Uso del LEGO en la enseñanza de la química

06/07/2017 0 comentarios
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Se discute el uso de las piezas del juego de construcción LEGO para la enseñanza de algunos conceptos químicos, y se concluye que algunas de las metodologías que se suelen usar son abstractas y muy conceptuales, y pueden generar muchos errores conceptuales en los alumnos. 

Esta entrada resume la mitad de una conferencia invitada que presenté a la reciente reunión bienal de la Real Sociedad Española de Química (Sitges, del 25 al 28 de junio de 2017). Es, a su vez, un resumen del artículo publicado en la revista Educació en Química, en catalán, que puede descargarse aquí [+] 

No hay duda de la eficacia del uso de analogías cuando son usadas correctamente. La analogía entre la estructura de la materia y las construcciones de LEGO está bastante extendida, y el objetivo de esta entrada es hacer su crítica señalando los diversos problemas que genera si no es usada juiciosamente.

Cuando, en 1963, se creó el sistema LEGO las piezas eran de formas simples: paralelepípedos de diferentes grosores, anchuras, alturas y colores, cilindros, placas y poca cosa más. Con los años han aumentado muchísimo el número y variedad de piezas disponibles, como ventanas, ruedas, ejes o figuras humanas introducidas en 1974. Muchas de las piezas actuales son diseñadas ad hoc para construir una determinada estructura, en una filosofía muy lejana de la original, pero mucho más cercana al consumidor actual, menos preocupado por el proceso de construcción que por el resultado final. Esta ha sido también la evolución de otros juguetes de construcción como Meccano. En la analogía que se comenta aquí se usan sólo las piezas de LEGO genéricas del sistema original.

Es trivial usar LEGO para la maquetación en todo tipo de campos, también en la química, como tablas periódicas [+] o moléculas de ADN, a pesar de que son mucho mejores los modelos moleculares de barras y esferas, o de “espacio lleno” [+] . Pero aquí la analogía que nos interesa es entre las piezas de LEGO y las entidades químicas elementales, átomos o moléculas. Por ejemplo, Izquierdo et al. (2011) [Química a infantil y primaria. Una nova mirada, Ed. Graó, Barcelona, p. 73-84] hacen uso de las piezas de LEGO para visualizar las reacciones que tienen lugar en la respiración celular. Anderton [+] hace una propuesta similar de igualación de reacciones a partir de la manipulación de piezas de LEGO. La edad que recomiendan para hacer dichos talleres es alrededor de los 11 a 12 años.

Los tres puntos básicos de la analogía son evidentes: 

Cada pieza elemental de LEGO es análoga a un átomo. Efectivamente, cada pieza no se puede hacer más pequeña, es indivisible.

Átomos diferentes vienen representados por piezas de LEGO diferentes. De hecho, hay muchas más piezas de LEGO diferentes que tipos de átomos, que hoy son 118.

La unión de dos piezas equivale a un enlace entre dos átomos. Mayoritariamente son enlaces covalentes.

Las propuestas citadas usan el juego de construcción básicamente para explicar un aspecto bastante abstracto de la reacción química, como es la estequiometría, es decir el número de átomos y moléculas que participan de una reacción. En esencia el procedimiento es el siguiente:

  • Se escribe la reacción a modelizar en su versión molecular.
  • Se construyen con LEGO las moléculas que intervienen.
  • En la reacción las moléculas iniciales de reactantes desaparecen, y los átomos que las constituían se reordenan dando nuevas moléculas, los productos, manteniéndose invariable globalmente el número y tipo de átomos del sistema en reacción.

A, B Formas posibles de la molécula de agua, si no esté información de la estructura. Las otras formas posibles son topológicamente equivalentes. C Hipotética molécula de H16O, posible según LEGO pero sin existencia real.

Esta es la analogía. Hay que ser consciente de que tiene un grado de abstracción considerable. La reacción química escrita en papel es ya una abstracción importante de la reacción química vista en laboratorio, porque se ha pasado de ver sustancias reales a fórmulas de sustancias. Y, además, ahora estas fórmulas se hacen análogas a construcciones de LEGO, pero solo en cuanto al número y tipo de piezas involucradas, pero no por su forma. El proceso mecánico de combinar piezas e imaginar nuevas moléculas no presenta dificultades para los alumnos, especialmente si no hay limitaciones a la hora de hacer propuestas de moléculas de productos a partir de moléculas de reactantes.

Pero, y aquí viene la limitación principal, en todo el proceso es probable que se induzcan espontáneamente, por acción o por omisión, diferentes errores conceptuales. Hace falta, por lo tanto, evitar o paliar la consolidación de estos errores en las mentes de los alumnos, identificándolos para explicitarlos y procurar que los alumnos sean conscientes de los mismos. Se indican a continuación los más relevantes.

Concepto erróneo 1. Imaginar que las moléculas se crean uniendo directamente los átomos de sus elementos constituyentes. En realidad los esquemas de reacción para obtener los diferentes productos casi nunca pasan por la síntesis directa a partir de los átomos constituyentes: el ácido sulfúrico H2SO4 no se obtiene a partir de S, O y H.

Concepto erróneo 2. Imaginar que las formas de las piezas determinan las posibilidades de hacer moléculas. Pero desgraciadamente las "moléculas" modelizadas no tienen por qué tener nada que ver ni en forma ni en medida relativa —ni, por supuesto, en colores— con las moléculas reales. Sólo en algunos casos las "moléculas" de LEGO y las reales se parecen un poco, como en la molécula del agua hecha con una pieza de 4x2 y dos de 1x2 (figura 1 A y B). Las formas y medidas de los átomos reales no pueden ser representadas en absoluto con piezas de LEGO, y esto es una importante limitación operativa.

Concepto erróneo 3. Imaginar que, así como en el LEGO se pueden unir todas las piezas entre ellas, todos los átomos se pueden unir entre ellos dando moléculas. Pero, en química, no todas las moléculas son posibles. 

Concepto erróneo 4. Imaginar que, del mismo modo que las piezas de LEGO se pueden unir de formas diversas, los átomos de las moléculas también. Así, la molécula H2O se puede hacer con LEGO uniendo cada H al O, o uniendo un H al O y uniéndolo también al otro H (H--O--H o H--H--O), pero sólo la primera estructura es correcta.

Concepto erróneo 5. Imaginar que, así como en el LEGO una pieza puede unirse con otras mientras le queden protuberancias y huecos, el átomo que la pieza representa también puede irse uniendo con otros átomos. Pero esto no es cierto. En el ejemplo de la molécula de agua, la pieza roja de 2x4 representando el oxígeno podría unirse, en el límite, con 16 piezas de 1x2 blancas que representan hidrógenos, ocho por arriba y ocho por bajo. Pero la H16O no existe (figura 1 C).

Concepto erróneo 6. Imaginar que, del mismo modo que las piezas en la estructura mantienen su individualidad, los átomos en las moléculas también la mantienen. Pero, de hecho, en las moléculas -o en los metales, o en las sales, o en las estructuras gigantes covalentes, o en las macromoléculas- no encontramos átomos como tales.

Concepto erróneo 7. Imaginar que las reacciones químicas tienen lugar descomponiendo las moléculas de los reactantes en sus átomos constituyentes, que después se vuelven a reagrupar en otras moléculas de productos. Pero los mecanismos de reacción son mucho más complejos (ver concepto erróneo 1)

Concepto erróneo 8. Imaginar que las reacciones tienen lugar completamente, es decir que desaparecen totalmente los reactantes y se transforman completamente en productos. Este error es muy común porque no se suele distinguir claramente entre la reacción química a escala de moléculas, representada por la ecuación química, y la reacción química a escala macroscópica, donde puede haber condiciones de equilibrio y conversiones menores del 100%.

Concepto erróneo 9. Imaginar que las reacciones modelizables con LEGO son las únicas existentes. Pero hay muchísimas más, como las reacciones con metales, o en disolución, que no se representan bien con las piezas de LEGO.

Concepto erróneo 10. Imaginar que las reacciones tienen lugar de una forma rápida, y relacionada con la rapidez con que se pueden construir o destruir las estructuras de LEGO. La cinética y el mecanismo de las reacciones no pueden ser imaginados viendo sólo la estequiometría.

Concepto erróneo 11. Imaginar que en las reacciones hay poca energía involucrada. De hecho, el mecanismo real de unión de dos piezas de LEGO entre ellas es la elasticidad del material de que están hechos, y el rozamiento, fuerzas mucho más débiles que las de los enlaces químicos.

Concepto erróneo 12. Imaginar que, así como en LEGO se pasa directamente de las piezas individuales a los objetos, en la química también se puede pasar de los átomos a los objetos por simple crecimiento de la estructura. En la realidad hay otras estructuras intermedias involucradas, diferentes de las moléculas, y unidas entre ellas por enlaces diferentes de los covalentes.. Esto no es posible visualizarlo con LEGO.

Cualquier herramienta didáctica lleva implícitas determinadas limitaciones. En el LEGO hay una limitación estructural: el juego induce a visualizar e imaginar estructuras químicas que están muy alejadas de la forma de las estructuras reales de la materia. La segunda limitación tiene que ver con la reacción química: en ningún momento la modelización permite sacar ninguna conclusión sobre aspectos termodinámicos (equilibrio, conversión), o sobre aspectos cinéticos (velocidad de reacción) y sólo permite visualizar la estequiometría de las reacciones.

Es preciso, pues, que el profesor sea muy consciente de las limitaciones de la analogía LEGO-química, y evite las trampas. Como se debe hacer con cualquier otra analogía o metodología didáctica.Combustión de metano CH4 (A) con dos moléculas de oxígeno O2 (B) dando dióxido de carbono CO2 (C) y dos moléculas de agua H2O (D)