Premessa L'unita di lavoro, che verrà di seguito illustrata nei contenuti, nei tempi e nei metodi di esecuzione, non è stata semplicemente ipotizzata, bensì è stata realmente attuata in una mia classe 1°.
Il concetto di sostanza dal punto di vista chimico e fisico
Sviluppo del piano di lavoro Il concetto di sostanza verrà affrontato anche negli anni successivi, in seconda e terza, nell'ambito dello studio della Chimica, considerata protagonista nelle tematiche ambientali. L'attività impegnerà, quindi, il triennio, in prima con esperimenti di separazione di tipo fisico, in quanto più immediatamente comprensibili dai ragazzi; in seconda con test e saggi di riconoscimento di tipo chimico; si concluderà in terza con lo studio delle sostanze, in base al loro comportamento nelle reazioni chimiche.
Considerazioni sulle scelte metodologiche Una caratteristica abbastanza particolare della Chimica è che, nella maggior parte dei casi, le sostanze non vengono studiate in quanto tali, ma attraverso lo studio di come si trasformano. È attraverso tale studio che le sostanze stesse sono caratterizzate, a partire dalle definizioni di tipo operativo, fino a descrizioni molto dettagliate a livello microscopico. Perciò mi è sembrato indispensabile presentare il tema "sostanza" nel contesto sperimentale più tipico della Chimica, riproducendo le situazioni risultanti dalla manipolazione delle sostanze, facendo osservare ai ragazzi cosa succede, ad esempio, quando due materiali vengono messi a contatto oppure quando si riscalda una sostanza o, ancora, quando la si pone a contatto di una fiamma. I risultati di questi esperimenti hanno costituito la base sulla quale si sono costruiti, successivamente, il linguaggio e i concetti necessari a fornire la spiegazione dei fenomeni osservati. Scopi e finalità Questa unità si propone di sviluppare alcuni temi della Chimica di base, a partire dalle proprietà osservabili dei corpi materiali. Le attività svolte sono state un'occasione per acquisire determinate abilità manuali e utilizzare il contesto sperimentale, via via realizzato, per attivare quelle connessioni tra fatti sperimentali e categorie concettuali, che sono il fondamento del processo conoscitivo nelle discipline sperimentali. Obiettivi raggiunti, contenuti e concetti acquisiti
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• Capire che le proprietà dei corpi permettono di classificarli. • Saper scegliere le proprietà più utili per classificare diversi oggetti (uso di tabelle per • • • • • • •
osservazioni macroscopiche). Gli stati della materia. Differenza fra proprietà fisiche e proprietà chimiche. Concetto di solubilità, soluzione satura. Metodi di separazione dei componenti di un miscuglio (decantazione, filtrazione, evaporazione del solvente, centrifugazione, solubilità di alcuni componenti, distillazione). Concetto di sostanza pura: cromotografia su carta delle componenti di un inchiostro. Riconoscimento di sostanze mediante la determinazione del loro peso specifico. Colorazione alla fiamma Bunsen.
Sequenza, fasi e modalità di attuazione dell'itinerario sperimentale Si è partiti dando ai ragazzi schede su: • nomenclatura e uso corretto delle attrezzature; • norme per lavorare in condizioni di sicurezza; • fonti di pericolo (sostanze chimiche, apparecchi di vetro, uso del fuoco ecc.). Abbiamo fatto uso sistematico di un attrezzato laboratorio chimico nell'ambito dell'offerta di collaborazione dell'I.T.I.S. "Mattei" di Faenza; abbiamo usufruito del laboratorio scolastico per approfondire e concettualizzare i risultati delle esperienze attuate all'I.T.I.S. Le esperienze svolte sono state concepite come una sequenza logica che permettesse di arrivare alla definizione operativa di sostanza pura a partire dall'esame delle proprietà chimiche e fisiche dei corpi materiali. L'obiettivo di questo modo di procedere è di seguire una metodologia e, conseguentemente ,usare un linguaggio, che non dia per acquisiti determinati concetti, ma metta invece in condizione di partire dagli esperimenti cogliendone l'aspetto più generalizzabile, facendo correlare quanto si osserva o si fa con quanto si dice o si deduce o si ipotizza.
L'attività di laboratorio è stata impostata nel seguente modo: • discussione collettiva per progettare le esperienze in relazione al problema identificato e formulato. • Suddivisione del lavoro in gruppi (non più di tre componenti). • Definizione di una procedura comune per confrontare i risultati. • Esecuzione delle esperienze. • Relazione dei gruppi. • Discussione generale e concettualizzazione dei risultati ottenuti, dopo averli valutati criticamente e aver fornito una risposta al problema.
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Attività sperimentale preliminare nel laboratorio scolastico.
• Da osservazioni su tutto ciò che ci circonda si è arrivati alle due proprietà comuni a tutti gli •
•
oggetti: massa e volume. Proprietà dei tre stati della materia. Modello della materia: "palline" tenute insieme da forze di attrazione (esempio della forza magnetica, che i ragazzi già conoscono). Queste forze possono essere vinte somministrando energia sotto forma di calore alla materia; "le palline" si muovono più velocemente e riescono ad allontanarsi. Questo modello e il modo di esporlo sono molto criticabili, ma, secondo la mia personale esperienza, i ragazzi di 1° li recepiscono con facilità. Passaggi di stato: attività sperimentale, preceduta da una discussione da cui emergano le previsioni dei ragazzi sulla forma del grafico tempo - temperatura nei passaggi di stato solido liquido - vapore dell'acqua (nessun alunno prevede la presenza di "gradini"). Dalla tabulazione dei dati sperimentali si disegna il grafico che si confronta con il grafico previsto; si discute, alla luce del modello "a palline", l'andamento del grafico sperimentale.
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SCHEDA DI LAVORO N.1 Problema - Domanda Tutto ciò che sembra "uguale" è in realtà formato dalle stesse sostanze? Oggetto dell'esperienza Separazione fisica di sue sostanze mediante evaporazione. Materiale: -
due becker termo-resistenti, forma bassa; acqua distillata; soluzione di acqua di rubinetto e sale da cucina (cloruro di sodio NaCl);due treppiedi in acciaio; due fiamme Bunsen; due reticelle metalliche frangi-fiamma; due bacchette di vetro.
Procedimento Osservate i due becker, uno contenente solo acqua distillata, l'altro una soluzione di acqua e NaCl(già preparati e indistinguibili). Formulate delle ipotesi, quindi faote evaporare i contenuti dei due becker alla fiamma Bunsen. Descrizione Descrivete dettagliatamente ciò che accade e traete conclusioni motivate Note per l’insegnante Risultato dell’osservazione Nel primo becker non rimane nulla, nel secondo si osserva un residuo secco. Conclusioni Si può far rilevare ai ragazzi che nel secondo becker c'era almeno una sostanza in più rispetto al primo. Non si pone per ora il problema di verificare se il liquido evaporato, nel secondo becker, era formato da una o più sostanze, la stessa cosa per il residuo secco. Siamo, comunque, riusciti a separare sostanze mediante evaporazione. Tempi: 1 ora
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SCHEDA DI LAVORO N.2 Problema -Domanda Dopo aver preparato davanti agli alunni un miscuglio di acqua, sabbia e solfato di rame, si chiede loro come poter separare i tre componenti. Oggetto dell'esperienza Separazione dei componenti di un miscuglio eterogeneo mediante filtrazione ed evaporazione Materiale (per ciascun gruppo): becker termo-resistente; beuta; bacchetta di vetro; carta da filtro; imbuto;spruzzetta;sabbia;solfato di rame CuSO4;acqua distillata; treppiede;fiamma Bunsen;reticella metallica frangi-fiamma. Procedimento 1° fase- Mescolate nel becker acqua distillata, solfato di rame e sabbia, riscaldate il tutto alla fiamma Bunsen rimescolando con la bacchetta di vetro. 2° fase- Ponete l'imbuto sulla beuta, preparate un filtro normale, inseritelo nell'imbuto e bagnatelo con la spruzzetta per farlo aderire meglio alla superficie di appoggio. 3° fase- Versate il miscuglio nel sistema filtro – imbuto e attendete il tempo necessario….. 4° fase- Per separare il solfato di rame dall'acqua distillata, fatela evaporare per riscaldamento Descrizione: descrivete bene ciò che accade e traete conclusioni motivate
Note per l’insegnante Risultato delle osservazioni nelle varie fasi 1° osservazione relativa alla 1°fase: Il liquido si colora in azzurro per lo scioglimento dei cristalli di solfato di rame, mentre la sabbia rimane in sospensione. 2° osservazione relativa alle fasi 2° e3°: Il liquido, passato nella beuta, attraverso il sistema filtroimbuto, è di colore azzurro limpido, senza tracce di sabbia, che rimane depositata sulla carta da filtro. Conclusioni : Si fa rilevare ai ragazzi che si possono separare i due componenti solidi di un miscuglio eterogeneo per filtrazione della parte liquida; il componente insolubile rimane sulla carta da filtro mentre il componente disciolto si ottiene per evaporazione del solvente. Tempi: 2 ore
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ATTIVITA’ DI ESERCITAZIONE (CONSOLIDAMENTO-APPROFONDIMENTO)
PER L’ALUNNO
Verificate il comportamento di sostanze uguali in solventi diversi;
Effettuate le prove sperimentali e compilate una tabella descrivendone il comportamento
PER L’INSEGNANTE Si propongono materiali come quelli indicati di seguito e si fanno compilare tabelle analoghe
Solvente
Soluto
Comportamento
Acqua
Sale (NaCl)
Solubile
Acqua
Zucchero
Solubile
Acqua
Inchiostro
Solubile
Acqua
Olio
Non solubile, si separa poi dal solvente
Alcool
Sale (NaCl)
Poco solubile
Alcool
Zucchero
Poco solubile
Alcool
Inchiostro
Solubile
Alcool
Olio
Appaiono tante goccioline ma non si separano dal solvente
Olio
Sale
Poco solubile
Olio
Zucchero
Poco solubile
Olio
Inchiostro
Poco solubile
Olio
Olio
Non si distinguono più
NOTA A discrezione dell’insegnante, si potrebbero approfondire alcuni aspetti come il seguente La temperatura del solvente può influenzare la solubilità di una sostanza? Si fanno alcune prove suggerite dagli alunni, riferite a situazioni quotidiane (per fare il tè o il caffè come deve essere l'acqua?).
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SCHEDA DI LAVORO N.3 Problema- Domanda Come si possono separare due liquidi non miscibili?
Oggetto dell'esperienza: Separazione di componenti non miscibili in una emulsione acquaolio. Materiale: imbuto separatore o in alternativa imbuto normale con un tappo di gomma applicato all'imboccatura e chiuso con una pinza;olio;acqua. Procedimento: Versate due uguali quantità di acqua e olio nell'imbuto separatore chiuso al fondo, e lasciate riposare l'emulsione. Fate previsioni su quale liquido uscirà per primo aprendo il rubinetto. Successivamente aprite il rubinetto e osservate……quindi, chiudete il rubinetto e provate a isolare la seconda sostanza. Potete recuperarla ? In che modo? Descrizione: descrivete con cura che cosa accade , traendo conclusioni motivate.
Note per l’insegnante Risultato dell’osservazione: l'acqua uscirà per prima perché più pesante dell'olio. Si chiude il rubinetto e la frazione di olio rimane nell'imbuto. Successivamente l'olio si recupera facendolo defluire in un recipiente. Conclusioni Si fa rilevare ai ragazzi che liquidi non miscibili (in questo caso acqua e olio) si possono separare sfruttando il loro diverso peso.( Questa esperienza offre la possibilità ai ragazzi di riflettere sul peso e come tale caratteristica sia DETERMINANTE PER SEPARARE SOSTANZE DIVERSE) Eventuale approfondimento Si chiede ai ragazzi se lo stesso risultato si può ottenere senza l'imbuto separatore. Si arriva alla conclusione, e successivamente se ne potrebbe effettuare la prova, che si può separare l'acqua dall'olio semplicemente lasciando a riposo per qualche tempo l'emulsione. L'olio si dispone sull'acqua e si può aspirare molto attentamente con una pipetta di tipo Pasteur. Questo procedimento si chiama decantazione. Tempi: 2 ore
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Proseguendo nell'itinerario didattico - sperimentale e nell'ambito delle discussioni collettive con i ragazzi, è sorta la curiosità di conoscere e, quindi , di saper determinare la quantità dei componenti di un miscuglio; ciò ha portato alla formulazione del seguente problema. Problema n. 4 Determinare il volume totale di un miscuglio eterogeneo e la % dei componenti dopo averli separati completamente.
Materiale: -
beuta da 250 ml; due cilindri graduati da 100 cm3; un imbuto separatore da 500 ml; un becker da 400 ml; solfato di rame in soluzione; iodio in esano in soluzione.
Procedimento Si versa il miscuglio eterogeneo, solfato di rame (colore azzurro) + iodio in esano in soluzione (di colore ciclamino), dalla beuta, che lo contiene, nel becker e si legge il volume totale, 132 cm3. Si versa, quindi, il miscuglio nell'imbuto separatore e si raccolgono in due diversi cilindri graduati i due componenti. Il volume del solfato di rame risulta di 94 cm3, quello dello iodio in esano di 38 cm3. Conclusioni La percentuale del solfato di rame nel miscuglio è 94 / 132 x 100 ~71,2 %, quella dello iodio in esano 38 / 132 x 100 ~28,8 % Tempi: 2 ore
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Un modo operativo per riconoscere se una sostanza è pura: la cromotografia su carta di coloranti solubili in acqua o in alcool. Problema n. 5 L'inchiostro della BIC nera si presenta alla vista come una sostanza omogenea, ma in realtà è una sostanza pura? Dopo una discussione collettiva e la formulazione di varie ipotesi, si è attuato il seguente esperimento. Materiale: -
carta da filtro; penna biro BIC nera; acqua distillata; alcool etilico; due becker, uno piccolo e uno grande.
Procedimento Si segna un tratto, non spesso, con la Bic nera sulla carta da filtro in basso e si versano due uguali quantità di acqua distillata e di alcool etilico nel becker piccolo. Si inserisce la carta da filtro nel liquido, così ottenuto, in modo che soltanto la parte inferiore sia immersa e il tratto di inchiostro Bic rimanga al di sopra del livello del liquido. Si ricopre il piccolo con il becker grande e si lascia così il sistema. Osservazione Dopo un certo tempo si osserva sulla carta da filtro una successione di colori diversi, che vanno dal giallo ad una tonalità di rosa intenso, passando attraverso l'azzurro e il violetto. Conclusioni L'inchiostro della Bic nera non è una sostanza pura perché si è scomposta in varie sostanze, evidenziate dai vari differenti colori apparsi sulla carta da filtro. Note Si informano i ragazzi che questa tecnica di separazione si chiama cromotografia su carta, il termine cromotografia significa letteralmente "registrazione dei colori" e indica chiaramente le caratteristiche di questo processo, molto utilizzato anche in analisi per individuare, in base al loro colore, le sostanze presenti in soluzione. La successione dei vari colori ottenuti è il cromatogramma. Poiché i ragazzi conoscono già il fenomeno della capillarità riescono a comprendere agevolmente che l'originale tratto di inchiostro viene trascinato verso l'alto dalla corrente ascendente d'acqua + alcool etilico e che le varie sostanze, contenute nell'inchiostro, si separano per la loro differente velocità di spostamento. Tempi: 2 ore
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Saggi alla fiamma
Questa tecnica di riconoscimento dei metalli, mediante l'esame del colore assunto dalla fiamma Bunsen, è stata proposta ai ragazzi come momento conoscitivo - ludico per la spettacolarità e la bellezza degli effetti. Non è stato, quindi, presentato un "problema" come per le altre esperienze in quanto risulta pressoché impossibile far comprendere a ragazzi di 1° media che, fornendo energia ad un certo metallo, ossia scaldandolo, si provoca lo spostamento su orbite più energetiche di certi elettroni, i quali, tornando poi al livello originale, emettono l'eccesso di energia sotto forma di radiazioni luminose, che corrispondono, quindi, a transizioni da stati eccitati instabili a stati "normali" o "fondamentali" stabili dell'atomo. Nella prova su filo di platino si utilizza appunto questo fenomeno per individuare la presenza di alcuni elementi, i cui atomi vengono facilmente eccitati alla temperatura di una fiamma Bunsen. Si tratta di un'analisi spettrale che implica radiazioni elettromagnetiche di particolare lunghezza d'onda, poiché, solo se queste cadono nel campo del visibile, si ha la sensazione del colore. Le colorazione appaiono tanto più facilmente quanto più volatili sono i sali; poiché le sostanze più volatili sono i cloruri, si introduce il filo di platino in una microprovetta contenente HCl (acido cloridrico) diluito e poi, dopo aver toccato la polvere metallica posta su un vetrino di orologio, lo si scalda alla fiamma, ottenendo colorazioni diverse per i diversi metalli. Pertanto ai ragazzi è stato semplicemente detto che i metalli (non tutti), se riscaldati alla fiamma Bunsen, hanno la capacità di colorarla e che ciascun metallo determina una colorazione particolare.
Esperienza di saggi alla fiamma Materiale: -
becco Bunsen; filo di nichel-cromo lungo 5-6 cm e fissato su una bacchetta di vetro; soluzione di acido cloridrico, piuttosto concentrata; alcuni campioni di metalli, ridotti in polvere; - litio; - sodio; - potassio; - calcio; - rame; - stronzio; - bario.
Procedimento Si accende il becco Bunsen e si accerta che il filo di nichel-cromo, arroventato alla fiamma, non determini alcuna colorazione. In caso contrario, si immerge il filo nell'acido cloridrico una o più volte, fino a quando non si ottiene il risultato voluto, ossia la scomparsa di una qualsiasi colorazione della fiamma. Si fa un piccolo anello sulla punta del filo di nichel-cromo, si immerge nuovamente nell'acido cloridrico e, subito dopo, si raccoglie, nella parte ad anello, una piccola quantità di uno dei campioni metallici a disposizione. Si scalda alla fiamma Bunsen e si osserva il colore assunto dalla fiamma. Si ripete la stessa operazione per ciascun campione dei differenti metalli.
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Osservazione Le colorazioni assunte alla fiamma dai metalli impiegati sono le seguenti: Metallo
Simbolo Chimico
Colore assunto dalla fiamma
Litio
Li
rosso-carnacino: si manifesta subito ed è persistente.
Sodio
Na
giallo-brillante: si manifesta subito ed è persistente.
Potassio
K
violetto: si manifesta subito ed è persistente.
Calcio
Ca
rosso-mattone: dà sprazzi fugaci.
Bario
Ba
giallo-verde: molto persistente.
Stronzio
Sr
rosso-scarlatto: dà un primo sprazzo che ritorna, se riportato nella zona ossidante più calda.
Rame
Cu
verde brillante: colorazione iniziale meno persistente del bario.
Conclusioni I metalli adoperati, trasformati in cloruri per azione dell'acido cloridrico, conferiscono alla fiamma colorazioni caratteristiche che ne consentono il riconoscimento; infatti i cloruri sono facilmente volatili. Note Naturalmente la conclusione, in questo caso, non scaturisce dai ragazzi ma è fornita dall'insegnante. Dalla discussione emerge, comunque, che essi sarebbero in grado di adoperare la tecnica appresa per riconoscere metalli sconosciuti dal confronto con le colorazioni note. Tempi: 2 ore
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Problema n. 6 Questo problema è sorto spontaneamente dalla curiosità dei ragazzi, dopo varie ore di frequentazione del laboratorio chimico dell' I.T.I.S. "Mattei" di Faenza, verso la fine dell'itinerario sperimentale intrapreso. I ragazzi hanno dimostrato molta curiosità nei riguardi delle varie boccette del laboratorio e degli strani simboli e formule chimiche sulle etichette. Il seguente quesito è stato posto più volte, pertanto, ad un certo momento, si è resa necessaria una risposta: "Se mescolassimo la sostanza contenuta, ad esempio, nella boccetta n.1 con quella contenuta nella boccetta n. 2, che cosa succederebbe?".
Materiali: -
8 campioni di sostanze diverse, chiamati "sostanza 1"; 8 campioni di sostanze diverse, chiamati "sostanza 2"; pipette contagocce; 8 provette.
Procedimento Si sono prelevate piccole quantità della sostanza 1 e della sostanza 2 e versate in otto diverse provette. Nella seguente tabella è riportato quanto osservato:
Sostanza 1
Quantit à
Idrossido di sodio NaOH Solfato di rame CuSO4
1 ml
Quantit à
Osservazioni e conclusioni
Fenolftaleina
2-3 gocce
Si è formata una soluzione omogenea di colore viola-fucsia.
1 ml
Idrossido di ammonio NH4 OH
1 ml
Acetato di piombo (CH3COO)2Pb
1 ml
1 ml
Nitrato ferrico Fe(NO3) 3
1 ml
Acido solforico H2 SO4 Solfo-cianuro di potassio KCNS
Si è formata una soluzione omogenea di colore blu, di odore irritante. Si è formato un miscuglio eterogeneo con precipitato bianco sul fondo.
Ac. Cloridrico HCl al 15%
2 ml
Ac. Cloridrico HCl al 5%
2 ml
Zinco in granuli Zn Carbonato di sodio Na2 CO3
12
2-3 cucchiai ni 2 cucchiai
Sostanza 2
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1 ml
Si è formata una soluzione omogenea di colore rosso-scuro, inodore. Si è formata una sostanza effervescente, di odore irritante, la provetta risulta fredda al tatto. Si è formato un miscuglio eterogeneo effervescente, la provetta
ni 2 cucchiai ni
Cloruro di ammonio NH4 Cl Sostanza 1
Acido solforico H2 SO4
Quantit à 1 ml
Acqua H20 Sostanza 2
Acqua H20
2 ml
risulta calda al tatto. Si è formata un miscuglio eterogeneo con precipitato bianco, la provetta risulta fredda al tatto.
Quantit à
Osservazioni e conclusioni
2 ml
Versando H2SO4 in H20, e non viceversa, si ottiene una soluzione incolore con sviluppo di calore.
Tempi: 2-3 ore Note I ragazzi hanno compreso che si è formata una nuova sostanza diversa dalle prime due sia nell’aspetto che nel comportamento e che da essa, spontaneamente, non si possono ottenere le prime due. È stato precisato che quanto avvenuto è una “reazione chimica” e che le sostanze 1 e 2 si chiamano “reagenti” mentre la nuova sostanza è il “prodotto” della reazione. Si è sottolineato il carattere “irreversibile” di una trasformazione chimica mettendolo a confronto con la reversibilità dei vari fenomeni fisici studiati. Le “misteriose” formule sulle etichette, che sono i “nomi” chimici delle sostanze contenute nelle boccette, saranno oggetto di studio negli anni futuri. A conclusione dell’itinerario sperimentale, i sei gruppi di alunni sono stati sottoposti a sei prove di laboratorio diversificate, per saggiare la valenza del lavoro svolto. Le prove erano proposte sotto forma di un problema a cui dovevano rispondere progettando un’esperienza e procurandosi il materiale occorrente, disponibile in laboratorio. I risultati ottenuti sono stati confortanti. In questa unità di lavoro, non sono state riportate le esperienze sulla distillazione, sulla centrifugazione e sul riconoscimento di sostanze mediante la determinazione del loro peso specifico, del loro punto di ebollizione e di fusione, svolte nel percorso sperimentale completo.
Considerazioni conclusive Il lavoro è stato svolto con una classe di livello medio, non priva di vari elementi in difficoltà e poco motivati, per cui l’impresa, all’inizio, poteva apparire un tantino ambiziosa. Alla fine, invece, l’attività svolta, come era nella speranze della scrivente, si è rivelata altamente motivante per gli alunni, specialmente per quelli che di motivazione erano carenti. Nessuno si è mai annoiato e tutti, indistintamente, hanno trovato motivo di crescita personale e occasione di acquisire determinate abilità manuali e logico-operative, fondamentali in un approccio di tipo sperimentale allo studio delle Scienze Annarita Ruberto
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