Processi di trasformazione

MASTER “UNIVERSITÀ DI UDINE” – A.A. ’07-’08 – CORSO DI CHIMICA
PROCESSI DI TRASFORMAZIONE
di Maria Luisa Scillia
La scienza è fatta di dati come una casa di pietre. Ma un ammasso di dati non è scienza più di
quanto un mucchio di pietre sia una casa. (Jules-Henri Poincaré)
Obiettivi
L’intervento di chimica nel Master sulla “Didattica delle scienze per insegnanti della scuola media
ed elementare”, articolato in due incontri di 5 ore ciascuno, si è posto le seguenti principali finalità:
far riflettere sui contenuti disciplinari al fine di individuare
o le problematiche che possono rappresentare dei nodi concettuali per gli alunni;
o un’articolazione dei concetti in grado di consentire la formazione di reti concettuali
adeguate;
avviare alla progettazione di attività di tipo laboratoriale finalizzate a favorire percorsi di
apprendimento autonomi negli studenti, utilizzando il canale percettivo come primo
approccio ad una tematica;
far elaborare materiale didattico (questionari, schede di laboratorio, domande-chiave attorno
a cui impostare la discussione, ecc…) per un processo di insegnamento-apprendimento
controllabile dal docente nelle sue varie fasi, al fine di evitare distorsioni nella costruzione
dei concetti.
Metodologie adottate
In tutta l’attività svolta con i partecipanti si è fatto uso del metodo PEC (previsione – esperimento –
confronto):
la previsione ha consentito di far emergere le idee spontanee, a volte diverse fra i
partecipanti, elaborate per interpretare una categoria di fenomeni;
l’esperimento ha permesso di aggiungere al bagaglio esperienziale di ciascun partecipante
qualche nuovo dato che a volte si accordava, altre no, con le ipotesi interpretative avanzate
al momento della previsione;
il confronto fra i risultati sperimentali e le ipotesi interpretative alla base delle previsioni ha
consentito di valutare l’attendibilità delle ipotesi stesse.
In un percorso fatto di vari step, a volte si è fatto notare che i dati di cui si disponeva erano ancora
insufficienti per poter trarre una conclusione condivisa e che una riflessione di questo tipo, quando
opportuna, sarebbe da perseguire come obiettivo di elevato valore formativo anche per gli alunni.
Sia nelle attività di tipo laboratoriale che nella discussione sui singoli concetti c’è stato un
coinvolgimento diretto dei partecipanti che, in un gioco di ruoli, hanno fatto il tentativo di mettersi
nei panni degli alunni per considerare le possibili molteplicità di interpretazione dei dati ottenibili
dall’osservazione dei fenomeni e mettere così a punto argomentazioni per confutare quelle meno
adeguate.
Ai partecipanti sono state fornite le schede di laboratorio di tutte le esperienze condotte per favorire
una critica costruttiva.
Materiali proposti
Molte delle proposte operative offerte erano state sperimentate nell’ambito di iniziative di
educazione informale o nell’ambito di corsi di formazione all’interno della SSIS promossi in
passato dall’Università di Udine.
Nodi concettuali emersi
Nel corso dell’attività, attraverso la discussione, è emersa nei partecipanti la generale difficoltà a
mettere a punto procedure per operare sul piano fenomenico, piuttosto che facendo ricorso a
modelli atomico-molecolari e all’uso di formule (si è colta l’occasione per sottolineare come questa
metodologia sia sconsigliabile quando gli alunni non posseggono ancora i prerequisiti adatti) per
introdurre la maggior parte dei concetti in chimica e in particolare sono emerse difficoltà (a volte
dei veri nodi concettuali) su:
criterio di reversibilità per distinguere i fenomeni fisici da quelli chimici (considerati
impropriamente irreversibili) piuttosto che criterio basato sul riconoscimento delle sostanze;
 distinzione fra densità e concentrazione nelle soluzioni basata più sull’uso delle unità di
misura che su una chiara differenza fra i due concetti;
 mancanza di un chiaro criterio-guida per produrre, riconoscere e fare misure relativamente
alle sostanze gassose;
e soprattutto
 mancanza di un chiaro criterio-guida per individuare una procedura operativa finalizzata a
distinguere il frazionamento di un miscuglio dalla scomposizione di un composto;
 mancanza di un chiaro criterio-guida per individuare una procedura operativa finalizzata a
distinguere la formazione di un miscuglio dalla sintesi di un composto.
Tematiche affrontate
Le tematiche attorno a cui si è sviluppata l’attività hanno riguardato:
1. proprietà caratteristiche delle sostanze, utili per il loro riconoscimento e la classificazione
dei fenomeni in fisici (le sostanze si conservano) o chimici (si formano nuove sostanze);
o fase prevalente (solida, liquida, gassosa) in uno specifico intervallo di temperature;
o densità di solidi, liquidi, gas;
o struttura cristallina;
o solubilità
 di sostanze diverse nello stesso solvente;
 di una sostanza nello stesso solvente al variare della temperatura;
 di una sostanza in solventi diversi;
2. distinzione fra densità e concentrazione nelle soluzioni;
3. riconoscimento del tipo di fenomeno (fisico o chimico) in situazioni problematiche;
o cristallizzazione per sovrassaturazione / per precipitazione in seguito a reazione;
o frazionamento di miscuglio / scomposizione di un composto;
o formazione di miscugli / sintesi a freddo di un composto;
4. andamento di processi fisico/chimici a diverse temperature;
o variazione della solubilità di un solido / di un gas;
o sublimazione / formazione di prodotti volatili per scomposizione di un composto;
o disidratazione / reidratazione di un sale idrato;
o combustione e riconoscimento dei prodotti di combustione acqua e diossido di
carbonio;
o diffusione di solidi / liquidi in liquidi;
5. scambi energetici fra sistema e ambiente:
o processi di dissoluzione di sali;
o additività negli scambi energetici di processi scomponibili in più tappe;
6. processi elettro-chimici:
o pila Daniell;
o elettrolisi dell’acqua (in sistemi ottenuti con materiale povero e non pericoloso).
Di seguito sono illustrate a grandi linee le attività svolte per ciascuna tematica, di cui a volte viene
sottolineata l’importanza sul piano formativo.
1. Proprietà caratteristiche delle sostanze
L’importanza del tema sta nel fatto che nella scuola di base, in cui la chimica trasmessa facendo uso
di formule rischierebbe di essere acquisita solo meccanicamente, anche in considerazione dello
sviluppo intellettivo degli alunni, l’approccio più efficace alle tematiche è quello che sfrutta il
canale percettivo e pertanto nell’esplorazione del mondo fenomenico occorre saper riconoscere la
natura dei campioni con cui si opera.
Nella consapevolezza, condivisa da tutti i partecipanti, della difficoltà di far acquisire in modo
“significativo” il concetto di densità, è stato proposto un percorso, peraltro già sperimentato in
passato all’interno di laboratori cognitivi promossi dall’Università di Udine come iniziativa di
educazione informale, di cui qui si fa solo un breve cenno, per consentire una costruzione
“autonoma” del concetto da parte degli stessi alunni, costituito dai seguenti step:
corpi di sostanze diverse con volume uguale hanno massa diversa;
corpi di sostanze diverse con massa uguale hanno volume diverso;
corpi della stessa sostanza con volumi multipli hanno masse multiple;
in un grafico m/V ad ogni sostanza compete una retta specifica;
volumi uguali di liquidi diversi hanno masse e densità diverse;
costruzione di un densimetro “casalingo”.
Infine sono stati prodotti e se ne sono determinate le densità e alcune proprietà chimiche
(soprattutto rispetto alle combustioni) i gas CO2, O2, H2; gli ultimi due gas allo scopo di trovare
argomenti per confutare l’idea spontanea piuttosto diffusa, che rappresenta un vero “nodo
concettuale” per gli alunni, che l’acqua sia un “miscuglio” di idrogeno e ossigeno.
Riguardo alla proprietà delle sostanze rappresentata da una specifica struttura cristallina si sono
ottenuti cristalli per evaporazione del solvente a partire da soluzioni sature a caldo (es. solfato di
rame pentaidrato CuSO4·5H2O, nitrato di potassio KNO3, allume di rocca KAl(SO4)2, cloruro di
sodio NaCl) usando accorgimenti per ottenere cristalli singoli (e non aggregati) ai fini di un
migliore riconoscimento.
Il concetto di solubilità è stato affrontato distinguendo i casi di
diversa solubilità di sostanze diverse (es. iodio e solfato di rame) in uno stesso solvente
(acqua) alla stessa temperatura (T ambiente);
diversa solubilità di una stessa sostanza (nei due casi di iodio e cloruro di sodio) in solventi
diversi (es. acqua e etanolo) alla stessa temperatura (T ambiente);
diversa solubilità di una stessa sostanza (es. solfato di rame pentaidrato) nello stesso
solvente (acqua) a diverse temperature (rispettivamente 20° e 70° C).
2. Distinzione fra densità e concentrazione nelle soluzioni
Sono state proposte alcune situazioni problematiche per stimolare la messa a punto dei due concetti.
Nelle soluzioni di solidi in liquidi all’aumentare della concentrazione aumenta, sì, anche la densità,
ma non con lo stesso rapporto.
Non sempre nelle soluzioni di liquidi in liquidi se aumenta la concentrazione aumenta anche la
densità (ad es. nelle soluzioni acqua-etanolo all’aumentare della concentrazione dell’etanolo
diminuisce la densità della soluzione).
In qualunque tipo di soluzione quando la concentrazione si dimezza la densità non si dimezza;
quando la concentrazione tende a 0, la densità non tende a 0, ecc…
3. Riconoscimento del tipo di fenomeno (fisico o chimico) in situazioni problematiche
Sono stati individuate le differenze nei processi di precipitazione nei due casi di
cristallizzazione da soluzioni sovrassature (es. CuSO4·5H2O);
formazione di un prodotto di reazione poco solubile, come nella reazione
CO2 (g) + Ca2+ (aq) + 2OH-(aq)  H2O(aq) + CaCO3 (s) .
Sono stati distinti i due casi di
frazionamento di un miscuglio (es. cromatografia su carta da filtro di un estratto di clorofilla
grezza);
scomposizione di un composto (es. riscaldamento di clorato di potassio KClO3 (s)).
In questa tematica l’attività più importante è stata rappresentata dall’individuazione della
composizione di sistemi in evoluzione (da un miscuglio si ottiene un composto).
Il tema fonda la sua importanza, oltre che sul fatto che si tratta di concetti-base, sul fatto che,
mentre il concetto di miscuglio è spontaneo, quello di composto non lo è altrettanto per gli alunni
(ad esempio per molti l’ossigeno che i pesci respirano è quello che “costituisce” l’acqua!).
È stato infatti effettuato con l’uso dei solventi acqua ed etanolo il riconoscimento delle sostanze
presenti, all’inizio e in seguito a intimo mescolamento con mortaio e pestello, nei seguenti due casi:
1. il sistema all’inizio è costituito da mercurio e iodio nel rapporto massale di 1:0,63 (alla fine
si forma il sale verde HgI);
2. il sistema all’inizio è costituito da mercurio e iodio nel rapporto massale di 1:1,26 (alla fine
si forma il sale rosso HgI2).
4. Andamento di processi fisico/chimici a diverse temperature
Sono state messe a confronto le variazione di solubilità in acqua rispettivamente
del sale CuSO4·5H2O (la solubilità aumenta con l’aumentare della temperatura e da una
soluzione satura a caldo per evaporazione del solvente si ottiene una maggiore massa di
cristalli rispetto a quelli ottenibili da una soluzione satura a freddo);
del gas CO2 (la solubilità diminuisce con l’aumentare della temperatura e mentre una
soluzione a freddo ha proprietà acide evidenziate dall’indicatore blu di bromotimolo che vira
al giallo, per riscaldamento si ha di nuovo viraggio al blu per degassificazione).
Sono stati distinti i due casi di formazione di vapori in seguito a riscaldamento
per sublimazione (es. iodio I2 (s)  I2 (v)); i saggi di riconoscimento dei cristallini ottenuti per
brinamento dai vapori erano basati sulla solubilità in acqua e in etanolo;
per scomposizione di un glucide (es. glucosio che produce carbonio C(s) e vapore H2O,
riconoscibili con saggi opportuni).
È stata sostenuta con argomentazioni fondate sui dati sperimentali l’ipotesi della presenza di acqua
di cristallizzazione in un sale come CuSO4·5H2O per disidratazione e successiva reidratazione.
Sono stati analizzati diversi processi di combustione, tema importante ai fini di una chiara lettura
delle trasformazioni che si producono nell’ambiente in molte attività umane e soprattutto sono stati
condotti saggi di riconoscimento per i due principali prodotti di combustione CO2 e H2O.
Infine è stata controllata la diversa velocità di diffusione di liquidi e solidi in liquidi a diverse
temperature. Questo tema deve la sua importanza alle prospettive che apre al fine di
individuare la presenza di energia sotto forma di energia cinetica nei sistemi;
formulare ipotesi sulla struttura (particellare) della materia.
5. Scambi energetici fra sistema e ambiente
In sistemi termicamente isolati (thermos) con l’uso di sensori on-line sono state controllate le
variazioni di temperatura conseguenti a processi di dissoluzione nei due casi di
aumento di temperatura (dissoluzione di cloruro di calcio CaCl2);
diminuzione di temperatura (dissoluzione di cloruro di ammonio NH4Cl).
Sono state poi registrate e messe a confronto le variazioni di temperatura da una parte nel caso di un
processo complesso scomponibile in due tappe (reazione fra NaOH(s) e HCl(aq), in cui l’aumento di
T è causato sia dal processo di dissoluzione di NaOH(s) che dalla reazione acido-base) dall’altra in
ciascuna delle due tappe (dissoluzione di NaOH(s) e reazione fra NaOH(aq) e HCl(aq)), per riscontrare
il principio della additività delle variazioni di temperatura (per i docenti, ma solo per essi, si può
anche dire delle variazioni di entalpia), in accordo col primo principio della termodinamica
(conservazione dell’energia).
6. Processi elettro-chimici
Si sono analizzati i due sistemi
pila Daniell, come esempio di sistema in cui si ha trasformazione dell’energia chimica in
energia elettrica;
una cella elettrolitica come esempio di sistema in cui avviene la trasformazione inversa.
La pila Daniell si presta ad una “lettura” chiara delle trasformazioni in gioco, in particolare se la si
utilizza fino all’esaurimento e il suo uso fatto secondo il metodo del controllo delle variabili
consente di individuare le caratteristiche salienti del sistema.
Nella cella elettrolitica usata (vaschetta contenente una innocua soluzione di NaHCO3, con provette
capovolte in cui raccogliere i gas prodotti ed elettrodi a forma di uncino che vi pescano dentro) i
prodotti sviluppati ai due elettrodi erano i due gas H2 e O2, riconoscibili attraverso opportuni saggi.
Questa esperienza consente di chiudere il cerchio sul problema della composizione dell’acqua in
quanto solo facendo avvenire la reazione (opposta all’elettrolisi dell’acqua) di combustione del
campione di idrogeno ottenuto al catodo in presenza dell’ossigeno dell’aria si riottiene acqua sotto
forma di vapore (una parte condensa sotto forma di goccioline nella provetta, pur se aperta e con
l’imboccatura verso l’alto, in cui era contenuto l’idrogeno).
Verifiche
Ai partecipanti, oltre al coinvolgimento diretto nelle attività di tipo laboratoriale e nella discussione,
è stato chiesto di esprimere successivamente in un breve scritto le loro riflessioni personali su
 l’individuazione di nodi concettuali;
 la valenza didattica delle proposte operative offerte nell’incontro;
 eventuali proposte alternative nella prospettiva di un lavoro in classe.
Materiali consultabili in rete
Il file in Power Point “Processi di trasformazione” utilizzato nei due incontri e contenente molte
illustrazioni sotto forma di immagini, è inserito nel sito dell’Università di Udine dedicato al Master
http://disci.fisica.uniud.it
Inoltre buona parte del materiale proposto può essere ritrovato nei due siti:
http://www.fisica.uniud.it/URDF/ffc/chimica/index.htm
http://web.uniud.it/cird/secif/termo/termo.htm
Va precisato che rispetto ai materiali proposti presenti nei siti sono state introdotte modifiche nelle
proposte operative, finalizzate a una più facile e univoca “lettura e interpretazione” dei risultati
sperimentali.