado ya determinadas ideas básicas, y quizá no sea así. Ideas como las siguientes: la luz viaja a través del espacio, lamateria se conserva, y la Tierra es una esfera ubicada en el espacio, se dan por supuestas con frecuencia en nuestros esquemas de enseñanza, aunque es difícil que hayan sido elaboradas de manera adecuada por los alumnos que asisten a las clases de ciencias. Todo esto indica que, en la planificación del curriculwn, no sólo es preciso considerar la estructura del tema, sino también tener en cuenta las ideas de los alumnos, lo que puede obligar a revisar los pretendidos puntos de partida de nuestra enseñanza: las ideas que podemos suponer traen los alumnos. El conocimiento de éstas es también muy importante para programar las tareas específicas de la enseñanza. Cuando sabemos los tipos que prevalecen, podemos proponer actividades que contradigan o amplíen el marco de aplicación de las ~ismas. Subrayamos aquí algunas estrategias utilizadas por determinados estudios de

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ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

investigación que pueden ser interesantes para promover el aprendizaje conceptual.

perspectiva de que se intenta lograr la "respuesta correcta", y los alumnos utilizarán diversas claves irrelevantes de las preguntas rutinarias del profesor, del vocabulario de las hojas de trabajo y de las preguntas de los libros de texto para obtener ese objetivo. Invitamos, por tanto, a estimular a los alumnos a que tengan en cuenta el conjunto de posibles interpretaciones de los hechos y traten de evaluarlas por sí mismos. • La creación de esquemas conceptuales alternativos puede ser promovida en las clases por los mismos alumnos, a través de su análisis en pequeño grupo, el "aluvión" de ideas en clase y la intr()ducción de conceptos nuevos por parte del profesor, o mediante los materiales educativos. Independientemente de la forma en la que se introduzcan las nuevas ideas, los alumnos aún han de darles sentido para ellos mismos: el hecho de que se diga algo a alguien no significa que lo entienda en el sentido que se pretende. • Practicar el empleo de la ideas en un conjunto de situaciones. El problema de la generalización es importante, y hace falta proporcionar oportunidades para estimular su empleo. En especial, es preciso considerar cuidadosamente el papel desempeñado por el experimento en la enseñanza de las ciencias. Para un científico, los resultados de un experimento proporcionan información general sobre una clase de fenómenos; los objetos concretos y los aparatos utilizados se consideran "representativos" de un conjunto de situaciones. Los niños, por otra parte, pueden notomar en cuenta las características especiales de un montaje experimental dado en ténninos tan generales y, por consiguiente, lo que aprendan de un experimento puede restringirse al contexto concreto en el que se ha desarrollado. Así pues, es importante también proporcionar oportunidades a los alumnos para que comprueben el ámbito y los límites de aplicación de los resultados experimentales. De este modo, acrecentarán su confianza en las ideas nuevas, considerándolas útiles.

• Dar a los alumnos ocasiones para que pongan de manifiesto sus propias ideas. Las ocasiones pueden darse en situaciones de pequeños grupos, en las conversaciones de clase o pidiendo a los niños que hagan una representación de lo que piensan acerca de una situación detenninada, por escrito, dibujando o a través de cualquier otro medio. • Introducir hechos discrepantes. La observación de un hecho inesperado puede estimular a que los alumnos piensen sobre esa situación. El conflicto conceptual así provocado puede llevar a que el alumno se encuentre insatisfecho con sus ideas y sienta la necesidad de modificarlas. No obstante, los hechos discrepantes tienen por sí solos un efecto limitado. Como señala Nussbaum, a menos que los alumnos sean ya conscientes de los elementos de sus concepciones preexistentes, de las que se derivan sus expectativas acerca de las situaciones concretas, pueden incluso considerar el hecho como no discrepante. Asimismo, aunque en un niño se desarrolle un conflicto conceptual, esto no significa que construya un esquema de conceptos alternativo. • Planteamiento socrático de preguntas. Cuando las ideas de los alumnos son incoherentes y sin relación unas con otras, el planteamiento socrático de preguntas puede ayudarles a descubrir la posible falta de coherencia de su propio pensamiento, y a reconstruir sus ideas de forma más adecuada. Las discusiones con los compañeros en pequeños grupos pueden proporcionar ocasiones para explorar las propias ideas, contribuyendo al mismo propósito expuesto. • Estimular la formulación de un conjunto de esquemas conceptuales. Si los alumnos han de dar sentido a las cosas por sí mismos, deben estar activamente implicados en la reflexión sobre su propio pensamiento. Uno de los factores que socava este proceso es el síndrome de la "respuesta correcta". • A menudo y en muchas clases, alumnos y profesores conspiran juntos, de manera inconsciente, para destruir la comprensión científica de los primeros; ambas partes adoptan la

Las sugerencias ofrecidas para promover el cambio conceptual en las clases son únicamente provisionales en el estado actual de 224

ALGUNAS CARAC/'ERÍS71CAS DE L4S IDEAS DE LOS MÑOS Y SUS IMPUCACIONES EN L4 ENSEÑANZA

nuestros conocimientos, pues están basadas en una pequeña cantidad de estudios exploratorios4. Esperamos que en los próximos años se desarrolle el trabajo cooperativo entre profesores e investigadores que nos permita poner en práctica lo que ya conocemos acerca de las ideas de los niños, con el fin de encontrar formas adecuadas para que las clases se conviertan en lugares en los que el aprendizaje de las ciencias adquiera mayor significado y sea más interesante, y en donde los conceptos de los alumnos sean valorados y se estimule su desarrollo. BIBUOGRAFÍA

1 Los modernos filósofos de la ciencia han señalado que las observaciones están sesgadas por la teoría. Karl Popper, en Conjetures and refutations (p. 47) afirma que "las proposiciones procedentes de la observación y las derivadas de los resultados experimentales son siempre interpretaciones de los hechos observados... son interpretaciones hechas a la luz de teorías". 2 E. Saltiel y L. Viennot. (1985). "What do we learn from similarities between historical ideas and the spontaneous reasoning of students". En The · many facets of teaching and learning mechanics, 199-214, Ed. P.L. Linjse, WCC-Utrecht.

conception: towards a theory of conceptual change". Science Education, 66 (2), 211-227. 4 Los lectores interesados en información más amplia sobre el cambio conceptual en las clases pueden encontrar útiles las siguientes referencias: Bell B., Watts, D.M. y Ellington, K. (Eds) (1985) Learning, doing and understanding in science. SSCR: Londres. Driver, R. ( 1985) "Changing perspectives on science lessons". En Recent advances in classroom research. Eds. N. Bennett y C. Desforges, British Journal of Psychology Monograph. Driver, R. y Erickson G. (1983) "Theories-in-action, sorne theoretical and empirical issues in the study of student's conceptual frameworks in science". Studies in Science Education, 10, 37-60. Gilbert, J.K. y Watts, D.M. (1983) "Concepts, Misconceptions and Alternative Conceptions: Changing Perspectives in Science Education". Studies in Science Education, 1O, 61-98. Osborne, R.J. y Freyberg P. (Eds) (1985) Leaming in science: the implications of children 's science. Heinemann Educational Books. Osborne, R.J. y Whittrock, M.C. (1983) "Learning Science: A Generative Process". Science Education 67 (4), 489-508. Research on physics education: proceedings ofthe first international workshop (1984), La Londe les Maures, Editions du CNRS, París.

West, L.H.T. y Pines, A.L. (1985) Cognitive Structure and Conceptual Change. New York Academic Press.

3 Posner, G.J., Strike, K.A., Hewson, P.W. y Gertzog, W.A. "Accommodation of a scientific

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La investigación como recurso didáctico Renato Sergio Rosas Domínguez Cero en Conducta, número 35, 1993.

n las críticas que se le hacen a la educación mexicana se coincide en señalar su enciclopedismo, su memorismo y su escasa relevancia, entendida ésta como la fractura entre los conocimientos supuestamente adquiridos y la vida cotidiana. Estas tendencias, características de nuestra educación y especialmente de la preparación y la actualización del magisterio, han llevado, en no pocas ocasiones, a estacionarnos en la teorización sobre el hecho educativo y, en esa medida, a despreciar otras fuentes de conocimiento pedagógico -como la práctica cotidiana del maestro en el grupo- y a separar la escuela de la vida común de los estudiantes, haciendo más irrelevantes los conocimientos que en ella se imparten. Actitudes como éstas conducen a ignorar nuevas tendencias que se abren paso en la escuela moderna que consideran al maestro como investigador (Galton y Moon, 1986), y el vínculo estrecho entre el currículo y su enseñanza, en otras palabras, la rica mezcla entre teoría y práctica, que invita a impulsar contenidos de aprendizaje en los que los alumnos trabajen apoyándose mutuamente, con el fin de llevar hasta el máximo la utilización de sus talentos naturales. En estas líneas me anima el deseo de ubicarme en la corriente educativa que combate los exámenes promocionales, como el fin principal de nuestro trabajo en el aula y se declara contrario

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al examen que tan claramente analiza Foucault cuando afirma que combina las técnicas de la jerarquía que vigila y las de la sanción que normaliza; lo califica como una actividad altamente ritualizada y lo describe como la ceremonia del poder, el despliegue de la fuerza y el establecimiento de la verdad indiscutible. Por otra parte, se ha llegado al extremo de considerar que a mayor número de años de preparación o actualización del maestro, o a mayor acumulación de niveles académicos, corresponde, automáticamente, una mejor práctica ante el grupo, lo que escasamente sucede al descuidar si los conocimientos adquiridos conducen a propuestas concretas para la solución de los problemas cotidianos en el aula. Los relatos que presento en este trabajo pretenden contribuir al rescate de la práctica docente como fuente de conocimiento pedagógico y a la búsqueda de recursos didácticos que nos orienten hacia un quehacer profesional distinto y mejor. Este trabajo se ubica en la enseñanza secundaria y plantea que la investigación es un recurso didáctico útil para que los alumnos arriben de manera diferente a los conocimientos propuestos. Antes de iniciar mi relato quiero hacer algunas referencias descriptivas del ambiente en el que, desde mi punto de vista, se da nuestro hacer profesional. l. Entre las principales deficiencias de la secundaria destacan: a) se considera propedéutica y no como el último ciclo de educ,ción básica; b) en los planes de estudio, liasta los propuestos por la SEP durante la prueba operativa, prevalece lo informativo de manera enciclopédica; e) los contenidos son insuficientes y mal orientados por lo que no logran atender tanto el aspecto de la vida personal, ciudadana y producti-

va, como el propedéutico; d) los conocimientos que se trabajan son irrelevantes pues no se relacionan con las experiencias de vida diaria de los estudiantes ni con sus intereses como adolescentes; e) prevalece una cultura de exámenes objetivos cuyo eje central es la promoción y no el aprendizaje; f) el excesivo número de alumnos que debe atender el maestro, se dan casos en los que un maestro atiende arriba de quinientos alumnos (DIE-CINVESTAV del IPN, 1990). 2. Es común el error de considerar de manera cerrada -en cuanto a edades cronológicas-los estadios que considera Piaget en la evolución del desarrollo intelectual del niño. Esto trae como consecuencia que se considere un nivel para todos los alumnos, el de las operaciones formales, lo que no es exacto en muchos casos. Desde mi punto de vista, sin base experimental de mi parte, a la secundaria llega alumnos -no pocos, incluso tal vez la mayoría- que requieren todavía de actividades lúdicas y de manipulación de objetos. Aunque debemos trabajar para que rebasen dicho estadio, es necesario partir del nivel en que se encuentren. Otra implicación de este proceder es que los contenidos se tratan en ocasiones como si el muchacho se encontrara plenamente en la etapa de las operaciones formales, recurriendo a lo abstracto con demasiada frecuencia. 3. En la escuela primaria, y con mayor rigor en la secundaria, se toman actitudes que inhiben la participación de los estudiantes y más aún cuando son críticos. Este hecho limita las posibilidades de alcanzar el perfil de egreso deseado, en cuanto a un muchacho crítico, prepositivo, preparado para vivir en la democracia, solidario, etcétera. 228

LA INVESTIGACIÓN COMO RECURSO DIDÁCTICO

4. La formación del maestro genera en muchos casos una concepción del conocimiento como único, antidialéctico y ahistórico, al considerar el empirismo como única fuente de conocimiento válido. De esta manera se inhiben funciones como la imaginación y no se desarrolla una actitud propositiva por parte de los alumnos. Ante esta situación, mi punto de partida se basa en las siguientes consideraciones, entre otras: l. Como afirma Alba Martínez el profesor no es un receptor de fórmulas sino un profesionista cabal que posee y produce de manera activa un saber docente que puede modificarse, acrecentarse o perfeccionarse ... con el análisis colectivo de su práctica cotidiana y de los retos que enfrenta (Martínez Olivé, 1991).

Es necesario voltear la mirada hacia la escuela misma, hacia nuestra práctica cotidiana ante el grupo, para lograr incrementar nuestro saber docente. 2. Es imprescindible aceptar que el conocimiento -aun el llamado científico- es limitado y dialéctico que, como lo señala J ean Hamburger, la ciencia no ha progresado sólo mediante observaciones y herramientas nuevas, ha progresado en el arte de razonar, para luego agregar que es maravilla y riqueza percibir la diversidad de los campos humanos (en cuanto al conocimiento) y que la confusión de quien aprende surge sólo cuando se le niega autonomía, y cita a Albert Einstein cuando éste escribió "lo incomprensible es que todo sea comprensible". 3. Dar confianza a los alumnos y respetar los caminos que ellos crean para apropiarse del conocimiento y resolver los problemas que esa apropiación conlleva, y aceptar su autonomía de pensamiento, son requisitos indispensables para hacer atra-

yente el proceso hacia el conocimiento. Diversificar el conocimiento y el proceso para acceder a él es otra premisa indispensable para impulsar la creatividad de los alumnos, para transformarlos de los objetos receptores actuales a los sujetos que deseamos. 4. No permitir que los programas se conviertan en nuestra angustia cotidiana. Más importante que la cantidad de conocimientos que suponen1os que adquieren nuestros alumnos, es el proceso mediante el cual reeditan el conocimiento propuesto. Recordemos que sería más valioso educar "el arte de razonar" que lograr la acumulación de datos a la que estamos desafortunadamente acostumbrados. Utilicemos la flexibilidad de los programas en beneficio de nuestros alumnos. 5. Otra referencia, tal vez demasiado específica, es en cuanto a lo que entendemos por motivación. En el caso de secundaria es posible plantearnos la motivación intelectual, entendida como los retos que representa para el alumno el contribuir a determinar el camino para apropiarse del conocimiento. La relación entre los conocimientos programados y la vida diaria es otra fuente de motivación sumamente útil que debemos utilizar con mayor frecuencia, pero no es la única, la madurez alcanzada por nuestros alumnos permite otro tipo de motivaciones, como la intelectual ya señalada. 6. El desempeño profesional del docente no surge de la nada, cuenta con firmes antecedentes en su preparación y actualización profesionales y en su experiencia, de esta manera se liga la teoría con la práctica. Las situaciones que comentaré a continuación son resultado de un proceso de 229

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modificación de mi trabajo en el aula. Puedo afirmar que son la síntesis que cristalizó en las condiciones que limitadamente relataré. Ya anteriormente publiqué otro relato con la misma orientación, pero refiriéndome a una experiencia en ciencias sociales. 1 Hoy trabajaré algo relativo a matemáticas. Expresadas estas reflexiones paso· a mi relato.

sa. En la imposiblidad de relatar todas las experiencias me referiré sólo a algunas de ellas para temas como ¿qué es medir?, tanto por ciento y volúmenes.

¿Qué es medir? Para iniciar el tema ¿qué es medir? pregunté ¿qué podemos medir?, contestaron la estatura, lo hondo de una alberca, la altura de un poste, el largo del salón, la distancia del salón a la dirección, etcétera. Llamó mi atención que sus respuestas se concentraran en medidas de longitud; magnitudes como el peso, el tiempo y la capacidad brillaban por su ausencia. Finalmente, después de bastante tiempo y con algo de inducción de mi parte, los equipos de trabajo "salieron" de las medidas de longitud y hablaron del tiempo, de la temperatura, de cuestiones como el pulso e incluso de los sentimientos, sin lograr proponer la unidad de medida ni el instrumento para medirlos. Con lo avanzado propuse los siguientes cuestionamientos: a) mencionen algo que quieran medir; b) ¿qué puedo medirle a ese "algo"?; e) ¿qué unidad debo utilizar?; d) ¿qué instrumento usaré? Les entregué las preguntas en pedacitos de papel escri-

Una experiencia en matemáticas Durante el ciclo escolar 1990-1991 trabajé en una de las escuelas de la llamada Prueba Operativa, con matemáticas primer curso como materia optativa en ese mismo grado. Elaborar el programa de dicha materia me señaló mis limitaciones en diseño curricular a la vez que me permitió concretar algunas ideas para tratar de mejorar mi desempeño profesional. La materia optativa cuyo programa elaboré se llamó matemáticas aplicadas, ahora veo que desde ahí estaba planteando una crítica a mi quehacer profesional pasado pues ¿cómo es posible que manejara los contenidos programáticos de matemáticas por un lado y que tuviera que crear una materia para aplicar esos conocimientos? En las actividades que me propuse para el programa que diseñé procuré que los muchachos salieran del salón de clase. Visitas a diferentes empresas, a la plaza central de la ciudad, a la cancha de volibol y a otros anexos de la escuela, algunos viajes imaginarios a través de mapas y de la prenl. "Una experiencia en Ciencias Sociales", Revista Cero en Conducta. Año 13, número 13-14. Julio-octubre de 1988.

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tos por mí y les di tiempo para elaborar sus respuestas -primero individualmente y después por equipo-. La siguiente tabla es un ejemplo de las respuestas que elaboraron tomando cada quien los objetos que personalmente decidió. Trabajos como el de Norma, una de mis alumnas, abrieron amplias e interesantes posibilidades. Las discusión colectiva que se produjo, después de copiar en el pizarrón la tabla, fue más o menos la siguiente:

Aunque no era mi pretención inicial, los cambios de impresiones en el grupo nos llevaron a ejercicios como la medición del pulso y temperatura -consiguieron relojes y termómetros clínicos- y a consultar sobre la normalidad en esos signos vitales. ¿Me había desviado del tema? Considero que no, había profundizado hasta los niveles que indicaban los muchachos en sus intervenciones. Seguimos midiendo lo que se nos ocu-. rría. En alguna ocasión, considerando que el salón de clase estaba en la segunda planta, les pedí que midieran la altura del suelo al piso del corredor frente a nuestro salón, pero sin utilizar de manera directa instrumentos de medida de más de dos metros, ni subiéndose unos sobre otros (como algunos propusieron). Al siguiente día trajeron una considerable variedad de objetos que podían servirles: cuerdas largas, a las que les amarraron algún peso, lo colgaron como plomada y después midieron la cuerda. Alguien trajo una fajilla larga de madera y trabajaron con ella, otros alambre grueso, etcétera. La medición encargada se hizo utilizando diferentes objetos, después de imaginar algunas irrealizables o francamente peligrosas. Después fuimos a medir la cancha de volibol con diferentes unidades, ya fuera una agujeta de tenis, un pedazo de madera, una tira de cartoncillo, etcétera. Mi pretención era mostrarles que las unidades son inventadas, con mayor o menor sustento. Concluyeron que la medida se representaba con diferentes cantidades, según lo que cada equipo estaba usando como unidad, a pesar de que las distancias eran las mismas en todos los casos. Otro tópico que surgió al analizar la tabla inicial de Norma, y otras similares, se originó en preguntas como las siguientes:

- Norma, ¿por qué no pusiste el instrumento en el caso del frasco? - Porque no supe cuál. - ¿Cuál creen ustedes que fue el problema de su compañera?

Después de no pocos intentos encontraron la respuesta, que fue aceptada por Norma. Ella pretendía encontrar un solo instrumento que midiera la capacidad, la altura y el diámetro, pero se necesitaban varios. Esto les pennitió comprender que el instrumento de medición es determinado por lo que estamos trabajando en un momento detenninado. Hicieron otras tablas agregando la columna unidad y posteriormente presentaron otros trabajos que ejemplifico con otras tablas de las elaboradas por Norma.

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¿por qué Norma hablaba de altura y base en el caso de la "carpeta" (folder)?, ¿se trataba en realidad de una superficie o de un cuerpo?, ¿cuál era la diferencia entre área y cuerpo?, ¿por qué en el caso de la mesa no señalaba lo que mediría?, y otras más.

existen diferentes maneras de solucionar un problema y discutir cada procedimiento, señalando que cada quien escogiera el que le pareciera más fácil. Continuamos con otra pregunta: ¿cuáles porcentajes se les hace más fácil calcular (procuro no usar la expresión sacar) y por qué? Concluyeron que calcular el 50% es sacar la mitad, 20% es igual que la quinta parte, etcétera. Les pedía que se imaginaran a sí mismos como propietarios de una tienda de lo que fuera y que en casa hicieran un cartel anunciando sus productos en barata, pero que para ayudar a sus clientes, anunciaran el precio original, el descuento expresado en tanto por ciento y la cantidad a descontar. Posteriormente les pedí que buscaran en las notas periodísticas, de cualquier sección, noticias en las que se citara algún porcentaje, transcribo algunas del cuaderno de mi amiga Norma junto con el ejercicio que hicieron con esas notas:

El tanto por ciento Pedí a los muchachos que llevaran algún periódico para trabajar el siguiente tema. Además les encargué colores, tijeras y pegamento. Llevaron el material e iniciamos el tema. - Por favor busquen baratas, ofertas o descuentos en sus periódicos y señálenlos con sus colores como gusten, después recorten los señalado y peguen algunos en su cuaderno.

Ya con los recortes iniciamos nuestros comentarios en base a algunas preguntas que escribí en el pizarrón. Para saber cuánto vamos a pagar por un artículo determinado, ¿qué hacemos con el descuento, lo sumamos o lo restamos?, ¿cuál procentaje conviene más, el que ofrece la tiendax o la de la y?, ¿por qué?; la oferta tal nos indica que en lugar de pagar tanto nos cobrará tal cantidad ¿conviene más así o que nos descuenten el veinte por ciento? Alguien preguntó ¿qué sticede con el IVA, lo descuentan también? Es fácil apreciar que para dar las respuestas tenían que saber calcular el tanto por ciento. Lo calcularon en equipo, recuerdo que la mayoría no necesitó preguntarme e incluso ayudaron a sus compañeros a hacer las operaciones necesarias. Por cierto que al observar algunos trabajos encontré que no todos habían seguido el mismo procedimiento, por ejemplo, hubo quién trabajó por regla de tres y otros mediante fórmula. Estos nos permitió apreciar que

- La producción de azúcar bajaría 40%. Producción= 1500 millones de toneladas. Baja en la producción = 600 millones de toneladas. Producción que quedará = 900 millones de toneladas. -Mueren entre JO y 15% de mujeres que se someten a un tratamiento que muchas veces no es profesional (la nota se refería a los abortos clandestinos). En este caso Norma trabajó con una cantidad arbitraria al no contar con el dato real. 3 ÜÜÜ ÜÜÜ X 0.15 = 450 ÜÜÜ.ÜÜ 3 ÜÜÜ ÜÜÜ X 0.1 Ü = 300 ÜÜÜ.ÜÜ Mueren entre 300 000 y 450 000 mujeres por la causa indicada. - En enero pedirá la CTM aumento de 60% en el salario mínimo que es de $ 9 500.. 9 500 X 0.60 = 5 700.00 9 500 + 5 700 15 200

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LA INVESTIGACIÓN COMO RECURSO DIDÁCTICO

La CTM pidió un 60% como aumento, o sea que el salario mínimo quedaría en $ 15 200 mensuales.

objetos que habían traído escogí los que consideré que cabrían en las probetas y eran los más irregulares -un dado (llave de mecánica), un "diablo", una bujía y un perno-. Les pedí que se pasaran los cuatro objetos de equipo a equipo y los observaran bien y después calcularan el volumen de cada uno. Las reacciones no se hicieron esperar.

Lograron bastante agilidad para sus cálculos en la dirección señalada aunque tuvieron muchas dificultades para el problema inverso, por ejemplo: si compré con un descuento de 15% y me cobraron$ 5 250 ¿cuál era el precio de ese artículo sin el descuento? Después calculamos el porcentaje del territorio de Chihuahua, respecto a la superficie total del país y el de la población de nuestra entidad respecto a la total de México. Finalmente en casa, con la recomendación de que platicaran con su mamá o con su papá, calcularon el porcentaje de los ingresos familiares que se dedican a renta y alimentación. El tema propició comentarios más allá de las matemáticas, como densidad de población, el IVA, los ingresos familiares, la salud, etcétera. Estos comentarios eran cortos y aparentemente al margen del tema central.

- ¡No se puede! - ¡Eh profe! ... Nos está "vacilando" - El probJema es en serio, discútanlo bien. Les aseguro que sí es posible.

Nuevo periodo de espera. Nuevos intentos de solución equivocados. Insistencia y recordatorio de cómo medimos la altura del suelo al nivel del piso del salón (de manera indirecta). Empecé a notar miradas hacia las probetas y discusiones, finalmente la pregunta esperada: - Profe, ¿podemos usar "esos frascos"? -¿Cuáles? - Esos que tiene enfrente. - Si les sirven úsenlos. Pero no se llaman frascos, sino probetas.

Tomaron las probetas y empezaron a comentar las graduacions que tenían, ¿qué son éstos profe? Ahí está indicado, fíjate bien. Dibujé una tabla en el pizarrón para que cada equipo apuntara la medida de cada objeto. El primer intento resultó francamente malo, las diferencias en las cantidades que cada equipo escribió en el pizarrón eran demasiado ,notorias. Pregunté ¿qué sucedió?, ¿por qué estos resultados tan diferentes? Hicieron múltiples conjeturas para, poco a poco, arribar a la conclusión de que las lecturas estaban mal realizadas. Les expliqué cómo debían leer la medida en la probeta, cómo la posición de los ojos nos podía llevar a error, intencionalmente no mecioné nada respecto a la lectura inicial y la segunda. Más tiempo de trabajo de ellos.

Volúmenes y otras cosas Después de trabajar con los volúmenes de cuerpos regulares durante varias sesiones -en un proceso en el que me fui al revés, del volumen al punto-, les indiqué que la clase siguiente trabajaríamos en uno de los laboratorios de la escuela. Les pedí que trajeran objetos "de este tamaño" (indicando con mis dedos una dimensión que me asegurara que cabrían en las probetas con las que contábamos). Al día siguiente, cuando se presentaron al laboratorio ya había preparado "el campo de batalla". Puse a la vista de ellos algunas probetas con agua a diferentes niveles. De los

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ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

Quedaron las lecturas que se indican en la siguiente tabla.

Equipo/óbje~ bado · •:\~iabl&~ '·.: ~~)r~:r;\~VrJ~c;:

.Ptom.edio

···a,:::!i~cili!lil

La tabla no tenía inicialmente el renglón de promedio. Si bien las lecturas presentaban diferencias considerables, de acuerdo al volumen de los objetos utilizados, las consideré aceptables y continuamos. ¿Cuál de las lecturas del dado, por ejemplo, es la incorrecta?, se hizo la discusión. Cada quien argumentaba que la suya era la correcta, que habían trabajado con mucho cuidado ... ¿Y los compañeros de los otros equipos no lo hicieron cuidadosamente? ... Pues si, pero ... ¿Quién puede asegurar que el trabajo de tal equipo es incorrecto? ... empezaron a dudar. Después de una amplia discusión -en la que participé tratando de encauzar el trabajo-, se conluyó que no podía negarse, con toda seguridad, la razón a nadie. Bueno, ¿entonces cómo procederemos? ¿qué resultado consideraremos para cálculos futuros? Nueva discusión, en equipo y en general, nuevas aproximaciones para, después de algunas propuestas como "tomemos la mayor de las lecturas", "no, la que se repite más", llegaron a la conclusión de tomar el promedio (los que no sabían calcularlo

preguntaron y aprendieron). Fue así como se agregó el renglón del promedio. Hicieron nuevas lecturas y las diferencias se redujeron pero siguieron utilizando como resultado confiable el promedio. Recorrimos un proceso semejante al pesar los mismos cuerpos, aunque ya tardamos menos tiempo por la experiencia de los volúmenes. Cuando menos pensé la pregunta que se plantearon fue, ¿por qué siendo de un volumen muy parecido el diablo y la bujía su peso es bastante diferente (55.3 y 40.9 g, respectivamente). Concluyeron que por el material de que estaba hecho cada objeto. Cuando menos pensé ya andábamos resolviendo problemas de peso específico y calculando el peso de otros objetos que llevaron o imaginaron del mismo material que algunos de los nuestros. Nuevas tablas y discusiones. El tema dio para mucho. Cuando alguien preguntó por qué podíamos calcular el volumen de un cuerpo metiéndolo en agua, fuimos a dar al principio de impenetrabilidad. Con las lecturas -inicial y final, para calcular el volumen-llegamos a simbolizarlas de la siguiente manera V =Lf- Li ó V =L2 - L l. Hubo muchas más experiencias que sería demasiado largo relatar. Sólo agregaré que otro tema muy rico, el de proporcionalidad y semejanza, resultó muy interesante. Cuando fuimos a la Plaza de Armas a tomar medidas (se les quedaban viendo por las calles por las cintas de medir que llevaban y las discusiones que hacían, no faltó quien preguntó lo que hacían) para después dibujar su croquis, o el de la cancha de "voli", o el plano de su casa, o calcular el promedio de habitantes por habitación en diferentes casas, etcétera. Todos lo saboreábamos mediante la discusión. ¡Fueron tantas nuestra aventuras! 234

LA INVESTIGACIÓN COMO RECURSO DIDÁCTICO

Otro problema fue el tiempo. Cuando los muchachos agarran el hilo de un tema no se les debe frenar, so pena de que se vayan alejando de la participación. Esta forma de trabajo no resulta si queremos someter los procesos del conocimiento de los muchachos a programaciones rígidas, en las que mecánicamente establecemos los tiempos de cada tema y cerramos oídos y ojos a lo que sucede en el grupo. Esta experiencia pude realizarla debido a los siguientes factores, entre otros: a) trabajaba con un grupo reducido (15 alumnos); b) siempre conté con el apoyo de los directivos de la escuela en la que trabajaba, la "Secundaria Federal Número Uno" de la ciudad de Chihuahua; e) el trabajar en una escuela en prueba operativa nos daba cierto margen de libertad para la experimentación; d) los contenidos y metodología los determiné yo mismo, hecho que incrementó mi interés; e) los quince alumnos que tenía habían escogido tomar esa materia, lo que seguramente indicaba un interés especial en ella. No obstante estoy convencido de que lo realizado puede retomarse para trabajar en condiciones normales. Tal vez el nombre que escogí para este trabajo sea demasiado pretensioso, pero esta experiencia, y las que he realizado en ciencias sociales, me llevan a considerar que las actividades de investigación, aunque sean parciales, cuando se practican como recurso didáctico y no como investigación formal, son sumamente útiles en los procesos de redescubrimiento y construcción del conocimiento. Finalmente quiero hacer un reconocimiento a esos quince muchachos por su trabajo tan hermoso y satisfactorio -en ocasiones nos citábamos en una plaza u otro lugar a horas fuera de su horario y de su tumcr-, y a mi

Comentarios finales Debo expresar que la matemática aplicada resultó muy divertida. Nuestro peregrinar por la escuela y algunos lugares de la ciudad, escasamente relatados en este trabajo, era entretenido para mis alumnos. El llamado método científico fue recorrido una y otra vez sin atender al orden que exponen los libros casi como único (por no decir único). Observamos, experimentamos, nos propusimos hipótesis y redactamos conclusiones para nuestros modestos problemas cada vez que lo consideramos necesario. Estoy convencido de que mis amigos de aventura usaron esos pasos, pero sin ser esclavizados por ellos, ni por un orden determinado en su aplicación. Si usted les pregunta los pasos del "método científico" de memoria tal vez no los reciten pero, insisto, los usaron y con mucho rigor. Otras consecuencias del trabajo desarrollado fueron:· • Un trabajo en equipo efectivo. • Reconocer que no siempre se tiene la razón. • Ejercitar algunos procesos cognoscitivos. • El periódico y los medios de comunicación pueden ser interesantes para los alumnos. • Se puede viajar con la imaginación ... y otras más.

Uno de los grandes problemas que encontré fue la evaluación. Los apuntes eran muy diferentes de un alumno a otro, consideré que las pruebas objetivas (de respuestas cerradas y procedimientos únicos) serían una negación a la libertad que practicaban. Opté por calificarlos mediante pequeños relatos, elaboración de tales, trabajo en clase, intervenciones, etcétera.

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exalumna Norma Leticia Rodríguez, sin cuyo cuaderno habría sido mucho más complicado reconstruir esta experiencia.*

ducta, Año 6, No. 26-27, julio-octubre de 1991, México, pp. 28-36. 5. Galton, Maurice y Moon. Cambiar la escuela, cambiar el curriculum, Martínez Roca, México, 1986.

BIBLIOGRAFÍA

6. SNTE. Siete propuestas de acción para modernizar la escuela primaria, México, 1991.

l. Hamburguer, Jean. Los límites del conocimiento científico, FCE, México, 1986, pp. 9-48. 2. Foucault, Michel. Vigilar y castigar, Siglo XXI, México, pp. 189-198.

7. Piaget, Jean. "La teoría de Piaget" en Piaget and his school, Barbel Inhelder, Harold H. Chipman.

3. SEP. Acuerdo Nacional para la Modernización de la Educación Básica, México, 1992.

8. DIE-CINVESTAV-IPN. Educación básica: la reforma como un proceso integral. Documentos DIE, no. 18, México, 1990.

4. Martínez Olivé, Alba. "De lo que merece aprenderse y de quién va a enseñarlo" en Cero en con-

9. Bassis, Henri. Maestros ¿formar o transformar?, Gedisa, Barcelona, 1982.

* También vaya mi reconocimiento al director y al subdirector de la escuela, Profesores Octavio Hinojosa y Octavio Moriel Armendáriz respectivamente, que apoyaron y soportaron nuestro peregrinar por los anexos de la escuela y nuestras salidas de la misma, sin mayores trabas burocráticas.

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Piaget para químicos. Explicando lo que los "buenos" estudiantes no pueden entender* J. Dudley Herron ]ournal of Chemical Education, número 3, volumen 52.

ualquiera que haya enseñado química a alumnos de primer año en universidad sabe que para un número importante de ellos la materia resulta muy complicada y, en algunos casos, hasta incomprensible -en particular para aquellos que están en cursos cuyo interés principal no es científico. Desafortunadamente, el hecho de que los alumnos tengan tales problemas es mucho más evidente que la causa de dicha dificultad. Este trabajo presenta una hipótesis relacionada con esto último, y sugiere modificaciones en nuestra aproximación a la enseñanza de la química que pueden conducir a una mejor educación de nuestros alumnos. La tesis a desarrollar es que la evidencia que tenemos a la mano sugiere, con mucha fuerza, que un número considerable de estudiantes que entran a la universidad -quizá un 50% en cursos en los que este tipo de materias no son prioritarias- son incapaces de funcionar al nivel intelectual descrito por Piaget como operacional formal. Sin embargo, el contenido de la química y la aproximación que normalmente tomamos al enseñarla requieren que el alumno opere a este nivel operacional formal

* Este trabajo es una modesta revisión de "On Atoros, Love and Providence: Things 'Good' Students Just Can't Undestand", ("Sobre átomos, amor y providencia: cosas que los 'buenos' estudiantes simplemente no pueden comprender") presentado en el 8o. Congreso de la ACS en los Grandes Lagos, Universidad de Purdue,junio 3-5, 1974.

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ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

para entender los conceptos que se le presentan. Antes de discutir lo que significa el pensamiento operacional formal, permítanme contar varias anécdotas para ilustrar este tipo de problemas que, creo yo, se relacionan con esta discusión. El primer incidente ocurrió durante la discusión de un experimento de electrólisis. La pregunta que hice fue que cómo podían estar seguros de que los gases surgían del agua y no del carbonato de sodio que utilizamos como electrolito. Después de todo, el gas no se produjo sino hasta que añadimos el electrolito; ¿por qué no suponer que el electrolito era la fuente del gas? A la mitad de la discusión, un estudiante me miró muy extrañado y dijo: "¿Quiere decir que el agua está desapareciendo y que se está convirtiendo en esos gases que ni siquiera podemos ver? ¿Es eso lo que quiere decir respecto a los gases que salen del agua? ¡No puedo creerlo! ¡No es posible! El agua no se parece nada a esos gases." Otro incidente ocurrió a la mitad del segundo semestre de un curso para estudiantes cuyas materias prioritarias eran de economía. Les había aplicado un examen y los que habían te11ido calificaciones bajas comenzaron a visitarme. Traté de encontrar qué era lo que estaba mal. Les hice preguntas como: "sólo dígame en sus propias palabras, ¿cuál es la diferencia entre lo que representamos como H+, H y H2?"Algunos vincularon el nombre de ion, átomo o molécula con dichas representaciones, sin embargo ninguno de los alumnos que fueron a verme parecía tener idea de la diferencia entre las partículas representadas. "Miren", les decía, "explíquenme lo que este enunciado químico dice:

La mayoría de los estudiantes no tenía la menor idea. En el examen final del curso, menos del 50% de los alumnos comprendió que eri la sal de mesa hay Cl- y no Cl2 -ni siquiera si había alguna diferencia entre ambos.* El tercer "incidente" es una observación general más que un hecho específico. Con los años he observado que para los alumnos cualquier concepto que involucre una razón resulta de extrema dificultad: densidad, velocidad, aceleración, molaridad y velocidad de reacción son algunos ejemplos de este tipo de conceptos. Los alumnos son capaces de memorizar un algoritmo para hacer cálculos numéricos de estas cantidades pero parecen tener tan poca comprensión del concepto que son incapaces de aplicarlo en cualquier problema distinto a los analizados y discutidos en clase. (Por ejemplo, estudiantes que han aprendido a calcular la densidad a partir de datos de masa y volumen son, con frecuencia, incapaces de contestar a una pregunta tan sencilla como: "El agua tiene menor densidad que el ácido sulfúrico. De muestras ~e 1OOg de agua y lOOg de ácido sulfúrico, ¿cuál tendrá mayor volumen?"). Si pensara que los errores en estos conceptos -mejor dicho la falta total de conceptos- se deben solamente a una mala enseñanza, no estaría hablando de ellos. Y, al contrario de lo que muchos otros profesores creen,· no se trata de estudiantes que no ha* En el8o. Congreso de los Grandes Lagos, el Profesor Bassarn Shakhashiri utilizó un ejemplo en el que se ven a) los mismos problemas de comprensión que en Wisconsin. La siguiente parte de la investigación muestra las respuestas obtenidas a la siguiente pregunta en porcentajes entre paréntesis: "De las siguientes especies, ¿cuáles pueden actuaren una solución acuosa como agentes oxidantes?" Fe3+ (53) Cl-(30) NH 3 (7) Na (7) Es muy posible que una gran parte de ese 30% que seleccionó al Cl, no veía ninguna diferencia entre Cl-, Cl y Cl2• 238

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PIAGET PARA QUÍMICOS. ExPliCANDO LO QUE LOS ''BUENOS" ESTUDIANTES NO PUEDEN ENTENDER

considerarse que el 25% de la muestra tenía pensamiento formal completo3 • Los estudios de Elkind, 4 y Tower y Wheatley5 mostraron que sólo el60% de los estudiantes de primer año que fueron examinados creían que el volumen de una bola de plastilina permanecía constante cuando la plastilina se enrollaba en forma de salchicha. Las implicaciones de estos estudios quedarán claras cuando comparemos, más adelante, el funcionamiento intelectual del alumno que está en la etapa operacional concreta de su desarrollo con el del que se encuentra en la etapa formal. Para empezar, es de mucha ayuda recordar que "las operaciones concretas son concretas, relativamente hablando; su actividad estructural y de organización está orientada hacia cosas y hechos concretos del presente inmediato" 6 • El estudiante con pensamiento operacional concreto no piensa en términos de posibilidades y no es capaz de comprender conceptos abstractos que se alejen de la realidad concreta. Por su parte, el estudiante de pensamiento operacional formal "comienza pensando en función de lo que podría ocurrir e imaginando todos los cambios posibles. Es capaz de razonar sin refuerzos visuales" 7 • Puede ser engañoso decir que un estudiante que no ha alcanzado la etapa de las operaciones formales no puede razonar o resolver problemas. Sí puede hacerlo. Pero el punto inicial del alumno en la etapa operacional concreta es siempre lo real, no lo potencial. Su razonamiento siempre se basa en observaciones reales y se limita a extrapolaciones de su experiencia sensorial. N o esboza todas las posibilidades ni cree que lo observado sea sólo un caso especial de lo posible. Debido a que hasta los individuos que han desarrollado el nivel de las operacio-

gan ningún esfuerzo por aprender. Se trata de "buenos" estudiantes que hacen esfuerzos conscientes por comprenderlos. Sin embargo, no pueden entender ideas abstractas como las de átomos, moléculas y gases ideales. ¿Son simplemente "tontos"? Sí lo creo. Pero no en el mismo sentido que damos comúnmente al decir que una persona es "tonta" o "estúpida". Creo que se trata de estudiantes que no se han desarrollado intelectualmente hasta el nivel de las operaciones formales. Algunos estarán familiarizados con el trabajo del psicólogo suizo, Jean Piaget. Para los que no lo estén, los tres párrafos siguientes bastarán para poner las cosas en perspectiva. Piaget describe el desarrollo intelectual en términos de cuatro etapas: sensorialmotriz, pre-operacional, operacional concreta y operacional formal. Según Piaget, se espera que los alumnos entren a la etapa de pensamiento operacional formal alrededor de los doce años y que terminen su desarrollo intelectual básico como a los quince. Desafortunadamente, la evidencia proveniente de un gran número de estudiantes contradice lo anterior. Lovell examinó a varios estudiantes en Inglaterra y encontró que sólo del23 al37% de una muestra formada por 39 alumnos del colegio de gramática, 10 estudiantes del de enseñanza y 3 adultos mostraron tener pensamiento formal. 1 En un estudio hecho por Dale, en Australia, sólo el25% de los estudiantes de quince años de su muestra fue capaz de resolver en su totalidad un problema diseñado para medir el pensamiento formal.2 Un estudio muy conocido, que se llevó a cabo hace algunos años en la Universidad de Oklahoma, indica que el 50% de los estudiantes recién ingesados a la universidad funcionaba al nivel operacional concreto de Piaget, y solamente podía

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ción dada. Uno de los ejercicios que se utines formales normalmente regresan al penlizan para distinguir entre individuos con samiento operacional concreto cuando se encuentran en condiciones con las que no pensamiento formal y concreto es el de poner cuatro botellas numeradas llenas de están familiarizados, es importante dar alsoluciones incoloras (las soluciones son gunos ejemplos que nos ayuden a aclarar ácido sulfúrico diluido, "agua oxigenada", las distinciones que debemos hacer. agua pura y tiosulfato de sodio) y una boUna diferencia entre el pensamiento opetella con gotero llena de una solución llaracional concreto y el formal es que el primada "g" (yoduro de potasio). Se pide al mero funciona en términos de la experiencia estudiante que "utilice el contenido de las concreta, mientras que las mismas operabotellas numeradas para obtener un color ciones lógicas aplicadas a las abstraccioamarillo cuando se les añada 'g"'. El prones serían características del pensamiento operacional formal. Por ejemplo, un estu- , cedimiento seguido por los estudiantes en el nivel operacional concreto es de ensadiante que opera al nivel operacional conyo-error; no todas las combinaciones pocreto puede contestar de forma correcta la sibles son examinadas -de hecho, parece siguiente pregunta: "¿tenemos más esferas que el sujeto no es capaz de identificar las verdes o más esferas de plástico?", después combinaciones posibles. En oposición, el de haber visto cómo el maestro colocaba procedimiento seguido por los que tienen esferas de plástico blancas y verdes en una pensamiento formal es sistemático; las comcaja. Sin embargo, sólo aquellos estudianbinaciones posibles son eliminadas siguientes que operen en el nivel formal respondo cierto orden. derán correctamente cuando el profesor les Una tercera característica de las operadiga: "algunas de las moléculas en la solución son azules". Un alumno dirá: "entonciones formales es el reconocimiento de la necesidad de la lógica: "que todas las otras ces todas las moléculas son azules". Otro cosas sean iguales". Esto puede ilustrarse comentará: "algunas de las moléculas son azules", y un tercer alumno dirá: "Ninguna por otro ejercicio utilizado para determinar si los estudiantes funcionan al nivel de las moléculas es azul". operacional formal. En el ejercicio de las De forma similar, los alumnos que opevarillas flexibles se dan al alumno pesas ran a nivel concreto pueden ordenar con y varillas de metal que varían en su longifacilidad un grupo de palillos desde el de tud, sección transversal y composición. Se mt1nor longitud al de mayor. Sin embargo, cuando se les dice, "Bill es más alto que le pide que encuentre los factores que afecJohn; Bill es más bajo que James; ¿quién es tan el grado en el que las varillas se doblan. La respuesta típica del pensamiento conel más alto de los tres?", sólo aquellos escreto es que el estudiante cuelgue pesas tudiantes que hayan comenzado a utilizar iguales en una varilla gruesa y corta y en las operaciones formales podrán responder una larga y delgada para "probar" que "la correctamente. Una vez que se alcanza el nivel de las larga se dobla más". Momentos después operaciones formales, los sujetos comienpuede usar los mismos materiales para zan a pensar en función de posibilidades y "probar" que "las varillas delgadas se doson capaces de considerar de forma sisteblan más". Sin embargo, el estudiante de mática todas las alternativas en una situapensamiento formal "controla las varia240

PIAGET PARA QUÍMICOS. ExPliCANDO LO QUE LOS ''BUENOS" ESTUDIANIES NO PUEDEN ENrENDER

miento formal? Yo creo que una gran proporción -y no soy el único. En un trabajo que discutía el nivel de pensamiento necesario para contestar correctamente algunas preguntas científicas, Robert Karplus comenta9:

bles"; en otras palabras, tiene la necésidad de que "todas las otras cosas sean iguales" antes de llegar a alguna conclusión sobre el efecto de alguna variable manipulable sobre la distorsión de la varilla. Aunque existen otras diferencias entre el pensamiento formal y el concreto, consideramos que con las desarrolladas es suficiente para el objetivo que pretendemos. Con base en el modelo de Piaget sobre el desarrollo intelectual, Lawson8 ha sugerido que existen ciertos conceptos comprensibles para los estudiantes que todavía siguen en la etapa de desarrollo operacional concreto, mientras que otros sólo los comprenden los alumnos que han alcanzado el nivel de las operaciones formales. Lawson ha mostrado que existe una relación directa entre el aprendizaje de conceptos formales y el nivel de desarrollo intelectual descrito por Piaget. La gráfica muestra el porcentaje de preguntas conceptuales concretas y formales que fueron contestadas por los estudiantes de preparatoria en diferentes etapas de su desarrollo intelectual. Es de particular interés el hecho de que ninguna pregunta de conceptos formales fue contestada correctamente por ningún estudiante que no hubiera llegado al nivel que Lawson llamó "post~concreto" (un nivel de transición entre el pensamiento concreto y el formal). Aún más, sólo aquellos estudiantes que mostraron evidencia de un desarrollo sustancial del pensamiento formal (más allá del nivel lilA de Piaget) fueron capaces de contestar la mitad de las preguntas de conceptos formales (los porcentajes en la gráfica son menores, ya que fueron corregidos cuando el alumno contestó adivinando). Todavía podríamos preguntarnos, ¿dónde está el problema?, ¿qué tanto de lo que enseñamos en química requiere del pensa-

Me quedé verdaderamente sorprendido cuando analicé ocho exámenes de biología hechos por diferentes profesores y no pude encontrar preguntas que, según mi punto de vista, requerían del pensamiento formal ... [sin embargo, en química] encontré problemas que requerían del pensamiento formal en todas partes. Tuve dificultad en encontrar ejercicios que pudieran ser resueltos en el nivel concreto y que no dependieran del recuerdo de hechos concernientes con las propiedades de elementos y compuestos específicos.

Sin intentar ser exhaustivo, he incluido los ejemplos de actividades que normalmente se esperan de los estudiantes de primer año de química que, según yo, pueden ser desempeñadas por estudiantes que no estén en la etapa de desarrollo formal y los he contrastado con las descripciones de actividades relacionadas que creo requerirían del pensamiento formal. (Tabla 1). Al ver la lista que preparé, estoy cada vez más consciente de que tiendo a enfatizar aquellas actividades que están en la columna de lo que "no pueden hacer". Me molestaba cada vez que ponía en un examen un ejercicio que requería solamente de repetición mecánica. Si mi juicio es correcto, se podría predecir que el éxito en uno de mis cursos de química se relacionaría sustancialmente con el desarrollo intelectual medido en las pruebas de Piaget. El semestre pasado se seleccionó una muestra al azar de 20 estudiantes de los que se inscribieron en el curso que yo supervisaba. Diecisiete alumnos de la muestra pudieron ser examinados con varios ejercicios de Piaget, aplicados por tres es241

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menos aceptación que el "entonces". Mi colega Derek Davenport se ha referido a los mismos problemas que me preocupan a mí, pero nos hemos aproximado a ellos desde perspectivas muy distintas. Para citar a Derek: "Bajo la corriente llamada postSputnik, el contenido de los cursos de química ha cambiado dramáticamente. Esto fue bueno, ya que habíamos acumulado demasiado material inútil. Al mismo tiempo, el nivel intelectual fue elevado hasta el punto en el cual los estudiantes promedio (además de muchos de los mejores) se encontraban con frecuencia fuera de la realidad. Hechos desconocidos se explicaban en función de teorías de lo inescrutable y los resultados fueron diferentes grados de caos. Como la reina de corazones, uno tenía que correr con rapidez para permanecer en el mismo lugar, y dos veces más rápido para mantenerse a la vanguardia" .12 (Las cursivas son mías.) En el mismo grado en el que los cambios observados en la enseñanza de la química se han dirigido hacia la explicación de los hechos químicos que los estudiantes no pueden experimentar en función de la teoría de lo inescrutable, hemos hecho que la ciencia sea más difícil para aquellos "buenos" estudiantes que no son capaces de comprender las abstracciones. En mi opinión, una gran parte de la química es abstracciones. La tentación de regresar a un curso basado en la memorización ciega de un catálogo de hechos químicos descriptivos me parece tan repugnante como la idea de continuar los cursos con base en la memorización mecánica de la teoría de lo inescrutable. Creo que la alternativa es reconocer porqué la teoría es inescrutable; esto es, reconocer que una enorme porción de nuestros alumnos opera bajo el nivel formal y aproximarnos a la enseñanza de la

tudiantes graduados en educación científica. Los resultados de estos ejercicios fueron relacionados con los puntos obtenidos en el curso utilizando la relación producto-momento de Pearson. La mejor estimación de la correlación obtenida fue 0.8 10• No sabemos hasta qué punto esta relación se mantendrá en otros cursos de química, pero creo que no variará mucho. Como parte del trabajo que hicimos el semestre pasado, 33 estudiantes de primer año de varios cursos fueron examinados con la misma selección de ejercicios de Piaget, y los resultados de esta selección fueron comparados con los resultados de un examen de colocación de química que había sido aplicado el semestre anterior. Desafortunadamente, los alumnos de esta muestra no fueron representativos de los estudiantes de las clases de química; una gran proporción de los mismos se encontraba entre los mejores estudiantes. La restricción en el rango de esta muestra, además del intervalo de tiempo entre la aplicación del examen de colocación de química y las pruebas de Piaget deberían resultar en un estimado obtenido de correlación menor al que existe realmente entre las dos medidas. Sin embargo, la correlación fue sustancial en 0.7 11 • Es decir, la evidencia que tenemos sugiere con fuerza que un número importante de alumnos de recién ingreso a la universidad no funciona a nivel formal --quizá el 50% en los cursos de primer año de áreas no científicas-, aunque el contenido de la química y la aproximación que normalmente tenemos al enseñarla requieren que el alumno opere a nivel formal para poder entender los conceptos que se le presentan. Si esta suposición es correcta entonces tenemos, claramente, un problema. Creo que el "sí'' de esta proposición tiene 242

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química de tal forma que esquivemos el · aquí es al aprendizaje con significado, no a la memorización mecánica. problema o lo superemos. Podríamos esHe sugerido -y creo- que los conceptos quivarlo si hiciéramos que lo que estamos formales no son en realidad accesibles para tratando de enseñar fuera accesible para los estudiantes que no poseen pensamienlos estudiantes que no son pensadores forto formal, pero creo que podemos hacer males, y podríamos superarlo si impulsáraque los estudiantes con nivel concreto admos y ayudáramos a los estudiantes a quieran conceptos sustitutos en lugar de los adquirir el pensamiento formal. Quisiera conceptos reales, que les permitan maneahora referirme a estas posibilidades. Permítame describir lo que significa hajar muchos (no todos) de los problemas que les presentamos, y que hagan, después, el cer que el contenido sea accesible para un cambio de los conceptos sustitutos a los estudiante concreto. En la tabla1 sugerí que reales con facilidad. Creo que la solución el concepto de ácido como algo que cames proporcionar muchas experiencias con biará el papel tornasol a color rojo es un refuerzos concretos que sean modelos de concepto concreto. El significado del concepto es aprehendido con facilidad a partir los conceptos abstractos. Algunos ya hacemos esto, pero no en cantidad suficiende la observación sensorial y requiere hate. En el caso del concepto de ácido, por bilidades de clasificación muy simples. Pero también sugerí que los conceptos de ácido ejemplo, creo que sería muy bueno hacer uso extensivo de nuestros modelos físicos como algo que produce iones de hidrógey mostrar a los estudiantes, por ejemplo, no en solución acuosa (Arrhenius), como un donador de protones (Bronsted-Lowry), una pelota que represente un protón sieno como un aceptor de pares de electrones do retirado de un sustrato ácido. El mo(Lewis) eran conceptos formales. Estos sigdelo es concreto y el estudiante puede nificados de ácido no pueden hacerse claimaginar el proceso que se describe en funros directamente a través de los sentidos, ción del mismo. ya que no hay forma de sentir los pares de Además de modelos físicos que puedan ser manejados por los alumnos, podemos electrones o los protones. Más bien, este concepto de ácido sólo puede tener signiutilizar películas que les proporcionen ficado por medio de la imaginación o del modelos macroscópicos de sistemas mipensamiento lógico sobre la naturaleza de croscópicos. Algunos ejemplos pueden enlas moléculas que interactúan. contrarse en las películas de chem Study: Antes de continuar, quiero llamar la la utilización del tanque ondulatorio (ripple atención hacia aquellos de ustedes que estank) para demostrar los patrones de intertán pensando: "¡Huy! Yo no tengo proferencia en Los cristales y su estructura, el blemas al enseñar las teorías de ácidos y uso de modelos moleculares para demostrar la adsorción de la energía de onda en bases de Bronsted-Lowry o de Lewis." Antes de que lleguen demasiado rápido a Espectroscopía molecular y la animación utilizada para describir el comportamiento esa conclusión asegúrense de que los esmolecular en Introducción a la cinética de tudiantes que han "aprendido" estos conlas reacciones. Quizá sea cierto que el conceptos no estén simplemente repitiendo cepto desarrollado por el alumno cuando las palabras sin aprehender el significave este tipo de modelos no es exactamente do de las mismas. A lo que me refiero

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el concepto que se le trata de enseñar, pero es una aproximación razonable que tendrá una gran utilidad cuando se le pida resolver diferentes problemas. N o se necesita mucha imaginación para ver que las posibilidades de utilizar modelos físicos con objeto de dar significado a conceptos abstractos de la química son muchas. Sin embargo, el instructor (quien debe tener pensamiento formal) sí debe tener imaginación para darse cuenta de que el tiempo y el esfuerzo necesarios para jugar con pelotas y palillos, además del necesario para que los estudiantes lo hagan, serán fructíferos. Por lo menos, existe una evidencia que muestra cómo el tiempo extra resulta de provecho, a menos que se trate de ejercicios en los que los alumnos tengan que aprender de memoria cierta información. En un estudio realizado en West Virginia, se encontró que los alumnos a quienes se pedía construir modelos físicos que representaran los reactivos y los productos de cada ecuación discutida en clase obtenían mejores calificaciones (24% más altas) en todos sus exámenes del semestre, que las que obtenían estudiantes que no trabajaron con esos modelos 13 • Debe mencionarse que sólo en los casos en los que se consideraban preguntas de memorización, los estudiantes que no utilizaron los modelos tuvieron un desempeño ligeramente mejor (5%), pero, en las preguntas en las que se veía involucrado el pensamiento formal, los alumnos que utilizaron los modelos tuvieron calificaciones del30 al65% mejores. En un examen de retención aplicado a estudiantes que continuaron el curso durante el semestre siguiente, la diferencia entre los dos grupos fue, en esencia, la misma. Existen otras estrategias que pueden utilizarse en la enseñanza de la química y que

hacen más accesibles los contenidos de la materia a los estudiantes que todavía no tienen un pensamiento formal completo. Ciertos conceptos pueden ser presentados de diferentes formas y, en algunos casos, una presentación requiere mayor pensamiento formal que otra. Como ejemplo diré que la exposición de la oxidación y reduc.,. ción como una pérdida o ganancia de electrones exige del pensamiento formal; en cambio la presentación de la oxidación y reducción en términos de una pérdida y ganancia del número de oxidación sólo requiere del pensamiento concreto. Superficialmente esto podría parecer ridículo, ya que ambas definiciones del concepto se basan en cierta pérdida o gan,ancia. Pero, consideremos que el número de oxidación se presenta como una herramienta de contabilidad con la cual el alumno aprende una serie de reglas que se aplican fácilmente para encontrar el número de oxidación de un átomo y, así, el cambio del mismo. No es necesario que el estudiante imagine nada sobre la naturaleza de los átomo~ (que con toda seguridad no son nada concretos) para que pueda aplicar las reglas de balanceo de ecuaciones por oxidación y reducción, ni que llegue a ninguna de las conclusiones a las que normalmente queremos llegar en nuestros cursos. Aún más, al explicar oxidación y reducción de esta manera, no interferimos con la posterior asociación de la oxidación con la pérdida de electrones cuando -digamos en la unidad de electroquímica- el alumno haga ciertas observaciones concretas que puedan ser extrapoladas con facilidad hasta la conclusión de que el aumento del número de oxidación de un átomo puede ser el resultado de la pérdida de electrones. La comprensión de la oxidación en términos de la pérdida de electrones requiere imaginar lo que nun-

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ca se ha visto así como comprender un sistema deductivo postulatorio, llamado teoría atómica. Por lo tanto, me parece que este concepto de oxidación solamente puede ser comprendido por estudiantes que tengan pensamiento operacional formal. La utilización de factores de conversión (a veces llamada análisis dimensional o análisis de unidades) para resolver problemas en química es muy común porque los maestros que la han usado encuentran que funciona muy bien, a diferencia del procedimiento que utiliza razones y proporciones, las cuales resultan muy confusas para los alumnos. Para que un alumno aplique, consistente y correctamente, el método de razón-proporción a problemas químicos, debe ser capaz de pensar formalmente. Debido a que todos los problemas estequiométricos involucran los conceptos de razones y proporciones, estoy convencido de que cualquier estudiante que comprenda todo lo que está pasando debe operar a nivel formal, sin importar si resuelve o no el problema. El método de los factores de conversión es un procedimiento casi infalible para resolver problemas estequiométricos correctamente sin necesidad del pensamiento formal. Aún más -y creo que esto es importante- el procedimiento organiza los datos químicos en el problema de tal forma que puede llevar al estudiante a ver el razonamiento que caracteriza a la solución. No interfiere con la percepción de las relaciones lógicas que la ecuación implica y que se asumieron para la solución del problema. Estoy convencido de que podemos identificar otros temas de química que se presentan normalmente de una manera que requiere el pensamiento formal, pero que podrían presentarse como facsímiles razonables de la idea, accesibles para aque-

llos estudiantes que no han llegado al nivel de las operaciones formales. También creo que es erróneo pensar que alguien que no tenga pensamiento formal puede "comprender" la química. La química, y casi toda la ciencia, es formal por naturaleza. Una vez reconocido esto, no podemos seguir eludiendo nuestra responsabilidad en el desarrollo del pensamiento formal. Dado que Piaget sugiere que los alumnos deben desarrollar el pensamiento formal a la edad de quince años, y ya que sabemos que mucha gente lo hace, ¿por qué entonces sólo la mitad de los estudiantes de materias no-científicas de las universidades no tiene pensamiento operacional formal? Una posible explicación -que además no debería ser ignorada- es la herencia genética. Sin embargo, existen varias observaciones que sugieren otras razones. (Por ejemplo, que en comparación con las muchachas una mayor proporción de jóvenes varones tiene pensamiento formal). Algunos estudios muestran que la educación puede conducir al mejoramiento del pensamiento formaP Nos encontramos en 7 el nivel explicativo de investigación en esta área, pero algunas cuestiones saltan a la vista. Primero, la inserción de la experiencia concreta -esto es, de oportunidades de tocar, oler, ver y manipular materiales que llevarán a un concepto- parece ser muy importante. Sin embargo, las experiencias concretas no son particularmente útiles si lo único que hace el alumno es tocar, oler, ver y manipular sin esforzarse en pensar en lo que está haciendo. Como esto es lo que ocurre generalmente en el laboratorio, no sirve de nada. Al parecer, las experiencias educativas que estimulan el debate intelectual de ideas, el análisis de las e videncias y el énfasis· en "dar sentido" a los hechos observados son las que conducen

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al desarrollo del pensamiento formal. Pero estas experiencias educativas consumen tiempo, exigen una gran interacción entre los estudiantes, o entre éstos y sus maestros, que suelen ser frustrantes para ambos. Los alumnos que no han llegado al nivel de operaciones formales encuentran dichas experiencias tan frustrantes que prefieren renunciar a ellas. De todas formas, seguramente el instructor pensará que son demasiado "tontos" para comprender el material. Si se trata de una de sus materias principales, el estudiante reprobará. Si el curso es para alumnos con especialidad en educación elemental, enfermería o economía, se asume que estas personas son demasiado "tontas" o que no tienen ningún interés para entender la química; por lo tanto, el curso se diseñará con base en la memorización de información que apenas tiene sentido para el estudiante. Si éste hace un esfuerzo considerable y se las arregla para recordar una buena proporción del material memorizado sin confundirlo demasiado, entonces se le da el beneficio de la duda y se le aprueba. Parecería que nos encontramos en un carrusel: presentamos el material a un nivel abstracto, con pocos refuerzos concretos, para que ni siquiera los mejores estudiantes lo comprendan; debido a que los estudiantes son intelectualmente incapaces de entender las ideas, memorizan

mecánicamente; aplicamos un examen en el cual descubrimos que sólo aprendieron lo que pudieron memorizar; concluimos que los estudiantes no pueden pensar, así que mejor únicamente les enseñamos lo que pueden memorizar; debido a que limitamos nuestra enseñanza a lo que involucra memorización mecánica, los estudiantes nunca son forzados a desarrollar su pensamiento hasta el nivel de las operaciones formales; debido a que no desarrollan el nivel de pensamiento formal, no pueden comprender el material abstracto que se les presenta... Creo que la enseñanza de la química a estudiantes de áreas no científicas podrá progresar considerablemente cuando reconozcamos el gran número de ideas de la química que se presentan de manera que requieren del pensamiento formal aun cuando, así, se obtenga una comprensión aproximada del concepto. Podríamos buscar aproximaciones alternativas a estas ideas que se basaran menos en operaciones formales. Sin embargo, ya que la ciencia es por naturaleza formal, debemos también hacer un esfuerzo consciente para aumentar el desarrollo intelectual de nuestros estudiantes. No podemos suponer que los "buenos" estudiantes tengan pensamiento formal, pero sí podemos ayudarlos a que se conviertan en alumnos que lo posean.

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Enseñar seguridad es enseñar química Rosa Maria Catalá y José Antonio Chamizo Educación Química, número 3, volumen 4, 1993.

nseñar seguridad en los laboratorios de química es un ejercicio que los profesores de enseñanza experimental debemos considerar más seriamente cada día. Como se ha puesto de manifiesto en la columna "Safety in the Chemical Laboratory" aparecida por años en el Journal ofChemical Education, tanto en las medidas primarias de protección personal, como en el correcto almacenaje de reactivos, están in1plícitos numerosos conceptos de química, aprovechables, desde los primeros cursos para la enseñanza integral de los alumnos. Para algunos, el manejo ·seguro de productos químicos sería tal vez lo único que se debería enseñar (Chewprecha, 1992). En este artículo presentamos los aspectos básicos de seguridad que deben encontrarse a la mano en todo curso de quúnica experimental, resaltando en particular el caso del bachillerato; con el que hemos trabajado exitosamente bajo un nuevo sistema de organización durante los dos últimos periodos escolares (Catalá, 1990). La idea básica, como el título lo indica, es ENSEÑAR SEGURIDAD ENSEÑANDO Y REAFIRMANDO ASPECTOS DE QUÍMICA BÁSICA. Para esto, se han desarrollado una serie de tres tablas, presentes en el laboratorio para su consulta rápida, que contemplan tres aspectos de vital importancia en el trabajo diario del laboratorio: l. Almacenaje seguro de reactivos II. Desecho seguro de reactivos y residuos químicos III. Tratamiento de accidentes químicos

ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

l. Almacenaje seguro de reactivos

. ... - -·--------·--___ ------------_·---···ACETONE

El almacenaje de los reactivos debe ser práctico y seguro en cualquier laboratorio. Por tradición, la forma más común de almacenamiento ha sido la de guardar los reactivos por orden alfabético, sin considerar su naturaleza química. Pero vemos que este método puede -y de hecho logra algunas combinaciones peligrosas al colocar un reactivo junto a otro. Por ejemplo, pequeñas cantidades de ácido acético catalizan la reacción de polimerización del

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Figura 2. Etiquetas para acetona según los diferentes sistemas descritos en la figura 1, (a) DOT, (b) ANSI, (e) HMIS y (d) NFPA.

acetaldehído, con liberación de grandes cantidades de calor; asimismo, el sulfato cúprico con el clorato de cadmio explotan al contacto. Con el fin de evitar estas o muchas otras situaciones peligrosas hemos clasificado y realmacenado nuestros reactivos, separándolos en categorías químicas de acuerdo con su reactividad, no sólo entre ellos, sino considerando como aspecto principal su interacción nociva con seres humanos. Para diferenciarlos entre sí, hemos utilizado etiquetas de distintos colores, código que, bajo previa consulta en una tabla accesible a todos los que trabajan en el laboratorio, se comprende rápidamente y acaba por volverse familiar para profesores y alumnos. Cabe mencionar que existen actualmente diferentes métodos de clasificación toxicológica y reactiva de compuestos

Figura l. Sistemas comerciales de etiquetado.

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ENSEÑAR SEGURIDAD ES ENSEÑAR QUÍMICA

Observamos que la separación se hace claramente con base en las propiedades químico-toxicológicas de cada sustancia, lo cual es un recurso nemotécnico importante, tanto para alumnos como profesores: conocer las características de un reactivo repercute directamente en el mejor y más rápido desempeño de su trabajo, y más trascendente aún, repercute sobre su seguridad (Chemistry, 1988).

químicos, la mayoría de ellos desarrollados por los propios fabricantes y adoptadas posteriormente por entidades federativas, principalmente en los Estados Unidos. Estos sistemas, que aparecen generalmente en las etiquetas de los reactivos, son sumamente útiles y aportan numerosa información sobre los mismos, lo cual hemos también tomado en cuenta para nuestra clasificación (figuras 1 y 2), (Wood, 1991). En nuestra clasificación en el laboratorio de bachillerato, de acuerdo con la lista oficial de reactivos recomendada por la UNAM, identificamos cinco tipos de compuestos, los cuales almacenamos ahora en gavetas separadas: l. Tóxicos etiqueta azul 11. Inflamables etiqueta roja 111. Oxidantes etiqueta amarilla IV. Corrosivos etiqueta blanca V. Sin problemas etiqueta verde de almacenaje

Figura 4. Ejemplos del uso de la tabla para desechos de reactivos químicos.

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ENSEÑANZA DE L4 QUÍMICA

Las propiedades físicas y químicas de los compuestos, y principalmente su reactividad y toxicidad, son aspectos indispensables en la discriminación y elección de formas adecuadas para desecharlos después de realizar un experimento dado. La clasificación es ahora más diversa, debido a que la interacción entre compuestos es directa, y por lo tanto, mucho más riesgosaque en el almacenaje. En el laboratorio de bachillerato, se detectan 19 tipos de sustancias que se organizan en un código de letras de la A a la T, de acuerdo a las propiedades ya mencionadas (figura 3). Cada uno de los tipos de sustancias en la lista, aparece en la tabla con una reacción tipo que ejemplifica su desecho. A pesar de que la clasificación es muy extensa, los métodos generales de desecho son cuatro, cada uno a su vez codificado por un color de fondo en la descripción de la técnica particular. Estos cuatro métodos generales son: l. neutralización y arrastre en tarja 2. combustión y evaporación 3. neutralización y· enterrado en campo 4. disolventes (en volumen mayor que un litro).

Figura 5. Enterrado de productos tóxicos en el Colegio Madrid, de acuerdo con las recomendaciones de la American Chemical Society (ACS, 1985) (Catalá, 1992).

II. Desecho seguro de reactivos y

desechos químicos 1

En muchbs de los laboratorios de química del mundo, y en particular en los de enseñanza media superior, la eliminación de desechos no se considera un tema de importancia. Gramos, y hasta kilogramos de sustancias nocivas y químicamente activas, se desechan diariamente en las tarjas y tuberías de los laboratorios. Hoy en día, con un ambiente tan deteriorado, no es posible sostener esta situación. En términos de enseñanza proponemos un sistema rápido y operativo, nuevamente a través del uso de una tabla presente en el laboratorio, para consulta rápida de los usuarios. Dado que las opciones de desecho no son siempre obvias, se requiere implantar ciertas técnicas y adaptar ciertos procedimientos y áreas para una correcta eliminación de las sustancias de desecho. Aquí hemos adaptado a nuestras circunstancias procedimientos descritos anteriormente (Flinn, 1991).

Figura 6. Clasificación de los productos químicos para el tratamiento de accidentes.

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ENSEÑAR SEGURIDAD ES ENSEÑAR QUÍMICA

El método general 4 que corresponde a la descripción de DISOLVENTES EN VOLÚMENES MAYORES QUE UN LITRO, se aplica a todos los disolventes orgánicos que se acumulen en el laboratorio, ya sea con residuos o no. En este caso, el método sugiere almacenarlos en garrafones. para su recuperación o incineración por parte de alguna institución, industria o dependencia adecuadas, ya que no se recomienda hacer combustiones de volúmenes tan elevados.

III. Tratamiento de accidentes químicos Finalmente, con base en los efectos de los reactivos en humanos, las sustancias presentes en un laboratorio tipo, se dividen en 14 grupos, como se muestra en la figura 6. Se presentan cuatro situaciones posibles en un accidente químico (Lefevre, 1989): l. Inhalación 2. Ingestión 3. Daño en piel 4. Daño en ojos Cada una de estas situaciones tiene un tratamiento general aplicable, independientemente del tipo de sustancia de que se trate. La clasificación se basa entonces en los tipos de síntomas que se tienen con la intoxicación, y la forma de detectar rápidamente el tratamiento, es nuevamente bajo el uso de un código de colores. Además de los métodos generales ya descritos se indican los síntomas que se presentan cuando se entra en contacto con los catorce tipos de sustancias químicas. Se indican también las excepciones a los métodos generales, mismas que deben tomarse muy en cuenta para no proceder de forma errónea. En este caso, se da prioridad a la descripción del procedimiento que

Figura 7. Ejemplo de uno de los procedimientos generales en caso de accidentes.

debe seguirse en lugar de describir los síntomas con detalle. La presencia permanente de la tabla en el laboratorio facilita su consulta para cualquier persona en caso de emergencia.

IV. Yluego, ¿qué? Todos los aspectos relacionados con la seguridad en los laboratorios de química no sirven si el maestro no es un modelo a seguir. Aquí, como en otras actividades educativas, se predica con el ejemplo. Por ello antes de implantar todas las disposiciones que hemos discutido, se llevó a cabo un curso-taller ep el que participaron todos los maestros de laboratorio del colegio, desde preescolar hasta preparatoria. Muchos

Figura 8. Clasificación de algunos reactivos químicos presentes en la gaveta 1 (productos tóxicos, etiqueta azul).

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ENSEÑANZA DE L4 QUÍMICA

Chemistry, "Safety in the High School" special number 1988.

de ellos, educadores, normalistas, biólogos y físicos aprendieron química, aprendiendo seguridad. (Ver anexo).

Chewprecha T., Chemical Education for Primary and Lower Secondary Pupils, Twelfth Intemational Conference on Chemical Education, Bangkok 1992.

REFERENCIAS

Flinn Chemical catalog reference manual, Batavia, 1991.

ACS Less is better. Laboratory chemical management for waste reduction, American Chemical Society, Washington 1985.

Lefevre, M.J., First A id Manual for Chemical Accidents, Van Nostrand Reinhold, Nueva York, 1989.

Catalá R.M. y Chamizo J.A. X Congreso Nacional de Educación Química, Monterrey 1990.

Wood C.G. Safety in School Science Labs, J. Weston Walch Publisher, Portland, 1991.

Catalá R.M., Nosotros ahora, 1992, 27, 10.

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Química en secundaria Fedro Carlos Guillén Educación Química, número 3,

volumen 4, 1993.

- ¡Usen la cabeza por favor!, ¿quién me dice qué es el átomo? Nuevamente, silencio. - A ver tú, Rodrigo, dinos qué es el átomo. Rodrigo se levanta de su asiento y recita obediente: - "El átomo es la menor cantidad de materia que puede existir libre y se comporta como individuo (unidad indivisa) en las reacciones químicas" (Castellanos, 1988).

El maestro suspira satisfecho, pone un punto en el renglón correspondiente al alumno Leal y exclama sonriente: - ¿Ya lo ven? Continuamos con configuración electrónica.

La pregunta salta como un conejo: ¿de qué se ríe el maestro? Podemos conjeturar que supone que la recitación del niño Leal es una muestra evidente e indiscutible de las bondades de su técnica educativa, premisa desde luego falsa. Con esta pequeña alegoría que, me parece, ilustra un hábito más que una excepción, quisiera introducir mi participación en este debate. La enseñanza de la ciencia en nuestro país, salvo excepciones invisibles para efectos prácticos, se ha enmarcado dentro de un esquema institucional caracterizado por su notable falta de flexibilidad. (No en balde los inspectores de enseñanza media utilizan como único criterio evaluatorio el cumplimiento irrestricto de lo programado.) Existe una visión propedeútica de la ciencia en la que simplemente se prepara al estudiante

ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

tífica puede ofrecer beneficios que tradicionalmente no han sido reconocidos; la ciencia es -resulta muy importante subrayarlo- una actividad social que incorpora durante su ejercicio valores y actitudes. Su práctica y el aprendizaje de sus métodos propician la aplicación de elementos comp la integridad, la diligencia y la imparcialidad. Aspectos de tanto valor como la curiosidad y la apertura a nuevas ideas son estimulados a través del contacto con la ciencia. Por otro lado, es necesario vincular a la ciencia con los procesos sociales y productivos, esto reitera las demandas de contextualización tan frecuentes en los campos de investigación educativa. Sin embargo, el análisis de la enseñanza de la ciencia nos indica que esta reiteración es necesaria. El planteamiento educativo debería privilegiar la promoción de habilidades y valores por sobre los contenidos, los cuales se articularían como medios para lograr este objetivo. Por supuesto, el concebir cada uno de los temas, no es un problema trivial, cada contenido es un estimulador potencial de vocaciones tempranas, de conductas ambientales armónicas o de un conocimiento elemental de las leyes que rigen a la naturaleza. Sin embargo, los planteamientos educativos institucionales descargan sobre el infortunado estudiante una cantidad compulsiva de información que, por supuesto, sirve para muy poco. Sería interesante (y esta es una sugerencia) que se realizara un estudio acerca de los conceptos significativos que un alumno de secundaria ha adquirido a lo largo de tres años; no me parece arriesgado especular que el resultado sería un ramillete de pobreza alarmante. Es en el contexto anterior que considero debe analizarse la propuesta de la Se-

para un curso universitario que, desde luego, nunca elegirá. Como lo primero es lo primero, deberíamos preguntar: ¿Cuál es el objeto del quehacer científico? Muchas respuestas pueden ser sugeridas: el avance de la humanidad o el conocimiento de los mecanismos que rigen la acción de la materia, o la no menos importante capacidad de responder a la curiosidad esencial del hombre. Sin embargo, estas características que en el mundo de la investigación tienen un gran valor, diluyen notablemente su importancia en el ámbito escolar. Tradicionalmente, el proyecto educativo ha sido incapaz de distinguir las diferencias entre las características de los procesos de investigación científica y aquéllos propios de la enseñanza de la ciencia. Esta no es una distinción trivial, ya que el diseño curricular de los contenidos científicos ha tenido generalmente un caracter propedeútico. La ciencia persigue el conocimiento; la enseñanza de la ciencia no comparte este propósito de manera necesaria. El laboratorio, por ejemplo, es un lugar donde el científico debe buscar respuestas. El estudiante de ciencia, en claro contraste, debería enfocarlo como un espacio para formularse preguntas. Sin embargo, las propuestas escolares generalmente recrean un esquema en el que el maestro presenta una teoría y luego se dirige al laboratorio a confirmarla. El dinamismo o la posibilidad de interacción con las inquietudes del estudiante son buenos propósitos. Nada más. La ciencia posee características inherentes de un valor didáctico extraordinario. Sus métodos inciden directamente sobre la promoción de habilidades como la observación, la comparación y la cuantificación, que son útiles y necesarias en medios nocientíficos. Por otro lado, la educación cien-

256

QUÍMICA EN SECUNDARIA

cretaría de Educación Pública con respecto a los contenidos de Química para secundaria. Me parece que el análisis debe centrarse en el enfoque que nos ofrece el documento guía. Creo que el propósito de los programas captura acertadamente la intención de vincular la ciencia con los procesos sociales. Sin embargo, "apropiarse de los elementos principales de la cultura química básica, para enriquecer su visión de México y el mundo ... " me parece una meta sin unidad. Me explico: desde luego, es importante que los niños reciban información con un sesgo hacia la realidad nacional y en general de América Latina, y esa intención se aclara en el enfoque; el problema es que no existe correspondencia cabal entre este propósito y la adquisición de cultura química en un niño que debería, en todos los casos, de tener un valor funcional más que enciclopédico. Es acertada la recomendación en el sentido de evitar un énfasis teórico y abstracto. Sin embargo, es también obvia. Una de las maneras que el programa sugiere para evitar este problema es generar experimentos constantes. Esto es importante; la propuesta sólo puede tener un efecto positivo si se acompaña de una línea más clara que pondere efectivamente la situación material de los laboratorios escolares del país.

Me parece muy buena la idea de dirigir los contenidos a desprejuiciar a los niños acerca de la química como causante de los problemas ambientales. También me parece útil la sugerencia de relacionar los temas con los productos que les son más familiares. Sin embargo, insisto en que es necesaria una mayor aclaración de lamanera en que estas ideas tan saludables puedan llevarse a la práctica. Aparentemente, la propuesta educativa marcha en el sentido de revisar menos contenidos (evitar nomenclatura es otro acierto) con mayor detalle. Esto es muy razonable y en general me produce la impresión de que hay sensatez en las ideas que se presentan. En ese sentido mi balance general es positivo. Sin embargo, la propuesta en sí misma (sería interesante conocer la versión final) no relaciona con claridad el listado de contenidos con su enfoque general. En ese sentido me parece que un compromiso institucional es el de aclarar con detalle el sentido y la operación de la propuesta, principalmente cuando los programas sean presentados a los maestros del país. Si esto no sucede, Rodrigo seguirá recitando: "El átomo es la ..."

NorAs BIBUOGRÁFICAS Castellanos, J. et al, Ciencias Naturales 1, Editorial Esfinge, México, 1988.

257

Cómo incrementar el interés por la química Armando Sánchez Martínez Educación Química, número 3, volumen 4, 1993.

os estudiantes necesitan famili~zarse con los objetos que los rodean: aparatos, organismos vivos, materiales, figuras y números; observarlos, agruparlos, manipularlos, describirlos, confundirse con ellos, discutir respecto a ellos y tratar de encontrar respuesta a sus preguntas. Rutherford J. y Ahlgren A.

Introducción En la serie de ensayos compilados por Guevara (1992) semenciona que sólo el 2.4% de la población escolar se decide por carreras relacionadas con las ciencias naturales. Múltiples son los factores que alejan a la juventud mexicana de estudiarlas. Dentro de los factores endógenos al proceso educativo destacan los métodos de enseñanza de las ciencias naturales. La actual forma de enseñar las ciencias naturales, desde la primaria hasta el nivel bachillerato, ya sea de manera integral o por materia, contribuye sustancialmente a que los alumnos no se sientan motivados para estudiarlas en grados superiores. Destacar la información por encima de la formación, la enseñanza oral por encima de la experimentación y discusión colectiva, así como la exagerada cantidad de información que se pretende que el alumno "asimile", y el desconocimiento sobre el grado de complejidad

ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA

con el que deben tratarse los conceptos, leyes o teorías en cada etapa del desarrollo del niño y del joven (Pómez J. y González A., 1990 y Gómez Crespo et al, 1992), sólo provoca, en la mayoría de los casos, animadversión hacia las ciencias naturales. Y digo en la mayoría de los casos, ya que a pesar de todos los factores negativos, hay quien todavía decide estudiar alguna carrera relacionada con las ciencias naturales. En el caso de la química, como señala Garritz en el documento fuente de este debate, se aúna a lo anterior la visión pesimista de que los principales males de la humanidad derivados del avance científico y tecnológico son, en buena medida, producto del demonio llamado química. Por otro lado, como apunta Castro (1990), en los resultados de la Conferencia de Westminster de la American Chemical Society de 1989, los problemas de la enseñanza de la química en la secundaria son similares en todos los países. Destaca el autor: duplicación de contenidos con el nivel superior, enfoque universitario y teórico, aprendizaje memorístico y "apantallamiento" del beneficio de la química. Todo lo anterior ahuyenta a los alumnos de las carreras relacionadas con la química. En el caso concreto de los próximos cursos de química para segundo y tercer año que se aplicarán en las escuelas secundarias mexicanas, resulta de fundamental importancia que tanto los nuevos programas como los materiales educativos de apoyo superen las principales deficiencias en la enseñanza antes señaladas. Se considera que Garritz define la forma en que se debe presentar esta materia para modificar los métodos tradicionales de enseñanza de la química en la secundaria. En este artículo se explicará por qué se considera que este cambio puede crear un

ambiente más atractivo para que los alumnos de secundaria se sientan más motivados a estudiar una c~era relacionada con la química y más preparados para desenvolverse en una sociedad como la nuestra. Y digo puede, porque fundamentalmente habría que lograr con los profesores, y por medio de los nuevos textos que se elaboren, romper con el esquema rígido que aún tiene la presentación de los temas en los programas de química para secundaria. Antes de entrar en materia, quisiera destacar la importancia de haber declarado la educación secundaria como obligatoria. Si se toman en cuenta los datos de 1986 (Guevara, 1992) para la eficiencia terminal de la primaria (53.9% ), absorción en secundaria de egresados de primaria (84.6%) y eficiencia terminal de secundaria (76% ), queda claro el por qué de la necesidad de reforzar la educación básica, y en particular la secundaria. O sea, de 100 niños en edad escolar, sólo 34 acaban la secundaria. ¿Qué tienen que ver esos datos con el motivo de este artículo? La población con secundaria terminada que no continúe estudiando o que elija una opción no relacionada con las ciencias naturales, habrá estudiado química por primera y última vez. Por lo mismo, en primer lugar hay que incrementar el número de jóvenes que concluyen la secundaria y, en segundo, lograr que este primer encuentro con la química sea lo suficientemente sólido para prepararlos como ciudadanos capaces de entender una sociedad altamente tecnificada, o para motivarlos a estudiar carreras relacionadas con las ciencias naturales y, en especial, con la química. De esta manera, se contribuirá a superar el rezago cultural causante de que, como planteó Gabriel García Márquez en su célebre

260

CóMO INCREMENTAR EL INTERÉS POR lA QUÍMICA

novela Cien Años de Soledad, algún Melquíades venga todavía a vender baratijas como algo novedoso.

Motivación, contenidos y recomendaciones Selectividad en los temas propuestos en cada bloque, destacando la calidad sobre la cantidad. ¿De qué sirve insistir en la secundaria, . por ejemplo, en los distintos modelos atómicos hasta llegar al cuántico, cuando lo fundamental es que se comprenda la naturaleza discontinua de la materia? En este sentido,.el hecho de sólo plantear el átomo a nivel de núcleo (protones) y electrones, permitirá concentrar los esfuerzos didácticos para que el alumno capte la naturaleza discontinua de la materia, que como señala Gómez Crespo et al (1992), es el primero de los tres núcleos conceptuales difíciles de entender por parte del alumno a nivel secundaria. Los otros dos núcleos conceptuales señalados por estos autores son: conservación de propiedades no observables y cuantificación de relaciones. En el documento fuente se incorpora el aprendizaje de los tres núcleos, sin embargo, no se subraya la necesidad de hacer un esfuerzo adicional para su comprensión, tomando en cuenta el grado de desarrollo y los conocimentos previos de los alumnos de secundaria. Con base en estas aportaciones se considera fundamental recomendar también a los autores de textos y a los propios maestros desplegar todo su ingenio para, mediante experimentos sencillos y discusión colectiva, favorecer su entendimiento. Por ejemplo, para apoyar una primera comprensión de la naturaleza discontinua de lama-

261

teria, se recomienda la siguiente experiencia, basada en la discusión que presenta Meliujin (1960) sobre la concepción atomista de los griegos, a partir del poema Sobre. la Naturaleza de las Cosas de Lucrecio Caro, discípulo de Demócrito: disolver sal en agua, discutir qué pasó con la sal y hacer que los alumnos prueben el agua salada puede ayudar a entender que la sal está presente y que si no se ve es porque se disolvió. Al final de la discusión, se recomienda leer y comentar algunos de los versos del poema, como los que se transcriben a continuación, con lo que además se podría propiciar el interés por la historia · de la química: Si después no hay nada menor, estará de infinitas partículas formado el más pequeño elemento; la mitad siempre hallará su mitad y no habrá límite para la división en parte alguna. ¿Cómo distinguirás, entonces, del Universo la más pequeña de las cosas? En nada, puedes creérmelo. Pues aunque el Cosmos no tiene fin, hasta las cosas más pequeñas de infinitas partes estarán igualmente formadas. El sentido común nos niega, sin embargo, que ese aserto pueda. creer nuestra mente y sólo reconocer nos queda la existencia de aquello que es indiviso, siendo de hecho lo más pequeño. Pero si existe, reconocer debemos que densos y eternos son los cuerpos primarios ... Citado por Meliujin (1960).

Solicitar que, aunque se va a hablar de química, no se pierda de vista la visión integral de los fenómenos a través de la unidad de la ciencia. En este sentido el planteamiento del eje temático· "materia, energía y cambio" es

ENSEÑANZA DE L.4 QUÍMICA

fundamental para lograr este propósito . Lo importante es que a lo largo del curso el maestro (lo cual implica un convencimiento profundo) y los libros de texto resalten esta unidad con el menor pretexto. ¡Más vale ser reiterativo!

Aprendizaje mediante la experimentación Los autores de los libros deberán mostrar todo su ingenio para lograr que en cualquier secundaria, por más alejada que se encuentre de las ciudades y en condiciones difíciles para experimentar, se puedan realizar experimentos "caseros", de tal manera que el alumno "meta las manos" y, con la discusión colectiva, pueda construir los conceptos al nivel en que se están planteando. La experiencia de otros países en experimentos con materiales sencillos donde el alumno mete las manos y ve los cambios debe ser aquilatada; por citar un ejemplo, el libro My First Book of Sciences ilustra este planteamiento a un nivel elemental. También se sugiere tomar en cuenta las propuestas de experimentos a microescala (Waterman E.L. y Thompson S., 1993), que además de disminuir los riesgos propios de un laboratorio de química, optimizan recursos, fomentando la cultura por el ahorro, una de las bases para elevar la productividad.

con el medio ambiente. Esto es, en el análisis de la situación concreta de cada comunidad, destacar los elementos contaminates significativos, lo que junto con la revisión costo-beneficio, puede generar soluciones concretas a problemas concretos. De esta manera se estará fomentando una actitud práctica y permanente para vigilar y cuidar el medio ambiente. Estoy consciente de que en algunos casos esto puede generar actitudes contrarias al progreso o a la aceptación del uso de la tecnología. Sin embargo, creo que es mejor sacar la cara del agujero que seguir en una postura pasiva que no está resolviendo los múltiples problemas ambientales que padecemos. Favorecer un desarrollo cultural integral al incorporar elementos para discutir,fomentar o practicar (según sea el caso) la historia de la química, el trabajo en grupo, el mejoramiento en la expresión escrita, la unidad de la ciencia y la educación ambiental.

Aunque estoy de acuerdo en no plantear explícitamente el tema sobre el método científico, sí creo que cada vez que sea pertinente (y esto depende del carácter histórico con el que podrán plantearse algunos temas) sería útil ejemplificar la aplicación del método científico en algunos descubrimientos significativos. Copsidero importante mantener el equilibrio entre la corriente que destaca el tratamiento del método científico y aquella que trata de negarlo por completo. Algo similar sucede con las definiciones. Si en-el combate a la tendencia educativa hacia el dogmatismo, herencia de la escuela aristotélica, se propusiera eliminar las definiciones, se adoptaría también una posición extremista. Lo que yo considero importante, y que discute Sánchez y Guevara (1992), es aclarar al alumno el carácter limitado de las definiciones, pero

Combatir el prejuicio y la actitud negativa ante la química como una de las principales causas de los males de la humanidad, planteando la importancia de ésta para ayudar a conservar el ambiente y a transformar la naturaleza para mejorar las condiciones de vida.

En este punto se considera que habría que solicitar al maestro y a los autores de los textos una actitud más comprometida 262

CóMO INCREMENTAR EL INTERÉS POR L4 QUÍMICA

también su inevitable necesidad, sobre todo a nivel de secundaria; obviamente, hay que cuidar que las definiciones sean correctas.

viamente a nivel universitario, a Carlos Castañeda y a Cecilia Oviedo por sus valiosos comentarios y sugerencias.

Conclusiones

BIBLIOGRAFÍA

Yo creo que lo importante en esta reforma curricular es la búsqueda creativa para modificar el proceso de enseñanza -no nada más de las ciencias naturales- con el objeto de preparar a la niñez y a la juventud actual como futuros ciudadanos capaces de enfrentar los retos de una época altamente tecnificada y dentro de un proceso de gran competencia mundial. En este punto, y con relación a la enseñanza de la química en la secundaria, las propuestas para desarrollar el programa, plasmadas en las recomendaciones para autores y editores, y acompañados de un programa permanente de actualización y formación docente que haga posible los cambios planteados, podrán contribuir a mejorar la enseñanza de la química en la secundaria, y de las ciencias en general en nuestro país.

Castro C.A., "Factores que determinan los planes de estudio de la química en el nivel superior y medio superior", Educación Química, 1[4], 201, 1990. Gómez M.A. et al, "La estructura de los conocimientos previos en Química: una propuesta de núcleos conceptuales", Investigación en la Escuela, 18, 23, 1992.

Guevara G. (compilador) et al, La Catástrofe Silenciosa, Fondo de Cultura Económica, 1992. Meliujin S.T., El Problema de lo Finito y lo Infinito, Ed. Grijalbo, 1960. Pómez J. y González A., Estrategias de Aprendizaje en la enseñanza de la química, Educación Química, 1[4], 190, 1990. Rutherford F.J. y Ahlgren A., Science for All Americans, Oxford University Press, 1990. Sánchez A. y Guevara E.M., Guía para el Estudio de la Fisicoquímica. Primera parte: Introducción y Termodinámica Química, Ediciones del Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec, 1993.

Agradecimientos

Waterman E.L. y Thompson S., Small-scale Chemistry Laboratory Manual, Addison-Wesley Publishing Company, 1993.

A mi esposa E. Minerva Guevara, profesora de química a nivel bachillerato y pre-

Wilkes A., My First Science Book. A life-size guide to simple experiments, Alfred A. Knopf, Inc, 1990.

263

Anexos

265

DESECHOS DE REACTIVOS QUÍMICOS DESTRUCCIÓN POR COMBUSTIÓN O EVAPORACIÓN MATERIAL:

NEUTRALIZACIÓN Y ARRASTRE POR AGUA EN TARJA MATERIAL: Bata, goggles, guantes, vasos de precipitado de vidrio

Bata, goggles, guantes.

y plástico grandes, agitadores de vidrio o madem. Papel

Campana de extmcción o terreno al aire libre. Extinguidor de COz

indicador de pH, embudos de vidrio y plástico.

o polvo químico.

En caso de sustancias tóxicas o corrosivas usar campana

desechables (de cartón, metálicos o plásticos). Redpientes de vidrio.

de extr-o~cción. Baños de agua. Si se forma precipitado

Charolas de metal poco profundas. Cerillos o encendedor. Virutas,

insoluble, consultar el método 3.

papel, vermiculita. Disolventes inflamables.

CARACTERÍSTICAS DE LAS SUSTANCIAS METALES ALCALINOS CALaO(Ca) UTIO(U)

Son muy reactivos al contacto con el aire o el agua.

SOI>IO(Na) POTASIO(K)

CONCEPTO QUÍMICO DEL DESECHO

SUSTANCIAS PRECIPITADAS POR ca ÁCIDO FUJORHhlHICO FUJORUROS Df. POTA.~IO Y AMONIO FUJORURO DF. somo

DISULFURO DE CARBONO

Casi todas son intlamables. Método adecuado para cantidades pequei\as.

El Ión F - es muy va~cnoso y corrosivo. No usar vidrio.

I'III)RÓXIIlO DP. AMONIO HlllRÓXIOOS DF. somo Y POTA.~IO SOUJCIÓN DF. BIURf.T SOUJCIÓN DF. FF.HIJNG (11) HIJ)RÓXII>O llE CALCIO SOUJCIÓN Df.llVINKI.F.R

Ninguno en particular. Combustión.

Disolver o suspender la amlna en un dlsolYenre inflamable (alcohol o acetona). Volcar sobre papel absorbente. Colocar en una caja de cartón e incinerar al aire libre.

2HF + Ca(Ofl)z---.> 2Hz0 + CaF2

Para HF agregar en exceso (tres ftCCS) Ca (Ofl)z respecto a HF en un vaso de plástico lleno hasta la mitad con agua. Agrqpr lentamente d HF con agitad6n. Neutralizar a pH. Dejar secar d s6llclo. Enterrar según método 3.

Ninguno en particular. Evaporación.

Son corrosivos y dustlcos. Eliminar por neutralización con ácidos.

l'br ejemplo, al formarse el hidróxido de caldo mediante la slguente reaccl6n CaO +UzO---.> Ca(OH)2 se puede eliminar con la siguiente Ca(OH)z + 2HCI---.> CaCI2 + H 2 0

Son corrosivos, tóxicos y oxidantes.

Mezclar con cloruro de sodio, por ejemplo, AgN03 + NaCI---.> AgCl +N~

COMPUESTOS DE Ag ACIITATODF.PI.ATA NITRATO llF. PU.TA (SÓIJilO Y F.N SOUJCIÓN)

Son tóxicos.

so3 2• + ao· ____,. so42• + cr

Mezclar cantidades iguales de KCIO (s6llclo) y de la sustancia que se destruirá, en un vaso. Agrqpr agua lentamente y enseguida los c:rlstales de hipoclorlto de caldo. Dejar resposar, neutralizar y arrastrar con agua.

Son muy tóxicos.

Oxklaclón del Ión CN" a

No se evaporan fidlmcnte. Hay que Incinerarlos.

Combustión.

AGENTES REDUCTORES

CIANURO CIANUROS Df. somo Y POTA.~IO FF.RRICIANURO DE POTASIO FF.RROCIANURO DE POTASIO NITROPRUSIATO SÓDICO

Predpitar d AgCl y filtrarlo. Enterrar en campo raso (si es mucho) o arrastrar con mucha agua en la tarja junto con la dJsolud6n deNaN03.

3Hz0 + 3S~ 2 - + 4Bñ:f 3---.> 6S04 2• +4Br" + 6H+

YOilATOS Y PF.RYODATOS

NITRrro llE somo SULFITO DE SODIO TIOSULFATO DE Na

Verter agua hasta la mitad de un vaso de precipitados, agregar la base lentamente y agitar (se provoca desprendimiento de calor). Apqpr HCI6M hasta que d pH sea neutro. Arrastrar con mucha agua en la tarja.

Son corrosivos y tóxicos.

CROMATO Df. POTASIO YOOO (y YOI)()..YOilURO)

NITRITO llE POTASIO

Sólo para c:anticlades pequei\as. Verter una capa delgada de CSz en d recipiente. Colocar bajo una campana de extracd6n y prenderla, ca-rancio casi por completo. Dejar que d material se evapore. Estar preparado por si hay autoignk:lón.

Para cantidades pequei\as, agregar la sustancia oxidante a un vaso de dlsolucl6n de tosulfato al 5(1%. Agrqpr H:zS04 3M hasta pH 2-3 (aumento de temperatura) y dejar reposar una hora. Neutralizar con NaOH o H2S04. Si la sal es de Cr o Mn seguir proc:edimlento "P'. Si es de ocro metal desechar la solud6n con bastante agua.

AGENTES OXIDANTES DICROMATO Df. POTA.~IO PF.RMANGATO DE POTASIO BROMO Y BROMATO

PROCEDIMIENTO

Apqpr etanol o agua, muy lentamente, sobre pequeños pedazos de metal, cortados con espátula o cuc:h1llo. Neutrallzuo con HCI 3M.

Es muy inflamable. Tomar precauciones para evitar un ina:ndio.

BASES FUERTES Y DÉBD.F.S

absorbente o periódico. Recipientes

Formación de hidróxido a alcoholato con 'llberaclón de h1dr6geno (H:z), seguida de neutralización con HCI (3Na + 3 HzO---.> 3NaOH + 3/ZH:z).

AMINAS AROMÁTICAS ANIIJNA. NIC<JONA, CAFP.INA, VF.Hilf. MAU.QUITA, 8ROMANIIJNA, PIRIIliNA. Dm7.0NA, FF.NII.F.NDIAMINA, UIMINOL, QUININA.

P.o~pel

COz y N2

llevar agua a pH 12 con NaOH 3M. Disolver d cianuro con agltad6n. Agrqpr una disolud6n de hipoclorito de sodio al30% (mantener abajo de los 5(10C). Dejar reposar durante horas. Arrastrar con mucha agua.

HIDROCARBUROS NO VOlÁTILES ALCOHOL AMIUCO BENCENQ..XILENOS ALCOHOL BENCiuco ALCANPORA NAFTAIJ!NO

Absorber d disolvente con vermk:ullta o toaDas de papel (si es sóllclo, disolverlo previamente en un disolvente inOamable). Colocar en una caja

GUCERINA TOWENO

ele cartón. Quemar al aire Ubre en un lecho de

TINTURA DE YOilO

piedras.

SOP

Impreso por encargo de la COmisión Nacional de los libros de Texto Gr.ltuitos.

ELIMINACIÓN POR ENTERRADO EN CAMPO MATERIAL:

Elüond6n: José Antonio Chamizo y Rosa Maria Camlá. Dlldlo Gr6llc:os Mooica Tappan!FJttomo Tassicr. Supenrlsl6n tkDJco. ~ Direa.ión General de Mat<.'liales y M<:otodos F.duC3tiv05 ele la Suboecn:laria de EduC3ción Básica y Normal.

DISOLVENTES (EN VOLUMEN MAYOR A 1 LITRO)

Terreno donde no se cultiven alimentos ni árboles frutales,

Almacenar en garrafones o botellas de color

libre de piedr.1s y de r.1íces en exceso. Fosas de lm de

ámbar bien tapados. Cuando se tengan varias

profundidad. P..ilas. Rastrillos. Material de construcción. Bolsas

botellas llenas, solicitar a la Coordinación de

de polietileno gr.1ndes o medianas. Recipientes de metal,

Labordtorios su retiro delloc'lll.

plástico o vidrio.

CARACTERÍSTICAS DE LAS SUSTANCIAS PERÓ~OSINORG~COS PF.RÓXJI)O I>F. HU>IIÓ(;F.NO (AGUA OXIGF.NAI>A) PF.RÓXJI)O I>F. SOI>IO

El peróxido de sodio rcacc:lona con humedad para formar Oz y NaOH. Se debe tener pra:aud6n porque pueden ocurrir explosiones.

CONCEPTO QUÍMICO DEL DESECHO

No específtco,

PROCEDIMIENTO

Para H:z02 ciUulr diez ftCCII con agua y arrastrar. Para Na:z02, dJ!toln:r lentamente en

agua (cvolud6n de Oz usar campana). Ncutr'aUzar y arrasttar con asua-

ÁCIDOS ORG~COS ÁCII)O Ad:TIOO A.'ll!f(l>ll.IIX> Ad:TICO ÁCIOO 8F.N1.01CO ÁCIIX> FÓRMICO ÁCIIX> OXÁUCO

Son corrosiYos. Deben manejarse eon pra:aud6n y algunos deben lndnerarse.

l. NeueraUzadón con base o c:arbooato :Z. Combusd6n.

Tener espedal cuklado con P05 (dlsolva' ca H:zO--> H3P04).

:ZH3P04 + 3Na:zC03--> 3CO:z + :ZN-,P04 + 3H:z0

ÁCIIX> MAI.f.ICO·OI.F.ICO FF.NOI/AOIX> SAUcfiJCO

1. Dlsolva' en :ZO ftCCII el "VOlumen de agua y neutraUzar. Desechar ca tarja por arrastre. :z. Dlsolva' !161ldos en canddad mínima de dlsolvalte. AbBorbcr mn "Va'llllc:ulita o con toallas de papeL Squlr mttodo 5 (por ejemplo, fenol, iddo benzoico, maldco, salkilk:o).

ÁCIDOSINORG~COS ÁCIIX> YOI>HfHICO ÁCIIX> FUJOIIHII>HICO ÁCIIX> CWRHII>RIOO ÁCIIX> IIIIOMHII>RICO ÁCIIX> ~TRICO ÁCIIX> FOSFÓRICO

Disolva' el Ac:ldo a menos de IM. Asrqpr carbonato de sodio 1M con aaitad6n. Ncutr'aUzar compldamcnte y arrastrar con muc:ha agua.

ÁCIIX> SUlFÚRICO PF.:-n'ÓXIIX> I>F. FÓSFORO

Sólo puede regresarse al proveedor para reciclaje. No usar ninguno de los métodos descritos. Es altamente tóxico.

MERCURIO

Sb, Cd, Pb Y SUS .SALFS Al'(nMONIO TRIO.ORURO I>F. AmlMONIO TRIÓXIIX> I>F. ARSf.NIC:O CAI>MIO ·PWMO·

Son sumamente tóxicos. Se deben aislar bien pare evitar que se acumulen en la

No Involucran concepto quimko.

pieL

I>IÓXIIX> I>F. PI.OMO

Colocar el bote o botella en un recipiente metálico o de plistlco con concreto fresco. Dejar que 11C forme Wl monoBto sólido. Enterrar en campo raso previo aviso.

ÓXIIX> MF.RC:ÜHIO>

SALES DE Hg, Co, Ni, Mn, Cr, Cd,

Pb.

SAI.f.S I>F. CAI>MIO SAI.F.SI>F.CIIOMO SAI.F.~

I>F. MF.M.'URIO

Son muy tóxk:as. Uevarlas a su forma Insoluble. Enterradas.

SAI.F.~ I>F. NIQUF.I.

Pn:dpltad6n por sulfuro. Cd2+ +S:Z"-->CdS

Disolva' la sal en agua (ayudarse con HCI 6M si es necesario). Apqpr sulfuro de sodio o docetamkla. Dejar reaccionar varias horas. Asegurar neutrallzad6n con NaOH 3M. FUtrar. Enterrar en campo raso el residuo !16Udo y arrastar con agua el sobrenadante.

aa:Z+ + so1:z.--> BaS04 (!16Udo) :m+ + C03 • --> CO:z (gas)+ H:zO

Dlsolva' la sal de bario con poca agua. Apqpr iddo sulf6rk:o dUulclo con ll&itad6n y esperar a que el sulfato de bario pn:dp* por completo. Da:aatar y ftllrar. Neutralizar sobrenadantc con carbonato de liOCilo.. Enterrar residuo. Desechar sobrenadante.

SAI.F$ I>F. CORI.An> SAI.F.SI>F.PI.OMO

COMPUESTOS DE BARIO SAI.F.~

I>F. BARIO

Usar sulfato como agente precipitante. Son tóxicos.

DISOLVENTES HALOGENADOS TF.TRACU>RL'RO I>F. CARBONO O.OROFORMO DIO.OIIOMF.TANO I>IODIIOF.TA.'IO

Volátiles, Insolubles en asua- No pueden inc:lnerarse. Método para cantidades pequeilas.

No ln"VOiucra un concepto quimko.

Eliminar en campana de extracd6n. Sqpdr d mismo procedimiento que en método o clase ·o· (dlsulfuro de carbooo).

HIDROCARBUROS VOIÁ'IUES HFYTANO til:R I>F. PF.TRÓI.f.O

Son "VOiitiles e Inflamables. Método !16lo adecuado para cantidades pequeilas.

No lmolucra fÜD8ÚD concqJtoquimko.

Sqpdr cal cual el pi"CC«d<mlento para el Dlsulfuro de Carbono

O<.l.OHF.XA.'iO

SUSTANCIAS NO REACTIVAS O.ORUIIO I>E SOI>IO ACEITF.S VE(;F.TAI.F.S OTROS

Disponer bajo criterio por arrastre con mucha agua, quemando, dejando evaporar o enterrando en campo, según las cantidades y necesidades del laboratorio.

TRATAMIENTOS DE ACCIDENTES QUIMICOS EN LABORATORIOS DE ENSEÑANZA TIPOS DE SUSTANCIAS

IN4CIÓN:

1~:

n~we EÑ==· rJtEL: ····::::::::::::::;::::::-:-:-:-·.

D~OS:

SÍNTOMAS Y TRATAMIENTOS DE EXCEPCIÓN * ÁCIDOS (CORROSIVOS)

1.- Irritación membrana. Ojos llorosos,

*I.·DB.VlREI.ÁaDOENELESI'ÓMAGO,E\'lTAR

estornudos, tos. Dolor de pecho, Dificultad

EL VÓMrrO, LlAMAJI. A lA AMBUlANCIA Y

para respirar. Dolor de cabeza. Salivación. Náusea.

BASES (CORROSIVOS)

~AlA~~D~A~~Uom

O Uom DE MAGNESIA, AFI.OJ~ lA ROPA

1.- Comezón. Quemadura.

1.- Sensación de quemadura. Ojos

Enrojecimiento. Quemaduras "blancas".

llorosos. Enrojecimiento. Dolor de ojos

Ampollas. Dañó en tejido. Estado de

y párpados. Ulceración de tejidos.

shock.

Y NO DIIJARIA SOlA.

2.- Irritación de nariz, ojos y garganta.

2.- Sensación de quemadura intensa en

2.- Dolor y comezón. Ulceración

2.- Dolor intenso e irritación inmediata

Sensación de quemadura en la garganta.

boca, garganta y estómago. Membranas

resbalosa. Daño prof~ndo en

de ojos y párpados. Ojos muy llorosos.

tejido. Estado de shock.

La víctima cierra los ojos con fuerza.

Dificultad para respirar. Tos. Fluido en

blancas. Dolor intenso al tragar. Vómito

los pulmones.

con hemorragia.

SUSTANCIAS QUE

3.- Irritació"n de nariz y ojos. Tos violenta.

3.- Irritación de boca y garganta.

3.- Comezón, irritación y sensación

3.- Comezón y sensación de quemadura.

REACCIONAN CON

Dificultad para respirar. Aspecto azuloso

Salivación. Sensación de quemadura en

de quemadura. Enrojecimiento.

Ojos llorosos. Enrojecimiento de ojos

de la piel. Fluido en los pulmones.

el estómago. Cólicos, náusea y vómito

Ulceración con necrosis.

y párpados. Riesgo de daño muy serio.

AGUA

Ulceración.

con hemorragia. ~TODO

4.- Respiración agitada. Excitabilidad,

DISOLVENTES ORGÁNICOS

DISOLVENTES HALOGENADOS

"borrachera". Dolor de cabeza. Fatiga. Náusea con vómito. Pereza. Pérdida del conocimiento.

5.- Irritación leve de los ojos y nariz. Cabeza caliente. Excitabilidad, "borrachera". Falta de coordinación.

EL REAcnYO DE lA PIEL

* 4.· EVrrAR EL VÓMrro. LlAMAJI. AL MÓ>ICO.

CON MUCHA AGUA. LlAMAJI. AL M~DICO.

4.- Sensación picante. Ojos dolorosos.

~A lA ~CTIMA. AFI.OJ~ lA ROPA.

EVACUAR EL ÁREA (SI HAY PEUGRO DE FUEGO

Inflamación de los párpados.

PUEDE PRESENTAR CONVUlSIÓN. EVrrAR QUE

O EXPLOSIÓN). SI ES NECESARIO LlAMAJI. A LOS

SE lASTIME. NO DIIJARIA SOlA.

BOMBEROS.

5.- Irritación gastrointestinal. Mismos síntomas de la inhalación.

*s.-lAVAR EL ÁREA AFECTADA CON AGUA Y

¡¡¡

JABÓN NEUI"RO, SECAR CON TOALlAS DE

¡;¡

PAPEL LlAMAJI. AL

~DICO. EVACUAR EL

¡¡¡

5.- Vapores molestos. Salpicado: muy irritante y doloroso. Ojos llorosos. Inflamación de párpados.

Dolor de cabeza. ·=·==·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=···=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=.JI

COMPUESTOS DE BARIO

Fibril~ción

6.- Irritación de la piel y membranas

6.- Irritación mecánica y química. Ojos

6.- Irritación de la nariz y los ojos.

6.- Sabor desagradable.

Fibrilaciones musculares. Fatiga.

muscular. Náusea. Vómito. Dolor de

mucosas. Contacto prolongado:

llorosos. Inflamación de los párpados.

Cólicos. Sudor frío. Pulso lento.

estómago y diarrea. Ansiedad. Pulso

ulceración y necrosis de la piel.

SenSación de quemadura.

7.- Ver inhalación. Irritación de boca

7.- Irritación. Vesículas o ampollas.

7.- Irritación. Enrojecimiento de párpados.

y estómago. Cólicos con diarrea.

Enrojecimiento. Ulceración y necrosis.

Dolor al mirar la luz. Daño severo en los

lento.

SUSTANCIAS HEMOTÓXICAS

7.- Cara, manos y labios profundamente azules. Dolor de cabeza. Dificultad para rar:ni..-lr M<::Jr~ rnnfi1cdón mPnt~l

f)philirf::.ti

8.- Estornudos. Ligera irritación

SÓLIDOS AMORFOS

8.- No hay síntomas.

B.-Comezón

de la nariz. Tos.

(SÍLICA GEL)

B.-Irritación mecánica y dolor. Ojos llorosos. Inflamación de los párpados.

DERIVADOS DE MERCURIO

9.- Sabor metálico. Dificultad para respirar.

9.- Sabor metálico. Sed intensa. Dolor

lbs. Bronquitis seguida de neumonía química.

al tragar. Dolor estomacal o abdominal.

Riesgo de fluido en los pulmones. Inflamación

Náusea y vómito. Diarrea (con sangre

de la boca.

o verdosa).

10.- Irritación de nariz, garganta y ojos.

SALES ALCALINAS

Sensación de quemadura. Dificultad para respirar. Tos. Neumonía química. Fluido en

10.- Sensación inmediata de quemadura en

10.- Comezón. Quemadura dolorosa.

10.- Irritación muy dolorosa de ojos y

boca, garganta y estómago. Daño en las

Ulceraciones dolorosas. La piel se

párpados. Lagrimeo intenso. La víctima

membranas bucales. Dolor al tragar.

siente resbalosa. Estado de shock.

cierra fuertemente los ojos. Quemaduras

Sudor frío.

en membrana y mucosas.

11.- Dolor de cabeza. Mareo. Náusea.

11.- Ver inhalación. Irritación de boca y

Fatiga. Dificultad para respirar.

garganta. Dolores quemantes en el

Palidez. lbs seca. Sudor frío. Dolor

estómago. Náusea y vómito. Diarrea.

11.- IrritaCión dolorosa. Inflamación. Ampollas. Rápida ulceración de la piel.

abdominal.

12.- Irritación en nariz y ojos. Dolor

SALES DE PLOMO

de cabeza. Cólicos. Fatiga. Mareo. Confusión.

de párpados. Lesiones graves si no se recibe la atención adecuada.

Salivación profusa. Náusea. Cólicos.

los pulmones.

FÓSFORO Y ANTIMONIO

9.- Irritación. Ojos llorosos, inflamación 9.-lrritación, inflamación y ampollas.

12.- Sabor metálico. Constricción de

12.-lrritación e inflamación.

garganta. Dolor estomacal. Náusea y vómito.

11.- Irritación inmediata de ·los ojos. Lagrimeo. Inflamación y sensación de quemadura. Riesgo de daño muy severo.

12.- Irritación y enrojecimiento. Lagrimeo. Inflamación de los párpados.

Diarrea.

*u.- VEA INHAL\CION. AFlOJARLE LA ROPA. ¡:

CIANURO

l!l'\JUAGUE BUCAL DARLE AGUA O LECHE. INDUCIR EL VOMITO (GUARDARLO PARA ANÁUSJS), NO DIIJAR A LA vfCllMA SOLA.

¡¡¡

¡¡

·~-~-~-~-~-~-~·=·=·=·=·=· · ·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·=·:¡~

13.- Compuestos gaseosos o líquidos: fase de excitación, dolor de cabeza. Mareo o

13.- Irritación y lagrimeo.

náusea, vómito. Respiración agitada. Ansiedad.

TRATAMIENTOS GENERALES (EXCEPTO PARA CIANUibs -13-)

1.- Retirar a la víctima

d1J~rea contaminada.

¡Ua ambulancia. I.~~~e aire. Si siente mareos o

2.- Llamar al médico o

3.- Aflojarle la ropa.

(EXCEPTO ÁCIDOS -1-, DISOLVENTES ORGÁNICOS

(EXCEPTO PARA DISOLVENTES ORGÁNICOS -4- Y

(SIN E:V:CEPCIÓN)

-4-, CIANUROS -13-)

DISOLVENTES HALOGENADOS -5-)

1.- Mantener la parte afectada bajo el chorro del

1.- Retirar a la víctima y tranquilizarla.

1.- Limpiar muy bien.::~] área afectada y, de acuerdo

desmayo,acostarla,.,/f'

4.- Si suda frío

5.- Si

m'Jf~nerla abrigada.

vomit~4~J~··puede incorporarse,'voltearle la

?)1~1!~~~; ~i,:ww=:~ucntfoowR,.man~:Mer codo e1 ;¡~;~o

6.-. Si no tolera la luz, proteger con un vendaje

iii"':'jtie~4i!$':WG~J agua.

o pañuelo (flojos), pidiendo que parpadee de vez en vez. 7.- Tranquilizarla y no dejarla sola.

f:ª~;::-::

6.- Enjuagar la boca varias veces. 7.- No darle nada de comer, ni de beber, a excepción

4 ·~:$.~~~:;.(i.f~~Jf~S%fi,~X:fB?~~~~,5W\lfW!,:~~?-:,r~téril

que respira).

de agua pura.

(sin apretar).

9.- No dejarla sola hasta que sea correctamente

8.- Mantener a la víctima en reposo y vigilarla hasta

5.- No reventar las ampollas si se producen.

que llegue el médico.

6.- Vestir a la víctima con ropa Jimpia y seca.

atendida.

7.- No dejarla sola hasta que llegue ayuda médica. Elaborad6rujos~ Antonio Chamizo

SOI1

y Rosa María Catalá.

Dlae6o Gri.fkoa Mónica Tappan/Entomo Tas.'iicr. Supavl816n cfc:n&co- pedaa6glc&l Dirección Gener.d de :\lateriales )" .\fétodos F.ducalivos dt" la Su!Jsc:cretaria de t-:c.lut._.ación IU.sica y :\orrnal.

lmpresu por t..'fl(."<lflr:U de la Cumisión Xacional de los Ubros de Texto Gr.uuitos

La enseñanza de la Química en la escuela secund·aria Lecturas Se imprimió por encargo de la Comisión Nacional de los Libros de Texto Gratuitos, en los talleres de Imprenta Madero, S. A. de C. V., con domicilio en Avena núm. 102, col. Granjas Esmeralda, C.P. 09810, México, D. F., el mes de enero de 1997. El tiraje fue de 12,000 ejemplares más sobrantes de reposición.