Percorso Didattico Sulle Soluzioni - Secondaria 1° Grado

LE SOLUZIONI

1. CHE COSA EMERGE DALLE RICERCHE SULLE CONCEZIONI DEGLI STUDENTI ?

2. QUALE SCHEMA MENTALE HA L’ALUNNO PER COMPRENDERE I CONCETTI SCIENTIFICI PROPRI DELLE VARIE DISCIPLINE OGGETTO DI INSEGNAMENTO ?

3. PERCORSO DIDATTICO SULLE SOLUZIONI

4. ATTIVITÀ FENOMENOLOGICO-OPERATIVA - Primo livello - Secondo livello - Approfondimenti

A cura di: Antonio Testoni (e-mail: [email protected])

CHE COSA EMERGE DALLE RICERCHE SULLE CONCEZIONI DEGLI STUDENTI ?

L’educazione delle scienze mira a sviluppare nei soggetti che apprendono modelli interpretativi della realtà più efficaci di quelli che vengono costruiti nell’ambito del sapere comune. Ogni soggetto che apprende dispone, prima di essere sottoposto all’insegnamento, di schemi mentali in base ai quali struttura i propri ragionamenti, prende decisioni, avanza previsioni e decodifica le informazioni che gli vengono fornite. Ci sembra fondamentale dunque, che l’educazione alle scienze abbia come obiettivo primario quello di incidere su questi schemi concettuali di senso comune, aiutando gli allievi ad avvicinarsi a quelli di tipo scientifico. Le ricerche effettuate nel corso degli ultimi decenni, sia da psicologi che da esperti di didattica delle scienze sulle concezioni di tipo scientifico degli studenti, sono quindi un punto di riferimento necessario per chiunque si occupa di insegnamento delle discipline scientifiche. Queste ricerche - condotte a livello internazionale - hanno evidenziato che i risultati raggiunti nell’educazione delle scienze sono ben lungi dall’essere soddisfacenti. Di grande rilevanza, proprio in riferimento alla situazione dell’insegnamento scientifico in Italia, sono i risultati delle indagini presentate nel testo “Conoscenze scientifiche: le rappresentazioni mentali degli studenti” a cura di N.Grimellini Tomasini e G.Segrè. Tali risultati mettono in evidenza che, alla fine della scuola secondaria, la maggior parte degli studenti fanno ancora ricorso a concezioni, ossia a modi di ragionare, basate sul senso comune: l’educazione alle scienze non è dunque riuscita, nella maggior parte dei soggetti a scalfire gli schemi concettuali del sapere quotidiano e non ha prodotto strumenti scientificamente adeguati alla lettura del reale. 1

Le spiegazioni che generalmente vengono fornite dei risultati di queste ricerche sono le seguenti: quando le conoscenze formali sono presentate in modo prematuro, come generalmente avviene, esse non sono in grado di interagire con le conoscenze spontanee degli studenti e non sono quindi capaci di modificarle né di contribuire all’evoluzione delle strutture cognitive. Conoscenze scientifiche e conoscenze spontanee si strutturano in due mondi totalmente separati: le prime finiscono così per essere necessarie soltanto durante le ore di scienze per andare bene a scuola, le seconde continuano invece ad essere gli unici strumenti utilizzati per interpretare la realtà. “Perché gli studenti non sanno padroneggiare ciò che hanno studiato? I modi propri della conoscenza scientifica contrastano spesso con quelli dell’esperienza comune. Il fallimento della scuola sul piano cognitivo è legato in gran parte al fatto che essa si limita a fornire una patina superficiale di conoscenze, senza intervenire a rimettere in discussione i modi profondi della mente infantile. Una vera educazione al comprendere può attuarsi solo se gli educatori diventano capaci di far affiorare i modi ingenui, sottostanti, metterli criticamente a confronto con i modi scientificamente evoluti: occorre identificare consapevolmente i “passaggi cruciali” tra le preconoscenze (infantili) ed i modi propri del pensiero scientifico.” (A.Calvani, Elementi di didattica, Carrocci Editore, 2001, pag.75)

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“Il classico esperimento piagietiano della dissoluzione della soluzione di zucchero in acqua è stato utilizzato per indagare le concezioni circa la conservazione del soluto con studenti neozelandesi dai 15 ai 17 anni (Piaget e Inhelder 1971) … È risultato che alcuni intendevano lo scioglimento come dissolvimento o negavano decisamente la conservazione dello zucchero, come se pensassero che l’acqua zuccherata fosse una nuova sostanza …o ritenevano comunque che la modifica delle proprietà percettive dello zucchero equivalesse alla sua trasformazione in qualcosa d’altro (Driver 1985). L’attenzione è stata posta, su ragionamenti quantitativi, a proposito delle soluzioni, sia con studenti inglesi dai 9 ai 14 anni, sia con studenti inglesi e svedesi di 15 anni, alcuni dei quali avevano già studiato chimica. Quasi due terzi dei primi credevano che la massa della soluzione sarebbe stata inferiore alla somma di quelle iniziali dello zucchero e dell’acqua … Molti insegnanti (presumibilmente di scuola elementare) ai quali ho chiesto perché lo zucchero si scioglie, hanno risposto: ?Perché avviene una reazione chimica fra acqua e zucchero≅. Allora ho domandato loro: bene, se voi lasciate evaporare l’acqua che cosa succede? ?Avviene una reazione chimica inversa≅ è stata la risposta il 90% delle volte. Badate che sto parlando di insegnanti, di rappresentazioni mentali degli adulti. Se, a questo punto, io chiedo loro di definire la molecola, essi mi rispondono che è l’unità chimico fisica …, cioè mi danno la definizione scolastica di molecola. Ma non utilizzano la definizione appresa per interpretare i fenomeni correnti.” (G. Cavallini, La formazione dei concetti scientifici, La Nuova Italia, 1995)

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QUALE SCHEMA MENTALE HA L’ALUNNO PER COMPRENDERE I CONCETTI SCIENTIFICI PROPRI DELLE VARIE DISCIPLINE OGGETTO DI INSEGNAMENTO ?

Nessuno ha innati gli schemi scientifici differenti dagli schemi utilizzati nella vita quotidiana che sono spontanei, di senso comune. La maggior parte dei concetti scientifici sono oltre o in contraddizione con l’esperienza di senso comune, e non soltanto gli aspetti più formalizzati o matematizzati della scienza, quali ad esempio le teorie fisiche, chimiche e biologiche sviluppatesi in questo secolo. Vi è una discontinuità totale tra esperienza quotidiana, senso comune, da una parte, e la maggior parte dei concetti fondamentali della scienza, dall’altra. Ora è sufficiente pensare a quale “rivoluzione” hanno dato origine, per esempio, le teorie di Galileo, Newton, Lavoisier e Darwin, per rendersi conto come i concetti elementari dell’organizzazione specialistica delle discipline scientifiche sono tutt’altro che elementari sul piano epistemologico e psicologico. Lo schema scientifico più complesso deve essere costruito, cioè deve basarsi sullo schema o concetto operativo che consiste nella conoscenza del fenomeno stesso. Il senso delle definizioni operative sta proprio nel mettere ordine nell’ osservazione dei fenomeni, nel passaggio dalla percezione di un tutto indistinto alla conoscenza intelligente del fenomeno. Si fanno cioè i primi passi per uscire dalla spiegazione di senso comune e arrivare alla spiegazione scientifica. Se consideriamo, ad esempio, l’insegnamento della chimica, prima di passare alla spiegazione dei fenomeni in termini di atomi e molecole, che richiede 4

una modellizzazione ed un livello di specialismo più elevato, questi devono essere conosciuti. Con queste affermazioni non si vuole negare l’importanza, nelle scienze, degli aspetti formali, ma si desidera ribadire che la fase astratta, formale di una scienza è produttiva sul piano educativo, soltanto quando si ha già una conoscenza adeguata dei più importanti fenomeni che costituiscono l’oggetto di quella scienza. Riteniamo, quindi, che sia insostenibile l’insegnamento della maggior parte dei concetti scientifici prima che si sia realizzato un adeguato consolidamento delle strutture cognitive dello studente, finché, cioè, lo studente non abbia effettuato un lungo processo educativo - corrispondente per i fenomeni elementari alla scuola di base - che l’abbia portato ad acquisire consapevolezza, riflessione e razionalità intorno a problematiche e fenomenologie connesse, o simili sul piano cognitivo, all’esperienza quotidiana. Infatti appropriarsi di concetti formali o astratti non significa semplicemente apprendere a memoria le parole corrispondenti. Il processo è molto più complicato in quanto richiede lo sviluppo di funzioni cognitive complesse che accompagnano una graduale ristrutturazione degli schemi mentali, vale a dire dei modi di ragionare. Per questo, anche noi, sosteniamo che le conoscenze scientifiche non possono essere semplicemente trasmesse, ma devono essere costruite dal soggetto che impara. L’insegnamento tradizionale di tipo ricettivo/trasmissivo, nel quale la lezione frontale è l’attività fondamentale, non offre agli allievi l’opportunità di rendersi conto dei limiti dei propri schemi mentali e, di conseguenza, non può che produrre un apprendimento puramente verbale. Si tratta di un intervento non solo povero di risultati educativi, ma anche pericoloso, in quanto dà al soggetto che apprende l’illusione di imparare concetti, mentre in realtà impara solo parole. 5

“Le parole possono isolare e conservare un significato solo allorché esso è stato in precedenza implicato nei nostri contatti con le cose. Tentare di dare un significato tramite la parola soltanto, senza una qualsiasi relazione con la cosa, significa privare la parola di ogni significazione intelligibile […] Vi è la tendenza a credere che ovunque vi sia una definita parola o forma linguistica vi sia anche un’idea definita; mentre, in realtà, sia gli adulti che i fanciulli, possono adoperare formule verbalmente precise, avendo solo la più vaga e confusa idea di ciò che significano. È più proficua la genuina ignoranza perché è facilmente accompagnata da umiltà, curiosità ed apertura mentale; mentre l’abilità a ripetere frasi fatte, termini convenzionali, proposizioni familiari crea la presunzione del sapere e plasma la mente di una vernice impenetrabile alle nuove idee.” (J.Dewey, Come pensiamo, La Nuova Italia, 1994, pag.333)

“Mi sembra che una delle cause principali dell’insuccesso scolastico risieda nell’idea che la comprensione della scienza possa essere ottenuta attraverso un convincimento puramente verbale. L’esperienza mostra, in maniera sempre più chiara, che le esposizioni esclusivamente verbali (…) non lasciano nelle menti degli studenti praticamente nulla di permanente e significativo. Presentazioni di questo tipo aiutano ancor meno lo studente a conseguire quelli che io considererei i segni di una persona scientificamente colta.” (A.B.Arons, Guida all’insegnamento della fisica, Zanichelli, 1992, pag.366)

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È necessario, prima di tutto, che il ragazzo acquisisca la capacità di osservare, descrivere ed analizzare i fenomeni proposti cercando di cogliere differenze, somiglianze e relazioni. Ci sembra quindi particolarmente appropriato parlare di impostazione fenomenologico-operativa come l’impostazione dell’educazione scientifica più adeguata alla scuola di base; fenomenologica in relazione al contenuto, e operativa in riferimento alla metodologia didattica. Operatività che va intesa, sostanzialmente, come un’operatività cognitiva e non un’attività manuale: la metodologia didattica deve sviluppare quanto è più possibile le condizioni che permettano a ciascun studente di costruire la conoscenza, e non tanto di poter effettuare in prima persona il maggior numero possibile di esperimenti. La riflessione e la sperimentazione, che stiamo conducendo da molti anni, ci hanno portato a prospettare un modello metodologico per l’educazione scientifica nella scuola di base, che non va assunto come un dogma, ma appunto come un modello che deve essere adattato costantemente sia all’oggetto della conoscenza che alle condizioni reali della costruzione della conoscenza. Questo modello, che si articola in cinque fasi, permette di evidenziare le condizioni complesse del processo di concettualizzazione: 1)

fase della sperimentazione e dell’osservazione;

2)

fase della verbalizzazione scritta individuale (descrizione del fenomeno);

3)

fase della discussione collettiva confronto delle descrizioni;

4)

fase dell’affinamento della concettualizzazione (verbalizzazione scritta individuale);

5)

sintesi collettiva (sintesi guidata dall’insegnante). 7

PERCORSO DIDATTICO SULLE SOLUZIONI Il concetto di soluzione è considerato anche da molti insegnanti banale, in quanto quotidianamente ci si imbatte in fenomeni di questo tipo, o si utilizzano termini quali solubile, sciogliersi, ecc… Vi è indubbiamente confusione tra conoscenza concettuale e conoscenza di termini, tra conoscenza scientifica e conoscenza di senso comune. La conoscenza di senso comune non va demonizzata, anzi deve costituire la base della conoscenza scientifica, in un processo di apprendimento caratterizzato sia da continuità che da discontinuità con il senso comune. Noi riteniamo che il passaggio dall'una all'altra forma di conoscenza sia caratterizzato, in questo caso, da 3 stadi: 1) Il primo stadio è quello della identificazione e definizione delle sostanze effettivamente solubili. Infatti non c'è coincidenza neppure del riferimento empirico, perché generalmente vi sono alcune esperienze della vita quotidiana che acquistano un carattere talmente paradigmatico da cancellare la traccia di altre esperienze. Da una parte, le sostanze colorate solubili non sono considerate tali perché molti hanno ormai interiorizzato i casi del sale e dello zucchero in acqua come esempi paradigmatici delle sostanze solubili. D'altra parte, per altri, anche eventuali sostanze che rimangono sospese in acqua sono solubili. E' presente in questo caso un concetto di solubile più esteso che comprende anche le sostanze che producono sospensioni: è probabile che questa idea sia una generalizzazione empirica di esperienze con materiali della vita quotidiana, quali il cacao solubile, indicate come solubili, pur non essendolo. 8

2) Il secondo stadio è quello della comprensione del tipo di interazione che si verifica, della comprensione, cioè, della permanenza, al di là dell'apparenza, nelle soluzioni delle sostanze iniziali. Si realizza, in questo modo, la possibilità di iniziare a familiarizzarsi con il concetto di trasformazione fisica. 3) Il terzo stadio è quello esplicativo. Si può iniziare ad ipotizzare delle risposte di tipo atomistico alla domanda: "che cosa è successo alla sostanza solida che non è più visibile, benché sia presente nella soluzione?" Con risposte di tipo atomistico non intendiamo l'introduzione di una terminologia atomistica desunta dalle acquisizioni scientifiche di questo secolo, ma ipotesi di tipo particellare, corpuscolare, quali, ad esempio, le seguenti: "il sale, poiché non è più visibile, potrebbe essere presente nell'acqua sotto forma di particelle talmente piccole da non potere essere rilevate dalla vista", oppure "se l'acqua ha la capacità di disgregare i granelli di sale in granellini, sempre di sale, ma non più visibili, si può ipotizzare che questi ultimi ci siano anche nei solidi, che, cioè, i granelli di sale non siano che aggregati di moltissime particelle invisibili". In conclusione l'effettuazione di esperimenti di solubilizzazione con sostanze usuali della vita quotidiana è imprescindibile, ma tutt'altro che sufficiente: il passaggio dal concetto di senso comune al concetto scientifico non sta negli esperimenti, ma nelle riflessioni sistematiche che possono essere effettuate a partire da essi. Si potrebbe, tuttavia, obiettare, che esiste uno scarto significativo tra il concetto scientifico da noi proposto di sostanza solubile e quello presente nelle trattazioni chimico-fisiche attualmente accreditate, dove il problema viene affrontato, in modo formalizzato, da molteplici punti di vista. 9

Noi pensiamo che il concetto da noi proposto costituisca il primo livello di concettualizzazione, la base imprescindibile di un concetto che poi si potrà sviluppare in relazione alle esigenze di tipo specialistico dei vari ambiti scientifici. Stiamo adoperando il termine concetto scientifico nel senso di passaggio da una conoscenza di senso comune, casuale, preconcettuale, ad una conoscenza di tipo riflessivo e sistematico. Lo utilizziamo, quindi, in un'accezione pedagogico-didattica, dove l'attenzione è non ad una astratta correttezza scientifica rispetto alle teorie accreditate, ma è all'adeguatezza delle conoscenze scientifiche proposte, in una prospettiva evoluzionistica, rispetto alle strutture cognitive e motivazionali del soggetto che apprende. Dopo questo lavoro, dove gli studenti sono stati condotti alla costruzione della definizione operativa di soluzione, si può passare ad analizzare gli aspetti quantitativi del fenomeno: 4) Il quarto stadio è quello della definizione di solubilità come proprietà operativa misurabile. Il ragazzo può constatare sperimentalmente che alcune proprietà operative misurabili, come la solubilità, costituiscono “l’impronta digitale” delle sostanze. Mentre le proprietà operative di tipo qualitativo non ci permettono, effettivamente, di effettuare questa distinzione, queste proprietà ci danno, invece, la possibilità di riconoscere una sostanza. Infine vengono proposte alcune piste di approfondimento, che riteniamo particolarmente significative. Esse riguardano la solubilità dell’aria in acqua a varie temperature e il problema della conservazione della massa e del volume a seguito del mescolamento di sostanze solubili. 10

ATTIVITÀ FENOMENOLOGICO-OPERATIVA Una delle difficoltà con cui l’insegnante si trova a confrontarsi nella sua pratica didattica, concerne la necessità di sviluppare capacità osservative negli studenti. Focalizzare l’attenzione su aspetti rilevanti del fenomeno sotto osservazione è un compito non banale; gli studenti, infatti, partendo dalle loro conoscenze mettono spesso in evidenza caratteristiche che esulano completamente dall’analisi che si sta compiendo. Ma non potrebbe essere diversamente: soltanto al conoscenza a posteriori ci permette di inquadrare nella giusta prospettiva ciò che è necessario prendere in considerazione rispetto a ciò che deve essere scartato. Fornire i parametri di osservazione prima di iniziare l’analisi del fenomeno è limitativo, è sicuramente più indicativo che siano gli studenti stessi a mettere in evidenza che cosa è significativo attraverso un confronto che si sviluppa all’interno della classe (la scienza è, dopotutto, una costruzione condivisa). Gli studenti non dovranno sempre e per forza arrivare a comprendere quali sono le variabili in gioco; in casi particolari, nei quali, ad esempio, le variabili in gioco sono molteplici, l’insegnante può fornire o rifinire una tabella di osservazione, dopo che gli studenti si sono cimentati, comunque, nella sua realizzazione. Si tenga presente che non si deve pretendere di arrivare subito all’osservazione giusta, perché anche le risposte errate contribuiscono alla soluzione: tutti possono portare contributi. Gli studenti devono diventare attori del processo in atto. L’insegnante, poi, svolge un ruolo fondamentale nel dirigere il lavoro, mantenendo il filo conduttore del discorso e rimandando a momenti successivi alcuni problemi senza far cadere l’interesse, proponendo percorsi alla portata degli studenti e della loro capacità di formulare ipotesi, permettendo loro di osservare con “occhi nuovi” fatti già noti. Non si tratta, quindi, di fornire definizioni da vocabolario o di realizzare “esperimenti a ricetta”, ma di contestualizzare specifici problemi all’interno di percorsi che conducano alla concettualizzazione. 11

Primo livello: Scuola primaria (paragrafi 1-11) Secondo livello: Scuola secondaria di primo grado (paragrafi 12-16) Terzo livello: Approfondimenti (paragrafi 17-20)

Attrezzatura e materiale occorrente: - becker da 100 cc., bacchette di vetro, spatola, capsule, fornello elettrico, bilancia (II livello), cilindro da 100 cc. (II livello), matraccio da 100 cc. (II livello). - sale, zucchero, solfato di rame, carbonato di calcio, sabbia, farina, sciroppo di menta, acqua distillata, alcool etilico (Approfondimenti).

PRIMO LIVELLO 1.

Versate in un becker 20-30 cc di acqua distillata ed una punta di spatola di sale. Dopo aver agitato per alcuni minuti, chiedete agli alunni di descrivere che cosa è successo. Fate confrontare le descrizioni, per ottenere da tutti gli alunni una produzione linguistica accettabile.

2. 3. Procedete con la stessa modalità, prima con lo zucchero e poi con il carbonato di calcio in polvere. 4.

Occorre effettuare altri esperimenti simili ai precedenti e confrontarli con essi. Gli alunni si renderanno conto facilmente che il confronto può essere effettuato immediatamente finché gli esperimenti sono 2-3, ma quando il numero aumenta il confronto diventa molto più difficile. A questo punto gli si può proporre come strumento utile per risolvere il problema, una tabella. Chiedete loro di fare proposte sulla tabella, su quali caratteristiche ritengono utili per evidenziare somiglianze e differenze nel comportamento delle varie sostanze dopo mescolamento con acqua (tab.1). 12

5.

Effettuate esperimenti simili ai precedenti e fate tabulare agli alunni i risultati con le seguenti sostanze: olio, sabbia, solfato di rame, farina, sciroppo di menta.

6.

Chiedete agli studenti di raggruppare assieme le sostanze che si comportano (interagiscono) con l'acqua in modo simile. Se i raggruppamenti effettuati fossero soltanto di tipo percettivo potremmo avere la seguente situazione: - raggruppamento a:

7.

acqua-sale, acqua-zucchero

-

"

b: acqua-solfato di rame, acqua-sciroppo di menta

-

"

c: acqua-carbonato di calcio, acqua-sabbia

-

"

d: acqua-farina

"

e:

acqua-olio

Chiedete agli alunni di indicare le sostanze solubili, di identificare, cioè, le soluzioni. Riteniamo che sia tutt'altro che banale il passaggio da questi raggruppamenti percettivi al raggruppamento concettuale delle soluzioni. I termini soluzione, solubile, sciogliersi, sono generalmente conosciuti da tutti bambini del secondo ciclo della scuola elementare, come termini di vita quotidiana. Tuttavia il loro significato spontaneo non coincide con quello scientificamente accreditato; è, infatti, sia più ampio che più ristretto. È più ampio perché: - il termine sciogliere è anche utilizzato per indicare la fusione di alcune materiali quali il ghiaccio, il burro, ecc.; - il termine solubile è anche impiegato per indicare sostanze che con l'acqua non danno soluzioni ma sospensioni, quali ad es. il cacao. É più ristretto perché: -

spesso non comprende le soluzioni colorate.

13

8.

E' possibile che gli studenti arrivino ad identificare le soluzioni o che sia necessario l'intervento dell'insegnante; in questo secondo caso lo stimolo si deve limitare a quanto è indispensabile soltanto per fare procedere il processo di costruzione della conoscenza. L'intervento dell'insegnante potrebbe consistere, per esempio, nell'indicare quali sono le soluzioni e nel chiedere quindi agli studenti di individuare le somiglianze delle soluzioni, arrivando così alla costruzione della definizione operativa di soluzione (e quindi di sostanza solubile). Si dovrebbe ricavare una definizione operativa di questo tipo: una sostanza (o un materiale) è solubile in acqua quando, dopo averla mescolata con acqua, non è più visibile, e ciò che si ottiene è limpido e trasparente.

9.

La costruzione di definizioni operative è di grande importanza, ma in alcuni casi è anche necessario discuterle ulteriormente. Chiedete agli studenti che fine ha fatto la sostanza solida che non è più visibile. E' probabile che la maggior parte risponda che la sostanza, benché non sia più visibile, è presente nell'acqua, ma non è da escludere che una parte degli studenti abbia idee confuse, e che pensi, ad esempio, che il sale sia effettivamente sparito, lasciando soltanto il proprio sapore nell'acqua. Dopo aver raccolto le ipotesi degli studenti, chiedete loro se è possibile constatare la presenza della sostanza in acqua. Con molta probabilità verrà indicata da molti l'evaporazione o l'ebollizione dell'acqua. Versate 10-15 ml delle soluzioni in capsule, e riscaldatele con un fornellino elettrico. Tutti gli studenti potranno così constatare che si riottengono le sostanze iniziali (sale, solfato di rame).

10. Dopo che gli studenti hanno compreso che il fenomeno di solubilizzazione, nonostante l'apparenza, è caratterizzato dal fatto che le sostanze non cambiano (dalla conservazione delle sostanze) è possibile introdurre il concetto di trasformazione fisica. Le soluzioni costituiscono un esempio

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di trasformazioni fisiche, in quanto si ha la conservazione delle sostanze iniziali. 11. Si può, infine, cercare di dare una spiegazione di ciò che è successo. Chiedete agli studenti di formulare delle ipotesi su che cosa è successo al solido, che, benché non sia più visibile, è presente nell'acqua. Se dopo una prima fase di riflessione, le ipotesi prospettate non sono sufficientemente adeguate e condivise, potrebbe essere utile questo esperimento: dopo aver messo in un becker 20-30 cc di acqua distillata ed un grano di sale grosso; chiedete agli studenti di osservare alcune volte, dopo aver agitato, il contenuto del becker, fino a completa solubilizzazione del sale. Potrebbe essere più semplice per gli studenti formulare l'ipotesi che l'acqua scioglie il sale, in quanto è capace di separarlo in particelle talmente piccole da non essere più visibili. Quando una sostanza è sciolta, non è più visibile perché sarebbe presente nel liquido sotto forma di particelle piccolissime.Gli studenti possono così formulare delle prime ipotesi atomistiche. Questa ultima fase dell'attività è indubbiamente quella più impegnativa, perché implica lo sviluppo di ragionamenti che vanno al di là dei dati percettivi. Sono, tuttavia, ipotesi alla loro portata, perché esse costituiscono estrapolazioni di primo livello rispetto ai dati percettivi.

15

SECONDO LIVELLO 12. Definizioni e proprietà operative Se ripensiamo alle attività precedenti ed al modo in cui siamo giunti a dare una definizione di sostanza solubile, possiamo meglio renderci conto del significato del termine “definizione” e dell’operazione del “definire” utilizzata in questo contesto. Una qualsiasi definizione ha come finalità primaria quella di semplificare e di mettere ordine nella complessità dei fenomeni e degli oggetti che popolano questo mondo. Definire significa, innanzitutto, suddividere l’universo in due categorie: all’una appartengono gli oggetti che rientrano nella definizione, all’altra gli oggetti che non vi rientrano. Noi abbiamo definito le sostanze solubili individuando il modo e i criteri mediante i quali effettuare il suddetto processo di selezione. Questo tipo di definizione, che è quella che in questo momento più ci interessa, prende il nome di “definizione operativa”, perché specifica le misure, le osservazioni, le procedure, cioè le operazioni per mezzo delle quali possiamo decidere se un oggetto appartiene o no a quella categoria. 13. La solubilità è una proprietà operativa misurabile.

Abbiamo già constatato che il sale e lo zucchero sono solubili in acqua; probabilmente qualche bambino, effettuando quelle esperienze, potrebbe aver già chiesto se maggiori quantità di sale e di zucchero si fossero ugualmente sciolte in acqua. -

Versate in un becher da 100cc, contenente 50 cc di acqua distillata, 5 grammi di sale ed agitate;

-

quando la soluzione è diventata limpida aggiungete altri 5 grammi di sale ed agitate; 16

-

ripetete l’operazione fino alla permanenza di sale indisciolto; se ciò si verifica dopo la quarta aggiunta (dopo aver versato complessivamente 20 g di sale) che cosa è possibile affermare? E’ possibile dire che in 50 cc di acqua sono solubili 15 g di sale più una parte di 5 g; infatti gli ultimi 5 g di sale aggiunti potrebbero essere rimasti totalmente come corpo di fondo o, con molta maggiore probabilità, essersi in parte sciolti. Come si può constatarlo? E’ necessario ripetere l’esperienza;

-

dopo aver versato 15 g di sale nei 50 cc di acqua, aggiungete il sale in minore quantità, per esempio 1 g per volta. Supponiamo che rimanga del sale indisciolto dopo aver aggiunto 3 g. A questo punto è possibile affermare che in 50 cc di acqua sono solubili 17 g più una parte di 1 g; infatti, anche in questo caso, il terzo grammo di sale aggiunto potrebbe essersi in parte sciolto.

E’ possibile determinare con certezza (con precisione assoluta) la solubilità del sale? No, la certezza, la verità assoluta non esiste. Il valore della solubilità risulta tanto più preciso quanto maggiore è la precisione con cui siamo in grado di misurare il volume dell’acqua ed il peso del sale da cucina. Questo concetto è di fondamentale importanza per qualsiasi tipo di misura. Ogni strumento è in grado di fornire valori corretti entro un determinato ambito di approssimazione. Le bilance in uso nel laboratorio di chimica permettono di misurare il peso fino alla decimillesima parte del grammo e quindi ci danno la possibilità di avere una precisione ed un’accuratezza nelle misure decisamente maggiore rispetto alle comuni bilance da cucina che normalmente hanno una sensibilità dell’ordine di alcuni grammi. 17

14. Considerazioni simili possono essere fatte per la misura del volume dei liquidi; per determinarlo si utilizzano dei recipienti di vetro a volume noto. Per esempio, per misurare 100 ml. di acqua possono essere utilizzati un beaker, un cilindro graduato o un matraccio, ma il margine di errore della misura effettuata non è lo stesso per i tre recipienti. Per renderti consapevole di quanto appena affermato, ti suggeriamo la seguente prova: -

Dopo aver riempito con acqua i tre recipienti fino al livello di 100ml, aggiungi , una alla volta, 4-5 gocce di acqua servendoti di un contagocce.

- Con questa semplice operazione è molto facile constatare che il margine di errore nella misura del volume di acqua aumenta passando dal matraccio al beaker. Ma è anche possibile effettuare una generalizzazione: la misura del volume di un liquido è tanto più attendibile quanto più stretto è il collo del recipiente utilizzato. 15. Nelle esperienze precedenti, relative alla solubilità del sale in acqua, il volume dell’acqua è stato misurato con un cilindro graduato da 50 cc; questa misura non può essere stata particolarmente precisa sia perché il cilindro non fornisce valori molto precisi sia perché, quando si versa l’acqua nel becher, alcune gocce di acqua rimangono attaccate alle pareti del cilindro. Avendo osservato che la solubilità del sale da cucina è di 17,.. g in 50 cc di acqua, potreste constatare che, in un volume di acqua doppio (100 cc) la quantità di sale solubile raddoppia; in un volume quadruplo di acqua (200 cc) la quantità di sale quadrupla; in un volume 20 volte superiore (1 litro = 1000 cm3) la quantità di sale viene moltiplicata per 20. Da queste esperienze è possibile cogliere l’esistenza di una relazione di proporzionalità diretta tra il volume dell’acqua e la quantità di sale solubile. 18

16. Effettuando le esperienze precedenti con altre sostanze solubili, quali per esempio lo zucchero, il solfato di rame ecc., si può constatare che il valore della solubilità è diverso da sostanza a sostanza. La solubilità del solfato di rame risulta essere di circa 16 g in 50 cc di acqua e quella dello zucchero di 102 g in 50 cc di acqua. La solubilità del sale da cucina è quindi minore di quella dello zucchero e maggiore di quella del solfato di rame. E’ possibile inoltre constatare sperimentalmente che la relazione di proporzionalità diretta esistente tra il volume dell’acqua e il peso di sale da cucina è generalizzabile alle altre sostanze solubili. Con lo stesso procedimento può essere misurata la solubilità delle diverse sostanze, cioè la quantità massima di ogni sostanza che può essere sciolta in un determinato volume di acqua ad una determinata temperatura. Per avere valori immediatamente confrontabili di solubilità si prende per convenzione come riferimento per tutte le sostanze lo stesso volume di acqua e la stessa temperatura (la solubilità dipende anche dalla temperatura); generalmente viene preso 1 litro o 100 cc di acqua (tab.2). Per il riconoscimento delle sostanze è più adatta la proprietà della solubilità o della combustibilità? Evidentemente quella della solubilità, poiché ogni sostanza ha un valore di solubilità caratteristico. Generalizzando, si può affermare che: tutte le proprietà operative misurabili, come la solubilità, sono molto più adeguate per il riconoscimento delle sostanze rispetto alle proprietà operative di tipo qualitativo.

19

APPROFONDIMENTI 17. Un fenomeno vitale per la vita sul nostro pianeta riguarda la solubilità dell’aria nel solvente più comune e più abbondante sulla faccia della terra, cioè nell’acqua. Riportiamo di seguito alcuni valori di solubilità dell’aria a temperature diverse (tab.3). Confronta queste misure con quelle relative alla solubilità di sostanze solide in acqua (tab.2) e riporta le tue considerazioni. 18. Procurati un recipiente dalla base abbastanza ampia, introduci un po’ di acqua e riscaldala fino a circa 70-80 °C. Che cosa vedi sul fondo del recipiente? Come mai si formano tante bollicine? 19. É possibile prevedere il peso e il volume finale di una soluzione sommando semplicemente i valori iniziali? Introduci circa 20/25g di sale da cucina in un matraccio da 100cc, porta a volume con acqua distillata, tappa il matraccio e pesalo senza agitarlo. Pensi che il peso complessivo e il livello dell’acqua rimangano invariati dopo che il sale si sarà disciolto completamente? Agita il contenitore ben chiuso fino a far disciogliere il sale, verifica le tue previsioni e riporta le tue conclusioni (puoi ripetere l’esperienza mescolando 100cc di acqua con 100cc di alcool etilico). 20. Il procedimento matematico della somma si può sempre applicare con successo a numeri che esprimono una realtà fisica, cioè a numeri che rappresentano valori di determinate grandezze fisiche (5Kg, 5m, 5l …)?

20

21

SOLIDO/LIQUIDO galleggia

è sul fondo

non si vede/non si distingue

ACQUA è disperso

limpida/trasparente

Sale

x

x

Zucchero

x

x

torbida

Farina

x

x

x

Marmo polvere

x

x

x

Sabbia

x

Solfato di rame Olio Sciroppo

colorata

x x

x

x

x

x x

x

x

22

20oC

10oC

Sale da cucina

360 g/l

358 g/l

Solfato di rame

320 g/l

Zucchero

2040 g/l

1905 g/l

Potassa

1105 g/l

1080 g/l

Soda

215 g/l

125 g/l

Calce

1,31 g/l

Calcare

0,065 g/l

Sostanza

Gas

0°C

10°C

20°C

30°C

Peso di 1l (g)

Aria

28,80*

22,68*

18,70*

16,07*

1,29

Ossigeno

48,90

38,00

31,03

26,16

1,43

Azoto

23,50

18,50

15,42

13,40

1,25

Anidride carbonica

1713

1194

878

665

1,98

Ammoniaca Metano Acido cloridrico

1049∃103 813∃103 660∃103 530∃103 55,60

41,70

33,80

27,60

515∃103 475∃103 441∃103 412∃103

0,77 0,72 1,64

* ml di aria in 1litro di acqua a pressione atmosferica (1 atm) 23