ÚS DEL LEGO EN L’ENSENYAMENT DE LA QUÍMICA A SECUNDÀRIA

Aquesta entrada va especialment per a professors de química de secundària. És el resum de la meitat d’una conferència invitada que vaig presentar a la recent reunió biennal de la Real Sociedad Española de Química (Sitges, 25 a 28 de juny de 2017). És, al seu torn, un resum de l’article publicat a la revista Educació en Química, que pot descarregar-se des d’aquí [+]

No hi ha dubte de l’eficàcia de l’ús d’analogies quan són usades correctament. L’analogia entre l’estructura de la matèria i les construccions del LEGO està força estesa, i el propòsit d’aquesta entrada és fer-ne una crítica tot assenyalant-ne els diversos problemes que genera si s’aplica malament.

Quan, el 1963, es va crear el sistema LEGO les peces eren de formes simples: paral·lelepípedes de diferents gruixos, amplades, alçades i colors, cilindres, plaques i poca cosa més. Amb els anys han augmentat moltíssim el nombre i varietat de peces disponibles, com finestres, rodes, eixos o figures humanes completes des de 1974. Moltes de les peces actuals són dissenyades ad hoc per construir una determinada estructura, en una filosofia molt llunyana de la original, però molt més propera al consumidor actual, menys preocupat pel procés de construcció que pel resultat final. Aquesta ha estat també l’evolució d’altres joguines de construcció com Meccano. En l’analogia que es comenta aquí s’usen només les peces de LEGO genèriques del sistema original.

És trivial usar LEGO per a la maquetació en tota mena de camps, també en la química, com taules periòdiques [+]  o molècules d’ADN. tot i que són molt millors els models moleculars de barres i esferes, o d’espai ple [+] . Aquí no parlem d’això. L’analogia que aquí ens interessa és entre les peces de LEGO i les entitats químiques elementals, àtoms o molècules. Per exemple, Izquierdo et al.  [2011, “Química a infantil i primària. Una nova mirada” Ed. Graó, Barcelona. p. 73-84]  fan ús de les peces de LEGO per visualitzar les reaccions que tenen lloc en la respiració cel·lular. Anderton  [+]  fa una proposta similar d’igualació de reaccions a partir de manipulació de peces de LEGO. L’edat que aquestes propostes recomanen per fer aquests tallers és al voltant dels 11 a 12 anys.

Figura 1. A i B Formes possibles de la molècula d’aigua, si no esté informació de l’estructura. Les altres formes possibles són topològicament equivalents. C Hipotètica molècula d’H16O, possible segons LEGO però sense existència real.

Els tres punts bàsics de l’analogia LEGO-estructures moleculars són evidents:

• cada peça individual de LEGO és anàloga a un àtom. Efectivament, cada peça no es pot fer més petita, és indivisible.
• àtoms diferents venen representats per peces de LEGO diferents. De fet, hi ha moltes més peces de LEGO diferents que tipus d’àtoms, que avui són 118.
• l’unió de dues peces equival a un enllaç entre dos àtoms. Majoritàriament són enllaços covalents.

Les propostes citades usen el joc bàsicament per explicar un aspecte força abstracte de la reacció química, com és l’estequiometria, és a dir el nombre d’àtoms i molècules que participen d’una reacció. En essència el procediment és ben simple:

• s’escriu la reacció a modelitzar en la seva versió molecular
• es construeixen amb LEGO aquestes molècules
• després, en la reacció les molècules inicials de reactants desapareixen, i els àtoms que les constituïen es reordenen donant noves molècules, els productes, mantenint-se invariable globalment el nombre i tipus d’àtoms del sistema en reacció.

Aquesta és l’analogia. Cal ser conscient de que té un grau d’abstracció considerable. La reacció química escrita en paper és ja una abstracció important de la reacció química vista al laboratori, perquè s’ha passat de veure substàncies reals a fórmules de substàncies. I, a més, ara aquestes fórmules es fan anàlogues a construccions de LEGO, però només pel que fa al nombre i tipus de peces involucrades, i no per la seva forma.  El procés mecànic de combinar peces i imaginar noves molècules no presenta dificultats per als alumnes, especialment si no hi ha limitacions a l’hora de fer propostes de molècules de productes a partir de molècules de reactants. Però, i aquí ve la pega principal, en tot el procés d’analogia és probable que s’hi indueixin espontàniament, per acció o per omissió, diferents errors conceptuals. Cal, per tant, evitar o paliar la consolidació d’aquests errors en les ments dels alumnes, identificant-los per tal d’explicitar-los i procurar que els alumnes en siguin conscients.

Se’n indiquen a continuació els més rellevants.

Concepte erroni 1. Imaginar que les molècules es creen unint directament els àtoms dels seus elements constituents. En realitat els esquemes de reacció per obtenir els diferents productes gairebé mai passen per la síntesi directa a partir dels àtoms constituents: l’àcid sulfúric H₂SO₄  no s’obté a partir de S, O i H_,

Concepte erroni 2. Imaginar que les formes de les peces determinen les possibilitats de fer molècules. Però malauradament les “molècules” modelitzades no tenen per què tenir res a veure ni en forma ni en mida relativa -ni, per descomptat, en colors- amb les molècules reals. Només en alguns casos les “molècules” de LEGO i les reals s’assemblen una mica, com en la molècula de l’aigua feta amb una peça de 4×2 i dues de 1×2 (figura 1). Les formes i mides dels àtoms reals no poden ser representades en absolut amb peces de LEGO, i això és una important limitació operativa.

Concepte erroni 3. Imaginar que, així com en el LEGO es poden unir totes les peces entre elles, tots els àtoms es poden unir entre ells donant molècules. Però, en química, no totes les molècules són possibles.

Concepte erroni 4. Imaginar que, de la mateixa manera que les peces de LEGO es poden unir de formes diverses, els àtoms de les molècules també. Així, la molècula H₂O es pot fer amb LEGO unint cada H a l’O, o unint un H a l’O i unint-lo també a l’altre H (H–O–H o H–H–O), però només la primera estructura és correcta.

Concepte erroni 5. Imaginar que, així com en el LEGO una peça pot unir-se amb altres mentres li quedin protuberàncies i buits, l’àtom que la peça representa també pot anar-se unint amb altres àtoms. sense limitació. Però això no és cert.  En l’exemple de la molècula d’aigua, la peça vermella de 2×4 representant l’oxigen podria unir-se, en el límit, amb 16 peces d’1×2 blanques que representen hidrògens, vuit per dalt i vuit per baix. Però l’H₁₆O no existeix (figura 1).

Concepte erroni 6. Imaginar que, de  la mateixa manera que les peces en l’estructura mantenen la seva individualitat, els àtoms en les molècules també la mantenen. Però, de fet, a les molècules -o als metalls, o a les sals, o a les estructures gegants covalents, o a les macromolècules- no hi trobem àtoms com a tals.

Concepte erroni 7. Imaginar que que les reaccions químiques tenen lloc descomponent les molècules dels reactants en els seus àtoms constituents, que després es tornen a reagrupar en altres molècules de productes. Però els mecanismes de reacció són molt més complexos.

Concepte erroni 8. Imaginar que les reaccions tenen lloc completament, és a dir que desapareixen els reactants i es transformen completament en productes. Aquest error és molt comú perquè no es sol distingir prou clarament entre la reacció química a escala de molècules, representada per l’equació química, i la reacció química a escala macroscòpica, on hi poden haver condicions d’equilibri i conversions menors del 100%.

Concepte erroni 9.  Imaginar que les reaccions modelitzables amb LEGO són les úniques existents. Però n’hi ha moltíssimes més, com les reaccions amb metalls, o en dissolució, que  no són prou ben representades amb les peces de LEGO.

Concepte erroni 10. Imaginar que les reaccions tenen lloc d’una forma ràpida, i relacionada amb la rapidesa amb que es poden construir o destruir les estructures de LEGO. La cinètica i el mecanisme de les reaccions no poden ser imaginats veient només l’estequiometria.

Concepte erroni 11. Imaginar que en les reaccions hi ha poca energia involucrada. De fet, el mecanisme real d’unió de dues peces de LEGO entre elles és l’elasticitat del material de que estan fetes, i el fregament, forces molt més febles que les dels enllaços químics.

Concepte erroni 12.  Imaginar que, així com en LEGO es passa directament de les peces individuals als objectes, en la química també es pot passar dels àtoms als objectes per simple creixement de l’estructura. En la realitat hi ha altres estructures intermèdies involucrades, diferents de les molècules, i unides entre elles per enllaços diferents dels covalents.. Això no és possible de visualitzar-ho amb LEGO.

Qualsevol eina didàctica porta implícites determinades limitacions. En el LEGO hi ha una limitació estructural: el joc indueix a visualitzar i imaginar estructures químiques que són molt allunyades de la forma de les estructures reals de la matèria. La segona limitació té a veure amb la reacció química: en cap moment la modelització permet treure cap conclusió sobre aspectes termodinàmics -equilibri, conversió-, o sobre aspectes cinètics -velocitat de reacció- i només permet visualitzar l’estequiometria de les reaccions.

Cal, doncs, que el professor sigui molt conscient de les limitacions de l’analogia LEGO – química, i n’eviti els paranys. Com cal fer en qualsevol altra analogia o metodologia didàctica.

Figura 2.  Reacció de combustió completa del metà visualitzada amb peces de LEGO. A (metà CH4) i B (dues molècules d’oxigen O2) reaccionen donant C (diòxid de carboni CO2) i D (dues molècules d’aigua H2O)