L’aria e alcuni suoi componenti Con la candela alla scoperta dell’ossigeno e del diossido di carbonio

Investigazioni con materiali poco inquinanti e di basso costo. L’attività può essere svolta anche in aula.

Marco Falasca, Giuseppe Valitutti , Loredana Nota, Antonella Martini, Grazia Rizzo,

Maria Luisa Accardi, Caterina Bussolo, Felicita Carenini, Maria Castagna, Gabriella Conte,

Annalisa Costantino, Stefania Di Fonzo, Annalisa Gratteri, Donatella Mazzoldi, Enrica

Miglioli, Rosanna Montrucchio, Lucia Pantaleo, Angela Piacente, Loredana Tomasi, Elena

Tibaldi, Isabella Tripodi, Anna Maria Vallory

Premessa

La ricerca sostiene che il modo migliore per apprendere i concetti fondamentali della scienza è

quello di sviluppare le idee in molti anni, attraverso livelli di pensiero via via più sofisticati. Le

“progressioni dell’apprendimento" devono essere avviate dalla scuola dell’infanzia e procedere fino

alla superiore di secondo grado. Questo principio deve indurre gli educatori a riflettere su come i

concetti devono essere presentati ai vari livelli di scolarità, in modo da favorire un apprendimento

che sia di sostegno agli apprendimenti successivi. L’attività didattica, a qualsiasi livello, deve

tenere conto delle misconcezioni e deve impegnare gli studenti in discussioni e confronti, con

domande significative e investigazioni sul mondo della natura.

Il percorso che segue esemplifica le idee a cui ci siamo ispirati in questi anni come Gruppo “Parole

della Scienza” www.leparoledellascienza.it e come Gruppo Scienze CeSeDi.

L’apprendimento di significati

La didattica delle Scienze deve creare le condizioni perché gli studenti siano “centrali” nel processo

di insegnamento-apprendimento; sono loro a dover costruire i significati, anche attraverso i risultati

degli esperimenti. Il Docente pone molte domande, sia per attivare ricerche che per far pensare alle

possibili spiegazioni dei fenomeni, e lascia agli allievi il compito di progettare investigazioni. Uno

studente di Martin Wagenschein ha scritto: “Ho capito che un fenomeno comprende sia ciò che

vediamo ed osserviamo, che ci procura stupore e meraviglia, sia la riflessione e il pensiero su

quanto visto e toccato. Così qualcosa di esterno (l’osservazione) e qualcosa dentro di noi (il

pensiero e quindi la riflessione su quanto osservato) si mettono insieme e diventano quello che noi

chiamiamo fenomeno”.

E’ stato proprio Martin Wagenschein, specialista nelle tecniche di organizzazione didattica centrata

sullo studente, ad identificare le grandi potenzialità delle investigazioni; abbiamo deciso quindi di

realizzare un percorso che segue i suoi suggerimenti, provando vecchi e nuovi esperimenti, con e

senza candele, arrivando ad idearne di nuovi, con l’intento di contribuire a creare ambienti di

apprendimento costruttivi.

In questo senso il nostro percorso didattico vuole sollecitare l’acquisizione di significati, nell’ottica

delle otto competenze chiave europee (dicembre 2006).

Può essere utilizzato per investigare la chimica dell’ossigeno e la chimica della combustione: la

combustione della candela in ossigeno viene confrontata con la combustione nell’aria (21%

ossigeno) e con la non combustione nel diossido di carbonio (anidride carbonica).

Il percorso è utile inoltre per investigare le reazioni esotermiche, la cinetica di reazione, le

ossidoriduzioni, il reagente limitante, l’energia di attivazione e molteplici principi termodinamici.

A livello di trasformazioni fisiche, è interessante l’esplorazione delle candele che ardono per

proporre indagini su tre stati della materia (con processi di fusione e vaporizzazione), sulle diverse

modalità di trasporto (azione capillare, diffusione), sulle differenti densità dei materiali a

temperature diverse.

L’attività può essere utile anche per indurre riflessioni sulla pressione e in particolare sulle relazioni

causa-effetto non lineari (nel sistema del bagno pneumatico: relazioni pressione esterna ed interna).

Infine ci appare molto interessante il nostro dispositivo erogatore di gas; lo abbiamo utilizzato per

produrre ossigeno e diossido di carbonio, in modo da “visualizzare” l’invisibile realtà dei gas, che

sono così fondamentali per la nostra vita.

Possiamo “vedere” l’ossigeno in azione?

Due delle più comuni reazioni di produzione dell’ossigeno in laboratorio scolastico, presentate dai

libri di testo, sono:

2KClO3 → 2KCl + 3O2 (catalizzata da MnO2)

e

2H2O2 2 H2O + O2 (catalizzata da materiali organici o inorganici: catalasi, rame, ferro ecc)

LA NOSTRA ALTERNATIVA

Proponiamo, sia per lezioni in laboratorio che in aula, una reazione di formazione

dell’ossigeno NON costosa, efficace dal punto di vista operativo e da quello storico.

FIGURA 1 - L’apparato sperimentale, semplice, è rappresentato in figura: un

bagno pneumatico. L’acqua non scende dalla bottiglia.

Da una beuta in cui avviamo la reazione candeggina + acqua ossigenata, si fa

arrivare nella bottiglia, tramite un tubo di gomma, l’ossigeno prodotto.

NaClO (aq) + H2O2 (aq) → O2(g) + H2O (l) + NaCl (aq)

FIGURA 4

Nella bottiglia si vede scendere

il livello dell’acqua.

FIGURA 2

L’ossigeno proveniente dalla

beuta giunge nella bottiglia

capovolta (piena d’acqua) e la

“svuota”.

FIGURA 3

In un’altra bottiglia si fa giungere il diossido di carbonio con la reazione aceto + bicarbonato di

sodio. (Figura4). La procedura è la stessa dell’esperimento precedente. Ciò che cambia sono i

reattivi:

Aceto (l)+ Bicarbonato di sodio (s) Diossido di carbonio(g) + acetato di sodio(aq) +

acqua

CH3COOH (aq) +NaHCO3(s) → NaCH3COO (aq) + CO2(g) + H2O(l)

POSSIBILE APPROCCIO DIDATTICO

Si devono preparare con le procedure sopra descritte (figure 1,2,3,4), prima della

lezione, tre bottiglie: la prima con aria, la seconda con ossigeno e la terza con diossido

di carbonio. Vanno chiuse, poi riaperte poco prima dell’incontro con la classe.

Le bottiglie, al momento della dimostrazione sperimentale, sono aperte, trasparenti e

incolori. Sembra che contengano aria. E che altro potrebbero contenere? Non devono

essere date spiegazioni preliminari agli studenti.

Viene introdotta nelle bottiglie, in sequenza, una candela accesa, collocata su un

“mestolino” (vedere figure 5, 6,7, 8).

Gli studenti noteranno i fenomeni di rinvigorimento e di spegnimento della fiamma

(figure 5, 6, 7, 8). Questo è un momento d’avvio e di aggancio emotivo e cognitivo.

L’aspetto motivazionale di un problema sperimentale, ben condito da domande, è

centrale nell’apprendimento scientifico: svelare un “mistero” è sempre affascinante

per gli allievi e per tutti noi.

FIGURA 5 Nella prima bottiglia facciamo scendere una candela

accesa: brucia come nell’aria esterna

FIGURA 6- Nella seconda bottiglia la candela diventa luminosissima, sembra una

lampadina alogena! E’ un componente dell’aria più attivo dell’aria. E’ stato chiamato

“Ossigeno” Cosa accadrebbe al nostro corpo se respirassimo ossigeno puro?

FIGURA 7 - Nella terza bottiglia la candela si spegne subito!

Su questo esperimento motivante, sono tante le domande che si possono porre…

A questo punto può procedere il percorso costruttivo, a piccoli passi:

1- Si produce ossigeno O2 (figure 1, 2, 3) con il bagno pneumatico attraverso la reazione

tra candeggina (ipoclorito di sodio) e acqua ossigenata.

Il gas ossigeno che riempie la bottiglia è incolore ed è invisibile.

Si chiede agli allievi di scrivere e bilanciare la reazione, poi di discutere le proprietà

dell’ossigeno, tra cui la solubilità/ insolubilità in acqua.

Si introduce nuovamente, come in figura 6, una candela sostenuta da un mestolino

(deflagratine spoon) nella bottiglia contenente l’ossigeno. Si vede ravvivare la

combustione. Quale reazione è avvenuta nella combustione, cioè quali sono i reagenti e

quali i prodotti? Com’è possibile che la candela si sia accorciata in poco tempo? Come

mai in ossigeno la candela è più luminosa e più calda? Che ruolo ha l’ossigeno nella

combustione? In che modo l’ossigeno è così importante per la nostra sopravvivenza?

Si aspetta qualche minuto e si riprova ad introdurre il mestolino nella bottiglia. Come si

spiega che la candela si ravvivi ancora, e che scendendo verso il basso della bottiglia si

ravvivi ancora meglio?

Si tratta di lavorare in gruppi cooperativi, di utilizzare risorse come libri e siti web per

reperire informazioni e organizzarle, magari fare una mappa concettuale o un report in

PPT.

Note: l’ossigeno è un elemento gassoso a condizioni standard, è più denso dell’aria, è molto

reattivo, è spesso coinvolto in reazioni chimiche che liberano energia termica. I possibili

collegamenti disciplinari e interdisciplinari sono numerosi: le ossidoriduzioni in generale, in

particolare la combustione, la respirazione, la fotosintesi, le calcinazioni, eventualmente il

BOD (richiesta biochimica di ossigeno), il COD ecc.

FIGURA 8 - Si riaccende la candela e la si ricolloca nella seconda bottiglia. Sono passati

diversi minuti … ormai dovrebbe contenere solo aria. Invece la fiamma si ravviva

nuovamente, soprattutto se si va vero il fondo! Come lo spieghiamo?

Il fenomeno fa pensare e ragionare in termini di maggior densità dell’ossigeno in

relazione alla densità dell’aria. A livello di massa molecolare, come possiamo

spiegare le diverse densità?

2- Si produce CO2 con il bagno pneumatico (figura 4) tramite la reazione tra bicarbonato e

aceto.

Il gas diossido di carbonio che riempie la bottiglia è incolore, è invisibile.

Si chiede agli allievi di scrivere e bilanciare la reazione, poi di discutere le proprietà del

diossido di carbonio, tra cui la solubilità/ insolubilità in acqua.

Si introduce nuovamente, come in figura 7, una candela sostenuta da un mestolino

(deflagrating spoon) nella bottiglia contenente il CO2 . Si vede spegnere subito la

fiamma.

Si “versa” CO2 invisibile dalla bottiglia in cui è contenuto ad un’altra che ha solo aria

(sovrapponendole). Per dimostrare l’avvenuto travaso si introduce nella seconda

bottiglia una candela accesa: si spegne! E se si reintroduce una nuova candela accesa

nella prima bottiglia…essa rimane accesa, segno che tutto il CO2 si è “travasato” anche

se non abbiamo visto nulla! Quindi CO2 è un gas estinguente e anche più “pesante”

dell’aria. Si può sperare che alcuni ragazzi dicano: “E’ è più denso dell’aria! Forse è’

anche più denso dell’ossigeno!”.

Domanda: “Dobbiamo mettere alcuni bocchettoni di aerazione nella cucina del

ristorante. Perché la ditta incaricata delle ristrutturazioni sceglie anche alcuni angoli

in basso?”

Si deve discutere anche la solubilità/ insolubilità (ricordando l’acqua frizzante e

l’etichetta scritta sulle bottiglie… non possono esserci dubbi), e poi: “Il diossido di

carbonio, che interazione dà con l’acqua? E’ un ossido, ma ha carattere acido o

basico? Come potremmo identificare questa sua proprietà? Realizziamo ora gli

esperimenti che avete proposto”. A seguire:

“La cartina indicatrice che colore assumerà quando verrà a contatto con il liquido della

bacinella?”. “Verifichiamo”. Potremmo usare anche un indicatore liquido, ad esempio la

timolftaleina (in soluzione alcolica) o il blu di bromotimolo (in soluzione acquosa va

benissimo): “Osserviamo se c’è un viraggio”. Si possono trattare, anche con l’aiuto della

lettura di libri e di risorse web, alcuni concetti relativi al comportamento degli acidi.

Questa esperienza può essere interessante anche per realizzare connessioni con altre

discipline; ad esempio è possibile, partendo dalla “scoperta” di alcune proprietà del CO2

, trarre spunti e motivazioni per studiare ciò che la ricerca dice riguardo all’influenza

della concentrazione di diossido di carbonio sulla dinamica del clima e i processi del

Sistema Terra.

-Realizzazione di un nuovo esperimento e formulazione di nuove domande –

problematiche: “Proviamo a mettere, separatamente, una candela ardente e un nastro di

magnesio acceso in due bottiglie contenenti il diossido di carbonio. Perché la candela si

spegne e il magnesio brucia più intensamente lasciando una polvere nera? Cosa forma

il Magnesio reagendo con CO2. ?”

5- Connessioni storiche (informazioni tratte da Asimov, Breve storia della Chimica,

1979, Bologna Zanichelli)

Si può studiare il percorso storico che inizia con l’invenzione del bagno pneumatico da

parte di Hales nel 1727, che convogliava alcuni materiali “invisibili”, ottenuti da una

reazione chimica, al di sopra dell’acqua. Hales non riuscì a distinguere i diversi gas che

si ottenevano da queste trasformazioni, ma la sua invenzione fece nascere il concetto di

gas. Il nostro dispositivo artigianale (FIGURA 1,2,3) per la produzione dei gas non è

altro che il bagno pneumatico ad acqua, inventato ingegnosamente da Hales e riprodotto

da noi, a livello didattico, con materiale “povero”.

Dopo Hales, il chimico scozzese Black fece riscaldare il carbonato di calcio ottenendo

«l’aria fissa». Studiò le proprietà dell’anidride carbonica, scoprì che una candela accesa,

immersa in questo gas, non bruciava più. Uno degli studenti di Black, Daniel Rutheford,

tenne un topo in un volume limitato di aria finché il topo morì. Nell'aria rimasta fece

bruciare una candela, finché questa si spense. Nel residuo fece poi ardere del fosforo,

finché anch’esso cessò di bruciare. Quindi «l’aria» presente dopo queste trasformazioni

fu fatta passare in una soluzione che aveva la proprietà di assorbire l’anidride carbonica.

L’aria che rimaneva a questo punto NON alimentava la combustione, i topi non

potevano respirarla e le candele immerse in essa sui spegnevano (anno 1772). Questa

“aria” fu poi chiamata AZOTO.

In quegli stessi anni Priestley scoprì che l’anidride carbonica si scioglie in acqua, dando

l’acqua «gasata».

A questo punto, avendo capito che alcuni gas possono essere solubili in acqua,

sostituì l’acqua nel dispositivo “raccoglitore di gas” con il mercurio. Così riuscì a

raccogliere e studiare campioni di ammoniaca, ossidi di azoto, acido cloridrico, anidride

solforosa.

Nel 1774 scoprì che riscaldando HgO si formava un gas poco solubile in acqua,

eccezionale, che consentiva a una candela di bruciare con una fiamma molto vivace

Scrisse:

“I have discovered an air five or six times as good as common air»”

Nel 1775 Lavoisier, dopo aver parlato con Priestley e avuto notizia degli esperimenti da

lui eseguiti, formulò la sua teoria: “l’aria non è un elemento ma una miscela di gas,

tra i quali c’è un gas «eminentemente respirabile: L’ OSSIGENO” Poco tempo dopo Lavoisier affermò:

“… La respirazione non è altro che una lenta combustione di carbonio e idrogeno,

completamente simile a quello che avviene in una lampada o in una candela e quindi,

da questo punto di vista, gli animali che respirano sono veri corpi combustibili che

bruciano e consumano se stessi …”

Quando l’insegnante lo riterrà opportuno, potrà parlare di densità dei gas con le necessarie

formalizzazioni. Gli studenti, attraverso le varie trasformazioni e i vari fenomeni osservati,

avranno costruito gradualmente l’idea che alcuni gas sono più “densi” o meno “densi”

dell’aria. Il concetto di densità relativa dei gas è stato costruito gradualmente. Va ancora

comunque consolidato. Ecco una possibile domanda: “Pensando alle masse molecolari e ai

legami intermolecolari, come possiamo spiegare le diverse densità?” Con la densità dei

sistemi gassosi ci si potrà misurare e fare anche esercizi quantitativi.

6- Ulteriori passaggi del percorso: la combustione di alcuni metalli

Ricordiamo che la competenza scientifica non si sviluppa se non crescono gli atteggiamenti

e le convinzioni positive sulla scienza e sulla pratica investigativa:

“Uno degli obiettivi dell’insegnamento scientifico è quello di far sì che gli studenti

sviluppino atteggiamenti che li avvicinano alle questioni di carattere scientifico e che li

portino, di conseguenza, ad acquisire e ad applicare conoscenze scientifiche” (Quadro di

riferimento PISA 2006).

Nell’esperimento vengono utilizzati i seguenti materiali: il dispositivo che produce ossigeno

con la reazione candeggina + acqua ossigenata, un accendigas a tubo (vedere la figura 11

sottostante), una paglietta di ferro non saponata, una piastrella di porcellana come base, una

pinza metallica.

Il tubicino di vetro che è posto all’estremità (preso da un normale contagocce) funziona da

“cannello” di ossigeno. Se avviciniamo la fiamma dell’accendigas alla paglietta, non accade

nulla di particolare. Quando invece arriva, in contemporanea, l’ossigeno dal cannello, ecco

la reazione spettacolare: brucia la paglietta, liberando luce intensa e una gran quantità di

calore (reazioni esotermica). Con una paglietta di acciaio + la candelina ardente, alimentata

con ossigeno puro, si ottiene lo stesso effetto: il metallo brucia!

Un altro esperimento: la fiamma della candelina, sempre alimentata da ossigeno, buca una

lattina di Alluminio, lasciando anche un deposito bianco di ossido di Alluminio! (Vedere

fotografia 17)

Anche qui si potrebbero fare cenni storici, dall’uso dei mantici (fin dall’antichità) alla

comprensione dei meccanismi, macroscopici e ultra-microscopici, del perché e come

avvengono questi fenomeni di accelerazione delle reazioni di combustione.

IMMAGINI DI DOCUMENTAZIONE DELLE ATTIVITA’

FIGURA 9

In figura il dispositivo erogatore

d’ossigeno: una beuta collegata con tubo

di gomma a un tubicino di vetro che

funziona da cannello.

Se avviciniamo la fiamma dell’accendigas alla paglietta, non accade nulla di particolare.

Quando invece arriva, in contemporanea, l’ossigeno dal cannello, ecco la reazione

spettacolare:

FIGURA 10

Nota: il guanto di protezione non è indispensabile.

Non c’è nulla di pericoloso, non ci sono rischi.

Da cosa dipende la trasformazione? Ci sono reazioni chimiche? Quali? Scriviamo la reazione

e i coefficienti!

FIGURA 11

Ecco cosa avviene alla paglietta, se dirigiamo l’ossigeno in una zona precisa:

FIGURA 12

Da qui possono essere poste dai docenti tante domande e tante altre possono provenire dagli

studenti!

Si può passare poi all’uso di una candela come sostituto dell’accendino (idea sviluppata

giovedì 28 novembre 2013)

FIGURA 13

Una candelina da compleanno + ossigeno proveniente

dal nostro dispositivo erogatore

FIGURA 14

Una candelina da compleanno + ossigeno proveniente

dal dispositivo erogatore

Ossido riduzione. Reazione redox, stato di ossidazione del Fe da 0 a +3

e dell’ossigeno da 0 a -2

4Fe(s) + 3 O2(g) → 2 Fe2O3(s)

FIGURA 15

Una candelina da compleanno + ossigeno proveniente

dal dispositivo erogatore

FIGURA 16

Una candelina da compleanno + ossigeno proveniente

dal nostro dispositivo erogatore

4Fe(s) + 3 O2(g) → 2 Fe2O3(s)

E se con la candelina proviamo a realizzare un’interazione con una lattina?

FIGURA 17

Si ottiene la fusione dell’alluminio e la formazione dell’ossido di alluminio bianco

4Al(s) + 3 O2(g) → 2 Al2O3(s)

Investigazione per la terza media o scuola superiore

Se nella bottiglia contenente ossigeno introduciamo un po’ di zolfo che sta bruciando , cosa

vedremo accadere?

FIGURA 18

Esperimento realizzato nel dicembre 2013

FIGURA 19

Come spieghiamo ciò che vediamo accadere? Perchè nella bottiglia la trasformazione è così

vivace?

Dopo la trasformazione, solleviamo il “mestolino”. Nella beuta rimane aria? Oppure qualche

gas invisibile? Quali proprietà possiamo esplorare ? Progettiamo un’ investigazione e

realizziamola .

LE COMPETENZE:

Bibliografia

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Zanichelli Bologna,1971

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John Haysom and Michael Bowen, Predict, observe, explain: activities enhancing scientific

understanding, (2010), National Science Teachers Association

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LAS.

Ellerani, P. Pavan D (2003) Il cooperative learning: una proposta per l’orientamento formativo.

Tecnodid, Napoli

Varisco, B.M., (2002), Costruttivismo socio-culturale, Carocci, Roma;

Asimov, Breve storia della Chimica, 1979, Bologna Zanichelli

E. Damiano, “Guida alla didattica per concetti”, Juvenilia, Milano 1995

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Sitografia

FIGURA 20

Siti internazionali di scienze

http://www.learner.org

http://www.exploratorium.edu

http://lamap.inrp.fr/

Siti italiani

http://risorsedocentipon.indire.it

http://educa.univpm.it/index1.php

www.leparoledellascienza.it

http://www.itismajo.it/chimica