Giuseppe ValituttiUniversità di Urbino ‘’Carlo Bo’’

gvalitutti@virgilio.it

Treviso 19 Gennaio 2012

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•

Quesito concettuale 1Boris e i suoi compagni di classe stanno osservando i piccoli cristalli di sale con una lente di ingrandimento. Essi immaginano che, con uno strumento di ingrandimento più potente, potrebbero vedere gli atomi. I loro pareri sono elencati. Con quale allievo siete d’accordo e perché?

1.Boris ‘’Gli atomi sono impacchettati, l’uno vicino all’altro. Essi ci appaiono come un materiale solido senza spazi vuoti fra gli atomi’’. 2.Maria ‘’Io penso che gli atomi, sistemati ordinatamente, dovrebbero vibrare negli spazi vuoti che li separano. Negli spazi vuoti non c’è aria’’. 3.Nicola ‘’Secondo me gli atomi, sistemati ordinatamente, non si muovono e sono separati da spazi vuoti’’. 4.Carlo ‘’Io penso che gli atomi, sistemati ordinatamente, dovrebbero vibrare negli spazi vuoti che li separano. Negli spazi vuoti c’è aria’’. 5.Vera ‘’Secondo me dovremmo vedere gli atomi a forma di piccoli cubi. Ciascun cubo piccolo, unito agli altri cubi, dovrebbe formare un cubo grande di sale’’. 6.Ciro ‘’Io penso che dovremmo vedere degli atomi vibranti connessi da piccole linee. Le linee, che connettono gli atomi, danno al sale la caratteristica forma cubica’’. 7.Rita ‘’Io ritengo che dovremmo vedere gli atomi che si muovono da una parte all’altra. Il loro movimento avviene all’interno della forma cristallina’’.

• ‘’Se l’allievo non è coinvolto e non è autonomo, emergerà dall’esperienza scolastica con un nudo catalogo di fatti, non suo ma scelto da altre persone ’’.

• Olimpiadi: corso intensivo di 15 giorni basato sulla risoluzione di problemi. Gli allievi lavoravano in piena autonomia e si scambiavano le strategie risolutive. Con queste modalità gli allievi acquisivano abilità straordinarie applicabili anche in altri contesti, per esempio nelle prove di selezione della Normale di Pisa.

Priorità assoluta: rendere gli studenti autonomi e responsabili del

proprio apprendimento.

Il vuoto esiste ? Gas• Materiale• Siringa con manometro, bilancia digitale, elastico• Domande• Discuti col gruppo e poi disegna la struttura microscopica del gas.

• Ripeti l’esperimento riempiendo la siringa d’acqua. Riesci a comprimere l’acqua?

• C’è maggiore spazio vuoto fra le molecole del gas o le molecole dell’acqua?

Il vuoto esiste ? Liquidi

• Materiali• Matraccio da 250 mL con tappo, imbuto a gambo lungo,

contagocce, alcol denaturato, bilancia digitale• Domande• Ci sono spazi vuoti fra le molecole dell’acqua ?

• C’è più spazio vuoto fra le molecole dell’acqua o fra le molecole dell’alcol ?

http://risorsedocentipon.indire.it

C2H5OH alcol Peso molecolare = 46H2O acqua Peso molecolare = 18

Peso molecolare medio dell’olio = 900http://forum.indire.it/repository/working/export/4583/pag2_3_6.html

Il vuoto esiste ? Solidi

• Materiali• Due cubi di rame e di zinco, bilancia digitale, Tavola

Periodica.• Domande• Qual è il più denso fra Zn e Cu?

• Qual è il meno denso?

• Come determiniamo il volume dei due cubi?

• Confronta la massa atomica dei due metalli, che leggi sulla Tavola Periodica, con le rispettive densità.

• Il metallo con massa atomica più grande ha pure una densità più elevata?

• C’è maggiore spazio vuoto fra gli atomi di zinco o fra gli atomi di rame?

Modello particellare e trasformazioni fisiche

• Materiali• Guanto da forno, 2 beute da 200 mL, bilancia digitale,

palloncini di gomma• Domande• Appena il vapore esce dalla beuta siamo sicuri che l’aria non sia più

presente ?

• Il vapore acqueo può essere compresso come l’aria della siringa ?

• Lo spazio vuoto fra le molecole d’acqua è maggiore allo stato gassoso o allo stato liquido ?

• Possiamo dimostrare che le molecole d’acqua sono separate da spazio vuoto ?

• http://risorsedocentipon.indire.it

Il modello particellare

• MaterialeBicchiere alto, lenticchie piccole, fagioli borlotti grandi.

• Stratificare nel bicchiere prima le lenticchie piccole.

• Stratificare poi i fagioli borlotti.

• Quale altezza raggiunge il miscuglio dopo agitazione del bicchiere?

Il Bollitore

L’entità del moto (energia cinetica media)delle particelle allo stato solido, liquido e gassoso è la stessa se le temperature di solidi, liquidi e gas sono uguali. Cambiano solo le modalità con cui si muovono: nei solidi le particelle vibrano e oscillano intorno a delle posizioni fisse, nei liquidi scorrono l’una sull’altra e sono disordinate ma vicine , nei gas si muovono in tutte le direzioni.

Di che cosa sono fatte le bollicine ?• Carlo: sono bollicine di calore• Nicola: le bollicine sono piene d’aria• Teresa: le bollicine sono una forma invisibile d’acqua• Laura: le bollicine sono vuote e dentro non c’è niente• Michele: le bollicine contengono idrogeno e ossigeno,

che sono gli elementi componenti dell’acqua.• Con quale allievo/a siete d’accordo e perché ? Spiegate in 5 righe il vostro pensiero.

Sotto zero (0°C) l’acqua è solida. Le molecole vibrano e oscillano, pur conservando una struttura rigida. Le molecole sono separate da spazi vuoti.

L’acqua è liquida da 0°a 100°. Le molecole si muovono liberamente, ma rimangono vicine e sono separate da spazi vuoti.

Le molecole si muovono liberamente e sono separate da grandi spazi vuoti.

Modello particellare

Proprietà Solido Liquido Gas

Figure

Posizione delle particelle

Le molecole sono vicine e in ordine. Ci sono spazi vuoti fra le molecole.

Le molecole sono vicine ma disordinate. Ci sono spazi vuoti fra le molecole.

Le molecole sono disordinate e ci sono larghi spazi vuoti.

Moto delle particelle

Le molecole vibrano intorno a delle posizioni fisse.

Le molecole sono in moto e possono scorrere l’una sull’altra.

Le molecole sono libere di muoversi in tutte le direzioni.

Forze di attrazione

Le interazioni fra le molecole, attraverso gli spazi vuoti, sono molto intense.

Le interazioni fra le molecole, attraverso gli spazi vuoti, sono meno intense dello stato solido.

Sono molto deboli le interazioni fra le molecole, attraverso gli spazi vuoti.

Comprimibi-lità

Incomprimibili, perché le nubi elettroniche interagiscono e si respingono attraverso gli spazi vuoti.

Incomprimibili, perché le nubi elettroniche interagiscono e si respingono attraverso gli spazi vuoti.

Facilmente comprimibili, perché le molecole sono molto distanti.

Volume e forma

Hanno forma e volume propri.

Hanno volume proprio ma la forma è quella del contenitore.

Non hanno forma e volume propri. Le molecole occupano tutto lo spazio disponibile.

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...

L’atomo

Principio di Avogadro

La pressione atmosferica

La colonna d’aria contiene sempre lo stesso numero di molecole.

Perché quando l’aria è umida la pressione si abbassa?

L’atomo è colorato?

Rame

Metallo

Solfato di rame anidro

Soluzione di Solfato di rame

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?

I quesiti concettuali

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.

Altri quesiti concettuali1. Sono formati di materia ? Indica con una X tutti gli oggetti che

sono formati da materiali: -----roccia ------sale -----luce ----- vapore ------calore ------stelle ------ossigeno ------elettricità ----freddo ------amore -------democrazia ----polvere

2. In inverno la tua camera ha una temperatura di 15 °C, quale sarà la temperatura dei seguenti oggetti della tua camera ? Gli oggetti sono: una sedia di legno, il pavimento, il tappetino vicino al letto, lo specchio di vetro. Secondo te quali oggetti hanno la stessa temperatura ?

3. Roberto ha una piastra di un determinato materiale, che galleggia sull’acqua. Roberto prende la piastra e vi crea 5 buchi, con un trapano. Poi, rimette la piastra bucata sull’acqua. Cosa pensi che accadrà ? A. la piastra bucata affonda; B. la piastra bucata galleggia a pelo d’acqua; C. la piastra bucata galleggia alla stessa maniera della piastra senza buchi; D. la piastra bucata va a fondo e poi ritorna in superficie, in continuazione. Spiega le ragioni della tua risposta

Altri quesiti concettuali4. Teresa versa un cucchiaio di zucchero in un bicchiere d’acqua calda. Agita l’acqua

col cucchiaio, per sciogliere lo zucchero. Segna con una X le affermazioni corrette. A……..lo zucchero fonde; B…….lo zucchero perde massa; C…….lo zucchero si trasforma nelle molecole d’acqua; D……..lo zucchero forma un miscuglio con l’acqua; E ……..lo zucchero può essere separato dall’acqua; F…….lo zucchero scompare e non esiste più; G………le molecole di zucchero si sparpagliano fra le molecole d’acqua; H……lo zucchero libera gli atomi di cui è costituito in acqua; I……lo zucchero si combina con l’acqua per formare una nuova sostanza.

5. Michele misura una barretta di ferro e la pone al sole. Dopo il riscaldamento la barretta è leggermente più lunga. Quale affermazione, riguardante gli atomi di ferro, dopo il riscaldamento, è corretta ? A. Il numero di atomi cresce. B. La dimensione degli atomi cresce. C. Lo spazio fra gli atomi cresce. D. L’aria che separa gli atomi di ferro si espande. E. Alcuni atomi fondono e si sparpagliano nella barretta. F. Il calore causa un flusso di atomi nella barretta.

•

Altri quesiti concettuali• 6. Marta pone un termometro in acqua calda e gli altri allievi guardano cosa

accade al termometro, il cui liquido rosso sale rapidamente nel capillare di vetro. I pareri degli allievi sono elencati sotto. Con quale allievo siete d’accordo e perché?

• Enzo ‘’L’acqua calda spinge il liquido rosso in alto’’.

• Paolo ‘’La massa del liquido rosso aumenta’’.

• Marisa ‘’Il calore nel termometro aumenta’’.

• Tania ‘’L’aria nel termometro spinge in alto il liquido rosso’’.

• Carlo ‘’Le molecole del liquido rosso sono più lontane’’.

• Vera ‘’Cresce il numero di molecole nel liquido rosso’’.

• Maria ‘’Le molecole del liquido rosso sono diventate più grandi’’.

• 7. Michele ha un palloncino sgonfio. Lo riempie con il gas elio e il palloncino gonfio si innalza nel cielo. Perché ? A. Il Pallone che galleggia nell’aria ha più massa. B. Il Pallone che galleggia nell’aria ha meno massa. C. La massa del pallone sgonfio e del pallone che galleggia nell’aria è la stessa. Fornisci una spiegazione della tua risposta in tre righe.

Altri quesiti concettuali

10. Moira ha riempito un pallone con aria a 30 °C. Pone il Pallone chiuso nel frigo a 5 °C ed osserva che, dopo mezz’ora, il Pallone ha un volume più piccolo di quello a 30 °C. Perché? A. La massa del pallone caldo è minore del pallone freddo. B. La massa del pallone caldo è maggiore della massa del pallone freddo. C. La massa del pallone caldo è la stessa di quella del pallone freddo.

Spiega il fenomeno e giustifica la tua risposta in almeno tre righe.

Principio di Avogadro

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 ?

1. Si riscalda la bottiglia con 2 – 3 mL d’acqua, sino alla fuoriuscita della prima nebbiolina di vapore, si tappa, si lascia raffreddare.

2. Si pone la bottiglia 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.Densitàaria (g/L)/Densitàidrogeno H2 (0,084 g/L) = = ½ Peso molecolare medio dell’aria

Rapporto fra le densità dell’aria e dell’idrogeno

Densità = Massa/Volume = = N×m/VolumeN = numero di particelle (atomi, molecole oppure ioni)m = massa della particella

Densitàaria = N×maria/VolumeDensitàidrogeno == N×midrogeno/Volume Se calcoliamo il rapporto fra le due densità = = Densitàaria/Densitàidrogeno

Rapporto fra le densità dell’aria e dell’idrogeno

Se calcoliamo il rapporto fra le due densità = = Densitàaria/Densitàidrogeno

Dovremo tenere presente che il volume dei due gas (aria e idrogeno) è uguale, sopra e sotto il segno della divisione, perciò:

Rapporto fra le densità dell’aria e dell’idrogeno

Densitàaria/Densitàidrogeno = = N×maria/Volume ÷ N×midrogeno/Volume == N×maria/N×midrogeno

Quindi:Densitàaria/Densitàidrogeno = N×maria/N×midrogeno

Rapporto fra le densità dell’aria e dell’idrogeno

Semplificando N otterremo il rapporto fra la massa molecolare media dell’aria e la massa della molecola di idrogeno che è 2:Densitàaria/Densitàidrogeno = maria/midrogenoDa questa uguaglianza ricaviamo mariaMassa molecolare media dell’aria =maria = Densitàaria/Densitàidrogeno × 2

Risultati attesi

Bicarbonato di sodio

Bicarbonato di sodio + idrogeno fosfato di calcio

Cremore di tartaro

Detergente Amido

Acqua

Aceto

Tintura di Iodio

Cavolo rosso

Chimica in classe o a casa 1

Na2H2P2O7 HOOC-CHOH-CHOH-COO- K+

• Pensiero critico – Problem solving: identifica le 4 polveri bianche usando le soluzioni in 3 contagocce: acqua, aceto, colorante del cavolo rosso. Le polveri sono gesso (CaCO3), Alka-seltzer, bicarbonato di sodio, vitamina C.

• Pensiero critico – Problem solving: in 3 pipette ci sono le soluzioni di cloruro di calcio, carbonato di sodio, acido cloridrico. Identifica le 3 soluzioni.

Chimica in classe o a casa 2

Tieni a bagno, per 30 minuti in acqua calda a 50 °C(non in acqua bollente ! ), le foglie tagliate sottilmente del cavolo rosso. Filtra il miscuglio. Il filtrato freddo dell’estrazione, di colore blu, lo usi per valutare il pH di una soluzione incognita.

Chimica in classe o a casa 3

Chimica in classe o a casa 4

1.Colorante + HCl 2. Colorante + aceto 3. Colorante + bicarbonato di sodio 4. Colorante + cenere

• Pensiero critico – Problem solving – Identifica le 3 soluzioni di acido cloridrico, di carbonato di sodio e acqua. Puoi usare il colorante del cavolo rosso.

• Pensiero critico – Classificazione – I 4 contagocce contengono soluzioni acide e basiche. Classifica le soluzioni usando il colorante del cavolo rosso.

Chimica in classe o a casa 5

La massa si conserva ?• Materiale• Carta da filtro, bilancia digitale, acqua, contagocce• Domande• “Quando la carta assorbente è asciutta, misura e registra la nuova massa.

• Dove è andata a finire l’acqua? Dopo discussione, descrivi sul quaderno il tuo pensiero.

• L’acqua si è trasformata in un gas invisibile?

• Se il sistema è chiuso la trasformazione subisce cambiamenti di massa?

• Se la massa non cambia, come lo possiamo spiegare?

• Come chiami questo processo? Cosa avviene asciugando i panni al sole?

• Puoi dire che l’acqua sparisce e si trasforma in un gas invisibile, formato da particelle microscopiche, che non riesci a vedere?

• Qual è la massa di una camicia umida in kg e in g?

• Qual è la massa della camicia asciutta, sempre in kg e in g?

• In cucina sta bollendo l’acqua sul fornello. Sotto quale forma l’acqua si trasferisce dalla pentola e fa appannare il vetro della finestra?

• Il vapore che si trasferisce è visibile o invisibile?’’

Il vuoto esiste ? Ghiaccio e acqua

• Materiale• 2 becher, acqua, alcol, cubetti di ghiaccio• Domande• Le molecole d’acqua sono più pesanti delle molecole del ghiaccio ?

• Perché le particelle di ghiaccio galleggiano sull’acqua ?

• Perché il ghiaccio affonda nell’alcol ?

• Sono più pesanti le molecole dell’acqua o le molecole dell’alcol ?

• Come spieghi le densità diverse di alcol e acqua ? Discuti nel gruppo e arriva a una soluzione del quesito condivisa pure dal docente.