3. LA STRUTTURA DELLA MATERIA E IL MODELLO ......macroscopico e successivamente che abbiano...

nonèunamela - Storia ed Epistemologia per una Nuova Didattica delle Scienze (SENDS) 1

3. LA STRUTTURA DELLA MATERIA E IL MODELLO PARTICELLARE

Introduzione

Per comprendere e interpretare i fenomeni chimici e fisici è necessario stabilire un legame tra due registri di concettualizzazione: quello macroscopico, al quale appartengono i fatti empirici accessibili mediante percezioni sensoriali ed esperimenti, e quello microscopico delle entità invisibili che sfuggono ai sensi e che sono un prodotto dell’immaginazione e della creatività degli scienziati. All’individuazione di fatti significativi e alla loro descrizione fenomenologica, i chimici associano la loro rappresentazione mediante modelli microscopici, che assumono il ruolo di strumenti di interpretazione e comprensione dei fenomeni. Tra i motivi che spingono a privilegiare le attività di modellizzazione e l’uso dei modelli nell’insegnamento/apprendimento della Chimica, uno dei più importanti fa riferimento al fatto che essi permettono di produrre rappresentazioni “concrete” e “manipolabili” di entità mentali che non sono percepibili mediante i sensi. Il dualismo macroscopico/microscopico, osservabile/rappresentabile, costituisce sia la specificità della Chimica, sia uno dei principali ostacoli cognitivi nel suo apprendimento: gli allievi mostrano spesso notevoli difficoltà nella gestione di tale dualismo, a causa sia della persistenza di nozioni legate al senso comune, sia della mancanza di una effettiva comprensione della natura particellare della materia. Tali difficoltà vengono generalmente accentuate da un insegnamento che fa riferimento continuamente a un registro o all’altro senza esplicitare agli allievi il passaggio tra i due. Tuttavia, la comprensione profonda della Chimica risiede proprio in questo “va-e-vieni” tra un livello interpretativo e l’altro, e implica che gli allievi siano in grado di mettere in relazione il registro dei fenomeni percepibili a livello macroscopico (la situazione sperimentale che coinvolge delle sostanze) e il registro dei modelli interpretativi a livello microscopico, mediante i quali il comportamento delle sostanze viene interpretato in termini di entità non percepibili (molecole, atomi, legami, ecc.). Ne consegue che, per assicurare basi solide allo studio della Chimica, è necessario che gli allievi in primo luogo siano messi di fronte a tutta una serie di fenomeni significativi a livello strettamente macroscopico e successivamente che abbiano l’opportunità di riflettere sulla natura discontinua della materia e sui concetti di particella e di modello.

Formulazioni di riferimento (livello macroscopico-microscopico)

• un corpo può essere un sistema omogeneo o eterogeneo • un sistema omogeneo è costituito da una sola fase; non sono riconoscibili interfacce • un sistema eterogeneo è costituito da due o più fasi; sono riconoscibili una o più interfacce • un corpo può essere costituito da una o più sostanze • un corpo costituito da più sostanze è una miscela di sostanze • una miscela è omogenea se costituita da una fase, è eterogenea se costituita da due o più

fasi • una sostanza è formata da un solo tipo di unità strutturali (unità chimiche) • le unità strutturali (unità chimiche) possono essere atomi, ioni, molecole • le unità strutturali (unità chimiche) costituite da un solo elemento sono caratteristiche di una

sostanza semplice • le unità strutturali (unità chimiche) costituite da più elementi sono caratteristiche di una

sostanza composta


• la sostanza mantiene la propria identità nelle trasformazioni fisiche, ma non in quelle chimiche

• le unità strutturali (unità chimiche) che costituiscono una sostanza mantengono la propria identità nelle trasformazioni fisiche, ma non in quelle chimiche

• l'elemento mantiene la propria identità nelle trasformazioni chimiche • l'elemento è caratterizzato da un numero atomico

Reticolo di concetti (livello macroscopico-microscopico)


LA COSTRUZIONE DEL MODELLO PARTICELLARE

Nella pratica comune di insegnamento, la natura particellare della materia viene spesso introdotta in maniera “dogmatica”, e gli allievi devono in un certo senso accettare tale natura e l’esistenza delle particelle facendo affidamento sulle parole dell’insegnante o del libro di testo. Per evitare questo processo, che porta inevitabilmente alla mancata comprensione profonda di numerosi concetti, si propone di fare riferimento al percorso storico lungo il quale si è evoluta l’idea della discontinuità della materia. Nella prima parte di questa Sequenza, viene proposta agli allievi un’Attività relativa all’idea di modello, al suo significato in ambito scientifico, e al processo di rappresentazione della realtà1. Gli allievi vengono quindi posti di fronte alle due concezioni della materia (continua e discontinua, attribuite con un espediente didattico rispettivamente ad Aristotele e a Democrito) che si sono contrapposte nel tempo, e alla possibilità di valutarne la plausibilità alla luce di alcune evidenze empiriche (l’esperimento di Torricelli). L’ammissione dell’esistenza del vuoto porta ad accettare il modello che prevede la discontinuità della materia e l’esistenza delle particelle. Questa prima parte della Sequenza offre la possibilità di riflettere sul ruolo dell’errore nel lavoro degli scienziati: una concezione che nel corso del tempo risulta non accettabile non è una concezione inutile; essa evidenzia che la scienza procede per “tentativi ed errori”, ossia per congetture esplicative messe in crisi da evidenze empiriche e sostituite di conseguenza da altre congetture. Nella seconda parte della Sequenza, gli allievi vengono impegnati nell’attività di costruzione di un Modello Particellare semplificato. Questa attività, che si ispira alla proposta di un gruppo di ricercatori francesi2, consente di colmare quel “vuoto didattico” che a oggi esiste tra il livello di concettualizzazione macroscopico e quello microscopico della Chimica. In un primo momento, l’insegnante chiede agli allievi di interpretare il fenomeno della compressione di un gas a livello macroscopico, e di darne una rappresentazione iconica avendo a disposizione alcune congetture sulla natura delle particelle del gas: tali congetture costituiscono un germe di modello. Di fatto agli allievi viene proposto un oggetto fittizio (la particella), al quale vengono attribuite alcune proprietà (indivisibilità, indeformabilità, massa costante, ecc.) che lo rendono un oggetto “concreto” e “manipolabile”. Il germe fornito dall’insegnante (che richiama le idee di Democrito) consente agli allievi di tradurre la compressione del gas (fenomeno percepito) in termini di particelle (fenomeno immaginato), ossia di modellizzarla, in quanto fornisce informazioni sufficienti per esplicitare le relazioni tra comportamento del sistema reale e comportamento delle particelle. Aspetto caratteristico di questo approccio è la netta separazione tra il livello del referente empirico (i corpi o i fenomeni presi in considerazione) e il livello del modello (i fenomeni immaginati facendo entrare in gioco le particelle). In effetti, i compiti proposti agli allievi sono tali da metterli costantemente ed esplicitamente nella necessità di lavorare su due livelli, e di passare da un livello all’altro con collegamenti logici. Le conoscenze di cui gli allievi già dispongono, basate sul sapere comune o su un sapere scientifico a livello empirico, non consentono loro di assolvere il compito proposto. In questo modo si rende sempre più esplicita l’idea che le particelle non possono essere assimilate a piccolissime porzioni invisibili dei corpi presi in considerazione; se così fosse, esse sarebbero oggetti reali che non si presterebbero a tutte le operazioni intellettuali cui invece vengono sottoposte. Con l'aumentare del numero di fenomeni presi in considerazione, gli allievi si trovano nella necessità di attribuire alle particelle nuove proprietà, o di riformulare alcune di esse in modo tale da renderle valide per stati fisici diversi, e da poter interpretare con il Modello Particellare tutti i fenomeni considerati. Un altro aspetto caratteristico di questo approccio è l'uso di un codice iconico che consente agli allievi di

1 Bréhelin D., Geudj M. Didaskalia 2007, 31, 129 2 Chomat A., Larcher C., Méheut M. Aster 1998, 7, 143


concretizzare il modello e di darne una rappresentazione. Inoltre, emerge dalle Attività la natura evolutiva del modello: esso infatti non viene scoperto nella realtà, mediante attività osservative e sperimentali condotte in modo da fornire informazioni oggettive, bensì viene elaborato dagli allievi: esso è un prodotto della mente che viene calato sulla realtà nel tentativo di interpretarne aspetti empirici diversi con un unico strumento di lettura. Forse le situazioni problema proposte agli allievi potrebbero essere giudicate da qualcuno banali e non adatte a questo livello di scolarità, ma ciò che conta non è la complessità o la difficoltà del problema proposto, bensì il salto epistemologico dell’allievo che è messo in condizioni di ragionare in modo diverso da come ragiona nell’ambito del sapere comune. Gli allievi sono impegnati nella costruzione di un modello che viene utilizzato per spiegare dapprima il comportamento dei corpi gassosi e, in seguito, quello dei corpi solidi e liquidi. Tale Modello viene poi generalizzato e utilizzato nella Sequenza successiva per rappresentare miscele di tali corpi e per interpretare una serie di fenomeni fisici. Dunque, da una parte, il Modello serve per rappresentare e interpretare certi fenomeni, dall’altra i fenomeni stessi utilizzati per la sua costruzione vengono scelti in modo da delimitare un campo di riferimento pertinente al modello che si intende costruire e validare. In questo caso, infatti, vengono prese in considerazione situazioni sperimentali in cui entrano in gioco fenomeni unicamente di tipo fisico (espansione, compressione, dilatazione, dissoluzione, passaggi di stato, ecc.), nei quali le sostanze conservano la propria identità; nel Modello proposto si farà dunque riferimento solo alle particelle, senza menzionare gli atomi e le molecole. Mediante tale modello è possibile, facendo uso di segni iconici, interpretare i fenomeni a livello microscopico, costruendo rappresentazioni che permettono di rendere concreto ciò che, in principio, è astratto, e quindi di manipolarlo come se si trattasse di un oggetto fisico. Le attività di modellizzazione mettono gli allievi in grado di interpretare in modo unificato un certo numero di situazioni e una serie di trasformazioni fisiche che presentano aspetti e caratteristiche molto diversi. Il Modello costruito si presenta quindi come uno strumento che consente di unificare aspetti fenomenologici disparati, dunque dotato di un forte potere strutturante delle conoscenze. Si tratta di attività ad alta densità intellettuale, che quindi richiedono un investimento di tempo notevole, ma anche a elevato valore aggiunto, nel senso che il tempo speso per elaborare modelli interpretativi viene ampiamente recuperato a livello di comprensione e interpretazione di un largo spettro di fenomeni. Nell'ambito di queste attività, la pratica sperimentale assume un ruolo epistemologicamente corretto: in primo luogo, essa fornisce la base empirica sulla quale impostare le attività di modellizzazione; in secondo luogo, i fenomeni assumono il ruolo di situazioni problema, la cui interpretazione esige la costruzione di un modello. Inoltre, gli esperimenti diventano necessari per sottoporre a controllo le eventuali previsioni sul comportamento di un sistema reale. Le attività di modellizzazione giocano quindi un ruolo fondamentale nell'educazione alle scienze: alla fine della Sequenza gli allievi vengono impegnati in una riflessione di tipo metacognitivo sull’attività svolta, che porta a delineare le tappe fondamentali della strategia della ricerca scientifica. I tempi richiesti per lo svolgimento di questa Sequenza possono essere approssimativamente stimati in dieci ore.


Formulazioni di riferimento (livello macroscopico-microscopico)

• un corpo può essere costituito da una o più sostanze • un corpo costituito da più sostanze è una miscela di sostanze • una sostanza è formata da un solo tipo di particelle • la sostanza conserva la propria identità nei vari stati fisici • le particelle che costituiscono una sostanza conservano la propria identità nei vari stati fisici • ogni sostanza può assumere, a seconda delle condizioni ambientali, uno dei tre stati fisici

della materia • le particelle che costituiscono una sostanza assumono le proprietà definite dal modello

particellare

Reticolo di concetti (livello macroscopico-microscopico)

Si ricorda che il reticolo di concetti e le relative formulazioni di riferimento che vengono proposte all’insegnante all’inizio delle sequenze didattiche costituiscono una guida progettuale e non devono mai essere fornite agli allievi. A ciascuno di questi verrà richiesto di costruire il proprio reticolo di concetti al termine di ogni sequenza o di una serie di sequenze. In particolare, quest’ultimo reticolo che fa riferimento a questa specifica sequenza, rappresenta il primo passo verso la costruzione del reticolo generale riportato a conclusione dell’introduzione di questo capitolo. Nelle successive sequenze, l’evoluzione del reticolo permetterà a ogni studente di rappresentare con questo strumento l’evoluzione della propria rete concettuale. L’insegnante avrà così modo di confrontare i reticoli costruiti dagli allievi con quelli forniti nel testo. Sarà quindi possibile, come già detto, sia verificare la significatività dell'apprendimento e valutare la qualità delle attività di insegnamento/apprendimento, sia ricavare informazioni sulle concezioni degli studenti e scoprire concetti appresi in modo errato.


Sequenza didattica

ATTIVITÀ 1: COSA È UN MODELLO

Per assicurare basi solide allo studio della chimica, è necessario che gli allievi abbiano, in primo luogo, l’opportunità di riflettere sulle nozioni di “modello” e di “rappresentazione della realtà”. È un’attività introduttiva e può costituire un approccio efficace e originale per introdurre le Attività che seguono sulla struttura particellare della materia prima, e sulla modellizzazione dei corpi e dei fenomeni fisici poi.

L’insegnante fornisce agli allievi, eventualmente divisi in piccoli gruppi, il FOL 3.1. In collaborazione con il Docente di Inglese, il brano “I ciechi e l’elefante” può anche essere proposto in lingua originale3: trattandosi di un testo in rima, la sua lettura potrebbe in questo modo risultare più divertente.

FOL 3.1 I ciechi e l’elefante Traduzione di un testo del poeta statunitense John Godfrey Saxe (1816-1887) Sei abitanti dell’Indostan, molto desiderosi di migliorare le loro conoscenze, si recarono a vedere, benché fossero tutti ciechi, un elefante, in modo che ognuno potesse appagare il proprio desiderio di sapere. Il primo si avvicinò all’elefante, ma inciampò e colpendo il fianco largo e robusto dell’animale, subito gridò: “Mio Dio! Ma l’elefante è molto simile a un muro!” Il secondo, toccando una zanna, esclamò: ”Oh! Cosa sarà mai quest’oggetto così rotondo liscio e appuntito? Secondo me è chiaro che questa meraviglia di elefante assomiglia molto a una lancia!” Il terzo si avvicinò all’animale e, afferrando la proboscide che si contorceva, affermò senza esitazione: “Vedo che l’elefante assomiglia molto a un serpente!” Il quarto si mise a palpare il ginocchio con mano impaziente e disse: “È evidente che l’elefante assomiglia a un albero!” Il quinto toccò per caso un orecchio e disse:” Anche il più cieco degli esseri umani può dire a cosa assomiglia l’elefante; nessuno può negare che questo magnifico elefante è simile a un ventaglio!” Il sesto aveva appena cominciato a tastare l’animale quando improvvisamente la coda che oscillava gli colpì la mano: “Vedo”, egli disse,” che l’elefante assomiglia molto a una corda!” Così questi abitanti dell’Indostan discussero a lungo e animatamente, ciascuno sostenendo con forza e convinzione la propria opinione. Anche se ognuno sosteneva una verità parziale, nel complesso erano tutti nell’errore.

Raffigura su un foglio un elefante sulla base delle informazioni fornite dai ciechi sulle diverse parti dell’animale.

3 It was six men of Indostan To learning much inclined, Who went to see the Elephant (Though all of them were blind) That each by observation Might satisfy his mind The first approached the Elephant, And happening to fall Against his broad and sturdy side, At once began to bawl: “God bless me! But the Elephant Is very like a wall!” The Second, feeling of the tusk, Cried,”Ho! What have we here So very round and smooth and sharp? To me ‘tis mighty clear This wonder of an Elephant Is very like a spear!”

The Third approached the animal, And happening to take The squirming trunk within his hands, Thus boldy up and spake: “I see,”quoth he, “the Elephant Is very like a snake!” The Fourth reached out an eager hand, And felt about the knee. “What most this wondrous beast is like Is mighty plain”, quoth he; “Tis clear enough the Elephant Is very like a tree!” The Fifth, who chanced to touch the ear, Said: “E’en the blindest man Can tell what this resembles most; Deny the fact who can This marvel of an Elephant Is very like a fan!”

The Sixth no sooner had begun About the beast to grope, Than, seizing on the swinging tail That fell within his scope, “I see” quoth he, “the Elephant Is very like a rope!” And so these men of Indostan Disputed loud and long, Each in his own opinion Exceeding stiff and strong, Though each was partly in the right, And all were in the wrong!


Naturalmente gli allievi sanno come è fatto un elefante: si tratta qui di raffigurarlo sulla base delle loro conoscenze (relative alla forma dell’elefante) e delle informazioni fornite dai ciechi (i quali già si rappresentano l’elefante). L’insegnante avvia la discussione, invitando gli allievi a confrontare i loro disegni evidenziandone somiglianze e differenze, e a verificare se sono coerenti con le informazioni fornite dal testo. Spesso, ad esempio, gli allievi utilizzano dei colori per disegnare l’elefante: questo non corrisponde a ciò che i ciechi sostengono, in quanto essi non possiedono alcuna indicazione sulla colorazione delle parti dell’animale. In seguito si può introdurre un interrogativo del tipo: Il disegno che ognuno ha eseguito è una riproduzione della realtà? La maggior parte degli allievi sostiene che i disegni non riproducono la realtà, ma sono frutto della loro idea di elefante e delle informazioni fornite dai ciechi, in base alle loro percezioni tattili; si conclude che una cosa è la realtà (l’elefante) per chi vede, e un’altra cosa è la realtà (l’elefante) per chi non vede. Questo non significa che vi sia più di una realtà, ma che essa può essere “percepita” in modi differenti. I ciechi non vedono l’elefante, bensì lo immaginano. A questo punto, l’insegnante può introdurre il termine “modello”: le asserzioni dei ciechi a proposito delle parti dell’elefante costituiscono un modello di elefante, mediante il quale è possibile produrre una rappresentazione dell’elefante. A questo proposito, gli allievi manifestano la difficoltà, addirittura l’impossibilità, di rappresentare l’elefante tenendo conto solo delle affermazioni dei ciechi. Ognuno di noi ricorre alle proprie rappresentazioni mentali, al proprio modello di elefante, per interpretare i modelli altrui. La discussione porta la classe a riconoscere che le rappresentazioni prodotte dagli allievi sono l’esito della sintesi di due modelli: quello dei ciechi rivisto alla luce del modello di elefante che ognuno già possiede. Nella figura 1, vengono proposte alcune rappresentazioni significative prodotte dagli allievi.

Figura 1 – Rappresentazioni dell’elefante prodotte da alcuni allievi

Se immaginiamo di descrivere un elefante a una persona che non ne ha mai visto uno, sarà necessario associare le diverse parti dell’animale a un qualche oggetto noto. Così, potremmo dire che il corpo largo e robusto dell’elefante è simile a un muro, la proboscide a un serpente, la coda a


una corda, le sue zanne appuntite assomigliano a delle lance, le zampe ad alberi, le orecchie a grandi ventagli, e così via. Questa persona potrebbe produrre un disegno dell’elefante che ne costituisce una rappresentazione, ma non una riproduzione. In altre parole, ciò che viene detto a proposito delle parti dell’animale costituisce un modello di elefante, mediante il quale è possibile produrne una rappresentazione. Se si associassero le varie parti dell’elefante a oggetti diversi da quelli della poesia, la rappresentazione dell’elefante cambierebbe. Gli studenti possono quindi condividere l’idea che una cosa è l’elefante (la realtà) per chi l’ha visto, e un’altra cosa è l’elefante per chi ne ha una descrizione basata su analogie. Se cambiano le analogie utilizzate, cambia il modo di «vedere», o meglio «immaginare» la realtà, di «rappresentarla». Dunque il disegno è una rappresentazione dell’elefante così come viene immaginato. L’insegnante può ora generalizzare e trasporre sul piano scientifico quanto concluso, dando una definizione di modello scientifico.

UN MODELLO SCIENTIFICO È UNO STRUMENTO INTERPRETATIVO CHE CONSENTE DI RAPPRESENTARE, MEDIANTE UN DETERMINATO LINGUAGGIO, UN SISTEMA REALE O SUPPOSTO REALE, CIOÈ UNA PORZIONE LIMITATA DEL MONDO QUALE È VISTA DA UN RICERCATORE CHE SE NE STA INTERESSANDO, NONCHÉ DI STUDIARNE E PREVEDERNE IL COMPORTAMENTO.

Quando gli scienziati parlano di atomi, elettroni, ecc. parlano di entità che essi non vedono, ma che immaginano. Essi si trovano di fronte a evidenze empiriche (per esempio le trasformazioni fisiche e chimiche della materia) e tentano di spiegarle con entità non percepibili, frutto della loro creatività e immaginazione. Certamente non possono immaginarle come vogliono, in quanto esiste una realtà empirica che si comporta in un certo modo: le proprietà che gli scienziati attribuiscono a tali entità devono trovare riscontro nel comportamento dei corpi. Si può considerare il caso dell’elettrone: gli scienziati non lo hanno mai visto, ma lo hanno immaginato e gli hanno attribuito determinate proprietà. Sulla base di queste idee, i tecnici hanno progettato apparecchi che dovrebbero fornire determinate prestazioni, e quando gli apparecchi sono stati costruiti, le loro prestazioni erano quelle previste: se non esiste l’elettrone, deve esistere qualcosa che gli somiglia molto.

“Stranamente molti pensano che nella scienza non ci sia posto per la fantasia. È una fantasia di tipo speciale, diversa da quella dell’artista. Il difficile, per uno scienziato, è immaginare qualcosa che non è ancora venuto in mente a nessuno, che sia in accordo in ogni dettaglio con quanto si conosce, ma sia diverso; e sia inoltre ben definito, e non una vaga affermazione. […] Si tira a indovinare. Tirare a indovinare? Un modo ben poco scientifico di procedere, una vera scemenza … E invece no. È che in realtà non v’è nulla di cui lo scienziato possa essere sicuro in partenza. Egli può solo tirare a indovinare: sarebbe poco scientifico non farlo”.

R. Feynman

ATTIVITÀ 2: Aristotele e Democrito

Per fare in modo che gli allievi comprendano la natura del problema affrontato (continuità o discontinuità della materia), l’insegnante espone sulla cattedra due oggetti:

• un pezzo di legno o di metallo • un mucchietto di semi di mais o di chicchi di riso.

L’insegnante avvia con gli allievi una discussione sui due corpi, focalizzando l’attenzione sul loro aspetto: il pezzo di legno/metallo è un pezzo unico, la sua struttura è continua. L’aspetto del


mucchietto è diverso: non vi è un pezzo unico, ma tanti piccoli pezzi distinguibili a occhio nudo, e la sua struttura è discontinua. Il problema affrontato è il seguente: Se fossimo in grado di vedere la struttura intima della materia, questa sarebbe continua o discontinua? Nel primo caso, ogni corpo sarebbe un pezzo unico, cioè continuo; nel secondo caso ogni corpo sarebbe discontinuo, ossia costituito da tante piccole particelle separate l’una dall’altra. Superata questa fase iniziale, l’insegnante entra nel vivo dell’attività con un intervento di questo tipo: “Oltre 2000 anni fa, i filosofi cercarono di dare risposta ad alcuni interrogativi relativi alla materia: di cosa sono fatti la terra, il mare, il cielo e tutte le cose che ci circondano? Come mai lo stesso corpo, ad esempio l’acqua, esiste come liquido, come solido e come vapore? Cosa succede al sale quando si scioglie in acqua e non è più visibile? Aristotele e Democrito, due pensatori greci del V secolo a.C., si posero questi interrogativi, arrivando a due conclusioni diverse, ossia proponendo due diversi modelli della materia”. A questo punto agli allievi, suddivisi in piccoli gruppi, vengono forniti due semplici testi (FOL 3.2) nei quali sono riassunti i punti essenziali dei due modelli: quello “continuo”, attribuito ad Aristotele, e quello “discontinuo”, attribuito a Democrito. La personalizzazione dei due modelli è un espediente didattico, in quanto nei modelli proposti agli allievi, soprattutto in quello attribuito a Democrito, si trovano anche contributi di studiosi successivi, che comunque si inquadrano nel modello di partenza.

FOL 3.2

Leggete i testi forniti dall’insegnante, poi ogni gruppo realizzi un poster mediante il quale fare capire le idee sulla materia di Aristotele e Democrito a una persona che non ne sa nulla.

La materia secondo Democrito Democrito sostiene che la materia è discontinua: un corpo materiale è formato da particelle talmente piccole che non sono visibili a occhio nudo. Le particelle di corpi diversi (ferro, marmo, acqua, ecc.) sono costituite tutte dalla medesima materia prima, ma hanno forma e grandezza differenti. Esiste un numero infinito di particelle che sono invisibili, indistruttibili e indivisibili: non è possibile suddividere una particella in parti più piccole. Inoltre, le particelle sono caratterizzate dal continuo movimento, in seguito al quale, riunendosi e separandosi, danno origine a tutte le cose così come noi le vediamo. Per esempio, l’acqua liquida e il ghiaccio sono formati da particelle dello stesso tipo. Però queste particelle sono più stipate nel ghiaccio e meno stipate nell’acqua liquida: in questo modo Democrito spiega la differenza di aspetto tra il ghiaccio (solido) e l’acqua (liquida). Le azioni dei corpi sui nostri sensi possono essere spiegate dalle caratteristiche delle particelle che li costituiscono. I corpi acidi sono formati da particelle spigolose, piene di sinuosità, piccole e sottili; ciò che è dolce è formato da particelle arrotondate, senza spigoli; i corpi bianchi sono formati da particelle lisce perché‚ se avessero asperità, le loro ombre scure sarebbero visibili; i corpi neri sono formati da particelle rugose, non uniformi.

La materia secondo Aristotele Aristotele sostiene che la materia non è costituita di particelle ma ha una struttura continua e riempie completamente lo spazio perché è estesa in lunghezza, larghezza e profondità per cui occupa tutti gli spazi immaginabili. Dato che la materia è continua, essa è divisibile all’infinito; quindi non esiste un limite oltre il quale non si può più andare, ossia non esistono le particelle indivisibili (gli atomi) di cui parla Democrito. Di conseguenza, nella materia non esistono spazi vuoti: in natura, il vuoto non esiste e la materia è presente anche se non la vediamo. La materia è formata a partire da quattro elementi: Terra, Acqua, Aria e Fuoco: tutte le infinite cose che sono percepite dai nostri sensi provengono dalla mescolanza di due o più dei quattro elementi fondamentali. A ciascuno dei quattro elementi, egli attribuisce una coppia di qualità: il caldo/umido all’aria; il caldo/secco al fuoco; il freddo/umido all’acqua e il freddo/secco alla Terra. Gli elementi possono trasformarsi gli uni negli altri: è sufficiente che una delle qualità che lo caratterizza si trasformi nel suo contrario. L’acqua (umida e fredda) può diventare aria (umida e calda) per azione del calore che trasforma il freddo in caldo; il fuoco (secco e caldo) può diventare aria (umida e calda) grazie all’umidità che trasforma il secco in umido. I cambiamenti riguardano la forma che la materia assume, non la materia stessa, che per Aristotele è unica.

I manifesti prodotti vengono esposti da ciascun gruppo, e durante la discussione si confrontano i due modelli: dovrebbe emergere come la concezione di Aristotele non permette di capire come sia


strutturata la materia, ma solo di affermare che la materia è ovunque, ossia non vi è uno spazio, anche minimo, che non sia occupato da materia. Invece le idee di Democrito permettono di rappresentare la materia come un insieme di particelle di forme e dimensioni differenti, in continuo movimento. Nella figura 2, due rappresentazioni ricorrenti sui manifesti degli allievi.

Democrito: Aristotele:

Figura 2 – Esempi di rappresentazione della materia secondo Democrito e Aristotele (prodotti da allievi della scuola secondaria)

A questo punto, l’insegnante pone agli allievi il seguente interrogativo: Se ammettiamo che la materia sia costituita da particelle, che cosa ci sarà tra una particella e l’altra? Di primo acchito, molti allievi potrebbero sostenere che vi è dell’aria: tuttavia se così fosse, si tratterebbe comunque di materia, anch’essa formata da particelle, e il problema si porrebbe di nuovo. L’unica idea plausibile è che tra una particella e l’altra non vi sia nulla, cioè non vi siano particelle: questo “nulla” prende il nome di “vuoto”. In conclusione, questa Attività permette agli allievi, grazie al confronto dei due modelli, di porsi interrogativi sulla struttura nella materia, dal momento che la sua natura particellare è tutt’altro che intuitiva; di comprendere i concetti di continuità e discontinuità e di discutere l’esistenza del vuoto, dal momento che questo aspetto riveste un ruolo centrale nella comprensione della struttura della materia.

ATTIVITÀ 3: MA IL VUOTO ESISTE?

Viene a questo punto fornito agli allievi un testo nel quale è descritta la nota esperienza di Torricelli relativa ai suoi studi sul comportamento dei fluidi (FOL 3.3), per interpretare la quale si deve ammettere, usando un primo e più semplice livello di concettualizzazione, l’esistenza del vuoto. Alla luce di questa idea gli allievi sono chiamati a prendere in considerazione i due modelli della struttura della materia, quello di Democrito e quello di Aristotele, per stabilire quale sia più plausibile. Di nuovo, si tratta di un espediente didattico: i fatti storici sono stati riadattati per raggiungere le conclusioni più opportune. L’insegnante può introdurre il problema in questo modo: “Le idee opposte sulla natura della materia si fronteggiarono per molto tempo: l’idea di Aristotele ‘la materia è continua’ cominciava a essere messa in discussione, ma mancava ancora una prova sperimentale convincente che ne mostrasse la falsità. Evangelista Torricelli (1608-1647) fu studioso di matematica e fisica. Nel corso dei suoi studi sul movimento dei fluidi, egli si interessò al problema del vuoto”.


FOL 3.3 Gli studi di Torricelli Nell’ambito di una serie di studi sul trasporto dell’acqua mediante condutture che dovevano superare dislivelli naturali, Torricelli ideò e realizzò il seguente esperimento: un tubo di vetro lungo 1 metro e con una estremità chiusa viene riempito completamente di mercurio. Dopo il riempimento, l’estremità aperta viene tappata con un dito in modo da impedire la fuoriuscita di mercurio. Quindi si immerge questa estremità del tubo dentro il mercurio contenuto in una vaschetta. A questo punto il dito viene tolto, in modo da mettere in contatto il mercurio contenuto nel tubo con quello contenuto nella vaschetta. Il mercurio contenuto nel tubo scende di circa 24 cm e poi si ferma (livello A). In questo modo sopra il livello del mercurio contenuto nel tubo si crea uno spazio E. Secondo te, che cosa c’è nel tubo nello spazio E sopra il mercurio?

Il livello del mercurio nel tubo si fissa per via dell’equilibrio tra la pressione atmosferica e la pressione prodotta dalla colonna di mercurio liquido più la pressione del gas mercurio all’interno del tubo. Poiché quest’ultima risulta trascurabile in condizioni di temperatura ambiente (20 °C), si può ritenere che nel fondo del tubo (spazio E) vi sia assenza di materia, cioè il vuoto. La discussione sul quesito deve portare gli allievi a riflettere sulla possibilità che esistano spazi nei quali la materia è assente. Molti allievi affermano che nel tubo, sopra il mercurio, c’è dell’aria, ma l’insegnante può confutare questa ipotesi chiedendo da dove sia arrivata quest’aria: se dall’esterno, nel liquido avremmo dovuto vedere delle bollicine. Qualcuno potrebbe sostenere che l’aria fosse già presente nel mercurio, ma anche nel caso di un suo spostamento dall’interno del liquido verso l’alto avrebbero fatto la loro comparsa delle bolle. Torricelli invece non menziona bolle di alcun tipo che avrebbe notato nel mercurio nel corso dell’esperimento. È possibile dunque un’unica conclusione: nello spazio sopra il mercurio non vi è materia, bensì il vuoto. Si può giungere così a concludere che, a livello macroscopico:

IN NATURA IL VUOTO ESISTE.

IL VUOTO È UNO SPAZIO IN CUI LA MATERIA È ASSENTE.

ATTIVITÀ 4: IL VUOTO E LA MATERIA

Alla fine dell’Attività precedente gli allievi sono giunti a riconoscere che l’esperimento di Torricelli fornisce l’evidenza sperimentale dell’esistenza del vuoto. Disponendo di questa prova empirica, si può tornare sui due modelli della materia già visti e stabilire quale sia più plausibile ponendo un interrogativo del tipo: I risultati degli studi condotti da Torricelli con i tubi di mercurio possono aiutarci a stabilire se sono più accettabili le idee di Aristotele o quelle di Democrito? I due modelli in effetti sono opposti. Democrito sosteneva che la materia è formata da particelle invisibili, indivisibili, indistruttibili. Ammettere che la materia è costituita da particelle significa ammettere che esiste una separazione tra una particella e l’altra. Se tutta la materia è costituita da particelle, dove non ci sono particelle c’è assenza di materia, cioè “vuoto”: se si accetta l’idea che il vuoto esiste, allora va accettata l’idea che la materia sia discontinua.

Relativamente al concetto di vuoto, si può fornire agli allievi un testo che riporta le principali critiche mosse da Aristotele al modello di Democrito (FOL 3.4).


FOL 3.4 Le critiche a Democrito Aristotele rifiutava l’esistenza delle particelle di Democrito per svariate ragioni. In primo luogo, diceva Aristotele, le particelle non si possono né vedere né toccare. Che cosa allora ci prova che le particelle esistono? In secondo luogo Democrito sosteneva l’esistenza di molti tipi di particelle di forme differenti, e Aristotele si chiedeva: quante sono esattamente le forme che possono avere le particelle? Democrito non indicava un numero definito e Aristotele pensava che questa imprecisione fosse una prova del fatto che il modello di Democrito era sbagliato. Infine, Aristotele negava l’esistenza del vuoto perché sosteneva che la materia è continua e riempie tutti gli spazi disponibili. Egli sosteneva che la grande varietà di oggetti dovesse essere spiegata come conseguenza della combinazione dei quattro elementi fondamentali: Terra, Aria, Acqua, Fuoco. L’Aria e il Fuoco tendono spontaneamente ad andare verso l’alto, l’Acqua e la Terra verso il basso: quindi il movimento di un oggetto dipende dalle proporzioni secondo le quali i quattro elementi entrano nella sua composizione. Però nel vuoto non è possibile alcun movimento: nel vuoto è impossibile, sempre secondo Aristotele, localizzare un su o un giù o qualsiasi altra direzione, e quindi i corpi non saprebbero dove dirigersi. Inoltre se un corpo si muovesse nel vuoto non incontrerebbe nessuna resistenza e la sua velocità risulterebbe infinita, cosa chiaramente assurda. Quindi, conclude Aristotele, se esistesse il vuoto, i corpi dovrebbero necessariamente restare fermi.

Consegna: 1. In che cosa sono differenti i modelli della materia di Democrito e Aristotele? 2. Quali critiche muoveva Aristotele al modello della materia di Democrito? 3. Secondo Democrito, cosa c’è tra una particella e l’altra? 4. I risultati degli studi condotti da Torricelli con i tubi pieni di mercurio possono aiutarci a stabilire se

è più accettabile il modello di Aristotele oppure quello di Democrito? Argomenta la tua risposta

La discussione in classe delle risposte degli allievi porta a concludere che gli studi di Torricelli permettono di invalidare e confutare il modello di Aristotele e di ritenere più plausibile il modello di Democrito. Quindi, gli allievi dovrebbero ora disporre di una congettura sulla struttura particellare della materia, a partire dalla quale possono affrontare attività più impegnative relative alla modellizzazione dei corpi e delle loro trasformazioni. Si può giungere così a concludere che, a livello microscopico:

TUTTI I CORPI (PORZIONI LIMITATE DI MATERIA) SONO COSTITUITI DI PARTICELLE, E TRA UNA PARTICELLA E L’ALTRA C’È IL VUOTO, CIOÈ L’ASSENZA DI PARTICELLE.

ATTIVITÀ 5: CORPI GASSOSI

Questa Attività comprende tre Fogli di Lavoro, relativi ai fenomeni di compressione, miscelazione e dilatazione dei gas. Al termine dell’Attività gli allievi saranno in grado di costruire un primo Modello Particellare, valido per i corpi gassosi. Nel FOL 3.5a viene introdotto il problema della compressione di un gas, riprendendo i concetti relativi alla diminuzione del suo volume e alla conservazione della sua massa.


FOL 3.5a

Quando spingiamo il pistone di un cilindro a tenuta, nel quale si trova un gas puro, il pistone si abbassa.

1. Secondo te, in questo esperimento, la quantità di gas:

q aumenta q diminuisce q rimane uguale q non so rispondere Spiega la tua risposta: ……………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………..…

2. Secondo te, in questo esperimento, la quantità di spazio occupato dal gas: q aumenta q diminuisce q rimane uguale q non so rispondere

Spiega la tua risposta: ……………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………..

3. Quale nome daresti a questo fenomeno? ……………………………………………………………………

La discussione serve a richiamare le idee che gli allievi dovrebbero già avere elaborato sul fenomeno della compressione di un corpo gassoso che può essere mostrata dall’insegnante utilizzando una siringa. Occorre, infatti, verificare se vi siano allievi che confondono ancora i concetti di massa e di volume; al termine della discussione gli allievi devono condividere che, anche se il volume del gas diminuisce, la quantità di gas (la sua massa) non cambia poiché nel cilindro, che è a tenuta, non possono entrare né uscire corpi materiali. A questo punto, è possibile avviare il processo di modellizzazione fornendo agli allievi un germe di modello, ossia una congettura interpretativa che alle idee già introdotte da Democrito sulla natura della materia aggiunga un assioma riguardante la massa delle particelle. Ogni particella di un corpo puro è dunque univocamente caratterizzata dalla sua indivisibilità, da una propria forma, una propria massa e proprie dimensioni. Di questo devono tenere conto gli studenti a cui viene richiesto di avanzare una congettura interpretativa relativamente alla compressione di un gas puro con il FOL 3.5b. FOL 3.5b

Si può rappresentare un gas puro come costituito da un insieme di particelle molto piccole. tali particelle hanno le seguenti proprietà:

1. UNA PARTICELLA NON SI PUÒ DIVIDERE, È INDIVISIBILE

2. UNA PARTICELLA NON PUÒ CAMBIARE FORMA, È INDEFORMABILE

3. UNA PARTICELLA NON PUÒ CAMBIARE VOLUME, HA SEMPRE LE STESSE DIMENSIONI

4. UNA PARTICELLA DI UN CERTO CORPO HA SEMPRE LA STESSA QUANTITÀ DI MATERIA

Quando si spinge forte il pistone di un cilindro a tenuta, nel quale si trova un gas puro, il pistone si abbassa. Si dice allora che il gas che si trova nel cilindro viene compresso.

Rappresenta nel riquadro A il gas puro prima della compressione e nel riquadro B il gas puro dopo la compressione.

Giustifica la tua rappresentazione: …………………………………………………………............................... ………………………………………………………………………………………………………………………….


Le particelle vengono rappresentate in modi diversi dagli allievi che, interpretando la consegna, devono disegnare dei segni iconici per rappresentare ciò che non è possibile vedere; l’insegnante, durante la discussione, richiama le idee condivise nell’attività introduttiva (i ciechi e l’elefante). Naturalmente, le particelle vanno disegnate rispettando sia le evidenze sperimentali introdotte nel FOL 3.5a, relativamente alla massa e al volume del gas puro, sia le proprietà delle particelle fissate dal germe del Modello. La rappresentazione deve cioè spiegare il fenomeno macroscopico utilizzando le asserzioni del modello particellare. La discussione dovrebbe portare gli studenti a condividere una rappresentazione di questo tipo:

Durante la discussione si stabilisce che, dovendo rappresentare un gas puro, è necessario innanzitutto scegliere per le particelle un unico segno iconico, la cui forma e le cui dimensioni devono essere mantenute inalterate sia prima sia dopo la compressione; il tipo di segno usato per rappresentare le particelle non è però un aspetto significativo del Modello, tanto è vero che allievi diversi usano segni di tipo diverso (triangolo, asterisco, quadrato, rombo, cerchio, ecc.) per rappresentare le particelle di gas. Non è importante quante particelle vengano disegnate per rappresentare il gas puro prima della compressione, però è importante che lo stesso numero di particelle rappresenti il gas dopo la compressione. (il numero non cambia dato che, essendo il sistema chiuso, non possono entrare né uscire particelle). Inoltre a seguito della compressione, il volume occupato dal gas diminuisce. Questo comportamento macroscopico può essere interpretato ammettendo che, dopo la compressione, le particelle siano più vicine di quanto non lo fossero prima. Alcuni allievi potrebbero avanzare l’ipotesi che le particelle “diventino più piccole”, ma ciò sarebbe in contrasto con il terzo assioma del Modello. Dato che la diminuzione di volume è notevole, appare logico ammettere che nel gas gli spazi tra le particelle siano molto più grandi delle dimensioni delle particelle. L’insegnante può a questo punto richiamare il problema di "cosa c'è tra una particella e l'altra": a fronte di questa attività dovrebbe essere più chiaro agli allievi il significato dell’esistenza del vuoto come assenza di particelle. Per rendere più esplicita la relazione e la differenza tra i due livelli interpretativi cui si sta facendo riferimento, le conclusioni raggiunte alla fine della discussione possono essere schematizzate alla lavagna in questo modo:

Livello macroscopico Livello microscopico stesso gas « un solo tipo di particelle stessa massa di gas « stesso numero di particelle

diminuzione notevole di volume «

le particelle si avvicinano, perché esistono tra loro spazi vuoti molto più grandi delle loro dimensioni

Si prende poi in esame il fenomeno della miscelazione di due gas, presentando agli allievi la situazione descritta nel FOL 3.6.


FOL 3.6 Due contenitori sono separati da un diaframma. In uno si trova il gas puro A, nell’altro il gas puro B.

Rappresenta i due gas prima di togliere il diaframma (1) e dopo averlo tolto (2).

Giustifica la tua rappresentazione: ………………………………………………………………........................ ………………………………………………………………………………………………………………………….

Come al solito, prima si richiede l'analisi del fenomeno a livello empirico e poi la sua interpretazione e rappresentazione mediante il Modello. Tra la situazione con diaframma e la situazione senza diaframma cambia il volume a disposizione di ciascuno dei due gas, mentre rimane invariata la loro massa. Per avviare la discussione, l'insegnante prende in considerazione alcune delle rappresentazioni più significative prodotte dagli allievi: bisogna verificare se essi abbiano tenuto presente sia le conclusioni alle quali la classe è giunta discutendo i FOL 3.5, sia i vincoli imposti dal Modello. La discussione dovrebbe portare gli studenti a condividere una rappresentazione di questo tipo:

La situazione proposta in questo FOL può avviare una discussione piuttosto lunga e conflittuale, poiché vi sono studenti che sostengono che i due gas restano nei rispettivi contenitori anche dopo l'apertura del diaframma; altri affermano invece che i due gas si miscelano completamente, occupando ciascuno tutto lo spazio a disposizione. Altri ancora ritengono che entrambi i gas occupino tutti e due i recipienti, ma "il più pesante" si trovi nella parte bassa sovrastato dal "più leggero"4, e da questo separato. Esiste anche chi ritiene che miscelando i due gas puri si ottenga un solo gas puro, che viene rappresentato graficamente unendo i due segni iconici usati per rappresentare i gas separati. In questo caso, se si vuole interpretare l'occupazione di tutto il volume a disposizione da parte di entrambi i gas, tenendo presenti gli assiomi iniziali, si deve ammettere che le particelle non siano vincolate tra loro ma siano libere di spostarsi e in continuo movimento caotico. Altrimenti, come spiegare il loro diffondersi in tutto il volume a disposizione?

4 Questo tipo di espressione persiste anche se gli studenti hanno affrontato il concetto di densità nella sequenza precedente. I tempi di apprendimento non sono uguali per tutti. È importante che l’insegnante permetta di riflettere su questo problema, favorendo il conflitto di idee tra gli studenti.


La discussione dovrebbe portare alle seguenti conclusioni:

Livello macroscopico Livello microscopico due gas diversi « due tipi di particelle

i gas si mescolano (i gas occupano tutto il volume a disposizione)

«

le particelle non sono stipate e non sono vincolate le une alle altre, ma libere di muoversi e in continuo movimento

ATTENZIONE: in genere, alcuni studenti cominciano a manifestare disagio a rappresentare le particelle all’interno di riquadri che corrispondono ai contenitori. Per esempio, le particelle dei due gas puri (livello microscopico) vengono disegnate all’interno di due recipienti individuati da linee chiuse (livello macroscopico). Gli allievi ritengono che i due livelli vengano confusi nella stessa rappresentazione e questa considerazione viene in breve accettata dai compagni. Viene condivisa l’idea che la rappresentazione delle particelle sia come uno zoom su una zona ristretta del sistema in esame e quindi sia più opportuno non disegnare il recipiente

Un esempio di miscela di corpi gassosi è l’aria. Nel FOL 3.7 viene proposta la rappresentazione dell’aria come miscela di due corpi gassosi puri, azoto e ossigeno.

FOL 3.7 Si sa che l’aria è una miscela di gas. I due gas più abbondanti sono l’azoto e l’ossigeno. La percentuale di azoto nell’aria è: 80% La percentuale di ossigeno nell’aria è: 20% Rappresenta nel riquadro A l’aria contenuta nel recipiente, tenendo conto della composizione dell’aria.

Giustifica la tua rappresentazione: ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………….

In questo foglio di lavoro, viene ancora raffigurata la cornice entro cui gli studenti devono rappresentare il corpo gassoso. Se le consegne assegnate nel FOL precedente hanno già suscitato le perplessità a proposito della confusione tra la rappresentazione delle particelle (livello microscopico) e la rappresentazione del recipiente (livello macroscopico), gli studenti non mancheranno di far notare che anche in questo caso si verifica la stessa ambiguità. Se nessuno studente solleva il problema, è il momento che l’insegnante se ne faccia carico e lo proponga alla classe.La rappresentazione che deve essere condivisa dalla classe al termine della discussione dovrà rispettare le regole del modello particellare definite nella rappresentazione del FOL precedente; in


aggiunta si deve tenere conto della proporzione relativa dei due gas puri (azoto e ossigeno) che compongono l’aria. Quindi si avrà un disegno di questo tipo:

La terza situazione sperimentale che viene proposta (FOL 3.8) riguarda il fenomeno dell’aumento di volume di un gas in seguito a riscaldamento.

FOL 3.8

Si riscalda, per un tempo limitato, un recipiente di vetro contenente aria e collegato a una siringa come in figura.

1. Secondo te, in seguito al riscaldamento, lo stantuffo della siringa: q si sposta più in alto q si sposta più in basso

q rimane nella medesima posizione q non so rispondere

Spiega la tua risposta: ………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………………..

2. Secondo te, in seguito al riscaldamento, la quantità di spazio occupato dall’aria è: q più piccola di quella iniziale q uguale a quella iniziale

q più grande di quella iniziale q non so rispondere

Spiega la tua risposta: ……………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………

3. Secondo te, in seguito al riscaldamento la quantità di aria nel pallone e nella siringa:

q aumenta q rimane uguale q diminuisce q non so rispondere

Spiega la tua risposta: …………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………..

4. Quale è il nome del fenomeno che si verifica? …………..…………………………………………………

5. Rappresenta con il modello particellare l’aria prima e dopo il riscaldamento

prima dopo

Giustifica la tua rappresentazione: ……………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………

Il corpo gassoso che subisce un aumento di volume a seguito del riscaldamento è aria che gli studenti hanno appena imparato a rappresentare con il modello particellare. Gli allievi devono compilare il foglio di lavoro prima di sperimentare il fenomeno. Essi devono suggerire delle previsioni sul comportamento del gas riscaldato e verificare se il modello particellare permetta di interpretare il fenomeno. A seguito della verifica sperimentale, la discussione deve giungere a condividere che la quantità di gas contenuta nel sistema a tenuta non può cambiare, mentre il volume da esso


occupato è aumentato: il riscaldamento ha provocato una dilatazione del gas, ma non ne ha cambiato la quantità, poiché non è entrata né uscita materia (livello macroscopico); le particelle di gas si sono allontanate tra loro, ma il loro numero non è cambiato, poiché non sono entrate né uscite particelle dal sistema (livello microscopico). La rappresentazione deve tenere conto che: l’aria è costituita da due gas puri, che dopo il riscaldamento occupano un volume maggiore. Il modello particellare impone di disegnare due tipi di particelle, il cui numero dà conto delle proporzioni relative dei due gas puri, il numero di particelle si conserva anche se esse si allontanano tra loro. Il disegno che ne risulta dovrebbe essere del tipo:

In questo esperimento, non è necessario scaldare a lungo o molto intensamente per provocare il movimento verso l’alto del pistone della siringa. Occorre evitare di causare l’espulsione del pistone, per mantenere il sistema chiuso e quindi garantire la conservazione del numero di particelle. Gli studenti introducono spontaneamente l’idea che il riscaldamento del gas provochi un aumento della velocità delle particelle che picchiando contro il pistone ne provocano lo spostamento. L’insegnante deve però evitare di introdurre problemi relativi ai concetti di energia e di calore, in quanto l'obiettivo che si persegue è quello della costruzione del Modello Particellare. Si tratta di un comportamento del tutto scientifico, in quanto questo è l'atteggiamento del ricercatore che, quando affronta un problema, lascia volutamente nell'ombra gli aspetti che ritiene non pertinenti all'obiettivo che si è posto. Anche se il movimento delle particelle è in relazione con la temperatura e gli studenti usano questa parola nelle loro argomentazioni, in questo contesto, ciò su cui dobbiamo focalizzare l’attenzione è: il gas si dilata (livello macroscopico) le particelle si allontanano (livello microscopico). Si possono riassumere le conclusioni in uno schema che completi i precedenti:

Livello macroscopico Livello microscopico il volume del gas è aumentato « le particelle sono più lontane di prima

il pistone si muove verso l’alto «

in seguito al riscaldamento le particelle si muovono più velocemente, urtano il fondo del pistone provocandone lo spostamento

A seguito delle discussioni sulle interpretazioni dei fenomeni a livello microscopico, l’insegnante chiede agli allievi di aggiungere al germe del modello fornito inizialmente, le proprietà delle particelle a cui si è fatto ricorso per interpretare i fatti fin qui indagati. Il Modello Particellare, dunque, non viene fornito dall’insegnante, ma viene costruito dagli allievi “in corso d’opera”, ossia cimentandosi con i problemi posti dall’interpretazione di nuovi fenomeni. Si possono poi riunire tutte le proprietà (da imparare a memoria) in un manifesto da esporre in classe:

ABBIAMO RAPPRESENTATO UN CORPO GASSOSO PURO COME COSTITUITO DA UN INSIEME DI PARTICELLE MOLTO PICCOLE, CHE HANNO LE SEGUENTI PROPRIETÀ:

1. UNA PARTICELLA NON SI PUÒ DIVIDERE, È INDIVISIBILE 2. UNA PARTICELLA NON PUÒ CAMBIARE FORMA, È INDEFORMABILE 3. UNA PARTICELLA HA SEMPRE LE STESSE DIMENSIONI


4. UNA PARTICELLA DI UN CORPO GASSOSO PURO HA SEMPRE LA STESSA QUANTITÀ DI MATERIA, CHE CAMBIA AL CAMBIARE DEL CORPO GASSOSO PURO

5. UN SOLO TIPO DI PARTICELLA INDIVIDUA UN CORPO GASSOSO PURO 6. UN DETERMINATO NUMERO DI PARTICELLE DELLO STESSO TIPO EQUIVALE

SEMPRE ALLA STESSA QUANTITÀ DI UN CORPO GASSOSO PURO 7. TRA LE PARTICELLE DI UN CORPO GASSOSO VI SONO SPAZI VUOTI MOLTO

GRANDI RISPETTO ALLE DIMENSIONI DELLE PARTICELLE 8. LE PARTICELLE DI UN CORPO GASSOSO NON SONO STIPATE TRA LORO E

NON SONO VINCOLATE LE UNE ALLE ALTRE 9. LE PARTICELLE DI UN CORPO GASSOSO SONO LIBERE DI MUOVERSI E

SPOSTARSI 10. LE PARTICELLE DI UN CORPO GASSOSO SONO DISPOSTE IN MODO

DISORDINATO

ATTIVITÀ 6: CORPI SOLIDI A questo punto, si può passare all’analisi di un altro stato fisico, quello solido, e a interpretarne le proprietà e le trasformazioni con il Modello Particellare. Si propone di partire anche qui dal fenomeno della dilatazione, usando un dispositivo ben conosciuto: la sfera di Gravesande. Anche in questo caso si lavora prima a livello fenomenologico (volume e forma della sfera, quantità di metallo) e si conclude con la rappresentazione della sfera prima e dopo la dilatazione mediante il Modello (FOL 3.9).

FOL 3.9 Il disegno rappresenta un esperimento fatto con una sfera di ferro. Prima di essere riscaldata, la sfera passa attraverso l’anello. Si riscalda la sfera con una fiamma. Dopo il riscaldamento, la sfera non passa più attraverso l’anello.

1. Secondo te, dopo il riscaldamento, il volume della sfera: q aumenta q diminuisce q rimane uguale q non so rispondere

Spiega la tua risposta: ……………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………..… 2. Secondo te, dopo il riscaldamento, la quantità di ferro nella sfera:

q aumenta q diminuisce q rimane uguale q non so rispondere Spiega la tua risposta: …………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………….. 3. Secondo te, dopo il riscaldamento, la forma della sfera:

q cambia q non cambia q non so rispondere Spiega la tua risposta: …………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………….. 4. Quale è il nome del fenomeno che si verifica? ……………………………………………………………..

5. Rappresenta, con il modello particellare, la sfera di ferro prima e dopo il riscaldamento

prima dopo Giustifica la tua rappresentazione: …………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………..


La sfera non passa più attraverso l’anello, gli allievi concordano sul fatto che il suo volume sia aumentato. Come interpretare il fenomeno con il modello particellare? L’idea che le particelle si allontanino viene spontanea a quasi tutti gli studenti. Infatti, se si tiene conto che le particelle non possono dividersi e non possono cambiare dimensioni, si è obbligati ad ammettere che anche nella dilatazione dei corpi solidi le particelle si allontanano le une dalle altre. L'insegnante invita gli allievi a mettere a confronto la dilatazione del gas con la dilatazione del corpo solido. Dalla discussione emerge che la dilatazione del gas è di entità ben superiore a quella del solido, tanto è vero che la dilatazione della sfera non è percepibile a occhio nudo. Questo significa che, nei corpi solidi, gli spazi vuoti che esistono tra le particelle sono molto piccoli rispetto a quelli che si possono ammettere nei gas, e molto piccoli rispetto anche alle dimensioni delle particelle, data la scarsa entità della dilatazione. Questa disposizione delle particelle consente di spiegare come mai i corpi solidi non sono comprimibili. Nel corso dell’esperimento, la sfera conserva la propria forma: questo significa che le particelle sono in qualche modo vincolate le une alle altre, il che porta a concludere che non sono libere di spostarsi. La conservazione della forma da parte della sfera viene anche interpretata come conservazione della posizione reciproca delle particelle: pur non essendo una considerazione immediata, alcuni allievi suggeriscono quindi che le particelle siano disposte secondo un ordine che viene mantenuto durante la dilatazione della sfera. La rappresentazione condivisa dovrebbe essere del tipo:

Anche in questo caso, è importante conservare lo stesso numero di particelle in entrambe le rappresentazioni, dal momento che la massa della sfera non cambia in quanto non è stato aggiunta né tolta materia. La particolare forma sferica induce alcuni studenti a inscrivere la rappresentazione particellare dentro un cerchio. In genere sono altri allievi a far notare che nella rappresentazione microscopica la linea che rappresenta macroscopicamente la sfera non esiste. Le concezioni difformi degli studenti ritornano e il compito dell’insegnante è quello di verificare continuamente che gli studenti abbiano compreso. Per concludere si può ricorrere al solito schema:

Livello macroscopico Livello microscopico un corpo solido puro « un solo tipo di particelle la quantità di materia non cambia « stesso numero di particelle

il volume della sfera è aumentato « le particelle sono più lontane di prima

la dilatazione è di modesta entità « gli spazi vuoti tra le particelle sono più

piccoli delle loro dimensioni

la sfera mantiene la propria forma «

le particelle sono stipate tra loro e vincolate le une alle altre le particelle non possono spostarsi liberamente le particelle sono disposte in modo ordinato


A questo punto appare evidente che alcune delle proprietà attribuite alle particelle per interpretare il comportamento dei gas devono essere mutate per interpretare la dilatazione dei corpi solidi. Si chiede perciò agli allievi di adattare il Modello già costruito alla nuova situazione, ragionando per analogia, ossia si chiede loro in che modo si possa modificare il Modello Particellare dei gas al fine di poterlo utilizzare per interpretare la dilatazione di un corpo solido. Tenendo conto dei risultati dell’esperienza di dilatazione di un corpo solido, quali dei dieci assiomi del Modello Particellare costruito per un gas credete debbano essere modificati per poterlo applicare a un corpo solido? Come proponete di modificarli? Si arriva alla conclusione che gli ultimi quattro assiomi del Modello Particellare per i gas devono essere modificati per poter applicare il modello al comportamento dei solidi. La formulazione è ora la seguente:

ABBIAMO RAPPRESENTATO UN CORPO SOLIDO PURO COME COSTITUITO DA UN INSIEME DI PARTICELLE MOLTO PICCOLE, CHE HANNO LE SEGUENTI PROPRIETÀ:

1. UNA PARTICELLA NON SI PUÒ DIVIDERE, È INDIVISIBILE 2. UNA PARTICELLA NON PUÒ CAMBIARE FORMA, È INDEFORMABILE 3. UNA PARTICELLA HA SEMPRE LE STESSE DIMENSIONI 4. UNA PARTICELLA DI UN CORPO SOLIDO PURO HA SEMPRE LA STESSA

QUANTITÀ DI MATERIA, CHE CAMBIA AL CAMBIARE DEL CORPO SOLIDO PURO

5. UN SOLO TIPO DI PARTICELLA INDIVIDUA UN CORPO SOLIDO PURO 6. UN DETERMINATO NUMERO DI PARTICELLE DELLO STESSO TIPO EQUIVALE

SEMPRE ALLA STESSA QUANTITÀ DI UN CORPO SOLIDO PURO 7. TRA LE PARTICELLE DI UN CORPO SOLIDO VI SONO PICCOLI SPAZI VUOTI

MOLTO PICCOLI RISPETTO ALLE DIMENSIONI DELLE PARTICELLE 8. LE PARTICELLE DI UN CORPO SOLIDO SONO STIPATE TRA LORO E

VINCOLATE LE UNE ALLE ALTRE 9. LE PARTICELLE DI UN CORPO SOLIDO NON SONO LIBERE DI SPOSTARSI 10. LE PARTICELLE DI UN CORPO SOLIDO SONO DISPOSTE IN MODO ORDINATO

ATTIVITÀ 7: CORPI LIQUIDI

In modo analogo si lavora con i corpi liquidi, proponendo la situazione sperimentale del FOL 3.10. Anche in questo caso, il foglio di lavoro deve essere compilato prima di eseguire l’esperimento. Le conclusioni a cui si è giunti nelle attività precedenti consentono a buona parte degli studenti di predire una diminuzione del livello del liquido nel matraccio. Questo tipo di recipiente, naturalmente, viene scelto perché il lungo collo consente di percepire più facilmente la variazione di livello.


FOL 3.10

In un matraccio si introduce dell’acqua, precedentemente riscaldata a circa 70 °C. Dopo aver tappato il recipiente, si segna con un pennarello il livello a cui arriva l’acqua. Si lascia quindi raffreddare il matraccio con l’acqua fino a temperatura ambiente e si nota che il livello dell’acqua è diminuito.

1. Secondo te, in seguito al raffreddamento, il livello dell’acqua all’interno del matraccio:

q sale q rimane uguale q scende q non so rispondere Spiega la tua risposta: …………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………. 2. Secondo te, dopo il raffreddamento, il volume dell’acqua nel matraccio:

q aumenta q diminuisce q rimane uguale q non so rispondere Spiega la tua risposta: …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………

3. Secondo te, dopo il raffreddamento, la quantità di acqua nel matraccio: q aumenta q diminuisce q rimane uguale q non so rispondere Spiega la tua risposta: ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………

4. Rappresenta con il modello particellare l’acqua nel matraccio prima e dopo il raffreddamento

prima dopo

Giustifica la tua rappresentazione: ……………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………

Analizzando il fenomeno a livello macroscopico, si conclude che la quantità di acqua non è cambiata, essendo il contenitore chiuso, mentre l’abbassamento del livello del liquido dopo il raffreddamento segnala che il suo volume è diminuito. La rappresentazione è del tipo:

Di nuovo, per alcuni allievi, bisogna sottolineare come il ‘livello’ dell’acqua sia costituito da particelle. Non è corretto disegnarlo come una linea nella rappresentazione microscopica. Inoltre, il numero di particelle deve restare invariato a seguito del raffreddamento, data la conservazione della massa dell’acqua. Prendendo in considerazione le conclusioni cui si è giunti per i corpi gassosi e solidi, si può ipotizzare che la diminuzione di volume sia dovuta a un avvicinamento delle particelle. Si tratta di una diminuzione relativamente piccola, ma sufficientemente grande da essere percepita a occhio nudo, a differenza di quanto succede per i solidi. Inoltre, la discussione relativa a questo fenomeno dovrebbe consolidare l’idea che il movimento delle particelle è in relazione con la temperatura. Il liquido necessita di un contenitore, non avendo forma propria: questo dovrebbe portare a concludere che, contrariamente ai solidi, le particelle di un corpo liquido non siano disposte in modo ordinato, e


la loro diposizione resta tale anche dopo il raffreddamento.

Livello macroscopico Livello microscopico corpo liquido puro « un solo tipo di particella la quantità di liquido non cambia « stesso numero di particelle

il volume dell’acqua è diminuito « le particelle sono più vicine di prima

la diminuzione è modesta « gli spazi vuoti tra le particelle sono minori delle loro dimensioni

l’acqua non ha una forma propria «

le particelle sono stipate tra loro e vincolate le une alle altre le particelle possono spostarsi entro certi limiti le particelle sono disposte disordinato

Di conseguenza gli assiomi del Modello Particellare possono essere proposti in questo modo per i corpi liquidi:

ABBIAMO RAPPRESENTATO UN CORPO LIQUIDO PURO COME COSTITUITO DA UN INSIEME DI PARTICELLE MOLTO PICCOLE, CHE HANNO LE SEGUENTI PROPRIETÀ:

1. UNA PARTICELLA NON SI PUÒ DIVIDERE, È INDIVISIBILE 2. UNA PARTICELLA NON PUÒ CAMBIARE FORMA, È INDEFORMABILE 3. UNA PARTICELLA HA SEMPRE LE STESSE DIMENSIONI 4. UNA PARTICELLA DI UN CORPO LIQUIDO PURO HA SEMPRE LA STESSA

QUANTITÀ DI MATERIA, CHE CAMBIA AL CAMBIARE DEL CORPO LIQUIDO PURO

5. UN SOLO TIPO DI PARTICELLA INDIVIDUA UN CORPO LIQUIDO PURO 6. UN DETERMINATO NUMERO DI PARTICELLE DELLO STESSO TIPO EQUIVALE

SEMPRE ALLA STESSA QUANTITÀ DI UN CORPO LIQUIDO PURO 7. TRA LE PARTICELLE DI UN CORPO LIQUIDO VI SONO SPAZI MINORI O

UGUALI ALLE LORO DIMENSIONI 8. LE PARTICELLE DI UN CORPO LIQUIDO SONO STIPATE FRA DI LORO E

VINCOLATE LE UNE ALLE ALTRE 9. LE PARTICELLE DI UN CORPO LIQUIDO SONO ABBASTANZA LIBERE DI

MUOVERSI 10. LE PARTICELLE DI UN CORPO LIQUIDO SONO DISPOSTE IN MODO

DISORDINATO

ATTIVITÀ 8: IL CONCETTO DI SOSTANZA

In base alle conclusioni raggiunte studiando i corpi gassosi, solidi e liquidi, si possono formulare le proprietà delle particelle in modo tale che il Modello risulti valido per tutti gli stati fisici della materia: dall’analisi dei modelli per i singoli stati fisici, si può concludere come i primi sei assiomi siano validi sia per i corpi solidi, sia per quelli liquidi, sia per quelli gassosi, mentre gli altri assiomi cambino a seconda dello stato fisico in cui il corpo si trova. In base al Modello costruito, si può giungere a formulare una definizione di corpo puro, che si riferisca al livello microscopico, dunque alla sua


natura e composizione particellare.

Possiamo dunque rappresentare un corpo puro come costituito da un insieme di particelle molto piccole. Quale che sia lo stato fisico del corpo, tali particelle hanno le seguenti proprietà:

1. UNA PARTICELLA NON SI PUÒ DIVIDERE, È INDIVISIBILE 2. UNA PARTICELLA NON PUÒ CAMBIARE FORMA, È INDEFORMABILE 3. UNA PARTICELLA HA SEMPRE LE STESSE DIMENSIONI 4. UNA PARTICELLA DI UN CORPO PURO HA SEMPRE LA STESSA QUANTITÀ DI

MATERIA, CHE CAMBIA AL CAMBIARE DEL CORPO PURO 5. UN SOLO TIPO DI PARTICELLE INDIVIDUA UN CORPO PURO 6. UN DETERMINATO NUMERO DI PARTICELLE DELLO STESSO TIPO EQUIVALE

SEMPRE ALLA STESSA QUANTITÀ DI CORPO PURO 7. TRA LE PARTICELLE ESISTONO SPAZI VUOTI PIÙ O MENO GRANDI A

SECONDA DELLO STATO FISICO DEL CORPO PURO 8. LE PARTICELLE SONO PIÙ O MENO STIPATE TRA LORO, E PIÙ O MENO

VINCOLATE LE UNE ALLE ALTRE, A SECONDA DELLO STATO FISICO DEL CORPO PURO

9. LE PARTICELLE SONO PIÙ O MENO LIBERE DI MUOVERSI E/O SPOSTARSI A SECONDA DELLO STATO FISICO DEL CORPO PURO

10. LE PARTICELLE SONO DISPOSTE IN MODO PIÙ O MENO ORDINATO A SECONDA DELLO STATO FISICO DEL CORPO PURO

Il modello particellare che gli studenti hanno costruito per descrivere gli stati fisici della materia a livello microscopico, può essere ora utilizzato per elaborare il concetto di sostanza. Un corpo viene definito puro facendo riferimento alla sua composizione. Agli allievi è ormai chiaro che un corpo viene definito puro quando è costituito di particelle tutte dello stesso tipo. In chimica il corpo puro viene chiamato sostanza. Nel modello particellare, dunque, sostituendo all’espressione corpo puro il termine sostanza possiamo giungere alla definizione di un concetto fondante della chimica: il concetto di sostanza.

1. UNA PARTICELLA NON SI PUÒ DIVIDERE, È INDIVISIBILE 2. UNA PARTICELLA NON PUÒ CAMBIARE FORMA, È INDEFORMABILE 3. UNA PARTICELLA HA SEMPRE LE STESSE DIMENSIONI 4. UNA PARTICELLA DI UNA CERTA SOSTANZA HA SEMPRE LA STESSA

QUANTITÀ DI MATERIA, CHE CAMBIA AL CAMBIARE DELLA SOSTANZA 5. UN SOLO TIPO DI PARTICELLE INDIVIDUA UNA SOSTANZA 6. UN DETERMINATO NUMERO DI PARTICELLE DELLO STESSO TIPO EQUIVALE

SEMPRE ALLA STESSA QUANTITÀ DI SOSTANZA 7. TRA LE PARTICELLE ESISTONO SPAZI VUOTI PIÙ O MENO GRANDI A

SECONDA DELLO STATO FISICO DELLA SOSTANZA 8. LE PARTICELLE SONO PIÙ O MENO STIPATE TRA LORO, E PIÙ O MENO

VINCOLATE LE UNE ALLE ALTRE, A SECONDA DELLO STATO FISICO DELLA SOSTANZA

9. LE PARTICELLE SONO PIÙ O MENO LIBERE DI MUOVERSI E/O SPOSTARSI A SECONDA DELLO STATO FISICO DELLA SOSTANZA

10. LE PARTICELLE SONO DISPOSTE IN MODO PIÙ O MENO ORDINATO A SECONDA DELLO STATO FISICO DELLA SOSTANZA


In particolare, facendo riferimento al punto 5 di questo modello, possiamo affermare che:

UNA SOSTANZA È UNA PORZIONE DI MATERIA COSTITUITA DI PARTICELLE DI UN SOLO TIPO

ATTIVITÀ 9: DENSITÀ DI UNA SOSTANZA

Il concetto di massa volumica o densità di un corpo appartiene all’ambito macroscopico. Abbiamo definito la densità di un corpo come il rapporto tra la quantità di materia di cui è costituito (massa) e la quantità di spazio che occupa (volume). Il modello particellare che abbiamo costruito ci consente di interpretare a livello microscopico le variazioni di densità che un corpo può subire quando venga sottoposto a compressione oppure sia riscaldato o raffreddato. Nel FOL 3.11 vengono riproposte alcune delle situazioni sperimentali già analizzate in questa Sequenza (compressione di un corpo gassoso, dilatazione di un corpo solido, raffreddamento di un corpo liquido).

FOL 3.11

a. La massa di una sostanza gassosa è 2,0 kg e il suo volume è pari a 10 dm3. In seguito a una compressione, la massa del gas non è cambiata, ma il suo volume è diminuito a 5,0 dm3. Raccogli questi dati nella tabella:

massa (kg) volume (dm3) gas prima della compressione gas dopo la compressione

Secondo te, la densità della sostanza gassosa dopo la compressione: q aumenta q diminuisce q resta uguale q non so rispondere

Giustifica la tua scelta: ……………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………..…

b. La massa di una sfera di ferro è 0,25 kg e il suo volume è pari a 0,20 dm3. Dopo riscaldamento, a parità di massa il suo volume è aumentato a 0,21 dm3. Raccogli questi dati nella tabella:

massa (kg) volume (dm3) sfera prima del riscaldamento sfera dopo il riscaldamento

Secondo te, la densità della sfera prima e dopo la dilatazione: q aumenta q diminuisce q resta uguale q non so rispondere


c. La massa di un campione di 1,0 kg d’acqua occupa un volume pari a 1,2 dm3. In seguito a raffreddamento, la sua massa non cambia, ma il suo volume diminuisce a 1,0 dm3. Raccogli questi dati nella tabella:

massa (kg) volume (dm3) acqua prima del raffreddamento acqua dopo il raffreddamento

Secondo te, la densità dell’acqua prima e dopo la dilatazione: q aumenta q diminuisce q resta uguale q non so rispondere


Per rispondere ai quesiti, è necessario che gli allievi calcolino i valori di densità facendo il rapporto tra la massa e il volume dei corpi nelle diverse situazioni. I dati raccolti si possono riassumere in questo modo:


massa (kg)

volume (dm3)

densità (kg/dm3)

gas prima della compressione 2,0 10 0,20 gas dopo la compressione 2,0 5,0 0,40 sfera prima del riscaldamento 0,25 0,20 1,2 sfera dopo il riscaldamento 0,25 0,21 1,2 acqua prima del raffreddamento 1,0 1,2 0,83 acqua dopo il raffreddamento 1,0 1,0 1,0

Si concluderà che quando un corpo gassoso viene compresso la sua densità aumenta (una diminuzione di volume, a massa costante, porterà a un aumento del rapporto m/V; viceversa l’espansione di un gas porterà a una diminuzione della sua densità); quando un solido si dilata la sua densità diminuisce; quando un liquido viene raffreddato, la sua densità aumenta. L’insegnante pone il seguente interrogativo: Come si può spiegare questo fenomeno a livello particellare? Quando si sottopone un corpo a queste sollecitazioni, né il numero di particelle né la loro massa cambia; ciò che può cambiare nel corso dei diversi fenomeni è sempre unicamente lo spazio vuoto tra una particella e l’altra: nel caso della compressione di un gas, le particelle si avvicinano tra loro, portando a una diminuzione dello spazio occupato dal corpo (ossia a una diminuzione del vuoto tra una particella e l’altra). Quindi, rimanendo costante la massa del corpo gassoso e diminuendo il volume occupato, si avrà un aumento della sua densità. D’altra parte, il riscaldamento di un gas aumenta il movimento delle particelle: se si aumenta la temperatura di un gas, le particelle si allontanano tra loro, provocando un aumento del volume del corpo; la massa del corpo, invece, rimane costante, e quindi la densità diminuisce. Al contrario, una diminuzione della temperatura porterà a un aumento della densità.

A questo punto, l’insegnante può proporre agli allievi di controllare sulle schede di sicurezza di diverse sostanze come vengano riportati i valori della densità: il valore viene dato a una ben precisa temperatura di riferimento.

LA DENSITÀ DI UNA SOSTANZA È COSTANTE A TEMPERATURA COSTANTE.

È importante che l’insegnante faccia ora riflettere gli allievi sull’asserzione n° 4 del modello particellare:

4 - Una particella di una certa sostanza ha sempre la stessa quantità di materia, che cambia al cambiare della sostanza.

Come sappiamo, la massa volumica (densità) di un corpo è il rapporto tra quantità di materia di cui è costituito (massa) e la quantità di spazio che occupa (volume). Si prelevano volumi uguali di due sostanze diverse contenenti lo stesso numero di particelle. I due volumi contengono la stessa quantità di materia, ossia hanno la stessa massa? Sicuramente no, dal momento che le loro particelle hanno massa diversa. Quindi le due sostanze non possiedono la stessa densità; la sostanza costituita da particelle di massa maggiore avrà una massa maggiore e quindi, a parità di volume, la sua densità sarà maggiore di quella del corpo le cui particelle hanno massa minore. D’altra parte, se si prendono due campioni della stessa sostanza aventi lo stesso volume, ma temperature diverse scopriremo che possiedono masse volumiche diverse. Come abbiamo visto, quando si scalda un corpo, esso subisce una dilatazione cioè aumenta la quantità di spazio che


occupa. L’interpretazione particellare giustifica la dilatazione del corpo ammettendo che le particelle di cui è costituito si allontanino tra loro. Ne consegue che, se una sostanza viene riscaldata, il numero di particelle presenti nello stesso volume diminuisce. Dato che vale sempre il punto 4 del modello particellare, a parità di volume la massa del corpo diminuisce e diminuisce la sua densità. Quindi, se aumentando la temperatura di una sostanza ne provochiamo la dilatazione, la sua densità diminuisce; diminuendo la temperatura di una sostanza ne provochiamo la contrazione e la sua densità aumenta. Per questo motivo, quando si misura la densità di una sostanza, è importante specificare a quale temperatura viene effettuata la misurazione.

3. LA STRUTTURA DELLA MATERIA E IL MODELLO ......macroscopico e successivamente che abbiano...

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