Educació Química - EduQ

número 29

2021

Educació Química

Filosofia de la química

La filosofia i la història de la química en relació amb l’educació química

Atendiendo a la historia y la filosofía de la química en la conceptualización y desarrollo del currículo

La química como un sistema de prácticas. Una alternativa para su enseñanza

Ensenyar química: una aproximació històrica i filosòfica

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

Educació Química EduQ

Desembre 2021, número 29

Editors

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

Aureli Caamaño, SCQ, Barcelona

Pere Grapí, INS Joan Oliver, Sabadell

Consell Editor

Jordi Cuadros, IQS-URL, Barcelona

Josep Durán, UdG, Girona

Mercè Izquierdo, UAB, Barcelona

Claudi Mans, UB, Barcelona

Àngel Messeguer, CSIC, Barcelona

Neus Sanmartí, UAB, Barcelona

Amparo Vilches, UV, València

Consell Assessor

Consell Assessor Catalunya / Espanya

Joan Aliberas, INS Puig i Cadafalch, Mataró

Miquel Calvet, INS Castellar, Castellar del Vallès

Francesc Centellas, UB, Barcelona

Josep Corominas, Escola Pia, Sitges

Anicet Cosialls, INS Guindàvols, Lleida

Carlos Durán, Centro Principia, Màlaga

Xavier Duran, TV3, Barcelona

Josep M. Fernández, UB, Barcelona

Dolors Grau, UPC, Manresa

Paz Gómez, INS Provençana, l’Hospitalet de Llobregat

Elvira González, Centro de Ciencias, Bilbao

Pilar González Duarte, UAB, Barcelona

Ruth Jiménez, UAL, Almeria

Teresa Lupión, Centro de Recursos UMA, Màlaga

María Jesús Martín-Díaz, IES Jorge Manrique, Madrid

José María Oliva, UCA, Cadis

Gabriel Pinto, UPM, RSEQ, Madrid

Marta Planas, UdG, Girona

Anna Roglans, UdG, Girona

Núria Ruiz, URV, Tarragona

Olga Schaaff, Escola Rosa dels Vents, Barcelona

Marta Segura, Escola Pia Nostra Senyora, Barcelona

Romà Tauler, IDAEA-CSIC, Barcelona

Montse Tortosa, INS Ferran Casablancas, Sabadell

Gregori Ujaque, UAB, Barcelona

Nora Ventosa, ICMAB-CSIC, Barcelona

Josep Anton Vieta, UdG, Girona

Consell Assessor Internacional

María del Carmen Barreto, Universitat de Piura, Perú

Liberato Cardellini, U. Politecnica delle Marche, Itàlia Agustina Echeverría, Universitat Federal de Goiás, Brasil

Sibel Erduran, Universitat de Bristol, Regne Unit

Odilla Finlayson, Universitat de Dublín, Irlanda Lidia Galagowsky, Universitat de Buenos Aires, Argentina

Marcelo Giordan. Universitat de São Paulo, Brasil Gisela Hernández, UNAM, Mèxic

Èric Jover, Observatori de la Sostenibilitat d’Andorra Isabel Martins, Universitat d’Aveiro, Portugal

Eduardo Mortimer, Universitat de Minas Gerais, Belo Hori zonte, Brasil

Carlos Javier Mosquera, Universitat Distrital, Bogotà, Colòmbia Fátima Paixão, Castelo Branco, Portugal Vincent Parbelle, Lycée La Martinière, Lió, França Ilka Parchmann, Universitat de Kiel, Alemanya Mario Quintanilla, Pontifícia Universitat Catòlica, Xile Santiago Sandi-Urena, Universidad de Costa Rica Vicente Talanquer, Universitat d’Arizona, EUA Societat Catalana de Química (SCQ) http://blogs.iec.cat/scq/

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

Impressió: Gráficas Rey ISSN: 2013-1755

Dipòsit Legal: B-35770-2008

ÍNDEX

Editorial

Monografia: «Filosofía de la química» 3 José Antonio Chamizo, Aureli Caamaño, Pere Grapí i Fina Guitart

Monografia: Filosofia de la química

La filosofia i la història de la química en relació amb l’educació química 4 Aureli Caamaño, José Antonio Chamizo i Pere Grapí

Atendiendo a la historia y la filosofía de la química en la conceptualización y desarrollo del currículo 7 Vicente Talanquer

La química como un sistema de prácticas. Una alternativa para su enseñanza 12 José Antonio Chamizo

Ensenyar química: una aproximació històrica i filosòfica 19 Mercè Izquierdo Aymerich Perspectivas não fisicalistas na didática da química 28 Marcos Antonio Pinto Ribeiro

Teaching and Assessing the Nature of Chemistry 33 Sibel Erduran

Aprender química y sobre naturaleza de la práctica científica mediante prácticas epistémicas y no-epistémicas 41 Antonio García-Carmona

Por un diálogo entre la filosofía de la química y la enseñanza de la química: el caso de la electronegatividad 48 Martín Labarca

Ètica en química 54 Manel Pau

Intercanvi Escalfadors de mans i termodinàmica . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Aarón Pérez Das Doresa i Anna Garriga Font

Foto portada: Pere Grapí. Pintura de Théobald Chartran al peristil de la primera planta del Cam pus Sorbonne (Sorbonne Université, París) que conté la llegenda següent: « Lavoisier converteix Berthollet a la doctrina pneumàtica després d’un experiment realitzat al seu laboratori». Drets d’autor i responsabilitats La propietat intel·lectual dels articles és dels respectius autors.

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Presentación de la monografía: «Filosofía de la química»

a filosofía académica de la química tiene una historia corta. Los primeros libros y las primeras revis tas aparecieron hace apenas un cuarto de siglo por lo que no es de extrañar su ausencia en la enseñanza de la química. Es paradójico que el nacimiento de la quí mica se asocie al impulso de Lavoisier por acercarla a la física mientras que la filosofía de la química trata de manifestar su independencia de ésta. Este hecho ha coincidido, con el reconocimiento de la importancia de los instrumentos en las prácticas científicas y la au sencia de un método científico único. Hay que agregar la caracterización de la química como tecnociencia, es decir, como una forma de conocer y actuar conjunta mente, que ha transformado nuestra manera de vivir.

En el artículo introductorio «La filosofia i la historia de la química en relació amb l’educació química», Aureli Caamaño, José Antonio Chamizo y Pere Grapí relacio nan la historia, la filosofía de la química y la enseñan za de esta disciplina, y describen brevemente los temas que han interesado a historiadores, filósofos y docen tes de química.

Vicente Talanquer, en su artículo «Atendiendo a la historia y la filosofía de la química en la conceptualiza ción y desarrollo del currículo», hace una propuesta de un currículo de química alternativo a partir de las prácticas disciplinarias y las formas de razonar que se desarrollan en las comunidades químicas.

José Antonio Chamizo, en su artículo «La química como un sistema de prácticas. Una alternativa para su ense ñanza», presenta la química como un sistema de prác ticas científicas y tecnológicas, experimentales, estabi lizadas y enseñadas de la misma manera en la mayoría de los países.

Mercè Izquierdo, en su artículo «Ensenyar química: una aproximació històrica i filosòfica», propone empezar a en señar química a partir de cambios químicos cercanos a los alumnos. Así la historia y la filosofía de la química ayu dan a recuperar el significado de las respuestas teóricas.

Marcos Antonio Pinto Ribeiro, en su artículo «Perspecti vas não fisicalistas na didática da química», aceptando la especificidad de la química y su ausencia en los pla nes de estudio, analiza los estilos cognitivos, epistemo lógicos y didácticos que definen enfoques no fisicalis tas de la enseñanza de la química.

Sibel Erduran, en su artículo «Teaching and Assessing the Nature of Chemistry», presenta y analiza la matriz de Brandon que proporciona una herramienta para re saltar la diversidad de métodos en química, en contra de la generalizada idea, omnipresente en los libros de texto, de un único método científico.

Gabriel Martín Labarca, en su artículo «Por un diálogo entre la filosofía de la química y la enseñanza de la quí mica: el caso de la electronegatividad», indica la utili dad de la información que brinda la electronegatividad para predecir y explicar las propiedades fisicoquímicas.

Antonio García Carmona, en su artículo «Aprender so bre la naturaleza de la práctica científica mediante prácticas epistémicas y no-epistémicas», presenta y justifica la participación de los estudiantes en prácti cas científicas como marco idóneo para la enseñanza de la ciencia.

Manuel Pau, en su artículo «Ètica en química», recono ce que la industria química, plantea problemas éticos. Recomienda conocer y usar algunas publicaciones re cientes como base para actividades educativas en una perspectiva de ciencia para la ciudadanía.

En la sección de «Intercambio», el artículo «Escalfadors de mans i termodinàmica» de Aarón Pérez i Anna Garriga presenta los calentadores de manos como un recurso experimental que permite relacionar conceptos clave de termodinámica.

Todos los artículos de la monografía son de la sección «Història i naturalesa de la Química» pero para diversi ficar han sido clasificados en secciones que también les son afines. Esperamos que la lectura de este núme ro sea interesante para el público lector.

José Antonio Chamizo, Coordinador del monogràfic Aureli Caamaño, Pere Grapí i Fina Guitart, Editors d’EduQ

Fina Guitart Aureli Caamaño

José Antonio Chamizo

Pere Grapí

DOI: 10.2436/20.2003.02.218 http://scq.iec.cat/scq/index.html

La filosofia i la història de la química en relació amb l’educació química

The philosophy and history of chemistry in relation to chemistry education

ISSN 2013-1755, SCQ-IEC Educació Química EduQ número 29 (2021), p. 4-6

Des dels inicis de la dècada del 1990 la filosofia de la química ha emergit com una nova branca de la filosofia de la ciència, tot examinant la naturalesa distintiva del coneixement químic. El desenvolupament tardà d’aquesta disciplina ha estat degut fonamentalment a una suposada dependència de la química respecte de la física. A causa del gran poder predictiu de la mecànica quàntica, els físics i els filòsofs de la ciència van considerar que la química podia reduir-se completament a la física. Des d’aquesta perspectiva, la química seria únicament una branca de la física i no presentaria problemes específics que necessitessin una anàlisi filosòfica separada.

La posició reduccionista sobre la naturalesa de la química ha tingut un gran impacte en la manera d’ensenyar la química: ha existit una tendència a explicar alguns temes de la química, com ara l’estructura atòmica i el sistema periòdic, a partir només de principis físics. A això cal afegir l’entronització d’un únic mètode científic tot negant que les pràctiques químiques s’hagin realitzat des de fa segles a partir del seu propi mètode, és a dir, anàlisi i síntesi, com ho va defensar el professor de batxillerat i filòsof de la química francès Gaston Bachelard (1976; 1987). D’altra banda, també s’ha criticat

la manca d’interès per la història de la química en l’àmbit de l’educació química, a diferència de l’interès mostrat envers l’ensenyament de la història per part d’altres disciplines científiques.

Afortunadament, l’interès per les perspectives filosòfica i històrica de la química ha augmentat radicalment des de mitjans de 1990, com ho mostra el nombre creixent de publicacions de llibres (Van Brakel, 2000; Bushan & Rosenfeld, 2000; Llored, 2013) i articles de revistes (Grapí, Caamaño & Guitart, 2013), la creació d’associacions i l’organització de conferències i jornades centrades en com la química pot ser entesa des d’una perspectiva filosòfica i històrica.

A la segona meitat de la dècada de 1990 es creen dues publicacions periòdiques –Hyle el 1995, dirigida per Joachim Shum mer, i Foundations of Chemistry el 1999, dirigida per Eric Scerri– i la Societat Internacional per a la Filosofia de la Química (ISPC, per les sigles en anglès), que ha organitzat conferències internacio nals sobre la filosofia de la quími ca cada estiu des del 1997, algunes en països d’Amèrica Llatina com Colòmbia, Uruguai, Brasil i Argentina. El 1989 es crea el Grupo Internacional de Historia, Filosofía y Didáctica de las Ciencias, que ha organitzat trobades internacionals

bianuals; el 2010 es convoca la primera Conferencia Internacional Latinonamericana d’aquest grup (Celestino & Brzezinski, 2013). Recentment, el novembre de 2021 s’han organitzat les III Jornadas de Historia, Filosofía y Didáctica de la Química del Cono Sur a Salvador de Bahia (Brasil).

En general, la reflexió filosòfica sobre la química s’ha sustentat en la seva història, atès que aquesta resulta indispensable per plantejar l’esdevenir dels problemes, conceptes i pràctiques de la química. Paral·lelament a aquest desenvolupament de la història i la filosofia de la química s’ha estat treballant en noves perspectives de com la filosofia i la història de la química poden fonamentar l’educació química en un nombre cada cop més gran d’estudis, publicacions i projectes (Erduran, 2000; 2013; Scerri, 2001; Erduran, Aduriz Bravo & Mamlok Naaman, 2007; Lombardi & Labarca, 2007; Chamizo, 2010; Talanquer, 2011; Izquierdo-Aymerich, 2013; Vilches & Gil, 2014).

El primer aspecte que ens interessa abordar en aquesta breu presentació del tema de la monografia és descriure els temes o problemes que han interessat als filòsofs de la química, als químics i als educadors químics preocupats per la filosofia i la història de la química. Schummer (2005) en descriu alguns:

Aureli Caamaño Ros / Societat Catalana de Química José Antonio Chamizo / Facultad de Química - Instituto de Investigaciones Filosóficas, UNAM. México Pere Grapí Vilumara / Institut d’Història de la Ciència. UAB

— La crítica al reduccionisme de la química a la física, com hem comentat anteriorment, que es basa en una visió pragmàtica i pluralista sobre els mètodes de la química (Pinto Ribeiro & Costa Pereira, 2012). En aquest sentit, caldria desmitificar el reduccionisme idíl·lic de la química a la física que pretenia resoldre sistemes poliatòmics mitjançant l’aplicació de les equacions de la mecànica quàntica. Aquest plantejament només és factible per a sistemes molt simples, en situacions ideals i recorrent a aproximacions, fins i tot utilitzant les potents tècniques computacio nals actuals.

— L’adaptació a la química de conceptes establerts per la filosofia de la ciència com experiment, llei, model, predicció, explicació, classes naturals, substància i procés, i d’altres aspectes com la construcció de conceptes i models, la classificació, el tractament de teories contradictòries, la funció dels instruments en la investigació, la distinció i relació entre ciència i tecnologia. En aquest darrer aspecte, cal no oblidar que la química ha estat i és deutora de les seves pràctiques. Des de les més artesanals del passat (metal lúrgiques, destil·latòries o tintòries) a les més modernes com les mèdiques o les farmacèutiques (Klein & Spary 2010; Peterschmidt & Van Tiggelen, 2020).

— L’anàlisi de l’estructura de la química amb estudis filosòfics i històrics sobre conceptes químics com element, substància pura, espècie química, substància elemental, compost, afinitat, interacció, reacció química, àtom, estructura molecular i estructura mesoscòpica de la matèria. En particular, cal fer notar que la química tracta específicament sobre les substàncies químiques i la seva transformació (Chamizo, 2021).

— L’anàlisi dels mètodes químics basats en l’experimentació i la instrumentació, però també en mètodes cognitius com ara el llenguatge gràfic de la química i les diverses formes de construcció de models i de representacions.

— L’anàlisi de noves activitats químiques que transcendeixen les fronteres disciplinàries, com les que es duen a terme a la ciència ambiental, la síntesi de proteïnes, la ciència dels materials i la nanotecnologia. El progrés de la química no és tan sols el resultat de les seves dinàmiques disciplinàries internes sinó també en gran part de demandes externes (socials, mèdiques, mediambientals o militars) (Bensaude-Vincent & Simon, 2012).

— L’ampliació de la reflexió filosòfica sobre la química per ocupar-se no només del raonament epistemològic, metodològic i ontològic (Lombardi & Pérez, 2012) sinó també d’aspectes com l’ètica de la química, la química verda o l’estètica i la visualització de la química.

El segon aspecte que ens interessa destacar és la importància i la influència que el coneixement de la filosofia i la història de la química hauria de tenir en l’educació química. Un coneixement més gran de la història de la química per part del professorat li permetria identificar aspectes generals de la naturalesa de la ciència, i de la química en particular, amb finalitats educatives. En efecte, ens sembla que conèixer quins tipus d’explicacions s’utilit zen en la química, quins estan basats en models i quins no, quins tipus de lleis i regles s’apliquen per explicar i fer prediccions, la relació existent entre el món macroscòpic i submicroscòpic de la química, l’ontologia de les entitats químiques que es postulen o les formes de representació que es fan servir en química són

aspectes essencials que ha de conèixer un professor de química.

Altres aspectes que el professorat hauria de conèixer i comprendre sobre la naturalesa de la química serien els relatius als itineraris de recerca que segueixen els químics, l’intercanvi de coneixements entre ells, els episodis de creativitat científica i les interaccions química-societat en diferents moments històrics. Facilitar aquesta formació al professorat implica disposar de relats històrics simplificats i dimensionats d’acord amb les demandes de les situacions educatives (Grapí, 2012).

Referències

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química

Història i naturalesa de la

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número 29

La filosofia i la història de la química en relació amb l’educació química

Science & Education, núm. 22, p. 1559-1562.

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nombrosos cursos de formació del professorat a Espanya i Llatinoamèrica. És coordinador i coautor del llibre Enseñar Química. De las sustancias a la reacción química i coeditor de les revistes Alambique i Educació Química EduQ

A/e: aurelicaamano@gmail.com

José Antonio Chamizo

Doctor en química organometàl·lica per la University of Sussex. Des de 1977 és professor de la Facultat de Química i de l’Instituto de Investigaciones Filosóficas de la Universidad Nacional Autónoma de México. Ha publicat més de 200 articles, capítols en llibres i llibres arbitrats, sobre química, educació, història, filosofia i divulgació de les ciències pels quals ha rebut diversos premis d’institucions nacionals i internacionals.

A/e: jchamizo@unam.mx

Aureli Caamaño Ros És doctor en química per la Universitat de Barcelona (UB) i graduat en humanitats per la Uni versitat Pompeu Fabra (UPF). Ha estat catedràtic de física i química de secundària i ha impartit

Pere Grapí Vilumara

Llicenciat en ciències químiques (UB) i doctor en filosofia i lletres –Programa Història de la Ciència–(UAB). Ha estat catedràtic de física i química d’ensenyament secundari. Les seves principals àrees de recerca en història de les ciències són la química de finals del segle xViii i principis del segle xix, i les relacions entre la història de la ciència i l’ensenyament.

A/e: pgrapi@gmail.com

Atendiendo a la historia y la filosofía de la química en la conceptualización y desarrollo del currículo

Considering the history and philosophy of chemistry in the conceptualization and development of the curriculum

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

resumen

Las investigaciones históricas y filosóficas sobre las formas de conocer, pensar y hacer en química invitan a la reflexión sobre cómo diseñar ambientes y experiencias de aprendizaje que representen de manera más auténtica y productiva a la disciplina. De manera específica, en esta contribución se describe y discute la influencia de este tipo de análisis en la conceptualización y desarrollo de un currículo de química alternativo. Se consideran los efectos de la reflexión histórico-filosófica sobre decisiones relativas a cómo se enmarcan los conocimientos, habilidades y actitudes deseados, qué prácticas disciplinarias se trabajan y qué formas de razonar se desarrollan.

palabras clave Currículo, naturaleza de la química, pensamiento químico, prácticas disciplinarias.

abstract

Historical and philosophical studies on ways of knowing, thinking, and acting in chemistry invite reflection on how to design learning environments and experiences that represent the discipline in more authentic and productive ways. In particular, this contribution describes and discusses the influence of this type of analysis on the conceptualization and development of an alternative chemistry curriculum. We characterize the effects of the historical-philosophical reflection on decisions related to how targeted knowledge, skills and attitudes are framed, and what disciplinary practices and ways of reasoning are developed.

keywords

Chemical thought, curriculum, disciplinary practices, nature of chemistry.

Introducción

Diversos autores han identificado diferentes maneras en las que el análisis de investigaciones sobre la historia y la filosofía de la química puede beneficiar la enseñanza y el aprendizaje de esta disciplina (Erduran & Mugaloglu, 2014). Por ejemplo, estos estudios ayudan a identificar los propósitos y valores de la empresa química, así como sus prácti-

cas, métodos y conocimientos centrales (Erduran & Kaya, 2019). Nos permiten reconocer cómo se construyen y aplican tales elementos epistémicos en diferentes contextos y con diversos propósitos. Nos guían en la selección de casos cuyo análisis puede facilitar la comprensión de ideas y modelos químicos fundamentales (Izquierdo-Aymerich, 2013). También nos dirigen en la

DOI: 10.2436/20.2003.02.219 http://scq.iec.cat/scq/index.html

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ISSN 2013-1755, SCQ-IEC Educació Química EduQ número 29 (2021), p. 7-11

evaluación de los beneficios, costes y riesgos personales, sociales, económicos y ambientales de la actividad química, y en la utilización de sus productos y procesos (Bensaude-Vincent & Simon, 2008).

Como educador e investigador del aprendizaje y la enseñanza de la química, los trabajos históricos y filosóficos sobre la naturaleza de la disciplina y del pensamiento

químico han guiado y enmarcado varias de mis investigaciones. Estas incluyen estudios sobre las dificultades de los estudiantes para comprender las propiedades emergentes de las sustancias químicas (Talanquer, 2008) o sobre esquemas cognitivos que guían el razonamiento de los estudiantes y tienen paralelismos con concepciones históricas sobre la naturaleza y el comportamiento de la materia (Talanquer, 2006). También me han abierto los ojos a formas características de explicar y razonar en la disciplina (Talanquer, 2018), y han guiado el desarrollo de un currículo alternativo para la enseñanza de la química a niveles introductorios (Talanquer & Pollard, 2010; 2021). Es este último proyecto en el que se centra esta contribución en la que se describe y discute cómo los análisis históricos y filosóficos de los propósitos centrales del quehacer y pensar en química pueden guiar la conceptualización y el desarrollo curricular.

La química como tecnociencia Nuestras concepciones sobre la naturaleza de la ciencia en general, y de la química en particular, están fuertemente influenciadas por análisis históricos y filosóficos de la actividad científica en el área de la física. Los propósitos, valores, prácticas y métodos de esta disciplina se han asumido como característicos de la ciencia en general y las grandes revoluciones científicas asociadas con los trabajos de físicos renombrados como Galileo, Newton o Einstein se han caracterizado como paradigmas en el desarrollo del pensamiento científico. Aunque esta visión de la naturaleza de la ciencia ha sido cuestionada por diversos autores, quienes resaltan la diversidad de metas y prácticas epistémicas en distintas áreas (Hoffmann, 2007), sigue siendo la perspectiva

dominante en estándares educativos que guían el desarrollo de currículos de ciencias en todo el mundo (NRC, 2007; OECD, 2018).

La química ciertamente comparte metas y métodos de trabajo característicos de la física. Sin embargo, trabajos históricos y filosóficos sobre el desarrollo y la naturaleza de la actividad química revelan diferencias importantes entre estas dos disciplinas. Como los físicos, los químicos están interesados en comprender y explicar las propiedades y comportamientos de los sistemas de su interés. Con este objetivo, implementan prácticas y métodos comunes, tales como realizar observaciones y mediciones, analizar e interpretar datos, así como integrar conocimientos teóricos y evidencias experimentales para generar y aplicar modelos en la construcción de argumentos y explicaciones. Sin embargo, los químicos a lo largo de la historia también han estado interesados en utilizar sus conocimientos para controlar las transformaciones del mundo material con propósitos prácticos, tales como sintetizar nuevas sustancias y acelerar o retardar cambios físicos y químicos de materiales de interés (BensaudeVincent & Simon, 2008).

Se puede argumentar que los conocimientos y métodos de la física también tienen múltiples aplicaciones prácticas. La diferen cia fundamental es que de manera tradicional las aplicacio nes de la física se consideran el campo de interés y acción de otros profesionales: los ingenieros. En el caso de la química, los intereses epistémicos combinan de manera inseparable tanto la comprensión del mundo como su transforma ción y control con fines prácticos. Desde esta perspectiva, es más apropiado caracterizar a esta disciplina como una tecnociencia en la que se integran diversas

formas de conocer el mundo e interaccionar con él: a) la clasifi cación de sustancias con base en propiedades y el razonamiento basado en casos para resolver problemas; b) el análisis y caracte rización de los componentes elementales de los sistemas y la racionalización de su comporta miento por medio de modelos mecanísticos, y c) la manipulación de tales componentes para crear nuevos sistemas con propiedades emergentes (Bensaude-Vincent, 2013; Chamizo, 2013).

La caracterización de la química como una tecnociencia no solo revela el carácter híbrido de las formas de conocer, pensar y hacer en la disciplina sino que también hace explícitos los posibles impactos económicos, sociales, políticos y ambientales de la actividad química. La transformación y diversificación artificial del mundo material facilitado por la química ha abierto múltiples oportunidades para el desarrollo humano, pero también ha creado problemas complejos que hoy día amenazan la subsistencia planetaria. Como ninguna otra ciencia natural, el quehacer y uso de la química vienen acompañados de beneficios, costes y riesgos que no deben ser ignorados. El análisis histórico-filosófico del rol de la química en el desarrollo de las sociedades humanas y su interacción con el medio ambiente sugiere que la adopción de una postura academicista y aséptica en la enseñanza de la disciplina es ética y moralmente irresponsable.

Cómo se enmarcan los conocimientos, habilidades y actitudes deseados

Tradicionalmente, la naturaleza tecnocientífica de la química no se ha representado de manera auténtica y significativa en los currículos escolares. Los cursos convencionales frecuentemente

presentan a la disciplina como un conjunto de conocimientos acabados organizados en forma de escalera temática: estructura atómica, enlace químico, estructu ra molecular, estequiometría de reacciones, termodinámica y cinéti ca química. Este conocimiento normalmente se introduce desco nectado tanto de su poder para darle sentido a propiedades y comportamientos de sistemas de interés, como de su utilidad para transformar y controlar el mundo material con fines prácticos (Talanquer, 2013). Los conceptos e ideas centrales de la disciplina se comunican y aprenden como si tuvieran valor intrínseco en la formación de los estudiantes, y por tanto lo que se evalúa es la capaci dad de los alumnos para reprodu cirlos y no para aplicarlos de manera funcional y productiva en contextos de relevancia para ellos y las sociedades en las que viven.

Dada la gran distancia entre la representación de la química en el currículo escolar tradicional y la caracterización de la disciplina surgida de análisis históricos y filosóficos, hace algunos años nos dimos a la tarea de desarrollar e implementar un currículo alterna tivo más alineado con las formas de conocer, pensar y hacer en la disciplina (Talanquer & Pollard, 2010; 2021). Para lograrlo, abando namos la organización por temas convencionales y en su lugar decidimos utilizar preguntas esenciales que el conocimiento, el razonamiento y la actividad química ayudan a responder. Esta decisión se basó en el convenci miento de que los objetos de apren dizaje debían servir para dar respuesta a preguntas de interés en contextos de relevancia para los alumnos. Además, consideramos que la motivación y el aprendizaje de los estudiantes se favorecerían a través de actividades centradas en la búsqueda de respuestas y no en su mera reproducción.

La investigación y reflexión histórica y filosófica sobre la química ha hecho explícitos metas y valores centrales en la disciplina que apuntan a las preguntas esenciales que motivan y guían el trabajo en esta área (Sevian & Talanquer, 2014). Reconocemos, por ejemplo, que el pensamiento químico ayuda a responder preguntas sobre: la identidad de las sustancias (¿De qué están hechas?), las propiedades que las caracterizan (¿Qué las distingue?), los factores composicionales y estructurales que determinan las propiedades de los materiales (¿Qué determina sus propieda des?), las causas y mecanismos de la transformación de los materia les (¿Por qué y cómo cambian?), las variables que afectan los produc tos y la rapidez y extensión de los cambios químicos (¿Cómo se controlan?) y los efectos de estos cambios en los alrededores (¿Cuáles son los beneficios, costes y riesgos?). En nuestra propuesta curricular, estas preguntas esen ciales guían el trabajo en el aula a través del análisis de situaciones, problemas o fenómenos concretos en escenarios diversos los cuales sirven de ancla para la exploración, la introducción, el análisis y la discusión de conceptos, ideas, prácticas y formas de razonar centrales en la disciplina. Por ejem plo, los saberes, pensares y haceres que nos ayudan a dar respuesta a preguntas sobre de qué están hechas las cosas y cómo diferenciamos sustancias pueden desarrollarse a través del análisis de componentes del aire que respiramos, contaminantes en el agua que bebemos o nutrientes en los alimentos que consumimos.

Qué prácticas disciplinarias se trabajan

Los químicos utilizan una diversidad de prácticas disciplina rias para dar respuesta a preguntas de interés en diversos contextos.

Varias de estas prácticas coinciden con las prácticas científicas generales identificadas en estándares educativos actuales para la enseñanza de las ciencias en distintos países del mundo (NRC, 2007; OECD, 2018): hacer preguntas, planear e implementar investigaciones, analizar e interpretar datos, desarrollar y utilizar modelos, construir argumentos con base en evidencias, generar explicaciones y comunicar resultados. Las reformas educativas guiadas por estos estándares enfatizan la importancia de involucrar a los estudiantes en la comprensión y aplicación activa de estas prácticas epistémicas para dar sentido a fenómenos de interés, no sólo con el fin de desarrollar conocimientos científicos sino también con el objetivo de que los estudiantes entiendan cómo se genera dicho conocimiento. Sin embargo, análisis históricos y filosóficos sugieren que la actividad química también involucra prácticas similares a las utilizadas en ingeniería, tales como la identificación de necesi dades o problemas, la caracteriza ción de criterios y restricciones, el diseño y prueba de soluciones y la evaluación de alternativas (Ben saude-Vincent, 2013; Chamizo, 2013). Desafortunadamente, este segundo grupo de prácticas toma un segundo plano en la enseñanza de las ciencias donde predominan temente se resaltan las metas «explicativas» e «investigativas» de las disciplinas y por tanto se enfatiza la utilidad del conoci miento y las prácticas científicas para darle sentido a propiedades y comportamientos de sistemas de interés. Se promueve que los estudiantes construyan argumen tos con base en evidencias y generen explicaciones utilizando modelos con el objetivo principal de entender cómo y por qué suceden diversos fenómenos.

Sin demeritar la importancia de involucrar activamente a los estudiantes en tareas con fines explicativos e investigativos, nuestro currículo de química alternativo busca encontrar un balance entre este tipo de activida des y tareas que demandan la aplicación de conocimientos, prácticas y formas de razonar en la disciplina para identificar problemas de relevancia, diseñar o seleccionar soluciones potenciales, evaluar los beneficios, costes y riesgos (individuales, sociales, económicos, ambientales) de diferentes opciones, y tomar decisiones justificadas. La combi nación de estos diferentes tipos de actividades representa de manera más auténtica la actividad química y crea oportunidades para que los estudiantes apliquen diversas formas de pensar, hacer y actuar en la disciplina no solo con el fin de entender cómo se investi ga el mundo para explicarlo, sino también cómo se diseñan, prue ban y evalúan distintas soluciones a problemas complejos y cómo se toman decisiones informadas.

Qué formas de razonar se desarrollan

El énfasis en el poder explicativo del conocimiento científico en los estándares educativos actuales también tiene consecuencias en las formas de razonamiento que se promueven. Dado el poder y la productividad del pensamiento analítico en ciencias, hoy día se valora que los estudiantes construyan explicaciones mecanísticas haciendo uso de modelos. En estas actividades se busca que los estudiantes reconozcan los componentes relevantes de un sistema, que caractericen sus propiedades e interacciones, y que utilicen estos conocimientos para construir historias causales que expliquen cómo y porqué emergen las propiedades o el comportamiento

del sistema (Krist, Schwarz & Reiser, 2018).

La capacidad de construir explicaciones mecanísticas es de gran importancia en química, pero, de nuevo, los estudios en historia y filosofía de la química sugieren que otras formas de razonar son también productivas en la disciplina. Por ejemplo, el razonamiento basado en casos se utiliza frecuentemente en química sintética para identificar el tipo de reactivos y reacciones químicas que favorecen la formación del producto deseado (Kovac, 2002). Esta forma de pensar se basa en el uso de poderosos sistemas de clasificación que encapsulan infor mación sobre las propiedades de diversas clases de sustancias y los efectos de diferentes tipos de procesos (Schummer, 1998). Un currículo de química más auténti co debe crear oportunidades para que los estudiantes reconozcan y apliquen este tipo de razonamien to en la solución de problemas relevantes (por ejemplo, sintetizar un material con propiedades especificadas).

Dada la complejidad de los problemas planetarios que hoy día enfrentamos, muchos de ellos con un origen y posibles soluciones de naturaleza química, es también importante que los estudiantes desarrollen formas de pensar sistémicas (Orgill, York & MacKellar, 2019). Este tipo de razonamiento demanda el reconocimiento de propiedades que emergen de la interacción entre partes, pero no son características de los componentes individuales. Es un pensamiento sintético y holístico que busca entender el comportamiento de un sistema y controlarlo a través del estudio simultáneo de la totalidad y las interacciones dinámicas entre sus partes. Es una forma de razonar que no solo considera el subsistema químico de interés sino también sus

interconexiones con los subsistemas sociales, económicos y ambientales de los que forma parte. Estudios históricos muestran claramente los peligros de desconectar la actividad y el pensamiento químicos de sus consecuencias a distintos niveles y escalas (Bensaude-Vincent & Simon, 2008). Es por ello que en nuestra propuesta curricular se busca embeber la comprensión de fenómenos químicos a través del estudio de sistemas complejos que los afectan y a los cuales influencian (por ejemplo, aprender sobre equilibrios ácido-base a través del estudio de la interacción entre sistemas humanos, atmosféricos y marinos que afectan la formación de conchas calcáreas en moluscos).

Comentarios finales

Este ensayo busca ilustrar cómo análisis históricos y filosóficos sobre las formas de conocer, pensar y actuar en química pueden servir de guía para construir currículos que de manera más auténtica representen las metas y valores, las prácticas, las formas de razonar y la utilidad de aprender la disciplina. Estos estudios hacen explícitas características distintivas de la química y ayudan a evaluar en qué medida los currículos tradicionales o dominantes deben ser modificados o enriquecidos para crear oportunidades de aprendizaje más significativas. Por lo menos en los Estados Unidos, los estándares educativos actuales para la enseñanza de las ciencias enfatizan las metas explicativas, las prácticas investigativas y el razonamiento mecanístico. Este sesgo debe ser reconocido pues da lugar a una representación parcial de los intereses, saberes, pensares, haceres, alcances e impactos de la química.

La tragedia humana provocada por la propagación del virus

COVID-19 en este último año y las diversas actitudes, decisiones y acciones tomadas por distintas personas ante la pandemia resaltan la urgencia de reflexionar sobre la enseñanza de las ciencias desde las perspectivas histórica, filosófica y humanista. Está claro que la enseñanza tradicional no está preparando a individuos con la capacidad no sólo de entender cómo se transmite una infección o cómo se previene o controla, sino también de interpretar datos, sopesar evidencias, evaluar alternativas y tomar decisiones informadas. Individuos que puedan pensar sistémicamente y reconocer que las decisiones y acciones personales tienen consecuencias sociales, políticas y ambientales que no necesariamente se manifiestan localmente o de inmediato. La naturaleza de la química la hace una candidata ideal para desarrollar los conocimientos, prácticas y formas de razonar que el mundo complejo en el que vivimos demanda. Pero para lograrlo debemos escuchar a la voz de la historia y la filosofía e implementar sin demora los cambios necesarios.

Referencias

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Vicente Talanquer

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

C. e.: vicente@arizona.edu

ISSN 2013-1755,

La química como un sistema de prácticas. Una alternativa para su enseñanza

Chemistry as a system of practices. An alternative for your teaching

José Antonio Chamizo / Facultad de Química-Instituto de Investigaciones Filosóficas, UNAM, México

resumen

La química es un sistema de prácticas científicas y tecnológicas, experimentales, estabilizadas y enseñadas de la misma manera en la mayoría de los países. A lo largo de su historia las comunidades químicas, ferozmente realistas, fueron integrando entidades (átomos, iones, orbitales) que les permitían explicar pragmáticamente sus propias prácticas. Diferentes a las de la física, las prácticas de la química tienen su propio método: análisis y síntesis, muchas veces en una combinación dialéctica. Resultado de sus prácticas, las comunidades químicas cada día añaden al mundo más de 15.000 sustancias nuevas que constituyen una sobrenaturaleza.

palabras clave Prácticas químicas, sustancias químicas, análisis, síntesis, entidades químicas.

abstract

Chemistry is a system of scientific and technological practices, experimental, stabilized and taught in the same way in most countries. Throughout their history, fiercely realistic chemical communities were integrating entities (atoms, ions, orbitals) that allowed them to pragmatically explain their own practices. Different from those of physics, the practices of chemistry have their own method: analysis and synthesis, often in a dialectical combination. As a result of their practices, chemical communities add more than 15,000 new substances to the world every day, constituting a supernatural nature.

keywords

Chemical practices, chemical substance, analysis, synthesis, chemical entities.

«[...] la química, al igual que cualquier otra actividad humana, está profundamente arraigada en las prácticas sociales que dan forma a su identidad (ser químico), normas (lenguaje), convenciones (fondos de investigación, subvenciones), discursos (publicaciones), instrumentos (laboratorios, cultura experimental) e instituciones (universidades, centros de investigación, academias). Por lo tanto, «hacer» química se fusiona con «hacer» política. Dado que los químicos crean un contexto político para sus propias prácti-

cas, el producto químico se convierte en un elemento político en un contexto específico.

Del mismo modo, las fábricas, laboratorios y otros lugares de la química actúan como mediadores entre expertos, ideología política y propaganda en una sociedad de consumo basada en la tecnología.»

Agustí Nieto-Galán (2019: 2)

Introducción

La forma tradicional cómo enseñamos las ciencias, y la química en particular, apela a una pureza, objetividad y neutralidad

que difícilmente coincide con su desarrollo histórico en diversos lugares del mundo. Tal como hoy la conocemos, la química es resul tado de una multitud de herencias que, concretadas en oficios, influyeron en la vida cotidiana de todas las culturas. No deja de ser sorprendente que prácticas tan diferentes y antiguas como la del herrero y la metalurgia, el curandero y la farmacia, el alfarero y la cerámica, el panadero y la biotecnología hayan podido estar reunidas y terminar por fundirse, entre los siglos xViii y xix, en un

campo común. Ese terreno que hoy conocemos como química es donde se estudia, se practica y se transmite cómo transformar las sustancias, en pequeñas y en muy grandes cantidades. Por ello, la química es una ciencia y también una tecnología, es decir una tecnociencia, y en su enseñanza hay que abordar ambos aspectos. Valga con mostrar tres ejemplos:

— Contra la generalizada idea de que somos libres de sintetizar y producir cualquier sustancia química, hay que hablar y enseñar sobre el Protocolo de Montreal. Los que en su día se consideraron «magníficos» freones (clorofluorocarbonos) por sus eficaces aplicaciones en la vida cotidiana, reducen la capa de ozono estratosférico.

— Contra la generalizada idea de que el arsénico es malo, de manera absoluta, hay que hablar y enseñar que un descubrimiento de las prácticas alquimistas, precursoras de las químicas, fue «la dosis es el veneno». El contexto es importante.

— Contra la generalizada creencia de que hay que memori zar los principios de la química (fundamentalmente físicos) y la tabla periódica, debemos rescatar el estudio de los productos de sus prácticas, las sustancias químicas. Convivir con ellas representa un riesgo. Hoy las sociedades huma nas vivimos más tiempo que nunca antes, y lo hacemos rodeados de contaminantes, alimentos preparados, medicinas y otras muchas sustancias químicas.

En el presente texto se argu menta a favor de asumir la quími ca como un sistema de prácticas y considerar los cambios que esto conlleva en su enseñanza.

La química como un sistema de prácticas

Hace décadas, el filósofo escocés A. Pickering indicó que: «Hacer “ciencia” es verdaderamen

te trabajar y este trabajo requiere recursos para su realización [...]; “cultura” denota el campo de recursos de los que hacen uso los científicos en su trabajo; y “prácti ca” hace referencia a los actos de hacer (y deshacer) que llevan a cabo en ese campo» (Pickering, 1992: 3). Con ello se reivindicó la validación de los instrumentos (Baird, 2004), la intervención (Hacking, 1983), la experimenta ción y la creación, en las prácticas centrales de la química (Llored, 2013). Actualmente se reconoce que las comunidades científicas y tecnológicas son comunidades de prácticas, entendiendo por práctica la serie de actividades coordinadas y compartidas (procedimientos, propósitos, creencias) que se disciplinan mediante el cambio de normas o procedimientos «correc tos» en el interior de una determi nada comunidad, que es la que identifica y corrige los «errores» (Martínez & Huang, 2015). Así, una práctica tiene una estructura estable con capacidad de reprodu cirse a través de diferentes procesos de aprendizaje. Una práctica específica da por sentado conocer otras prácticas diferentes y, más en general, una serie de presupuestos culturales que permiten distinguir una práctica de otra (Olivé, 2008).

La química fue la primera, de entre todas las demás ciencias, en dotarse de un laboratorio. Tanto entonces como ahora, el laborato rio sigue siendo el lugar privilegia do de práctica donde los químicos producen tanto modelos como sustancias (Morris, 2016). Las comunidades de prácticas quími cas, herederas de milenarios oficios artesanales, son experi mentales y crecieron con la incorporación de nuevos instru mentos que dieron lugar a nuevas subdisciplinas (Chamizo, 2014; 2017; 2019). A través de sus actividades de laboratorio, tanto académicas como industriales,

centradas en el análisis y la síntesis, los químicos desarrolla ron una forma específica de pensar y adquirieron puntos de vista específicos sobre la transfor mación de las substancias en lo que puede reconocerse como «una manera de conocer» tecnocientífi ca. A finales del siglo xix las tecnociencias modernas se gestaron a partir de la química orgánica industrial en Alemania y de la electricidad industrial en los Estados Unidos, ambas prácticas protegidas por patentes. Hace pocos años el filósofo vasco J. Echeverría introdujo una clara caracterización de la tecnociencia, particularmente en lo que se refiere a la pureza del conocimien to científico (tabla 1) y «para describir todos los elementos vinculados a contenidos científicos sin que importe lo sucios, inespe rados, o extraños que parezcan» (Latour, 1992: 168). Tal y como la conocemos hoy la química es uno de los mejores ejemplos de tecnociencia.

Finalmente, las prácticas químicas consideran un saber tácito (Polanyi, 1966) aquel que no puede expresarse en palabras, propio de diferentes actividades de investigación, y que poco a poco se ha ido reconociendo como fundamental en la filosofía de las ciencias experimentales. En su variante científica, pero más aún en la tecnológica e industrial, las prácticas químicas apelan al pragmatismo.

La historia de la química puede reconstruirse a partir de las prácticas que llevaron a cabo diferentes comunidades, es decir, los hechos emanados de los pequeños laboratorios de investigación, amplificados enormemente a través de los procesos industriales y que han transformado la faz del planeta. Así, estamos hablando de pluralismo (Chang, 2012). Tanto en las prácticas químicas de ayer como

Estratègies didàctiques

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número 29

La química como un sistema de prácticas. Una alternativa para su enseñanza

La tecnociencia no es solo la búsqueda de conocimiento representacional adecuado, sino ante todo:

Un sistema de acciones eficientes basadas en conocimiento científico que transforman el mundo.

Las acciones están desarrolladas tecnológica e industrialmente, y ya no versan solo sobre la naturaleza, también se orientan a la sociedad y a los seres humanos, sin limitarse a describir, explicar, predecir o comprender el mundo, sino tendiendo a transformarlo basándose en una serie de valores.

Los valores son satisfechos, en mayor o menor grado, por la actividad tecnocientífica y por sus resultados; entre dichos valores, la verdad o verosimilitud no ocupan el lugar central, aunque siguen teniendo un peso específico considerable.

Por oposición a la ciencia moderna, la tecnociencia implica no solo una profesionalización sino una empresarialización de la actividad científica.

La tecnociencia, como la ciencia, también se enseña públicamente, pero a diferencia de esta última el conocimiento y la práctica tecnocientífica tienden a privatizarse.

La tecnociencia no solo es un instrumento de dominio y transformación de la naturaleza, sino también de las sociedades.

La tecnociencia se inserta en un nuevo sistema de producción, al que podemos denominar postindustrial (sociedad del conocimiento y de la información).

La tecnociencia no se reduce a la razón pura (epistéme), sino que es, además, una modalidad de la razón práctica, puesto que transforma el mundo conforme a criterios, métodos, acciones y objetivos discutibles racionalmente.

Tabla 1. Algunas de las características de la tecnociencia (Echeverría, 2003: 318).

en las de hoy, al aceptar el pluralismo de propósitos, que para unos consiste en sintetizar una nueva substancia, para otros en producirla en grandes cantidades, y aún para otros verificar que no contamina el medio ambiente, se rechaza la idea propia del monismo identificado con un único método científico.

Las prácticas de la química son generalmente diferentes de las prácticas de la física. Tienen su propio método: análisis y síntesis, muchas veces en una combinación dialéctica.

Desde el principio, el análisis de las sustancias, asociado permanentemente al concepto de pureza, ha sido una obsesión para los químicos. Toda vez que las sustancias «naturales» no son puras, la separación de las partes que las constituyen, el aislamiento de lo que se quiere, ha sido una constante de las prácticas químicas, incluso desde que éstas eran alquímicas. Una buena parte de la historia de la química se centra en el estudio de las

técnicas de separación y purificación. El filósofo y profesor de química francés G. Bachelard lo dice así: «...el químico busca primero la sustancia homogénea, después pone en tela de juicio la homogeneidad, buscando detectar lo otro en el seno de lo mismo, la heterogeneidad oculta en el seno de la homogeneidad evidente» (Bachelard, 1976: 103).

Hoy queda claro que no hay tal cosa como sustancias puras. Lo que hay es un modelo de sustancia pura (Chamizo, 2013; Fernández, 2013) que se ha venido construyendo en la interfase de la tecnoquímica a lo largo de los años. A lo que tenemos acceso directo es a una sustancia «predominante» mezclada en cantidades menores, o muy menores, con otras sustancias diferentes. La pureza depende de nuestra posibilidad técnica de identificar impurezas. Por ello la IUPAC, el máximo organismo internacional para establecer las reglas del lenguaje químico, define el límite de detección como

aquel que indica la concentración cL o la cantidad qL obtenida por la medición más pequeña XL que puede ser detectada con una razonable certidumbre por una técnica analítica particular. Diferentes técnicas indican diferen tes niveles de pureza. Por ello, generalmente cuando se indica la pureza se menciona la técnica de análisis a través de la cual se ha reconocido. Los avances experimentales particulares de determinada práctica van redefiniendo la pureza y con ello el propio conocimiento químico, asunto que tiene particular importancia cuando nos referimos a sustancias potencialmente tóxicas, por ellas mismas o por los productos de su descomposición.

Respecto a la síntesis desde su origen milenario, a través de los oficios, la principal forma en que los químicos hoy ‘saben’ es ‘haciendo’, y esta práctica química caracterizada por la acción siempre ha aumentado la complejidad del mundo. Mediante el funciona miento de sistemas que hoy

identificaríamos como tecnoquí micos, los seres humanos, confor me agentes voluntarios, obtienen objetos que no estaban en el mundo, como la dinamita, la aspirina, el nylon, los freones y los millones de sustancias artificiales que constituyen una sobrenatura leza, y que filosóficamente son llamados artefactos. No hay sustancias nuevas, o artefactos, sin acción y sin diseño. No son solo el resultado de una acción huma na intencional, también tienen un significado incrustado en un contexto histórico específico. Los profesionales de la química (unos pocos millones de personas en todo el mundo) fundamentalmen te fabrican sustancias nuevas. A través de sus prácticas de síntesis, la cantidad de sustancias pasó de varios cientos en 1800 a más de 150 millones a principios del siglo xxi, la mayoría de las cuales se comercializan. Y cada día se

añaden más de 15.000 sustancias nuevas, es decir, una cada seis segundos. Como ha indicado el filósofo alemán J. Schummer (1999), la síntesis de nuevas sustancias hace de la química la ciencia más productiva. El Chemical Abstracts, la base de datos que informa sobre la mayoría de las publicaciones de nuestra discipli na, reportó hace pocos años que hay prácticamente el mismo número de publicaciones en química que en todas las demás ciencias en conjunto.

Las prácticas químicas funcio nan mejor con modelos que con teorías. Los modelos son represen taciones, basadas generalmente en analogías, que se construyen contextualizando cierta porción del mundo con un objetivo específico (Chamizo, 2013). Los modelos se construyen para explicar y predecir una determina da porción del mundo, relacionado

con una determinada práctica química, como aquella que aborda las reacciones de sustitución. Porque en química, los modelos también son mediadores entre el mundo real y nosotros, lo que significa que funcionan no solo como representaciones, sino también como medios de interven ción (tabla 1), por ejemplo, las fórmulas berzelianas como herramientas de papel en la práctica de la química orgánica del siglo xix. Porque diferentes mode los para el mismo campo de aplicación pueden coexistir y complementarse de manera útil, por ejemplo, en reacciones ácidobase actuales. Todo lo anterior en oposición a las teorías que se caracterizan principalmente como objetos conceptuales abstractos con una estructura lógica.

Las prácticas químicas son realistas y asumen la existencia de diversas entidades. Específicamente

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Laboratorio de Química de J. von Liebig en Gissen, Alemania, durante la primera mitad del siglo xix

Aquí se desarrolló la enseñanza experimental de la química al estructurar Liebig el siguiente patrón de trabajo que finalmen te es el que se utiliza hoy, prácticamente en todo el mundo: sugería al estudiante un problema menor de un tema importante sobre el que él mismo trabajaba y que debería resolverse utilizando métodos y procedimientos experimentales que Liebig ya había desarrollado, es decir, el alumno se incorporaba a una práctica específica. El alumno que aparece en el extremo izquierdo de la imagen fue Vicente de Ortigosa, el primer doctor en química del continente americano. A este mexicano, Liebig le propuso el tema de la determinación de la fórmula mínima de la nicotina, asunto que resolvió con éxito y publicó en una revista de química (una práctica que entonces ya empezaba a ser internacional).

respecto a las entidades, el filósofo griego T Arabatzis (2008) escoge el término entidades ocultas para eliminar las dificultades que presentan otras taxonomías, como entidades teóricas, entidades inobserva bles o entidades hipotéticas, y decide considerar más de un criterio epistemológico para establecer su estatus ontológico, es decir su existencia. Así, la primera caracte rística de las entidades ocultas es que puedan ser manipuladas experimentalmente en el denomi nado realismo de las entidades. Una segunda característica es que sean objeto de un conjunto de prácticas desarrollado histórica mente. Esto tiene que ver con su estabilidad social en el desarrollo histórico de determinada práctica ya que se les puede asociar a una constelación de efectos capaces de ser explicados por esa única entidad oculta. Más aún, la repetida determinación de las propiedades de una entidad oculta, en diferentes entornos experimentales, es una razón importante a favor de su existencia, de su reconocimiento ontológico. Tal fue el caso en la química de los átomos, las molécu las, los electrones, los isótopos, los

iones, los radicales libres, el espín o las nanopartículas. Todas ellas entidades ocultas que caracterizan las cinco diferentes revoluciones químicas (Chamizo, 2014; 2017; 2019).

Las comunidades químicas asumen y defienden la realidad de sus entidades a pesar de que contrastadas con las comunidades físicas no siempre coinciden. Ambas comunidades tienen prácticas y ambiciones diferentes. A diferencia del ideal del universa lismo y la búsqueda de una única verdad (defendida por los físicos), la metodología de la química propor ciona un tipo de conocimiento tácito y pragmático, que comparten la mayoría de las ciencias de laboratorio experimentales. Una práctica no es mejor que otra. Si por ejemplo la mecánica cuántica se reconociera equivocada, los químicos seguirían sintetizando nuevas sustancias, como ya lo hacían antes de su surgimiento.

Las prácticas químicas pueden reconocerse como un ejemplo de la denominada cultura material (Preston, 2013). El objetivo de los estudios de la cultura material es investigar la relación entre las

cosas y las personas. Las cosas pueden ser una piedra, una lata con comida, una botella de plástico con agua, un cerillo, un medicamento o una casa. Las cosas se reconocen en el pasado o en el presente, en grandes sociedades urbanas e industriales o en pequeñas sociedades rurales. La cultura material sitúa a las personas, su vida y su identidad a través de las cosas que les rodean. En una oficina, en un laboratorio, en una escuela, en una ciudad, en una granja. Para la cultura material nuestra identidad no es algo ya totalmente formado cuando nace mos, sino que también es construida a medida que vivimos en el mundo, mundo cambiante por las cosas que nos rodean. Para la cultura material las sustancias químicas, puras y mezcladas, también son cosas.

La relación entre las cosas y las personas cambió fundamental mente cuando éstas aprendieron a controlar y producir fuego. Desde entonces las personas hacen y usan cosas, y las cosas hacen personas. Desde entonces, hace decenas de miles de años, esas personas están fuera de la naturaleza. Desde entonces, somos personas artificiales.

La enseñanza de la química a partir de su práctica

Liebig además de investigar sobre agroquímica patentó un proceso para obtener «extractos de carne», un ejemplo de práctica tecnocientífica. Las enormes e importantes instalaciones industriales que se construyeron en Fray Bentos (Uruguay) a principios del siglo xx, con la operación de la licencia de dicha patente, llevaron a la UNESCO a declarar Patrimonio Mundial el Paisaje Industrial de Fray Bentos.

Desde hace siglos, las activida des realizadas en los laboratorios, espacios dedicados al trabajo práctico y no a la investigación teórica, han sido consideradas de menor nivel intelectual. En latín, laborare nos remite al trabajo manual, el cual era realizado, tanto en el Imperio romano como en las ciudades griegas que le antecedie ron, por los esclavos. El filósofo inglés del siglo xVii T. Hobbes, indicaba la inferioridad social de aquellos que se dedicaban al trabajo manual: drogueros, jardineros, herreros, mecánicos..., es decir, aquellos que suponían que

Educació Química EduQ

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con dinero (con el cual comprar mejores materiales y equipamien to) podían obtener conocimiento estaban equivocados. Para Hobbes y para otros muchos académicos de su tiempo e incluso de hoy, una biblioteca era mucho mejor que un laboratorio. Esta idea caló fuerte mente en la mentalidad y en las universidades iberoamericanas, particularmente en lo referente a la investigación y enseñanza de la química, en la que se privilegió el hablar al hacer, el repetir al crear.

En las prácticas de la química, el laboratorio escolar, académico o industrial, es el lugar central donde se lleva a cabo el experimento químico. Los experimentos químicos involucran sustancias químicas, es decir, una enorme cantidad de entidades ocultas, moléculas o iones. En las reacciones químicas las sustancias se miden en moles. Hay una ontología para las sustan cias y otra para las entidades ocultas. Hay modelos para ellas, así como para las reacciones químicas. Por eso hay que enseñar a modelar.

Como bien saben los docen tes, al participar en una práctica experimental se sabe qué hacer y qué decir, aunque una parte del conocimiento de la misma sea conocimiento tácito. Las prácticas químicas pueden ser también tecnocientíficas y eso hay que enseñarlo.

Muchas veces las modificaciones más importantes en las prácticas químicas son causadas por innovaciones experimentales, asociadas a la incorporación de nuevos instrumentos, más que por la aceptación de una nueva teoría.

A lo largo de su historia las comunidades químicas, ferozmente realistas, fueron integrando entidades que les permitían explicar pragmáticamente sus propias prácticas. Ajenas a las discusiones metafísicas asumieron que la realidad subyace en sus propias entidades. Así fue, y es, con los átomos (Chamizo & Garritz, 2014) o con los orbitales moleculares. Hay que reconocer que la química no se reduce a la física, que ambas

disciplinas tienen ambiciones diferentes y que la historia y la filosofía permiten identificarlas.

Las prácticas químicas se ocupan de las relaciones establecidas entre las sustancias a medida que experimentan un cambio radical. Por lo tanto, las propiedades químicas son relacionales; caracterizan las relaciones entre unas sustancias específicas y otras sustancias con las que interactúan y se transforman. Por otro lado, las relaciones químicas son notoriamente selectivas. Por ejemplo, si colocamos juntas tres sustancias diferentes, carbón, azufre y salitre, obtenemos una mezcla conocida hace siglos como pólvora, que tiene la propiedad que al calentarse da lugar a otras cuatro sustancias diferentes de las originales... ¡explotando! Empleando el lenguaje de la química escolar, la reacción química correspondiente es:

8C(s) + 3S(s) + 10 KNO3(s) → 2 K2CO3(s) + 3K2SO4(s) + 6CO2(g) + 5N2(g)

Liebig perfeccionó el «kaliapparat», instrumento que permitía determinar a sus alumnos la composición de algunos compuestos orgánicos. Dicha determinación es desde entonces una práctica indispensable en la caracterización de la estructura de cualquier sustancia química.

La intensidad de la explosión variará dependiendo de la relación que guarden entre sí las cantida des originales de las sustancias involucradas. Más aún, si cambia mos una de esas tres sustancias por otra, digamos el salitre por la sal común, o agregamos una sustancia más, por ejemplo, agua, no hay reacción, no hay explosión. Las sustancias químicas cambiaron y siguen cambiando el mundo, y nosotros cambiamos con ellas. Un mundo con una sobrenaturaleza construida técnicamente ha pasado desapercibido para los filósofos de la ciencia y para muchos educadores y practicantes de la química. Hay que conocerlo y enseñarlo explícitamente. Como también hay que enseñar el contexto químico en el que vivimos, del que venimos y hacía el que vamos. Más que

La química como un sistema de prácticas. Una alternativa para su enseñanza

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cubrir única y burocráticamente un programa basado en los princi pios de la física, reconozcamos y legitimemos nuestra propia tradición (Chamizo, 2018).

Conclusión

Es a través de las reacciones químicas que se generan multitud de nuevas sustancias. Esta peculiaridad tremendamente exitosa de las prácticas químicas, esta fabricación de artefactos utilizando modelos propios, muchos de ellos construidos ad hoc, ha provocado un debate ético que sigue siendo presente. Un debate característico de las tecnociencias. Por ello hay que enseñar las prácticas químicas: experimentando, modelando, decidiendo, asombrando. Como dijo el pensador francés M. Montaigne siglos atrás: «el niño más que un vaso por llenar es un fuego que encender». ¡Tomemos el riesgo de prenderlo!

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Doctor en química organometálica por la University of Sussex. Desde 1977 es profesor de la Facultad de Química y del Instituto de Investigaciones Filosóficas de la Universidad Nacional Autónoma de México.

Ha publicado más de 200 artículos, capítulos en libros y libros arbitrados, sobre química, educación, historia, filosofía y divulgación de las ciencias por los que ha recibido diferentes premios de instituciones nacionales e internacionales.

C. e.: jchamizo@unam.mx

José Antonio Chamizo

Ensenyar química: una aproximació històrica i filosòfica

Teaching

chemistry: a historical and philosophical approach

Mercè Izquierdo Aymerich / Departament de Didàctica de les Ciències i de les Matemàtiques. Universitat Autònoma de Barcelona

resum

La química busca respostes a les preguntes que plantegen els canvis químics en la constitució interna de la matèria, però no ho fa com un cirurgià amb el seu bisturí: furgant en l’interior dels materials no trobarà res. És la filosofia la que li obrirà els ulls; és la pràctica la que va establint les ulleres que comparteixen les comunitats científiques. I el llenguatge crearà les entitats que veuen els científics amb aquests ulls filosòfics i amb aquestes ulleres pràctiques. En aquest article es proposa començar a ensenyar química a partir de canvis químics propers als alumnes. La història i la filosofia de la química ens ajuden a recuperar el significat de les respostes teòriques.

paraules clau

Fonamentació en la història, significat de les paraules, pràctica teòrica.

abstract

Chemistry looks for answers to the questions posed by chemical changes in the internal constitution of matter, but it does not do so like a surgeon with his scalpel: digging into the materials you will not find anything. It is philosophy that will open your eyes; it is the practice that is establishing the glasses shared by the scientific communities. And language will create the entities that scientists see with these philosophical eyes and with these practical glasses. This article proposes to start teaching chemistry from close chemical changes for students. The history and philosophy of chemistry help us to recover the meaning of the theoretical answers.

keywords Foundation in history, meaning of words, theoretical practice.

1. Introducció: el problema és que el canvi químic no és un problema!

L’escola es compromet a fer que totes les persones puguin apropar-se a les explicacions científiques i, per tant, ha d’oferir a tothom formació bàsica en química. Però moltes persones la consideren difícil de comprendre, innecessària i poc útil, segurament perquè la identifiquen amb unes fórmules que es refereixen a un saber cert però inaccessible. Potser per això hi ha poca química en els currículums: gairebé invisible en els de primària, treu una mica el cap a tercer d’ESO... i ja és

DOI: 10.2436/20.2003.02.221 http://scq.iec.cat/scq/index.html

optativa a quart d’ESO i als batxillerats. Tot plegat, ben poca cosa per a un «saber» que es pregunta sobre el canvi material més sorprenent de tots, malgrat ser tan quotidià com esmorzar cada matí i omplir el dipòsit del cotxe de benzina quan toca. Sense química, no es pot comprendre com funciona el món.

No hi ha acord sobre què en senyar. Parlarem dels àtoms, electrons i enllaços, de les fórmu les, aprendrem la taula periòdi ca? Farem experiments que im pacten tot i que siguin difícils d’interpretar? En general, s’opta per la primera opció: cada ele

ment, un símbol; cada símbol, una casella de la taula periòdica, que correspon a una estructura dels àtoms que s’enllacen i se separen en tots els canvis quí mics. El conjunt queda bonic i endreçat, explicat... en els llibres! Però això no és química, només són paraules que no connecten amb els canvis reals.

La tesi d’aquest article és que, a classe, s’ha de començar per generar activitat química (escolar) intervenint en canvis químics reals i compartint els dubtes i la sorpresa (les vivències) que es generen. Amb això, la didàctica de la química i els currículums fan

ISSN 2013-1755, SCQ-IEC Educació Química EduQ número 29 (2021), p. 19-27

seves les aportacions de les ciències cognitives en els darrers cinquanta anys, que vinculen l’emergència de coneixement a les emocions pròpies d’una activitat motivada, competencial.

Els professors han de gestionar aquesta activitat i dissenyar unitats didàctiques que la facin possible. Han d’afavorir les preguntes autèntiques que són prèvies a les respostes (parcials!) que arribaran a partir del treball a classe. Aquesta és una situació inèdita, perquè, segons la tradició docent, es comença per explicar la teoria (les respostes a qüestions que encara no s’han formulat) i mostrar exemples d ’ aplicació, estal viant als alumnes les incerteses que genera la pràctica. Ara, en canvi, cal identificar les qüestions bàsiques de la química a l’abast de l’activitat cognitiva dels alumnes (del que poden fer, pensar i comunicar). I la més bàsica, la que és imprescindible per comprendre bé els fenòmens del món i de la vida, és l’aparició i desaparició de substàncies i la conservació dels elements; i requereix diferenciar el canvi químic del canvi d’estat d’agregació. Els àtoms són una bona idea; adquireixen significat químic quan s’usen per explicar aquests fets.

S’està tan avesat a explicar que el canvi químic és «una reor ganització dels àtoms dels ele ments, que es conserven», que podem no veure’l com un proble ma; si fos així, desapareixeria el repte de donar significat als fenò mens i al procés de canvi. Ens diu el filòsof Ludwig Wittgenstein (1995): «Els nostres nens aprenen ja a l’escola que l’aigua està for mada pels gasos hidrogen i oxi gen… Qui no ho entengui és ton to. S’amaguen els problemes més importants.»

Efectivament, és ben difícil de creure aquesta afirmació sobre l’aigua que se sosté amb la fórmula H2O. I ens fa pensar que «si

s’amaguen els problemes de la química» no es pot ensenyar a resoldre’ls.

A. L. Lavoisier (1743-1794), considerat sovint el fundador de la química moderna, era molt crític amb la química que s’ensenyava en la seva època. Deia que va emprendre la reforma de la química empès per l’interès que intuïa en aquell conjunt de coneixements i pràctiques mal estructurats, que només entenien els que ja hi estaven avesats i sabien de què es parlava («em va sorprendre la foscor de les beceroles d’aquesta ciència», afirma). Com a representant del segle de les llums i de l’Acadèmia de Ciències que acollia els nous sabers il lustrats, havia de combatre aquesta foscor i així ho va fer. Es va proposar reformar el llenguatge de la química, per tal d’ensenyar-la millor (entre altres motius) i des de llavors, al llarg de tot el segle xix, la química ha perfeccionat el seu llenguatge, que diu en fórmules tota mena de canvis: des dels fenòmens en els quals intervé l’atmosfera fins als que es produeixen a les laves a l’interior de la Terra o en les cèl·lules dels éssers vivents.

Potser ara, en la societat actual del coneixement a l’abast de tothom, és el moment de fer una cosa semblant, però al revés. Si bé a l’escola es vol introduir els alumnes a la química amb el llenguatge teòric tan estimat per Lavoisier, cal començar per «viure» les experiències més rellevants i que fan pensar: aquest llenguat ge que ho diu tot no diu res de res a aquells que encara no saben de què va la química.

És per això que, per recuperar les preguntes bàsiques, ens cal contemplar la història de la quí mica amb els ulls de la filosofia. S’ ha dit que la filosofia de la ciència sense la història és bui da, també que la història sense la filosofia és cega. Hi podem

afegir que la didàctica de les ciències és cega i buida sense les dues, perquè no sap sobre què ensenyar a pensar ni què és pen sar sobre el món material. La principal aportació que totes dues fan a la didàctica de la quí mica és omplir d ’ humanitat un temari que s ’ ha confegit pensant principalment en els conceptes teòrics propis de la disciplina, despullats de pràctica.

Farem un repàs de la història i filosofia de la química en l’apartat 2, per comprendre millor quines són les preguntes bàsiques que poden generar una activitat química escolar (AQE) genuïna, interessada pel canvi químic. En els apartats 3 i 4 es proposa un disseny que s’alimenta d’aquesta reflexió i es deixa inspirar per ella. El desig de compartir-ho és degut a l’enriquiment que suposa considerar-nos hereus d’aquesta aventura de donar significat al canvi químic.

2. Què diuen la història i la filosofia del canvi químic?

La proposta d’aquest apartat és identificar la mirada primitiva al canvi químic (les preguntes dels primers filòsofs que van saber veure ordre en els canvis) i les expectatives que van fonamentar l’activitat de les persones que s’hi han compromès al llarg dels segles (l’activitat química al llarg del temps); amb això, ens apropem als «problemes importants» de què ens parlava Wittgenstein. Ens interessa, i molt, enriquir-nos amb el pensament de tantes i tantes persones que han viscut en aquest planeta: hi han crescut i hi han mort, hi han pensat i hi han estimat..., totes les seves vivències han estat humanes i ens enriqueixen com a humans.

Vivim en un planeta on el Foc, la Terra, l’Aigua i l’Aire encara representen l’essència dels materials canviants que ens envolten, malgrat la diversitat de significats

que se’ls ha atribuït al llarg dels temps. En l’inici, Empèdocles (490-430) els va considerar els elements dels materials i més tard Aristòtil (384-322) va vincular aquests elements a les propietats bàsiques que es van atribuir als materials que canvien: fred-calent (estàtic-dinàmic) i sec-humit (sòlid o fluid). Vet aquí una genial síntesi que encara ara té sentit si pensem en els canvis d’estat i en la teoria cineticomolecular.

Però també els filòsofs grecs idealistes van fer la seva aportació bàsica al raonament sobre el món natural. Parmènides (515-470 aC), metafísic, deia allò tan savi: «Si és, no pot deixar de ser; si no és, no pot esdevenir». De fet, dubta que el canvi substancial sigui possible. Gran i oportuna reflexió per a una ciència en la qual les «substàncies» desapareixen i apareixen! No és fàcil identificar les regles que el fan raonable! Demòcrit (460-370 aC) va oferir una altra reflexió, també sàvia, considerant l’existència, alhora, d’àtoms eterns, invisibles, i de canvis motivats per les diferents maneres d’agregar-se donant lloc als objectes del món. Aquestes aportacions es van enriquir amb la mirada matemàtica de Pitàgores (5822-496 aC) i els seus deixebles. El maridatge de «natura» i nombres va resultar il·luminador i ha anat modelant la manera de parlar del canvi químic al llarg dels segles.

Aquestes reflexions que fan racionals els canvis en el món material, tot i la seva importància, no es refereixen a la gestió de canvis concrets. El treball de transformació pràctica i útil dels materials –la ceràmica, la metal lúrgia, la cuina, els verins, els medicaments– es duia a terme en paral·lel, en àmbits ben allunyats de la reflexió filosòfica, i en am bients ben poc intel·lectuals. La història ens explica que el treball pràctic i el raonament teòric so-

bre el canvi es van vincular de diferents maneres i van evolucionar al ritme del treball experimental, en els segles xVii i xViii, quan ja existia el nom de «química» i començava a ser possible la professió de químic. Es van formular de nou les preguntes bàsiques, però ara amb una base experimental que no existia en el pensament grec (els matter of fact de Robert Boyle, quan mostrava el buit obtingut amb la bomba sense entrar en la metafísica de la seva possible existència) (Chamizo, 2018).

Més enllà dels quatre elements, que quedaven curts, van caldre «principis», més propers a les propietats dels cossos i a les interaccions entre ells. Els àtoms eren útils per explicar l’evapora ció i les dissolucions, però no per explicar els canvis de «mixio», en els quals apareixien cossos nous; quedaven desvinculats de les pro pietats dels cossos que intervenien en els canvis, els químics no hi tenien accés. Aquestes propietats, ¿depenien de l’estructura d’uns àtoms iguals, com els maons d’un edifici, o bé eren com les lletres d’un alfabet que prenien sentit en les paraules i frases? Hi havia «principis actius» que actuaven sobre la matèria inerta, com pensava Newton? Les propietats dels materials que interaccionen es conserven en els productes finals? Es poden aïllar els elements constitutius dels cossos? Com arribem a les propietats «primàries», les dels àtoms? (Bensaude-Vincent & Stengers, 1997)

Podem simplificar el debat destacant dos aspectes: els nous camps d’experimentació i refle xió que es van obrir amb l’ús de la bomba de buit i dels estris diversos que permetien obtenir gasos que manifestaven propie tats químiques i físiques caracte rístiques; i la consideració refe rent a si el canvi químic es podia reduir, o no, a un intercanvi me

cànic entre els constituents (principis, àtoms o elements) perquè, si fos així, la química seria una física especialitzada en uns determinats fenòmens de canvi. Segons R. Boyle (16271691), mecanicista, la feina dels químics, que cercaven els ele ments/principis descomponent els cossos tot escalfant-los, era inútil, els materials resultants que obtenien els havia creat el foc; no es podia suposar que hi fossin, abans. Però la química no mecanicista es consolida amb la teoria del flogist, que estableix un vincle ben químic entre la combustió i l’oxidació dels me talls degut a l’acció d’un mateix «principi», el flogist, en els dos casos. I, finalment, els gasos en tren en el debat com a substàn cies amb capacitat d’interacció, amb massa.

Ja hem dit que la Il·lustració va resoldre moltes d’aquestes preguntes establint un llenguatge teòric, restringit als fenòmens que es podien controlar, en un univers en el qual es conserva la massa malgrat el canvi. Lavoisier, a Ele ments de Chimie, estableix una llista de trenta-tres elements redefinits: ho són les substàncies que no es poden descompondre, que sempre guanyen massa quan canvien; ja no són els constituents (pocs) de tots els materials, els que els fan ser, a tots, «materials que canvien». La balança és l’instrument que inaugura la nova química, la de les lleis quantitatives del segle xix, tot i que deixa moltes de les preguntes sense resposta.

Fins aquí, s’han posat en evidència preguntes (filosòfiques) sobre el canvi químic que ens mostren la seva complexitat i l’interès que pot desvetllar en els alumnes, i també els esculls que troba en el seu camí.

En aquest darrer punt ens fixem en el que diu la filosofia, enriquida ara per l’aportació de les ciències cognitives, sobre la cièn-

Estratègies didàctiques

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Ensenyar química: una aproximació històrica i filosòfica

cia. Ens proporciona una Teoria Cognitiva de Ciència (Giere, 1988) segons la qual el coneixement científic és el resultat de l’activitat de les persones que comparteixen una pràctica d’intervenció en fenòmens (que requereix instal·lacions, instruments i maneres de fer molt específiques) en el marc de «teories» que permeten explicar-los. Els científics són experts que generen models teòrics per donar significat a noves maneres de fer, pensar i comunicar, especialment quan cal explicar les novetats de manera convincent a uns altres científics o als seus deixebles, en un manual destinat a la docència. Els presenten com «fets idealitzats» en els quals intervenen entitats noves (els conceptes científics) que es defineixen per connectar els fets amb els principis generals de la recerca, els quals, d’aquesta manera, esdevenen exemples paradigmàtics dels nous principis teòrics que cal donar a conèixer. En la mesura que aquests fets són rellevants, connecten amb uns altres de «similars» i els van convertint en nous exemples del model teòric i s’expliquen amb les mateixes entitats (fig. 1).

La química és especialment adequada a aquest enfocament. Ja hem vist els significats diver sos de termes com ara element, principi, àtom, que depenen del que es fa amb ells. La «teoria» es presenta com un conjunt de mo dels amb afirmacions que els vinculen a experiments, a activi tats. Això és el que destaquem en aquest article: no podem generar coneixement químic a classe sense que hi hagi activitat quími ca; aquesta activitat és «cogniti va» i, en la pràctica docent, pre senta tres dimensions: fer, pensar, comunicar. Són irreducti bles les unes a les altres però funcionen alhora quan hi ha un problema a resoldre.

Hem d’apropar-nos a la tasca

transformadora dels antics tintorers, soldadors, miners, metges, farmacèutics... per comprendre el significat de les entitats de la química i de les seves lleis. Però a classe ho haurem de fer amb activitats adients al context escolar.

3. El llegat de Lavoisier i de Dalton en el món dels alumnes

La història de la química, contemplada amb els ulls del filòsof, ha desvelat un panorama emocionant, amb preguntes que conviden, encara, a la recerca de les millors respostes. Hem assumit el repte de convidar els alumnes d’ESO a reflexionar sobre el canvi químic tot fent experiments, a proporcionar-los el llenguatge conceptual i simbòlic que els permeti parlar del que pensen sobre els experiments que fan. En aquest apartat parlarem del llegat dels químics que van fer de la balança la icona d’una química austera i abstracta, i de com fer viure aquest model a classe, reconeixent-lo en els fenòmens diversos i sorprenents que ens envolten.

D’acord amb la TCC, que condiciona l’emergència de coneixement a l’activitat científica, no començarem definint què és el canvi químic sinó que ho farem presentant als alumnes fenòmens (seleccionats i seqüenciats amb molta cura!) que generin activitat química escolar, a partir de la qual es puguin explicar prenent com a model un canvi, també ben triat, balança en mà.

L’activitat ha de tenir sentit en el món dels alumnes, que és el «món material» que han de conèixer totes les persones que han anat a l’escola, reflectit en els «temes» de les ciències experimentals de l’ESO. Per comprendre’ls bé és imprescindible la mirada encuriosida que proporciona la química i els conceptes que se’n deriven (Parchmann, 2009). No podrem aprofundir en com

fer-ho, però suggerim alguns exemples:

— L’univers: el Sol (els estels en els quals es generen la llum i els «elements»).

— L’atmosfera del planeta Terra en la qual respirem i on determinats materials es cremen (les espelmes), formada per les petites molècules d’oxigen, nitrogen, diòxid de carboni...

— L’aigua, que circula sense canviar però fa possible la vida, i les solucions en aigua ens aporten evidència dels ions.

— Els volcans: interaccions en condicions extremes en el magma.

— La radioactivitat.

— Els ecosistemes, la fotosíntesi i l’alimentació, els materials que formen els éssers vius, la gestió de la vida.

— El llamp ja dominat per la tecnologia, que permet gestionar els canvis: la naturalesa elèctrica de la matèria, els electrons, les piles.

— La gestió del canvi químic.

— El cos humà i la salut: la vida cel·lular, homeòstasi com a producte de la dinàmica química. La respiració. La circulació dels gasos en el cos.

— La cuina, un laboratori a l’abast. La textura i comportament de les proteïnes i dels sucres.

L’activitat química escolar (AQE) ha de proporcionar als alumnes la vivència del canvi químic (CQ), la capacitat de reconèixer el canvi en determinats fenòmens que es produeixen en aquest «món material». Els alumnes, protagonistes cognitius de l’activitat, han de poder experimentar utilitzant instruments que parlen del món amb el llenguatge dels nombres i de les relacions. Els experiments amb la balança, herència de Lavoisier i de Dalton, ens parlen de la conservació de la matèria i de les proporcions fixes en la interacció química (si A i B reaccionen, si tinc més A necessito més B).

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Per tal de poder veure el canvi químic en el món de les ciències de l’ESO, cal identificar en primer lloc els «materials que interaccionen» i com ho fan: anomenar-los, caracteritzar-los, reconèixer-los. No són materials que intercanvien les propietats (encara que pugui semblar-ho), amb massa o sense, ni principis que són la causa dels canvis (com el flogist); poden ser sòlids, líquids, també gasos! Caldrà avançar pas a pas per confegir una llista d’aquests materials que veiem que interaccionen, que esdevindran les substàncies químiques elementals o compostes amb les quals parlarem del canvi químic, que estan fetes d’uns elements que no veiem i que no són els mateixos en tots ells.

Comencem per les substàncies que destaquen en aquest món dels alumnes, que són les que caldrà conèixer bé: el carbó, l’aigua, el bicarbonat, el sucre, l’oxi gen, el diòxid de carboni, el ferro, la sal, l’aigua... Cadascuna és protagonista de canvis en contextos específics i representativa de propietats que comparteix amb unes altres, a les quals podrem atribuir una estructura similar. Recordem que totes elles han estat objecte de recerques al llarg de la història

que els han proporcionat significats diversos, testimoni de la seva rellevància per a la reflexió científica. Els diferents contextos corresponen a diferents tipus de can vis i això ens permet classificar-los i fins tot preveure’n de nous. La combustió i la descomposició per la calor de substàncies que procedeixen d’éssers vius ens mostren el carbó, i ens fan pensar en les petites molècules d’aigua, de diòxid de carboni i d’aigua; els canvis en el si de l’aigua prenen un significat especial quan intervé l’electricitat i es constata que les dissolucions són conductores; a la cuina els processos són lents i es poden controlar... Uns altres contextos ens queden lluny, però també aporten reflexions interessants i entitats necessàries per completar el marc teòric que anem construint: els estels, l’interior de la Terra (Izquierdo, 2013).

Aquest «món de l’alumne» ha d’esdevenir «científic» com a re sultat del procés de modelització, que posa en evidència el que tots els canvis químics tenen en comú, malgrat les diferències. El procés de «modelització» genera els con ceptes bàsics (substància elemen tal i composta, element, enllaç, energia de la reacció, àtom, molè

cula...) que van adquirint signifi cat a mesura que s’apliquen a nous fenòmens; i també els espe cífics: no parlem d’ions quan cre mem el carbó o quan ens referim a l’oxigen i a altres gasos; les mo lècules no són iguals si ens refe rim al diòxid de carboni o a les proteïnes, perquè no expliquen el mateix; ens oblidem dels electrons quan fem anar el vinagre i el bi carbonat, però els tenim ben pre sents quan estem preparant una pila electroquímica. Recordem la convergència de contextos al llarg de la història de la química i l’en riquiment que va comportar!

Marina (2005) ens diu encerta dament que la funció dels mo dels és mostrar exemples de ma nera d’actuar, de fer inferències, de comprendre esdeveniments…, perquè són uns programes d’ac ció, un esquema de com es com porten determinats sistemes, de com es resolen certs problemes.

En el nostre cas, el model es ge nera a mesura que reconeixem l’aparició i la desaparició real de substàncies químiques (que sa bem reconèixer) a la llum de la conservació de la matèria i de la llei de les proporcions fixes. És un model del comportament de la matèria que canvia radicalment, no

Ensenyar química: una aproximació històrica i filosòfica

Figura 1. Relacions entre els enunciats, els fets reals i els models, segons Giere (1988).

dels canvis d’agregació; és espe cíficament químic, no redueix la química a una física especialitza da en àtoms: hi ha quelcom en el canvi químic que defuig una ex plicació mecanicista. Finalment en podrem parlar amb nous ter mes, que són ja conceptes gene rals: els elements, els enllaços, la «reacció». Com que s’han generat de manera activa, aquestes enti tats seran alhora teòriques i pràctiques.

Per això, per introduir el model de canvi químic comencem considerant canvis químics que plantegin clarament la sorprenent «ocultació dels elements» en el compost alhora que són un fet (matter of fact) ben conegut i molt significatiu en el món dels alumnes: la combustió del carbó i altres fenòmens relacionats. Podrem entendre que el carbó, una substància elemental, s’ha combinat amb oxigen, també una substància elemental, i ha format diòxid de carboni, una substància composta, si coneixem les tres substàncies.

En química identifiquem les substàncies al mateix temps que reconeixem el canvi en el qual intervenen, perquè l’aspecte de les substàncies no dona gaire informació als químics (Talan quer, 2006). Haurem de treballar en diferents contextos, com ja hem vist: en un hi intervenen molècules petites, gasos, el canvi es produeix a gran velocitat; en un altre, l’electricitat ens fa pen sar en electrons i ions; a la cuina, a les cèl·lules, ens fixem en les macromolècules. És obligat refle xionar sobre l’electròlisi de l’ai gua; obtenir hidrogen i oxigen en una quantitat apreciable, com provar el seu comportament, obtenir aigua de nou... A mesura que es coneixen les diverses substàncies que intervenen en cada context, podrem establir semblances i diferències entre elles, i podrem relacionar algunes

de les propietats amb la seva composició i estructura interna. Podem establir relacions entre els contextos (els ions contribueixen a entendre com funciona la gela tina!) i el model de canvi químic s’estructura, amb afirmacions (teòriques) vinculades a la pràcti ca experimental (Caamaño, 2018).

Aquestes afirmacions-conceptes, que acompanyem amb exemples del món dels alumnes (fig. 2), són les següents:

— El canvi és conseqüència de la interacció dels materials que anomenem «substàncies» i poden ser elementals o compostes (el carboni i l’oxigen que formen diòxid de carboni).

— Les substàncies que inte raccionen desapareixen i n’apa reixen de noves (desapareixen el carbó i l’oxigen i apareix el diòxid de carboni).

— La massa dels materials que interaccionen es conserva (la massa del carboni i de l’oxigen és igual a la massa del diòxid de carboni).

— En la interacció química les substàncies intervenen en proporcions de massa definides (podem determinar la que correspon a la combinació del ferro i l’oxigen).

— Les substàncies estan formades per àtoms que formen estructures diverses (l’aigua i les proteïnes formen la gelatina).

— Els enllaços entre els àtoms estan relacionats amb l’energia dels sistemes químics (cremem un cacauet, ens el mengem).

Els alumnes no tenen la mateixa expertesa que els científics ni prou autonomia per crear un model. Però sí que es representen el que estan fent amb «models mentals» que posen a prova quan fan experiments a classe, orientats per les bones preguntes del professor que assenyalen què cal mirar i com cal fer-ho i fan que els models mentals dels alumnes evolucionin cap al model teòric

del canvi químic. Els processos de canvi triats s’han de representar de manera esquemàtica per poder-hi pensar i constatar que no es perd res (CBA, 1967).

La idea més bàsica, la regla central del model del canvi quí mic, és l ’ afirmació que la massa es conserva malgrat el canvi de substàncies. La modelització consisteix a veure els fenòmens des d ’ aquesta perspectiva. En el nostre exemple, hem començat pel carbó, que veiem aparèixer quan escalfem (descomponem, «carbonitzem») fusta (serradures) o l’enciam, que són materials formats per substàncies com postes de carboni i algun altre element del qual no parlem, de moment; la massa final és car bó, que reconeixem perquè «desapareix» si continuem escalfant el material. 1 La «bona pregunta» ara és: aquesta massa estava en l’ enciam abans d ’ escalfar-lo i descompondre ’ l? Com és possi ble? La resposta del model, abs tracta però crucial, és que no teníem carbó, però sí els àtoms que el formen. Com que el carbó és una substància elemental, està fet d’àtoms iguals, que for men l ’ element carboni, invisible; són diferents dels àtoms de qualsevol altre element. Aquesta resposta és convincent, però es taria buida de contingut si no poguéssim accedir de manera experimental a l’àtom; per això els químics es resistien a parlar dels àtoms. Però els químics han trobat la manera de diferenciar els àtoms, perquè han inventat un àtom que es pot mesurar a partir de les masses de les subs tàncies elementals que interve nen en els canvis químics.

Hem triat el carbó que es crema i desapareix i que apareix en escalfar determinats materials com a con-

1 Es pot visitar una carbonera; el carboneig va ser una activitat tradicional al Montseny i cada any se’n fa una demostració.

Figura 2. Les relacions segons el Model de Canvi Químic.

text per fer-ne un model de CQ iniciant el camí cap a l’àtom, i triem el ferro que es crema i aparentment augmenta de massa per concloure’l (en una primera aproximació). Tots dos, oxigen i ferro, són considerats substàncies elementals i van adquirint significat a mesura que modelitzem els canvis.

Avancem cap a la genial inven ció dels àtoms químics. Cremem llana de ferro a classe: ens sorprenem amb les espurnes lluminoses, que finalment deixen un polsim negrós, gens lluent. Seguint el programa modelitzador, pesem i, contra el pronòstic de la majoria, veiem que la massa ha augmentat. El ferro és una substància elemental, no es podia descompondre, però les espurnes despisten. Es justifica que l’augment de massa és degut a l’oxigen que

s’ha combinat amb el ferro, com ha passat amb la combustió del carbó i com passarà quan cremin altres substàncies elementals. No veiem l’oxigen, però el podem pesar.

Repetim l ’ experiment amb diferents quantitats de llana de ferro i comprovem que les mas ses finals augmenten proporcio nalment i la conclusió és que sempre hi ha més ferro que oxi gen, en una proporció aproxima da de 3,5 g de ferro per 1 g d ’ oxi gen. Aquest episodi, la combustió del ferro (un sòlid conegut, fàcil de pesar) que pro dueix òxid de ferro (que és tam bé sòlid, fàcil de pesar), modelit zat segons les regles de joc del MCQ, introdueix una nova idea: els elements que interaccionen a la manera química ho fan en proporcions de massa caracte

rístiques. Dalton va suggerir que aquestes masses eren proporcio nals a les masses dels àtoms dels elements que interacciona ven, perquè va suposar, errònia ment, que la interacció es feia sempre àtom a àtom quan no més era coneguda l ’ existència d’ un sol compost de dos deter minats elements o «àtoms». El segle xix neix amb aquesta inci pient teoria atòmica que assu meix que a cada element li cor respon un àtom material diferent, caracteritzat per una propietat primària ja accessible, la massa. Les masses proporcio nals calculades amb penes i tre balls al llarg de cinquanta anys enmig de polèmiques i discussions, van esdevenir les masses atòmiques que Cannizzaro va aportar de manera convincent en el Congrés de Karlsruhe, el 1860.

4. El llegat de Mendeleiev. Elements o substàncies elementals?

En l’apartat 2 hem vist que Lavoisier i el seu equip només compten amb les substàncies que tenen massa; acaben amb la tradició dels quatre elements perquè canvien el significat d’aquesta paraula: ja no es refe reix a un component de tots els materials, sinó a materials espe cífics que no es poden descom pondre amb els quals estan fetes totes les substàncies compostes i sempre que canvien augmenten de massa o la mantenen, en el cas de canviar de forma al lotròpica. Balança en mà, els quí mics exploren les relacions de massa en els canvis químics i les transformen en propostes de masses dels àtoms dels elements. Però això sembla indicar que les masses s’han mesurat amb algu na mena de balança i no és així: són masses relatives calculades a partir de la interacció química, transformades en unitats: 16 d’oxigen, 200 de plom, 1 d’hidro gen... són, totes elles, un «àtom» de cada un d’aquests elements. La teoria atòmica proporciona a la química el llenguatge simbò lic que li és propi, amb un signifi cat alhora macroscòpic i micros còpic. Suggereix una composició atòmica per a les substàncies inicials i finals: cada símbol re presenta un element, cada ele ment un tipus d’àtom; també és compatible amb explicacions macroscòpiques, perquè el canvi químic desborda un panorama atòmic-mecanicista, com hem vist en l’apartat 2. Però la teoria atòmica no aporta significat a la química (perquè no podem tenir una evidència directa d’ells) sinó que, a l’inrevés, és la química la que aporta significat als àtoms, per què se’ls ha inventat; sense la química els àtoms ens presenta rien un mecanisme físic en el qual s’ajunten i se separen. En canvi, són la clau per accedir a

tot l’entramat dels conceptes teòrics químics.

El segle xix va ser el segle de l’esclat de la química com a disciplina universitària. Cap a mitjans de segle disposava ja d’un potent llenguatge de fórmules que representava la composició de les subs tàncies orgàniques i inorgàniques de manera adequada al seu comportament químic. La pregunta crucial, per què reaccionen les substàncies fins a arribar a l’equilibri, sense resposta des que s’havien oblidat els «principis», començava a tenir-ne, a partir de la termodinàmica. Els professors de química buscaven la manera de classificar els elements per facilitar la manera d’ensenyar com es comportaven. No ha de sorprendre que Mendeleiev2 construís la seva reeixida taula (Sistema Periòdic) poc després que s’arribés a un acord respecte a les masses dels àtoms, diferenciades de les masses equivalents i moleculars, perquè s’havien calculat a partir del seu comportament químic i les regularitats que s’observaven en elles eren regularitats de comportament químic de l’element invisible subjacent en tots els compostos d’una mateixa substància elemental: el ferro invisible en l’hemoglobina, l’oxigen en l’aigua..., que podem imaginar com àtoms de ferro, d’oxigen... Mendeleiev classifica els elements, no les substàncies elementals; i sospita l’existència dels seus àtoms, irreductibles (Bensaude-Vincent, 2002).

La Taula Periòdica és una icona de la química per a moltes persones, moltes de les quals, malauradament, en tenen un mal record perquè van ser obligats a memoritzar-la. També és una icona del model de canvi químic perquè és una panoràmica del funcionament de tots els sistemes

2 També Lothar Meyer va elaborar una taula que mostra propietats periòdiques dels elements.

químics. Hauríem de compartir l’entusiasme de Mendeleiev pels àtoms químics, irreductibles els uns als altres, però relacionats per una llei periòdica que ara ha donat lloc a uns àtoms físics que presenten configuracions que es repeteixen periòdicament perquè són «químiques».3

La Taula Periòdica podria do nar lloc a moltes històries. Els noms dels elements, el seu «des cobriment» o aïllament, el lloc on se’ls troba... ens expliquen la his tòria de la Terra, no només la de la química. És una guia impres cindible per a una proposta mo delitzadora de la química, perquè no podem diferenciar les subs tàncies elementals i compostes pel seu aspecte o comportament (en un sol experiment); la història de la química ens il·lustra molt bé aquesta afirmació; la Taula Periòdica ens diu quines substàn cies són les elementals, quins són els elements de la química. Serà la nostra guia, amigable, curulla de preguntes i respostes amb les quals podríem passar la vida. Allà hi trobem el carboni i també l’oxigen. Molts altres elements també formen part del món dels alumnes (el ferro, el nitrogen, el plom, el coure, el clor, l’hidrogen, el sodi, el calci) i són aquests (i els àtoms que els formen) els que ens aniran ajudant a desenvolu par el MCQ.

Fa poc temps que la magnitud «quantitat de substància», unitat el mol, ha estat considerada una de les vuit magnituds fonamen tals del Sistema Internacional d’Unitats, i massa de pressa ha passat a ser una mesura del nombre de partícules. Perdem de vista que aquesta pila de partícu les corresponen al que podríem anomenar una «unitat d’acció química».

3 Meyer considerava la possibilitat que tots els àtoms fossin de la mateixa matèria, estructurada de manera diferent en cada substància elemental.

5. Reflexions finals

L’objectiu de dissenyar les classes com una «activitat cientí fica» per tal de desenvolupar la capacitat de pensar a la manera dels científics ens obliga a capgi rar la tradició docent, que priorit za l’explicació teòrica i proporciona, a continuació, els exemples adequats. En aquesta tradició, l’estratègia didàctica que anome nem «modelització» s’aplica als models científics. Si el que es pretén és que l’alumnat pensi sobre el món «a la manera dels científics», l’estratègia ha de ser una altra: cal proporcionar la baula que relliga els fenòmens a les preguntes que conduiran cap a la teoria. El canvi és molt im portant, perquè empeny a fer viure els problemes de la química fora dels llibres de text; la fan històrica (el procés de pensar és llarg i tortuós) i filosòfica (ens interessen les preguntes, els dub tes, per gaudir les respostes). I la fan «experimental»: la referència és sempre alguna cosa que està passant, en la qual intervenim, que podem comunicar.

En aquest article es proposa que la intervenció docent es deixi inspirar per la història de la quí mica i per les preguntes que es van plantejar en relació amb la seva pràctica i ensenyament, moltes d’elles encara vigents (Agudelo, 2020). La modelització que proposem parteix dels expe riments i proposa pensar-hi a partir de la regla teòrica fona mental, la conservació de la ma tèria. Aquest canvi d’èmfasi inci deix en la comprensió de les masses atòmiques relatives, que no es calculen sabent d’antuvi que hi ha àtoms, sinó que la re flexió sobre les masses de combi nació en la reacció condueix a la idea d’àtom i, d’una manera im portant, a la magnitud pròpia de la química, de nom incert encara, però que anomenem de moment «quantitat de substància». Volem

que els estudiants gaudeixin ve ient en la natura, en la cuina, en el mar... el que hi veu un químic. I, sobretot, que valorin el «saber fer» i els dubtes, que són el signe que indica que pensem. Valdria la pena comprometre’ns a una tas ca sistemàtica de construir «fets exemplars» del canvi químic.

Referències

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Mercè Izquierdo Aymerich És doctora en química, catedràtica de didàctica de les ciències a la UAB. Ha estat professora de química a secundària i de didàctica de les ciències, de química i d’història de la química a la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB). La seva investigació es dedica al llenguatge i la història de la química. Forma part del grup investigació LIEC (Llenguatge i Ensenyament de les Ciències) del qual va ser la primera directora. Ha format part del CEHIC (Centre d’Estudis d’Història de les Ciències). Ha estat presidenta del col·legi professional de professors, responsable de formació de professorat al Departament d’Ensenyament (Generalitat de Catalunya) i vicerectora a la UAB.

A/e: Merce.Izquierdo@uab.cat

DOI: 10.2436/20.2003.02.222 http://scq.iec.cat/scq/index.html

Perspectivas não fisicalistas na didática da química

Marcos Antonio Pinto Ribeiro / Universidade Estadual do Sudoeste da Bahia, Brasil

resumo

ISSN 2013-1755, SCQ-IEC Educació Química EduQ número 29 (2021), p. 28-32

Busca-se, a partir da história e filosofia da química, explicitar padrões de longa duração de modos de pensar e ensinar química. A filosofia da química só começa a se constituir, mais sistematicamente, a partir dos anos 1990, espaço até aí ocupado, tacitamente, pelo fisicalismo redutivo. A reflexão sobre a especificidade da química revela perspectivas ainda ausentes no currículo da química. Apresentamos aqui algumas análises como: estilos cognitivos, epistemológicos e didáticos; padrões históricos da didática da química e abordagens não fisicalistas do ensino da química.

palavras chaves

Filosofia da química, didática da química, fisicalismo redutivo.

abstract

Based on the history and philosophy of chemistry, the aim is to explain long-lasting patterns of ways of thinking and teaching chemistry. The philosophy of chemistry only began to form, more systematically, from the 1990s onwards, a space hitherto tacitly occupied by reductive physicalism. Reflection on the specificity of chemistry reveals perspectives that are still absent in the chemistry curriculum. Here we present some analyses such as: cognitive, epistemological and didactic styles; historical patterns of chemistry didactics and non-physicalist approaches to chemistry teaching.

keywords

Philosophy of chemistry, chemistry didactics, reductive physicalism.

Introdução

A filosofia da química é um campo disciplinar emergente nos últimos 20 anos (Ribeiro, 2014). No século xx, filosofia e química tiveram pouco diálogo e a filosofia da ciência, restrita a análise lógica e sintática, e no contexto do positivismo lógico, negligenciou a filosofia da química. Na atualidade é um campo fértil e produtivo, tendo uma complexidade de temas e problemas.

A Educação Química, o currículo, a formação e a didática tem sido orientado ou pela tradição, por teorias psicológicas, sociológicas e/ou por uma perspectiva filosófica tácita e

intuitiva, que não implica uma posição filosófica explícita (Van Berkel, 2005). De outra, o fisicalis mo redutivo, principal funda mento do currículo, tem sido uma orientação filosófica tácita, ou tornada uma ideologia no sistema pedagógico. Como consequência, a didática da química não transmite especifici dades intrínsecas, tornando as práticas pedagógicas determina das por um currículo oculto, ou por estruturas alheias à sua especificidade epistemológica, bem como determinado por um paradoxo central e não superado na educação química: é uma ciência indutiva, criativa, heurís tica, relacional, pluralista,

contextual, inexata, aproximada, mas fundamentada e transmitida por explicações fisicalistas de carácter dedutivo.

A perspectiva fisicalista se consolidou partir de 1920 com a conquista do átomo pela física e a constituição da química teórica. A partir de então tornou-se um fundamento predominante do currículo da química (Van Berkel, 2005; Van Aalsvoort, 2004). Entretanto, este não é fundamento eficaz na solução do carácter enciclo pédico dos conteúdos químicos, fruto tanto do seu crescimento exponencial; da natureza sistêmica e organizacional; da polissemia e da multiplicidade

de esquemas, modelos e repre sentações; do pluralismo constitutivo; das contradições e circularidade dos conceitos centrais; do carácter inobservá vel e da falta de referentes das entidades químicas que faz o laboratório ter um carácter de conversão teológica e necessitar da transdição; 1 do carácter icônico da linguagem química, que constrói uma semiótica própria e faz trabalhar com a abdução e necessitar da visuali zação e competência represen tacional (Laszlo, 2012); bem como do caracter histórico e mesmo idiográfico da química.

De posse destas discussões, que alternativas e possíveis superações podemos pensar? Faremos aqui algumas considera ções. Primeiramente propomos estilos didáticos, epistemológicos e cognitivos da química; depois padrões didáticos da química a partir da história e filosofia da química e posteriormente perspectivas não fisicalistas. Estes podem ser fortes instru mentos de formação, análise e desenho de propostas didáticas e curriculares.

Inscrições filosóficas, estilos didáticos, epistemológicos e cognitivos

Sistematizamos o debate da filosofia em temáticas e domínios transversais de especificidade, campos de problemas com relativa autonomia que denominamos de estilo da práxis química. Um primeiro estilo está inscrito na necessidade de classificação e descrição de entidades naturais ou artificiais (Vihalemm, 2007). No século xViii essa dimensão ganha expressividade e alcança esplen dor com o sistema periódico de Mendeleev (Scerri, 2007), entretan to este estilo é característico da razão taxionômica (Crombie, 1 Inferir propriedades de observáveis a partir de entidades inobserváveis.

1994) e transversal à história, ontologia e lógica da química. Variados critérios e princípios classificatórios como as proprie dades disposicionais para Paracelso, substancia pura para Lavoiser, e atualmente a noção de estrutura e função, na química estrutural tem sido descrito na história da química.

No âmbito do ensino, nossas pesquisas tem identificado que temos ensinado as classificações como conteúdo declarativo e não procedimental, ensinamos as classificações, mas não a classificar.

O segundo estilo denominamos como diagramático, caracteriza pela criação de uma linguagem específica para comunicar, bem como ferramenta heurística de previsão, cálculo e explicação. Ins creve-se em uma semiótica própria da química. Alcança esplendor no século xix, principalmente a partir de 1860, com a proposição das fórmulas estruturais de Berzelius. É decodificado principalmente por Charles Sanders Peirce e atualmente há uma busca de sistematização teórica e matemática via topologia e simetrias.

Outro estilo é a fenomenotécnia, próprio de abordagens filosóficas da relação com o instrumento e a técnica, forma que tem influen ciado a racionalização da quími ca e do seu ensino, principalmen te após a revolução instrumental na química dos anos 1950. Bache lard (2009) é um ícone desta abordagem e defendeu o raciona lismo aplicado e o materialismo técnico, para quem um instru mento é uma teoria materializa da; a metaquímica e o conheci mento químico como provocação. Uma indicação da ausência desta dimensão no ensino está inscrita, por exemplo, no ensino da noção de substancia pura, sem referir-se ao laboratório, a técnica e instrumentos.

Outro estilo que identificamos é a dimensão tácita, inscrita na relação dialética entre matéria e conceito, arte e ciência, terreno e território. A química ao construir linguagem ao mesmo tempo que constrói o seu objeto não se move completamente no terreno explícito como o da matemática, de uma linguagem universal. Não é possível assim falar em conteú do de pensamento puramente declarativo, sendo fiduciário de uma dimensão pré-linguística, rico em heurísticas, em conheci mentos não formalizáveis, não algorítmicos, em intuições, heurísticas, no contexto da descoberta, quebras de protoco los, em um conhecimento pessoal (Polanyi, 1958). Um saber transmitido na socialização e na relação mestre/aprendiz, em práticas culturais e em sistemas axiológicos.

Um expoente teórico desta dimensão está em Michael Polanyi que evidenciava características da química como a inexatidão dos conceitos que expressam tendências, disposições; as muitas variáveis de contorno e as aproximações ao lidar com problemas de muitos corpos e situações reais.

Um quinto estilo é o proces sual e entra em outro registo filosófico mais vinculado às problematizações do tempo, da dinâmica, da evolução, criação, irreversibilidade e à história, em uma caracterização sistêmica da química. Enquanto na dimensão classificatória atenta-se para a organização da diversidade estonteante dos objetos quími cos, na dimensão processual atenta-se para organização e sentido da complexidade cres cente das moléculas, biomolécu las e sistemas naturais, para o sentido histórico e criativo da matéria. Essa dimensão tem sido discutida por referência a Whitehead, Leibiniz e ao trabalho

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Perspectivas não fisicalistas na didática da química

de Prigogine sobre estruturas dissipativas e os ritmos longe do equilíbrio termodinâmico

De posse desses domínios, podemos fazer muitas inter-relações. É possível identificar registros filosóficos e, portanto, diferentes princípios heurísticos, organizadores e integradores nos níveis epistemológicos, sintáticos e pedagógicos. É possível identificar um estilo cognitivo e, portanto, um tema ou conceito estruturante, uma atenção maior a determinado esquema de realidade; um estilo de pensamento; um tipo de conteúdo e, desta forma, um tipo de ensino e um estilo de aprendizagem.

Padrões históricos da didática da química

Continuando a análise iremos agora encontrar padrões históricos da didática da química instancia dos na história e filosofia da química. Um primeiro padrão importante da didática da química é instanciado por Antonie Lavoi sier (1743-1794) ao estabilizar o sistema linguístico e a nomencla tura química e a propor a noção de substancia pura como um critério para classificação e organização do conhecimento químico. A química tornou-se a linguagem das coisas. Ao fundamentar a química na noção de substância elemental, e esta, como fruto da fenomenotecnia química, Lavoisier racionalizou um modo de pensar, bem como um modo de ensino da química.

Este padrão didático foi reatualizado com Dimitri Mendeleev (1834-1907) e explicita ainda mais a importância da ontologia, da lógica, do sistema conceitual e da sistematização química.

Recentemente, Laszlo (2012) tem centrado nesta análise, defendendo a identidade da química como uma arte combinatória, como um sistema linguístico caracterizado na linguagem

icônica, caracterizando o ensino de química como linguagem e, um processo de alfabetização. A competência do professor seria de ajudar o aluno a construir boas sentenças químicas e desenvolver a inferência da transdição e abdução.

Outro momento histórico importante na didática química está em Justus Von Liebig (18031873) e a introdução da pesquisa e do laboratório no em ensino de química. Coloca-se aqui a importância da imersão2 e da vivência em laboratório, da transmissão mestre-aluno; da aprendizagem pelo contato e do habitar o instrumento.3 É assim um contexto vinculado a aprendizagem de competências, de procedimentos, da pesquisa e principalmente de métodos ativos.

Apesar de Michael Polanyi (1891-1976) não ter trabalhado a noção de pesquisa e do uso do laboratório, consideramos que a noção de conhecimento tático e a importância da imersão e socialização, do papel da descober ta e das heurísticas, inserem-se nesta compreensão histórica de um padrão didático da química. Este padrão tem sido pouco compreendido e apropriado na didática da química.

Outro momento histórico que explicitou um padrão didático identificamos no contexto da Alemanha no século xix e vincu la-se a importância da relação da universidade, indústria e do mercado. A química orgânica foi desenvolvida nesta relação, focando na intervenção e em um forte sistema axiológico, ausente na atualidade do ensino desta. Existe assim um componente pragmático e um sistema axioló gico construído na relação entre indústria, mercado e economia, ciência e técnica, ciência e profissão.

2 Indell para Michael Polanyi. 3 Termo desenvolvido por Michael Polanyi.

No século xx, temos uma influência definitiva na didática da química com certa, com a influência da física e da matemática e o legado do reducionismo fisicalista, com hegemonia atual. A física alcança o coração da química com a explicação da ligação química e do átomo, constitui-se a química teórica, intensifica a matematização e uso da física, desencadeando a revolu ção instrumental dos anos 1950 e se torna um fundamento teórico importante para organizar o currículo e a didática da química. Como visto em sessão anterior, identificamos este um problema central no ensino da química.

Atualmente identificamos a influência da Informática e Biologia, da Química Computacio nal que torna o Laboratório in vitro e a simulação computacional uma realidade cada vez mais na prática química, tornando-se assim uma dimensão que, pensamos, irá influenciar o futuro da didática da química. Bruce (2000) ainda defende que a tricotonomia teórico/experimental/computacio nal, no lugar do tradicional teórico/experimental deve estrutu rar a organização do conhecimen to químico na atualidade.

A didática da química tem privilegiado alguns destes padrões e negligenciado outros. Por exemplo, não tem considerado a centralidade da pesquisa, dos métodos ativos, da socialização, do papel da descoberta, das heurísti cas, da relação com a indústria e o mercado e tem focado, influencia do por uma visão fisicalista, numa lógica dedutivista.

Abordagens não reducionistas do ensino dos filósofos da química

Perspectiva linguística: ensino de química como uma linguagem Uma perspectiva de ensino inovadora é proposta por Lazslo

(2012). Pode-se definir química como a ciência das transforma ções da matéria; ciência do artificial; ciência molecular; tecnociência; ciência da inova ção. Defendendo a química como uma arte combinatória eleva a importância da lingua gem e coloca a química no mesmo status de ciência como a linguística. Assim, um saber passa a ser ciência quando possui um conjunto de represen tações e opera com uma lingua gem específica. Ao entender a química como uma arte combi natória, o autor destaca a importância das heurísticas e das regras. «Existe uma cornúpia entre heurística e química», entre química e linguística Laszlo (2012: 38).

Para o autor o ensino de química deve ter uma dinâmica Top Down, associada ao tradicio nal Bottom Up defendido pelo fisicalismo. Nessa dinâmica, um passo inicial é fazer os estudan tes usarem os modelos químicos de forma natural e irem comple xificando suas relações. Um segundo passo é fazer com que os alunos façam movimentos de Top Down e Bottom Up, usando esses modelos.

Para o autor, as moléculas podem ser comparadas às palavras. A polissemia e a monossemia são compreendidas pelos químicos na forma de seletividade e especificidade. A relação com o ensino de química afigura-se da seguinte forma: uma reação química é uma sentença bem formada; muitas sentenças são equivalentes à performance da ação; os inter mediários nas transformações químicas podem ser considera dos como raízes das palavras. Assim, os professores são guias linguísticos e intérpretes, ensi nam seus estudantes como construir proposições químicas bem formadas.

Perspectiva sintética em alternativa à analítica

Earley (2004) também reco nhece o primado do reducionis mo e ainda mais da visão de mundo herdada do renascimento na forma do mecanicismo e da analiticidade. Para o autor, uma filosofia de processos deveria ser a abordagem para o ensino de química, mudando a noção de natureza para uma visão dinâmi ca e não estática. O autor tem defendido, desde 1981, uma filosofia de processos para a química e que os cursos deve riam trocar a perspectiva analíti ca pela sintética. Nesse caso, a unificação se daria pela história e pelo processo e não pelo conjun to de leis.

Earley (2004) defende que os cursos introdutórios de ciências sejam concebidos com o objetivo explícito de introduzir os alunos nos principais pontos da história sobre a origem do mundo em que habitamos, mantendo o máximo de contato com outros aspectos da cultura humana, criando uma narrativa sintética e com sentido. Por exemplo, pode-se iniciar com o vácuo, abordando, depois, novas entidades de classes: quarks, átomos, moléculas, estrelas, organismos, sociedades. Para Earley, uma competência básica de um professor de química é a construção de uma boa narrativa, de uma visão de perspectiva e de larga escala.

Heurística: socialização, descoberta e plurissignificação

Outra sugestão é a de Formosinho (1987), que trabalha com a referência de Polanyi e com o pensamento tácito. Para ele, o ensino de química deve inserir uma filosofia heurística, ou seja, deve introduzir temas da descoberta, o ponto de vista, a percepção e o convívio com ideias diferentes, para fomentar a plurissignificação, evidenciada,

em química, no pluralismo e na polissemia dos conceitos, representações, leis e modelos.

Sistematismo químico Nessa perspectivação, inferimos que o ensino deveria problematizar os conceitos nucleares da química como substância, elementos, proprie dades, processos e níveis, aplicando-se nos níveis focais da química e na relação entre a física, matemática e a biologia, estabelecendo os principais conceitos e construindo um sistematismo químico.

Um trabalho que se aproxima dessa perspectiva foi feito por Reiher (2002, 2003). O autor defen de a necessidade de uma metateo ria em química, de um sistema teórico convenientemente dividido em sistema, seu ambiente e contexto. As diferentes escolhas de ambientes podem produzir resultados dependentes do contexto, em um crescendo de complexidade.

Os ingredientes básicos de um sistema químico, para Reiher (2002, 2003), devem ser classifica dos de uma forma simplificada: elementos, propriedades e interações. O sistema existe em variadas escalas, gerando siste mas e subsistemas. Segundo Reiher (2003), esses conceitos sistematizam o conhecimento químico: um elétron seria um elemento para o átomo, um átomo para uma molécula e assim sucessivamente. As diferenças entre os sistemas seriam de complexidade de suas interações entre os elementos, o que geraria propriedades diferen tes nos seus diversos níveis de realidade.

Centralidade da axiologia e praxeologia dos conceitos químicos

Essa condição tem sido defendida por Izquierdo-Aymerich (2012). Os conceitos químicos

número 29

Perspectivas não fisicalistas na didática da química

ganham sentido dentro de uma perspectiva prática, da utilidade do seu uso. Isso faz o contexto axiológico e praxeológico ter privi légio em relação ao gnosiológico e as dimensões fenomenotécnica e tácita terem uma centralidade maior que as outras.

Conclusão

A filosofia e a história da química tem sido dois campos disciplinares pouco considera dos. A didática da química tem tido uma perspectiva cognitivis ta e orientada implicitamente pelo positivismo lógico e pelo fisicalismo redutivo, tem desconsiderado grande parte de características intrínsecas da química. A filosofia da química, como um fundamento impor tante da didática da química pode explicitar padrões de longa duração que aqui foram anali sados.

Primeiramente identificamos o fisicalismo como um proble ma a ser pensado e superado. Em segundo identificamos estilos cognitivos, didáticos e epistemológicos. Em sequência identificamos padrões históri cos da didática da química, e por fim, perspectivas não fisicalistas.

Por fim, identificamos que a didática da química ainda focada tacitamente na visão fisicalista tem priorizada uma perspectiva dedutiva do ensino de química, contexto a ser superado pela pesquisa em educação química. E por isso tem negligenciado grande parte das características intrínsecas da química, dentre outras: a importância da indústria, da tecnologia e inovação; dos métodos ativos, da pesquisa e de um sistema axiológico; da plurissignificação, do papel da descoberta, do ponto de vista; da simulação de narrativas inte gradoras.

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Professor titular da Universida de Estadual do Sudoeste da Bahia. Possui graduação em Química Bacharelado, mestrado em História, Filosofia e Ensino de Ciências pela UFba e Douto rado pela Universidade de Lisboa. Coordena o grupo de pesquisa Investigações em filosofia, química e currículo. Pesquisa sobre filosofia da qu í mica, ensino, currículo e formação superior em ciências e química.

E-mail: marcos.ribeiro@uesb.edu.br

Marcos Antonio Pinto Ribeiro

Teaching and Assessing the Nature of Chemistry

Ensenyar i avaluar la naturalesa de la química

Sibel Erduran / University of Oxford. United Kingdom

abstract

In science textbooks, the scientific method is often presented as a linear and stepwise process that involves hypothesis testing and experiments. Yet history of chemistry illustrates the diversity of methods that also involve non-manipulative observations. The article discusses Brandon’s Matrix that provides a tool for highlighting the diversity of methods in chemistry. Example resources produced by Project Calibrate in England are presented to illustrate how students’ epistemological commitments, metacognition and critical thinking in chemistry can be enhanced.

keywords

Nature of Chemistry, methods in chemistry, Brandon’s Matrix, Project Calibrate. resum

El mètode científic sovint es presenta, als llibres de text de ciències, com un procés lineal i gradual que implica contrastar hipòtesis i realitzar experiments. No obstant això, la història de la química ens mostra una diversitat metodològica que inclou també observacions no manipulatives. L’article considera la matriu de Brandon com una eina que permet ressaltar la diversitat metodològica de la química. Es presenten exemples de recursos desenvolupats pel Project Calibrate a Anglaterra per il·lustrar com es poden millorar els compromisos epistemològics dels estudiants, la metacognició i el pensament crític en la química.

DOI: 10.2436/20.2003.02.223 http://scq.iec.cat/scq/index.html

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paraules

clau Naturalesa de la química, mètodes de la química, matriu de Brandon, Project Calibrate.

Introduction

Chemistry is a fascinating subject. This is why we have chosen to study it and this is why we continue to engage in it through education, eager to pass on our knowledge to the next generations. Chemistry is a subject that takes us into an invisible world of atoms, mol ecules and chemical reactions. It helps us make sense of the materials and provides us with tools to synthesise new substances. We use symbolisms to help us communicate about the intricate details about the material world. But what exactly is chemistry and how do we

know how to define what chemistry is about? These questions may seem unneces sary when we have a functional and pragmatic way of navigating the conceptual and methodo logical landscapes of chemistry, but they are nevertheless important to pose. They are important because they give us a different perspective on chemistry. It helps us have a bird’s eye view of how chemistry works. In a sense, the perspec tive that we get from fundamen tal questions like «what is chemistry?» is a bit like having a map of a city where we can be oriented to the details such as

buildings, rivers, landmarks, roads, parks and such, and we can appreciate the collective endeavour. Without a map, we may understand what rivers and roads are, and what purposes they serve in a city, but we would not appreciate the rela tional connections between spaces and objects in the landscape. We would not have a holistic understanding of and orientation to the city. The analogy with chemistry is that we may emphasise concepts, processes, mechanisms and all that is conventionally part of the chemistry curriculum. Yet, without an overall ‘map’ of

ISSN 2013-1755, SCQ-IEC Educació Química EduQ número 29 (2021), p. 33-40

chemistry where we are having a meta-level perspective on the subject, it’s suspect if and how we can understand the signifi cance of the chemical concepts and processes in the first place. When we ask, «what is chemis try?» we are going deeper into understanding chemistry, what makes chemistry chemistry and how we know what chemistry is.

Aspect of Epistemic Core

Teaching the epistemic core of chemistry

When we ask, «what is chemistry?» we are really asking a philosophical question. Philosophy of chemistry is a line of scholarship that interrogates such fundamental questions (Erduran, 2014; 2013). Within science education research, there is also a line of research called nature of science

Epistemological commitments

Aims and values

Students appropriate a set of epistemic aims and values from chemistry such as commitment to accurate and objective evidence

Practices

Students are committed to employing appropriate chemical practices such as modelling and classification in investigating problems

Metacognition

that addresses such questions (Erduran & Dagher, 2014). In a recent book (Erduran & Kaya, 2019), we have explored how ideas from philosophy of chemistry may be incorporated into chemistry teacher education through reflections on the nature of chemistry. We discussed the «epistemic core» of chemistry: those aspects of chemistry that

Critical thinking

Students are aware of their use of epistemic aims and values of chemistry in their investigations

Students can evaluate whether or not chemists’ claims are in line with their projected epistemic aims and values

Students can evaluate their understanding of chemical practices such as modelling and classification

Students can compare and contrast the strengths and limitations of different practices such as experimentation and observation

Methods

Students value the importance of diversity of methods in chemistry ranging from hypothesis testing to non-manipulative observation

Knowledge

Students understand that chemistry relies on different forms of knowledge such as theories, laws and models, and that these knowledge forms develop in time

Students can distinguish between different methods in chemistry and select them to be fit for purpose in problemsolving

Students can advance arguments for and against the use of a particular method to investigate a problem

Students can evaluate their own chemistry knowledge and characterise it relative to established theories, models and laws in chemistry

Students understand the explanatory power of chemistry knowledge as well as its limitations

Table 1. Potential benefits of learning the epistemic core of chemistry (from Erduran & Kaya, 2019).

concern the development of chemical knowledge. The epistemic core is about the aims and values, practices, methods and knowledge in chemistry. The epistemic aims and values relate to criteria like objectivity and accuracy that help chemists establish the reliability of chemical knowledge. The practices are about the ways in which chemists engage in knowledge construction, for instance through modelling through explanations and predictions of chemical reactions. These practices may involve observation, classification and experimentation. The methods are about the various approaches to the research process including whether or not hypotheses are being tested, and whether or not

particular variables are being changed. Chemical knowledge comes in the form of theories, laws and models. These forms of knowledge help us together to make sense of chemical phenomena. In Erduran and Kaya (2019) we highlighted how the teaching and learning of the epistemic core of chemistry may benefit students (see Table 1). For example, learning the epistemic aspects of chemistry can potentially help clarify students’ epistemological commitments, improve their metacognition and foster their critical thinking.

Focusing on the Diversity of Methods in Chemistry

Let’s focus on one aspect of the epistemic core of chemistry:

methods. What are methods in chemistry? There is a long tradition of representing the scientific method as a linear and stepwise process that involves hypothesis testing. Blachowicz (2009), for example, reviewed 70 introductory science textbooks and demonstrated that textbooks tend to present the scientific method as a stepwise process in a simple empiricist view of science. More recently, Woodcock (2014) discussed such «myths» of the scientific method as a simple process of following some steps which may include observing, making a hypothesis, experimenting, analysing data, confirming or rejecting the hypothesis and making conclusions. Figure 1 illustrates some examples from

Figure 1. Model of the scientific method as depicted by (a) GetChemistryHelp (2021) and (b) Chemistry LiberTexts (2021).

educational resources available freely online. As the figures demonstrate, such models of the scientific method rely heavily on the presence of hypothesis testing through experiments.

However, when we turn to studies in philosophy of science, we witness that such simplistic models of the scientific method are not representative of how methods actually work in sci ence. Brandon (1994), for exam ple, provided an account of scientific methods that demon strate that not all experiments rely on hypothesis testing. He represents the connections between experiments and observations in terms of a matrix (i.e. two-by-two table) in which the nature of the investigation (experiment/observation) is related to whether it involves manipulation of variables or not, and whether or not it involves hypothesis testing or parameter measurement. Table 2 refers to the terms that Brandon himself used and some examples from chemistry that Erduran and Dagher (2014) provided to match each category. In this paper, in order to be able to use the terms in different ways in the text, manipulate or manipulation are used interchangeably, and they relate to the changing of vari ables. Measure or measurement of parameters refer to the noting of data from investigations.

So in Brandon’s Matrix of scientific methods, we thus can ask two questions: (a) are we testing a hypothesis or not? and (b) are we changing (manipulat ing) variables, or not? If we are not testing a hypothesis, we might simply be making observa tions or measuring some param eters. If we are not manipulating variables, we may just be de scribing our observations. Erduran, Childs and Baird (2020) gave the following contemporary

example in relation to the COVID-19 pandemic to illustrate how Brandon’s framework can be applied to different problems in science. Scientists may collect data around how the virus might be influencing a patient’s breath ing over a period of time. Such observations are simply based on the recording of parameters where there is no manipulation of variables in the sense of an experiment (non-manipulative parameter measurement). Likewise, sometimes data might be subjected to hypothesis testing about correlation be tween incubation period and extent of lung disease, but without having been part of an experiment (non-manipulative hypothesis testing). Scientists may carry out some randomised control trials in which a drug or a vaccine is treated as a variable in interventions that also include control groups to test the placebo effect (manipulative hypothesis testing). Sometimes scientists may simply change variables in order to make observations but they don’t have specific hypoth eses in mind (manipulative parameter measurement). The important point is that all these different approaches are essen tial when doing science, and there is no one single method but rather a diversity of scientific methods.

Erduran and Dagher (2014) gave the example of how Mend eleev predicted the existence of the element gallium without manipulating any variables but rather by reasoning about atomic weights. This is an example where a prediction was made based on known elements. De Boisbaudran subsequently and independently characterised the new element spectroscopically. De Boisbaudran was testing the hypothesis of the existence of a new element by spectral analysis

of an ore and managed to isolate gallium through this method. Again, there was no changing of variables but this time, there was testing of a hypothesis about a new element. Other chemists such as Rutherford and Crookes engaged in a range of other methods. All together the use of such diversity of methods led to the formulation of the Periodic Table of Elements. Brandon’s Matrix does not imply that all investigations have to fit into one quadrant exclusively. In fact, Brandon himself argued that many investigations lie in some kind of a continuum across these ways of doing science.

Another example about Brandon’s Matrix is the following. When an experiment is conducted to measure the effect of temperature on the pressure of a gas at constant volume (i.e. PV = nRT), there is manipulation of a variable (temperature). This is an example of manipulative hypothesis testing. In a titration experiment, the pH may be measured when acids and bases are mixed. Here there would be manipulation of the volume of acid/bases that is added but we may not start with a hypothesis. Rather, we may just be interested in noting the quantities involved. This is an example of a manipulative parameter measurement. In a chemical reaction between an acid and a metal, we might hypothesise that a gas will be released. If we simply do the experiment to make an observation about the release of a gas, then we are not changing any variables. We are simply testing a hypothesis about a gas being released, without changing any variables. This is an example of non-manipulative hypothesis testing. In a precipitation reaction, we may simply be interested in observing colours of different precipitates when solutions are

Test Hypothesis

Measure Parameter

Manipulate Not Manipulate

Manipulative hypothesis test e.g. Crookes’ study of gases

Manipulative description or measure e.g. Rutherford’s artificial transmutation of elements

Non-manipulative hypothesis test e.g. De Boisbaudran’s discovery of gallium

Non-manipulative description or measure e.g. Mendeleev’s prediction of gallium

Table 2. Brandon’s matrix and chemistry examples (from Erduran & Dagher, 2014).

Figure 2. Distribution of items and marks in Exam Papers 1 and 2 across Brandon’s Matrix on the three exam boards (from Cullinane, Erduran & Wooding, 2019).

mixed. Here there is no manipulation, simply observation about the parameters (colour change). In this example, there is non-manipulative parameter measurement or observation.

Any of these chemistry topics can be thought with respect to each of the Brandon’s categories depending on the approach taken. For example, if we wanted to investigate the rate of hydro gen production relative to the concentration of an acid in a

reaction with a metal, different acid concentrations can be viewed as a variable. Such an investigation would have a different purpose than the one previously mentioned, and it would use a different method, namely manipulative hypothesis testing. In Erduran and Wooding (2021), we illustrate how in the context of chromatography, depending on how the investiga tion is set up, they can belong to each quadrant of the matrix. The

important point here is to recognise that there is no single approach to doing an investiga tion in chemistry. Rather, depend ing on the goal of the investiga tion there may be different priorities such as hypothesis testing or simply observation and description. All of these methods are important in chemistry and recognising the different ap proaches can help us understand why and how we are doing what we are doing in chemistry.

Question 5 [combined task]

Students are investigating water samples.

Student A thought that a water sample with pH of 7 was pure.

To find the pH the student added universal indicator solution to a sample of tap water.

Student C compared sea water and bottled water

The student predicted that sea water contained more impurities than bottled water

Student B investigated the boiling point of the water samples.

The student measured the temperature the samples boiled at.

Student D tested a sample of bottled water to see which ions were dissolved in the water.

5.1 Which two students are testing a hypothesis? [1 mark] Student and student ____

5.2 Write down the hypothesis that one of these students is investigating. [1 mark] Student ____ Hypothesis: 5.3 Name one student who did not make a hypothesis Is this a scientific investigation?

Circle either “Yes” or “No” below, and then justify your answer. [3 marks] Student_____ Yes / No Justification:

5.4 Make a prediction about the results of student B’s experiment with a pure water sample and with an impure water sample. Draw a line from the type of water sample to the predicted boiled point. [2 marks]

Water sample Boiling Point Impure water Pure water

2 ºC 0 ºC 2 ºC 98 ºC 100 ºC 102 ºC

5.5 Compare the methods of student A and of student B. Which method is likely to be the most accurate in showing is a water sample is pure? Explain why the method is more accurate. [3 marks]

Figure 3. Project Calibrate Examination Question about Diversity of Methods in Chemistry.

Scientific Methods in High Stakes Examinations

In exploring the relevance of Brandon’s Matrix for chemistry education, we have turned to an analysis of questions in high stakes examination questions in England. We have observed that each category of Brandon’s Matrix is applicable to examination questions and marking schemes (Cullinane, Erduran & Wooding, 2019). We investigated three English examination boards’ examination papers (Figure 2). Papers 1 and 2 assess different content from the curriculum and different exam boards label them differently, but ultimately, the content is consistent with the national curriculum. Paper 1 examines the first five topics from the curriculum (i) the atomic structure and the periodic table; (ii) bonding, structure, and the properties of matter; (iii) quantitative chemistry, (iv) chemical changes; and (v) energy changes. Paper 2 examines (vi) rate and extent of chemical change; (vii) organic chemistry; (viii) chemical analysis, (ix) chemistry of the atmosphere; and (x) using resources and key ideas. Our analysis demonstrated a trend towards more marks being allocated to manipulative type questions. However, there were more items dedicated to nonmanipulative parameter measurement as compared to manipulative parameter measurement in the examination questions but not in the marks allocated to the questions.

The pattern suggests consistency between the questions allocated to each category and the marks allocated to them across the examination boards. There is also consistency in the way that the marks are allocated to manipulative type questions, even though the relative frequency for the items were lower. This

observation suggests that manipulative type questions are considered to be worthy of more marks and possibly more cognitively demanding. Overall, the analysis of the examination questions and the marks highlight the fact that there is variation in the distribution of different methods of chemistry examination questions in highstakes tests in England. Teachers tend to structure their teaching towards the examinations that their students will sit. Hence, overemphasis on one method would imply that teachers spend more teaching time preparing their students for such items and less on others, ultimately students having a disproportionate exposure to the diversity of methods in chemistry. How, then, can examination questions be more balanced and representative of the diversity of methods in chemistry? We have addressed this key question in the context of Project Calibrate (2020).

Project Calibrate: Designing Chemistry Assessments using Brandon’s Matrix

Project Calibrate is a 3-year project that aimed to incorporate epistemic perspectives on practical science in science education in England (Erduran et al, 2020; El Masri, Erduran & Ioannidou, 2021; Erduran & Wooding, 2021; Ioannidou & Erduran, 2021). The project was guided by a systematic approach to considerations of teaching and assessment. The project engaged with examiners from different examination boards to produce assessments. Figure 3 illustrates one example where students are asked to compare and contrast different methods in chemistry.

There are four scenarios involving the investigation of water samples, and the questions target the identification of

hypothesis testing. One of the misconceptions about scientific methods is that the scientific method has to include a hypothesis and an experiment (Ioannidou & Erduran, 2021). Hence, one of the questions focused on getting at students’ characterization of an investigation as being scientific or not on the basis of testing a hypothesis. Finally, one of the questions ask about justification of the suitability of a method, thus putting students in ways of thinking and reasoning that characterize how chemists approach their analyses. In other words, methods are not a given in chemistry but rather, chemists choose particular methods, and justify them for their suitability to pursue an investigation.

In summary, we have produced assessment resources on scientific methods (Project Calibrate, 2020) and analysed the chemistry examination questions (Cullinane, Erduran & Wooding, 2019) using Brandon’s Matrix. In the case of the assessments, Bran don’s Matrix guided the design of new questions. In the case of the analysis of existing examination questions, Brandon’s Matrix served as an analytical tool. Taken together, the use of the same framework provides consistency and systematicity in approaching educational research and practice, and the overall approach of Project Calibrate illustrates how an epistemic construct such as Brandon’s Matrix can serve educational purposes ranging from document analysis to the design of novel educational resources.

Discussion

Our work in Project Calibrate has focused on the case of scientific methods. The use of Brandon’s Matrix is intended to highlight to students the impor tance of diversity of methods in

chemistry so that they can place as much value on not only hypothesis testing but also non-manipulative descriptions and measurements. The fact that Brandon’s Matrix explicitly highlights in a 2-by-2 table the various methods that can be used in chemistry helps foster a meta-cognitive perspective on what methods are, why they are used and how they relate to different aims in chemical inquiry. When students are immersed in contexts where they compare and contrast as well as justify methods, they are en gaged in critical thinking and evaluation. Other dimensions of the epistemic core of chemistry, such as the epistemic aims and values, practices and knowledge can be investigated empirically as well, given the theoretical justification of these aspects have already been made. Ulti mately, students’ engagement in epistemic aspects of chemistry is likely to foster their appreciation of the nature of chemistry.

Acknowledgment

Project Calibrate was jointly funded by Wellcome Trust, Gatsby Foundation and Royal Society (Grant Number 209659/Z/17/Z).

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Sibel Erduran is Professor of Science Education at University of Oxford, UK. She is the Presi dent of European Science Education Research Association and Editor-inChief of Science & Education. Her books include Argumentation in Chemistry Education: Research, Policy and Practice (Royal Society of Chemistry) and Transforming Teacher Education through the Epistemic Core of Chemistry: Empirical Evidence and Practical Strategies (Springer).

E-mail: Sibel.Erduran@education. ox.ac.uk

Aprender química y sobre naturaleza de la práctica científica mediante prácticas epistémicas y no-epistémicas

Learning chemistry and about nature of scientific practice through epistemic and non-epistemic practices

DOI: 10.2436/20.2003.02.224 http://scq.iec.cat/scq/index.html

resumen

Este artículo presenta y justifica la participación de los estudiantes en prácticas científicas como marco idóneo para la enseñanza de la ciencia. Se promueve, para ello, una perspectiva del enfoque que incluye prácticas tanto epistémicas como no-epistémicas, cuyo desempeño requiere el manejo integrado de conocimientos científicos, procedimentales y metacientíficos (o sobre naturaleza de la ciencia). Se concluye con un ejemplo de cómo podría implementarse el enfoque didáctico, en clase de química de la ESO, con una actividad de indagación escolar sobre el fenómeno de la efervescencia.

palabras clave Aprendizaje como indagación, efervescencia, educación secundaria obligatoria, naturaleza de la práctica científica, prácticas científicas.

abstract

This article presents and justifies the participation of students in scientific practices as an ideal setting for science education. To the end, a perspective of the approach is promoted that includes both epistemic and non-epistemic practices whose performance demands an integrated use of scientific, procedural, and meta-scientific knowledge (or about nature of science). Finally, an example of how the educational approach could be implemented in a secondary chemistry classroom is presented, which is concreted in a school inquiry activity related to the effervescency phenomenon.

keywords

Effervescency, inquiry-based learning, lower secondary education, nature of science, scientific practices.

1. Introducción

Durante décadas, el aprendizaje de la ciencia como indagación (ACI) se ha promocionado como uno de los enfoques didácti cos más propicios para aprender ciencia (Constantinou, Tsivitani dou & Rybska, 2018). Genuinamente, una educación científica enmarcada en el ACI implica que: «...los estudiantes desarrollan

ideas científicas clave de forma progresiva mediante el aprendizaje de cómo investigar y construir su propio conocimiento para entender el mundo que les rodea. Utilizan habilidades empleadas por los científicos tales como el planteamiento de preguntas, la obtención de datos; el razonamiento y la revisión de pruebas a partir de lo que ya se sabe; la

elaboración de conclusiones y la discusión de resultados» [(InterAcademy Partnership, 2010: 19 (traducción propia)].

Sin embargo, la implementación en el aula del ACI ha resultado ineficaz en muchos casos (Rönne beck, Bernholt & Ropohl, 2016). Las razones tras ello son múltiples, pero destacaremos aquí dos fundamen tales. La primera tiene que ver con

41 ISSN 2013-1755, SCQ-IEC Educació Química EduQ número 29 (2021), p. 41-47

Antonio García-Carmona / Departamento de Didáctica de las Ciencias Experimentales y Sociales. Universidad de Sevilla, España

una malinterpretación de lo que significa realmente aprender ciencia indagando (García-Carmona, 2020a, 2021). A menudo, el ACI se ha traducido en plantear actividades experimentales, que los estudiantes hacen siguiendo unas instrucciones, paso a paso, como si fuesen «recetas de cocina» (García-Carmona, Criado & Cruz-Guzmán, 2018). Esto suele tener como resultado que los estudiantes centren toda su atención en completar las instruc ciones, en vez de aprender sobre lo que están haciendo y para qué lo hacen (Hodson, 2005). De ahí que tengan dificultades para conectar lo que observan con el conocimiento científico involucrado en la activi dad experimental (Abrahams & Millar, 2008).

La otra limitación importante de los planteamientos habituales del ACI es que no se orientan a que los estudiantes aprendan sobre la indagación científica (Lederman et al., 2014); o, de otra manera, que adquieran una comprensión básica sobre la naturaleza de la práctica científica (García-Carmona & Acevedo-Díaz, 2018). Parece asumirse que los estudiantes asimilarán este conocimiento metacientífico simplemente partici pando en actividades experimenta les. Este modo implícito o indirecto de atender la comprensión de la naturaleza de la práctica científica es, en múltiples ocasiones, conse cuencia de identificar esta com prensión erróneamente con el desempeño de procesos de la ciencia (Garritz, 2006). Sea como fuere, lo que revela la investigación didáctica, al respecto, es que la comprensión de nociones básicas sobre naturaleza de la ciencia (NDC),1 en general, solo se ve favorecida realmente cuando se plantea en clase de forma explícita y reflexiva

1 La naturaleza de la práctica científica se concibe aquí como parte integrante del amplio y poliédrico constructo que consti tuye la naturaleza de la ciencia (GarcíaCarmona & Acevedo-Díaz, 2018).

(Acevedo-Díaz, 2009). Esto es, con objetivos de aprendizaje específicos de NDC; el diseño de actividades escolares que inviten a pensar y debatir sobre aspectos de NDC, y un sistema de evaluación apropia do para valorar la comprensión alcanzada (García-Carmona, 2021).

Además de constituir en sí misma una dimensión clave de la competencia científica (OECD, 2019), la comprensión informada de los rasgos más característicos de las diferentes prácticas que desempeñan las personas dedicadas a la ciencia resulta esencial para la participación en auténticas indagaciones científicas escolares (García-Carmona & Acevedo-Díaz, 2018). Por ejemplo, los estudiantes difícilmente aprenderán a modelizar un fenómeno si no comprenden qué función tienen los modelos en la construcción de conocimiento científico, ni cuáles son sus características epistemológicas y ontológicas (Acevedo-Díaz, García-Carmona, Aragón-Méndez & Oliva-Martínez, 2017).

Con el fin de superar tales limitaciones del ACI, se ha empezado a promover una educación científica basada en la participación en prácticas científicas (García-Carmona, 2020a). En lo que sigue, expondremos los aspectos esenciales de este enfoque didáctico, y terminaremos con un ejemplo de actividad para su implementación en clases de química de educación secundaria obligatoria.

2. Qué implica una enseñanza de la ciencia basada en prácticas científicas

Según Osborne (2014), la ense ñanza de la ciencia orientada por prácticas científicas persigue que los estudiantes desarrollen una comprensión de lo que se sabe de ciencia, de cómo se sabe y de los constructos que guían la práctica científica; todo ello, en aras de

alcanzar una visión más auténti ca de la ciencia. Al respecto, Ford (2015) enfatiza que participar en prácticas científicas implica adquirir una capacidad para la evaluación y la crítica continuas en la construcción de conocimiento científico. En este sentido, Kelly y Licona (2018) subrayan que las prácticas científicas se aprenden mediante la participación e interacción con otros miembros de la misma comunidad de aprendizaje. De forma que el conocimiento es concebido como un producto negociado entre las personas de un grupo social a partir de discusiones basadas en razonamiento, persuasión, etc.

En suma, la participación en prácticas científicas escolares debe propiciar una conexión entre hacer y aprender, conjugando de manera consciente y explícita –con el apoyo docente apropiado–conocimientos científicos y metacientíficos con habilidades procedimentales (García-Carmona, 2021). Esto es importante resaltarlo porque muchas propuestas para el ACI han caído en la ingenuidad de asumir que los estudiantes adquirirán conceptos e ideas científicas por el solo hecho de participar en actividades prácticas, manejando algunos procedimientos (Hodson, 2014). Similarmente, es esencial que los estudiantes entiendan la naturaleza distintiva de las diferentes prácticas científicas en las que participan para entender cómo funciona la ciencia, y comprender determinadas situaciones durante una indagación escolar; por ejemplo, que se puede investigar un mismo problema con metodologías distintas; que se puede llegar a conclusiones diferentes partiendo de los mismos resultados; que una adecuada organización y distribución de tareas en un equipo de trabajo puede facilitar el desarrollo de la indagación; o que la discusión de

los resultados con otros equipos puede ayudar a interpretarlos me jor y a corregir posibles errores.

En la fig. 1 se muestra un esque ma general para ilustrar nuestra concepción del enfoque didáctico basado en prácticas científicas para la enseñanza de la ciencia.

3. Qué prácticas científicas promover en la educación científica básica: prácticas epistémicas y no-epistémicas

Una de las propuestas más influyentes del enfoque basado en prácticas científicas es la sugerida en el documento estadounidense A framework for K-12 science education (NRC, 2012). Propone ocho prácticas científi cas esenciales: a) formulación de preguntas, b) elaboración y uso de modelos, c) planificación y ejecución de investigaciones, d) análisis e interpretación de datos, e) uso del pensamiento matemá

tico y computacional, f) elabora ción de explicaciones científicas, g) construcción de argumentos basados en pruebas, y h) obten ción, evaluación y comunicación de información.

Se puede decir que esta propuesta de prácticas científicas, aun siendo muy interesante, muestra una perspectiva fundamentalmente racional de la actividad científica; de ahí que tales prácticas sean también

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número 29

Recursos didàctics Aprender química y sobre naturaleza de la práctica científica mediante prácticas epistémicas y no-epistémicas

Figura 1. Esquema representativo de una educación científica basada en prácticas científicas (fuente: elaboración propia).

Problema

Laura está con gripe y su médico le ha recetado comprimidos de paracetamol efervescentes para la fiebre. En el prospecto del medicamento se lee que, para tomar un comprimido, debe introducirse en medio vaso de agua y esperar a que cese totalmente el burbujeo. Si Laura quiere que el comprimido se desintegre en agua más rápido de lo habitual, ¿qué debería hacer? Investígalo mediante algún experimento.

Cuadro 1. Enunciado de un problema de química escolar contextualizado en el fenómeno de la efervescencia.

conocidas como prácticas epistémicas. Pero, estudios sobre historia, filosofía y sociología de la ciencia indican que el trabajo de las mujeres y hombres dedicados a la investigación científica abarca prácticas tanto epistémicas como no-epistémicas; es decir, tareas o acciones en las que se combinan quehaceres racionales con quehaceres de tipo sociológico, incluyendo aspectos afectivos, contextuales, conductuales, éticos, organizativos, económicos, etc. (García-Carmona, 2021; García-Carmona & Acevedo-Díaz 2018). En consecuencia, un planteamiento más holístico del enfoque basado en prácticas científicas debería incluir prácticas de ambos tipos. Algunos ejemplos de prácticas no-epistémicas serían (García-Carmona, 2021): «establecimiento de normas de cooperación y colaboración científica, determinación de códigos de “buenas prácticas” para la investigación científica, elaboración de presupuestos para llevar a cabo investigaciones» , y «consenso de reglas para comunicar, discutir y evaluar resultados de una investigación».

4. Cómo implementar en clase de química el enfoque basado en prácticas científicas: un ejemplo para Educación Secundaria Obligatoria

Con objeto de ilustrar lo expuesto, en lo que sigue describiremos una actividad para la clase de química de 3.º de ESO (14-15 años) que promueve la participación en prácticas epistémicas y no-epistémicas de ciencia escolar.

Se trata de un problema de química escolar contextualizado en el fenómeno de la efervescencia para su abordaje mediante una indagación, enmarcado en el bloque 2 «Los cambios» del currículo de Física y Química para el citado curso (Ministerio de Educación, 2015). El enunciado del problema se recoge en el cuadro 1. La temporización prevista para el desarrollo completo de la actividad sería de 3 sesiones de clase de una hora.

Aprendizajes esperados con la actividad

La actividad tiene una triple finalidad educativa. De manera integrada, se pretende que los estudiantes aprendan unos conocimientos básicos sobre el fenómeno de la efervescencia, se familiaricen con algunas prácticas epistémicas y no-epistémicas de la ciencia, y reflexionen sobre la naturaleza de estas prácticas. Ello se concreta en el cuadro 2.

Guía orientativa para la planificación, desarrollo y evaluación de la indagación

La actividad se enmarca en la modalidad de una indagación científica guiada (García-Carmo na, 2020b), la cual se caracteriza por plantear una cuestión o problema a los estudiantes, y estos tratan de diseñar y llevar a cabo una indagación escolar para resolverlo, con las orienta ciones apropiadas del docente. Para ello, resulta conveniente elaborar algún tipo de guion (véase el cuadro 3) con las distintas tareas que sería

deseable que los estudiantes abordaran durante la indaga ción, de acuerdo con los objeti vos de la actividad. El guion debe incluir la información y cuestio nes imprescindibles para mante ner un equilibrio entre la ayuda y el desafío para los estudiantes. Una vez que se ponga en prácti ca, será el o la docente quien vaya calibrando el apoyo adicio nal que necesiten los estudian tes para avanzar en el desarrollo de la actividad. Sería aconseja ble también que los estudiantes se organizaran en equipos de trabajo pequeños (3-4 miem bros), a fin de potenciar desde el inicio de la actividad un aprendi zaje cooperativo acorde con las bases del socioconstructivismo.

Reflexiones sobre la naturaleza de las prácticas científicas desempeñadas

Para completar la relación de aprendizajes previstos, se debe procurar que los estudiantes reflexionen y discutan sobre la naturaleza de las prácticas, tanto epistémicas como no-epistémicas, que han desempeñado con la indagación escolar planteada. Para ello, como se adelantó más arriba, es preciso formular explícitamente una serie de cuestiones que inciten a ello. Una posible relación de preguntas al respecto se detalla en el cuadro 4.

Agradecimientos

Este trabajo se enmarca en las actuaciones previstas para el desarrollo del proyecto EDU201782505-P, financiado por el Ministerio de Economía, Industria y Competiti vidad (Gobierno de España).

ConoCimientos CientífiCos

• Identificar el fenómeno de la efervescencia como un proceso químico

• Reconocer los productos y reactivos de una reacción química de efervescencia

• Conocer algunos factores que influyen en la velocidad de una reacción química

• Explicar cómo influyen la temperatura, el grado de división y la superficie de contacto en la velocidad de una reacción química

DesemPeño De PráCtiCas CientífiCas

Epistémicas:

• Formular hipótesis ante un problema de investigación

• Elaborar modelos científicos

• Planificar y llevar a cabo una investigación

• Analizar e interpretar datos

• Elaborar explicaciones científicas

• Evaluar y comunicar conclusiones de una investigación

No-epistémicas:

• Organizar y ejercer la cooperación/colaboración científica

• Elaborar criterios deontológicos para la investigación científica

• Elaborar presupuestos para la financiación de una investigación científica

• Establecer reglas de comunicación, discusión y evaluación de resultados de una investigación

ConoCimientos sobre naturaleza De la PráCtiCa CientífiCa

Naturaleza epistémica de la práctica científica

• Entender el concepto de hipótesis y su papel en la investigación científica

• Comprender el significado y rol de los modelos en la investigación científica

• Tomar conciencia del papel de los errores en la investigación científica

• Conocer el papel de la comunidad científica en la aceptación de nuevos conocimientos

Naturaleza no-epistémica de la práctica científica

• Reflexionar sobre la influencia de las relaciones personales y modos de organización de los científicos en sus investigaciones

• Entender el papel de la financiación en el desarrollo de las investigaciones científicas

• Asimilar la necesidad de establecer códigos deontológicos en la investigación científica

• Comprender la importancia de las habilidades para la comunicación en la difusión y persuasión de ideas científicas

• Reflexionar sobre las ventajas e inconvenientes de la discusión y evaluación por pares en la investigación científica

Cuadro 2. Aprendizajes esperados con la actividad: adquisición de conocimientos científicos, desempeño de prácticas epistémicas y no-epistémicas, y comprensión de aspectos básicos de la práctica científica.

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Recursos didàctics 45 Aprender química y sobre naturaleza de la práctica científica mediante prácticas epistémicas y no-epistémicas

número 29

Planificación y desarrollo de la indagación escolar

Prácticas epistémicas

• Se trata de un problema sobre los factores que determinan la velocidad de una reacción química.

¿Cuál es vuestra hipótesis?

a) Avanzad una posible solución o respuesta al problema, atendiendo al conocimiento científico que tenéis sobre el fenómeno a investigar.

b) Ayudaos, en esa respuesta inicial, de algún esquema detallado (modelo) para representar y explicar el fenómeno.

• ¿Qué experimento tenéis pensado hacer para comprobar vuestra hipótesis?

a) Explicad qué estrategia vais a seguir para verificar la validez de vuestra hipótesis.

b) Indicad qué datos pensáis tomar, y por qué.

c) Qué materiales e instrumentos necesitaréis para tomar los datos.

d) Cómo vais a organizar/representar y analizar los datos.

Prácticas no-epistémicas

• ¿Cómo vais a organizaros en el equipo para planificar y llevar a cabo las distintas tareas de la investigación?

• ¿Qué normas de «buenas prácticas» vais a estableceros en el equipo con respecto a (i) el manejo de los materiales e instrumentos, (ii) la toma de datos, (iii) el análisis de esos datos, y (iv) la consulta de información?

• Si tuvierais que cuantificar el coste aproximado del experimento que tenéis previsto hacer, ¿cuánto sería? Elaborad un presupuesto imaginando que tuvierais que adquirir todos los materiales, instrumentos, sustancias, etc. necesarios para hacer la investigación.

Evaluación de los resultados y conclusiones

Prácticas epistémicas Prácticas no-epistémicas

• ¿Qué interpretación científica hacéis de los resultados? Determinad si los resultados obtenidos son coherentes con: a) la explicación que avanzasteis como hipótesis, b) el modelo que elaborasteis para ilustrar esa explicación, y c) lo que la química dice al respecto (consultad vuestro libro de texto, internet, etc.).

• ¿Qué coincidencias y discrepancias encontráis entre vuestros resultados y conclusiones con las de otros equipos?

• ¿Qué limitaciones ha tenido vuestra investigación y cómo la mejoraríais? a) Indicad qué errores habéis cometido. b) Explicad qué dificultades (conceptuales y/o procedimentales) habéis tenido.

c) Explicad cómo mejoraríais la investigación si la volvierais a hacer.

• ¿Qué criterios de decisión vais a emplear en el equipo para determinar las conclusiones de vuestra investigación?

• ¿Cómo vais a comunicar, evaluar y discutir los resultados con los demás equipos?

a) Decidid de manera consensuada con el resto de los equipos los criterios y procedimientos a seguir para exponer, valorar, discutir y consensuar los resultados de la investigación. a) Acordad con los demás equipos el contenido, estructura y formato de los informes de investigación.

• Comparad el coste estimado de vuestro experimento con el del resto de los equipos y determinad cómo se podrían optimizar los recursos con vistas a repetir la investigación.

Cuadro 3. Guía orientativa, dirigida a los estudiantes, para la planificación, desarrollo y evaluación de la indagación científica escolar.

(2021). «Prácticas no-epistémicas: ampliando la mirada en el enfoque didáctico basado en prácticas científicas». Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias, vol. 18, n.º 1, p. 1108.

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Reflexiones sobre las prácticas epistémicas desempeñadas

(1) ¿Qué función pensáis que ha tenido la hipótesis en esta investigación?

(2) ¿Para qué os ha servido elaborar un modelo científico del fenómeno investigado?

(3) ¿Qué características diríais que tienen los modelos científicos?

(4) ¿Qué papel creéis que tienen los experimentos en la investigación científica?

(5) ¿Qué importancia consideráis que tienen los errores en la investigación científica?

(6) De acuerdo con lo que habéis experimentado en clase con esta actividad, ¿qué pensáis que sucede en la comunidad científica cuando dos equipos interpretan los resultados de una investigación de manera diferente?

Reflexiones sobre las prácticas no-epistémicas desempeñadas

(1) De acuerdo con vuestra experiencia, ¿de qué manera pensáis que influyen las relaciones personales y los modos de organización de los miembros de un equipo científico en sus investigaciones?

(2) ¿Por qué creéis que existen normas de «buenas prácticas» para llevar a cabo investigaciones científicas?

(3) ¿Cómo pensáis que influye la financiación económica de la que dispone un equipo científico en la planificación y desarrollo de sus investigaciones?

(4) ¿Qué ventajas y posibles inconvenientes consideráis que puede tener compartir, discutir y evaluar los resultados de una investigación con otros colegas?

(5) ¿En qué medida creéis que influyen las habilidades para la comunicación de un equipo de científicos a la hora de convencer a otros colegas de sus hallazgos?

Cuadro 4. Cuestiones para la reflexión sobre la naturaleza de las prácticas desempeñadas en la indagación escolar planteada.

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Licenciado en Ciencias Físicas, doctor y catedrático de didáctica de las ciencias experimentales en la Universidad de Sevilla. Ha sido profesor de física y química en educación secundaria durante más de una década. Como formador de profesorado de ciencia, su investigación se centra, principalmente, en la educación científica basada en la indagación / prácticas de la ciencia, la educación CTS y la comprensión de la naturaleza de la ciencia. C. e.: garcia-carmona@us.es

47 Aprender química y sobre naturaleza de la práctica científica mediante prácticas epistémicas y no-epistémicas

número 29

Antonio García-Carmona

Por un diálogo entre la filosofía de la química y la enseñanza de la química: el caso de la electronegatividad

For a dialogue between the philosophy of chemistry and the teaching of chemistry: the case of electronegativity

Martín Labarca / CONICET – Universidad de Buenos Aires, Argentina

resumen

La electronegatividad (EN) es un concepto antiguo, pero valioso, que tiene múltiples aplicaciones. La información que brinda es muy útil para predecir y explicar las propiedades fisicoquímicas de una especie química. Sin embargo, el hecho de que no pueda medirse directamente fue una de las razones que dio lugar a una proliferación de modelos muy diversos que coexisten en la práctica científica y, junto con ello, a un incomprensión respecto de lo que la noción misma de EN implica. El propósito de este trabajo es analizar dos modelos clásicos de EN, Pauling y Mulliken, para mostrar la incompatibilidad existente entre ellos.

palabras clave

Electronegatividad, Pauling, Mulliken, modelos incompatibles.

abstract

Electronegativity (EN) is an old but valuable concept that has multiple applications. The information it provides is very useful for predicting and explaining the physicochemical properties of a species. However, the fact that it cannot be measured directly was one of the reasons that led to a proliferation of very diverse models that coexist in scientific practice and, along with this, to a misunderstanding of what the very notion of EN implies. The purpose of this paper is to analyze two classical models of EN, Pauling and Mulliken, to show the incompatibility between them.

keywords

Electronegativity, Pauling, Mulliken, incompatible models.

Introducción

La electronegatividad (EN) se ha constituido gradualmente en una herramienta indispensable en cada campo teórico y experimental de la química, encontrando aplicaciones también en física, ingeniería y biología. En el ámbito de la quími ca, el concepto de EN ha sido utilizado para explicar propiedades como la acidez de los solventes, los mecanismos de reacción, la distribución electrónica, las polaridades de enlace y la periodi

cidad química, entre otras. Sin embargo, el hecho de que la EN no pueda medirse directamente fue una de las causas que dio lugar a una proliferación de modelos muy diversos y, junto con ello, a una incomprensión respecto de lo que la noción misma de EN implica.

El conjunto de modelos desa rrollados ha dado lugar a varios trabajos de revisión y clasificación (cfr. por ejemplo, Pritchard & Skinner, 1955; Mullay, 1987; Cherkasov et al., 1998; Batsanov &

Batsanov, 2012; Ruthenberg & Martínez González, 2017). En términos generales, es posible agruparlos en modelos termoquí micos, modelos espectroscópicos o geométricos y modelos cuánticos. Los valores numéricos de los múltiples modelos existentes convergen en una misma escala (denominada escala de EN) en la que se muestra, en general, un mismo ordenamiento de todos los elementos de la tabla periódica. Esta propiedad periódica muestra

que la EN aumenta a lo largo de un periodo y disminuye dentro de un grupo de arriba hacia abajo.

Sin embargo, la pluralidad de modelos existentes no generó una mejor comprensión respecto de la intensión y la extensión del concep to. En relación con su intensión (lo que «dice» un predicado: su sentido), la EN ha sido definida de diversos modos ya sea como una propiedad, una capacidad, un poder de atracción, un poder de expulsión o también como el resultante de una tensión entre propiedades del átomo; más aún, algunos autores afirman que la EN es simplemente un número que tiene propósitos comparativos. Asimismo, la extensión, es decir la referencia del concepto, tampoco es clara: ¿es el átomo, la molécula, un grupo, un ion o bien la especie química? En este trabajo presenta remos y analizaremos dos mode los clásicos (Pauling y Mulliken) mostrando las fuertes diferencias procedimentales, conceptuales y categoriales entre ambos.

cuantificar una escala de electrone gatividad sobre la base de un enfoque termoquímico utilizando los calores de disociación o forma ción de sustancias heteronucleares del tipo AnBm

Su punto de partida fue un enlace covalente en el cual no hay transferencia de electrones. Dicho enfoque sigue dos supuestos. El primero es el de enlace covalente simple normal entre dos sustancias A y B sin ningún componente iónico. El segundo supuesto está basado en el llamado «postulado de aditividad» (Pauling & Yost, 1932), según el cual la energía de un enlace covalente simple normal en un enlace heteronuclear es muy cercana al promedio aritmético de las energías de los enlaces entre los átomos iguales (enlace homonu clear); de este modo, resulta: E (A:B) = ½ (E [A:A] + E [B:B])

que Δ está relacionado a las diferentes formas en que los electrones de enlace se comparten en las sustancias A y B, Δ se constituye como una medida de la EN (χ) de los elementos. Las diferencias de EN entre A y B se definen formalmente como:

ΔE = EAB = E(AB) exp – ½ [EAA + EBB] ΔE = (χA - χB)2 |χA - χB| = 0,208 ΔE1/2 (eV) (1)

El enfoque

termoquímico:

el modelo de Pauling

Si bien el término electronegati vidad se asocia naturalmente al nombre de Linus Pauling (fig. 1), su origen se remonta a los trabajos de Avogadro y Berzelius en las prime ras décadas de 1800. De acuerdo con Jensen (1996), el concepto probable mente debe su nombre a este último, quien en su libro Lehrbuch der Chemie (1836) publicó una lista de 54 elementos ordenados en una escala, la cual separaba las sustancias simples predominantemente electropositivas de las predominan temente electronegativas. Dicha escala era esencialmente cualitativa en su naturaleza. Las primeras mediciones empíricas de la electro negatividad fueron realizadas por los químicos Worth Rodebush en 1925 y Groves Cartledge en 1928 (Jensen, 2012). En 1932 fue el premio Nobel Linus Pauling el primero en

Sobre esta base, la escala de Pauling se construye en términos de la diferencia entre la energía actual del enlace covalente y la energía del enlace covalente normal, cualesquiera sean las dos sustancias. La energía actual del enlace covalente se obtiene termoquímicamente considerando la energía requerida para romper el enlace molecular. La energía del enlace covalente normal se calcula teóricamente mediante el postulado de aditividad.

Para Pauling «si el postulado de aditividad es correcto, la diferencia (Δ ) entre la energía actual del enlace covalente y la que predice el postulado de aditividad debe ser cero o positiva, y a mayor carácter iónico del enlace, mayor será el valor de Δ […] los valores de Δ suelen conocerse con mayor precisión que las propias energías de enlace, ya que pueden medirse como calores de reacción» (Pauling, 1932: 3572). De este modo entonces, Pauling generaba la primera escala de EN sobre la base de los valores de Δ. Asumiendo

donde χA and χB representan las electronegatividades de los átomos A y B, respectivamente. Esta descripción brinda solamente diferencias de EN. Para obtener el valor absoluto es necesario postular a un elemento como valor de referencia. Para ello, Pauling adoptó el elemento hidrógeno con un valor de χ = 0. Posteriormente, en función de los datos obtenidos por Mulliken en 1934 (Bergmann & Hinze, 1996) y para evitar valores negativos de χ en la mayoría de los metales, dicho valor se modificó a χ = 2,1. Allred (1961) actualizó las EN de 69 elementos a partir de datos termodinámicos más adecuados y el hidrógeno adoptó un valor final de 2,2.

Los valores de electronegativi dad de Pauling para los elementos fueron aceptados fácilmente por la comunidad química debido a que gran cantidad de información química podía ser correlacionada y racionalizada en términos de electronegatividades. Al mismo tiempo, Pauling definía los valores de EN como «números que representan el poder [que poseen los elementos] de atraer electrones en un enlace covalente, por medio del cual se puede estimar la cantidad de carácter iónico parcial del enlace» (Pauling, 1950: 236).

La definición propuesta por Pauling dejaba sin valores de EN a los gases nobles. Asimismo, la unidad de la EN expresada como la raíz cuadrada de la energía (o energía0,5) generó cierta confusión en la época. En la actualidad, el

Aprenentatge de conceptes i models 49 Por un diálogo entre la filosofía de la química y la enseñanza de la química: el caso de la electronegatividad

número 29

modelo de Pauling ha sido fuertemente criticado por algunos de los principales referentes en la temática, quienes ponen en duda su aceptabilidad (cfr. Murphy et al., 2000; Smith, 2002).

El enfoque espectroscópico: el modelo de Mulliken

El siguiente intento de cuantificación fue llevado a cabo por el premio Nobel Robert Mulliken (1934) (fig. 2), quien dos años más tarde diseñó una escala de EN en un dominio geométrico o espectroscópico. A diferencia de Pauling, Mulliken construyó su escala utilizando dos propiedades atómicas: la energía de ionización (I) y la afinidad electrónica (A).

Su punto de partida fueron dos sistemas neutros X e Y que tienen iguales valores de EN. En este caso, los cambios de energía en las dos reacciones deberían ser idénticos: X + Y → X+ + Y y X + Y → X + Y+

Por el principio de igual energía

(si X e Y tienen la misma EN) X+ + Y = X + Y+

De manera que: Ix – Ay = Iy – Ax

y del mismo modo: Ix + Ay = Iy + Ax

De donde resulta la expresión formal: χM = ½ (Iy + Ay) (2)

De acuerdo con esta nueva conceptualización, Mulliken (1934: 783) afirmaba: «dos átomos univalentes tienen la misma electronegatividad si la suma (o promedio) del potencial de ionización más la afinidad electrónica es la misma para cada uno». Mulliken establecía así una escala de electronegatividades atómicas (es decir, «absolutas») al no depender de un valor arbitrario de referencia, como sucedía en la escala de Pauling. Teniendo en cuenta las propiedades atómicas empleadas, intuitivamente este

enfoque describe la tensión de un átomo entre su tendencia a ganar o a perder electrones. Mulliken denomina a esta tendencia «electroafinidad».

La escala de Mulliken tuvo una amplia aceptación ya que empleaba un formalismo muy sencillo y razonable. Se determinaron los valores de EN de 11 elementos para los cuales existían valores de afinidad electrónica. Otra ventaja es que con este modelo es posible determinar valores de EN para átomos en cualquier estado de valencia en la molécula. Sin embargo, la escala se vio limitada durante mucho tiempo porque aún en 2006 se conocían los valores de afinidad electrónica de solo 57 elementos (Salas-Bannuet,

La coexistencia de modelos incompatibles de electronegatividad

Todas las escalas de EN tienden a mostrar resultados

Ramírez-Vieyra & Noguez-Amaya, 2011).

Figura 1. Linus Pauling (1901-1994). Físico y químico norteamericano galardonado el año 1954 con el Premio Nobel de Química.

Figura 2. Robert Sanderson Mulliken (1896-1986). Físico y químico norteamericano galardonado el año 1966 con el Premio Nobel de Química.

similares: mientras que los metales tienden a perder electrones, los no metales tienden a aceptarlos. Sin embargo, un análisis más profundo revela que los dos modelos reseñados suponen fuertes diferencias procedimentales, conceptuales y categoriales (Accorinti, 2019; Accorinti & Labarca, 2020). Respecto a las diferencias procedimentales, podemos afirmar que mientras que Pauling obtiene los valores de EN a partir de datos experimentales sobre enlaces químicos (sistemas de uno o dos electrones en equilibrio), es decir, en un dominio termoquímico, Mulliken define la EN desde un dominio espectroscópico o geométrico, derivando los valores de EN a partir de datos atómicos y/o iónicos (átomos libres y/o iones libres).

Las diferencias conceptuales entre los modelos son también claras: mientras que Pauling define la EN como un poder de atracción de electrones, en el modelo de Mulliken, por el contrario, se la conceptualiza como la tensión existente en un átomo entre la tendencia a ganar y perder electrones. Lo que esto evidencia es la incomprensión que actualmente se tiene del significado o sentido de la EN. Como afirman Politzer y Murray (2018: 214): «Más de medio siglo después, y a pesar de los encomiables esfuerzos por establecer una base rigurosa para la electronegatividad, la confu sión persiste».

Asimismo, es importante apreciar las unidades en las que se expresan los valores de EN en las dos escalas. Mientras que en Pauling la unidad es la raíz cuadrada de energía, en Mulliken, por el contrario, la unidad es energía. Es importante destacar que en otras escalas de EN las unidades en que se mide esta magnitud son fuerza, energía/

electrón, fuerza/distancia o aun escalas donde la EN es una magnitud adimensional, es decir, simples números.

Señalamos anteriormente que la EN ha sido interpretada de diversos modos, ya sea como una propiedad, una capacidad, un poder de atracción y también como un parámetro formal sin referente alguno. En líneas generales, la idea de pensar la EN como una propiedad es ampliamente aceptada.

Veamos entonces a partir de los modelos dados, qué tipo de propiedad es la EN. En efecto, la propiedad que instancia la EN es una propiedad categorialmente diferente en cada uno de los dos modelos reseñados. Mientras que el modelo de Pauling supone que la EN es una propiedad extrínseca, el modelo de Mulliken supone que la EN se constituye como una propiedad intrínseca. La diferencia e importancia de nociones como «intrínseca» y «extrínseca» se ha discutido ampliamente en el campo de la filosofía (cfr. Lewis, 1983; 1986; Sider, 1996; Rae & Lewis, 1998). Tal distinción aparece a través de diferentes categorías (propiedades categóricas o disposi cionales o propiedades intrínsecas o relacionales) en temas relaciona dos con la filosofía de la identidad, la filosofía de la ética o la filosofía de ciencia. Para el propósito de este trabajo, tomaremos la noción preteórica propuesta por David Lewis (1983), quien define una propiedad intrínseca como una propiedad «que las cosas tienen en virtud de lo que son» mientras que una propiedad extrínseca se define como una propiedad «que las cosas tienen en virtud de sus relaciones o falta de relaciones con otras cosas» (Lewis, 1983: 197). Supondremos entonces la clasifi cación de propiedades en propieda des intrínsecas o no relacionales, por un lado, y propiedades extrínsecas o relacionales, por el otro, lo cual es

suficiente para advertir los diferentes e incompatibles modos en que los modelos actuales piensan la EN.

Evaluemos entonces esta distinción en el contexto de los dos modelos de EN presentados previamente. Si observamos el mo delo de Pauling podemos inferir que tal modelo supone que la EN es una propiedad externa o extrínseca que no pertenece a los átomos aislados sino a la molécula como un todo. Por un lado, en Pauling los enlaces covalentes juegan un papel central. Pero por otro lado, y fundamentalmente, el análisis de la ecuación que permite calcular la EN (véase ecuación 1) muestra que tal cálculo se realiza en función de la relación entre dos sustancias A-B. Hay que advertir, pues esto puede generar alguna confusión, que si en la escala brindada por Pauling se asigna un valor de EN a cada uno de los elementos aisladamente eso se produce solo porque se toma, de modo conven cional, al hidrógeno como valor de referencia.

Por el contrario, el modelo de Mulliken nos brinda una imagen muy diferente. En este formalismo (véase ecuación 2) la EN se define para cada átomo aislado en función de ciertas propiedades de los átomos mismos. En Mulliken, la EN es una propiedad intrínseca de los átomos en tanto depende de la tensión para atraer o perder electrones. En efecto, en el modelo de Mulliken la EN se determina en función de dos propiedades características de los átomos: el potencial de ionización y la afinidad electrónica. Esto muestra que perdura el inconveniente de entender cuál es el portador al cual se le atribuye la propiedad de EN; es decir, cuál es el referente de la EN: ¿Es una propiedad atómica (intrínseca), y por tanto se refiere al átomo, o bien es una propiedad relacional (extrínseca), en cuyo caso el

Aprenentatge de conceptes i models 51 Por un diálogo entre la filosofía de la química y la enseñanza de la química: el caso de la electronegatividad

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referente lo constituiría la molécula como un todo?

Podría pensarse que la EN será una propiedad atómica o molecular dependiendo del tipo de propiedad o propiedades que intervienen en la tarea de modelización. En el caso de Pauling, el calor de formación o disociación de una sustancia es una propiedad extrínseca (molecular) y, en consecuencia, la EN es una propiedad molecular. Del mismo modo, en el modelo de Mulliken el potencial de ionización y la afinidad electrónica son propiedades atómicas, por tanto, la EN es también una propiedad del átomo. Sin embargo, esta regla no puede generalizarse: en algunos modelos la EN es una propiedad molecular, pese a intervenir propiedades atómicas en la modelización (cfr. por ej. Simons, Zandler & Talaty 1976; Tandon, Labarca & Chakraborty, 2021).

Resumiendo y considerando entonces las características recientemente identificadas, la EN de Pauling y la EN de Mulliken no tienen nada en común: no coinciden en términos procedimentales, ni categoriales, ni en términos conceptuales; en otras palabras, los dos modelos son incompatibles

Algunas consideraciones para la enseñanza

A la luz de lo visto hasta aquí, ¿por qué elegir entonces un único modelo de EN? Lejos de una definición unívoca de EN, la ciencia real alberga una gran variedad de modelos de EN y de conceptualizaciones asociadas, que coexisten en las comunidades científicas. Una primera respuesta a la pregunta anterior podría ser que cuanto más simple, mejor. En general, el profesor tiende a adoptar una solución sencilla cuando se trata de concepciones alternativas, como en el caso del concepto de elemento, pero

creemos que aquí no se puede dar la misma respuesta a diferentes preguntas. La cuestión no estriba en qué escala debe elegirse, sino en el motivo para elegir una sola Esto significa que no estamos hablando de la escala en sí, sino de qué tipo de concepción tenemos de la ciencia y de la enseñanza de la ciencia.

El análisis de dos modelos clásicos de EN como Pauling y Mulliken muestra que se trata de un problema complejo que debería abordarse cuidadosamente a la hora de enseñar. En este sentido, creemos que algunas reflexiones epistemológicas pueden ser relevantes para su abordaje. En primer lugar, es importante recordar que la práctica científica implica una construcción continua del conocimiento. Si se acepta esto, es indispensable tener presentes los problemas y los vacíos que nos muestra el conocimiento científico actual. Los dos modelos de EN reseñados anteriormente y sus problemas científicos y filosóficos asociados (a saber, el desarrollo histórico de las escalas, la definición del concepto, los dominios de la realidad implicados, la relación entre teoría, modelo y realidad) pueden permitir a los estudiantes apreciar la propia naturaleza de los problemas y las diferentes herramientas que la ciencia proporciona para resolverlos. La enseñanza de una química «momificada», exenta de problemas conceptuales y de los debates asociados, no refleja la práctica científica y, desde nuestro punto de vista, no debería reproducirse en la enseñanza de la ciencia en la medida de lo posible (cfr. Accorinti & Labarca, 2020).

Conclusiones

En este trabajo se ha abordado el problema de la EN desde un punto de vista científico y filosófi-

co. El propósito fue mostrar que este tema presenta una importante cuestión que es necesario considerar a la luz de su enseñanza. En efecto, en la praxis científica coexisten diversos modelos de EN construidos con distintos parámetros o propiedades y que definen la EN desde diferentes dominios de la realidad. El punto clave aquí es destacar que el análisis de dos de los modelos de Pauling y Mulliken nos muestra que la pluralidad implica una incompatibilidad entre ambos. Este punto es especialmente relevante porque si solo se tratara de una multiplicidad no problemática, de hecho no importaría elegir el modelo de Pauling o el modelo de Mulliken. Como resultado de esa incompatibilidad, los dos modelos nos proporcionan diferentes imágenes de la noción de electronegatividad

La historia y la filosofía de la química nos ofrecen una imagen más real de la ciencia al revelar, explicar o dilucidar diferentes aspectos de la práctica científica. En este sentido, el análisis revela que la realidad implica más de un dominio así como una amplia variedad y diversidad de construcciones científicas. Los estudios metacientíficos también pueden ayudarnos a comprender el tipo de conocimiento que construye la ciencia y, en consecuencia, el tipo de enseñanza que debe fomentarse. Si este caso de estudio puede colaborar para que los docentes de química repiensen su práctica profesional, y se repiensen en ella, el objetivo estará cumplido.

Agradecimientos

El autor agradece a la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (FONCyT) (PICT2018-04519), a la Universidad de Buenos Aires (UBACyT 20020190200097BA) y a la Universidad Austral de Argentina.

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conceptes

Martín Labarca Es investigador independiente del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) de Argentina. Profesor en la Universidad Nacional de Quilmes y en la Universidad Austral. Se especializa en filosofía de la química, área en la que ha publicado trabajos en revistas filosóficas, científicas y de educación en química de difusión internacional. C.e.: mglabarca@gmail.com

53 Por un diálogo entre la filosofía de la química y la enseñanza de la química: el caso de la electronegatividad

número 29

DOI: 10.2436/20.2003.02.226 http://scq.iec.cat/scq/index.html

Ètica en química

Ethics in chemistry

Manel Pau / Investigador independent

resum

54

ISSN 2013-1755, SCQ-IEC Educació Química EduQ número 29 (2021), p. 54-57

La química com a ciència i com a tecnologia (la indústria química) planteja problemes ètics. Algunes publicacions recents, com el llibre de J. Kovac The ethical chemist, o un conjunt d’articles en una revista de filosofia de la química, s’han ocupat d’aquests temes. Aquestes qüestions poden ajudar el professorat de ciències a comprendre millor la naturalesa de la ciència i de la tècnica; i poden servir de base per a activitats educatives en una perspectiva de ciència per a la ciutadania.

paraules clau Ètica de la ciència, ètica de la tecnologia, filosofia de la química, impacte social de la química, valors en ciència.

abstract

Chemistry as a science and as a technology (the chemical industry) poses ethical problems. Some recent publications, such as J. Kovac’s book The Ethical Chemist, or a set of articles in a journal of philosophy of chemistry, have dealt with these topics. These questions can help science teachers better understand the nature of science and technology; and can serve as a basis for educational activities in a science for citizenship approach.

keywords

Ethics of science, technology ethics, philosophy of chemistry, social impact of chemistry, values in science.

The ethical chemist és el títol d’un llibre publicat recentment pel professor de química Jeffrey Kovac (2018). D’entrada, algú es pot preguntar si és que hi ha una ètica aplicada específica de la química (com hi ha la bioètica, per exemple). O, més en general, si hi ha filosofia de la química. El meu propòsit aquí és donar alguna resposta a aquestes qüestions.

Comencem per donar notícia del llibre esmentat. El seu autor, Jeffrey Kovac, és professor de química física en una universitat nord-americana. A part de la seva recerca com a químic, ha treballat també en ètica de la química i de les professions científiques en general. El llibre que comento està pensat per servir de suport a la introducció de problemàtiques morals en

l’ensenyament de la química a nivell universitari de grau i de postgrau. Va ser publicat per primer cop el 2004 i en aquesta segona edició el nombre de pàgines ha passat de 122 a 214.

En una primera part, els cinc primers capítols, es dona d’entrada una informació resumida sobre les principals teories ètiques. Després es tracten els problemes de l’ètica de les professions en general i en especial els de l’ètica de la recerca científica. Tot seguit es fa referència a les qüestions relacionades específicament amb la recerca química, com ara el treball de laboratori, la recerca en armes químiques i en substàncies perilloses i, més en general, els possibles problemes de la introducció de molècules sintètiques noves en el medi que habitem.

L’últim capítol d’aquesta primera part es dedica a proposar una metodologia per analitzar els casos pràctics.

La segona part, que ocupa gairebé dos terços del volum, està dedicada a descriure i comentar 65 casos (16 més que en la primera edició) de conflictes ètics relacionats amb la pràctica de la recerca química. Aquests supòsits pràctics es refereixen sobretot a situacions en què es poden trobar els investigadors doctorals o postdoctorals, i els seus directors: mala pràctica, frau, conflictes d’interessos, conflictes personals, falsificació de dades, apropiació de dades, conflictes en la revisió per col·legues, etc.

Aquest interès per l’ètica en química no és infreqüent. Per exemple, la revista de filosofia de la química Hyle ha publicat

recentment quatre sèries d’arti cles sota el títol genèric «Ethical cases studies of chemistry», posteriorment recollits en un llibre (Schummer & Børsen, 2021). Val la pena mostrar l’esquema del conjunt d’articles per veure l’amplitud de la temàtica tractada (dono entre parèntesis el tema concret de cada article):

1. Mal ús i mala conducta

• Mala conducta científica (falsificació de dades)

• Recerca militar (gasos verinosos a la Primera Guerra Mundial; el napalm)

• Producció de drogues addictives (metamfetamina)

2. Conseqüències locals no previstes

• Desastres industrials (accident de Bophal)

• Efectes adversos de medicaments (talidomida)

• Residus químics (cas Love Canal)

3. Influències globals i a llarg termini

• Contaminació global (riscos del bisfenol A; DDT)

• Química verda (clorur de polivinil; toxicologia i química verda)

• Enginyeria química i canvi climàtic (captura química de diòxid de carboni; forat de la capa d’ozó)

• Justícia intergeneracional (escassetat de materials)

• Justícia global (comerç de substàncies perilloses)

4. Reptes per a la cultura humana

• Millorament humà (psicotròpics)

• Creació de vida artificial (biologia sintètica)

• Drets de propietat intel·lectual (patents d’ADN)

5. Codis i regulacions

• Codis de conducta (codis de

conducta de l’American Chemi cal Society)

• Regulació química (REACH: la regulació química europea)

Està clar, doncs, que hi ha reflexió moral i política al voltant de la química. Però, quin lloc ocupa dins del conjunt de la filosofia de la ciència?

Les persones interessades en la història i la filosofia de la ciència estan acostumades a llegir i reflexionar sobre qüestions relacionades sobretot amb la

física, la biologia o la matemàtica: la revolució científica de Galileu i Newton, la relativitat, la física quàntica, el darwinisme, la naturalesa convencional o realista de les veritats matemàtiques... La química no hi apareix gaire, excepte potser la revolució química de Lavoisier. La concepció del temps i de l’espai de la relativitat o l’indeterminisme de les teories quàntiques poden ocupar les cabòries de les ments més especulatives, però és la biologia, amb el gran canvi de

Figura 1. Portada de The ethical chemist

paradigma de l’evolucionisme, la ciència que ha modificat més profundament la nostra concepció del món. La química ha quedat com un terreny ignorat sense grans idees d’abast general: física aplicada per a alguns o empirisme pràctic per a altres. Però, a partir dels anys noranta del segle xx –deixant de banda precursors, que sempre n’hi ha–, la filosofia de la química ha començat a ser una disciplina acadèmica amb les seves revistes i les seves institucions.

La primera revista que va aparèixer és Hyle: International Journal for Philosophy of Chemistry, que es va proposar tractar tots els aspectes filosòfics de la química: epistemològics, metodològics, conceptuals, ontològics, tecnològics, històrics, educatius, ètics, ambientals... Hyle va començar a sortir en alemany l’any 1995. Des del número 3 (1997) és en anglès i és accessible en línia: http://www.hyle.org/

Pel que fa a les societats científiques, The International Society for the Philosophy of Chemistry va celebrar la primera

2. Pantalla d’inici de la web de Hyle

reunió el 1994 i des de l’any 1999 publica la seva pròpia revista: Foundations of Chemistry. La persona interessada es pot fer una idea de les principals línies de recerca actuals en filosofia de la química en el corresponent article de l’Stanford Encyclopedia of Philosophy (Weisberg, Needham & Hendry, 2019).

La majoria dels debats en filosofia de la química s’ocupen de qüestions epistemològiques i ontològiques. Per exemple, les referides a la relació entre les teories químiques i la física quàntica: la taula periòdica, el concepte d’orbital, o el de forma d’una molècula... Aquí la manera de raonar no es diferencia gaire de la típica en altres branques de la filosofia de la ciència: un coneixement profund de la ciència en qüestió i una utilització sistemàtica dels instruments formals de la filosofia analítica. En general, la majoria dels filòsofs de la química defensen l’especificitat de la química com a ciència, assenyalant que hi ha ciència vàlida i madura més enllà dels models altament formalitzats, matema-

titzats, de la física teòrica. Rebutgen, doncs, la jerarquització de les ciències i propugnen el pluralisme de models científics per estudiar la realitat.

Una de les característiques de la química com a ciència és que no solament intenta explicar el canvi químic i el comportament de les substàncies existents en la natura, sinó que crea substàncies noves. La centralitat de la síntesi química és un fet diferencial de la recerca química moderna (Schummer, 2001).

Unes mínimes dades quantitatives de començament de l’any 2020 –extretes de la pàgina web del Chemical Abstracts Service i altres fonts de fàcil accés– situen la qüestió. Hi ha registrades 160 milions de substàncies químiques. El creixement és exponencial: l’any 2005 se’n coneixien 25 milions i el 2015, 100 milions. La majoria dels articles científics que es publiquen en química contenen essencialment la descripció d’una nova síntesi i d’algunes de les propietats de la molècula obtinguda. El nombre de reaccions químiques inventariades supera

Figura

ja els 123 milions. Per descomptat, els productes químics que es produeixen industrialment són moltíssims menys. D’aquests, n’hi ha uns 390 mil que estan sotmesos a algun tipus de regulació.

En la química els aspectes socials no es poden ometre. La ciència química no es pot deslli gar de la química industrial. Dels milers de molècules que se sintetitzen per primera vegada en un laboratori, només unes quantes entren en un procés de fabricació industrial i passen a formar part del nostre entorn. Però cada vegada són més i en més quantitat. La ciutadania mira la química, ja no com a ciència, sinó com a activitat industrial moderna. I sovint percebuda com a perillosa per a la salut.

Què hi poden dir les persones dedicades professionalment, en la ciència i en la indústria, a la química? Com a professionals, no només com a ciutadans. El llibre de Kovac s’adreça sobretot a químics practicants, a estudiants i a professors, i també a químics del sector industrial. Aborda problemes o qüestions relacionades amb l’ètica professional: la integritat en el treball, la falsificació de dades, o la mani pulació, les relacions jeràrqui ques dins dels laboratoris... Es tracta d’ètica professional, dels científics i dels enginyers. Simplement els exemples, les situacions plantejades, són del món de la química. Però els problemes socials de la química no venen de la mala pràctica individual, sinó de l’enfocament global de la recerca i de la indústria. L’anomenada Química verda intenta donar-hi una resposta. Es tractaria de reorien tar la indústria química, la producció i ús dels productes químics industrials en un sentit ambientalment benigne. Com una part de l’esforç per corregir

el camí autodestructiu del creixement econòmic tal com ha tingut lloc fins ara. Com una part de la necessària resposta al repte ecològic.

El lector que hagi arribat fins aquí pot preguntar-se, amb raó, què hi fa un article com aquest en una revista destinada al professorat de secundària. Com que actualment no soc un professor en actiu, no puc oferir experiències concretes portades a la pràctica de l’aula. Però sí que goso suggerir algunes idees:

• En primer lloc, crec que una visió global, històrica i filosòfi ca, de la ciència que s’ensenya, no solament interessa a molts professors, sinó que sens dubte contribueix d’una manera indirecta a l’ensenyament. De la mateixa manera que un professor de literatura, posem per cas, pot transmetre el seu interès per la lectura, nosaltres transmetem, en siguem conscients o no, el sentit que donem a la ciència, per a la persona i per a la societat. No sobra, doncs, que de tant en tant hi pensem. Materials com els que he comentat ens hi poden ajudar.

• El llibre de Kovac té el mèrit de plantejar que l’ètica podria formar part del currículum educatiu professional en química. Potser això ajudarà a posar en discussió la filosofia espontània dels científics que els empeny a excloure les reflexions valoratives per refugiar-se en una suposada neutralitat de la pràctica científica.

• Finalment, i més en concret, crec que alguns dels temes que he exposat formen part de debats públics generals i poden ser objecte d’activitats educatives en les matèries de ciències i en projectes interdisciplinaris amb el professorat d’altres matèries.

Referències

koVac, J. (2018). The ethical chemist: Professionalism and ethics in science. 2a ed. Nova York: Oxford University Press (1a ed. Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall, 2004). schummer, J. (2001). «Ethics of chemical synthesis». Hyle: International Journal for Philosophy of Chemistry, vol. 7, núm. 2, p. 103-124. Disponible en línia a: <http://www.hyle.org> [Consulta: 26 juliol 2021].

s chummer , J.; B ørsen , t (ed.) (2021). Ethics of chemistry: From poison gas to climate engineering. Singapur: World Scientific Publishing (Recull d’articles publicats entre 2016 i 2020 a Hyle: Interna tional Journal for Philosophy of Chemistry , núm. 22, 23, 24. 26. Disponible en línia a: <http:// www.hyle.org>) [Consulta: 26 juliol 2021].

w eis B er G , m .; n eedham , P.; h endry , r (2019). «Philosophy of Chemistry». The Stanford Encyclopedia of Philosophy Disponible en línia a: <https://plato.stanford.edu/ archives/spr2019/entries/ chemistry> [Consulta: 26 juliol 2021].

Manel Pau

Investigador en temes de filosofia moral i política de la ciència i de la tècnica. Doctor per la Universitat de Barcelona dins del programa «Ciutadania i Drets Humans». Llicenciat en química. Antic professor d’institut de física i química. A/e: manelpau@gmail.com

DOI: 10.2436/20.2003.02.227 http://scq.iec.cat/scq/index.html

Escalfadors de mans i termodinàmica

Hand warmers and thermodynamics

Aarón Pérez Das Doresa i Anna Garriga Font / Universitat Rovira i Virgili

resum

58 ISSN 2013-1755, SCQ-IEC Educació Química EduQ número 29 (2021), p. 58-62

La química no només es troba als llibres i als laboratoris, sinó que molts dels productes químics que s’estudien a les aules tenen aplicacions diàries o d’ús comú que poden ser exemples per ensenyar i motivar els alumnes per a l’estudi d’aquesta ciència experimental. L’acetat de sodi (NaOAc) és un producte químic que té diverses aplicacions com a sal bàsica (agent amortidor i neutralitzador), additiu en el món de l’alimentació (E-262), escalfador de mans per a l’ús diari. És de gran interès tant a nivell industrial pels seus usos com per a aplicacions didàctiques.

paraules clau

Acetat de sodi, recristal·lització, reaccions exotèrmiques, escalfador de mans.

abstract

Chemistry is not only found in books and laboratories, so, many of the chemicals products which are studied every day in the classroom or common applications that can be exemplary to teach and motivate students in the study of this experimental science. Sodium acetate (NaOAc) is a chemical products that has several applications as a salt-base (buffer solution and neutralizing agent), an additive in the food industry (E-262), as a hand warmer for daily use. This product is of great interest for industrially applications as teaching resources.

keywords

Sodium acetate, recrystallization, exothermic reactions, hand warmer.

Introducció

Es presenta una proposta d’activitat experimental per al curs de batxillerat en la matèria d’especialitat de química, en el marc de la qual es treballen els continguts clau de les solucions, les reaccions químiques i la seva espontaneïtat per a l’estudi de l’entalpia de reacció (∆Hº), l’energia lliure de Gibbs (∆Gº), així com les solucions sobresaturades, les solubilitats i la recristal·lització.

Aquests continguts s’integren en les competències específiques de la matèria: la indagació i l’experi mentació en el camp de la química, la comprensió de la naturalesa de la ciència, i de la química en parti cular, i la comprensió i la capacitat d’actuar sobre el món fisicoquímic.

S’ha escollit un objecte quotidià totalment comercial i d’un baix cost per poder relacionar els conceptes teòrics amb una activitat experimental. L’experimentació es pot fer sense comprar l’objecte anomenat «escalfador de mans», utilitzant els reactius per fer la solució saturada d’acetat de sodi (NaOAc), aigua destil·lada i un agent de nucleació (com per exemple: un cristall d’acetat de sodi), la qual cosa fa l’activitat assequible per qualsevol centre, sense que calgui fer una gran inversió econòmica.

El gran atractiu d’aquests es calfadors de mans, utilitzats a la vida quotidiana, és la possibilitat de ser reutilitzats per al seu ús principal més d’una vegada allar

gant així la seva vida útil. I un cop la seva vida útil com a escalfador s’acaba, trobem una finestra per poder revaloritzar els materials que la componen, principalment l’acetat de sodi, per recuperar-lo i reciclar-lo per tal de poder donar-li un altre ús al mercat com a reac tiu o agent amortidor. D’aquesta manera, trenquem amb el model tradicional econòmic «d’un sol ús» introduït en aquests materials, per anar cap a una economia circular i més sostenible.

L’acetat de sodi és una sal provinent de l’àcid acètic que és produeix a tones, en quantitats industrials, i això es veu reflectit en el seu preu de mercat (85 €/kg). Les indústries el solen comprar a altres indústries de fabricació de

productes químics en comptes de sintetitzar-lo al laboratori. Existeixen moltes reaccions per produir aquest compost químic en qualsevol laboratori. Un clar exemple és la reacció de l’àcid acètic (CH3COOH) amb algunes bases que contenen sodi, com carbonat de sodi (Na2CO3), bicarbonat de sodi (NaHCO3) o hidròxid de sodi (Na(OH)).

CH3 COOH + NaHCO3 → CH3 COO + Na+ + H2 O + CO2 (eq.1)

Aquest tipus de reaccions des prenen gas de diòxid de carboni (CO2) [eq. 1] si s’utilitza sal de car bonat per a la seva síntesi. Aquest fet provoca que aquestes reaccions es coneguin com a «bombolleig». La seva síntesi sol realitzar-se en una solució on normalment el dissolvent emprat és l’aigua. Un cop acabada la reacció, el dissol vent s’evapora i s’obtenen els cris talls de l’acetat de sodi.

L’escalfador de mans

Una aplicació de l’acetat de sodi és la de les solucions sobresaturades d’acetat de sodi en aigua. Aquestes solucions es preparen dissolent acetat de sodi en aigua calenta i refredant després la solució. A l’hivern s’utilitzen a la vida quotidiana com a escalfadors de mans.

Els escalfadors de mans, ob jecte que és un present típic i molt popular als països del nord durant l’època de Nadal, aprofi ten les característiques de les solucions saturades d’acetat de sodi (Jackson & Dicks, 2012). Els escalfadors de mans d’acetat de sodi es coneixem també com a «gel calent».

La cristal·lització de l’acetat de sodi es pot utilitzar com un fenomen molt adient per a l’estudi dels conceptes de l’entalpia de cristal·lització, l’entalpia de Gibbs, els canvis d’estat i els punts de nucleació.

(a)

(c) (b)

Figura 1. Escalfador de mans d’una solució d’acetat de sodi hipersaturada comprat a la ciutat de Kiel (Alemanya): (a) punt de nucleació, (b) solució saturada i (c) suport.

L’escalfador de mans conven cional normalment consisteix en un objecte segellat (normalment de plàstic) que conté a dins la solució d’acetat de sodi en aigua (fig. 1). El funcionament d’aquest objecte consisteix en el fet que el seu usuari pot provocar la nucle ació gràcies a un disc metàl·lic que ell mateix pot flexionar per induir-la. Aquests discs tenen a la seva superfície petits cristalls d’acetat de sodi que són introduïts a la solució quan aquest es flexiona (fig. 2). Llavors, en acti var l’escalfador de mans, es crea el punt de nucleació, la qual cosa provoca la ràpida cristal·lització,

a una velocitat de 5 mm/s (Sand nes, 2008), i la solució es va tor nant opaca a mesura que es pro dueix la cristal·lització. La calor despresa al voltant prové de l’alliberament de l’energia provo cada pel procés exotèrmic (Din cer & Rosen, 2002). Un cop cristal·litzat tot l’acetat de sodi i finalitzat l’alliberament de calor, es pot tornar a l’estat inicial en forma de solució saturada si s’es calfa a 100 °C durant uns 5 mi nuts amb aigua bullent. Tots els cristalls es tornen a dissoldre en la solució saturada per l’augment de la solubilitat en aigua (408 g/L a 25 °C), i un cop refredats s’obté

la solució saturada metastable d’acetat de sodi.

La cristal·lització de les solucions sobresaturades permet es tudiar la tècnica de recristal lització, reaccions exotèrmiques, entalpies de cristal·lització i pro cessos espontanis (energia lliure de Gibbs).

L’efecte de la cristal·lització pot ser estudiat pels estudiants al laboratori (en diversos nivells) com a tècnica per a la recristal lització de productes orgànics sòlids, ja que consisteixen en pro cessos molts similars. En la tècni ca de recristal·lització, un sòlid impurificat està dissolt en un solvent en el qual el sòlid és solu ble en calent (solució sobresatu rada) i insoluble en fred. En el cas que la cristal·lització no sorgeixi, es pot afegir un petit cristall que serveixi com a agent de nucleació o es pot rascar el vidre per iniciar l’aparició dels cristalls de produc te pur. El funcionament de l’es calfador de mans d’una dissolu ció de sòlid a altes temperatures, seguit del refredament, i la nucle ació és molt similar. Aquest expe riment es pot realitzar amb els alumnes al laboratori. L’assaig es pot fer amb unes proporcions de 30 g d’acetat de sodi trihidratat en 10 mL d’aigua destil·lada amb el material de laboratori adequat en estudis reportats (Ahmad, 2000) [eq. 2].

Na+(aq) + CH3 COO (aq)) → CH3 COONa · 3H2O(s) (eq.2)

Activitat experimental

A la part experimental també es pretén relacionar un objecte de la vida quotidiana amb els conceptes teòrics de l’àmbit curricular de la química al batxillerat com l’energia de Gibbs, l’entalpia de reacció, la solubilitat, la calor de reacció i la recristal·lització).

L’alumnat ha de ser capaç de comprendre el funcionament de l’escalfador de mans i la seva aplicació a la vida quotidiana, així com interpretar els fenòmens que es produeixen.

A cada etapa se’ls demana que expliquin què està passant i que ho relacionin amb els conceptes teòrics d’espontaneïtat de la reacció, reaccions àcid-base i calor de reacció. Es demana a l’alumnat que relacioni la part pràctica experimental amb la seqüència d’imatges de la fig. 2.

El mateix procediment, que es fa amb els escalfadors de mans, es fa al laboratori en un tub d’as saig amb una solució d’acetat de sodi i aigua.

Es proposa que l’alumnat treballi en grups de tres o quatre i ha de complir les mesures de seguretat de qualsevol laboratori químic i portar guants, ulleres de seguretat i bata, tot i manipular sals no tòxiques i aigua.

Pel que fa als residus, l’escalfa dor de mans es pot reutilitzar tants cops com funcioni fins que acabi la seva vida útil. Si es realitza la pràctica amb els reactius convencionals tots es poden abocar a la pica sense cap mena de tractament.

De l’acetat de sodi a la termodinàmica

Respecte a la cristal·lització i la seva relació amb la termodi nàmica, un sistema tancat (fig. 3) pot intercanviar energia amb l’entorn mitjançant el treball i la calor. El primer principi de la termodinàmica relaciona la variació d’energia interna ( ∆ U) d’un sistema amb el treball (W) i la calor (Q) intercanviats amb l’ex terior: ∆ U = Q + W. El treball (W) depèn directament de la variació de volum del sistema ( ∆ V): W = –p ∆ V; no obstant això, si el vo lum és constant, podem dir que l’energia interna dependrà direc tament de la calor: ∆ U = Q. Tot i això, moltes reaccions es duen a terme a pressió constant, no a volum constant, i per poder estu diar aquests casos es va definir una nova magnitud anomenada entalpia: ∆ H = Q. En la majoria dels casos, els processos químics es duen a terme a pressió cons tant, per tant podem considerar que quan parlem d’entalpia esta ríem parlant de la calor intercan viada pel sistema a la reacció

Figura 2. Cristal·lització de la solució sobresaturada d’acetat de sodi en l’escalfador de mans. (a) t = 0 s; (b) t = 1 s; (c) t = 3 s; (d) t = 5 s; (e) t = 7 s.

3. Representació d’un sistema tancat termodinàmic.

Gibbs (∆G0 = ∆H0- T∆S0) per tal de raonar aquest procés. En el cas de la cristal·lització, l’entropia del sistema decreix i aquest efecte és compensat pel canvi d’entalpia. Els valors de l’entalpia (∆H0) i de l’entropia (∆S0) perquè es doni el procés espontani de la cristal lització han de ser negatius a la temperatura que s’utilitza l’escal fador de mans o la solució satu rada a l’aula. En la literatura, tro bem valors molts negatius de ∆H0= –855 kJ/mol per a la cristal lització d’acetat de sodi (McAfee & Jumper, 1991), a diferència de la sal comuna (NaCl) i el clorur de potassi (KCl) en els quals les en talpies de cristal·lització tenen uns valors de –2 kJ/mol i –14 kJ/ mol respectivament (Chmarzyns ki & Piekarski, 1992). Tot i ser una reacció exotèrmica per a ambdues sals, els valors de ∆H0 són bastant baixos en comparació amb els valors de NaOAc, fet que indica que la calor despresa durant la cristal·lització és molt més gran.

Si mesurem la temperatura a la qual arriba el procés de cristal·lització del NaOAc trobem un valor de 58 °C; aquest valor no sobta perquè el punt de fusió de l’acetat de sodi trihidratat és de 58 °C, i això farà que els petits cristalls que s’hagin format anteriorment es fonguin. Aques tes temperatures permeten utilitzar l’escalfador de mans amb total seguretat sense cap perill per a l’usuari.

Figura 4. Gràfica entalpia-temperatura del refredament i cristal·lització de l’acetat de sodi. Les fletxes indiquen el tram de l’experiment: (1) iniciació del refredament, (2) cristal·lització, (3) alliberament de la calor latent i (4) refredament de la fase sòlida a temperatura ambient.

química. En el cas de valors positius (Q > 0) el sistema absor beix calor, en canvi, per a valors negatius (Q < 0) el sistema des prèn calor.

Altres aspectes de la termodi nàmica ens permeten explicar l’espontaneïtat de les reaccions químiques. Llavors, hem de bus car explicacions en l’equació de

Si analitzem l’entalpia en fun ció de la temperatura de tot el procés (fig. 4), des del refreda ment, la cristal·lització i fins al refredament de la temperatura, observaríem que primerament en el refredament de la solució, per la pèrdua de calor del medi, l’en talpia disminueix segons la capa citat calorífica específica del lí quid (1). Seguidament, en un estat de refredament constant, l’entalpia i la temperatura es mantenen constants. En activar

Treball experimental 61 Escalfadors de mans i termodinàmica

número 29

Figura

la cristal·lització, l’entalpia augmenta fins a la temperatura de transició de fase (2). Un cop en aquest punt, la temperatura es manté constant degut a la transició de fase, no obstant, els valors d’entalpia decreixen degut a les pèrdues de calor de l’entorn (3). En finalitzar el procés de solidificació, la temperatura torna a baixar i l’entalpia emmagatzemada decreix a causa de la capacitat calorífica de l’estat sòlid (4).

Un exemple d’aplicació a l’aula

Es vol fabricar un escalfador de mans a l’institut amb una solució concentrada a 25 °C d’una de les dues sals: NaCl i NaOAc.

Quina de les dues solucions és més exotèrmica?

Quina solució utilitzaries per fabricar l’escalfador de mans i per què?

Per esbrinar-ho, l’alumnat hauria de calcular l’entalpia de cristal·lització (∆H0cris ) de cada sal.

Dades: NaCl: (∆S0cris ) = 1280 J/ (K*mol); (∆G0cris ) = –384,14 kJ/mol.

NaOAc: (∆S0cris ) = –750 J/ (K*mol); (∆G0cris ) = –631,20 kJ/mol.

Equació de l’energia lliure de Gibbs: (∆G0 = ∆H0 - T∆S0)

Resultats: NaCl: ∆H0cris = –3 kJ/ mol. NaOAc: ∆H0cris = –855 kJ/mol.

Consideracions finals

L’acetat de sodi té un gran interès industrial pel seu baix cost i les seves diverses aplicacions en els camps de l’alimentació o com a agent neutralitzador. També és extensament utilitzat en escalfa dors de mans. D’altra banda, el seu baix cost pot permetre utilit zar-lo als centres escolars de se cundària. La seva baixa perillosi tat fa que, tant la seva síntesi com la preparació de les solucions saturades, es puguin utilitzar amb l’alumnat als laboratoris dels centres. Aquestes caracterís

tiques, juntament amb el seu potencial de connexió amb continguts curriculars, el fan una eina educativa molt interessant per treballar de manera experimental conceptes com la recristal·lització, l’ental pia de reacció o les reaccions exotèrmiques.

Referències

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sandnes, B. (2008). «The physics and the chemistry of the heat pad». American Journal of Physics, vol. 76, núm. 6, p. 546-550.

Aarón Pérez Das Dores És graduat en química per la Universitat de Barcelona (UB) i va cursar el màster de formació del professorat d’ESO i batxillerat a la Universitat Rovira i Virgili (URV). Actualment treballa en un institut de la ciutat de Tarragona. Ha estat vinculat a l’educació en el lleure.

A/e: aaron.perezd@estudiants.urv.cat

Anna Garriga Font És graduada en genètica per la Universitat Autònoma de Barcelona i titulada en el màster de formació del professorat d’ESO i batxillerat. Ha estat vinculada al Centre de Recerca per a l’Educació Científica i Matemàtica de la UAB dins del projecte REVIR, interessant-se en la pràctica científica a l’aula i en el foment de la recerca i la investigació entre els joves com a eina educativa. També ha estat relacionada amb la tasca educa tiva de l’educació en el lleure.

A/e: annagarriga22@gmail.com

NORMES DE PUBLICACIÓ

Preparació dels manuscrits

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

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

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

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

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

Les referències bibliogràfiques han d’anar al final del text, es crites com els exemples següents: Per a llibres: VILCHES, A.; GIL, D. (2003). Construyamos un futuro sostenible: Diálo gos de supervivencia. Madrid: Cambridge University Press. Citació en el text: (Viches i Gil, 1994).

Per a articles: SARDÀ, A.; SANMARTÍ, N. (2000). «Ensenyar a argumentar científi cament: un repte de les classes de ciències». Enseñanza de las Ciencias, vol. 18, núm. 3, p. 405-422. Citació en el text: (Sardà i Sanmartí, 2000).

Per a documents digitals (webs): OCDE (2006). PISA 2006 [en línia]: Marco de la evaluación. Conoci mientos y habilidades en Ciencias, Matemáticas y Lectura. París: OCDE. <http://www.oecd.org/dataoecd/59/2/39732471.pdf>

[Consulta: 11 setembre 2013].

Per a altres exemples, consulteu un número recent de la re vista.

Al final de l’article ha de constar una breu ressenya profes sional i una fotografia de les persones autores de l’article. Cada ressenya ha de contenir el nom i cognoms, càrrec, centre de treball, camp principal en el qual desenvolupa la seva tasca i correu electrònic (màxim de 400 caràcters amb espais). Cal en viar els arxius de les fotografies de carnet dels autors en format .tif o .jpeg (resolució mínima: 300 píxels/polzada). Enviament d’articles

Els articles han de ser enviats per correu electrònic a l’adreça següent: EduQ@iec.cat Revisió dels articles

Els articles seran revisats per tres experts. Els articles re visats i enviats als autors hauran de ser retornats als edi tors en el termini màxim de 10 dies. Sempre que sigui possible, les proves de maquetació seran enviades als autors abans de la seva publicació.

SECCIONS

ACTUALITZACIÓ

DE CONTINGUTS

Articles que revisen i posen al dia continguts propis de la disciplina o en relació amb altres àmbits del coneixement, i que faciliten i promouen un ensenyament actualitzat de la química.

APRENENTATGE DE CONCEPTES I MODELS

Articles que tracten sobre conceptes i models químics, des del punt de vista de les concepcions alternatives dels alumnes i les dificultats d’a prenentatge conceptuals, així com les estratègies didàctiques per a l’ela boració i l’aplicació dels models químics a l’aula.

CURRÍCULUM, PROJECTES I UNITATS

Presentació i anàlisi dels currículums de química de diferents països, de projectes curriculars i unitats i seqüències didàctiques.

DIVULGACIÓ DE LA QUÍMICA

Articles que presenten temes d’actualitat química amb caràcter divulga tiu i que posen de manifest les relacions de la química amb la societat i altres àmbits del coneixement o bé presenten activitats i experiències de caràcter divulgatiu de la química adreçades a l’alumnat o al públic en general.

ESTRATÈGIES DIDÀCTIQUES

Presentació i anàlisi d’enfocaments i estratègies didàctiques per a l’ense nyament i l’aprenentatge de la química: modelització, indagació, resolu ció de problemes, treball cooperatiu, avaluació, etc.

FORMACIÓ DEL PROFESSORAT

Propostes i investigacions sobre la formació inicial i en actiu del profes sorat de química i ciències en general que contribueixin al seu desenvo lupament professional.

HISTÒRIA I NATURALESA DE LA QUÍMICA

Articles sobre la història i la naturalesa de la química i sobre l’interès di dàctic d’aquestes disciplines en l’ensenyament de la química. Activitats per treballar aspectes de la naturalesa de la ciència.

INNOVACIÓ A L’AULA

Articles que descriuen la planificació i l’experimentació a l’aula d’expe riències didàctiques de caràcter innovador. La secció pretén ser un espai per compartir experiències d’aula.

LLENGUATGE, TERMINOLOGIA I COMUNICACIÓ

Articles relacionats amb l’aprenentatge de les habilitats comunicatives (llegir, escriure i parlar) en relació amb l’aprenentatge de la química. I també sobre el llenguatge i la terminologia científics.

NOVES TECNOLOGIES

Articles relacionats amb la utilització de les noves tecnologies en l’ense nyament de la química: simulacions, ús d’Internet, mitjans audiovisuals, laboratoris virtuals, experiències amb equips de captació de dades, etc.

QUÍMICA EN CONTEXT

Articles que presenten contextos rellevants –de la vida quotidiana, tec nològics, industrials, socials, mediambientals, de salut o culturals– que puguin ser presos com a punt de partida per a un ensenyament de la química en context i per promoure l’alfabetització científica.

QUÍMICA, EDUCACIÓ AMBIENTAL I SOSTENIBILITAT

Articles que facin palesa l’estreta de relació entre la química i els aspec tes del medi ambient, i temàtiques mediambientals d’actualitat des d’una vessant química, així com propostes educatives per a la sostenibi litat.

RECERCA EN DIDÀCTICA DE LA QUÍMICA

Articles que difonguin investigacions didàctiques d’utilitat per a la mi llora de l’ensenyament de la química. Descripció i resultats d’experièn cies didàctiques que hagin estat avaluades de forma qualitativa o quantitativa.

RECURSOS DIDÀCTICS

Articles que presentin qualsevol tipus de recurs i material didàctic per a l’ensenyament de la química. Poden incloure, entre d’altres, audiovi suals, jocs, visites, textos dels mitjans de comunicació, etc.

TREBALL EXPERIMENTAL

Articles sobre diferents tipus de treballs pràctics experimentals: demos tracions, experiències interpretatives, aprenentatge de tècniques, inves tigacions, etc.

TREBALLS DE RECERCA DELS ALUMNES

Articles descriptius de treballs de recerca dels alumnes dins l’àmbit de la química. En aquesta secció, els alumnes són els autèntics protago nistes.

Properes monografies 30 números d'EduQ