Investigazioni, gioco e creatività

Giuseppe ValituttiUniversità di Urbino ‘’Carlo Bo’’

gvalitutti@virgilio.itTreviso 19 Gennaio 2012

È pura follia continuare a fare sempre le stesse cose ed aspettarsi differenti risultatiAlbert Einstein

Indirizzi utili• www.ihmc.us Per scaricare il software sulle mappe

concettuali

• www.itismajo.it/chimica/150.htm• www.leparoledellascienza.it• http://risorsedocentipon.indire.it• http://wwwcsi.unian.it/educa/strategie/chiscume.htm

l•

Lo studente sotto processo

• Il mito della “centralità dell'alunno” non ha mai trovato (fatta eccezione per alcune scuole dell'infanzia e primarie) una vera rispondenza né nei metodi né nell'organizzazione della nostra scuola.

• Al centro ci sono gli eterni “personaggi” della nostra vita scolastica: i programmi, i registri, gli orari, gli organici, le cattedre. Gli studenti sono spesso casuali “utilizzatori finali” di una scuola dove la retorica degli adulti cerca di convincerli che tutto si fa per il loro Bene.

Essere ottimisti

• Dirigenti scolastici e insegnanti hanno il dovere di avvicinarsi ai giovani, che vivono e soffrono sulla loro pelle la rivoluzione della modernità.

• E' solo ricercando con tenacia qualche risposta più sensata della nostalgia o del disagio, che riusciremo a ridare legittimità e autorità a un mestiere che mostra tutti i segni della vecchiaia, ma che rimane ancora uno dei legami non sostituibili con le nuove generazioni. ADI

• Norberto Bottani

La nuova cultura dell’apprendimento

• I bambini apprendono giocando e noi li incoraggiamo in questa speciale esplorazione.

• A quell’età il gioco e l’apprendimento sono indistinguibili.

• La Nuova cultura dell’apprendimento: a tutte le età il gioco e l’apprendimento sono indistinguibili.

• Troppe regole si rivelano soffocanti e troppa libertà può essere paralizzante.

• Molti ritengono che le mostre aule siano soffocanti e la Rete sia paralizzante, perché priva di una guida affidabile.

• Cosa fare allora?

• JSB consiglia di usare il gioco come modalità di investigazione, di esplorazione e di risoluzione dei problemi.

La nuova cultura dell’apprendimento

• Come possiamo dare un significato a questo strano e divertente mondo in continua trasformazione?

• Il mondo in trasformazione non rappresenta più una sfida o un ostacolo da superare; esso diventa una risorsa inesauribile da sfruttare e stimolare, per far fiorire l’immaginazione.

• ‘’L’immaginazione e l’organizzazione sono più importanti della conoscenza’’. Della validità di quest’affermazione abbiamo una certa esperienza avendo diretto gli ‘’allenamenti’’ delle Olimpiadi della Chimica.

• http://risorsedocentipon.indire.it

La nuova cultura dell’apprendimento

• I Giochi della Chimica, inventati dal Prof. Scorrano in questa regione, sono un’altra prova a sostegno del valore del gioco, per abbattere gli ostacoli che soffocano l’apprendimento.

• La nuova sfida è l’immaginazione che ci aiuta a crescere, utilizzando in maniera efficace le informazioni che raccogliamo sulla Rete.

• 1. Le scienze integrate

• 2. Le idee centrali

• 3. Investigare e connettere

• 4. La storia della scienza

• 5. I WebQuest

• 6. I moduli

Singapore 1

Maggio 2008

Magritte – La memoria

• Priorità assoluta: rendere gli studenti autonomi e responsabili del proprio apprendimento.

Scrivere per spiegare la scienza

• Progettare, insieme agli allievi, investigazioni che implichino riflessioni meta cognitive per ogni singolo passaggio esplorativo.

• Al termine di ogni Investigazione fermarsi per connettere, per comprendere i concetti e le ragioni della investigazione.

• Evitare le esercitazioni con ricetta e le nude attività per dimostrare e/o verificare i concetti scientifici.

Scrivere per spiegare la scienza

1. C’è un metodo alternativo al tradizionale rapporto di laboratorio (SWH Science Writing Heuristic).

2. Sapendo che gli studenti hanno grandi difficoltà a correlare il lavoro sperimentale ai concetti appresi in classe.

3. Gli allievi sono allenati a costruire la spiegazione delle attività investigative.

4. Le discussioni in classe, le connessioni meta cognitive e le descrizioni scritte delle investigazioni rendono significativo l’apprendimento di ciascuno (Diario di bordo).

Scrivere per spiegare la scienza Si abilitano gli allievi con quesiti come il seguente.

1. In una bottiglia piena d’aria, a temperatura ambiente, quali molecole hanno maggiore velocità?

A. Le molecole dell’aria, ossia azoto e ossigeno, hanno tutte la stessa velocità. B. Le velocità medie di tutte le molecole sono le stesse perché la temperatura è la stessa. C. Le molecole di ossigeno hanno maggiore velocità media. D. Le molecole d’azoto hanno maggiore velocità media.

Scrivi le ragioni della tua scelta ed usa il tuo linguaggio abituale, senza ricorrere alle definizioni dei libri.

Comprensione - competenza

Quando l’allievo risponde a una domanda dimostra di conoscere l’argomento.

La comprensione e la competenza sono cose diverse. L’allievo ha raggiunto la competenza se:

1. Sa spiegare quanto appreso2. Sa fare degli esempi3. Sa generalizzare4. Sa applicare l’idea e risolve problemi5. Propone analogie6. Rappresenta l’argomento in modo

diverso

Scrivere per spiegare la scienza

• ELENCO DI TOYS IN CHIMICA 1. Siringa con manometro

2. Cubi metallici 3. Palloncini gonfi con anice stellato, chiodi di garofano, vanillina. 4. Sabbia magica. 5. Termometro digitale (reazione endotermica). 6. Uccello che beve.

7. Piccolo chimico (150 esperienze da Toys 28 €) 8. Combustione della lana d’acciaio. 9. Palloncino nella beuta.

10. Colorazioni alla fiamma.

http://www.materialseducation.org

http://www.teachersource.com/

Sabbia magica

Colore Composto

Rosso Sali di stronzio e di litio carbonato di litio, Li2CO3 = rosso

carbonato di stronzio, SrCO3 = rosso brillante

Arancio Sali di calcio cloruro di calcio, CaCl2

solfato di calcio, CaSO4·xH2O, in cui x = 0,2,3,5

Oro Incandescenza di limatura di ferro con polvere di carbone

Giallo Composti del sodio nitrato di sodio, NaNO3 ; criolite, Na3AlF6

Bianco elettrico

Polveri di magnesio o alluminio

Verde Composti del bario cloruro di bario, BaCl+ = verde brillante

Blu Composti del rame acetoarsenito di Cu (Verde Parigi), Cu3As2O3Cu(C2H3O2)2 = blu

cloruro di rame (I) chloride, CuCl = blu turchese

Porpora Miscugli di composti di stronzio (rosso) e rame (blu)

Argento Polveri di alluminio, titanio o magnesio

http://www.ilgiocattolo.it/2/piccolo-chimico-180-esperimenti

28 €

Negozi

TOYS Center

Trasformazione chimica (combustione della cera)

Trasformazione fisica (fusione della cera)

C25H52 + 38 O2 =

= 25 CO2 +

26 H2O

La fotosintesi è un processo endotermico

Dal sole

L’acqua, assorbita dalle radici delle piante, viene anch’essa dall’aria ossia dal vapore acqueo che condensa nelle nubi e cade sul terreno sotto forma di pioggia.

L’elodea produce ossigeno• Esp. 12 – Compra una piantina di Elodea dal

rivenditore di acquari. Riempi un recipiente di vetro con acqua leggermente frizzante, aggiungi qualche sassolino e poi immergi la piantina fermandola con le pietre. Lascia il vasetto alla luce del sole per almeno due ore. Con una lente d’ingrandimento potrai notare sulle foglioline le bollicine di ossigeno. Aggiungendo un pizzico di bicarbonato di sodio, cosa osservi sulle foglie? Come spieghi l’osservazione?

L’elodea produce ossigeno

L’elodea produce CO2

• Esp. 13 – Compra una piantina di Elodea dal rivenditore di acquari. Riempi un recipiente di vetro con acqua Levissima naturale, aggiungi qualche sassolino e poi immergi la piantina fermandola con le pietre. Versa nell’acqua qualche goccia di BTB e chiudi il vasetto in un armadio, all’oscuro, per almeno 1 giorno. Dopo un giorno o due quale colore assume la soluzione, inizialmente blu? Come spieghi l’osservazione?

Le Proprietà

Fisiche

Le proprietà chimiche e le

strutture atomiche e molecolari

Le idee centrali della Chimica

Macroscopico Microscopico

colore, temperatura,conduttore, duro, ecc.., sono proprietà macroscopiche

L’atomo ha/è?

Le idee centrali della Chimica

In Chimica ci sono 5 argomenti centrali che, se costruiti attraverso investigazioni e valutazioni autentiche (Cooperative Learning, Problem –solving, WebQuest), permettono allo studente di conquistare e di mantenere a lungo la comprensione – competenza dell’argomento.

• 1. Il modello cinetico molecolare della materia (spazio vuoto fra le particelle ossia fra atomi, molecole e ioni e loro moto continuo a tutte le temperature) serve a spiegare il mondo visibile mediante il mondo invisibile degli atomi, delle molecole e degli ioni.

• 2. La struttura delle sostanze e dei materiali e il loro comportamento dipendono dalle attrazioni – repulsioni fra cariche elettriche positive e negative (come avviene nell’atomo, nel legame chimico, nei solidi, nei liquidi, nei gas, nelle soluzioni, ecc..).

Le idee centrali della Chimica3. La mole come collegamento delle proprietà fisiche, che sono

proprietà macroscopiche dei materiali, con le proprietà chimiche, che sono proprietà microscopiche dei singoli atomi, delle singole molecole e dei singoli ioni.

4. Il Sistema Periodico consente di spiegare le proprietà delle sostanze: per esempio, confrontando e discutendo le densità di Rame e Zinco e di altre coppie di metalli (come Osmio e Piombo), comprendere che lo spazio vuoto fra gli atomi esiste anche allo stato solido ed è diverso fra metalli differenti.

5. Il sistema duale (Pierre Laszlo) di presentazione e spiegazione dei concetti contrapposti (atomo-molecola, elemento-composto, sostanza-miscuglio, acido-base, ossidante-riducente, elettrofilo-nucleofilo) aiuta ad apprendere significativamente le idee centrali della Chimica.

1. Investigare e connettere• Investigare insieme• Il docente consegna al gruppo due cubi di uguale volume,

il primo di zinco e il secondo di rame. Gli allievi dovranno investigare per provare la presenza di spazi vuoti fra gli atomi di zinco e gli atomi di rame. Gli allievi possono utilizzare la bilancia digitale, per determinare la massa del cubo di zinco e la massa del cubo di rame.

•

1. Investigare e connettereDomande1.Qual è la massa del cubo di zinco?2.Qual è la massa del cubo di rame?3.Qual è la densità del rame, determinata sperimentalmente?4.Qual è la densità dello zinco, determinata sperimentalmente?5.Trova sulla Tavola Periodica le masse atomiche di zinco e rame.6.Descrivi in almeno cinque righe, come puoi stabilire l’esistenza di spazio vuoto fra gli atomi di zinco e gli atomi di rame?

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1. Investigare e connettere• Rifletti e connetti i concetti

V/F1. Gli atomi e le molecole sono sempre in movimento2. Gli atomi e le molecole hanno tutti le stesse dimensioni3. Le molecole del cono gelato sono più fredde4. Gli atomi e le molecole hanno massa e peso5. Le molecole si muovono a differenti velocità6. Solo le cose che si vedono sono fatte di molecole7. Le molecole delle rocce sono ferme

1. Investigare e connettere• Rifletti e connetti i concetti

V/F8. Due sostanze possono essere formate da identiche molecole ma da differenti atomi9. Le molecole dei liquidi sono sempre più distanti delle molecole dei solidi10. Le molecole dei liquidi si muovono in maniera diversa delle molecole dei solidi11. Le cellule sono speciali molecole12. Ci sono spazi vuoti fra gli atomi e le molecole di solidi e liquidi

1. Investigare e connettere• Rifletti e connetti i concetti2. Che cosa rappresentano i seguenti disegni a livello

microscopico: elementi, composti, miscugli?

A B C DDescrivi in almeno 5 righe il tuo pensiero, col linguaggio abituale, senza ricorrere alle definizioni del libro.

3. Quale diagramma rappresenta le molecole di un composto allo stato gassoso? Cosa rappresentano gli altri diagrammi?

A B C D

Descrivi in poche righe col tuo linguaggio abituale le scelte, senza far ricorso

alle definizioni del libro.

2 Moli, atomi, molecole e grammi Gruppo 1

• Gruppo: ________________________________

• Completare il seguente compito. Il gruppo avrà un punteggio da 4 a 1 in base all’accuratezza della misura e del calcolo. Il gruppo può ripetere la misura.

A. Misurare 1,25 moli di sale (NaCl) nel bicchiere (1) asciutto.

Err. 2% erro. 5% err.10% oltre

• 4 3 2 1

• Mostrare il lavoro:

• B. Versare 4,52 x 1024 molecole d’acqua nel bicchiere (2).

Err. 2% erro. 5% err.10% oltre

• 4 3 2 1

2 Moli, atomi, molecole e grammi Gruppo 1

• C. Il docente consegna un campione di rame.

• Quanti atomi contiene? Mostrare il lavoro.

• Il docente verificherà l’accuratezza.

• Err. 2% erro. 5% err.10% oltre 4 3 2 1

• Mostrare il lavoro:

• D. Misurare l’accuratezza di

• 5,15 x 10 22 atomi di alluminio.

• Err. 2% erro. 5% err.10% oltre 4 3 2 1

• Mostrare il lavoro:

•

L’atomo

Il premio Nobel Richard Feynman, nel 1963, ha scritto:

• ‘’Se, in un cataclisma, dovesse essere distrutta tutta la conoscenza, quale frase potrebbe contenere il maggior numero di informazioni per le future generazioni? Io credo che sia l’ipotesi atomica e cioè che tutte le cose sono costituite da atomi (o da molecole e ioni) – piccole particelle che si muovono in tutte le direzioni senza fermarsi mai, che si attraggono, quando sono vicine, ma si respingono se sono schiacciate l’una contro l’altra.’’

• La semplice, ma chiara, idea di Feynman contiene l’essenza di tutta la scienza: della biologia, della chimica, della fisica, delle scienze naturali, dell’ecologia, della geologia, ecc...

3 Investigare e connettere• Investigare insieme• 1.Costruisci un elettroscopio come quello rappresentato in

figura. Per la costruzione ti servono: un piccolo recipiente di vetro, per esempio un vasetto per omogeneizzati, un chiodo piegato, infilato in un tappo di gomma o di sughero, una lamina sottile d’oro o di alluminio. Le lamine sottili d’oro sono reperibili dai corniciai, che le usano per ’dorare’ le cornici.

• Costruire il dispositivo in un vasetto di vetro.•

3 Investigare e connettere• Investigare insieme• In classe o a casa, strofina per almeno 60 secondi, con un

panno di lana, una bacchetta di gomma o di plastica (per esempio, di polietilene) e tocca la testa del chiodo. Cosa accade alle foglioline d’oro? Ripeti la stessa operazione con una bacchetta di vetro e tocca la testa del chiodo, cosa accade alle sottili e separate foglie d’oro? Ripeti l’investigazione, usando prima la bacchetta di vetro strofinata e poi la bacchetta di gomma strofinata col panno. Discuti coi compagni i fenomeni osservati e registra sul quaderno le discussioni. Che cosa si trasferisce dal panno di lana alla bacchetta di gomma? Che cosa si trasferisce dalla bacchetta di vetro al panno di lana?

•

3 Investigare e connettere• Rifletti e connetti i concetti1.Seleziona e discuti i concetti di questo capitolo con gli altri

allievi: nucleo, protoni, neutroni, elettroni, ecc.. Dopo aver confrontato le idee, connetti i concetti studiati anche mediante una mappa concettuale.

2. Domande Quali cariche elettriche si respingono? 2.Quali cariche si attraggono? 3.Come puoi dimostrare che le cariche elettriche, prodotte per strofinio sulla bacchetta di plastica, sono cariche opposte a quelle, prodotte per strofinio sulla bacchetta di vetro ? 4.Quali cariche elettriche passano da un oggetto all’altro, durante lo strofinio con un panno di lana, sia della bacchetta di plastica che di vetro ? 5.L’evidenza sperimentale che un solo tipo di carica elettrica si sposta, da un corpo all’altro, cosa ti suggerisce sulla natura microscopica dei materiali ? 6.Quale funzione assolve il panno di lana ?

Il ragionamento logico di Van’t Hoff, per giustificare il carbonio tetraedrico, si basa sull’esistenza di un unico CH3OH e di un unico CH2Cl2 e non di due, se le strutture planari e piramidali fossero vere.

No planareCis Trans

Cis Trans

No PiramideTetragonale

Si Tetraedro

VSEPRdi Gillespie

5. La teoria cinetica molecolare descrive il ___1.__ delle particelle microscopiche e le forze di attrazione fra loro. Secondo la teoria lo spazio occupato da un gas è in gran parte___2.__ , che le particelle di un gas sono in moto e non si fermano mai. Gli ___3.__ fra le particelle sono perfettamente elastici e quindi ___4.__ rimane costante. La ___5.__ di un gas è dovuta agli urti di miliardi di particelle sulle pareti del contenitore. Si usano i barometri per misurare la ___6.__. Le condizioni Standard sono definite dalla temperatura di___7.___ e dalla pressione di ___8.__La conversione di un liquido in vapore si chiama ___9.__. Un liquido bolle quando la sua ___10.__ uguaglia la pressione esterna.

6. Descrivi in poche righe il

funzionamento della caffettiera e spiega,

col modello cinetico molecolare, tutte le

trasformazioni macroscopiche che

avvengono nella caffettiera.

Investigazioni su acidi e basi• 1. Introduzione

• Per molte persone, e forse anche per voi, la parola ‘’acido’’ esprime il massimo della pericolosità di un materiale che, a contatto della pelle, genera estese e dolorose ferite. L’acido solforico, l’acido nitrico e pochi altri acidi, in soluzioni concentrate, si comportano proprio come descritto. Ma la maggioranza degli acidi non sono così aggressivi.

• 2. Compito

• Si divide la classe in gruppi di 4 allievi, che dovranno investigare sulla natura acida o basica dei seguenti materiali in tabella. I dati sperimentali sul comportamento acido e basico dei materiali della tabella si raccolgono con una serie di prove sperimentali.

Investigazioni su acidi e basi• 3. Procedimento e risorse

• I dati sperimentali sul cambiamento di colore dell’indicatore vanno inseriti nella seguente scheda. Ciascun gruppo compilerà la scheda. I gruppi si scambiano le schede, dopo averle discusse e compilate. Attraverso il confronto delle tabelle prodotte e dei criteri individuati, si arrivi a una soluzione del problema in cui la classe si riconosce. Si deve cioè pervenire a un prodotto negoziato, frutto del lavoro collettivo, che soddisfa tutti e che rappresenta il lavoro della classe. Per la compilazione della scheda i gruppi possono consultare i seguenti siti insieme al libro di testo.

Investigazioni su acidi e basi• Siti da visitare per raccogliere le informazioni• http://www.funsci.com/fun3_it/acidi/acidi.htm Il sito descrive le

prove con gli indicatori, per riconoscere gli acidi e le basi. Contiene pure tutte le indicazioni per estrarre un indicatore dal cavolo rosso.

• http://www.cosediscienza.it/index.html Il sito espone una breve storia dei concetti di acido e di base, necessaria per compilare la comunicazione finale della Webquest.

• http://www.mednat.org/bioelettr/acidi_basi.htm Il sito spiega il comportamento acido – base di alcuni materiali del corpo umano.

• http://video.google.it/videoplay?docid=3932487430362878433 Il video mostra i cambiamenti di colore degli indicatori dovuti al comportamento acido dell’anidride carbonica in soluzione.

Materiale Colore indicatore

È un acido

È una base

Come spieghi le evidenze ?

Ac.cloridrico dil.

Ammoniaca dil,

Aceto

Acido lattico

Bicarbonatodi sodio dil,

Succo di limone

Idrossido sodio(diluito)

Candeggina(diluita)

Soluzione di sapone

Investigazioni su acidi e basi• 4. Valutazione• Le schede sono scambiate fra i gruppi, sono discusse e

negoziate, corrette e quindi valutate dai vari gruppi.

• 5. Conclusione (ossia comunicazione di quanto investigato).• Si descrivono i risultati e le attività portate a termine. Gli allievi

rispondono alle domande proposte, descrivendo le riflessioni sul processo e sulle collaborazioni avviate, i risultati e le attività portate a termine. I gruppi comunicano la ricerca, condensata in scheda, ad Antoine Lavoisier che classificava gli acidi in maniera diversa da quella odierna.

• Quali altre investigazioni e webquest si possono pianificare per completare le conoscenze – competenze sugli acidi e le basi ? Le informazioni ricavate dai siti possono guidare la progettazione di altre webquest sull’argomento ?

Griglia di autovalutazione del gruppo

OttimoPunti 5

BuonoPunti 4

Suffic.Punti 3

Insuff.Punti 2

Grav. Ins.Punti 1

Il lavoro è stato completato ?

C’è stata la collaborazione dei componenti del gruppo ?La consultazione e l’uso delle risorse informatiche è avvenuta ?La scheda di lavoro e le conclusioni sono state scritte in maniera corretta?Punteggio grezzo

Micro-Scala Tubi per Centrifuga, piastre e contagocce

Metodi per titolare

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2. Perché il ghiaccio è più duro dell’acqua liquida?A. Le molecole del ghiaccio sono dure perché congelate, mentre le molecole d’acqua sono liquide.B. Le molecole di ghiaccio sono formate di atomi solidi, mentre le molecole d’acqua sono formate da atomi liquidi.C. L’acqua fra le molecole di ghiaccio è congelata.D. Le forze di attrazione fra le molecole di ghiaccio sono più intense delle forze di attrazione fra le molecole d’acqua.E. Le molecole del ghiaccio vibrano intorno a delle posizioni fisse, mentre le molecole dell’acqua liquida sono più libere di muoversi.F. Sono risposte corrette sia D che E.

Descrivi in poche righe col tuo linguaggio abituale le scelte, senza far ricorso alle

definizioni del libro.

3. Quale diagramma rappresenta le molecole di un composto allo stato gassoso? Cosa rappresentano gli altri diagrammi?

A B C D

Descrivi in poche righe col tuo linguaggio abituale le scelte, senza far ricorso

alle definizioni del libro.

La storia della Chimica, la creatività e la logica

Giuseppe ValituttiUniversità di Urbino ‘’Carlo Bo’’

Napoli 5 Giugno 2010

Boyle, Lavoisier, Avogadro, Van ‘t Hoff

• A volte le idee fortemente innovative vengono accolte con indifferenza, non capite, sostanzialmente ignorate; questo si verifica quando le idee sono assai avanti rispetto alle conoscenze del tempo e il mondo scientifico non è ancora preparato ad accoglierle.

• Anche quando i tempi sono maturi, le idee fortemente innovative suscitano un’azione di rigetto, da parte della comunità scientifica, costituita in buona percentuale da uomini mediocri, ricercatori e professori affezionati al vecchio sistema di conoscenze e poco disposti ad accettare il nuovo.

• La storia dei quattro scienziati è stata riassunta da un articolo del Prof. Gianlorenzo Marino dell’Università di Perugia

Robert Boyle (1627 – 1691)• Irlandese di nascita Boyle è vissuto in quel secolo straordinario che

inizia con Galileo e termina con Newton.

• Non c’è solo la ‘’legge di Boyle’’. Lo scienziato scoprì la dipendenza del punto di ebollizione di un liquido dalla pressione atmosferica; spiegò l’azione del sifone; scoprì per primo i rapporti fra aria e combustione e respirazione; preparò l’acetone e l’alcol metilico.

• Il suo libro ‘’The sceptical chemist’’ del 1661 avrebbe potuto segnare una svolta nella evoluzione della Chimica.

• Boyle demolì la teoria dei 4 elementi di Empedocle (aria, acqua, terra e fuoco) e la teoria di Paracelso dei 3 principi (zolfo, mercurio e sale) e propose di definire ‘’gli elementi chimici come i corpi primigeni e semplici, che non essendo costituiti da altri corpi, rappresentano le parti componenti di cui sono formati tutti i corpi composti e nei quali questi ultimi possono essere decomposti’’. È la stessa definizione che diamo oggi degli elementi.

Robert Boyle (1627 – 1691)• Il mondo chimico non era pronto per accogliere queste idee nuove,

che vennero riproposte 128 anni dopo da Lavoisier.

• A complicare le cose, all’inizio del XVIII secolo, si affermò ad opera di Stahl, l’errata teoria del flogisto.

• Secondo questa teoria tutti i corpi combustibili (il carbone, lo zolfo, il fosforo, i metalli) contenevano una sostanza chiamato flogisto (il cosiddetto principio di leggerezza).

• Nella combustione o nella calcinazione il flogisto veniva espulso e la fiamma, il calore, la luce prodotti erano causati dalla violenza di questa espulsione.

• Tutti i corpi combustibili ed i metalli non erano considerati sostanze semplici (come oggi sappiamo) bensì composte anche di flogisto.

• Nella reazione delle calci (ossidi metallici, come Fe2O3)

col carbone (ricco di flogisto), il flogisto passava dal carbone alla calce trasformandola in metallo. Perciò la massa diminuiva !!!

Antoine Lavoisier (1743 – 1794)• Il suo genio stava nella capacità di vedere i punti deboli delle teorie

antiche e di riordinare i fatti, di cui disponeva, in una teoria nuova e diversa.

• Lo strumento, che Lavoisier adoprò per smantellare il flogisto e costruire il nuovo sistema, fu la bilancia.

• Lavoisier trasformò la Chimica da qualitativa in una scienza quantitativa. Si deve a lui ‘’La legge della conservazione della massa e della conservazione degli elementi’’.

• Lavoisier demolì la teoria del flogisto e costruì la nuova teoria della combustione, basata sull’intervento essenziale dell’aria e quindi dell’ossigeno.

• I punti salienti della nuova teoria erano:

1. I corpi bruciano solo in presenza di aria.

2. L’aria si consuma durante la combustione e l’aumento di peso della sostanza ossidata è pari alla diminuzione di peso dell’aria.

Antoine Lavoisier (1743 – 1794)3. I corpi combustibili (zolfo, carbone, fosforo) combinandosi con l’aria

si trasformano in acidi (anidridi); i metalli, durante la calcinazione (ossidazione), si trasformano in terre.

4. Nella reazione di riduzione (per esempio di Fe2O3 con carbone), il carbone si combina con l’ossigeno dando l’anidride carbonica e rigenerando il metallo, perciò la massa diminuisce.

Come furono accolte le rivoluzionarie idee di Lavoisier ? Lo scienziato scrisse: ‘’Non mi attendo che le mie vedute vengano subito accettate. La mente umana si abitua a vedere le cose in un certo modo e chi, nel corso di una parte del cammino terreno, guardava la natura da un dato punto di vista si converte solo con difficoltà alle nuove concezioni. Bisogna quindi dare tempo al tempo’’.

Cosa successe in realtà ? In Francia le sue teorie furono rapidamente accolte, perché la sua autorevolezza scientifica era riconosciuta da tutti. In Inghilterra, Svezia, Germania l’opposizione alle nuove idee fu tenace: Priestley, Cavendish, Scheele, Black.

Amedeo Avogadro (1776 - 1856)• La teoria atomica di Dalton soffriva, sin dall’inizio, dell’ambiguità

legata al fatto che essa parlava sempre di atomi, anche quando si riferiva ai corpi composti, non facendo, in pratica, distinzione fra il concetto di atomo e quello di molecola.

• La contraddizione fu risolta dalla teoria molecolare di Amedeo Avogadro, in cui furono esposte le nuove idee rivoluzionarie di grande rilevanza storica e scientifica.

• In particolare Amedeo Avogadro:

1. Per la prima volta fece una chiara distinzione fra molecole ed atomi.

2. Per la prima volta stabilì che una molecola d’acqua è formata da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno.

3. Per la prima volta suggerì che le molecole degli elementi possono essere poliatomiche (H2, O2, N2, ..).

4. Per la prima volta espose la legge di Avogadro ‘’volumi uguali di gas diversi, nelle stesse condizioni di temperatura e pressione, contengono lo stesso numero di molecole’’.

Amedeo Avogadro (1776 - 1856)4. Applicando il metodo delle densità gassose, determinò, finalmente

in modo corretto, i pesi atomici di numerosi elementi, tra cui idrogeno, ossigeno, azoto e carbonio.

5. Per primo affermò che non è l’ossigeno responsabile dell’acidità ma l’idrogeno (HCl, HBr, …).

6. Cento anni prima di Bronsted e Lowry stabilì che una sostanza può comportarsi da acido o da base, a seconda dell’altra sostanza con cui è posta a reagire.

7. Infine, propose un modello dello stato metallico assai simile a quello odierno ‘’una gigantesca molecola in cui gli atomi sono immersi in un’atmosfera di corpi imponderabili (gli elettroni)’’

Sfortunatamente le sue idee non ebbero una buona accoglienza, per la meschinità di due grandi chimici, Dalton e Berzelius, e la mediocrità e l’insipienza dei piccoli. Bisognò attendere 50 anni perché le sue idee fossero accettate dalla comunità scientifica (Congresso di Karlsruhe del 1860).

La logica di AvogadroCome ragionò Amedeo Avogadro per determinare sperimentalmente i

pesi atomici e i pesi molecolari delle sostanze?

1. Secondo il Principio di Avogadro ‘’Volumi uguali di gas diversi – ossia di tutti i gas – nelle stesse condizioni di pressione e temperatura contengono lo stesso numero di molecole’’.

2. Avogadro stabilì che la molecola di idrogeno conteneva due atomi H2 e che la massa relativa di un atomo di idrogeno si poteva considerare la massa unitaria di riferimento ossia uguale a 1.

3. Qual era la grandezza macroscopica che consentiva di mettere insieme il Principio di Avogadro, la massa molecolare relativa e il volume?

4. La grandezza macroscopica era ed è la densità: d = massa/volume che permette di determinare il Peso molecolare relativo.

5. Come? La massa di un determinato volume di gas è diversa, a seconda delle molecole di cui risulta costituito il gas.

La logica di Avogadro6. Se, per esempio, vogliamo determinare il peso molecolare relativo

medio dell’aria dobbiamo confrontare la densità dell’aria con quella dell’idrogeno molecolare, preso come riferimento.

7. Secondo il Principio di Avogadro 1 L d’aria (miscuglio di azoto e ossigeno, principalmente) e 1 L di idrogeno molecolare contengono lo stesso numero di molecole N.

8. Quali sono le masse di tutte le molecole d’aria e di idrogeno contenute in 1 L d’aria e 1 L di idrogeno ? Rispettivamente N x Maria

e N x Midrogeno H2 dove N è il numero di molecole, uguale sia per l’aria che per l’idrogeno, ed M è il peso molecolare relativo.

9. Quindi, facendo il rapporto fra la densità dell’aria e la densità dell’idrogeno si ottiene, dopo le semplificazioni, il rapporto fra il peso molecolare relativo medio dell’aria Maria e quello di Midrogeno H2.

10. In pratica si eseguono le misure e i calcoli, come mostrano le seguenti tre diapositive.

1. Si riscalda la bottiglia di 1 L contenente 2 – 3 mL d’acqua, sino alla fuoriuscita della prima nebbiolina di vapore, si tappa e si lascia raffreddare. Il vapore scaccia dalla bottiglia tutta l’aria. Il successivo raffreddamento, a T ambiente, determina il vuoto.

2. Si pone la bottiglia, che non contiene più aria, sulla bilancia e si azzera.

3. Si lascia entrare l’aria nella bottiglia e si legge sulla bilancia la massa in grammi del Litro d’aria ossia la sua densità.

Densità aria (g/L)/Densità idrogeno H2 (0,084 g/L) = = ½ Peso molecolare medio dell’aria

Problemi e investigazioni in classeDensità dell’aria:

• Come usi la beuta codata, la bilancia digitale e la pompa da vuoto per calcolare la densità dell’aria ?

• Se la densità dell’idrogeno H2 è 0,084 g/L, a temperatura ambiente, puoi calcolare il peso molecolare medio dell’aria nelle stesse condizioni di temperatura e pressione ?

Jacobus H. Van‘t Hoff (1852 – 1911) • Aveva solo 22 anni e insegnava in un istituto di veterinaria

quando, nel 1874, pubblicò una memoria in lingua olandese, il cui titolo era ‘’Proposta di sviluppare nello spazio le attuali forme strutturali chimiche’’.

• Nella memoria in questione Van’t Hoff espose i postulati fondamentali della sua teoria, come vedremo fra poco, che rappresentano le basi di una nuova scienza: la stereochimica.

• La sconvolgente teoria fu accolta nei casi migliori con scetticismo e freddezza, in quelli peggiori addirittura con insulti, specialmente da parte del tedesco Kolbe (M.Berthelot, W.Lossen, A.W. Kolbe).

• Alle ingiurie di Kolbe, Van’t Hoff rispose con molta dignità ‘’A chi ritiene che un chimico non debba occuparsi dell’elaborazione di una teoria solo perché persona giovane e ignota, che lavora in una scuola di veterinaria, a chi non trova dignitoso accogliere il rappresentante di una nuova concezione , a questi, anche

Jacobus H. Van‘t Hoff (1852 – 1911) se si tratti di un uomo di merito come Kolbe, io rispondo che tale

comportamento non può essere, per fortuna, assunto come segno dei tempi, ma serve solo a definire una singola persona’’.

• La scoperta era comunque matura e fu confermata, poco dopo, dal francese J.A. Le Bel, che era arrivato alle stesse conclusioni di Van’t Hoff percorrendo una strada diversa.

• Ma il tempo fece giustizia e Van’t Hoff ebbe una carriera scientifica trionfale.

• Applicando, per primo, le leggi della termodinamica ai processi chimici, Van’t Hoff può essere considerato il padre della termodinamica chimica.

• Per le sue ricerche sulla pressione osmotica, sulle proprietà colligative delle soluzioni, per i suoi studi sugli equilibri e sulla cinetica chimica, egli può essere ritenuto, a ragione, uno dei padri della Chimica – Fisica. Questo gigante fu premiato col primo Premio Nobel per la Chimica, nel 1901.

La logica di H. Van‘t Hoff • Lo scienziato olandese dimostrò la tetraedricità dei composti organici

del carbonio con soli legami singoli.

• Per la sua rigorosa dimostrazione di logica chimica si servì del metanolo CH3OH e del diclorometano CH2Cl2.

• Siccome esiste un unico metanolo, i 4 atomi di idrogeno del metano devono essere equivalenti, quindi sono possibili sia la struttura planare che quella tetraedrica.

• Anche per il diclorometano esiste un unico composto ma, in questo caso, l’unica struttura possibile è quella tetraedrica.

• Vengono escluse sia la struttura planare che quella piramidale, le quali comporterebbero l’esistenza di due isomeri il Cis e il Trans diclorometano.

• Per spiegare la tetraedricità della struttura del metano e dei suoi derivati non serve utilizzare gli orbitali e il concetto di ibridazione. Sono sufficienti semplici e comprensibili considerazioni geometriche.

Diclorometano

Nel piano

Cis Trans

Cis Trans

PiramideTetragonale

Tetraedro