El problema de los plásticos y su degradación

Los materiales poliméricos o macromoléculas formadas por la unión mediante enlaces covalentes de sustancias más simples (^{Barroso, Gil y Camacho, 2008}) presentaron su mayor crecimiento en la segunda mitad del siglo pasado, compitiendo en muchas aplicaciones con los materiales metálicos y vidrios convencionales. Esta proliferación se debe a sus propiedades: baja conductividad eléctrica y térmica, transparencia u opacidad según su grado de cristalinidad, gran ductilidad y maleabilidad, baja resistencia mecánica y moderada tenacidad, escasa rigidez, buena resistencia a la corrosión y baja temperatura de uso.

Algunos de estos polímeros se encuentran en la naturaleza y son útiles para el hombre, como resinas, ámbar, seda o gomas vegetales. Posteriormente, se desarrollaron los primeros polímeros sintéticos, obtenidos a partir de la modificación de polímeros naturales como el caucho, la caseína, la ebonita o el celuloide. Estos son considerados como antecesores de los plásticos modernos. La fabricación de la baquelita como el primer plástico sintético termoestable en 1909 supuso el comienzo de la nueva era del plástico (^{García, 2009}), que se mantiene hasta hoy día, puesto que en los últimos años se han desarrollado nuevos polímeros capaces de sustituir a ciertos materiales, debido a las excelentes propiedades de resistencia y rigidez (^{Barroso, Gil y Camacho, 2008}).

En la actualidad, los plásticos se producen de forma masiva para dar cabida a nuevas necesidades, lo que promueve un consumo incesante de los mismos. La mayor parte de los materiales plásticos producidos se emplean en la fabricación de productos de un solo uso como envases o botellas (^{Jaén, Esteve y Banos, 2019})

Sin embargo, el verdadero problema de los plásticos ocurre cuando finaliza su vida útil, donde son varias las posibilidades. Una de las opciones es el depósito en los vertederos, aunque esta opción está siendo eliminada, ya que deteriora el paisaje y su descomposición conjunta con la de otros tipos de residuos origina una fuerte producción de metano. Una segunda opción es la combustión para producir energía, aunque esto genera grandes cantidades de gases contaminantes. La tercera posibilidad es el reciclado, pero exige una eficiente separación, a veces complicada, donde no todos los plásticos son reciclables y donde los ciudadanos juegan un papel importante (^{Arandes, Bilbao y López, 2004}). Todas estas razones hacen que solo el 15% de los residuos plásticos se reciclen.

Si no tiene lugar ninguna de las alternativas expuestas, el destino final de los plásticos es la naturaleza, y mayoritariamente el océano, donde comienza su degradación, entendida como un amplio conjunto de procesos. Esta degradación puede ser térmica, por radiaciones, mecánica, química y biológica (^{Posada, 2012}):

Asimismo, la degradación de los plásticos depende de factores como el tipo de polímero, la edad y las condiciones ambientales (temperatura, irradiación, pH, etc.) pero, independientemente de esto, el proceso es muy lento (^{Smith, Love, Rochman y Neff, 2018}). En cualquier caso, la consecuencia inmediata de la degradación es la fragmentación del material dando lugar a miles de fragmentos denominados microplásticos. Estas partículas son ingeridas por las especies marinas y por este medio pasan al resto de la cadena trófica (^{Jaime, Labrada y Hernández, 2018}).

Búsqueda de soluciones desde la química

La realidad es que los plásticos juegan un papel muy complejo y controvertido en nuestra sociedad y, por ello, las investigaciones en química buscan soluciones. En la actualidad, tiene gran interés la fabricación de materiales transitorios, es decir, la producción de polímeros plásticos metaestables que permiten una rápida degradación de los mismos, en monómeros reciclables, mediante la aplicación de calor, agentes químicos o incluso la luz (^{Feinberg Hernandez, Plantz, Mejia, Sottos, White, & Moore, 2017}).

En resumen, se apuesta por desarrollar nuevos polímeros que presenten las mismas propiedades que los plásticos convencionales, pero que a su vez tengan un período de degradación más corto. Concretamente, se han desarrollado hasta la fecha cuatro tipos (^{Segura, Noguez & Espín, 2007}):

Ante esta situación, también se puso el foco en la escuela para la búsqueda de soluciones. Ya, en 1972, durante la Conferencia de Estocolmo de las Naciones Unidas, se reconoció la educación ambiental como elemento esencial para combatir esta crisis ambiental a nivel mundial. La educación ambiental debe lograr una sociedad más organizada, consciente, capaz de utilizar los recursos de la naturaleza y de permitir su perpetuación.

La práctica científica de indagación como enfoque metodológico

Desde el punto de vista de la educación química, el consumo, la contaminación y degradación de los plásticos se convierte en un problema a abordar en el aula, que queda recogido en el bloque 3 del currículo de química del tercer curso (14-15 años) de la educación secundaria obligatoria en España (^{MECD, 2015}), tanto en los contenidos a tratar como en la evaluación, desglosándose para este último en criterios de evaluación y estándares de aprendizaje evaluables (tabla 1). Como se observa, debemos resaltar, por un lado, la importancia de la industria química en la sociedad, en este caso, en la fabricación de plásticos, y por otro, los efectos en el medioambiente.

La temática expuesta supone que los educadores debemos implicarnos en tareas de concienciación ciudadana que permitan afrontar los problemas ambientales que amenazan la vida en nuestro planeta. Para lograr el objetivo de desarrollar compromisos encaminados al futuro sostenible, es necesario analizar críticamente las amenazas presentes entre los seres humanos y el medio ambiente (^{Jaén, Esteve y Banos, 2019}). Responder a estas necesidades implica dejar a un lado la enseñanza de la química centrada en la memorización de conocimientos, con un aprendizaje superficial, no duradero en el tiempo, que mantiene las ideas alternativas de los fenómenos naturales y del medio físico para explicar el mundo, las cuales son frecuentemente contrarias a las científicas y con escasa repercusión en la vida de los estudiantes y en su capacidad para entender el entorno (^{Torres, 2019}). Un enfoque de enseñanza-aprendizaje interesante para abordar este tema y promover la génesis del conocimiento científico escolar es a través de la práctica científica de la indagación, considerada hoy día una de las líneas más fructíferas y debatidas (^{NRC, 2000}), reconocida por la Unión Europea como una metodología muy efectiva para mejorar la enseñanza de las ciencias.

La práctica científica de indagación puede entenderse como un proceso complejo de construcción de significados y modelos conceptuales, en el que se formulan cuestiones, se diseñan procedimientos para encontrar respuestas, se comprende y construye nuevo conocimiento que se comunica a otros, y se aplica el conocimiento de forma productiva a situaciones no familiares (^{European Comission, 2015}). La indagación pone el foco en el estudiante, dejando al profesor como facilitador o guía dentro del proceso de construcción del aprendizaje (^{Reyes y Padilla, 2012}).

Existe una gran diversidad de enfoques metodológicos de indagación en el aula (^{Rönnebeck, Bernholt y Ropohl, 2016}) siendo uno de los más utilizados el denominado "5E learning cycle" (^{Bybee et al., 2006}), que organiza la enseñanza en cinco etapas: Motivación-Involucramiento (Engagement), Exploración-Investigación, Explicación, Extensión-Elaboración y Evaluación. La propuesta de la ^{NRC (1996)} formula estas etapas de esta forma: (a) planteamiento de preguntas orientadas desde la ciencia que permitan la participación activa del alumnado, (b) recopilación de pruebas por parte del alumnado que permita el desarrollo y la evaluación de las propias explicaciones a las preguntas planteadas, (c) desarrollo de explicaciones para dar respuesta a las preguntas a partir de las pruebas obtenidas, (d) evaluación de las explicaciones que pueden incluir explicaciones alternativas que reflejen una comprensión científica, y (e) comunicación y justificación de las explicaciones propuestas.

La literatura muestra cómo los diferentes autores modifican de forma variable estas propuestas. Del análisis de varias propuestas de indagación, ^{Franco-Mariscal (2015)} concluyó que este enfoque consta de siete dimensiones competenciales: (a) planteamiento de la indagación, (b) manejo de información, (c) planificación y diseño de la indagación, (d) recogida y procesamiento de datos, (e) análisis de datos y emisión de conclusiones, (f) comunicación de resultados, y (g) actitud o reflexión crítica y trabajo en equipo.

En definitiva, el aprendizaje por indagación tiene una incidencia positiva sobre el desarrollo de competencias y destrezas de investigación, la comprensión conceptual de contenidos relacionados con el medio natural y los fenómenos físicos y químicos, y también sobre la actitud de los estudiantes hacia las ciencias en general, y la química en particular (^{Torres, 2019}). Además, ^{Chernicoff y Echeverría (2012)} afirman que contribuye a desarrollar habilidades de pensamiento crítico ya que requiere que los estudiantes utilicen distintos procesos mentales durante las etapas de la indagación. Este aspecto resulta imprescindible para el desarrollo de una concienciación social, como respuesta a los nuevos desafíos que amenazan el medio ambiente.

Participantes

La muestra de este estudio estuvo formada por 25 estudiantes (12 chicos y 13 chicas) españoles de educación secundaria, de edades comprendidas entre 14 y 15 años, que cursaban una asignatura obligatoria de Química en un instituto de secundaria de Málaga.

Descripción de la indagación

A continuación, se describe cómo los estudiantes desarrollaron las distintas etapas de la indagación a lo largo de 15 semanas. Las decisiones en cada una de las etapas de la indagación se debatieron y acordaron en el aula en gran grupo para que fueran comunes a todo el alumnado. La parte experimental de recogida de datos fue realizada por cada estudiante de forma individual en su casa, lo que permitió hacer un seguimiento diario.

Planteamiento del problema

Se planteó al alumnado el problema de acumulación de basuras en su entorno, principalmente de plásticos, en parques o terrenos aún por construir de su barrio. Esta actitud les hizo preguntarse si estos materiales se descompondrán o degradarán por sí solos, cuánto tiempo necesitan para hacerlo y qué consecuencias podría tener si este tiempo de descomposición es muy largo.

Para dar respuesta a este problema, se propuso la realización de una indagación para estudiar la degradación de diferentes materiales plásticos expuestos al aire libre. La indagación propuesta fue de tipo abierta, según la clasificación de ^{Reyes y Padilla (2012)}, donde el estudiante diseña el protocolo de investigación, partiendo de la pregunta dada, emite hipótesis, obtiene resultados, los analiza y extrae sus conclusiones hasta alcanzar la respuesta.

Diseño del experimento y elección de variables

Como materiales para el estudio (variables independientes de la indagación) se propuso a los estudiantes que buscaran diferentes plásticos con estos requisitos:

Con estas características, los estudiantes eligieron mayoritariamente bolsas de plásticos finas y blancas (muestra 1), bolsas blancas resistentes de supermercado (algunas con letras impresas) (muestra 2), bolsas finas coloreadas (muestra 3) y láminas transparentes gruesas de plástico de cuaderno (muestra 4).

Se acordaron como variables controladas las siguientes:

Figura 1 Lugar de exposición de uno de los estudiantes utilizado para la indagación. 

Para decidir, entre todos, las propiedades de los plásticos a evaluar (variables dependientes) se realizó una puesta en común en clase. Se tuvieron en cuenta los agentes atmosféricos que podrían afectar al plástico (sol, viento, lluvia, etc.) y se eligieron propiedades que representaran todos los tipos de degradación (tabla 2) y fueran sencillas de evaluar a diario con mediciones o herramientas sencillas. Tras la puesta en común, los estudiantes elaboraron la tabla 2 como instrumento para registrar diariamente las condiciones climatológicas y los cambios observables en distintas propiedades de los plásticos.

Emisión de hipótesis

Antes de iniciar la indagación se pidió a los estudiantes que emitieran hipótesis sobre la apariencia final de los plásticos después de 100 días a la intemperie.

Recogida y análisis de datos

Cada día, los estudiantes cumplimentaron la tabla de registro tras observar los cambios producidos en cada plástico por las dos caras. La recogida de datos incluía también la realización de una fotografía de cada muestra realizada siempre en las mismas condiciones. Posteriormente, los estudiantes debían relacionar los cambios observados con las propiedades de los plásticos responsables de estas transformaciones.

Establecimiento de conclusiones

Como última etapa de la indagación, los estudiantes debían emitir conclusiones a partir de los resultados obtenidos y verificar si las hipótesis planteadas se confirmaban o rechazaban. Asimismo, los estudiantes debían realizar una memoria incluyendo todas las etapas de la indagación. Los apartados y la información recogida en estas memorias se han analizado de forma cualitativa en este trabajo, junto con el diario de observación del docente.

Planteamiento del problema e hipótesis del alumnado

De forma mayoritaria, los estudiantes mostraron estas ideas iniciales en torno al problema:

Asimismo, los estudiantes plantearon para cada uno de los plásticos una hipótesis respecto a su aspecto final tras la indagación. Éstas, se obtuvieron de forma grupal y consensuada en el aula:

Condiciones ambientales durante la indagación

Las condiciones ambientales a las que se expusieron los plásticos fueron analizadas por los estudiantes dividiendo los 100 días de duración de la indagación por meses y quincenas. La tabla 3 recoge para cada uno de los períodos seleccionados, el clima predominante, las medias de temperaturas máximas y mínimas (en °C) y la precipitación acumulada (en mm), calculados a partir de los datos obtenidos de las aplicaciones móviles de los estudiantes.

La indagación se desarrolló con una temperatura máxima media que osciló entre 14,0 y 22,5 °C, una temperatura mínima media entre 5,0 y 11,5 °C, y una precipitación acumulada de 164 mm en el período estudiado, siendo nula la cantidad de nieve recogida en este período. Asimismo, los fenómenos meteorológicos mayoritarios fueron días nublados (31% de los días), soleados (28%), ventosos (22%) y lluviosos (19%). De este modo, los cambios de temperatura favorecen la degradación térmica, y la presencia de días soleados y lluviosos las degradaciones fotoquímicas e hidrolíticas, respectivamente.

Cambios observados

La tabla 4 recoge los cambios observados para cada plástico. En todos los casos se indica el día o período en el que ocurrió el cambio por primera vez en las distintas muestras. A continuación, se realiza una descripción de lo observado.

Las observaciones realizadas en los plásticos mostraron dos cambios (arrugas y dobleces) como efectos más apreciables (figura 2). Al tratarse de un material impermeable, la lluvia no le afecta, lo que impide que se reblandezca y, por tanto, que se rompa. Cuando el plástico es más resistente como el de una libreta, sólo sufre pequeñas arrugas y no se dobla. Otros cambios detectados, aunque no en todas las muestras, fueron la aparición de algunos puntos negros, probablemente debidos a la formación de algún tipo de moho debido a la lluvia o la rotura de una bolsa (figura 2). Sólo en el caso de aquellas muestras con alguna parte impresa se produjo una leve pérdida de esta información.

Figura 2 Cambios observados en las muestras de plástico: Arrugas y dobleces, aparición de puntos negros, pérdida de color en información impresa y rotura. 

La figura 3 muestra el estado inicial y final de cada plástico, observándose que 100 días son insuficientes para su degradación total, y ni siquiera parcial.

Figura 3 Estado inicial y final de las muestras de plástico investigadas. 

Modelos explicativos de los estudiantes para justificar los cambios observados

Una forma de preservar el interés de los estudiantes durante los 100 días, fue intentando trabajar algunos conceptos técnicos relacionados con los plásticos, con idea de que fuesen capaces de distinguir si los cambios producidos se debían a propiedades físicas o químicas. Un concepto técnico relacionado con propiedades físicas fue la degradación mecánica, mientras que otros relacionados con la estructura interna de la materia fueron la degradación hidrolítica, la degradación de pigmentos fotoquímica y la biodegradación. Asimismo, se preguntó a los estudiantes que razonaran sobre qué había ocurrido a nivel molecular.

La tabla 5, elaborada por los estudiantes tras una puesta en común en el aula, recoge los modelos explicativos del alumnado para justificar los cambios observados en los plásticos de acuerdo con la degradación producida.

Como se observa, los modelos explicativos de los estudiantes son adecuados para su edad. Sin embargo, estos modelos pueden mejorarse demandando al alumnado que justifique en qué casos se ha producido una reacción química y en cuáles no, y a qué es debido. En el caso del olor el estudiante debería relacionar esta observación con la aparición de un compuesto producido en la degradación del plástico. Resulta también recomendable que relacione la cohesión en los plásticos con su estructura interna, conociendo previamente el tipo de moléculas presente en ese tipo de plástico. Otro aspecto interesante es que indague sobre qué sustancias se producen en las reacciones de oxidación para que ocasionen un cambio de color (^{Posada, 2012}).

Explicación de la degradación producida en los plásticos

Seguidamente, se describe la justificación de los efectos producidos por los distintos agentes atmosféricos.

El viento causa una pérdida de elasticidad del material y es responsable de la aparición de arrugas y dobleces (degradación mecánica). Esto está asociado a los efectos macroscópicos que llevan a la fractura y deformación producido por el influjo de las fuerzas de tracción o cizalla. El hecho de haberse observado el rasgado solo en algunos plásticos muestra que la cohesión de las partículas que lo constituyen debe ser fuerte. Asimismo, se observa que los plásticos no son materiales frágiles puesto que no se desprenden trozos de plásticos ni se deshacen con facilidad.

La higroscopicidad o capacidad de un material para absorber y exhalar la humedad está relacionada con el hecho de mojarse por la lluvia, y posteriormente, con la aparición de manchas y suciedad, que solo se apreciaron de forma puntual en algunos plásticos (degradación hidrolítica). Con la absorción de agua ocurre una hinchazón que genera tensiones internas que acaba rompiendo enlaces débiles, sin embargo, la impermeabilidad del plástico es responsable de que no se haya producido por la lluvia un hinchamiento del material.

La radiación solar es responsable del cambio de color en plásticos teñidos o con información impresa en los mismos (radiaciones de alta energía). Esto es debido a que las radicaciones de energía elevadas producen enlaces químicos entre moléculas diferentes, escisiones irreversibles dando como resultado la fragmentación de la molécula que forman o degradan grupos no saturados. Probablemente también hayan ocurrido oxidaciones que han dado lugar a estas transformaciones (degradación química) de forma espontánea cuando los polímeros han entrado en contacto con algunas sustancias químicas, concretamente, el oxígeno molecular de la atmósfera.

La no detección de olor es indicativa de que los agentes atmosféricos, junto con los microorganismos no han sido capaces de producir la degradación de los componentes del plástico. Esta biodegradación consiste en la degradación de alguna molécula por parte de seres vivos, los cuales son capaces de degradar fácilmente polímeros naturales como la madera o el marfil, pero muy difícilmente los polímeros plásticos.

Conclusiones de la indagación

A partir de los resultados obtenidos, los estudiantes valoraron sus ideas iniciales y confirmaron o rechazaron sus hipótesis, lo que les permitió establecer estas conclusiones.