Educació Química

EduQ

Els químics i el descobriment de fàrmacs: un repte i una necessitat Àngel Messeguer

Construyendo puentes conceptuales entre las varias escalas y dimensiones de los modelos químicos

Vicente Talanquer

Fer química

Mercè Izquierdo

Cristian Merino

Montserrat Tortosa

Safety issues in Polish chemistry textbooks

Iwona Maciejowska

Educació Química EduQ

Febrer 2010, número 5

Consell editor

Editors SCQ

Fina Guitart, catedràtica de física i química, IES Jaume Balmes, Barcelona/CESIRE-CDEC

Aureli Caamaño, catedràtic de física i química, IES Barcelona Congrés, Barcelona Editors associats

Mercè Izquierdo, catedràtica de didàctica de les ciències experimentals, Universitat Autònoma de Barcelona

Montserrat Tortosa, catedràtica de física i química, IES Ferran Casablancas, Sabadell Col·laboradors de seccions

Josep Corominas, Escola Pia, Sitges

Pere Grapí, IES Joan Oliver, Sabadell

Èric Jover, Universitat de Barcelona

Claudi Mans, Universitat de Barcelona

Àngel Messeguer, Consell Superior d’Investigacions

Científiques (CSIC)

Antoni Planas, Institut Químic de Sarrià, Universitat

Ramon Llull

Neus Sanmartí, Universitat Autònoma de Barcelona

Rosa M. Tarin, educació primària, CESIRE-CDEC

Consell assessor

Antoni Alcázar, IES Serrat i Bonastre, Barcelona

Ramón Canela, Universitat de Lleida

Carles Furió, Universitat de València

Andoni Gárritz, UNAM, Mèxic

Marcelo Giordan, Universidad de São Paulo, Brasil

Carme González, Universitat de Barcelona

Roser Gorchs, Universitat Politècnica de Catalunya

Gisela Hernández, UNAM, Mèxic

Manuela Hidalgo, Universitat de Girona

María Jesús Martín-Díaz, IES Tres Cantos, Madrid

Isabel Martins, Universidad de Aveiro, Portugal

Conxita Mayós, Departament d’Educació, Barcelona

Magda Medir, Universitat Rovira i Virgili, Tarragona

Rosa M. Melià, IES Infanta Isabel, Barcelona

Eduardo Mortimer, Universidad Belo Horizonte, Brasil

José Maria Oliva, Revista Eureka, Cadis

María Fátima Paixao, Instituto Politécnico, Castelo Branco, Portugal

Teresa Pigrau, Educació Primària, CESIRE-CDEC

Teresa Prieto, Universidad de Málaga

Tura Puigvert, IES Alexandre Satorras, Mataró Mario Quintanilla, Pontifícia Universidad Católica de Chile

Andrés Raviolo, Universidad de Bariloche, Argentina

Imma Ros, Departament d’Educació, Barcelona

Núria Ruiz, Universitat Rovira i Virgili, Tarragona

Marta Segura, Escola Pia Diputació, Barcelona

Miquel Solà, Universitat de Girona

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

President: Romà Tauler

filial de l’

Institut d'Estudis Catalans (IEC) Barcelona. Catalunya. Espanya

Impressió: Gráficas Rey

ISSN: 2013-1755

D. L.: B-35770-2008

INDEX

Actualitat química

Els químics i el descobriment de fàrmacs: un repte i una necessitat . . . .

Àngel Messeguer

Conceptes i models químics

Construyendo puentes conceptuales entre las varias escalas y dimensiones de los modelos químicos . . . . . .11

Vicente Talanquer

Noves tecnologies

L’aula virtual de química: ús de l’entorn Moodle i de continguts digitals en l’ensenyament-aprenentatge de la química del batxillerat

José Ángel Hernández Santadaría

Estratègies i recursos didàctics

«El racó del color»: una aproximació a la interacció de la radiació electromagnètica amb la matèria

Ramon Bosque, Amparo Caubet, Jaume Granell, Lourdes Mestres i Miquel Seco

Química i societat

El extintor como preventivo recurso didáctico

Fernando Ignacio de Prada Pérez de Azpeitia

Recerca en didàctica de la química

Fer química

Montserrat Tortosa, Mercè IzquierdoiCristian Merino

Recerca en didàctica de la química

Safety issues in polish chemistry handbooks

Maciejowska Iwona

Treball pràctic al laboratori

Es degraden el plàstic i el vidre dels envasos d’aigua

amb l’exposició a la llum solar i a la calor?

Basili Martínez Espinet

Ressenyes de llibres

Notícies

Editorial

EduQ,fent camí

Aureli CaamañoFina GuitartMercè IzquierdoMontse Tortosa

Número rere número, Educació Química (EduQ) pretén anarse obrint camí per arribar als docents de la química. Es proposa que cada cop hi hagi més professors i professores de química que la llegeixin, i busca donar-se a conèixer tant al professorat de les diverses etapes educatives d’aquest país com al professorat d’altres indrets, per anar sent cada cop més coneguda també en l’àmbit internacional. El nostre desig és continuar intensament aquesta tasca amb el suport de la Societat Catalana de Química (SCQ) i de l’Institut d’Estudis Catalans (IEC).

El número 5 d’EduQ inclou articles de les seccions següents: «Actualitat química», «Conceptes i models químics», «Noves tecnologies», «Estratègies i recursos didàctics», «Química i societat», «Recerca en didàctica de la química» i «Treball pràctic al laboratori».

L’article «Els químics i el descobriment de fàrmacs: un repte i una necessitat», d’Àngel Messeguer, investigador de l’Institut de Química Avançada de Catalunya delConsell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC),ens aportadades i reflexions sobre l’evolució del paper dels químics en el procés del descobriment de fàrmacs i del llarg camí que cal seguir fins que un fàrmac arriba al mercat. L’anàlisi de la situació actual d’aquest àmbit científic pluridisciplinari contribueix a acostar la recerca al professorat, alhora que li facilita l’actualització de coneixements.

L’article «Construyendo puentes conceptuales entre las varias escalas y dimensiones de los modelos químicos», del professor Vicente Talanquer,de la Universitat d’Arizona, relataalgunes dificultats dels estudiants de química i proposa com podem ajudar els alumnes a establir relacions entre els diferents nivells de modelització utilitzats en química. L’autor de l’article és coautor d’un conjuntde simulacions orecursos computacionals, flexibles, dinàmics i interactius,dissenyats amb l’objectiu d’incidir en aquest i altres aspectes de l’aprenentatge de la química.

En l’article «L’aula virtual de química: ús de l’entorn Moodle i de continguts digitals en l’ensenyament-aprenentatge de la química del batxillerat», el professor de secundària José Ángel Hernández ens proposa la plataforma Moodle com una bona eina per organitzar els recursos digitals que els alumnes tindran a l’abast. L’aula virtual de química que es presenta permet el desenvolupament dels continguts del currículum treballant en un marc innovador que facilita l’accés de l’alumnat a fonts d’informació i a recursos diversos, tot promovent la seva autonomia i el treball cooperatiu.

Ramon Bosque, Amparo Caubet, Jaume Granell, Lourdes Mestres i Miquel Seco, professors i professores del Departament de Química Inorgànica de la Universitat de Barcelona (UB), ens expliquen, en l’article «“El racó del color”: una aproximació a la

interacció de la radiació electromagnètica amb la matèria», un conjunt d’experiments delaboratori relacionats amb fets i aplicacionsde la vidaquotidiana, en els quals s’utilitzen tres tipus de radiacions diferents: infraroja (IR), visible (Vis) i ultraviolada (UV). Els experiments formen part del programa de la UB«Fem química al laboratori» i han estat valorats com un bon recurs didàctic per part del professorat i de l’alumnat que hi han participat.

L’article «El extintor como preventivo recurso didáctico», del professor d’ensenyament secundari Fernando Ignacio de Prada, presenta un conjunt d’activitats per introduir als alumnes en el món de la seguretat i la prevenció d’incendis. L’autor explica com s’han d’utilitzar correctament els extintors de foc, els diferents tipus d’extintor i el seu funcionament, i indica les substàncies que contenen en funció del tipus de foc que cal apagar. L’article presenta una manera de relacionar els usos i les aplicacions de substàncies i de reaccions químiques en un context de la vida quotidiana.

La secció «Recerca en didàctica de la química»inclou dos articles de caire i d’origen ben diferents. En el primer, «Fer química»,de Montserrat Tortosa i Mercè Izquierdo,del Departament de Didàctica de les Ciències de laUniversitat Autònoma de Barcelona (UAB), i Cristian Merino,de laPontificia Universidad Católica de Valparaíso, es presenta el taller de química per a alumnes de tercerd’ESO del «Campus Ítaca»de la UAB. L’article analitza les dades recollides en els informes elaborats per diversos grups d’alumnes que van participar en l’activitat.En el segon article d’aquesta secció, «Safety issues in polish chemistry textbooks», la professora Iwona Maciejowska,de la Facultat de Química de laJagiellonian University de Polònia, ens aporta els resultats de l’anàlisi de llibres de text i de les seves corresponents guies didàctiques des del punt de vista de la seguretat als laboratoris químics escolars. El procediment de recerca i les reflexions al voltant del’elecció dels llibres de text poden ser útils al professorat,alhora que l’acosten a altres contextos educatius. El darrer article d’aquest número presenta un treball pràctic de laboratoridel professor de secundària Basili Martínez. En l’article,l’autor,a partir de la importància i la problemàtica dels plàstics en la societat actual, proposa als alumnes un treball pràctic d’investigació. Els alumnes determinen, mitjançant volumetria per retrocés, el contingut de matèria orgànica oxidable al permanganat present enl’aigua embotellada en ampolles de plàstic i de vidre quan s’exposen a la llum o a la calor. Esperem que aquest número sigui del vostre interès i que continueu fent-nos confiança. És per això que convidem totes les persones o entitats interessades a subscriure’s a la revista i a fer-se sòcies de la SCQ.

Editors d’EduQ

Els químics i el descobriment de fàrmacs: un repte i una necessitat

The chemical and the discovery of drugs: a challenge and a necessity

Àngel Messeguer / CSIC. Institut de Química Avançada de Catalunya. Departament de Nanotecnologia

Química i Biomolecular resum

En aquest articlees fa un breu relat històric del paper del químic en el descobriment de fàrmacs, per endinsar-se després en les estratègies modernes que fan servir els científics d’avui per dissenyar i produir nous medicaments que ajudin a combatre les malalties que més preocupen la societat. Finalment,es dóna una panoràmica de la possible evolució del món del descobriment de fàrmacs, de la implicació del químic en aquest món i de la contribució de grups d’investigació del nostre Institut en aquest camp.

paraules clau

Descobriment de fàrmacs, química mèdica,IQAC, indústria farmacèutica.

abstract

In this contribution, after a brief historical account on the role of chemists on drug discovery, a deeper insight into the modern strategies that scientists employ for the design and production of new drugs that could help to fight against the diseases that concern our society is discussed. Thereafter, an overview on the potential evolution directions of drug discovery linked to the valuable implications of chemists to assist in this evolution is given. Finally, a brief summary of the work that research groups from our Institute carry out in the Biomedicine area is also outlined.

keywords

Drug discovery,medicinal chemistry,IQAC, pharmaceutical industry.

Introducció

Les investigacions sobre el descobriment de fàrmacs i la seva connexió a escala industrial per poder-los fabricar i distribuir no arriba als cent cinquanta anys d’història. Per arribar a aquest punt, calia que els fonaments teòrics i metodològics de la química assolissin un nivell prou consistent com per poder-se aplicar a altres àrees del coneixement i de la tecnologia, i que la

farmacologia (ciència que estudia les accions i propietats que els productes químics exerceixen sobre els organismes vius) adquirís també un grau de consolidació suficient. Des del vessant químic, no és fins a l’última part del segle XIX que coneixements com la taula periòdica, la hipòtesi d’Avogadro, la teoria d’àcids i bases i la teoria de la valència, entre d’altres, passen a constituir les bases per a l’aïllament i la

determinació de l’estructura dels productes naturals i per a la preparació de nous composts. La importància de la química en el món dels fàrmacs es va posar de manifest des d’aquesta època a través,principalment,de la química dels colorants. A Paul Ehrlich (figura 1) cal atribuir-li, quan encara era un estudiant a la Universitat d’Estrasburg (com han canviat els temps), l’observació que determinats colorants

són capaços de fixar-se a teixits biològics. En altres paraules, que els teixits tenen receptors per a productes químics. D’aquí es podia deduir que si aquesta interacció era selectiva, per exemple, davant de certs microbis, paràsits o cèl·lules afectades per alguna anormalitat, la interacció producteteixit biològic podria tenir un valor curatiu, és a dir, terapèutic. Així va néixer la quimioteràpia. Ben aviat, productes naturals extrets de plantes, com ara la morfina o l’àcid salicílic, es van incorporar al ventall de composts amb aplicacions farmacèutiques. Amb tot, ni la indústria dels colorants, ni les farmàcies, ni els laboratoris universitaris no podien ser capaços d’assumir el repte d’investigar i desenvolupar sistemàticament nous fàrmacs. Calia que naixés una nova indústria encarregada de fer-ho: la farmacèutica. I la química va desenvolupar, i encara ho està fent, un paper de primera línia en aquesta indústria. Ja a la primera meitat del segle passat es va observar un desenvolupament molt important d’aquesta indústria gràcies a la contínua i creixent aportació de coneixement des de moltes àrees. Posem com a exemple el cas dels antibiòtics. Després del descobriment de la penicil·lina per part d’Alexander Fleming el 1929, nou anys més tard es mostra com aquest compost és capaç d’eliminar els estafilococs i,per tant, combatre d’una manera eficaç i amb una baixa toxicitat infeccions bacterianes. Aquest pas endavant fonamenta la implantació de laboratoris de microbiologia i de bioquímica, entre altres especialitats, a les grans indústries farmacèutiques mundials. Paral·lelament, es van trobant altres aplicacions mèdiques de productes produïts per microorganismes, com ara agents per combatre el colesterol o per reduir el rebuig al transplantament d’òrgans.

1. Paul Ehrlich (1854-1915). Bacteriòleg alemany, premi Nobel de Medicina el 1908. A més de proposar el concepte receptor, descobrí el salvarsan, un medicament que contenia arsènic i que es mostrà molt efectiu a l’època per combatre la sífilis. En l’actualitat,aquest compost no s’hauria autoritzat.

La investigació moderna en el descobriment de fàrmacs

Fins a aquí, i de manera general, es podria dir que la cerca de productes amb utilitat per alleugerir els símptomes o bé curar malalties tenia un començament moltes vegades basat en els descobriments accidentals, no previstos (serendipitisme). A partir d’aquí,des de la química mèdica es treballava per millorar les propietats d’aquests productes sense una sistemàtica establerta, guiats sobretot per l’enginy i l’experiència. És fàcil d’admetre que professionals d’altres especialitats (farmacòlegs, biòlegs, etc.) adoptessin metodologies semblants, i que amb el pas dels anys i dels resultats més aviat pobres d’aquestes estratègies, es plantegessin d’aplegar esforços i treballar més en comú, tot reconeixent les contribucions d’uns i d’altres.

Aquest camí de col·laboració no ha estat fàcil. Un exemple n’és el diàleg entre químics i biòlegs, indispensable per tirar endavant la recerca de nous fàrmacs, particularment després de l’entrada en escena i el desenvolupament

espectacular que han assolit la biologia molecular i la biologia estructural. Primer,amb la possibilitat deproduir proteïnes a partir del clonatge i expressió dels gens que les codifiquen. Pensem que,fins als anys noranta, la teràpia basada en el medicament tenia al davant unes cinc-centes dianes farmacèutiques (receptors, enzims, bacteris, etc.). No obstant això, l’elucidació dels genomes de diferents espècies, entre elles,la dels humans, ha comportat una revolució a l’hora d’identificar noves dianes farmacèutiques. La genòmica (el coneixement sobre el món dels gens), la proteòmica (el coneixement sobre el món de la proteïna des del punt de vista estructural i funcional) i la bioinformàtica (la metodologia per ordenar i donar coherència a la immensa quantitat de dades derivades dels estudis genòmics i proteòmics) s’han conjuntat per ampliar d’una manera poc imaginable anys enrere el repertori de proteïnes que desenvolupen un paper important en l’emergència i el desenvolupament d’estats patològics i de malalties. En la

Figura

capacitat de la biologia molecular per endinsar-se en els processos d’àmbit molecular per explicar l’origen i la progressió de les malalties es troba la gran contribució d’aquesta disciplina en el descobriment de fàrmacs. En l’actualitat,s’accepta que el nombre de dianes farmacèutiques ha pujat entre cinc mil i deu mil, davant de les cinc-centes acceptades fa tan sols quinze anys.

El descobriment de fàrmacs i les grans xifres

Aquest increment del nombre de possibles dianes d’interès terapèutic no ha estat l’únic capítol en el qual el procés de descobriment de fàrmacs s’ha vist envaït i,en certa manera,aclaparat per les grans xifres. La posada a punt d’assaigs biològics in vitro, miniaturitzats i robotitzats, fa possible en molts casos d’assajar l’activitat de composts químics a centenars o a milers i en poques hores. La indústria farmacèutica aplica aquesta manera de treballar, tot deixant de banda per a estadis més avançats, és a dir, quan ja s’han seleccionat els productes

Tècniques com ara la cromatografia líquida acoblada a l’espectrometria de masses han esdevingut eines indispensables en les primeres etapes del descobriment de fàrmacs i també en etapes posteriors, com ara la preclínica, per estudiar en detall les transformacions que experimenta un candidat a fàrmac en l’organisme a causa del seu metabolisme

anomenats caps de sèrie (lead compounds), la investigació amb models animals. Raons econòmiques, bàsicament reduccions de costos i de temps, a més de les derivades de consideracions bioètiques, han justificat aquesta tendència.

La feina dels químics no ha pogut romandre indiferent davant d’aquests canvis. Si era possible d’assajar una gran quantitat de composts, també ho havia de ser preparar-los i caracteritzar-los. Així,doncs, químics mèdics i químics analítics s’han trobat igualment amb les grans xifres. Des de la química analítica, amb la capacitat d’estudiar la puresa i l’estructura de les molècules sintetitzades fent servir aparells que poden gestionar moltes mostres i fer-ho d’una manera ràpida i precisa per obtenir la informació de puresa de mostra o estructural desitjada. Per exemple, tècniques com ara la cromatografia líquida acoblada a l’espectrometria de masses han esdevingut eines indispensables en les primeres etapes del descobriment de fàrmacs i també en

etapes posteriors, com ara la preclínica, per estudiar en detall les transformacions que experimenta un candidat a fàrmac en l’organisme a causa del seu metabolisme. Informacions relacionades amb el temps que el compost es troba en l’organisme, els productes que dóna en metabolitzar-se, com s’arriba a eliminar, les conseqüències de possibles efectes tòxics de tot aquest procés, etc., són bastides a partir de les dades que l’anàlisi química pot proporcionar.

Les grans xifres de les quals hem parlat no només es limiten a les dades científiques i tècniques. La carrera d’obstacles que constitueix avui el recorregut des que sorgeix una idea per atacar una determinada malaltia en un grup d’investigació d’un laboratori fins que el fàrmac pot estar a disposició del malalt por allargar-se fins als deu o quinze anys amb inversions de l’ordre de 600 a 800 milions d’euros (figura 2). L’elevat grau d’exigència en termes d’eficàcia terapèutica i de seguretat exercit per les agències governamentals a l’hora d’autoritzar un

El llarg camí de la idea al fàrmac

Descobriment

• Projecte / concepte/ 100 aproximacions

• Plans i equip del projecte

• Síntesi de composts

• Assaigs biològics

• Seguretat i eficàcia in vivo

Desenvolupament exploratori

• Formulacions desenvolupades

• Candidat a fàrmac fabricat en quantitats importants

• Estudis inicials de seguretat

• Estudis en voluntaris sans (fase I)

Desenvolupament complet

• Estudis de seguretat ampliats

• Estudis en 100-300 pacients (fase II)

• Fàrmac candidat assajat en 3-10-000 pacients (fase III)

• Anàlisi de dades clíniques Registre

1 fàrmac nou,600-800 milions d’euros, 12-15 anys

2. La carrera d’obstacles que representa el fet de posar un medicament al mercat.

Figura

nou fàrmac justifica en bona part aquest període de temps i els diners que fan falta per superar les fases preclíniques i clíniques indispensables per obtenir aquella autorització.

Cal recordar que la possibilitat de protegir per patent un fàrmac pot allargar-se, com a màxim, als vint-i-cinc anys, de manera que els propietaris de l’exclusiva es poden passar més de la meitat d’aquest període sense poder-lo produir. Aquestes xifres condicionen, al marge de consideracions sociopolítiques i inclús ètiques, el fet que principalment grans multinacionals de la indústria farmacèutica siguin capaces d’afrontar el repte de posar un fàrmac al mercat. I encara més, dissortadament: aquest repte ve sovint condicionat pel fet que aquest fàrmac els pugui aportar el retorn econòmic suficient per embrancar-se en noves aventures d’investigació i desenvolupament, és a dir, que sigui ben rendible el màxim nombre d’anys.

Aquest escenari té una sèrie de conseqüències importants, com ara que l’interès prioritari d’una bona part de les multinacionals estigui centrat en patologies que afecten principalment el món desenvolupat, mentre que d’al-

de

per les autoritats reguladores dels Estats Units (Federal Drug Administration) durant el període 1990-2008. Cal fer notar que les inversions per desenvolupar aquests fàrmacs s’han quadruplicat en aquest mateix període de temps.

tres que arriben a delmar països pobres de recursos no desperten l’atenció que caldria. El problema és ben real i complex, i no hi caben discursos simplistes, sinó que les solucions, que és necessari que n’hi hagi, hauran de venir de la participació de totes les parts implicades en l’àmbit mundial.

Una altra de les conseqüències de les xifres esmentades és la necessitat de reduir costos i temps de desenvolupament no només pensant en la possible rendibilitat industrial, sinó també en el malalt. Cal reconèixer que, a desgrat dels avenços produïts en medicina, encara trobem una llarga col·lecció de malalties que no tenen cura o bé que la disponible mira de controlar o reduirne els símptomes, com ara el dolor, o la progressió, com ara en les malalties d’Alzheimer o Parkinson, per citar-ne dues de neurodegeneratives. A tot això cal afegir el cas d’altres patologies, com ara determinades infeccions, en les quals la resistència que han anat desenvolupant els organismes patògens als antibiòtics més potents fa trontollar seriosament el domini de moltes malalties d’aquest tipus. Finalment, la nostra societat demana i fins i tot

exigeix qualitat de vida, i aquesta qualitat passa per amortir o evitar el dolor, el sofriment o inclús les molèsties derivades d’una malaltia concreta.

Nous reptes del descobriment de fàrmacs Davant d’aquesta situació, la percepció que va dominar anys enrere en el sentit que la indústria farmacèutica era capaç per ella mateixa de portar a terme totes les investigacions inicials i el desenvolupament posterior de fàrmacs ha experimentat canvis importants. Totes aquelles inversions no han comportat un augment paral·lel del nombre d’especialitats farmacèutiques noves al mercat, sinó més aviat al contrari: han disminuït. Una de les raons principals d’aquesta evolució és el tema de la seguretat dels medicaments, en el qual cal demostrar amb molts assaigs i dades que el nou fàrmac no té riscs per a la salut. En aquest sentit,i amb els controls que es fan en l’actualitat, l’aspirina no hagués estat autoritzada a causa dels problemes gàstrics que pot ocasionar.

El problema és greu i massa complex com perquè sigui necessària la contribució de molta més

Figura 3. Nombre

nous fàrmacs aprovats

gent per mirar de canviar el descens de fàrmacs nous autoritzats (figura 3). El començament del nou segle ha coincidit amb la tendència creixent d’implicar institucions públiques i privades en el descobriment de fàrmacs, tot acceptant que cal reunir les capacitats de científics de diverses branques (metges, biòlegs, farmacèutics, químics, farmacòlegs, microbiòlegs, bioinformàtics, físics, etc.), siguin on siguin. El terme anglès outsourcing (com tants d’altres) ha iniciat la seva invasió en el món del fàrmac. D’aquesta manera, les companyies s’interessen per les investigacions i pels resultats obtinguts per grups del sector acadèmic o de petites empreses, o bé els encarreguen aspectes concrets de les diferents etapes del descobriment de fàrmacs.

En tot aquest entramat, el químic hi té un paper fonamental. Si ens centrem en l’anomenat químic mèdic, per exemple, és a través d’ell, treballant al sector acadèmic o a l’industrial, d’on no tan sols sorgiran les molècules (començant pel disseny de milers o milions a l’ordinador per seguir amb nombres més assequibles al laboratori), sinó que es modularan des de molts punts de vista (acti-

vitat davant la diana, solubilitat, biodisponibilitat, penetrabilitat cel·lular, resistència al metabolisme, etc.) per arribar a seleccionar els caps de sèrie que entraran amb les màximes garanties possibles a les fases preclíniques avançades. Tal com mostra la figura 4, a partir de les dades estructurals i funcionals que es coneguin d’una diana farmacèutica (enzim, receptor, proteïna, etc.), el químic pot elaborar una col·lecció de molècules a l’ordinador (quimioteca virtual) que tinguin la possibilitat d’interactuar amb la diana. Atès que el nombre de molècules pot arribar als milers o als milions, cal fer una filtració abans de preparar-les al laboratori (quimioteca focalitzada). Per fer-ho, s’empren criteris de conformitat farmacodinàmica (interacció de la molècula amb la diana), farmacocinètica (disponibilitat de la molècula per arribar a la diana, metabolisme, toxicitat) i farmacèutica (cost, patentabilitat, etc.). L’assaig de la quimioteca focalitzada permetrà d’identificar molècules actives (hits), les quals hauran de sotmetre’s a un procés d’optimització estructural per acabar identificant els candidats a caps de sèrie (d’un a tres composts),que passarien a fases preclíniques més avançades.

És a través del químic mèdic, treballant al sector acadèmic o a l’industrial, d’on no tan sols sorgiran les molècules, sinó que es modularan des de molts punts de vista per arribar a seleccionar els caps de sèrie que entraran amb les màximes garanties possibles a les fases preclíniques avançades

El químic desenvoluparà també un paper determinant a l’hora de planificar la fabricació dels composts escollits a l’escala de planta pilot i de producció.

En aquest context, el fet que els fonaments teòrics de la química, sobretot de l’orgànica, es trobin ben assentats fa pensar que queda poc camp per explorar i que aviat els químics dedicats a imaginar i fer molècules no tindran gaire feina. Aquesta impressió és fàcilment rebatible amb un exemple senzill, il·lustrat a la figura 5, en el qual queda palès l’amplíssim camp que hi ha encara per investigar i treballar a l’hora de fer molècules noves.

A més, el químic preparatiu no s’atura amb la síntesi de molècules que puguin arribar a ser fàrmacs. Una molècula pot ser molt activa davant una diana concreta, però,si no és biodisponible, és a dir, si no pot arribar al punt de l’organisme en el qual cal que actuï, la seva eficàcia serà molt minsa. L’administració de fàrmacs ha hagut d’experimentar un desenvolupament important per mirar de solucionar aquest problema. En aquest desenvolupament, en el qual hi ha implicat l’ús de substàncies polimèriques d’origen natural o sintètic, així

Figura 4. La implicació del químic en les primeres etapes del descobriment de fàrmacs.

com altres productes (per exemple, els liposomes), hi ha molt de terreny per explorar i la química hi desenvolupa un paper fonamental. Aquest és un camp que s’ha expandit d’una manera espectacular amb l’entrada de les nanotecnologies. El desenvolupament de nanomedicines, l’aplicació de nanocomposts al diagnòstic o a l’administració de fàrmacs són camps en els quals les inversions s’han multiplicat en els últims anys i dels quals s’esperen resultats en el futur més pròxim. La combinació d’aquestes tecnologies amb les molècules orgàniques o inclús amb el que es coneix com a fàrmacs biològics (per exemple, els anticossos) potenciarà,sens dubte,l’arsenal amb el qual es podran combatre les malalties que mostren més resistència en l’actualitat.

D’una manera complementària, el químic més dedicat al desenvolupament serà també una peça bàsica per poder passar, amb rendiments bons i costos econòmics i ambientals minimitzats, dels mil·ligrams o pocs grams elaborats al laboratori als quilograms de l’etapa de desenvolupament industrial (l’anomenada química fina). En aquest camp, àrees de recerca com la de nous catalitzadors per fer possible reaccions que transcorrin amb conversions més elevades sense la presència de dissolvents nocius per al medi ambient i que tendeixin a l’economia d’àtoms (és a dir,que no se’n perdin entre els reactius de partida i el producte final per minimitzar el tractament de residus) són i seran objecte d’interès i d’esforços continuats en el sector de la química fina. A més, el fet que cada vegada s’ampliï el tipus de producte candidat a fàrmac (per exemple, pèptids i proteïnes, conjugats de sucres, molècules que contenen metalls, etc.) requereix de la posada a punt de metodolo-

Figura 5. El químic disposa d’un amplíssim marge de maniobra per dissenyar i preparar noves molècules. La figura mostra un exemple senzill de càlcul del nombre de molècules de fins a trenta àtoms que són possibles manipulant solament cinc àtoms diferents. Part de les dades s’ha extret del treball de Bohaceket al.(1996)

gies de producció de nova creació. En aquest conjunt, la globalització, amb la irrupció dels països asiàtics, ha comportat un seriós trasbals per a la indústria química europea, el qual només es podrà superar a partir d’innovar i obtenir valor afegit que et faci competitiu en productes i en desenvolupament tecnològic.

D’una manera complementària, el químic més dedicat al desenvolupament serà també una peça bàsica per poder passar, amb rendiments bons i costos econòmics i ambientals minimitzats, dels mil·ligrams o pocs grams elaborats al laboratori als quilograms de l’etapa de desenvolupament industrial, l’anomenada química fina

L’IQAC i el descobriment de fàrmacs Al nostre país, on el sector farmacèutic té encara una presència rellevant, també hi ha grups del sector acadèmic que porten a terme una intensa feina investigadora a l’entorn del descobriment de fàrmacs. L’Institut de Química Avançada de Catalunya (IQAC), un institut dependent del Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC) ubicat a Barcelona, té entre els seus objectius prioritaris les investigacions en la frontera de la química i la biologia. És en aquesta interfície on les investigacions dirigides a la biomedicina compten amb diversos grups treballant en el descobriment de fàrmacs. Des de científics que investiguen sobre les metodologies de la química teòrica i computacional que cal desenvolupar per conèixer més a fons el funcionament d’enzims i proteïnes implicats en patologies diverses fins a grups que treballen en la posada a punt d’eines de diagnòstic més fiables i acurades per a la detecció precoç de malalties greus (hepatitis, sida, infeccions, càncer), passant per

Figura 6. Membres del grup d'investigació de l'IQAC analitzant nous compostos mitjançant la tècnica de cromatografia líquida d'alta pressió i espectrometria de masses (HPLC-MS) del grup d'investigació de l'IQAC.

científics interessats en metodologies de producció massiva de molècules (química combinatòria, síntesi orgànica en paral·lel) i en la seva modulació posterior per optimitzar-ne les propietats farmacològiques, o bé grups que tenen una gran experiència en mètodes d’administració de fàrmacs o en la producció de composts bioactius d’una manera ambientalment sostenible, l’IQAC ha aconseguit que la seva feina investigadora tingui un ressò important en la indústria farmacèutica europea. Patents transferides i que s’estan explotant comercialment, molècules en fases clíniques, contractes de codesenvolupament de nous fàrmacs, a més de les nombroses contribucions des d’aspectes més inicials i bàsics del descobriment de fàrmacs, per exemple,en els camps del càncer i les malalties neurodegeneratives, conformen una realitat i determinen un futur ben prometedor en el context de l’anomenada bioregió de Catalunya, un clúster dedicat a la biomedicina que està assolint un prestigi internacional indiscutible. En resum, el descobriment de fàrmacs segueix sent un repte científic i de desenvolupament i una necessitat de primer ordre, amb una feina intensa i extensa

al davant per mirar de combatre i vèncer la malaltia i totes les seves conseqüències en la nostra societat. Per assolir aquests objectius,caldrà l’aportació de molta gent amb una formació sòlida en camps interdisciplinaris, entre la qual el químic, com ha fet durant els darrers cent cinquanta anys, ha de seguir tenint un protagonisme indiscutible.

Agraïments

Suport econòmic del Ministeri de Ciència i Innovació (Projecte SAF 2008-00048) i de la Fundació Marató de TV3 (Projecte 070332).

Bibliografia seleccionada

BOHACEK, R. S. [et al.] (1996). Med. Res. Rev., 16: 3-50.

DREWS, J. (2000). «Drug discovery: A historical perspective». Science, 287: 1960-1964. [Una revisió sobre l’evolució històrica del descobriment de fàrmacs.]

GRAY, N. (2006). Changing landscapes: A special report on the world’s top 50 pharma companies [en línia]. Nova York: Pharmaceutical Executive. <http://www.pharmexec.com/pharmexec/data/ar ticlestandard/pharmexec/272006/354138/article.pdf>. [Un dels informes habituals anuals sobre la indústria farmacèutica mundial.]

HOPKINS, A. L.; POLINSKY, A. (2006). «Knowledge and intelligence in drug design». Annu. Rep. Med. Chem., 41: 425-437. [Una revisió interessant sobre com els químics mèdics fan servir el seu coneixement per dissenyar estratègies en els seus projectes de descobriment de fàrmacs.]

WESS, G.; URMANN, M.; SICKENBERGER, B. (2001). «Medicinal chemistry chemistry: Challenges and opportunities». Angewandte Chemie International Edition English, 40: 3341-3348. [Una aproximació a la metodologia moderna emprada per al descobriment i desenvolupament de fàrmacs.]

Consulteu també: – Biografia de Paul Ehrlich i discurs de recepció del Premi Nobel l’any 1908: http://nobel prize.org/nobel_prizes/medicine/ laureates/1908/ehrlich-bio.html – Fascicle d’Investigación y Ciencia del novembre de 1997, que inclou diversos articles de divulgació sobre la química mèdica.

Àngel Messeguer

és professor d’investigació del CSIC adscrit a l’Institut de Química Avançada de Catalunya, del qual és actualment el director. Doctor en química per la Universitat de Barcelona, el seu grup d’investigació es dedica a la química mèdica. És coautor de més de cent seixanta treballs i quinze patents, i ha dirigit vint-iuna tesis doctorals. Del 2002 al 2007 va ser president de la Societat Catalana de Química. A.e. angel.messeguer@iqac.csic.es

Construyendo puentes conceptuales entre las varias escalas y dimensiones de los modelos químicos

Construint ponts conceptuals entre les diverses escales i dimensions dels models químics

Building conceptual bridges between the different scales and dimensions of the chemical models

Vicente Talanquer / Universidad de Arizona. Departamento de Química y Bioquímica, Tucson, AZ 85721

resumen

En este trabajo se describen algunas delas dificultades que los estudiantes de química tienen para relacionarconceptos e ideas a través de las diferentes escalas y dimensiones en las que los diversos modelos químicos se definen. También se discuten algunos elementos de la enseñanza tradicional de la disciplina que tienden a exacerbar estas dificultades y se presentan herramientas didácticas computacionales diseñadas paraapoyar el aprendizaje en esta área.

palabras clave

Currículo, ideas intuitivas, modelos, química general, simulaciones computacionales.

resum

En aquest treball es descriuen algunes de les dificultats que els estudiants de química tenen per relacionar conceptes i idees a través de les diferents escales i dimensions en les quals es defineixen els diversos models químics. També es discuteixen alguns elements de l’ensenyament tradicional de la disciplina que tendeixen a agreujar aquestes dificultats i es presenten eines didàctiques computacionals dissenyades per donar suport a l’aprenentatge en aquesta àrea.

paraules clau

Currículum, idees intuïtives, models, química general, simulacions computacionals.

abstract

This paper describes some of the difficulties that chemistry students face when trying to connect concepts and ideas across the different scales and dimensions, from which many chemical models are defined. We also discuss some of the features of traditional chemistryeducation that tend to aggravate these problems,and we present a set of computer-based educational tools, which are designed to scaffold learning in this area.

keywords

Curriculum, intuitive ideas, models, general chemistry, computer simulations.

Introducción

La sugerencia de que nuestro conocimiento químico se construye y representa a tres grandes niveles: macroscópico, submicroscópico y simbólico, ha sido una de las ideas más poderosas e influyentes en educación química en los últimos veinticinco años (Gilbert y Treagust, 2009; Johnstone, 1982). El ahora famoso «triplete químico» se ha convertido en un paradigma para gran cantidad de docentes e investigadores educativos, quienes lo utilizan de modo frecuente en el diseño de materiales didácticos y actividades en el aula, simulaciones y animaciones computacionales, instrumentos de evaluación y protocolos de investigación. Adicionalmente, el reconocimiento de que nuestros estudiantes tienen dificultades para traducir conceptos e ideas entre estas tres maneras de describir y representar el conocimiento químico ha sido crucial en el desarrollo de programas educativos que fomentan el aprendizaje significativo en las aulas de química (Gilbert y Treagust, 2009).

En su trabajo original, Johnstone (1982) estableció una clara asociación entre la faceta explicativa de la química y los diversos modelos corpusculares que constituyen el componente submicroscópico del triplete químico. Con el tiempo, otros autores han ayudado a caracterizar de mejor modo el mundo «submicroscópico»de la química. Por ejemplo, Ben-Zvi, Eylon y Silberstein (1988) reconocieron dos escalas o niveles distintos de descripción de la materia a nivel corpuscular: el nivel «atómicomolecular»(una sola partícula) y el nivel «multiatómico»(muchas partículas). Jensen(1998), por su parte, destaca dos niveles submicroscópicos relevantes: el «molecular»y el «eléctrico».

El objetivo de este trabajo es, por tanto, caracterizar los problemas que los estudiantes enfrentan en esta área, analizar algunos elementos de la enseñanza tradicional que exacerban estas dificultades y presentar herramientas didácticas para facilitar el aprendizaje

Recientemente, Gilbert y Treagust (2009) han enfatizado la importancia de considerar modelos a niveles mesoscópicos que nos permiten explicar las propiedades de nuevos materiales. Estos estudios revelan la naturaleza estratificada del componente «submicroscópico»del triplete químico, poniendo de manifiesto un nivel de complejidad adicional en el aprendizaje de la química.En nuestra disciplina,los estudiantes no sólo necesitan conectar los fenómenos que observan a su alrededor con los modelos y símbolos que utilizamos para representarlos, sino quetambién deben establecer relaciones entre la gran variedad de modelos submicroscópicos que se utilizan para describir, explicar o predecir la estructura y propiedades de las sustancias a distintas escalas. Las dificultades en la comprensión de los modelos químicos no sólo descansan en la existencia de «múltiples escalas»de descripción, sino también en la presencia de «varias dimensiones»de análisis. En particular, Jensen (1998) ha identificado tres dimensiones relevantes: composición/estructura, tiempo y energía. La primera dimensión captura los aspectos más estáti-

cos de los sistemas de interés, mientras que las dimensiones temporal y energética encapsulan las propiedades dinámicas. La investigación en educación químicasugiere que una gran proporción de nuestros estudiantes es incapaz de establecer relaciones significativas entre las diversas escalas y dimensiones que caracterizan los modelos químicos(Nakhleh, 1992; Barker, 2000). El objetivo de este trabajo es,por tanto,caracterizar los problemas que los estudiantes enfrentan en esta área, analizar algunos elementos de la enseñanza tradicional que exacerban estas dificultades y presentarherramientas didácticas para facilitar el aprendizaje.

Las dificultades

Los químicos construyen modelos para describir, explicar y predecir las propiedades de la materia a diversas escalas y dimensiones. Por ejemplo, una reacción química se puede modelar usando la teoría de colisiones moleculares al nivel de«múltiples partículas»(que denominaremos escala o nivelcorpuscular), prestando una particular atención a los «aspectos energéticos»o aplicando la teoría RPECV para predecir la geometría molecular y la distribución de carga de cada reactivo en la escala«molecular»(una sola partícula), enfatizando los «factores estructurales».Las escalas y dimensiones que son relevantes para el análisis de las propiedades de un sistema dependen de su naturaleza química, así como del tipo de explicaciones o predicciones que queramos generar. Los químicos expertos han desarrollado la habilidad para construir puentes conceptuales entre las diferentes ideas que son relevantes en cada escala y dimensión de modelaje. Por ejemplo, entre la energía de activación

en un modelo de colisiones de una reacción química y la geometría del estado de transición en un abordaje molecular. Desafortunadamente, este tipo de conexiones no está presente, ni es fácil de construir, en la mente de la mayoría de nuestros estudiantes.

Esde esperar que los estudiantes tengan dificultades cognitivas cuando se desplazan de una escala o dimensión de modelaje a otra en la que aparecen propiedades o procesos «emergentes» (Jacobson y Wilensky, 2006). El término emergente se usa aquí para referirse a aquellas propiedades o procesos de un sistema compuesto que resultan de la interacción entre sus partes, pero que difieren de aquellas propiedades características de los componentes individuales.En este sentido, las propiedades de una molécula, como su geometría, son emergentes con respecto a aquéllas de los electrones y núcleos que la componen y la viscosidad de un líquido emerge de las múltiples interacciones entre las partículas del fluido. El análisis de las concepciones alternativas de los estudiantes en el área de la química revela que sus suposiciones intuitivas están en conflicto con el concepto emergencia. Analicemos de qué manera. El análisisde las ideas de los estudiantes acerca de la naturaleza corpuscular de la materia sugiere la existencia de dos suposiciones implícitas principales, «herencia»y «aditividad»,que guían su razonamiento en esta área (Talanquer, 2006; Talanquer, 2009). Por un lado, es común que los estudiantes asuman que las partículas que constituyen un sistema tienen las mismas propiedades que la muestra macroscópica. Por ejemplo, tenderán a pensar que los átomos o moléculas de una sustancia tienen el mismo

Figura 1. Las propiedades de una molécula, como su simetría, son emergentes con respecto a las de los electrones y los núcleos de los átomos que la componen.

color, densidad y punto de fusión que el material de bulto (Nakhleh, 1992; Barker, 2000). Esta suposición de «herencia» está basada en la creencia de que los materiales heredan las propiedades de sus componentes submicroscópicos. Por ello, difícilmente se reconocerá que hay propiedades que emergena partir de las interacciones dinámicas entre los componentes de un sistema.

La segunda suposición implícita que guía y restringe el razonamiento de muchos estudiantes se basa en la creencia de que las propiedades físicas y químicas de átomos y moléculas, o de las sustancias asociadas, son el resultado del promedio ponderado de las propiedades de los componentes individuales. Desde esta perspectiva, por ejemplo, el color del producto de una reacción entre reactivos de color amarillo y azul es de esperar que sea verde,y la polaridad de una molécula debe incrementarse con el número de átomos electronegativos en el sistema (Talanquer, 2006; Talanquer,2008). Las decisiones que se toman desde este marco aditivo normalmente se basan en el análisis de la composición química del sistema, descartando los efectos dela estructura, el movimiento azaroso y las

múltiples interacciones entre partículas. El uso de las suposiciones de herencia y aditividad para construir explicaciones y hacer predicciones es característico de estudiantes novatos con una visión estática del mundo submicroscópico (Talanquer, 2006). Desde de esta postura «estática», el mundo atómico es visto como compuesto por agentes causales, esto es, más o menos capaces de ejercer fuerzas e inducir transformaciones en sus alrededores. Los agentes activos o «líderes»empujan y jalan electrones u otros átomos, iones o moléculas más pasivos con el fin de satisfacer sus necesidades (por ejemplo, volverse más estables, adquirir un octeto de electrones, etc.). La simple presencia de estos agentes acti-

El análisis de las ideas de los estudiantes acerca de la naturaleza corpuscular de la materia sugiere la existencia de dos suposiciones implícitas principales, «herencia» y «aditividad», que guían su razonamiento en esta área

vos en un sistema se piensa que determina sus propiedades: si hay oxígeno, la molécula debe ser polar;si hay hidrógeno, debe formar puentes de hidrógeno. El movimiento azaroso de las partículas constituyentes,sus interacciones dinámicas,sus posiciones relativas, configuraciones y conformaciones, así como la frecuencia y probabilidad de eventos, raramente se consideran elementos determinantes de las propiedades de las sustancias. La falta de reconocimiento del papel central que los conceptos dinámicos juegan en los modelos corpusculares de la materia limita la habilidad de los estudiantes para aplicar estos modelos en las escalas en las que resultan útiles. También limita su capacidad para construir puentes conceptuales entre los diversos niveles de explicación y descripción comúnmente utilizados en química. Un estudiante con una visión estática y aditiva del mundo submicroscópico seguramente no diferenciará entre conceptos que pueden estar relacionados pero que corresponden a diferentes niveles de modelaje. Por ejemplo, este estudiante novato tendrá problemas para distinguir entre electronegatividad atómica y polaridad molecular, y,por tanto,no reconocerá que la polaridad de una molécula «emerge»de la redistribución de carga entre varios átomos. Es de esperar que este tipo de estudiante también construya explicaciones y predicciones sobre las propiedades y el comportamiento de un sistema macroscópico en base a las propiedades de una sola partícula en lugar de un conjunto de ellas.

Aunque esta visión simplificada del mundo submicroscópico pueda tener raíces profundas en nuestras concepciones intuitivas sobre la naturaleza y el comportamiento del mundo que nos

rodea, hay evidencias que sugieren que el currículum y las prácticas educativas tradicionales pueden fortalecerla. Como se discute en la siguiente sección, la formaen la que las ideas sobre estructura atómica y molecular se introducen en cursos tradicionales de química puede ser parte del problema.

Un estudiante con una visión estática y aditiva del mundo

submicroscópico seguramente no diferenciará entre conceptos que pueden estar relacionados pero que corresponden a diferentes niveles de modelaje

Un enfoque «atómico»y «estático» La revisión de libros de texto comúnmente utilizados en cursos introductorios de química revela la existencia de un abordaje monolítico en la presentación de los modelos submicroscópicos de la materia. En la mayoría de estos textos,la presentación comienza con una discusión sobre la naturaleza atómica de la materia y la descripción de los componentes centrales del modelo nuclear del átomo (por ejemplo, electrones, protones y neutrones). De ahí, el siguiente paso típicamente consiste en introducir el modelo de capas o el modelo cuántico del átomo y discutir cómo construir la configuración electrónica de distintos átomos. Estas configuraciones electrónicas se utilizan entonces para describir y explicar las propiedades periódicas, así como para introducir el enlace químico iónico y covalente. Una vez que la conectividad de una molécula se establece a través de su estructura de Lewis, la teoría

RPECV es introducida para hacer predicciones sobre su geometría, seguidas de discusiones sobre polaridad molecular y fuerzas intermoleculares. Esta discusión abre la puerta al análisis de diferentes estados de la materia y tipos de materiales.

Esta secuencia sigue una progresión lineal, paso a paso,desde el nivel subatómico al nivel macroscópico de descripción y análisis de los sistemas químicos. Su justificación parece ser lógica y simple: la secuencia permite construir una historia coherente sobre nuestro conocimiento químico comenzando con la descripción de los ladrillos fundamentales de la materia y avanzando de manera sucesiva en el análisis de estructuras cada vez más complejas. Sin embargo, si consideramos el gran número de estudiantes que tienen dificultades para entender y utilizar de un modo adecuado los modelos submicroscópicos de la materia aún después de haber sido expuestos a este currículum, las bondades de la secuencia curricular tradicional deben ser cuestionadas. Quizás el problema sea que tal secuencia de presentación se basa en la estructura lógica del conocimiento químico, sin tomar en cuenta la evidencia existente sobre cómo facilitar el aprendizaje en química.Por ejemplo, la investigación educativa ha demostrado que, en general, los estudiantes de química, desde el bachillerato hasta el posgrado, tienen serias dificultades para entender y aplicar las diferentes suposiciones en las que se basan las teorías atómicas y moleculares sobre estructura de la materia (Nakhleh, 1992; Talanquer, 2009). Es por ello que varios autores han sugerido introducir estos temas comenzando con el análisis del mundo macroscópico, ayudando a los estudiantes a construir modelos submicroscópicos apropiados para

explicar las observaciones experimentales(Gilbert y Treagust, 2009). Por otra parte, el currículum tradicional de química tiende a centrarse en explicaciones basadas en las propiedades de una sola partícula (por ejemplo, un solo átomo o molécula), prestando mucha más atención a los factores estructurales que a los dinámicos. Por ejemplo, se habla de las configuraciones electrónicas de átomos aislados, o de la geometría de una sola molécula, o de los pasos sucesivos en un mecanismo de reacción. La discusión de los aspectos dinámicos de los modelos químicos se confina a la aplicación de la teoría cinética molecular para explicar el comportamiento de gases ideales y a una breve introducción a la teoría de colisiones cuando se discute cinética química. Quizás esta tendencia a enfatizar los aspectos estáticos del mundo submicroscópico sea un rasgo inherente de nuestra disciplina. A pesar del interés de los químicos por comprender los «cambios»en el mundo que nos rodea, es costumbre que expliquemos los fenómenos temporales a través de entidades atemporales: una molécula con múltiples estados vibracionales y conformacionales se modela como un objeto tridimensional rígido; una reacción química dinámica se modela como una secuencia de pasos mecanísticos estáticos; un conjunto de electrones en constante movimiento e interacción se modela con distribuciones de probabilidad espacial estáticas. Aunque sin duda se trata de un modo muy poderoso y útil de modelar el mundo, tiende a propiciar una visión estática sobre la estructura de la materia.

La atención a los aspectos estáticos sobre los dinámicos en química es tan pronunciada que la investigación educativa y el desarrollo de currículos innovadores

2. Portal de acceso a la colección de simulaciones FIDO: http://www.chem.arizona.edu/chemt/ido.html.

Por otra parte, el currículum tradicional de química tiende a centrarse en explicaciones basadas en las propiedades de una sola partícula (por ejemplo, un solo átomo o molécula), prestando mucha más atención a los factores

estructurales que a los dinámicos

en los últimos veinte años se ha centrado en el estudio y desarrollo de la habilidad de los estudiantes para establecer conexiones entre experiencias, modelos y visualizaciones a diferentes escalas espaciales, enfatizando la dimensión composición/estructura del conocimiento químico. Mucho menos esfuerzo se ha invertido en explorar las ideas de los estudiantes y apoyar su comprensión de fenómenos que ocurren en diferentes escalas temporales y energéticas. Por ejemplo, aunque el sentido de los estudiantes sobre el tamaño y la lon-

gitud comparativas de objetos ha sido bien estudiado, poco sabemos de su sentido de escala temporal cuando se comparan diferentes procesos submicroscópicos (por ejemplo, vibraciones moleculares, formación y rompimiento de enlaces, transiciones electrónicas), mesoscópicos (por ejemplo, nucleación de gotas, transporte de iones) y macroscópicos (por ejemplo, reacción química). De un modo similar, no tenemos una idea clara de los retos pedagógicos asociados con ayudar a los estudiantes a desarrollar un mejor sentido de la energía necesaria para excitar una vibración, romper un enlace o separar dos moléculas.

Uno puede considerar extremamente difícil el introducir más aspectos dinámicos en la discusión de los modelos submicroscópicos de la materia analizados en la clase de química. Todos sabemos que se trata de un currículum abarrotado de temas. Sin embargo, sería conveniente reconceptualizar tanto la secuencia en la que las ideas centrales son presentadas como los aspectos que se enfatizan con el fin de facilitar el aprendizaje de la disci-

Figura

plina. Con el fin de promover la discusión y la reflexión educativa en esta área, en la siguiente sección se describen algunos recursos didácticos que pueden ser útiles para introducir dichos cambios.

Recursos dinámicos

En base a los problemas descritos en las secciones anteriores, en los últimos años hemos trabajado en el desarrollo e implementación de estrategias y herramientas didácticas para ayudar a los estudiantes a construir puentes conceptuales más sólidos entre las diversas escalas y dimensiones de los modelos que tradicionalmente se discuten en los cursos introductorios de química. Muchas de las herramientas desarrolladas son recursos computacionales flexibles, dinámicos e interactivos a los que se puede acceder individualmente a través de internet o incluirse como parte de una presentación en clase (Pollard y Talanquer, 2005). Se trata de «pantallas interactivas» que pueden ser utilizadas para explicar un concepto o idea, iniciar y guiar una discusión, realizar una investigación individual o grupal, completar un experimento virtual o aplicar las ideas discutidas en clase. Su diseño y construcción están motivados por el deseo de contar con más recursos didácticos que no sólo ilustren la variedad de escalas y dimensiones en la que los modelos químicos se definen, sino que también faciliten la construcción de conexiones entre ellos. Todas las herramientas que se describen a continuación son de uso público y pueden ser accedidas o descargadas en la siguiente dirección electrónica: http://www.chem.arizona.edu/chemt/ EduQ/;sólo se requiere contar con unordenador, un navegador y el plug-in de Flash disponible sin costo en internet.

Figura 3. Pantalla de la simulación de un sistema interactuante de partículas usando dinámica molecular. Esta herramienta puede utilizarse para explorar las transiciones de fase de gas a líquido y de líquido a sólido en la escala corpuscular.

Muchas de las herramientas desarrolladas son recursos computacionales flexibles, dinámicos e interactivos a los que se puede acceder individualmente a través de internet o incluirse como parte de una presentación en clase

Una proporción importante de los recursos desarrollados son simulaciones de dinámica molecular que representan el comportamiento de varios tipos de sistemas físicos y químicos en la escala «corpuscular»o de «múltiples partículas». Nuestro énfasis en este nivel de descripción se basa en el convencimiento de que, una vez que los estudiantes han tenido la oportunidad de analizar un sistema o fenómeno a nivel macroscópico en clase o en el laboratorio, éste es el primer nivel de modelaje submicroscópico que debería discutirse en cur-

sos introductorios de química. Existen varias razones para hacerlo. Primera:éste es el nivel de modelaje submicroscópico más cercano al mundo real y muchas propiedades físicas y químicas de los sistemas macroscópicos emergen a esta escala (por ejemplo, puntos de ebullición, densidad, rapidez de reacción, constante de equilibrio); esto facilita el establecimiento de puentes entre conceptos definidos en la escala «macroscópica» (por ejemplo, temperatura)y en la «corpuscular» (por ejemplo, energía cinética promedio). Segunda:las explicaciones y predicciones que se construyen a esta escala deben incluir factores dinámicos (por ejemplo, movimiento de partículas, tipo de interacciones, energía de activación) para ser efectivas. Tercera: el análisis comparativo del comportamiento de distintos sistemas a este nivel puede utilizarse para generar la necesidad de entender cuál es el origen de las diferencias observadas: ¿cuál es el origen de las fuerzas intermoleculares?, ¿cómo explicamos diferencias en energías de activa-

ción? La respuesta a estas preguntas sólo puede darse si cambiamos la escala de modelaje y comenzamos a analizar qué sucede a nivel molecular, atómico o electrónico.

La figura 3 muestra la estructura prototípica de las simulaciones computacionales desarrolladas para explorar las propiedades y el comportamiento de sistemas a nivel «corpuscular». En este caso en particular, la simulación permite investigar el efecto de distintas variables(por ejemplo, temperatura, número de partículas) sobre las transiciones de fase de gas a líquido y de líquido a sólido en un sistema con un solo componente. La simulación no sólo ilustra la evolución dinámica del sistema a través de la representación de la posición y el movimiento delas partículas en una sustancia modelo, sino que también permite manipular variables, recabar datos y representar resultados en diversas formas.En nuestro caso, herramientas como éstas son utilizadas en clase para crear oportunidades de aprendizaje en las que los estu-

Las simulaciones en la escala «corpuscular» que hemos desarrollado permiten explorar tanto fenómenos físicos, tales como transiciones de fase, difusión y ósmosis, como procesos químicos, entre los que se incluyen la formación de compuestos iónicos y moleculares, la cinética de reacciones simples (isomerización, combinación, disociación) y el establecimiento del equilibrio químico en sistemas prototípicos

diantes hacen predicciones sobre el efecto de varias variables y verifican sus ideas en tiempo real. Es común que losalumnos trabajen en pareja durante estas actividades, lo que no sólo disminuye los recursos computacionales necesarios,sino que también facilita la generación de ideas y enriquece el análisis y la reflexión de los resultados.

Las simulaciones en la escala «corpuscular»que hemos desarrollado permiten explorar tanto fenómenos físicos, tales como transiciones de fase, difusión y ósmosis, como procesos químicos, entre los que se incluyen la formación de compuestos iónicos y moleculares, la cinética de reacciones simples (isomerización, combinación, disociación) y el establecimiento del equilibrio químico en sistemas prototípicos. En todos estos casos, los estudiantes tienen la oportunidad de explorar el efecto de diversas variables en las dimensiones estructural, temporal y energética. Nuestra experiencia trabajando con estos recursos en clases introductorias de química a nivel

universitario indica que las simulaciones tienen un efecto positivo en la capacidad de los alumnos para reconocer la existencia de propiedades emergentes y establecer conexiones significativas entre parámetros o variables de modelaje definidos a distintas escalas (principalmente,entre las escalas«macroscópica»y «corpuscular»y entre esta última y la «molecular»). Adicionalmente, el uso de estas herramientas didácticas ha tenido un efecto benéfico en la motivación de los estudiantes,dado que permite su participación activa en la construcción del conocimiento en clase.

Junto con las simulaciones computacionales que se han descrito, también hemos elaborado un conjunto de herramientas interactivas que permiten la construcción de representaciones submicroscópicas de diferentes tipos de sistemas, ya sea a nivel subatómico, molecular o corpuscular. La mayoría de estos recursos enfatiza la dimensión composición/estructura del conocimiento químico y crea oportunidades para que los estudiantes manipu-

4.

de la

que permite la construcción de estructuras moleculares en dos y tres dimensiones.

Figura

Pantalla

herramienta

len y traduzcan información entre diferentes formas de representación. Por ejemplo, la herramienta que se ilustra en la figura 4puede utilizarse para construir la estructura de Lewis de diversas moléculas y generar la estructura tridimensional correspondiente; la herramienta de la figura 5 puede usarse para construir películas moleculares en base a una secuencia de imágenes construidas por el usuario. Es importante reconocer que la mayoría de estos recursos presenta una visión estática del mundo submicroscópico, hecho que debe hacerse explícito a los alumnos. En general, no importa de qué tipo de recursos computacionales se trate, ya sean estáticos o dinámicos; el análisis de las suposiciones implícitas y explícitas en las que se basan los modelos químicos que se presentan en clase, junto con la reflexión de sus alcances y limitaciones, es una arma poderosa en la tarea de ayudar a los estudiantes a construir puentes conceptuales entre la diversidad de escalas y dimensiones en las que tales modelos se definen.

Referencias

BARKER, V. (2000). Beyond appearances: Students’ misconceptions about basic chemical ideas [en línea] Londres: Royal Society of Chemistry. <http://www.chemsoc.org/networks/learnnet/ miscon.htm>.

BEN-ZVI, R.; EYLON, B.; SILBERSTEIN, J. (1988). «Theories, principles and laws». Educationin Chemistry, mayo:89-92.

GILBERT, J. K.;TREAGUST, D. [ed.] (2009). Multiple representations in chemical education. S. l.: Springer Netherlands.

JACOBSON, M. J.;WILENSKY, U. (2006). «Complex systems in education: Scientific and educational importance and implications for the learning sciences». The Journal of the Learning Sciences, 15(1): 11-34.

JENSEN, W. B. (1998). «Logic, history and the chemistry textbook: I. Does chemistry have a logical structure?». Journal of Chemical Education, 75(6): 679-687.

JOHNSTONE, A. H. (1982). «Macroand microchemistry». School Science Review, 64: 377-379.

NAKHLEH, M. B. (1992). «Why some students don’t learn chemistry». Journal of Chemical Education, 69(3): 191-196.

POLLARD, J.; TALANQUER, V. (2005). «Interactive digital overheads: Dynamic teaching tools for the chemistry classroom».

The Chemical Educator, 10: 36-40.

TALANQUER, V. (2006). «Common sense chemistry: A model for understanding students’alternative conceptions». Journal of Chemical Ediuaction, 83(5):811816.

—(2008). «Students’predictions about the sensory properties of chemical compounds: Additive versus emergent frameworks». Science Education, 92(1): 96-114. —(2009). «On cognitive constraints and learning progressions: The same of structure of matter». International Journal of Science Education, 31(15): 21232136.

Vicente Talanquer es profesor asociado en la Universidad de Arizona. Autor o coautor de más de diez libros de texto para primaria y secundaria y de cerca de ochenta artículos arbitrados de investigación en fisicoquímica, educación química y pensamiento docente.En la actualidad,su trabajo de investigación se centra en el estudio de la ideas intuitivas de los estudiantes de química. C. e.vicente@email.arizona.edu

Figura 5. Pantalla de la herramienta que permite la construcción de películas moleculares en base a la presentación sucesiva de pantallas estáticas construidas por el usuario.

L’aula virtual de química: ús de l’entorn Moodle i de continguts digitals en l’ensenyament-aprenentatge de la química del batxillerat

The virtual chemistry classroom: using the Moodle environment and digital resources for teaching and learning chemistry in the last years of secondary school

José

Ángel Hernández Santadaría / INS Badalona VII, Badalona

resum

L’article descriu l’estructura i els continguts que incorpora l’aula virtual dissenyada per l’autor, tot mostrant les diverses possibilitats que ofereixen l’entorn virtual d’aprenentatge Moodle i els continguts digitals en la docència de la química del batxillerat. L’aula virtual permet el desenvolupament dels continguts prescriptius del currículum treballant en un marc innovador que facilita l’accés de l’alumnat a fonts d’informació i a recursos diversos, tot promovent la seva autonomia i el treball cooperatiu.

paraules clau

Internet, entorn virtual d’aprenentatge, Moodle, química del batxillerat, web 2.0.

abstract

The article describes the methods applied and contents used in the virtual classroom designed by the author. It shows the different possibilities offered by both the Moodle virtual learning environment and the digital resources in the teaching of Chemistry at high school levels. This type of virtual classroom contributes to the development of prescribed contents of the curriculum by placing students in an innovative framework that allows access to databases and other resources. This encourages self-determination and cooperative working.

keywords

Internet, virtual learning environment, Moodle, high school chemistry, web 2.0.

Internet i el nou rol del professor

A mesura que avancen les tecnologies de la informació i de la comunicació, es planteja, d’una manera cada vegada més freqüent, el debat sobre el nou paper que ha d’assumir el docent. L’enorme volum de dades

i de continguts que Internet posa a la nostra disposició i a la dels nostres alumnes deixa en evidència la funció del professor com a posseïdor i transmissor de la informació. En aquest context, una qüestió clau és qui ha d’ensenyar els joves a buscar, filtrar, seleccionar, acceptar o rebutjar

tota la informació disponible sobre un tema en particular. A les classes actuals potser no és tan important el fet d’aportar dades i més dades, sinó el d’establir un diàleg constant, una discussió entre allò que s’aprèn a l’escola i allò que ve de fora (Eco, 2007).

El professorat que opti per fer un ús intensiu de les noves tecnologies disposa de plataformes que el poden ajudar a organitzar en format digital els continguts educatius que decideixi emprar a les seves classes, siguin trobats a Internet o creats pel mateix docent, i que també el proveeixen d’aplicacions que promouen la participació directa de l’alumnat en el seu procés d’aprenentatge

Una de les darreres tendències aparegudes a Internet és l’anomenat web 2.0. El gran valor del web 2.0 és que està reduint dràsticament la distància entre els qui accedeixen al web i els qui hi publiquen informació d’una «manera sofisticada» (Peña, Córcoles i Casado, 2006). Aquest apropament entre els usuaris d’Internet i les eines que utilitzen està augmentant enormement les possibilitats d’interacció amb el mitjà i de comunicació entre els usuaris. L’èxit dels fòrums, dels blocs i de les anomenades xarxes socials (Facebook, Twenti, MySpace, etc.) és un bon indicador dels canvis que el web 2.0 està propiciant en la utilització de la xarxa. Moltes aplicacions que configuren aquest web 2.0 permeten a pràcticament qualsevol usuari el fet de publicar continguts a Internet d’una manera senzilla i immediata. Eines com YouTube, Picasa, Google Docs o SlideShare permeten el fet de penjar i compartir diferents tipus d’arxius (vídeos, fotografies, documents de text, presentacions, etc.). Són evidents les grans possibilitats que ofereixen aquestes eines en l’àmbit educatiu, sobretot de cara a la

publicació en format digital de les produccions dels nostres alumnes. Les produccions dels estudiants són el resultat d’un procés que fa possible la interiorització del coneixement. D’altra banda, la publicació a Internet dels treballs realitzats és un element motivador i que dota d’un nou sentit les activitats dels alumnes.

Per tant, cada vegada resulta més fàcil per als docents el fet d’utilitzar els recursos que la mateixa xarxa facilita i, així, dinamitzar la seva tasca i capacitar-se per exercir aquest nou rol que l’escola actual requereix. Malgrat això, encara existeixen alguns obstacles a superar. Potser el més rellevant és la presa de consciència de la nova situació i el canvi de mentalitat que s’hauria de produir en un segment important del professorat. Molts docents haurien de deixar de veure les noves tecnologies com una complicació més i passar a considerar-les una eina imprescindible, cada vegada més assequible, i un suport fonamental en la seva feina.

Segons l’Informe Horizon 2008, al llarg dels propers anys es preveu que l’ús creixent del web 2.0 i de les xarxes socials (combinat amb la intel·ligència col·lectiva i amb la producció amateur massiva) canviï la pràctica de l’ensenyament d’una manera gradual però inexorable. En aquest escenari, el professorat que opti per fer un ús intensiu de les noves tecnologies disposa de plataformes que el poden ajudar a organitzar en format digital els continguts educatius que decideixi emprar a les seves classes, siguin trobats a Internet o creats pel mateix docent, i que també el proveeixen d’aplicacions que promouen la participació directa de l’alumnat en el seu procés d’aprenentatge. Un bon exemple és Moodle, del qual parlarem a continuació.

L’entorn Moodle

Moodle (acrònim de Module

Object-Oriented Dynamic Learning Environment) és un programari de codi lliure que permet crear entorns virtuals d’ensenyament i d’aprenentatge. El projecte fou iniciat l’any 2002 per Martin Dougiamas, de la universitat australiana de Curtin, i actualment té milions d’usuaris arreu del món. Al llarg dels darrers anys, s’ha incorporat al projecte un gran nombre de col·laboradors que han contribuït d’una manera desinteressada a desenvolupar el programari i a traduir-lo a més de setanta llengües, entre elles el català.

L’administració i l’edició dels continguts dels cursos per part del professorat i la seva utilització per part dels alumnes no presenten gaire dificultats, ja que l’entorn proposa una navegació simple i accessible a usuaris sense un nivell elevat en l’ús de les noves tecnologies.

Moodle ofereix al professorat diverses i interessants aplicacions, d’entre les quals es poden destacar les següents:

1) Penjar fitxers en diferents formats (documents de text, fulls de càlcul, presentacions, imatges, arxius sonors, etc.).

2) Crear enllaços a llocs web.

3) Afegir activitats i tasques diverses (fòrum, xat, «wiki», consultes, etc.).

4) Avaluar el treball de l’alumnat: el mòdul d’avaluació permet el fet d’introduir qualificacions, d’afegir comentaris i d’exportar les notes en format Excel.

5) Guardar còpies de seguretat del curs i de tots els arxius, recursos i activitats que conté.

Una altra clau de l’èxit de Moodle és la seva gran flexibilitat, ja que les diverses aplicacions que incorpora permeten al professorat adoptar diferents aproximacions metodològiques. El disseny i el desenvolupament

de Moodle es basen en un enfocament constructivista del procés d’ensenyament i aprenentatge. Mitjançant la utilització d’activitats com fòrums, xats i «wikis», es potencia el treball col·laboratiu i la participació directa de l’alumnat en la construcció del seu coneixement.

Totes aquestes característiques converteixen Moodle en una eina molt adequada per a l’ensenyament en línia i també en un potent complement de l’ensenyament presencial.

Requeriments tècnics, formatius i d’equipaments

El professorat que vulgui utilitzar Moodle en la seva pràctica docent haurà de considerar determinats aspectes tècnics, de formació i d’equipaments abans de començar a treballar amb aquest programa.

Actualment, molts centres de secundària de Catalunya disposen d’un espai Moodle allotjat al portal del projecte «Àgora» de la XTEC (http://agora.xtec.cat/moodle), la qual cosa possibilita que una bona part del professorat d’un centre educatiu pugui disposar de cursos a l’entorn Moodle sense la necessitat de tenir uns coneixements avançats en noves tecnologies. Un nivell d’usuari bàsic en la utilització de les eines TIC és suficient per gestionar les aplicacions que ofereix Moodle al professorat.

Una vegada l’espai Moodle del centre estigui en funcionament, caldrà que el professorat disposi d’una formació bàsica per poder gestionar l’aula virtual de la seva matèria. Aquesta formació ha de permetre al docent el fet de realitzar la configuració dels paràmetres i el format del curs, dels arxius i dels enllaços que es pengen, de les tasques que faran els estudiants, etc.

En el cas de l’INS Badalona VII, un centre en el qual presta els

seus serveis l’autor d’aquest article, es va optar per organitzar una activitat de formació consistent en un taller de Moodle impartit per un professor del mateix institut expert en la matèria. La participació en aquesta activitat d’un bon nombre de professors va ser un factor clau per a l’èxit de la posada en marxa de l’entorn virtual d’aprenentatge del centre

(http://agora.xtec.cat/iesb7/moodle/). Pel que fa als equipaments, quan es treballa a classe emprant les aplicacions i els continguts que incorpora l’aula virtual, es fa imprescindible que l’espai (aula o laboratori) disposi d’una pissarra digital (ordinador del professor connectat a Internet, videoprojector, pantalla i equip de so) que pot ser interactiva o no. En funció del tipus d’activitat que plantegi el professorat, caldrà, a més, que l’alumnat treballi a classe amb l’ordinador. Actualment, l’opció més habitual és que aquests ordinadors els proporcioni el centre (aula d’informàtica, carretons d’ordinadors portàtils, etc.). Al final del curs escolar 2008-2009, el Departament d’Educació va posar en marxa un projecte de desple-

gament de l’ús de llibres text en format digital («Projecte eduCAT1×1») que suposarà, si es compleixen les previsions, que al llarg dels propers cursos la majoria de l’alumnat de secundària de Catalunya tingui en propietat un ordinador portàtil que hauria d’esdevenir la seva eina personal de treball habitual, en substitució dels llibres de text tradicionals. El fet que tot l’alumnat disposi del seu ordinador portàtil possibilitarà tant el treball amb llibres de text digitals com l’accés als continguts digitals i a les activitats que inclouen entorns virtuals d’aprenentatge com Moodle.

El que sí resulta absolutament necessari perquè l’alumnat pugui continuar estudiant i realitzant tasques fora de l’àmbit de l’aula és que els estudiants disposin d’accés a Internet en horari no lectiu. Actualment, un elevat percentatge dels alumnes té ordinador i connexió a Internet a casa seva. En aquells casos en els quals no sigui així, existeixen diverses alternatives (ús dels ordinadors de la biblioteca o de les aules d’informàtica del centre en horari extraescolar, servei d’accés gratuït a Internet en biblioteques públiques, etc.).

Figura 1. Pantalla que mostra una part dels continguts de l’aula virtual de química.

L’aula virtual de química del batxillerat

Com a exemple de la utilització de l’entorn Moodle en l’organització i en el desenvolupament de les activitats d’ensenyamentaprenentatge de la matèria de química del batxillerat, a continuació es descriuen l’estructura, els continguts i els tipus d’activitats que recull l’aula virtual de química elaborada al llarg dels darrers cursos per part de l’autor d’aquest article. Per tal d’accedirhi, es pot fer com a usuari registrat (amb contrasenya), però també és d’accés lliure i s’hi pot arribar seguint la ruta següent: http://agora.xtec.cat/iesb7/moodle/ > Batxillerat > Aula virtual de química

> Entrada com a visitant

Cada tema del currículum de química del batxillerat disposa d’una secció a l’aula virtual. Per a cada tema, l’alumnat té al seu abast materials i recursos diversos: presentacions en PowerPoint sobre els continguts principals de la unitat, guions de les pràctiques de laboratori programades, enllaços a vídeos didàctics (disponibles a YouTube, a TeacherTube, a Edu3.cat i en altres portals web), animacions Flash, applets Java, col·leccions d’exercicis, solucions dels exàmens realitzats, treballs de recuperació, etc.

Al llarg dels darrers cursos, l’autor ha elaborat presentacions que recullen els aspectes clau de tots els temes que conformen la programació de química del batxillerat. Aquestes presentacions s’han penjat al portal web SlideShare per facilitar-hi l’accés de l’alumnat que cursa la matèria, per estalviar espai al servidor Àgora i també per compartir els materials amb el professorat d’altres centres que els consideri útils i que els vulgui utilitzar en les seves classes.

L’aula virtual de química conté apartats específics dedicats a la formulació i a la nomenclatura

2. Al portal YouTube es pot trobar un gran nombre de vídeos i d’animacions molt útils per explicar els conceptes clau de la química. A la imatge es pot veure una de les animacions enllaçades a l’aula virtual de química.

3. Una de les presentacions elaborades per l’autor, disponible al portal web SlideShare.

inorgànica i orgànica (taula de valències, normes de la IUPAC, col·leccions d’exercicis, enllaços a webs amb exercicis d’autoavaluació, etc.) i al treball de laboratori (material de laboratori, perillositat dels productes químics, normes de seguretat, gestió dels residus, normes de presentació dels informes de les pràctiques, etc.). Alguns d’aquests materials han

estat elaborats i són utilitzats d’una manera conjunta per tot el professorat del Departament de Ciències de la Naturalesa del centre en el qual treballa l’autor. Aquest curs de Moodle també compta amb seccions dedicades a la preparació de la prova d’accés a la universitat (estructura de l’examen de química de les PAU, enunciats d’exàmens i pautes de

Figura

Figura

correcció, enllaç al web Posa’t a prova, etc.), la documentació per preparar i avaluar les visites que s’organitzen des de la matèria (visita a una estació de tractament d’aigua potable), la programació, els criteris d’avaluació i de recuperació de la matèria i una selecció d’enllaços a pàgines web d’interès (taules periòdiques interactives, calculadora de conversió d’unitats, etc.).

Moodle ofereix diferents modes de visualització del contingut dels cursos (professor editor, professor noeditor i estudiant). El docent que gestiona el curs decideix quins temes, recursos i activitats són visibles, quins estan a disposició de l’alumnat i quins temes romanen ocults en cada moment. Per tant, al llarg del curs acadèmic, el professor pot mantenir ocultes les unitats i/o els continguts que estiguin en fase de preparació i mostrar als estudiants només els temes i les activitats que consideri oportuns.

Tasques col·laboratives a Moodle

Tal com s’ha comentat en l’apartat anterior, l’entorn virtual d’aprenentatge Moodle permet, d’una manera relativament senzilla, organitzar i posar a disposició de l’alumnat múltiples recursos en format digital. D’altra banda, entre les aplicacions més interessants de Moodle trobem diferents aplicacions que afavoreixen el treball col·laboratiu de l’alumnat: fòrum, xat, «wiki», activitats en línia, enviament de fitxers, enquestes, etc.

Existeixen diverses estratègies didàctiques o formats d’activitat a l’aula que permeten integrar eines d’Internet en el desenvolupament del currículum. Les estratègies utilitzades més habitualment són les caceres del tresor (Treasure Hunt, Scavenger Hunt o Knowledge Hunt),les webquest i els projectes telecol·laboratius (Adell, 2004).

4.

virtual de química inclou enllaços a nombroses pàgines web d’interès. Un exemple són les taules periòdiques interactives.

Figura 5. Detall d’un tema de l’aula virtual de química. A la imatge es poden veure diferents eines d’edició accessibles únicament per al professor editor del curs.

Amb l’objectiu de potenciar l’autonomia de l’alumnat i de fomentar el treball col·laboratiu, al llarg dels darrers dos cursos l’autor ha realitzat a classe algunes activitats basades en l’estratègia de la cacera del tresor. Bàsicament es tracta de plantejar a l’alumnat una sèrie de preguntes, tot facilitant una llista d’enllaços en els quals poden buscar una part de les respostes. Al final s’inclou una gran qüestió que

implica el fet d’analitzar i de processar tota la informació trobada durant la recerca. Aquesta estratègia didàctica resulta útil per a l’adquisició d’informació sobre determinats temes i per practicar habilitats relacionades amb les TIC i amb la recerca d’informació a través d’Internet. En aquestes activitats, es va demanar que l’alumnat presentés els resultats del seu treball en format digital. En una de les oca-

Figura

L’aula

sions, el format triat va ser una presentació (PowerPoint o OpenOffice), i per al curs següent es va demanar als alumnes que elaboressin un «wiki».

En el cas de les activitats d’aula que estem descrivint, el «wiki» es va mostrar com una eina molt adient per a l’elaboració col·laborativa dels treballs. Cada grup d’alumnes pot disposar d’un «wiki» habilitat pel professor a la mateixa aula virtual de química.

Tots els components de cada grup poden introduir les seves aportacions, que queden emmagatzemades. També poden consultar i, si escau, modificar les aportacions dels seus companys, de manera que el treball es va millorant progressivament.

Moodle facilita el seguiment del treball individual i en grup per part del professor, que pot revisar les diferents modificacions que s’han realitzat durant l’elaboració del «wiki» i saber quines aportacions ha realitzat cada estudiant.

En les dues activitats plantejades:

1) Es va utilitzar l’aula virtual de química per plantejar l’activitat, facilitar a l’alumnat orienta-

cions per realitzar el treball i com a plataforma per a l’enviament dels arxius i per allotjar les produccions dels alumnes.

2) Les activitats es van realitzar amb l’alumnat del primer curs del batxillerat que cursava la matèria de química.

3) L’alumnat va treballar en grups formats per quatre alumnes.

4) Els continguts seleccionats del currículum van ser alguns dels relacionats amb la química del carboni (els biocombustibles, l’octanatge de la gasolina, el reciclatge del paper, el problema de les bosses de plàstic, el colesterol i l’omega-3, etc.).

5) Per tal de desenvolupar l’activitat, es va dedicar un total de set sessions de classe: explicació de l’activitat per part del professor, recerca d’informació a través d’Internet, elaboració de les produccions dels alumnes (presentació o «wiki»), exposició dels resultats del treball i discussió en grup.

6) L’alumnat també va haver de treballar en grup fora de l’horari lectiu (a la biblioteca del centre o a casa seva) per acabar d’elaborar els treballs.

7) Es va aprofitar la realització d’aquestes activitats per treballar amb l’alumnat la preparació d’exposicions orals i quines característiques ha de tenir una bona presentació. El material de suport emprat pel professor es pot trobar a l’adreça http://www.slideshare.net/joseangelb7/com-fer-una-bona-presentacio 8) L’alumnat va utilitzar la pissarra digital de l’aula com a suport durant l’exposició dels seus treballs.

9) En l’avaluació de les activitats, es va tenir en compte la qualitat de la presentació o el «wiki» elaborats conjuntament, així com l’exposició oral realitzada per cada membre del grup.

10) Es va utilitzar el mòdul d’avaluació de Moodle per introduir les qualificacions dels treballs i per incorporar comentaris valorant la participació de cada alumne.

El «wiki» es va mostrar com una eina molt adient per a l’elaboració col·laborativa dels treballs. Cada grup d’alumnes pot disposar d’un «wiki» habilitat pel professor a la mateixa aula virtual de química. Tots els components de cada grup poden introduir les seves aportacions, que queden emmagatzemades. També poden consultar i, si escau, modificar les aportacions dels seus companys, de manera que el treball es va millorant progressivament

Figura 6. Un grup d’alumnes del primer curs del batxillerat exposa els resultats del seu treball davant els companys de classe amb el suport de la pissarra digital.

Consideracions finals

L’entorn Moodle presenta una sèrie d’importants avantatges que es poden aprofitar en la pràctica docent de qualsevol matèria. D’entre aquests avantatges, podem destacar els següents:

1) Permet al professor recopilar, seleccionar (sovint el problema d’Internet no és trobar informació, sinó destriar la més significativa) i posar a disposició de l’alumnat recursos digitals, informacions i materials en una mateixa plataforma accessible des de qualsevol ordinador connectat a Internet.

2) Facilita el treball a l’aula com a suport a les metodologies tradicionals (exposicions del professor, realització i correcció d’exercicis, suport a les pràctiques de laboratori, etc.) i també afavoreix la utilització de diverses estratègies didàctiques que possibiliten el desenvolupament d’altres competències de l’alumnat (autonomia i treball cooperatiu).

3) La utilització d’aquest entorn virtual no implica necessàriament que el professorat disposi d’uns coneixements gaire elevats

en l’ús de les TIC: n’hi ha prou amb el fet que el centre educatiu faciliti la plataforma i amb rebre una formació bàsica mitjançant una activitat formativa presencial o telemàtica.

4) Un altre aspecte a considerar és l’important estalvi en paper i en impressions que suposa treballar amb aquest entorn virtual, ja que la pràctica totalitat dels materials estan disponibles i s’intercanvien en format electrònic. Aquests aspectes econòmics i mediambientals no són menyspreables.

Referències bibliogràfiques

ADELL,J. (2004). «Internet en educación» [en línia]. Comunicación y pedagogía, 200, 25-28. <http://www.ceibal.edu.uy/ contenidos/areas_conocimiento/ aportes/adell.pdf >. [Consulta: febrer 2010]

ECO, U (2007). «¿De qué sirve el profesor?» [en línia]. La Nación Digital, 21 maig 2007. <http://www.lanacion.com.ar/ nota.asp?nota_id=910427>. [Consulta: febrer 2010]

PEÑA, I.; CÓRCOLES, C. P.; CASADO, C. (2006). «El Profesor 2.0: Docencia e investigación desde la red» [en línia]. UOC Papers, 3. <http://www.uoc.edu/uocpapers/ 3/dt/esp/pena_corcoles_casado. pdf>. [Consulta: febrer 2010]

Pàgines web

Portal web de la comunitat Moodle: <http://moodle.org/>. [Consulta: febrer 2010]

«Wiki» del «Projecte Horizon»: <http://horizon.nmc.org/wiki/ Main_Page>. [Consulta: febrer 2010]

«Wiki» del «Projecte eduCAT1_1» del Grup d’Innovació Oberta del Departament d’Educació de la Generalitat de Catalunya: <http://imae.wikispaces.com/>. [Consulta: febrer 2010]

Projecte «Àgora» de l’XTEC: <http://agora.xtec.cat/moodle/ moodle/>. [Consulta: febrer 2010]

Espai Moodle de l’Institut Badalona VII: <http://agora.xtec.cat/iesb7/moodle/>. [Consulta: 31 maig 2010]

Col·lecció de presentacions de l’autor a SlideShare: <http://www.slideshare.net/jose angelb7>. [Consulta: 31 maig 2010]

2009]

José Ángel Hernández Santadaría

és llicenciat en química, especialitat química analítica, per la Universitat de Barcelona i actualment imparteix classes com a professor de física i química a l’INS Badalona VII de Badalona, on també exerceix el càrrec de director des del curs 2005-2006. A. e. jherna24@xtec.cat.

Figura 7. Alumnes de batxillerat treballant amb recursos digitals a l’aula de ciències.

«El racó del color»: una aproximació a la interacció de la radiació electromagnètica amb la matèria

«Colour»: an approach to the interaction of electromagnetic radiation with matter

Ramon Bosque, Amparo Caubet, Jaume Granell, Lourdes Mestres i Miquel Seco / Universitat de Barcelona. Departament de Química Inorgànica

resum

L’objectiu d’aquesttreball pràctic de laboratori, dirigit als estudiants de batxillerat, és fer un estudi sobre els diferents tipus de radiació electromagnètica i observar alguns dels efectes que es produeixen en la seva interacció amb la matèria. Es fan alguns experiments amb tres tipus de radiacions diferents: infraroja (IR), visible (Vis) i ultraviolada (UV). A més,s’observa la coloració de la flama a causa de la presència de diferents cationsi es determina el contingut d’etanol d’unes mostres per colorimetria.

paraules clau

Color, radiació electromagnètica, assaig flama, colorimetria.

abstract

The goal of this laboratory experiment, which is aimed at high school students, is to study different types of electromagnetic radiation and to observe some of the effects that take place in its interaction with matter. These experiments are performed with three different kinds of radiation: infrared (IR), visible light (Vis) and ultraviolet radiation (UV). In addition,a flame colour testis presented to allow the identification of different ions, and students also determinethe ethanol content of some samples by using a colorimetric technique.

keywords

Colour, electromagneticradiation, flame test, colorimetric technique.

Introducció «El racó del color»és una pràctica dissenyada per ser realitzada pels estudiants de secundària que assisteixen a «Fem química al laboratori», una activitat docent organitzada per la Facultat de Química de la Universitat de Barcelona amb l’objectiu de potenciar en els estudiants de batxillerat l’interès per la ciència en general i pel

món de la química en particular. Es pretén contribuir a la formació de l’estudiant en el treball de laboratori, tot posant-li al seu abast els recursos dels laboratoris de la Facultat, i aprofitar l’activitat per informar i formar les noves generacions sobre els aspectes positius de la química i les seves repercussions en la vida quotidiana.

La radiació electromagnètica i la seva interacció amb la matèria L’objectiu d’aquesta experiència és fer un estudi sobre els diferents tipus de radiació electromagnètica i observar alguns dels efectes que produeix la seva interacció amb la matèria. La llum es pot descriure com una ona electromagnètica que consisteix en un camp elèctric que varia amb el temps i que

genera un camp magnètic perpendicular. Així,l’ona es propaga en l’espai generant indefinidament camps elèctrics i magnètics perpendiculars a la direcció de propagació.

Els paràmetres característics d’una ona són la velocitat (c), la freqüència (n), el període (T) i la longitud d’ona (l), els quals estan relacionats per les equacionssegüents:

Banda espectral Longitud d’ona/ m Freqüència/ Hz Energia/ J·mol-1

Raigs gamma 10-12 a 10-10 3·1020 a 3·1018 1,2·1011 a 1,2·109

Raigs X 10-10 a 10-8 3·1018 a

Ultraviolat

Llum visible 3,8·10-7 a 7,8·10-7 7,9·1014 a 4·1014 3,1·105 a 1,5·105

Infraroig 7,8·10-7 a 3·10-4 4·1014 a 1012 1,5·105 a 400

El conjunt de totes les radiacions és el que s’anomena espectre electromagnètic, el qual es mostra esquemàticament en la taula següent. S’ha dividit en els intervals més habituals, anomenats bandes espectrals (taula1).

Totes aquestes radiacions tenen aplicacions en el nostre entorn habitual. Nosaltres som emissors de radiació d’infraroig (IR) d’una longitud d’ona de 10-6 m a causa de la nostra temperatura corporal de 36-37 ºC. Aquesta radiació IR s’utilitza en els equips de visió nocturna quan la quantitat de llum visible és insuficient per veure els objectes: la radiació es rep i després es reflecteix en una pantalla; els objectes més calents es converteixen en els més lluminosos. La radiació IR s’utilitza també en els comandaments a distància,ja que així no interfereixen amb altres senyals electromagnètics com els senyals de televisió (que són ones de ràdio), i per comunicar a curta distancia els ordinadors amb els seus perifèrics. Altres aplicacions importants són la termografia, la soldadura o l’assecat de paper o aliments.

D’altra banda, si s’il·luminen alguns materials amb radiació ultraviolada, aquestsemeten radiació visible a causa del feno-

Taula 1. Les bandes espectrals de l’espectre electromagnètic.

men de la fluorescència. Aquesta propietat s’utilitza per autentificar antiguitats o bitllets de banc, així com per a l’estudi de diferents fluids corporals en la ciència forense.

La radiació visible comprèn longituds d’ona de 380 a 780 nm. La llum de cada una d’aquestes longituds d’ona es percep en el cervell humà com un color diferent.

Els colors primaris de la llum són el vermell, el verd i el blau. Hi ha aparells que combinen la

llum emesa per focus lluminosos d’aquests tres colors per tal de crear la sensació de colors diversos. La mescla additiva de vermell i verd dóna groc o taronja. La barreja de verd i blau dóna tons de color turquesa, i si es mescla vermell amb blau s’obtenen tons violeta i magenta. La barreja en proporcions iguals dels tres colors primaris dóna lloc al color blanc. Així, en funció de la longitud d’ona de la radiació que arriba als nostres ulls veurem els diferents colors (taula2).

Color Interval de longitud d’ona / nm Interval de freqüència / Hz

Verd ~ 520 a 565 nm ~ 5,8·1014 a 5,3·1014

Groc ~ 565 a 590 nm ~ 5,3·1014 a 5,1·1014 Hz

Taronja ~ 590 a 625 nm ~ 5,1·1014 a 4,8·1014 Hz

Vermell ~ 625 a 740 nm ~ 4,8·1014 a 4,0·1014 Hz

Taula 2. Els colors.

Procediment experimental

Tenim tres bombetes de la mateixa potencia (100 w) amb zones d’emissió diferents en l’espectre electromagnètic: infraroig (IR), visible (Vis) i ultraviolat (UV), de 254 nm.

1. Es col·loquen una peça d’alumini i un regle de plàstic sota de cada bombeta (a uns 20 cm de distància) i es mesura la temperatura de cada peça (figura 1). S’encenen els tres llums i es deixa que la radiació actuï sobre les peces. Després de 5 min es torna a mesurar la temperatura de cadascuna de les peces (es pot fer d’una manera qualitativa amb la mà).

Qüestions:

a) Quina llum escalfa més?

b) Aquesta radiació és la més energètica?

c) Les tres radiacions interaccionen igual amb la matèria?

2.S’agafen tres retoladors marcadors de color verd, taronja i blau. Es marquen tres paràgrafs d’una pàgina escrita i es decideix quin es veu més bé. Amb llum de dia,l’ull humà presenta la màxima sensibilitat a 555 nm,que correspon al color grocverdós. S’observa també el full sota els altres llums.

3.Es col·loca una placa de cromatografia (de tipus F254) sota el llum d’ultraviolat i s’observa què succeeix si es marca amb el dit.

4.Es col·loca sota el llum d’ultraviolat una solució etanòlica de fluoresceïna, una ampolla de tònica (figura 2), alguns bitllets de banc (figures 3 i 4) i,finalment,uns cristalls de (UO2)(NO3)2 (figura 5). Quins canvis es produeixen?

2. Acció de la radiació ultraviolada sobre una ampolla de tònica

3. Acció de la radiació ultraviolada sobre uns bitllets de banc.

Figura 4. Els mateixos bitllets de la figura 3 sota la radiació visible.

1. Experiments amb tres bombetes que presenten zones d’emissió diferents en l’espectre electromagnètic: infraroig (IR), visible (Vis) i ultraviolat (UV).

5. Acció de la radiació ultraviolada sobre uns cristalls de (UO2)(NO3)2

Figura

Figura

Figura

Figura

Nivells energètics dels àtoms i assaig a la flama

Si en la flama produïda per un Bunsen s’introdueix un fil metàl·lic (de platí o d’un aliatge de níquel i crom, anomenat Nicrom) impregnat amb una sal, la flama adquireix un color característic de l’element metàl·lic,que conté la sal i que pot permetre la seva identificació. La calor de la flama volatilitza la sal, la dissocia en àtoms, i una fracció dels àtoms metàl·lics és excitadaa causadel pas dels seus electrons de valència a nivells energètics superiors. En tornar els electrons al nivell energètic fonamental,emeten una radiació que és característica de cada element, la qual cosa dóna lloc a l’espectre d’emissió (figura 6). En els castells de focs s’utilitza aquesta propietat d’emetre llum de diferents colors quan es barreja la pólvora amb les sals metàl·liques corresponents.

Bec de Bunsen:instrument utilitzat en els laboratoris per escalfar. El cremador té una base pesada en la qual s’introdueix el subministrament de gas. D’allí parteix un tub vertical pel qual el gas flueix. A la base hi ha unes perforacions que permeten l’entrada d’aire en el flux de gas i que proporcionen una barreja inflamable a la sortida dels gasos a la part superior del tub,on es produeix la combustió (figura 7). La temperatura de la flama es pot controlar per l’ajust de la quantitat d’aire que entra per la base. Si la quantitat d’aire és alta, la temperatura també ho és (450 ºC a la base i 1200 ºC en el punt més alt del conus interior) i la flama es veu blava (figura 8, número 4). Si entra poc aire, la temperatura de la flama és inferior (250 ºC a la base i 900 ºC en el punt més alt) i la flama té un color taronjao groc (figura 8, número 1).

Figura 6. Espectre d’emissió, en la zona del visible, de diferents àtoms.

Figura 7. El bec de Bunsen.

Figura 8. Color de la flama en funció de l’entrada d’aire.

Procediment experimental

L’objectiu de l’experiència és observarla coloració de la flama causada per la presència de diferents cations i identificar una mostraproblema utilitzant aquesta tècnica.

Les observacions a la flama cal fer-les amb el fil metàl·lic perfectament net, per la qual cosa inicialment el posarem a la part baixa de la flama i comprovaremque no en varia el color (prova en blanc).

A continuació,s’introdueix l’extrem del fil metàl·lic a la solució aquosa de diferents sals metàl·liques i s’observa el color que es produeix quan aquestes solucions es porten a la flama. Es treballa amb solucions aquoses al’1 % dels clorurs de diferents metalls;finalment,es fa la mateixa prova amb una solució problema i,per comparació dels colors,s’identifica la mostra. Se suggereix de netejar el fil de platí amb una solució d’HCl concentrat abans de cada observació.

Qüestions:

a) Utilitzant la figura 6,indiqueu quin element té la línia d’emissió d’energia més baixa: el liti o el sodi?

b) Per què s’utilitza un fil de platí per fer l’assaig?

Nivells energètics de les molècules i aplicació de la colorimetria per a la realització de proves d’alcoholèmia

Els nivells energètics dels compostos d’un element són diferents entre ells i també respecte als de l’element lliure. Això explica, per exemple, que l’ió dicromat tingui un color diferent del crom(III) en solució aquosa.

Quan un feix de llum de l’energia adequada travessa una mostra, els electrons de la mostra s’exciten a nivells energètics superiors,tot absorbint radiació electromagnètica d’unes freqüències característiques. Per això la intensitat de llum que surt de la mostra és inferior a la que hi incideix. La mesura de la quantitat de llum transmesa (o absorbida) per la mostra es pot fer amb un colorímetre. A més,es pot relacionar el grau d’absorció de la mostra (l’absorbància) amb la concentració de la substància que absorbeix la radiació, segons la llei de Lambert-Beer.

Una de les maneres de determinar el contingut d’etanol en una mostra, de la qual es vol conèixer el contingut d’alcohol, és fer-la reaccionar amb dicromat de potassi. Aquesta reacció dóna lloc a la formació d’un compost de crom(III), de color blau fosc. A continuació, es fa una colorimetria que ens indicarà la quantitat de crom(III) present en el medi i que podem relacionar amb el contingut d’alcohol de la mostra, ja que es treballa amb un excés de dicromat de potassi. Aquesta mesura, en les condicions en les quals es realitza la pràctica, és semiquantitativa, i la reacció que té lloc és la següent:

K2Cr2O7 + 3CH3CH2OH + 4H2SO4 → 2CrK(SO4)2 + 3CH3CHO + 7H2O

El dicromat oxida l’etanol a etanal i les sals de plata catalitzen el procés.

En el decurs de la pràctica,es pot detectar l’olor a etanal. (Podeu veure el procediment experimental a la p.31.)

Es valora molt positivament l’interès que desperten els experiments en els estudiants, el fet que siguin unes pràctiques força participatives i que es relacioni l’experiència de laboratori amb fets i aplicacions que es poden trobar a la vida quotidiana

Conclusions

El conjunt d’experiències presentades en aquest article es va incorporar a les sessions de «Fem química al laboratori» el curs 2008-2009 i des de llavors les han realitzat uns dos mil sis-cents estudiants. El «Racó del color» ha rebut una molt bona valoració tant pels estudiants de batxillerat (4,0 sobre 5) com també pels professors (4,4 sobre 5), tal com indiquen les enquestes realitzades. Concretament es valora molt positivament l’interès que desperten els experiments en els estudiants, el fet que siguin unes pràctiques força participatives i que es relacioni l’experiència de laboratori amb fets i aplicacions que es poden trobar a la vida quotidiana.

Bibliografia

DRAGOJLOVIC, V.; JONES, R. F. (1999). «Flame tests using improvised alcohol burners». Journal of Chemical Education, 76:929-930. LANDIS, A. M.; DAVIES, M. I.; LANDIS, L.; THOMAS, N. C. (2009). «Magic eraser flame tests». Journal of Chemical Education, 86: 651-578. PRADA PÉREZDE AZPEITIA, F.I. de (2009). «El fuego como luminoso recurso didáctico». Educació Química (EduQ), 2: 11-15.

TREPTOW, R.S. (1974).

«Determination of alcohol in breath for law enforcement». Journal ofChemical Education, 51: 651-652.

Procediment experimental

• Es posen, en quatre erlenmeyers de 100 mL, 25 mLd’una solució que conté dicromat de potassi (5 g/L) i nitrat de plata (1 g/L) en àcid sulfúric/aigua 1 a3.

Atenció: l’àcid sulfúric és corrosiu i el dicromat de potassi és tòxic. En cas de contacte accidental amb els ulls o la pell, cal rentarse amb aigua abundant i consultar el metge.

• Es pren amb la pipeta 1 mL de cadascuna de les quatre solucions patrons (amb les concentracions d’etanol següents: 0,8, 1,6,2,4 i 3,2 g/100 mL, respectivament);s’afegeixena l’erlenmeyer corresponent;es manté l’agitació a temperatura ambient durant 20 min, i s’observa el color de les solucions.

• Se selecciona la longitud d’ona de 585 nm al colorímetre i es mesura el valor de l’absorbància corresponent. Cal fer les mesures des de la solució més diluïda fins a la més concentrada. Per fer la mesura,es neteja tres vegades el tub amb la nova solució a mesurar, s’omple fins a la marca corresponent,s’asseca bé l’exterior del tub i es col·loca al colorímetre de manera que la marca vertical del tub coincideixi amb la marca del colorímetre.

• Finalment,es fa un gràfic de l’absorbància enfront de la concentració d’etanol.

A la figura 9 es mostra (d’esquerra a dreta) el color resultant de la reacció, feta amb 46,2, 30,8, 15,4 i 7,7 g d’etanol/100 mLde quatre mostres que presenten unes concentracions deu vegades més elevades que les que s’utilizen a la pràctica per destacar els diferents colors que es poden observar en aquesta reacció.

La graduació alcohòlica s’expressa en graus i mesura el contingut d’etanol (en cm3) en 100 cm3 de mostra. Per això en 100 cm3 d’un vi de 13º hi ha 13 cm3 d’etanol o, si ho multipliquem per la densitat de l’etanol (0,8 g/cm3), 10,4 g d’etanol.

Gestió de residus: s’addicionen uns mil·lilitres d’etanol del 96% a cadascuna de les mostres, s’agiten uns segons i s’aboquen en el contenidor de residus corresponent.

9. Color resultant de la reacció.

Qüestions:

a) L’exactitud del procés augmenta si els erlenmeyers estan ben secs i si els 25 mLde la solució de dicromat de potassi es mesuren amb pipeta, en comptes de fer-ho amb proveta. Expliqueu aquest fet.

b) Proposeu, utilitzant la gràfica obtinguda, quin hauria de ser el valor de l’absorbància d’una mostra de cervesa de 4º, d’una de vi de 12º i d’una altra d’un licor de 40º, si considerem que per fer l’anàlisi les mostres s’han de diluir en una proporció 1 a10.

c) Una solució del producte final de crom(III) absorbirà el mateix en qualsevol longitud d’ona?

d) Busqueu la relació molar en cadascuna de les reaccions i verifiqueu quin és el reactiu limitant

Els autors són professors de la Facultat de Química de la Universitat de Barcelona. Els seus temes d’interès són la docència universitària en l’àrea de coneixement de la química inorgànica i la recerca en els camps següents: química inorgànica computacional (R.B.), química bioinorgànica (A.C.),

química organometàl·lica (J.G.), dendrimers i nanopartícules (M.S.) i química de l’estat sòlid (L.M.). A més, els autors són membres del grup d’innovació docent de la Universitat de Barcelona QISU (Química a la Interfase Secundària -Universitat),que és una via de relació entre la Facultat de

Química dela Universitat de Barcelona i els centres d’ensenyament secundari. En aquest context es dissenyen experiments i s’organitzen activitatsper tal d’augmentar la formació científica, en l’àmbit de la química, dels estudiants de secundària.

A.e. ramon.bosque@qi.ub.es, amparo.caubet@qi.ub.es, jaume.granell@qi.ub.es, lourdes.mestres@qi.ub.es, miquel.seco@qi.ub.es

Figura

Ramon Bosque Amparo Caubet Jaume Granell Lourdes Mestres Miquel Seco

El extintor como preventivo recurso didáctico

L’extintor com a preventiu recurs didàctic

A fire extinguisher as a pre-emptive teaching resource

Fernando Ignacio de Prada Pérez de Azpeitia / IES Las Lagunas de Rivas, Madrid

resumen

Uno de los accidentes más frecuentes que se producen en los laboratorios y en los hogares es el originado por el fuego. Para sofocar un conato de incendio existen extintores estratégicamente situados e identificados, pero ¿conocemos cuál es el tipo de extintor más adecuado para cada fuego?, ¿sabemos utilizarlocorrectamente? La difusión de las características de los extintores y la práctica de su uso adecuado conseguirán un entorno más seguro, a la vez que mostrarán la utilidad de las sustancias químicas en la vida cotidiana.

palabras clave

Extintor, agentes extintores, incendio.

resum

Un dels accidents més freqüents que es produeixen als laboratoris i a les llarsés el que s’originapel foc. Per sufocar un conat d’incendi existeixen extintors estratègicament situats i identificats, però sabem quin és el tipus d’extintor més adient per a cada foc?, els sabem utilitzar correctament? La difusió de les característiques dels extintors i la pràctica del seu correcte ús aconseguiran un entorn més segur, a la vegada que mostraran la utilitat de les substàncies químiques en la vida quotidiana.

paraules clau

Extintor, agents extintors, incendi.

abstract

Fire is the main cause of accidents,not only in laboratories,but also in homes. Every fire,during its initial stage,can be effectively controlled by using fire extinguishers properly. In fact, fire extinguishers are identified and strategically placed in order to control the fire. But, how do we know which kind of extinguisher is the most appropriate for each situation? Do we know how to use them correctly? Information about the different types of fire extinguishers and how to use them properly helps us to be safe and at the same time it shows us how useful some chemical substances are in our daily life.

keywords

Fire extinguisher,extinguishing agent, fire.

Educar para prevenir

Cualquier actividad que tenga relación con el fuego es un potencial foco de incendio. La mayoría de incendios que se producenpueden ser apagados con un extintor de mano. No obstante, es necesario saber el tipo de extintor que debemos usar en función de la clase de fuego de que se trate. Para ello, toda persona debe recibir una formación

básica sobre actuación en caso de incendio, de tal forma que le permita actuar correctamente en estas situaciones. Esta formación incluye prácticas de extinción de fuego controlado empleando los

mismos equipos de lucha contra incendios existentes en los edificios y aplicados a situaciones de emergencia simulada.

Desde el punto de vista didáctico, estos conocimientos pueden ser utilizados para desarrollar contenidos propios del currículo de ESO y bachillerato, incluyendo prácticas de extinción de fuegos simulados, tanto dentro del aula o del laboratorio como en el exterior.

Los principales objetivos que se proponen son tres:

– Adquirirlos conocimientos sobre los diferentes tipos de agentes extintores y su aplicación a distintas clases de fuego.

– Adquirir las habilidades sobre las técnicas de extinción de incendios mediante el uso y manejo de los extintores.

– Comprender la utilidad delos conocimientos científicos en la vida cotidiana.

Para conseguir estos objetivos, es recomendable que todos los profesores de química realicen un curso sobre capacitación en el manejo de extintores para personal perteneciente a las administraciones públicas, como,por ejemplo, el curso que imparten las Escuelas Nacionales de Protección Civil en colaboración con el Ministerio del Interior. De esta forma, los profesores se encargarán de transmitir la formación e información no sólo a estudiantes,sinotambién al resto de personal del centro (docente y no docente), con el fin de que estén debidamente preparados para actuar frente a conatos de incendio y, a la vez, que adquieran los conocimientos científicos necesarios para que su actuación resulte eficaz. De esta manera,se muestra la química como una ciencia básica y necesaria para todos los ciudadanos.

¿Qué es un extintor?

En términos generales, puede considerarse un extintor de incendios cualquier aparato o equipo capaz de extinguir un fuego. Se excluyen tanto las instalaciones fijas de extinción como las tomas de agua interna, o BIE (boca de incendio equipada), que se utilizan cuando la magnitud del incendio es tal que no puede controlarse y extinguirsemediante extintores portátiles. Según la Real Academia de la Lengua Española, el extintor es un «aparato para extinguir incendios, por lo común arrojando sobre el fuego un chorro de agua o de una mezcla que dificulta la combustión».Profundizando más en la definición, un extintor se compone de un recipiente portátil que contiene el agente extintor, un sistema de presurización, unos elementos que permiten iniciar, dirigir y cortar la proyección del agente extintor y,por último, unos dispositivos de seguridad. La necesidad de que estén presurizados los convierte en aparatos a presión con cierto riesgo al utilizarlos. Si a este riesgo unimos el desconocimiento general sobre estos aparatos, llegamos a la conclusión de que,cuando sea preciso utilizarlos, se corre el peligro de que resulten ineficaces

para la extinción,y su uso, un riesgo para la persona que los maneja.

Una de las asociaciones mundiales de mayor influencia sobre seguridad frente al fuego, la NFPA (National Fire Protection Association), afirma que«el que un extintor sea efectivo o no depende de quién lo utilice». En esta frase se refleja el importante papel de la intervención humana para que sea eficaz.

Para que el extintor constituya un medio de ayuda y no un peligro adicional, es fundamental que:

– Exista una familiarización con el aparato y un adiestramiento correcto para su manejo.

– Se conozca el extintor más adecuado para cada tipo de fuego.

– Se realicen revisiones periódicas que permitan su perfecto funcionamiento.

– Se diseñe con suficientes medidas de seguridad.

Partes del extintor

Los extintores están constituidos por varios elementos, algunos de los cualespodrán cambiar en función del agente extintor que contengan. Básicamente, están formados por los elementosque se citan a continuación y que se muestran en la figura 1.

Figura 1. Extintor didáctico y partes de un extintor.

– Cuerpo: recipiente metálico que contiene el agente extintor. Está constituido por un cilindro hueco de acero o aluminio que contiene el agente extintor e impulsor.

– Seguro de disparo: pasador metálico que bloquea la palanca de funcionamiento del extintor e impide el accionamiento involuntario del disparador. Debe estar precintado y extraerse antes de utilizarlo.

– Mecanismo disparador: es una palanca que,al accionarla, abre el depósito del agente impulsor, dejando que el gas se introduzca en el depósito del agente extintor presurizándolo y proyectándolo hacia el exterior.

– Manómetro: indica la presión del interior del extintor para su control visual.

– Manguera: tubo de goma terminado en una boquillaque permite dirigir y proyectar el agente extintor hacia el foco de fuego.

– Asa: elemento de agarre útil para poder transportar el extintor.

Etiquetado del extintor

Con el fin de proporcionar conocimiento sobre las prestaciones, limitaciones y estado del aparato, todos los extintores de incendio deben ir provistos de una placa de diseño y una etiqueta de características e instrucciones de uso.

La placa puede ser de latón, aluminio o acero inoxidable, y deberá resistir la acción de agentes externos, de modo que sean legibles todas sus indicaciones. Puede ser sustituida por las correspondientes inscripciones en la botella en el caso de que el extintor sea de dióxido de carbono.

La placa de diseño debe indicar:

– La presión máxima de servicio: presión interna del extintor, con todos sus orificios cerrados, en orden de funcionamiento y a 60ºC.

– Número de placa que se asigna individualmente a cada extintor.

– Fecha de la primera prueba a presión hidráulica y de las sucesivas.

La etiqueta debe ir fijada sobre el cuerpo del extintor, que en España debe ir pintado de rojo (excepto los de dióxido de carbono,que pueden ser de color gris perla o aluminio),e indicar las características principales del extintor,así como las instrucciones de uso.

1

Los extintores de incendios se pueden clasificar en función de unas características que definen y distinguen un extintor de incendios de otro, siendo las principales: movilidad, eficacia extintora, sistema de presurización y agente extintor

Realizar un dibujo esquemático del extintor indicando sus partes fundamentales. Comprobar el correcto etiquetado de los extintores(figura 2)y anotar la siguiente información:

– Tipo de agente extintor, carga nominal y eficacia para las clases de fuego para las que sea adecuado.

– Modo de empleo, que puede expresarse con pictogramas.

– Limitaciones de uso, referidas a temperatura máxima y mínima de uso, clases de fuego sobre los que no debe emplearse y comportamiento en presencia de tensión eléctrica.

– Identificación del agente extintor y aditivos, gas propulsor auxiliar (excepto en los de CO2), mención de la recarga obligatoria después de su uso y mantenimiento periódico.

– Nombre del fabricante y dirección completa.

2.

Comprobación del etiquetado de un extintor en el laboratorio.

Clasificación de los extintores

Los primeros extintores portátiles datan de principios del siglo XIX y consistían en botellas de cristal que contenían un ácido que, al romperse la botella, se mezclaba con una solución de sosa y,como consecuencia,se generaba una mezcla con la suficiente presión como para expulsar la solución. Este tipo de extintores ha dejado de usarse debido a la corrosividad del agente químico extintor.

Actividad

Figura

Los extintores de incendios se pueden clasificar en función de unas características que definen y distinguen un extintor de incendios de otro, siendo las principales: movilidad, eficacia extintora, sistema de presurización y agente extintor.

En función de su movilidad,se clasifican en portátiles y móviles, según la masa total del extintor sea menor o mayor a 20kg. Los móviles van montados sobre un armazón provisto de ruedas, lo que permite desplazarlos por el suelopor una sola persona.

La eficacia de un extintor indica la capacidad de extinción frente a las distintas clases de fuego. Viene expresada por un número seguido de una letra. La letra define la clase de fuego para la que se determina su eficacia (fuegos de clase A, B y C). El número define las dimensiones del mayor fuego que ha sido capaz de sofocar durante sus ensayos (según hogares tipo definidos por la norma UNE-23-110). Para los fuegos de tipo C, únicamente se evalúa si son «aptos»o «no aptos», esto es, el número sólo precederá a las letras A y B. Por ejemplo, si un extintor tiene inscrito el código: 21 A, 113 B, C, significa que es capaz de extinguir, según ensayos normalizados:

– Un fuego de clase A formado por un entramado de madera de 2,1m de longitud,según ensayo normalizado.

– Un fuego de clase B formado por 113 l de gasolina de aviación.

– Adecuado para apagar fuegos de clase C.

En función de su sistema de presurización, los extintores se clasifican en dos grupos: presión adosada y presión incorporada. Los de presión adosada contienen el agente extintor (líquido o sólido) en condiciones normales de presión y temperatura. La presión se consigue mediante un gas pro-

pelente contenido en un botellín que se descarga en el interior del extintor en el momento de ser utilizado.

La mayoría de los extintores actuales son de presión incorporada, que permanentemente están presurizados. En este grupo pueden incluirse:

– Extintores en los que el agente extintor es gaseoso y la elevada tensión de vapor que tiene le proporciona la suficiente presión para ser proyectado, como es el caso del dióxido de carbono.

– Extintores en los que el agente extintor es un líquido o un sólido pulverizado, cuya presión se consigue mediante un gas añadido (dióxido de carbono o nitrógeno).

En función de la naturaleza y la carga del agente extintor que contienen, básicamente se clasifican como:depolvo químico, dióxido de carbono, agua y espuma.

Normas de utilización de un extintor

Todas las personas deberían aprender a utilizar correctamente un extintor. Si no se encuentran capacitadaspara poder controlar un conato de incendio,nunca deben exponerse inútilmente. Un aprendizaje básico puede salvar nuestra vida y la de los demás. Por lo general, una persona que decida enfrentarse ante una situación de fuego incipiente, lo normal es que se encuentre nerviosa y no sepa cómo actuar. Para que la operación se resuelva con éxito, es conveniente seguir unas

pautas de carácter general, siendo la primera utilizar el extintor más próximo al incendio. A continuación, es útil recordar la regla nemotécnica, TAPE(tirar, apuntar, presionar, esparcir):

– Tirar de la clavija (después de quitar el precinto de seguridad) para desbloquear la palanca del extintor. Hacer un corto disparo de prueba para verificar el correcto funcionamiento (figura3).

– Apuntar la boquilla o manguera del extintor hacia la base de las llamas. Siempre que se pueda, nos colocaremos de espaldas al viento o a la corriente de aire, si el incendio se desarrolla en un espacio interior.

– Presionar la palanca para descargarel agente extintor y dirigirlo hacia la base del fuego.

Cuando no se dirija a las llamas, hay que interrumpir el disparo.

– Esparcir de un lado a otro,o de arriba abajo, según el incendio sea en horizontal o en vertical, hasta que se extingan totalmente las llamas.

Una vez que se haya utilizado el extintor, aunque sólo se haya empleado una pequeña parte del contenido, no se colgará en su sitio original y se deberá mandar a recargar(si bien en las prácticas didácticas un mismo extintor puede utilizarse para varios grupos de estudiantes, hasta que se descargue totalmente).

Cuando el fuego está fuera de control, debemos llamar al teléfono de emergencia (112), cerrar puertas y ventanas para que la ausencia de oxígeno ahogue el

Figura 3. Protocolo de utilización de un extintor.

fuego, colocar un extintor en la puerta de la sala donde se ha originado el incendio para indicar a los bomberos su origen, cortar el suministro de energía eléctrica con el interruptor general y salir del edificio. Si no se puede escapar, poner toallas mojadas alrededor de las puertas, para bloquear la entrada de humo, asomarse a la ventana y gritar para solicitar ayuda.

Extintores más utilizados

A. Polvo químico polivalente (ABC) Es el agente extintor más eficaz y por ello el más utilizado en la mayoría de extintores presentes en edificios públicos y particulares. Están constituidos porproductos químicos sólidos pulverizados, de composición y granulometría específica para la extinción de diferentes clases de fuego. Por lo general, contienen sales metálicas, en forma de fosfatos alcalinos (fosfato de monosodio)y sales amónicas (sulfato de amonio), a las que se añaden aditivos que mejoran las propiedades de la mezcla (antihumectantes, tensoactivos, antiapelmazantes, etc.). Actúa por asfixia (efecto físico),formando una costra de ácido metafosfórico que impide la llegada de oxígeno e inhibiendo la reacción en cadena (efecto químico) al inactivar los radicales libres necesarios para que se mantenga la combustión. Es un producto inocuo, no es abrasivo ni corrosivo, no es conductor de la electricidad (hasta 1000 V). Sus mayores inconvenientes son el bajo alcance de proyección y que al ser descargados en zonas cerradas dificultan la respiración y la visibilidad.

B. Dióxido de carbono Conocido también como gas carbónico, es un gas inerte, incoloro, inodoro, no corrosivo,un 50 % más denso que el aire y mal conductor de la electricidad, que es

Actividad 2

En una papelera del exterior, se coloca una lata que contenga una mezcla de agua y heptano al 50%. Se sitúa un extintor a varios metros de distancia. Para simular una situación real de fuego, se inicia la combustión con un mechero de gas. El alumno,siguiendo las indicaciones de uso, sofoca las llamas con el extintor. Una vez apagado el fuego, lo sitúa en su posición inicial, coloca el pasador de seguridad y otro alumno repite la experiencia;así hasta que todo el grupo realice la actividad. Un extintor de 6 kgpuede ser aprovechado por dos grupos de unos treinta alumnos(figura 4).

Figura 4. Práctica de extinción de fuego de tipo A.

Actividad 3

Se recoge un poco de polvo químico vertido por el extintor y se introduce en un tubo de ensayo. Durante unos minutos, se calienta con un mechero Bunsen para descomponer térmicamente el agente químico extintor (dihidrógeno fosfato de amonio) en ácido fosfórico y amoniaco, según la reacción: (NH4)H2PO4 → H3PO4 + NH3

Al colocar un trozo de papel pH humedecido en el extremo del tubo, se vuelve de color azul, comprobándose la presencia de amoniaco(figura 5). Con un cuentagotas, se añade agua al interior del tubo que contiene el residuo y se introduce otro trozo de papel pH; en este caso se aprecia un color rojo que sedebe a la formaciónde ácido fosfórico.

Figura 5. Descomposición térmica del dihidrógeno fosfato de amonio.

almacenado a presión en estado líquido. Actúa como agente sofocador al reducir la concentración de oxígeno y como enfriador al expandirse y proyectarse fuera del extintor:lo hace en forma de nieve carbónica,a una temperatura de -79 ºC.

Es eficaz contra fuegos de combustibles líquidos y en los originados en equipos electrónicos delicados o documentos de gran valor (obras de arte), ya que no les perjudica ni deja residuos.Es poco efectivo en fuegos al aire libre. Por su baja capacidad de penetración, es recomendable utilizar, en una segunda fase, agua o espuma para acabar con las brasas incandescentes.

C. El agua

El agua esel agente extintor por excelencia y el más utilizado a lo largo de la historia.Es considerado un elemento básico en toda extinción combinada. Puede proyectarse a chorro (sólo en fuegos de clase A) o pulverizada (en fuegos de clase A y B). En ambos casos, el agua incorpora un agente tensoactivo (humectante) para mejorar su acción extintora, penetrando sobre las brasasen fuegos de productos celulósicos (madera, papel, etc.).

Elagua actúa de diferentes formas: por enfriamiento del combustible, por sofocación, por dilución y por desplazamiento.La principal característica del agua es su gran capacidad de enfriamiento y de absorber calor durante su cambio de estado. Para transformar un gramo de agua a 0ºC en vapor de agua a 100ºC se necesitan 640 cal, 100 de las cuales se invierten en elevar la temperatura del agua de 0 ºC a 100 ºC, y el resto (540 cal) se consume exclusivamente en la formación de vapor de agua. Por tanto,en la formación de vapor por contacto del agua con el fuego se produce un enfriamiento

Actividad

4

Colocaruna fuente segura de fuego, comola llama de unmechero Bunsen, sobre una mesa. Situar un extintor de dióxido de carbono a unos metros de distancia de la llama. De uno en uno, todos los alumnos de la clase realizarán la práctica de extinción siguiendo las indicacionessobre su correcto uso. Cada vez que se extinga la llama, el profesor cerrará la llave del mechero y el alumno situará el extintor en su posición inicial, colocando el pasador, para volver a repetir la experiencia(figura 6).

Figura 6. Extinción de fuego con dióxido de carbono.

Actividad 5

Llenar un vaso de precipitados con el gas del extintor e introducir lentamente una cerilla larga. Al introducir poco a poco la llama de la cerilla, puede observarse como se va extinguiendo, comprobando el efecto asfixiante,y al subir la cerilla, la llama se volverá a avivar. Seguidamente, se introduce en el mismo vaso una pequeña bengala encendida para comprobarla ineficacia del dióxido de carbono en este caso, debido a que el oxígeno contenido en la bengala, proporcionado por el nitrato de potasio, mantiene la combustión sin necesidad del oxigeno atmosférico.

cinco veces mayor que el conseguido por el agua misma. Cuanto mayor sea la superficie de contacto con el fuego, más fácilmente puede vaporizarse y mayor será el enfriamiento que produzca;por esta razón,se recomienda el uso de agua pulverizada para aumentar su poder de extinción. Con el fin de mejorar su capacidad extintora, se le añaden aditivos como anticongelantes, humectantes y espesantes. No debe utilizarse en fuegos producidos en equipos electrónicos, ya que,al ser conductora en determinadas condiciones y ten-

siones, existe peligro de muerte por electrocución. Su uso es muy peligroso para intentar sofocar fuegos de tipo F, originados por aceites y grasas, ya que,al ser inmiscibles y menos densos que el agua, expanden el fuego en lugar de sofocarlo,pudiendo originar graves quemaduras.

D. Espuma extintora

La espuma extintora se puede definir como una masa constituida por un agregado de burbujas formada por agua y un agente emulsor, como, por ejemplo, el denominadoAFFF (aqueous film

Actividad 6

Encender una hoja de papel en el interior de un cubo metálico. Comprobar la facilidad con que seextinguen las llamas empleando un extintor, pulverizador osifón de agua.Ésta es una buena ocasión para analizar las propiedadesdel agua como agente extintor y su forma de actuación.

Actividad 7

Para simular con seguridad un fuego de aceite, se añade heptano (líquido menos denso que el agua e inmiscible) aunpequeño cazo con agua. A continuación,se enciende la mezcla y seintenta apagar el fuego,con precaución, mediante un chorro de agua. Una vez comprobada su ineficacia,y cómo se aviva el fuego en vez de apagarse(figura 7), se sofoca colocando, desde un lateral,una tapadera o pañosobre la superficie.

PRADA, F. Química aplicada a la seguridad: Agentes extintores de incendios. Madrid: Anales de la Real Sociedad Española de Química, 2009.

Manuales y revistas

Conoce el extintor. Madrid: Tecnifuego;AESP. Comité Sectorial de Extintores,2008. Entre todos, Madrid más seguro Madrid: Ayuntamiento de Madrid. Área de Gobierno de Seguridad y Servicios a la Comunidad, 2009.

Extintores portátiles. Barcelona: ANAF Group,2007. «Identificación y utilización de extintores de incendios». Vivir Educando, s/nº (mayo 2002): 26-27. «La prevención, el mejor extintor». Consumer, 108 (marzo 2007): 66-67.

Figura 7. Expansión de llamas al añadir agua a un fuego simulado de tipo F.

Manual de intervención contra incendios. Madrid: Centro de Formación en Seguridad Integral TEPESA,2008. Manual de prevención y actuación en edificios. Madrid: Ayuntamiento de Madrid.Área de Gobierno de Seguridad y Servicios a la Comunidad,2009.

Actividad 8

Sobre una bandeja metálica, derramar 10 ml de heptano. Encender el combustible con una cerilla. Utilizar un pequeño extintor de espumapara extinguir el fuego. Una vez apagadototalmente, añadir con un cuentagotas un poco más de combustible y encenderlo para comprobar el efecto de confinamiento del fuego porla espuma.

forming foam),compuesto de hidrocarburos fluorados. Actúa fundamentalmentepor sofocación, formando una capa aislante que separa el oxígeno del combustible. En menor medida, actúa por enfriamiento y por dilución, al contener una importante cantidad de agua. Su uso está especialmente indicado para los incendios producidos por derrames de líquidos inflamables en superficie horizontal.

Bibliografía

Libros

GUTIÉRREZ, E. Química inorgánica Barcelona: Reverté,1978. HERNANDO, C. Manual de formación de fuego. Madrid: Escuela de Protección Civil y Bomberos del Ayuntamiento de Madrid,2008. MARTÍNEZ, M. Manual de química para bomberos. Madrid: Escuela de Protección Civil y Bomberos del Ayuntamiento de Madrid,2008. PONS, V. Dinámica del fuego Valencia: Bullens,2003.

Fernando Ignacio de Prada Pérez de Azpeitia es jefe del Departamento de Física y Química del IES Las Lagunas de Rivas (Madrid).Es autor y coautor detrabajos, artículos y libros de texto de física y química. Ha sido galardonado en diversos certámenes de innovación didáctica nacionales ypremioFrancisco Ginerde los Ríos a la Mejora de la Calidad Educativa en las ediciones vigésimo segunda y vigésimo cuarta. C. e. fernando.pradaperez@educamadrid.org

Fer química

Making chemistry

Mercè Izquierdoi Montserrat Tortosa / Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Didàctica de les Ciències

Cristian Merino / Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. Instituto de Química

resum

Es presenta una experiència feta amb alumnat de tercer d’ESOde diferents instituts d’educació secundària de Catalunya en el marc de l’experiència innovadora anomenada «Campus Ítaca» de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), que té com a objectiu animar els estudiants a seguir els seus estudis. En aquest article,es presenta el taller de química que s’ofereix a aquests estudiants, en el qual es presenta un problema contextualitzat que els alumnes han de resoldre utilitzant coneixements químics. Els alumnes hi intervenen activament i,finalment,expliquen els resultats obtinguts en un informe de dues planes, tot combinant vinyetes, text i dibuixos. Les explicacions elaborades pels alumnes són diverses i mostren els diferents estils de participació en l’activitat i diferents resultats.

paraules clau

Contextualització en química, ESO, indagació al laboratori, química per a tothom

abstract

We present an experience done with secondary school students (15 year old students) coming from different secondary schools in Catalonia (Spain). Students participated in a chemistryworkshop, which was presented as a contextualized problem that they had to solve. Students were actively involved in looking for solutions, and testing them in the laboratory. Finally students wrote a two page report which included drawings, cartoons and texts. The results were diverse and demonstrated different styles of participation in the activity and also different results.

keywords

Chemistry in context, compulsory education, laboratory investigation, chemistry for all.

Introducció

A la nostra societat es produeixen canvis que ens afecten a tots els nivells, també en l’educatiu, i queens condueixen a paradoxes: en un món en el qual s’utilitzen més conceptes científics i tecnològics que mai, assistim a una davallada de l’interès per les ciències que fa que una part important de la ciutadania sigui analfabeta funcional en ciències; persones, per esmentar alguns exemples, que no entenen conceptes bàsics senzills sobre la seva salut i alimentació, que no saben què triar davant de reptes socials com ara quins

tipus d’energia cal que lessocietats utilitzin davant l’acabament de fonts tradicionals o que no tenen arguments per saber si estan a favor o no dels transgènics davant la fam mundial. Això ens planteja un repte important als professors de ciències,que intentem contribuir al fet que els nostres alumnes esdevinguin persones amb criteri per actuar d’una manera responsable en una societat democràtica, un objectiu difícil d’assolir si manca la competència científica bàsica.

La competència científica (OECD, 2006) és la capacitat d’utilitzar el

coneixement científic per identificar preguntes i obtenir conclusions a partir d’evidències, amb la finalitat de comprendre i ajudar a prendre decisions sobre el món natural i els canvis que l’activitat humana hi produeix. Diversos informes que han aparegut darrerament (Rocard, Csermely, Jorde, Lenzeni Hemmo 2007) recomanen l’aprenentatge per indagació. L’alumnat, guiat pel professorat,proposa la manera de solucionar situacions problemàtiques en contextos que li són propers i resol els entrebancs que es troba durant el procés; també ha de saber comunicar i donar raó de

les seves accions i dels resultats obtinguts.En resum,es fa seu el procés, el viu i hi intervé; desenvolupa així les diferents dimensions de la persona que el faran «competent»fent ciències a l’escola. Per tal de desenvolupar aquestes dimensions, cal tenir activitats d’aula en les quals els alumnes puguin intervenir i controlar i prendre decisions sobre els fenòmens que s’estan produint, i en les quals també adquireixin experiència en allò que aprenen.

Entre el professorat de ciències hi ha diverses opinions sobre què cal ensenyar. Una opinió arrelada és que no es pot menystenir ni la complexitat creixent del coneixement científic ni el fet que cal preparar l’alumnat per continuar aprenent al llarg de tota la seva vida per poder-se adaptar amb èxit als entorns laborals i socials futurs dels quals formarà part. Tot i així, un dels problemes principals amb el qual es troben els professors en ensenyar ciències a tothom és la poca motivació d’una part important de l’alumnat. Els llenguatges i els problemes de la ciència semblen estranys als qui no pensen dedicar-s’hi i, en conseqüència, els alumnes no

els incorporen; per tant, no aprenen ni senten motivació per ferho. Hi ha estudis (Jenkins i Nelson, 2005;Vázquez-Alonso, Acevedo-Díaz i Manassero, 2005) que ens diuen que, en diferents països,l’adolescència és una de les etapes en les quals els aprenents estan menys motivats per les ciències, i els joves estudiats esmenten que la causa principal d’aquesta desafecció és la seva experiència a les aules de ciències.

Davant aquesta situació, els ensenyants ens preguntem: com podem concretar aquestes teories a l’aula?, quines ciències hem d’ensenyar?, què podem fer, com a professors, per motivar tots els estudiants i animar-los a implicar-se en la feina?

Es va veient que cal que els alumnes puguin dur a terme una activitat científica específica en un ambient de classe comunicatiu i discursiu, en el qual participen l’experimentació, les representacions mentals que s’expressen amb models i els llenguatges amb els quals s’argumenta, s’escriu, s’interpreta, es recorda, s’explica, es pregunta, etc. (Izquierdo i Aliberas, 2004; Izquierdo, 2005). Segons aquest enfocament, la

Una de les maneres de dur a terme activitats que promoguin l’adquisició de competències és integrar la ciència a la realitat dels estudiants: presentar situacions interessants, problemàtiques, adequades als interessos dels aprenents, que es puguin resoldre amb idees científiques noves, que són les que cal aprendre

finalitat de qualsevol proposta docent és integrar la ciència a la realitat humana de l’aprenent a partir de preguntes que el motivin. Perquè la ciència sigui realment significativa per als alumnes, cal que aquests aportin al treball de l’aula la seva pròpia manera de veure el món, les seves raons i explicacions i la seva manera de dir les coses, perquè, tot evolucionant, puguin anar-se assemblant a les científiques. Els continguts a ensenyar han d’ordenar-se al voltant de nuclis temàtics o models teòrics, que són les idees bàsiques (poques i clares) que permeten diferenciar les interaccions, les entitats i la manera d’intervenir i controlar els diferents tipus de canvis que s’estudien en ciència: als éssers vius, als sistemes físics, als canvis químics, als materials, etc.

Una de les maneres de dur a terme activitats que promoguin l’adquisició de competències és integrar la ciència a la realitat dels estudiants: presentar situacions interessants, problemàtiques, adequades als interessos dels aprenents, que es puguin resoldre amb idees científiques noves,que són les que cal apren-

Figura 1. Alumnes intervenint experimentalment.

dre. Per tal de presentar els problemes o les situacions adequades per introduir aquestes idees bàsiques (que són difícils perquè requereixen transformar els fenòmens de cada dia en «fets ideals que segueixen les lleis de la química»:Fourez, 1988), es poden explicar històries, narracions de coses que passen, que incloguin episodis familiars en els quals es pugui intervenir i que puguin donar lloc a experiments en els quals s’identifiquin les variables i les relacions que generin, finalment,fets científics,que serviran de model per treballar en altres fenòmens similars.

Si volem que es visqui la ciència a l’aula, necessitem identificar o crear episodis en els quals puguem fer intervenir l’alumnat i que, en fer-ho, sorgeixin històries interessants en les quals pugui prendre part. La narració ha de permetre plantejar les preguntes següents: què tenim?, què fem?, què passa?, per què passa?, preguntes que connectin amb vivències de l’aprenent.En plantejarse-les, un determinat fenomen químic passa a formar part d’una experiència pròpia a partir de la qual, amb l’ajuda del professor i de la resta dels companys, podrà construir la interpretació científica del que està fent i veient.

Les explicacions narratives, que són tan pròpies de les etapes infantil i primària, poden ser molt útils en etapes posteriors, com la secundària i, en general, l’aprenentatge científic a qualsevol nivell. Aquestes explicacions no són com les dels llibres de text, que sovint parteixende casos ideals però no de la pregunta inicial que va permetre seleccionar-lo ni com calia arribar a interpretar-lo, o de situacions que queden llunyanes per a l’alumnat. Les narracions es refereixen a fenòmens reals, sempre complexos, que no tenen una resposta total i immediata però

generen l’interès per tornar-hi, per pensar-hi, per intervenir amb noves preguntes, amb nous instruments, sense haver de donar immediatament la interpretació definitiva. Tenim (tenen) molts anys per relacionar millor els conceptes, per argumentar millor, per intervenir amb més precisió. L’error, quan n’hi ha, es pot corregir i, junt amb la incertesa que estimula, és part de les històries i forma part de la història de la ciència de cadascun, tot i que no aparegui als llibres de text clàssics(Izquierdo, Merino, i AdúrizBravo, 2009).

Les històries i les narracions ofereixen ocasions de dialogar entre mons possibles (el real i l’imaginat) i, en fer-ho, de posar a prova les idees, buscar evidències, identificar entitats, allargar el temps de diàleg entre alumnes i mestres, tot permetent introduir els conceptes químics bàsics en relació amb situacions problemàtiques en les quals intervenen persones i en les quals cal prendre decisions.

Les històries permeten posar la ciència en context. Per exemple, relacionar-la amb la indústria i, per tant,amb l’economia, amb els processos de producció, que requereixen clients, control i la rendibilitat d’un producte ben fet; o referir-se a la tasca dels científics, que genera fenòmens als laboratoris que són, alhora, un

repte i un risc. Tot i això, no es pot aprendre a partir de qualsevol fenomen, perquè les ciències són una construcció elaborada a partir de regles de pensar molt específiques, i la ciència escolar també ha de tenir una estructura (de fer, pensar i comunicar) que faciliti el record i la transferència del que s’ha après.

La proposta del «Campus Ítaca» permet d’integrar moltes d’aquestes noves maneres d’entendre l’ensenyament. Ofereix als estudiants una nova manera de relacionar-se amb el coneixement, amb activitats que els donen mésprotagonismedel que les escoles permeten. I, efectivament, els alumnes l’aprofiten i, en general, treballen molt bé al llarg de la seva estada a la universitat is’ho passen bé.

Contexti contingut de l’experiència

El treball que presentem va ser dut a terme en el taller de química que té lloc dins del marc del «Campus Ítaca» (http://campusitaca.uab.cat/) de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB). Aquest Campus està destinat a estudiants de secundària (nois i noies de 15 anys que han acabat el tercer d’ESO) amb l’objectiu d’animar-los a continuar estudiant després d’acabar l’etapa de l’ensenyament secundari obligatori. Una de les activitats que hi

Figura 2. Alumnes elaborant l’informe-narració final.

fan els estudiants és un taller de química dissenyat per Mercè Izquierdo,coautora d’aquest escrit i del qual els tres firmants hem estat professors. El taller de química s’anomena «No ens deixem enganyar per l’aspecte dels materials» iestà plantejat com un joc de rol: al llarg de dues hores,els participants han de resoldre un problema i s’han de comportar com si fossin químics. El fet de posar-se la bata, les ulleres, recollir-se el cabell i situar-se en l’entorn «laboratori universitari»contribueix a generar l’ambientació prèvia necessària per emprendre una activitat nova i específica. Es comença amb una narració que forma part de la contextualització del problema que cal solucionar i que expliquen els tutors posant-hi més o menys anècdotes i detalls;en ella es planteja que un grup de persones està aïllat en una casa a la muntanya, les condicions meteorològiques adverses les mantenen retingudes, necessiten sal comuna per fer funcionar la potabilitzadora d’aigua i decideixen «ferne». Apareix, amb això, una primera ocasió per al debat intercalada en la història: podem tenir sal si s’evapora l’aigua del mar, però se’n pot «fer»? Per saber més coses de la sal, es recorda la fórmula NaCl, que tots els alumnes coneixen. Per tant, per fabricar la sal comuna mitjançant un canvi químic es necessitaran substàncies que continguin els elements que la formen...i que reaccionin entre elles de la manera adequada per als nostres interessos! La narració continua amb noves preguntes: podem trobar substàncies així en una casa aïllada?El grup d’amics obre un armariet sota l’escala on apareix un full de paper amb una llista: alcohol, aiguarràs, aigua destil·lada, guix, sosa (carbonat de sodi), sulfat de coure, salfumant-àcid clorhídric,

amoníac i uns pots amb líquids i sòlids, molt semblants als materials de neteja, adobs i altres que hi ha a la casa,que suposadament corresponen a la llista però que no tenen cap etiqueta (que descuidats que són els propietaris de la casa!). Un nou diàleg entre els alumnes i els tutors, intercalat en la narració, ens va donant la pista per començar a treballar: només ens podrien servir la sosa i el salfumant, que reaccionen entre si perquè l’un és àcid i l’altre és base.

En el taller s’estableix un diàleg continu entre els professors i tutors i els participants, i també entre els estudiants, a partir de les situacions problemàtiques que van sorgint durant la pràctica

Ara els alumnes, identificats ja amb el grup d’amics a la casa aïllada, es poden posar a treballar: han d’identificar les dues substàncies, fer-les reaccionar químicament i obtenir clorur de sodi «fiable». Un cop identificats els reactius (un terme introduït pels tutors per anomenar el salfumant i el carbonat de sodi, per tal de començar a pensar en la reacció química que es provocarà a continuació),els estudiants han d’aconseguir que desapareguin del tot les substàncies inicials per tal que la sal final sigui ben pura. Cal, per tant, controlar l’evolució de la reacció fins a la proporció estequiomètrica utilitzant coneixements sobre indicadors àcidbase i fent servir un indicador que s’ha obtingut a partir d’una col llombarda que suposadament havia portat un dels amics per preparar una amanida.

En el taller s’estableix un diàleg continu entre els professors i tutors i els participants,i també entre els estudiants, a partir de les situacions problemàtiques que van sorgint durant la pràctica. No cal dir la sorpresa que hi ha en veure el despreniment del gas, els canvis de color que es van produint al llarg del procés a mesura que afegeixen l’àcid al carbonat... i l’emoció quan aconsegueixen que ja no es desprengui gas i que la solució adquireixi el color que indica el punt final. I una certa decepció: on és la sal? Pensant-hi una mica, s’arriba a una bona proposta: la sal ha quedat dissolta, caldria evaporar l’aigua. Doncs fem-ho! Es porten algunes de les dissolucions al bany de sorra i,al cap de poc temps,apareix la sal. Les altres les deixem en un cristal·litzador i,així,el grup següent pot gaudir amb la bellesa dels cristalls de sal, ben diferents del carbonat de sodi que havien fet servir. A la part final del taller es demana als alumnes que, de manera individual, expliquin la història del que han estat fent a la sessió. A causa del poc temps de què es disposa (dues hores en total),se’ls demana que ho facin en format «còmic», tot combinant algunes de les vinyetes que nosaltres proporcionem (a les quals cal incorporar text escrit),que ells poden seleccionar al seu gust,amb d’altres que ells mateixos dibuixin o escriguin. Les vinyetes representen el context en el qual s’ha dut a terme l’activitat,peròels alumnes han d’afegir-hi la part científica. Els alumnes enganxen les vinyetes que han triat en un nou full de paper i, si ho volen,poden afegir noves vinyetes de construcció pròpia; creen així un nou text, una història que adquireix dinamisme a causa delque cadascun d’ells incorpora al guió.

La nostra recerca

En aquest estudi, encara incipient, hem analitzat les produccions dels participants per respondre les preguntes següents:

– A què donen més importància els alumnes: al context o a la part científica?

– Poden establir-se tipologies d’alumnes en funció de la seva coherència científica (si recorden les idees principals, si les argumenten d’una manera correcta) i de la seva creativitat narrativa?

També hem analitzat les valoracions que els participants fan del taller sobre la base de les respostes a una enquesta de resposta tancada que completen després de l’activitat.

Les dades recollides corresponen als informes elaborats pels estudiants que van participar a l’activitat l’estiu de 2008 (juny i juliol). Tal com ja hem dit, les edats dels participants foren 1415 anys; encada taller es va treballar amb un grup format per dotze nois i dotze noies provinents de cinquanta-quatre instituts diferents de Catalunya;hi van participar, en total, quatrecents trenta-dosalumnes.

Per a l’anàlisi de les produccions dels estudiants,s’han utilitzat les xarxes sistèmiques (Bliss, Monk i Orgbon, 1983). Aquests instruments d’investigació qualitativa permeten d’organitzar i analitzar les dades obtingudes d’acord amb categories que poden estar fixades prèviament o que van sorgint durant el procés.

Resultats

La sistematització de les dades ens ha portat a generar les dues xarxes, una referent als aspectes formals i una altra per a aspectes d’ordre semàntic, que es poden veure a les figures 3 i 4.

De l’anàlisi de la xarxa d’aspectes formals(figura 3) s’extreu que,per a l’elaboració de l’infor-

3.

sistèmica d’aspectes formals extreta a partir dels informes elaborats per alumnat de tercer d’ESO en acabar el taller.

4. Xarxa sistèmica d’aspectes semàntics extreta a partir dels informes elaborats per alumnat de tercer d’ESO en finalitzar el taller.

me,tots els estudiants recorren a introduir textos a les vinyetes (Merino, Izquierdo i Tortosa, 2007; Merino, Tortosa i Izquierdo, 2007).

D’aquesta manera,donen dinamisme i continuïtat a la «història»que estan explicant. La meitat de la mostra introdueix en el text termes que són rellevants des del punt de vista científic, és a dir, s’aprecia algun grau de domini del lèxic químic. Un nombre més reduït d’estudiants fa referència als «sentiments», és a

dir, dóna un major èmfasi a l’aventura narrada pel docent com a introducció a l’activitat.

Pel que fa a l’estil, hi ha una mescla entre discursos personals, academicistes i els que hem anomenat neutres. Entre els conceptes més esmentats,destaquen les propietats dels reactius buscats (bicarbonat de sodi i salfumant) i els canvis que més han sorprès els alumnes, com ara l’efervescència i els canvis de color de l’indicador de pH.

Figura

Xarxa

Figura

Recerca

A la segona xarxa (Merino i Tortosa, 2009) s’identifiquen nous elements de significat, la qual cosa ens ha permès de classificar les produccions dels estudiants en diverses categories:

1. Informes creatius: incorporen parts pròpies dels seus autors a la història. Trobem tres subcategoriesdins d’aquesta categoria:

1a) Informes creatius i científics. Les parts que s’afegeixen a la història estan relacionades amb el treball o amb conceptes científics, que s’utilitzen amb correcció.

1b) Informes creatius i científics amb errors conceptuals(figura 5).

1c) Informes creatius però no científics. Els alumnes incorporen a la seva explicació només aspectesrelacionats amb el context.

2. Informes que no són creatius:

2a) Informes no creatius però científics. Expliquen el taller com un informe de pràctiques clàssic. Deixen vinyetes sense diàleg (figura 6).

2b) Informes no creatius i no científics. Els alumnes escriuen molt poc a les vinyetes, hi introdueixen només expressions quotidianes d’ús general (figura 7).

Conclusions i implicacions didàctiques en l’ensenyament de la química

Estem satisfets del resultat del taller,perquè els estudiants gaudeixen i els agrada, tal com reflecteixen les enquestes finals. Molts d’ells és la primera vegada que tenen l’ocasió de «fer química»amb una certa autonomia i s’emporten a casa «la seva sal» amb una certa incredulitat barrejada amb satisfacció: no s’acaben de creure quel’hagin fet ells. I nosaltres també ens ho passem bé, perquè els introduïm auna feina que ens agrada: sintetitzar noves substàncies, identificar-les per les propietats o per la forma dels cristalls, controlar la reacció per arribar a tenir la substància

ben pura i sense perdre els reactius perquè es vessin o quedin sense reaccionar, entendre què passa i com és possible que desapareguin unes substàncies, que se’n formin de noves i es conservi la massa. Els informes dels alumnes ens fan veure les moltes maneres d’explicar allò que suposadament tots els alumnes han fet igual. Potser a causa del format que proposem,ens trobem amb dos grups diferenciats d’estudiants:

5. Producció classificada com a creativa amb errors.

6. Producció classificada com a no creativa però científica.

7. Producció classificada com a no creativa i no científica.

els creatius, que tot seguit saben què fer i tenen idees per combinar les vinyetes, i els no creatius, que demanen instruccions abans de posar-se a treballar i que no estan segurs de si ho fan bé o no. Aquests darrers no arriben a aprofitar la «llibertat d’expressió» que se’ls ofereix; alguns només descriuen les accions que han fet,

sense implicar-s’hi emocionalment, i d’altres gairebé no escriuen res. Els informes creatius, tal com hem vist, no sempre són correctes. Alguns prioritzen detalls que no són els fonamentals, o mantenen errors; d’altres són molt bons, perquè reconstrueixen el procés amb tota la frescor d’una experiència acabada de viure.

Figura

Figura

Figura

Creiem que els nostres resultats són una primera aproximació que ens ajuda a planificar millor la nova edició del taller que es produirà aquest estiu.Ens han de permetre d’entreveure de quina manera es pot canviar l’enfocament d’alguna part de l’activitat per aconseguir que més alumnes s’impliquin més en l’activitat química i s’animin a continuar estudiant ciències.

Una de les més arrelades es pot resumir de la manera següent: «Si les ciències són tan difícils d’ensenyar, cal que l’alumnat acabi l’etapa escolar amb les idees clares, encara que siguin poques».

Bibliografia

BLISS, J.;MONK, M.;ORGBON, J. (1983). Exploratory qualitative analysis for educational research Londres: Croom Helm.

FOUREZ, G. (1988). La construction des sciencies. Brussel·les: De Boeck-Wesmael.

IZQUIERDO, M. (2005). «Hacia una teoría de los contenidos escolares». Enseñanza de las Ciencias, 23(1): 111-122.

IZQUIERDO, M.;ALIBERAS, J. (2004). Pensar, actuar i parlar a la classe de ciències. Bellaterra: Universitat Autònoma de Barcelona. Servei de Publicacions.

IZQUIERDO, M.;MERINO, C.;ADÚRIZBRAVO, A. (2009). «Arguing from narrative fiction». A:CZERNIAK, C.; DUSCHL, R.; KYLE, W.; SONDERGELD, T. [ed.]. NARST Conference.Poster Symposium: Argumentation, epistemic operations and nature of science. Califòrnia: NARST, p. 74. JENKINS, E.;NELSON, N. (2005). «Important but not for me: Students’attitudes towards secondary science in England». Research in Science & Technological Education, 23: 41-58.

MERINO, C.;IZQUIERDO, M.;TORTOSA, M. (2007). Doing chemistry in a new context. 2nd European Variety

in Chemistry Education. Praga: Charles University. Faculty of Science, p. 285-289.

MERINO, C.;TORTOSA, M. (2009). «Narrar y hacer química en un nuevo contexto». Enseñanza de las Ciencias, núm.extra: VIII Congreso Internacional sobre Investigación en Didáctica de las Ciencias: 1964-1966.

MERINO, C.;TORTOSA, M.;IZQUIERDO, M. (2007). Hacer química en un nuevo contexto. Jornadas de Enseñanza de la Química: Química, vida y progreso. Múrcia: ANQUE, p. 7.

OECD(2006). PISA 2006. Marco de la evaluación. Conocimientos y habilidades en ciencias, matemáticas y lectura. Madrid: Santillana.

ROCARD, M.;CSERMELY, P.; JORDE, D.; LENZEN, D. H. W.; HEMMO, V. (2007). Science education NOW: A renewed pedagogy for the future of Europe. Luxemburg: Office for Official Publications of the European Communities.

VÁZQUEZ-ALONSO, A.; ACEVEDO-DÍAZ, J.; MANASSERO, M. A. (2005). «Más allá de la enseñanza de las ciencias para científicos: Hacia una educación científica humanística». Revista Electrónica de Enseñanza de las Ciencias, 4(2): 1-30.

grames de formació de professors en actiu i en projectes de recerca en col·laboració amb universitats de l'Estat espanyol i de l’Amèrica

Llatina. És codirectora de la revista Enseñanza de las Ciencias

A. e. merce.izquierdo@uab.es.

Mercè Izquierdo Aymerich és doctora en ciències (química). És catedràtica de didàctica de les ciències a la UAB, on ha fet classes de química, història de la química i didàctica de les ciències. La seva recerca es dedica de manera específica al llenguatge i als aspectes històrics i epistemològics que tenen influència en l'ensenyament de la química. Ha dirigit tesis doctorals en didàctica de la ciència i ha participat en pro-

Cristian Merino Rubilar és llicenciat en ciències de l’educació i professor de química i ciències naturals. Va obtenir el doctorat per la UAB, especialitat didàctica de les ciències experimentals, l’any 2009. Actualment és professor associat de l’Instituto de Química de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. Els seus interessos de recerca i formació estan relacionats amb el treball experimental i l’ensenyament de la química com a procés de modelització a l’educació secundària

A. e. cristian.merino@ucv.cl

Montserrat Tortosa Moreno és catedràtica de física i química de l’institut Ferran Casablancas de Sabadell, i profesora associada de la Facultat de Ciències de l’Educació de la UAB. Llicenciada en ciències químiques (1982) i biològiques (1988) per la UAB, i doctora en química (2001) per la UPC. Va ser professora associada de química a la UPC (1990-2005). Des del 2005 és investigadora del Centre de Recerca per a l’Educació Científica i Matemàtica (UAB).

A. e. mtortosa@xtec.cat.

Safety issues in Polish chemistry textbooks

Aspectes de seguretat en els llibres de text de química polonesos

IwonaMaciejowska / Jagiellonian University, Faculty of Chemistry, Poland abstract

In this article, we analyze textbooks in regard to safety within the chemistry laboratory. Successful laboratory work requires the fulfillment of safety conditions that protect students. Teachers rely on textbooks and so we looked at six upper secondary level textbooks. We examined the number and type of experiments included in the books and also to the degree safety instructions were refered to in school experiments. Teacher´s guidebooks and expert reviews were also evaluated.

keywords

Safety in chemical laboratory, textbook analysis, research, expert review.

resum

En aquest article s’analitzen llibres de text des del punt de vista de la seguretat al laboratori. Per dur a terme el treball experimental amb èxit, és necessari el compliment de les condicions de seguretat que protegeixen els estudiants. El professorat es basa en els llibres de text; per aquest motiu s’han analitzat sis llibres de text de química de batxillerat. S’han examinatsobre la base del nombre i tipus d’experiments i del nivell d’instruccions de seguretat en relació amb les pràctiques escolars. També s’han avaluat les guies del professor i informes d’experts.

paraules clau

Seguretat en el laboratori de química, anàlisis de llibres de text, informes d’experts.

Introduction

Investigations involving practical work are essential in thinking activities (Watson 1998): experimentation is the basis of chemistry teaching and learning. It is also obvious that the laboratory plays a major role in the education of scientists (Bound 1986). A crucial requirement of successful laboratory work is the fulfillment of safety conditions which protect students. To achieve this, teachers need support in the form of different kinds of curricular materials and training, for

example, books and video clips. In Northern European countries, teachers have access to excellent safety guide-books and handouts (UK - ASE 1996, 2001a, 2001b Germany - Richtlinien 1995, Sweden – Helleberg 2002 etc.) which are provided by the government or teachers’ associations. That kind of information is also included in the students’ textbooks.

Background and aims

Since its accession to the European Union in 2004, Poland

has ahered to the EU directives for safety in chemical laboratories.

Teachers had to introduce changes in laboratories and in the curricula, through the necessity of familiarizing the students with International Chemical Safety Cards. This was something new for teachers, because there had been no previous opportunity to learn about this during the teacher training. Nowadays, they have to acquire this knowledge on their.

Because of a lack of time, skills and research instruments, teachers often have problems to choosing the best textbook. Teachers need to be aware of the problems and limitations of their chosen textbook

The most easily available curricular materialsfor teachers are textbooks and teacher’s books, many teachers rely on these books, especially when they are novices or are teaching outside their main area of study. There are collections of experiments which were published in the 1970s, and also some translated books, however, textbooks remain the principle source of information for teachers. We decided to analyze Polish textbooks and guides by focusing on safety within the laboratory.

Analysis of textbooks is a popular research area(Bakonis, 1998; Clément 2005, 2008, Koulaidis, 2004; Pingel, 1999; Weinbrenner, 1992), especially when they are teaching outside their area of expertise (Stern & Roseman, 2004). Macro and micro-analysis are applied, as well as qualitative and quantitative approaches. Conferences or seminars are devoted this research e.g. IOSTE International Meeting ‘Critical Analysis of School Science textbooks’, Tunisia, 7-10 February 2007 or ‘The Past and Future of Chemistry textbooks’ 9th ECRICE, Istanbul, 6-9 July 2008.

Existing textbook analyses focus on the evaluation of content in relation to scientific disciplines, and to educational goals i.e. whether it is correct, complete, comprehensible, etc. (Snyder & Broadway, 2004; Stern

& Roseman, 2004). Besides this, the contents of textbooks are analysed using the KVP scheme: K –scientific knowledge, V –values as ideologies, philosophies or ethics, –the social practices of the authors and publishers of the textbooks as well as that of the teachers (Clément, 2006).

Research on chemistry textbooks is quite rare in Poland, although this kind of analysis could prove very useful for teachers, who have to choose from 16 textbooks for secondary level. Because of a lack of time, skills and research instruments, teachers often have problems to choosing the best textbook. Teachers need to be aware of the problems and limitations of their chosen textbook. As a large part of the textbook is taken up by illustrations, teachers need to be aware of the impact the images will have on students.(Cook, 2008).

As there are no Polish language journals, which publishes reuslts of research, any research would have to be published in English, which can be problematic for those teachers who can’t understand English. In spite of the official reviewing process, textbooks still contain many misconceptions (Reizer & Stopa 2004). Therefore, the Polish Academy of Arts and Sciences (PAU) decided on a special commission to prepare the list of textbooks which are recommended to schools. This was followed by the publication of reviews done by members

of PAU: usually 2 reviews for every investigated textbook(PAU 2006).

Methodology

Textbooks were analyzed in order to determine the chemical safety problems in school laboratories. Other types of documents were analyzed in order to reflect the authors’ opinions about the importance of health and safety issues in chemistry learning.

Three types of documents were investigated:

• Basic/direct documentschemistry textbooks published between 2004- 2007.

• Indirect documents - corresponding guides for teachers.

• Opinion forming /Consultative Documents - PAU reviews.

Descriptive and comparative studies were done according to the methodology described Lobocki 2006, Pilch 1995, and Skrzypczak 2003

• Both text and graphicmaterial were investigated.

• Content analysis techniques were applied.

• Interpretation of documentation in consideration of the above mentioned research problems was carried out

A) Textbooks

In the first stage of research we chose six chemistry textbooks designed for upper secondary level students, which had been previously reviewed by PAU (see table 1, and fig.1).

Table 1. List

The following research questions were asked:

• How important is laboratory work in a didactic process from the author point of view? The answers were based on the number of experiments

• How important is students’ laboratory work in a didactic process from the author point of view? The answers were based on a comparison of the number of the experiments proposed for teachers, demonstrations, and those for students

• How is laboratory work presented in the textbook:

- Which experiments were selected for presentation and how did it affect their description in the textbook.

- What is the scope of the chemical safety issue introduced in the textbook (labeling, pictograms, R and S phrases, International Chemical Safety Cards (MSDS), safety rules etc.)? – in thetext and in the graphic material (pictures, drawings, photos)

- Was the description of the experiment presented in the book done properly? The answer was based on assessment of the condition of experiments, cautions/warnings - information about chemical hazards, personal

protective equipment, disposal of chemical waste, safety of basic chemical operations etc.

B) Guidebooks for teachers

Six teachers guides were investigated. The following research question were asked: ‘How important is laboratory work in a didactic process from the author’s point of view?’. The answer was based on the number of experiments mentioned there, number of experiments described from a safety point of view, and the presence of general safety remarks.

How is laboratory work presented in the textbook:

Which experiments were selected for presentation and how did it affect their description in the textbook.

What is the scope of the chemical safety issue introduced in the textbook

C) Reviews of chemistry textbooks

PAU has published eleven reviews of the six textbooks of chemistry for students of upper secondary school. Those reviews were investigated.

The following research questions have been asked: How important is laboratory work in a didactic process from the reviewer’s point of view? –the answer was based on the number of remarks concerning laboratory work

Quality of reviews – the answer was based on the nature of criticism: both positive and negative comments

Results and conclusions

Results show that, generally speaking, there are two main approaches in the way of selection of experiments proposed for textbooks:

1. Only safe experiments are suggested, since their description does not require (in the authors’ opinion) emphasis on potential hazards, as a negative image of chemistry could be created(textbook 1 and 2).

2. Potentially hazardous experiments are also suggested, however the descriptions contain very

Fig. 1 Examples of textbook covers.

detailed instructions to the way the experiments should be carried out (textbooks: 3, 4, 5 and the corresponding guidebooks), or with limited description (textbook 6). It is thought that ‘dangerous’ activities might generate the idea that chemistry, while having possible hazards, can be fascinating.

In our research we found that Polish researcher and teachers who are authors of chemistry textbooks, or their reviewers, don’t have similar opinions.

A) Comparison of chemistry textbooks

Specific results are shown in Table 2.All of the investigated textbooks proposed a similar numbers of experiments. A percentageof the suggested experiments for independent student practice is also explained, and demonstrates a direct relation to their degree of complexity (sim-

pler experiments are more often suggested for independent rendition) which appears to be an obvious fact.The following methodological aspects are linked to these issues:

• The more complicated the experiments, the more difficult they are for inexperienced students to do. Because of this,they can take up too much valuable classroom time This can, in turn, increase the possibility of an accident.These experiments should be demonstrated by a teacher, though independent student activities are considered to be very valuable and the activities of students during experiment demonstrations are considerably decreased.

• More complicated experiments are much more interesting to student as they reflect more accurately real life possibilities.

Text analysis

There is no separate chapter in the majority of textbooks pertaining to the safety rules in the laboratory. Similarly, there is no information about MSDS nor about the labeling of chemical substances. The last issue can easily be explained: it transpires that textbooks have a considerably long production cycle, and as the requirement to use MSDS in the Polish pre-university education systemwas only introduced while these textbooks were in development. It also requires an “induction” period to allow to authors digest possible new ideas to be included in these textbooks (Fig. 2).

A considerable difference exists in the degree of complexity and perplexity of proposed experiments,and of the required equipment (in particular, between textbooks 2 and 3). The authors of the

of chemical waste

Table 2. Analysis of the textbooks’ content.

textbooks which contained descriptions of more difficult experiments placed much more emphasis on precise descriptions, and added full photographic documentation which enabled students to become acquainted with particular stages of the experiments and their results, even if there was no possibility to conduct those experiments at school.

Descriptions of chemical experiments are not always correct (see example with methanalTable 2).

A lack of recommendations to use personal protection equipment, such as gloves, in some textbooks, are becoming more and more popular, even in the Eastern and Middle Europe households. This confirms the outdated approach of the authors of certain textbooks. This situation calls for a change. A teacher who experiments with concentrated acids, bases, or bromine water solutions, etc. should use personal protective equipment and the students must be accustomed to handling potentially dangerous substances.

The disposal of chemical wastes remains a neglected subject in textbooks. On the one hand, when dealing with less hazardous and diluted substances, special attention should be paid to heavy metal salt solutions, halogens, organic solvents, and chlorine derivatives of hydrocarbons.

On the other hand these problems could not be solved in actual schoolenvironments in Poland. This is reflected in the contents of the textbooks.

The disposal of chemical wastes remains a neglected subject in textbooks. Special attention should be paid to heavy metal salt solutions, halogens, organic solvents, and chlorine derivatives of hydrocarbons

Example of incorrect representation

Iconographic Analysis

The errors (incorrect representation) in drawings, pictures and photos are worrisome for various reasons, such as:

• A misunderstood approach to saving on space (Editor’s decision?): Two process stages are combined in one illustration while in reality they take place at different locations and times. For example, a flaming evaporating dish is placed underneath a cooler one which apparently represents distillation and ignition of one of the products after the process is complete (see fig.4).

• Negligence (?) — A picture showings diesel fuel being heated with an open flame, while on the previous page of the same textbook a heating jacket is used for crude oil distillation (see fig.5).

Fig.4.

Fig.2. Short introduction of safety issues.

Fig. 3. Example on showing use of personal protection equipment

In some textbooks, individuals who are conducting experiments are not wearing any protective equipment. Therefore this scenario must be considered in the following two ways:

• One idea is that the drawings and photos are simplified (see fig.6), and some details, for example a rendition of hand, do not distract the students, but rather allows themto concentrate on the most important issue. Which is chemical reaction

• On the other hand these kinds of drawings confirm their distance from reality, as the experiments are not carried out by themselves, and written instructions (for example, always wear gloves when you handle concentrated acid solutions) are not as effective as a visual image. Likewise, the same may apply to photographs which show students in their usual clothing (textbook 6, see fig.7)) or in the laboratory coats.

• A student wearing a laboratory coat is unusual in Polish schools (apart from in the cases of professional education or extra-curricular activities), therefore this photograph could be construed as something unreal

and distant from everyday school life

• Conversely, it seems that the photographs shown in a textbook should illustrate good laboratory practice, even though it may not be fully achieved it still serves as a good example.

Not all textbooks depict bottled substances, used in experiments, depicted in drawings or photos. Even if they are shown, they aren't properly labeled, with the exception of very new products (see fig.8).

On the other hand these kinds of drawings confirm their distance from reality, as the experiments are not carried out by themselves, and written instructions are not as effective as a visual image

Fig. 8. Packing of chemical substances.

Fig. 6. Examples of simplified pictures Cl2, Br2, I2, acid and base, burning of phosphorus.

Recerca

Fig. 5. Example of incorrect representation p. 2.

Fig. 7. Student presents proper way of smelling chemical substances.

B) Comparison of guidebooks for teachers

Guidebooks can be very different (see table 3). A lack of guidance regarding safety remarks in some of the guidebooks is surprising when:

• Performing experiments is obligatory in the curriculum,

• Selection and description of an experiment is an obligatory task during the final examination.

C) Comparison of chemistry textbooks reviews

The review of chemistry textbooks by experts of PAU, contains 124 pages with a maximum of 41 lines on each page (total 5084 lines). Chemical safety issues are described on only 35 lines, which equates to 0.69 % of the total. This may suggest that:

• Safety issues are well described in textbooks,

• Reviewers do not find chemical safety issues important.

In the books that were looked at, we have shown that the experiments weren’t sufficiently described, and that the reviewer’s hadn’t placed enough emphasis on these issues.

Some of the reviews contradict each other (see table 4). This could be caused by the different levels of experience that the reviewers have had in an actual classroom.

There are also some controversial and puzzling statements in the reviews:

“A necessity to wear protective rubber gloves is mentioned within a description of experiment to be conducted by the teacher — but the teacher should already know about it themselves.” It appears that there cannot be sufficient warnings, in particular, if a number of chemistry teachers who had graduated from different faculties who had never had an opportunity to work in a

Guide Number of experiments mentioned Number of experiments described including safety issues

Guide 1 16

Guide 2 0

5

General remarks regarding safety issues

Safety goggles as a part of laboratory equipment

0 No mention of safety requirements for chemical experiments

Guide 3 99(basic) 99(basic) each experiment from corresponding textbook

Safety rules for carrying out experiments, emergency procedures, first aid kid

Guide 4 100 100, see above Nothing more

Guide 5 33 33, see above Nothing more

Guide 6 0 0 Fulfillment of legal regulations, final examination

3. Comparison of guidebooks for teachers.

Reviewer Textbook Advantages of particular textbook Disadvantages and other remarks

Reviewer III Textbook 3 Many interesting and informative experiments, clear distinctive demonstrations and warnings on experiments ensured fulfillment of safety rules, general rules are described at the beginning of textbook.

Some of the experiments are too dangerous for students, especially in the schools which do not have properly equipped labs. Solvent evaporation using open fires. Lack of information about waste disposal. Better to use Mg than Na and Ca in the experiment with oxygen. Production of HCl(g) should be done using an exhaust. S + H2 too dangerous an experiment.

Reviewer II Textbook 3 Many experiments, proper selection, experiments possible to conduct in a poor school lab.

Table 4. Comparison of reviewer opinions.

Dangerous experiments: dissolving of gaseous HCl in water in order to obtain hydrochloric acid. The source of white phosphorus is not provided.

There is lack of guidance regarding safety remarks in some of the guidebooks

In the books that were looked at, we have shown that the experiments weren’t sufficiently described, and that the reviewer’s hadn’t placed enough emphasis on these issues

There are also some controversial and puzzling statements in the reviews

Table

chemistry laboratory to a sufficient level of experience. Of the fifty-three chemistry teachers who took part in in-service teacher training at the Faculty of Chemistry at the Jagielonian University in 2007, fifty were biology graduates and only 3 teachers were chemistry graduates

“... only the dose is the deciding factor to influence physiological process in the living organism”— quote from textbook. “That is not true — since the type of chemical compound is a factor here”quote from review. In this particular case, that textbook statement should be accepted as true (for example: excess of pure water could be harmful to human body) — although there are some substances with various concentrations which may potentially cause a possible hazard, for example, NaCl compound does not show allocations of R and S phrases, although a single dose of about 21 g for an adult weighing approximately 70 kg may be fatal (Toksykologia, 2005).

Recommendations

One of the fundamental questions, a researcher should ask is whether the undertaken research is useful and will contribute to improvements of the existing situation. For this reason, the research described above leads to the following recommendations for textbook authors and reviewers.

Textbooks

1. The selection of experiments recommended for teachers and students, and the methodology of descriptions always requires indepth consideration of the number of experiments, the degree of difficulty, the degree risk, etc.

2. The reason why, in the majority of textbooks, there isn't a separate chapter describing the mandatory safety rules in a chemistry laboratory should be investi-

gated to stop the situation continuing. The absence of this chapter in majority of textbooks and lack of information pertaining to the MSDS, should both be properly revised in future editions.

3. A recommendation to use personal protective equipment should be introduced even in cases of relatively safe experiments.

4. Information about waste disposal methods should be introduced, at least, in teacher’s guidebooks.

5. Illustrations used in textbooks require full consideration, in order to achieve a balance between the simplicity of drawing and its usefulness, as well as the relationship between the realiza-

Illustrations used in textbooks require full consideration, in order to achieve a balance between the simplicity of drawing and its usefulness, as well as the relationship between the realization of the experiment and good laboratory practices

tion of the experiment and good laboratory practices. Only properly labeled bottles should be shown. The conclusions of textbook editors must not lead to errors in the laboratory.

Guidebooks

Teacher guidebooks should put more emphasis on safety issues, which remain new and difficult for teachers. As these issues are of the utmost importance for a teacher student safety is the paramount objective.

Recently published textbooks for lower secondary education have shown an improvement in safety issues in the laboratory. 2011 will see the publication of new textbooks for the first year of upper secondary education. I hope that this improvement will continues (fig 9).

References

ASE (1996). Safeguards in the School Laboratory. 10th ed. — (2001a). Be Safe! Health and safety in primary school science and technology. 3rd ed.

— (2001b). Topics in Safety. 3rd ed. BAKONIS, E. (1998). «Analysis of textbooks: Theory and practice». VTIC.Newsletter/Textbook Research and Information Centre for the Baltic Countries, 1: 8-9.

Fig. 9. Personal protective equipment presented in a new edition of a textbook published in 2009.

Recerca

BOUND, D. (1986). Teaching in Laboratories. Buckingham: SHRE; Open University Press.

CLÉMENT, P. (2006). Didactic transposition and the KVP model: Conceptions as interactions between scientific knowledge, values and social practices. Braga: ESERA Summer School; IEC; Braga Univ do Minho, p. 9-18. —(2008). «Introduction to the Special Issue of SEI:Relating to Critical Analysis of School Science Textbooks». Science Educational International, 19(2).

CLÉMENT, P.; BERNARD,S.; QUESSADA, M.P.; ROGERS,C.; BRUGUIÈRE,C. (2005). «Different theoretical backgrounds for differentdidactical analyses of biology school textbooks». In: Proceedings of the Fifth International Conference on Contributions of Research to Enhancing Students’Interests in Learning Science.Barcelona, p. 1253-1256.

COOK, M. (2008). «Students’ Comprehension of Science Concepts Depicted in Textbook Illustrations». Electronic Journal of Science Education, 12: 1-14.

HELLEBERG, A. [ed.] (2002). Kemikalier i skolan Arbeitsmiljoverket.

KOULAIDIS, V. (2004). «Towards a Framework of School Textbooks’: Analysis». In: 7th European Conference on Research in Chemical Education.Programme and Abstracts. Ljubljana, p.32-33.

LOBOCKI, M. (2006). Metody i techniki badan pedagogicznych.Warszawa: IMPULS.

PAU (2006). Prace Komisji do oceny podrecznikow szkolnych. Krakow: Polska Akademia Umiejetnosci, p. 387–491.

PILCH, T. (1995). Zasady badan pedagogicznych.Warszawa: Wydawnictwo”Zak”.

PINGEL, F. (1999). UNESCO Guidebook on Textbook Research and Textbook Revision. Hannover: Verlag Hahnsche Buchhandlung, p.9-11.

REIZER, A.; STOPA, G. (2004). Chemia w Szkole. Warszawa: WSiP, p.51-61 Richtlinien zur Sicherheit im naturwissenschaftlichen Unterricht (1995).BAGUV.

SKRZYPCZAK. J.(2003). Podrecznik szkolny:Wymagania, ocena, rozbudowa, metodyka stosowania Poznan: Wydawnictwo eMPi2

STERN, L.; ROSEMAN, J. (2004). «Can middle school science textbooks help students learn important ideas? Findings from Project 2061’ curriculum evaluation study: Life science». Journal of Research in Science Teaching, 41: 538-568.

SENCZUK, W. [ed.] (2005). Toksykologia wspolczesna. Warszawa: Wydawnictwo lekarskie PZWL.

WATSON, R.; WOOD-ROBINSON, V. (1998). «Learning to Investigate». In: RATCLIFFE, M. [ed.]. ASE Guide to Secondary Science Education.ASE, p. 84-91.

ZACZYNSKI, W. (1995). Praca badawcza nauczyciela.Warszawa: Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne.

List of images:

Iwona Maciejowska Ph.D. is a teacher working in the Departament of Chemical Education at the Jagiellonian University in Kraków (Poland). She teaches students of chemistry and environmental sciences, and advises them in choosing their career pathway, as well as supports the development of school and university teaching staff. She is vice-president of the division of Chemistry Education at EuCheMS, and she is also a member of the International Advisory Board ‘Chemical Education Research & Practice’, and she is involved in many international projects.

E-mail: maciejow@chemia.uj.edu.pl.

Fig. 1a K.M. Pazdro, W. Danikiewicz, CHEMIA. Podręcznik do kształcenia podstawowegto w liceach i technikach, Wydanie V, Oficyna Edukacyjna Krzysztof Pazdro, Warszawa 2003.

Fig.1b Andrzej Czerwiński, Anna Czerwińska, Małgorzata Jelińska-Kazimierczuk, Krzysztof Kazimierczuk, CHEMIA 1. Podręcznik dla Liceum ogólnokształcącego, Liceum profilowanego, Technikum. WSiP, Warszawa, 2002.

Fig. 1c Michał M. Poźniczek, Zofia Kluz, Chemia. Podręcznik dla liceum ogólnokształcącego, liceum profilowanego i technikum. Wydanie zmienione, WSiP, Warszawa 2002.

Fig. 2 Andrzej Czerwiński, Anna Czerwińska, Małgorzata Jelińska-Kazimierczuk, Krzysztof Kazimierczuk, CHEMIA 1.

Fig. 3 Andrzej Czerwiński, Anna Czerwińska, Małgorzata Jelińska-Kazimierczuk, Krzysztof Kazimierczuk, CHEMIA 1.

Fig. 4 Andrzej Czerwiński, Anna Czerwińska, Małgorzata Jelińska-Kazimierczuk, Krzysztof Kazimierczuk, CHEMIA 2. Podręcznik dla Liceum ogólnokształcącego, Liceum profilowanego, Technikum. WSiP, Warszawa, 2003.

Fig. 5 Andrzej Czerwiński, Anna Czerwińska, Małgorzata Jelińska-Kazimierczuk, Krzysztof Kazimierczuk, CHEMIA 2.

Fig.6a Michał M. Poźniczek, Zofia Kluz, Chemia-zakres rozszerzony, Wydawnictwo ZamKor, Kraków 2004.

Fig. 6b Andrzej Czerwiński, Anna Czerwińska, Małgorzata Jelińska-Kazimierczuk, Krzysztof Kazimierczuk, CHEMIA 1.

Fig. 6c K.M. Pazdro, W. Danikiewicz, CHEMIA. Podręcznik do kształcenia podstawowegto w liceach i technikach, Wydanie V.

Fig. 7 Andrzej Czerwiński, Anna Czerwińska, Małgorzata Jelińska-Kazimierczuk, Krzysztof Kazimierczuk, CHEMIA 1.

Fig. 8 Andrzej Czerwiński, Anna Czerwińska, Małgorzata Jelińska-Kazimierczuk, Krzysztof Kazimierczuk, CHEMIA 1.

Fig. 9 Zofia Kluz, Krystyna Łopata, Ewa Odrowąż, Michał M. Poźniczek, Podręcznik. Chemia w gimnazjum, WSiP, Warszawa 2009.

Es degraden el plàstic i el vidre dels envasos d’aigua amb l’exposició a la llum solar o a la calor?

Do plastic and glass bottles decompose with exposure to sunlight or heat?

Basili Martínez Espinet / IES Miquel Martí i Pol, Roda de Ter

resum

L’objectiu d’aquest treball és presentar una investigació sobre la possible degradació dels envasos de plàstic i de vidre per a aigües minerals, en la qual s’utilitza com a tècnica una volumetria redox per retrocés. Mitjançant aquesta tècnica analítica,es mesura la quantitat de matèria orgànica oxidable que conté una aigua mineral i es comparen les dades obtingudes amb aigües minerals contingudes en envasos de plàstic (polietilè tereftalat, PET)i de vidre exposades a la radiació solar. S’analitza la correlació dels resultats i s’exposen les conclusions.

paraules clau

Investigació, valoració per retrocés, oxidabilitat al permanganat, PET(polietilè tereftalat), aigua mineral.

abstract

The aim of this paper is to present a lab investigation about the possible decomposition of plastic and glass packaging of bottled water, by using an inverse redox titration.By this technical analysis we measure the amount of oxidizable organic matter in the bottled water and we compare the data of the water stored in plastic (polyethylene terephthalate, PET) and glass bottles which have been exposed to the sun. We analyze the results and explain our conclusions.

keywords

Investigation, inverse titration, permanganate oxidizability, PET (polyethylene terephthalate), bottled water.

Introducció

Els envasos de plàstic per a ús alimentari convé que siguin completament inerts, però,d’altra banda, aquesta estabilitat és un problema quan els envasos esdevenen un residu.

Els plàstics es degraden a causa de l’efecte de la radiació ultraviolada, l’oxidació, la humitat i la calor. Principalment els plàstics destinats a envasos han de passar unes proves d’envelliment accelerat. Aquestes proves es fan en unes càmeres on es controlen les condicions d’humitat i de temperatura, i estan sotmeses a una radiació UV de 313 nm de longitud d’ona. El PET és un plàs-

tic adient per a envasos,però és bastant permeable a l’oxigen gas, i aquest fet,a la llarga,pot portar problemes de degradació i de migracions. Per mesurar la migració de components en el PET, les normatives europees utilitzen tècniques cromatogràfiques específiques per a cada component i exposicions de deu dies a 40 ºC. L’oxidabilitat de la matèria orgànica al permanganat de potassi s’utilitza normalment per determinar la matèria orgànica oxidable que contenen les aigües blanques relativament netes. És un del paràmetres més importants de l’ISQA (índex simplificat de qualitat de l’aigua), que és un

índex que avalua la qualitat de les aigües naturals mitjançant la suma de cinc paràmetres físics i químics. L’anàlisi de l’oxidabilitat al permanganat ha estat utilitzadaa bastament com una forma d’avaluació de la quantitat de matèria orgànica que conté una aigua. Les formes en les quals es pot presentar la matèria orgànica són molt diverses i complexes i se solen avaluar amb índexs d’oxidació estandarditzats i acceptats per organismes oficials. Alguns d’aquests índexs són la DQO (demanda química d’oxigen), la DBO5 (demanda biològica d’oxigen) i el TOC (carboni orgànic total).

Objectius del treball

El treball proposat s’adreça a alumnes desegon curs del batxillerat amb els objectius de realitzar una investigació i introduir una tècnica analítica nova que inclou una valoració per retrocés i assaigs en blanc, alhora que es treballen conceptes de la química del batxillerat. Les dues reaccions implicades en el procés analític són reaccions d’oxidació-reducció: l’oxidació de la matèria orgànica al permanganat i la reacció del permanganat amb l’oxalat en medi àcid. També es pretén que els alumnes valorin la importància de treballar amb ordre, cura i neteja en el laboratori químic.

D’altra banda, el treball té la finalitat de fer reflexionar els alumnes sobre la qualitat dels envasos de plàstic i la problemàtica dels plàstics i el medi ambient. En concret,es proposa que esbrinin si podem observar diferències de qualitat entre els envasos de vidre i els de plàstic (PET) emprats en les aigües envasades. Amb aquest treball també es pretén que els alumnes coneguin de primera mà la implicació de la química en aspectes de salut, alimentació i medi ambient, i donar a conèixer el món dels plàstics, els quals tenen un pes específic molt important en la indústria del nostre país.

Fonaments de la tècnica analítica

L’oxidabilitat al permanganat, també anomenada DQO d’aigües netes, és una mesura de la matèria orgànica susceptible de ser oxidada pel permanganat de potassi en medi àcid i en calent. Aquesta mesura s’acostuma a correlacionar amb altres mesures de matèria orgànica,com l’absorció a l’UV i el TOC.S’utilitza sobretot com a dada d’explotació i de control de potabilitzadores, i també s’acostuma a utilitzar en estudis de caracterització de la contaminació dels rius (ISQA).

L’analítica està adaptada a partir dels mètodes estàndards d’anàlisi d’aigua. Consisteix en una valoració per retrocés en la qual

totes les reaccions són d’oxidació-reducció. S’afegeix un excés de solució de permanganat de potassi que reacciona amb la matèria orgànica que conté l’aigua, s’afegeix a continuació una quantitat d’oxalat equivalent al permanganat i,finalment,es valora l’excés d’oxalat amb permanganat. Si s’observa que en la primera addició de permanganat apareix immediatament un precipitat marró-negre, cal afegir més permanganat. En aquesta anàlisi no cal afegir indicador, ja que el punt final s’aprecia pel viratge delcolor del permanganat que apareix.

Les reaccions químiques implicades són:

2 MnO4- (aq) +5 H2C2O42- (aq)+ 6 H+ (aq) → 2 Mn2+ (aq) +10 CO2 (g) +8 H2O

2 KMnO4 (aq) + 5 Na2C2O4 (aq)+ 8 H2SO4 (aq) →

2 MnSO4 (aq)+ 10 CO2 (g) + 8 H2O + K2SO4 (aq) + 5 Na2SO4 (aq)

Material

• Proveta graduada de 100 mL per mesurar l’aiguaproblema.

• Pipeta aforada de 10 mL per mesurar la solució de permanganat.

• Pipeta aforada de 10 mL per mesurar la solució d’oxalat.

• Proveta de 10 mL per mesurar l’àcid sulfúric.

• Bureta de 25 mL.

• Matràs Erlenmeyer de 250 mL.

• Matrassos aforats per a les solucions de permanganat i d’oxalat.

• Fogó elèctric o bec Bunsen.

• Reactius i material porós, o perles de vidre.

El material ha d’estar ben net; cal que fem servir un procés de rentat amb aigua calenta i sabó, que reposi tota la nit,i després rentem el material amb aigua calenta diverses vegades, hi passem aigua destil·lada i l’assequem a l’estufa a 105 ºC sobre paper de filtre.

Figura 1. Els residus plàstics: un problema global?

Figura 1. Material i muntatge per a la determinació de matèria orgànica oxidable.

Reactius

1. Permanganat de potassi 0,0025 M. Es prepara dissolent en aigua destil·lada ultrapura 0,400 g de permanganat de potassi cristal·litzat i diluint-loamb aigua destil·lada ultrapura fins a un volum d’1 L. La solució obtinguda s’ha de valorar periòdicament.

2. Oxalat d’amoni 0,00625 M. Es pesen 0,888 g de C2O4(NH4)2.·H2O dessecat amb paper de filtre i es dissolen en 100 mL d’aigua destil·lada ultrapura. S’afegeixen 40 mL d’àcid sulfúric concentrat i es completa fins a un volum d’1 L. Cal verificar que l’oxalat d’amoni tingui una molècula d’aigua de cristal·lització; sino, s’han de refer els càlculs.

3. Àcid sulfúric 1:3. Es dilueix un volum d’àcid sulfúric (100 mL) en dos volums d’aigua destil·lada ultrapura (200 mL). Cal recordar d’abocar sempre lentament l’àcid sulfúric sobre l’aigua, ja que la reacció és molt exotèrmica i pot esquitxar i provocar cremades. És important el fet de preparar els reactius amb aigua bidestil·lada o amb aigua destil·lada ultrapura.

Procediment

1. S’introdueixen, dins un matràs Erlenmeyer, 100 mL de l’aiguaproblema, mesurats amb una proveta graduada.

2. S’afegeixen 5,0 mL d’àcid sulfúric 1:3 i 10 mL de solució de permanganat,mesurats amb la pipeta aforada. Es fan bullir durant 10 min exactes en presència d’un material porós que en reguli l’ebullició.

3. Un cop apagat el foc, s’afegeixen ràpidament 10 mL de solució d’oxalat,mesurats amb la pipeta aforada, i es valora l’excés del mateixamb solució de permanganat fins a la coloració rosa pàl·lida permanent.

Com que 1,0 mL de solució de permanganat 0,0025 M correspon a 0,10 mg d’oxigen (O2)i s’han valorat 100 mL, el volum gastat (mL) dóna directament la demanda química d’oxigen expressada en ppm d’O2

Determinació de matèria orgànica per valoració per retrocés

Orientacions per a la planificació de la investigació

Una manera d’introduir aquesta investigació a l’aula és a partir d’unes preguntes inicials relacionades amb els plàstics.

Bàsicament,hi ha tres aspectes relacionats que es poden discutir a l’aula:

a) Quines característiques creus que han de tenir els envasos de

3. Oxidació de la matèria orgànica.

plàstic destinats a contenir aliments?

b) Creus que el plàstic envelleix i es degrada?

c) Quina problemàtica creus que pot presentar el plàstic com a residu?

Es demana als alumnes que treballin en grup i que facin una recerca bibliogràfica per respondre les preguntes a) i c).

D’aquesta manera es poden discutir els diferents arguments respecte a la problemàtica mediambiental, la qual cosa permet, per

la seva transversalitat, la relació amb altres matèries. És un tema actual i controvertit, encara pendent de resoldre.

La pregunta b),sobre l’envelliment, la degradació i la possible migració de components del plàstic,es pot enfocar des d’un punt de vista més pràctic: es pot preguntar als alumnes, sense haver fet cap recerca prèvia, què es podria fer per comprovar que el plàstic es degrada. Surten algunes propostes que tenen lògica, com ara pesar els envasos abans i després del procés d’envelliment, i també es proposa de mesurar el gruix del plàstic abans i després. També va sortir una proposta interessant que consistia a intentar fabricar una ampolla amb un marcador i a analitzar el marcador a l’aiguamineral després del procés. Al final s’explica el mètode de l’oxidació al permanganat i el mètode del TOC, tot mostrant els avantatges d’aquest últim mètode. També es pot discutir quin experiment podem fer a la pràctica per comprovar la degradació del PET.De fet,el disseny de l’experiment que es desenvolupa al’apartat següent prové de la discussió raonada que es du a terme de manera conjunta en el grup.

Es recorda als alumnes que és molt important que treballin amb cura,que tot el material que utilitzin en aquesta investigació ha d’estar ben net i que,quan el manipulin,tinguin cura de no embrutar-lo, ja que una mica de greix o brutícia pot falsejar els resultats. També es recorda que segueixin les normes de seguretat: el procés es fa en calent i cal anar amb compte amb els reactius. És convenient que els alumnes ja hagin fet abans alguna valoració i també és recomanable que tinguin una certa experiència en el laboratori per obtenir uns resultats fiables.

Figura

Disseny dels experiments d’exposició a la llum i a la calor

La composició de l’aigua mineral que hi ha a l’etiqueta (expressada en mg/L)és la següent: residu sec, 132; calci, 27,0;magnesi, 4,8;sodi, 9,6;bicarbonats, 112,3; clorurs, 4,1;sulfats, 9,7;fluor,0,8.

Les ampolles de plàstic són d’1,5L i estan fabricades amb PET (polietilè tereftalat).

Per dur a terme aquesta experiència,s’exposen els envasos a diferents condicions de llum i temperatura. Finalment,es fa una anàlisi organolèptica de l’aigua i una anàlisi de l’oxidabilitat de la matèria orgànica al permanganat de potassi,que permet

Exposició a la llum

determinar el pas de matèria orgànica de l’envàs a l’aigua. S’han utilitzat condicions d’exposició a la llum i a la calor bastant dràstiques per fer l’estudi d’una manera accelerada.

La hipòtesi de partida és que és possible que la llum i la calor, en condicionsrelativament extremes, puguin fer que components orgànics de l’envàs de plàstic passin a l’aigua, mentre que al’ampolla de vidre segurament això no passarà. També és probable que aquest efecte sigui més gran com més gran sigui la superfície de l’ampolla exposada a la radiació solar. I que també sigui més gran com més gran sigui el nombre de dies d’exposició a una determinada temperatura.

S’agafen una ampolla d’aigua mineral de vidre i quatre de plàstic. De les quatre ampolles de plàstic,se’n deixa una tal qual i es tapa la superfície de les altres tres amb paper d’alumini: una quarta part, la meitat i les tres quartes parts, respectivament. L’ampolla de vidre es deixa tal qual, sense tapar. Es deixen els mateixos dies al terrat, a sol i serena. D’aquesta manera, si algun dia no fa sol,afectarà per igual totes les ampolles. Es mesuren l’oxidabilitat al permanganat i les característiques organolèptiques abans i després de l’exposició a la llum.

Nota: en el nostre cas, l’experiment es va realitzar al mes de març, un mes amb moltes hores de sol,però amb màximes de temperatura no gaire altes.

Anàlisi dels resultats

Els resultats de matèria orgànica obtinguts en les anàlisis es comparen amb els valors de la normativa per a aigües de beguda envasades. La normativa aplicable és el Reial Decret 1164/1991, de 22 de juliol,que aprova la reglamentació tecnicosanitària de les aigües de beguda envasades (BOE núm. 178, de 26 de juliol de 1991). Aquesta reglamentació qualifica la matèria orgànica com a component no desitjable en les aigües de consum humà, i estableix com a valor màxim orientatiu de qualitat fins a 2 mg O2/L i com a nivell màxim tolerable, 5 mg O2/L.

Es van analitzar les aigües de les ampolles de plàstic i de vidre dels experiments d’exposició a la llum i a la calor. D’acord amb les recomanacions de la bibliografia consultada,es va fer una prova en blanc, és a dir, una anàlisi amb 100 mL d’aigua bidestil·lada, i el valor obtingut en aquesta anàlisi es va restar dels valors finals de cada sèrie d’experiments.

Cada grup de dues persones va fer una prova en blanc i dues mostres diferents i els resultats es van comparar amb els d’un altre grup. Les discrepàncies obtingudes només van ser significatives en una mostra, d’un total de vint-i-quatre anàlisis, que es va tornar a repetir per evitar confusions.

Exposició a la calor

S’agafen una ampolla d’aigua mineral de vidre i quatre de plàstic i es deixen a l’estufa a 50 ºC durant quatre, vuit,dotze i setze dies. Es mesuren l’oxidabilitat al permanganat i les característiques organolèptiques abans i després de l’exposició a la calor.

En els resultats que es presenten a les taules ja s’ha restat el valor obtingut en l’anàlisi de la prova en blanc.

Exposició a la llum

Els resultats de la taula 1 i del gràfic 1 corresponen aquatre ampolles de plàstic que han estat durant trenta dies a sol i serena amb diferents superfícies exposades a la llum. Les anàlisis de DQO corresponen a la mitjana de dues determinacions.

Figura 4. Ampolles exposades a la llum

En el cas de l’envàs de vidre,es pot veure que l’efecte de la llum és negligible.L’efecte de la llum, però,és una mesura que té una certa correlació amb la DQO, ja que la DQO va augmentant a mesura que augmenta la superfície exposada. Tot i en aquestes condicions extremes, els valors estan gairebé per sota del valor màxim de qualitat, que és 2 mg/L, i encara lluny del nivell màxim tolerable,que és de 5 mg/L.

En el cas dels envasos de plàstic,es pot concloure que els resultats estan dins els marges, però és millor no exposar-los a la llum. També es pot dir que, pel que fa a l’exposició a la llum, és millor el comportament de l’envàs de vidre que el de plàstic. En el gràfic 1 s’ha fet la regressió, ja que,amb tants pocs punts,el resultat no és significatiu.

Exposició a la calor

La taula 2 i el gràfic 2 corresponen a les anàlisis d’aigua de quatre ampolles de plàstic que han estat un diferent nombre de dies a l’estufa a 50 ºC i a l’aigua d’una ampolla de vidre que ha estat durant setze dies a la mateixa temperatura. L’efecte del nombre de dies en exposició en el cas de l’ampolla de plàstic a la temperatura que s’ha escollit, pensant en possibles condicions extremes, és menor que l’efecte de l’exposició a la llum, tot i que es posa de manifest un augment de la DQO en augmentar el temps. En el cas del vidre, l’efecte és negligible, però en el plàstic es pot observar un cert efecte. Els valors es mantenenper sota del nivell mínim de qualitat (són inferiors a 2 mg/L)i estan allunyats del valor màxim tolerable, que és de 5 mg/L. Les anàlisis de DQO s’han repetit dues vegades i s’ha anotatla mitjana. No s’ha fet una correlació matemàtica,ja que el nombre de mostres és molt petit i no tindria cap validesa estadística.

Material de l’envàs Superfície exposada

abans

Taula 1. Resultats de l’experiment d’exposició a la llum durant trenta dies de quatre ampolles de plàstic (amb diferents superfícies exposades) i d’una ampolla de vidre Material

Gràfic 1. Valors de la DQO en funció del percentatge de la superfície de plàstic al descobert.

Taula 2. Resultats de l’experiment de l’efecte de la calor en funció del nombre de dies d’exposició.

Gràfic 2. Valors de la DQO en funció del nombre de dies d’exposició a la calor (t = 50 ºC).

Treball pràctic

La discussió del disseny de l’experiment per part dels alumnes ha estat una qüestió bastant raonada i consensuada, i ha suposat un diàleg entre tots (professor i grup) molt positiu. Els alumnes han pogut conèixer de primera mà com cal treballar en el laboratori químic i també la importància del treball cooperatiu i en equip

Conclusions i valoració

Aquest treball ha possibilitat als alumnes el fet de discutir una problemàtica actual, la dels plàstics com a material que s’utilitza com a envàs per contenir aliments, que presenta molts aspectes de caire transversal.

La investigació ha servit per comprovar que el plàstic de les ampolles d’aigua mineral PET experimenta un cert envelliment a causa dels efectes de la llum del sol (radiació UV) i de la calor, però,tot i les condicions extremes de l’experiment,els valors de DQO mesurats són bastant inferiors als valors màxims tolerables. S’ha posat de manifest que,a mesura que augmenta l’exposició a la llum i a la calor, hi ha un lleuger augment de la matèria orgànica a l’aigua de l’ampolla,i que l’efecte de la llum és més important que el de la calor.

Com a conclusió final de les anàlisis,es pot afirmar que,en les condicions extremes de temperatura dels experiments realitzats, tant els envasos de vidre com els de plàstic són segurs i

garanteixen la qualitat de l’aigua, i això també ha servit per comprovar la hipòtesi que els envasos de vidre, pel que fa a la matèria orgànica present a l’aigua en les condicions estudiades, són més recomanables que els de plàstic. La discussió del disseny de l’experiment per part dels alumnes ha estat una qüestió bastant raonada i consensuada, i ha suposat un diàleg entre tots (professor i grup) molt positiu. La investigació ha fet adonar els alumnes de la complexitat i la feina que suposen les proves i les anàlisis per verificar si els envasos compleixen les normatives vigents. Els alumnes s’han adonat de la importància de treballar amb cura i s’han contrastat els resultats per parelles i al final amb tot el grup, de manera que s’ha pogut treure una conclusió fonamentada i coherent del treball, que s’ha fet de manera conjunta. Els alumnes han pogut conèixer de primera mà com cal treballar en el laboratori químic i també la importància del treball cooperatiu i en equip.

Referències bibliogràfiques APHA; AWWA; WPCF(1989). Standard methods for the examination of water and wastewater. Washington: American Public Health Association.

CREW, A. (1987). «A rationale for experiental education». Contemporary Education, 58:s. p. DEGRÉMONT, G. (1979). Manual técnico del agua. Bilbao:Grafo. METCALF & EDDY, INC.(1995). Ingeniería sanitaria:Tratamiento y reutilización de aguas residuales Madrid: McGraw-Hill.

RICHARSON, T. L.;LOKENSGARD, E. (2003). Industria del plástico: Plástico industrial. Madrid: Paraninfo. RODIER, J.(1989). Anàlisis de les aigües:Aigües naturals, aigües

residuals, aigua de mar Barcelona:Omega.

SANMARTÍ, N. (2002). Didáctica de las ciencias en la educación secundaria obligatoria. Madrid: Síntesis.

Pàgines web consultades

<http://www.sociedadgeologica.es /archivos/geogacetas/Geo28/Art 26.pdf> (Consulta: gener 2009.) <http://www.acienciasgalilei.com/ public/forobb/viewtopic.php> (Consulta:desembre 2008.)

<http://acaweb.gencat.cat/aca/appmanager/ aca/aca?_nfpb=true&_pageLabe l=P1230454461208201717426> (Consulta:febrer2009.)

<http://www.materialessam.org.ar/sitio/biblioteca/laser ena/57> (Consulta:febrer2009.)

<http://www.quiminet.com.mx/pr 0/Pruebas%2Bde%2BDetermina ci%F3n%2Bdel%2Benvejecimien to%2Bde%2Bmateriales%2Bpl% E1sticos.htm> (Consulta:febrer 2009.)

Basili Martínez Espinet és llicenciat en ciències químiques per la Universitat de Barcelona(UB) i diplomat en ciències ambientals per la Universitat de Vic (UVIC). Ha fet classes en cicles formatius de química ambiental i actualment treballa com a professor de física i química a l’IES Miquel Martí i Pol de Roda de Ter, on fa classes a l’ESO i albatxillerat. Fa divuit anys que és professor i li agrada molt la part experimental de les assignatures. Ha publicat alguns articles a les revistes electròniques Ciències, Recursos de Física i A Pie de Aula A.e. bmartine@xtec.cat.

RESSENYES DE LLIBRES

The periodic table: Its story and its significance

Eric Scerri

Oxford University Press, 2007

La taula periòdica de D. Mendeléiev (1869) va ser una important fita en l’ensenyament de la química que ben aviat es va veure superada pels sorprenents esdeveniments que, ja al final del segle XIX, van començar a suggerirque caliaatribuir una naturalesa interna als materials més enllà dels àtoms.Tal com han mostrat els estudis pioners de Bernadette Bensaude i Vincent, la taula es basa en la diferenciació entre element i substància simple que Lavoisier no havia establert. Per això la taula no va ser simplement una manera de simplificar l’estudi de les ja nombroses substàncies simples (seixanta-tres) i dels seus compostos. Mendeléiev, un químic extraordinari,va aconseguir una classificació dels elements que exposava,davant dels seus alumnes de Química general de la universitat,tot un sistema de la química del moment. Però va anar més enllà en considerar que la seva taula posava en evidència una llei, la «llei periòdica»,que revelava alguna característicamolt important dels elements que, segons ell va manifestar, la química acabaria per concretar i justificar més endavant. No imaginava, tot i això, que l’explicació de la seva llei requeriria el fet d’imaginar una estructura interna en l’àtom, cosa que, com és ben sabut, mai no va acceptar.

L’ensenyament de la química continua ara, gairebé cent cinquanta anys després, centrat en la taula periòdica,però molt sovint es fa des del desconeixementde la seva història, i, en aquest cas (com en altres aspectes de la química),aquesta mancançapot enfosquir el significat dels conceptes bàsics de la química.A més a més, el fet de no comptar amb la història desvirtua el significatque ha de tenir en el moment actual la classificació periòdica i la seva funciódidàctica. Per això és molt oportuna l’aparició del llibre The periodic table:Its story and its significance, d’E. Scerri, molt ben documentat i que permet copsar la complexitat delprocés deconstrucció dels criteris que permeteren l’elaboració d’un sistema general de les reaccions químiques que es desplegava davant dels ulls en una taula ben simple. I mostra també el que encara és més sorprenent: com la mateixa taula, com si fos un organisme viu, canvia i s’adapta als nous descobriments de la física del segle XX i, alhora, com en mantenir ferms els criteris fonamentals dela química del XIX proporciona una guia eficaçper tal d’aconseguir, finalment, un model d’àtom que permet d’explicar la llei periòdica.

En el llibre es dediquen quatre dels seus deu capítols a la gènesi de la taula periòdicaal llarg del segle XIX i cinc a la pregona transformació que es va produir en el segle XX, a partir de

les aportacions de la nova física quàntica i els experiments que posaven en evidència l’estructuració interna dels àtoms. Només un dels capítols, el cinquè, es dedicaa Mendeléiev i la seva taula periòdica. Sense deixar de reconèixerl’aportació de Mendeléiev i la seva vàlua científica,l’autor ens mostra l’aspecte col·lectiu d’aquesta fita (la classificació dels elements),en la qual van convergirels esforços de molts químics,i, alhora, la seva gradual transformació, a mesura que nous descobriments aportaven noves idees que, a partir de l’elaboració dels arguments oportuns, explicavenla llei periòdica.

La consideració més important que es proposa en el llibre és la interacció entre les dades físiques i químiques,que, per a alguns, condueixena la reducció de la química a la física. Scerri rebutja aquesta interpretació i ho fa de manera reflexiva i atenta als dubtes i matisos propis de qualsevol empresa intel·lectual. Efectivament, la llei periòdica es recolza en les mesures de les masses atòmiques dels elements i, tal com se’ns explica, no va ser ges fàcil d’obtenir-les de manera fiable i acceptada per tothom. És més:la necessitat d’encaixar correctament els elements va portar a revisar les masses atòmiques i a fer-les més precises. Les diferents temptatives de classificar els elements van anar aportant dades que permetien agrupar els elements de comportament químic similar, però també es comptava amb les propietats físiques dels seus compostos. La mateixa llei, en posar les masses com a criteri d’ordenació, obria la possibilitat d’aquest reduccionisme que Mendeléiev sempre va rebutjar amb molt bon criteri químic.

Les aportacions de la nova física del XX, amb la proposta d’estructuració interna de l’àtom i amb la nova mecànica quàntica, pot presentar-se als alumnes actuals com un nou reduccionisme, ja quetots els elements estan fets del mateix: electrons, protons i neutrons. Pot semblar que allò important de saber és com estan col·locadesaquestes partícules en els àtoms,però la lectura atenta del llibre de Scerri fa veure que va ser la química la que va proposar una determinada estructura per a l’àtom: la que li convenia per tal de poder explicar els fets químics.

Per això,si la taula periòdica ha d’ajudar a aprendre química (creiem que ha de ser així!), no pot ser simplement un recordatori de les estructures electròniquesdels àtoms,sinó que requereix, en primer lloc, una «mirada química»que permeti veure, en la diversitat dels canvis químics que els alumnes han arribat a conèixer,la permanència i les característiques d’uns elements que mai no arriben a tenir les característiques físiques de les substàncies,però que, tot i això, en són l’essència.

Mercè Izquierdo

NOTÍCIES

XXII Debat de Química a l’Institut d’Estudis Catalans

Institut d’Estudis Catalans, Sala Prat de la Riba

Barcelona

21 d’abril de 2010

http://scq.iec.cat

VI Jornadas Internacionales de Enseñanza Universitaria de la Química

IX Jornadas Nacionales de Enseñanza Universitaria de la Química

Facultad de Bioquímica y Ciencias Biológicas de la Universidad Nacional del Litoral Santa Fe (Argentina) 9, 10 y 11 de junio de 2010

http://www.fbcb.unl.edu.ar/eventos/jornadasquimica/index.php

10th European Conference on Research in Chemical Education

4th International Conference on Research in Didactics of the Sciencies

Pedagogical University of Krakow Krakow (Poland)

2010 July 4th-9th http://ecrice2010.ap.krakow.pl/

XII Encuentro Chileno de Educación Química / X Seminario Internacional de Didáctica de las Ciencias Experimentales / IV Encuentro Iberoamericano de Investigadores en Didáctica de las Ciencias Experimentales, la Matemática y la Tecnología

Universidad Católica de Chile, Facultad de Educación, Campus San Joaquín

Santiago de Chile (Chile)

21 al 23 de julio de 2010

http://www.uc.cl/sw_educ/educacion/grecia

II Seminario Iberoamericano Ciencia-Tecnología-Sociedad en la Enseñanza de las Ciencias «Educación para un nuevo orden socioambiental en el contexto de la crisis global» Universidade de Brasilia

Brasilia (Brasil)

19 al 21 de julio de 2010 http://www.finatec.org.br/eventos/siacts/

XV Encontro Nacional de Educação Química (ENEQ)

Colégio Militar de Brasilia

Brasilia (Brasil)

21 al 24 de julio de 2010 http://www.xveneq2010.unb.br/index.asp

Esbrina quin element químic respon les preguntes que es formulen a les bases i, en funció de l’element corresponent, presenta una imatge (dibuix, esquema, fotografia, collage) que combini els dos subjectes de la pregunta.

Consulteu les bases del concurs a la pàgina web de la Societat Catalana de Química: http://scq.iec.cat

Data límit de recepció de propostes: 15 de març de 2010.

Organitzat per la Societat Catalana de Química, amb el suport de la Secció de Ciències i Tecnologia de l’Institut d’Estudis Catalans.

NORMES DE PUBLICACIÓ

Preparació dels manuscrits

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

Els treballs han de 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.

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

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

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

Per a llibres:

VILCHES, A.; GIL, D.(2003). Construyamos un futuro sostenible: Diálogos de supervivencia. Madrid: Cambridge University Press. Citació en el text: (Viches i Gil, 1994).

Per a articles:

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

Per a altres exemples, consulteu un número recent de la revista. Al final de l’article ha de constar una breu ressenya professional i una fotografia de les persones autores de l’article. Cada ressenya ha de contenir el nom i cognoms, càrrec, centre de treball, camp principal en el qual desenvolupa la seva tasca i correu electrònic (màxim de 400 caràcters amb espais). Cal enviar els arxius de les fotografies de carnet dels autors en format tif o jpeg (resolució mínima: 300 píxels/polzada).

Enviament d’articles

Els articles han de ser enviats per correu electrònic a un dels editors de la revista:

Aureli Caamaño (acaamano@xtec.cat)

Fina Guitart (jguitar3@xtec.cat)

Mercè Izquierdo (merce.izquierdo@uab.es)

Montserrat Tortosa (mtortosa@xtec.cat).

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.

Revisió dels articles

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

SECCIONS

ACTUALITAT QUÍMICA

Aspectes importants que facilitin als docents de la química el fet d’estar al dia i conèixer les implicacions de la química en els temes actuals. Fonts acreditades d’informació per ajudar a construir criteris i opinions fonamentades en la ciència. (Límit: 20.000)

PROJECTES CURRICULARS

Articles que acostin els docents de la química als projectes curriculars del nostre o d’altres països. El contrast entre els currículums de química en les diferents etapes i països enriqueix els docents i els proporciona una visió d’altres sistemes educatius. (Límit: 25.000)

INNOVACIÓ A L’AULA

Articles que descriguin l'experimentació de noves activitats per a la l’aula. La innovació és una font de millora en la manera d’ensenyar dels docents. La secció pretén ser un espai adequat per compartir experiències d’aula. (Límit 20.000)

CONCEPTES I MODELS QUÍMICS

Articles per posar al dia el professorat en l’actualització de continguts. També inclou aquells articles que tractin la construcció de models a l’aula centrats en l’evolució de les idees dels alumnes i que mostrin exemples d’activitats de modelització. (Límit: 20.000)

ESTRATÈGIES I RECURSOS DIDÀCTICS

Articles diversos amb la finalitat de mostrar o presentar materials didàctics. Pretén ser un recull de recursos i d’estratègies per tal que el professorat pugui adaptar-les a la seva tasca docent. (Límit: 25.000)

TREBALL PRÀCTIC AL LABORATORI

El treball pràctic al laboratori ha estat sempre un aspecte clau en l’ensenyament i l’aprenentatge de la química. Aquesta secció pretén donar cabuda a articles referits a treballs pràctics innovadors, atractius i amb caràcter investigador. (Límit: 20.000)

NOVES TECNOLOGIES

Articles relacionats amb la utilització de les noves tecnologies en l’ensenyament-aprenentatge de la química amb l’objectiu de millorar aprenentatges i competències dels alumnes. L’ús eficaç de les TIC és un aspecte clau i d’actualitat en la docència. (Límit: 20.000)

HISTÒRIA I NATURALESA DE LA QUÍMICA

Divulgació d’articles dins l’àmbit de la història i la naturalesa de la química per acostar als docents aquesta temàtica sovint poc coneguda pel professorat. (Límit: 25.000)

QUÍMICA I SOCIETAT

Articles amb relacions ciència-tecnologia-societat, presència de la química en la vida quotidiana i aspectes d’alfabetització científica per a la formació dels alumnes com a ciutadans. Contextos en què la química pot ser rellevant i l’ensenyament de la química en context. (Límit: 25.000)

QUÍMICA I EDUCACIÓ AMBIENTAL

Articles que facin palesa l’estreta relació entre la química i els aspectes del medi ambient, així com temàtiques mediambientals d’actualitat des d’una vessant química. Pretén destacar la utilització de la química d’una manera respectuosa amb el medi i l’educació per a la sostenibilitat. (Límit:25.000)

RECERCA EN DIDÀCTICA DE LA QUÍMICA

Articles de didàctica de la química de caràcter divulgatiu. La secció pretén aportar, d’una manera planera i entenedora, propostes i estratègies didàctiques basades en el resultat de la investigació. (Límit: 25.000)

FORMACIÓ DEL PROFESSORAT

Secció amb aportacions de diferents models de formació del professorat, en el nostre o en altres països. Aspectes de la formació adreçats a millorar la tasca del professorat de química i a contribuir al seu desenvolupament professional. (Límit: 25.000)

TREBALLS DE RECERCA DELS ALUMNES

En aquesta secció, els alumnes seran els autèntics protagonistes. Es publicaran articles descriptius dels treballs de recerca dels alumnes dins l’àmbit de la química. (Límit: 20.000)

QUÍMICA I ALTRES CIÈNCIES

Articles amb una visió global de les ciències experimentals i de caire interdisciplinari. També articles d’altres ciències però que incloguin aspectes de la química. (Límit: 20.000)

LLENGUATGE I TERMINOLOGIA

Reflexions i consideracions didàctiques entorn de les normatives i de l’ús de la terminologia química. Propostes per treballar activitats de comunicació amb un especial èmfasi en el llenguatge i en la terminologia. (Límit: 20.000)