¡Descarga Estequiometría y ley de conservación de la masa y más Apuntes en PDF de Química solo en Docsity!
351
(^1) Centro de Formación e Investigación en Enseñanza de las Ciencias (CEFIEC), Grupo de Investigación en Aprendizaje y Didáctica de las Ciencias Naturales (GIADiCIeN), Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires (UBA), Ciudad Universitaria, Pabellón II, 1428, Buenos Aires, Argentina. Email: lydia.galagovsky@gmail.com 2,3 (^) Departamento de Ciencias Naturales, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires (UBA), Buenos Aires, Argentina.
Estequiometría y ley de conservación de la masa:
lo que puede ocultar la simplificación del discurso experto
Stoichiometry and the law of mass conservation: what can be
hidden behind the simplification of the experts’ discourse
Lydia Raquel Galagovsky^1 María Angélica Di Giacomo 2 Salvador Alí 3
Resumen: En el presente trabajo se analiza el tema estequiometría, en su relación con la Ley de Con- servación de la Masa, desde la perspectiva de análisis comunicacional en el aula de química para la in- terpretación de errores de los estudiantes. La revisión del discurso docente a través de libros de textos permite reflexionar sobre los significados otorgados por los docentes a los términos “reacción química”, “reactivos” y “productos”, y sobre qué podrían comprender los estudiantes, cuando se omiten reflexiones históricas y epistemológicas sobre dichos términos.
Palabras clave: Estequiometría. Conservación de la masa. Enseñanza de la Química. Lenguajes químicos. Concepciones alternativas.
Abstract: A deep perspective on students’ misconceptions on stoichiometry and Mass Conservation Law is presented. An evaluation of chemical discourse through textbooks allows teachers to be aware of the meaning of “chemical reaction”, “reagents” and “products” when talking with students. In ad- dition, an analysis of how the omission of historical and philosophical reflections may lead to students’ misconceptions is also presented.
Keywords: Stoichiometry. Mass conservation. Chemistry teaching. Chemical languages. Misconceptions.
DOI: http://dx.doi.org/10.1590/1516-
352
Galagovsky, L. R.; Di Giacomo, M. A.; Alí, S.
Introducción
Numerosas investigaciones dan cuenta de las dificultades de aprendizaje de la química por los estudiantes novatos (BARKER, 2000; BEN-ZVI; GAI, 1994; CARMICHAEL et al., 1990; GILBERT; TREAGUST, 2009; JOHNSTONE, 1991, 2000, 2010; McCLARY, TALAN- QUER, 2011a, 2011b; MAEYER; TALANQUER, 2010; TABER, 2001, 2002, 2009; TALAN- QUER 2009, 2010a, 2010b, 2011). Carr (1984) había argumentado que muchos problemas de aprendizaje de Química pueden catalogarse como de “confusión de modelos” debiéndose a que la disciplina cuenta generalmente con varios modelos para un mismo tópico (GROSSLIGHT et al., 1991). De Vos, Bulte y Pilot (2003) señalan que el currículo de química es de tipo sedi- mentario, ubicando capa sobre capa contenidos científicos que se fueron revelando en épocas históricas y desde modelos diferentes. Evidentemente, la química es una disciplina científica cuyos conceptos fundamentales (elemento, sustancia, molécula, ion, interacciones, etc.) son abstractos y sus modelos teóricos han evolucionado históricamente de forma no lineal. En el trabajo docente, se recortan los contenidos a enseñar y se secuencian desde tradiciones escolares con la mejor intención de elegir modelos apropiadamente simplificados para que sean accesibles a los estudiantes. Sin embargo, dado que el discurso químico no resulta fácil de comprender para los estudiantes novatos, se propone en este trabajo analizar la clase de química como un espacio de comunicación entre el docente experto en ciertas temáticas y sus estudiantes. Al aplicar el paradigma de la comunicación (SHANNON; WEAVER, 1948) al aula de química, se considera que el mensaje a transmitir en el intercambio comunicacional es un discurso erudito, con terminología y explicaciones científicas, generado por el docente o expresado en textos específicos. Decodificar un mensaje es interpretarlo desde la significación que le ha otorgado el emisor. Así, el estudiante receptor del discurso químico debe comprender el tema, y resolver problemas aplicando ese conocimiento con manejo apropiado de los lenguajes y modelos científicos subyacentes. Se espera que el estudiante, además de “hablar ciencia” (LEMKE,
- pueda comprenderla. En trabajos previos de los autores se ha discutido cómo elementos presentes en el men- saje (discurso erudito) pueden ser origen de obstáculo.s para el aprendizaje (GALAGOVSKY; DI GIACOMO; CASTELO, 2009; GALAGOVSKY et al., 2014). Desde esta perspectiva de la comunicación en el aula, es necesario el análisis de la complejidad del propio discurso químico experto y de sus implicancias. Esto debe ser estudiado tanto sobre el procesamiento cognitivo de estudiantes novatos, como desde la escasa discriminación conceptual oportuna cuando los expertos realizan transposiciones didácticas irreflexivas. En el presente trabajo se continúa, desde dicha perspectiva, la interpretación de errores de los estudiantes sobre el tema estequiometría en relación con la Ley de Conservación de la Masa (GALAGOVSKY; GIUDICE, 2015).
Las respuestas de alumnos dan el alerta
El tema estequiometría está incluido en la enseñanza y en las evaluaciones de la primera asignatura de química en la Universidad de Buenos Aires (Argentina). De las respuestas de algunos estudiantes en una de esas evaluaciones, surgieron evidencias específicas sobre obstáculos en la
354
Galagovsky, L. R.; Di Giacomo, M. A.; Alí, S.
¿Que dicen los libros de texto sobre la Ley de Conservación de la Masa y su relación con la estequiometría?
La idea de la conservación de la materia ya estaba presente en los filósofos presocráticos. Sin embargo, fue a partir de la experimentación cuantitativamente meticulosa, y de la concepción de sistema cerrado por parte de Lavoisier (BOIDO, 1989; GHINI; SANTOS, 2011; HUDSON,
- que pudo enunciarse la Ley de Conservación de la Masa (a mediados de la década de 1770), y así comenzó el despegue de la alquimia hacia la moderna ciencia química. Dalton, por su parte, atribuyó a los átomos – inmutables – de cada elemento un peso característico, con lo cual se dio fundamento a la idea de conservación de los mismos en una reacción química. Arribar a los acuerdos básicos del lenguaje de ecuaciones químicas balanceadas para aplicar a la estequiometría fue un largo proceso posterior de al menos un siglo. La ley de conservación de la masa y la estequiometría están presentes en todos los libros de Química General, aunque en diferentes capítulos. La enseñanza de la ley de conservación de la masa es una de las primeras acciones tanto de un curso de química – de cualquier nivel – como de los textos de química. En cambio, la enseñanza de estequiometría suele presentarse en clases posteriores, luego del tratamiento de otros temas tales como sistemas materiales, tabla periódica, uniones químicas. Generalmente, los docentes al presentar el tema de ecuaciones químicas y su balance mencionan la conservación de la masa. Sin embargo, no se aclara que este balance de masa a nivel atómico molecular no se corresponde unívocamente a la histórica Ley de Conservación de la Masa enunciada por Lavoisier. ¿Es similar el tratamiento de estos temas en los libros de texto? Hemos comprobado este solapamiento conceptual con diversas variantes. Por ejemplo, libros utilizados en la parte inicial de la segunda mitad del siglo XX daban cuenta de parte de ese proceso histórico de la ley de conservación de la masa. Por ejemplo, el libro de Sienko y Plane (1961) – desde una redacción consustanciada con la visión positivista de la ciencia – en el inicio de su capítulo 2 hace una breve referencia histórica a experimentos de Lavoisier y también de Landolt (a final del siglo XIX) que permitieron confirmar que la masa no se crea ni se destruye y que no se verifica la conversión de masa en energía durante las reacciones químicas. Posteriormente, en el capítulo 5 sobre estequiometría señala simplemente que: “La estequiometría se ocupa de cambios en los pesos en las reacciones químicas_._ ” (SIENKO; PLANE, 1961, p. 20, nuestra traducción). En otro ejemplo, en el libro de Berry, Rice y Ross (1980) de Físico Química avanzada no se hace mención a Lavoisier y, desde una posición positivista de las ciencias expresa en la primera página del primer capítulo:
[…] Su objetivo [de la Química] era la construcción de teorías para correlacionar y predecir las regularidades. La más importante de estas regularidades fue la ley de Conservación de la Masa que enuncia que la masa total […] presente es la misma antes y después de una reacción química. Una vez que esta ley fue reconocida uno puede rastrear las cantidades de varias clases de materia involucradas en las reacciones, y así determinar la composición de sustancias. (BERRY; RICE; ROSS, 1980, p. 3, nuestra traducción)
355
Estequiometría y ley de conservación ...
En textos de edición más reciente se tiende a presentar la aplicación de la ley de con- servación de la masa como herramienta algorítmica para el balanceo de las ecuaciones químicas. Se mencionan a continuación tres ejemplos: i. En el libro de química universitaria de nivel introductorio de Atkins y Jones (2006), si bien en ningún momento se menciona a Lavoisier – no figura ni en el índice temático –, en la sección inicial de Fundamentos, se hace referencia a la ley de conservación de la masa con la conexión directa a la explicación de cómo se procede a balancear una ecuación química. El texto dice:
[…] cuando se lleva a cabo una reacción en un recipiente cerrado, enton- ces la masa no cambia. La observación de que la masa total es constante durante una reacción química, recibe el nombre de ley de conservación de la masa. Dado que los átomos no se crean ni se destruyen, los quí- micos consideran cada símbolo elemental como la representación de un átomo del elemento, y luego multiplican las fórmulas por los factores adecuados para mostrar el mismo número de átomos de cada elemento a cada lado de la flecha. Se dice que la expresión resultante está equilibrada y se la llama ecuación química. (ATKINS; JONES, 2006, p. F57-F58)
ii. Di Risio, Roverano y Vazquez (2006, p. 353) presentan la ley de la conservación de la masa y mencionan a Lavoisier en las primeras páginas del libro, para retomar la idea en el capítulo 10 (Los Cambios Químicos) con el mismo fin señalado en el ejemplo anterior, diciendo: “Las ecuaciones químicas deben cumplir con la ley de conservación de la masa [Ley de Lavoisier]. Es decir, la masa total de las sustancias reaccionantes debe ser igual que la masa total de los productos de la reacción.”
iii. Por su parte, Ferrari et al. (2007, p. 60) presentan el siguiente enunciado simplificando y solapando la significación macroscópica de la ley con su aplicación a estequiometría: “[…] en todos los cambios o reacciones químicas la cantidad de materia inicial [la de los reactantes] es igual a la final [la de los productos], en otras palabras, permanece constante.”
En enunciados como los ejemplificados en estos libros no se distingue claramente que una reacción química debe analizarse desde la situación macroscópica (debe visualizarse el mismo recipiente antes y después de la reacción) y la representación simbólica de su ecuación química correspondiente, para la cual se requiere la interpretación submicroscópica – de nivel atómi- co-molecular – de su proceso, con códigos consensuados y específicos del leguaje de fórmulas.
Qué oculta la simplificación
Talanquer y Pollard (2010) señalan que los currículos de las asignaturas introductorias de química suelen estar llenos de definiciones y procesos algorítmicos de resolución de pro- blemas con los que se puede enfrentar un químico experto, pero pocas veces se pone énfasis
357
Estequiometría y ley de conservación ...
La simplificación del relato que omite la reflexión histórica sobre la evolución del concepto de reacción química, no distingue la naturaleza epistemológicamente diferente entre la construcción del modelo propuesto por Lavoisier en el siglo XVIII y la aproximación este- quiométrica cuyo consenso comenzó a finales del siglo XIX. Esta distinción requiere reconocer inicialmente que en una reacción química el modelo de cuantificación del peso sobre el sistema cerrado inicial y final es conceptualmente diferente al modelo estequiométrico de conservación del número de átomos en reactivos y productos. Este modelo estequiométrico deriva de avances científicos que requirieron décadas de discusiones hasta llegar al consenso sobre nomenclaturas y reglas sintácticas que subyacen al lenguaje de fórmulas y al conocimiento particular y específico de cada reacción química. La pregunta necesaria para los docentes sería qué se quiere significar con los términos “reactivos” o “productos”. Es decir, la forma de redacción de la ley de Conservación de la Masa y su relación con el concepto de estequiometría puede resultar correcta o no, según la interpretación que se haga de esos dos términos. El experto puede comprender las diferencias entre los términos “producto” y “estado final”. Los estudiantes, en cambio, generalizan el tér- mino “productos” y lo analogan al de “sistema final”. De esta manera podrían aplicar la Ley de Conservación de la Masa sin tener en cuenta ni la presencia de impurezas ni la de reactivos en exceso que queden sin reaccionar, como tampoco los casos de reacciones reversibles en los cuales el sistema final está constituido también por reactivos.
El “hablar química” versus el “comprender química”
El discurso de Química se expresa en muy diversos lenguajes para representar sus explicaciones abstractas: lenguaje verbal en explicaciones y textos; lenguaje gráfico en dibujos y esquemas, tanto de nivel macroscópico como de nivel atómico-molecular; lenguajes matemáticos en ecuaciones y lenguaje de fórmulas químicas en ecuaciones químicas, etc. (GALAGOVSKY, 2008). En el discurso docente y en los libros de texto se utiliza una multiplicidad simultánea de lenguajes explicativos con el fin de representar la complejidad de los conceptos teóricos ex- pertos, que son interpretaciones modeladas sobre funcionamientos a nivel atómico-molecular (GALAGOVSKY; DI GIACOMO; CASTELO, 2009; GALAGOVSKY et al., 2014). Evidentemente, comprender química supone que docentes y estudiantes lleguen a com- partir los significados científicos del discurso químico. Sin embargo, los ejemplos presentados en este trabajo dan cuenta de lo complejo que puede resultar a estudiantes novatos construir aprendizajes sobre temas centrales de la química a partir de discursos que simplifican conceptos pero no ayudan a discriminar los modelos científicos subyacentes. De esta manera los estudiantes quedan expuestos a la construcción de generalizaciones erróneas. Talanquer (2012) plantea que en la comunidad de investigadores en educación en ciencias hay tensión sobre cómo abordar la dicotomía entre las concepciones alternativas de los estudiantes y los modelos científicos. Marín Martínez y Cárdenas Salgado (2011, p. 37) plantean que dentro de la analogía “el estudiante como un científico” se da “excesiva confianza en creer que las respuestas del alumno representan su conocimiento”, poniendo en duda una necesaria concepción de que sus teorías implícitas sean formaciones cognitivas fuertes e inamovibles. Desde el enfoque aquí presentado se plantea que los estudiantes construyen ideas incorrectas
358
Galagovsky, L. R.; Di Giacomo, M. A.; Alí, S.
sobre estequiometría y su relación con la Ley de Conservación de la Masa a partir de generalizar enunciados particulares, pero el propio discurso docente no está exento de responsabilidad. En este trabajo se ha mostrado que el origen de significaciones erróneas que construyen los estudiantes puede partir de un discurso docente que simplifica y omite cuestiones históricas. Oliva Martínez (1999) en una reseña sobre los marcos teóricos que sustentan la posi- bilidad de lograr un cambio conceptual en estudiantes de ciencias, ha señalado que los actuales modelos vigentes tienen escasa capacidad para esclarecer cuáles son los procesos internos que se producirían en la mente de los estudiantes durante el cambio de una idea por otra. En el presente trabajo en complemento con Galagovsky y Giudice (2015) se presenta un nuevo mar- co teórico para interpretar los errores de estudiantes en el tema de estequiometría en relación con la ley de conservación de la masa. Esta propuesta brinda reflexiones epistemológicas que derivan en estrategias de enseñanza más convenientes para los estudiantes, en tanto se asume que los contextos históricos no deben ser simples listados de datos (fechas, nombres, hechos), sino marcos de referencia sobre los modelos científicos que actuaban como plataformas desde las cuales se producía el conocimiento particular.
Referencias ATKINS, P.; JONES, L. Principios de química : los caminos del descubrimiento_._ Buenos Aires: Editorial Médica Panamericana, 2006. BARKER, V. Beyond appearances : students’ misconceptions about basic chemical ideas: a report prepared for the Royal Society of Chemistry. London: Royal Society of Chemistry,
BEN-ZVI, N.; GAI, R. Macro- and micro-chemical comprehension of real-world phenomena: classroom knowledge versus the experience of the senses. Journal of Chemical Education , Washington, v. 71, n. 9, p. 730-734, 1994. BERRY, R. S.; RICE, S.; ROSS, J. Phisical chemistry. New York: Wiley, 1980. BOIDO, G. Lavoisier: la madurez de la química. Ciencia Hoy , Buenos Aires, v. 1, n. 3, p. 78-80, 1989. CARMICHAEL, P. et al. Research on students’ conceptions in science : a bibliography. [Leeds]: University of Leeds: Centre for Studies in Science and Mathematics Education,
CARR, M. Model confusion in chemistry. Research in Science Education , Dordrecht, v. 14, n. 1, p. 97-103, 1984. DE VOS, A. W.; BULTE, A. M. W.; PILOT, A. Chemistry curricula for general education: analysis and elements of a design. In: GILBERT, K. J. et al. (Ed). Chemical education : towards research-based practice. Dordrecht: Kluwer, 2003. p. 101-124.
360
Galagovsky, L. R.; Di Giacomo, M. A.; Alí, S.
McCLARY, L.; TALANQUER, V. College chemistry students’ mental models of acids and acid strength. Journal of Research in Science Teaching , Hoboken, v. 48, n. 4, p. 396-413, 2011a.
______. Heuristic reasoning in chemistry: making decisions about acid strength. International Journal of Science Education , Abingdon, v. 33, n. 10, p. 1433-1454, 2011b.
MAEYER, J.; TALANQUER, V. The role of heuristics in students thinking: ranking of chemical substances. Science Education , Hoboken, v. 94, n. 6, p. 963-984, 2010.
MARÍN MARTÍNEZ, N.; CÁRDENAS SALGADO, F. A. Valoración de los modelos más usados en la enseñanza de las ciencias basados en la analogía “el alumno como científico”. Enseñanza de las Ciencias , Barcelona, v. 29, n. 1, p. 35-46, 2011.
OLIVA MARTÍNEZ. J. M. Algunas reflexiones sobre las concepciones alternativas y el cambio conceptual. Enseñanza de las Ciencias , Barcelona, v. 14, n. 1, p. 87-92, 1999.
SHANNON, C. E.; WEAVER, W. The mathematical theory of communication. Urbana: University of Illinois Press, 1948.
SIENKO, M. J.; PLANE, A. Chemistry. NewYork: McGraw Hill, 1961.
TABER, K. S. Building the structural concepts of chemistry: some considerations from educational research. Chemistry Education : research and practice in Europe, Ioannina, v. 2, n. 2, p. 123-158, 2001.
______. Chemical misconceptions : prevention, diagnosis and cure. London: Royal Society of Chemistry, 2002. v. 1.
______. Learning at the symbolic level. In: GILBERT, J. K.; TREAGUST, D. (Ed.). Multiple representations in chemical education. Dordrecht: Springer, 2009. p. 75-105.
TALANQUER, V. Chemistry education: ten dichotomies we live by. Journal of Chemical Education , Washington, v. 89, n. 11, p. 1340-1344, 2012.
______. Exploring dominant types of explanations built by general chemistry students. International Journal of Science Education , Abingdon, v. 32, n. 18, p. 2393-2412, 2010a.
______. On cognitive constraints and learning progressions: the case of structure of matter. International Journal of Science Education , Abingdon , v. 31, n. 15, p. 2123-2136, 2009.
______. El papel de las ideas previas en el aprendizaje de la química. Alambique : didáctica de las ciencias experimentales, Barcelona, n. 69, p. 35-41, 2011.
______. Pensamiento intuitivo en química: suposiciones implícitas y reglas heurísticas. Enseñanza de las Ciencias , Barcelona, v. 28, n. 2, p. 165-174, 2010b.
TALANQUER, V.; POLLARD, J. Let’s teach how we think instead of what we know. Chemistry Education Research and Practice , Ioannina, v. 11, n. 2, p. 74-83, 2010.
Artigo recebido em 02/03/13. Aceito em 07/01/14.
