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SENDS

Storia ed Epistemologia per una Nuova Didattica delle Scienze

Fase IV della sequenza didattica

Elaborazione del concetto di trasformazione fisica mediante il modello appena sviluppato

  Si prendono in considerazione le trasformazioni fisiche (fusione, dissoluzione, ecc.)

  Si esaminano alla luce del modello particellare appena elaborato

  Si perviene a una definizione delle trasformazioni fisiche a livello microscopico

Interpretazione delle trasformazioni fisiche secondo il modello particellare

Esperienze da fogli di lavoro: VL1, VL2, MP18,19

  Modificazione delle “relazioni” tra particelle

  Invarianza del tipo di particelle

  Invarianza dell’identità della sostanza

Interpretazione delle trasformazioni fisiche secondo il modello particellare

  Si mette un pezzo di ghiaccio in un recipiente e si tappa il recipiente. Tenendo il recipiente ben tappato, si lascia fondere tutto il ghiaccio.

  Rappresenta, negli spazi assegnati, il ghiaccio e l'acqua ottenuta dalla fusione di tutto il ghiaccio.

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Interpretazione delle trasformazioni fisiche secondo il modello particellare

  Si versa un po' d'acqua in un recipiente e poi si aggiunge una zolletta di zucchero. Si tappa il recipiente e si aspetta che tutto lo zucchero si sia sciolto.

1.  Rappresenta negli spazi indicati: l'acqua, lo zucchero e l'acqua nella quale tutto lo zucchero si è disciolto.

2.  Giustifica i disegni che hai fatto

Interpretazione delle trasformazioni fisiche secondo il modello particellare

Sul fondo di un contenitore si mette una piccola quantità di un liquido puro, per esempio acetone. Si tappa bene il recipiente (figura 1). Dopo un certo tempo, si nota che sul fondo del recipiente non c'è più liquido (figura 2). Si dice che il liquido è evaporato, ossia che è passato dallo stato liquido a quello di vapore.

Secondo te, il liquido puro acetone e il vapore nel quale il liquido si è trasformato: •  sono due corpi puri diversi •  sono sempre lo stesso corpo puro,

in due stati fisici diversi •  sono due corpi puri diversi in due

stati fisici diversi

Interpretazione delle trasformazioni fisiche secondo il modello particellare

Servendoti del modello particellare, rappresenta l’acetone allo stato liquido e l’acetone allo stato di vapore

Verifica delle conoscenze acquisite

Servendoti delle lettere, indica quali, secondo te, sono rappresentazioni corrette di:

- UNA SOSTANZA SOLIDA - UNA MISCELA DI SOLIDI - UNA SOSTANZA LIQUIDA - UNA MISCELA DI LIQUIDI - UNA SOSTANZA GASSOSA - UNA MISCELA DI GAS

GIUSTIFICA LE TUE SCELTE ……….

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Il concetto di trasformazione fisica secondo il modello particellare

Trasformazione nella quale le particelle (?) si conservano in numero e in tipo.

DUE LIVELLI: MACRO E MICRO Macro: trasformazione che preserva la quantità

e l’identità delle sostanze. Micro: trasformazione nella quale le particelle

(le molecole) si conservano in numero e in tipo

Fasi V e VI della sequenza didattica

Analisi delle trasformazioni chimiche e confronto con il modello Affinamento del modello attraverso la differenziazione di atomi e molecole ed elaborazione del concetto di trasformazione chimica mediante il nuovo modello

  Si prendono in considerazione alcune trasformazioni chimiche

  Si esaminano alla luce del modello particellare appena elaborato

  Si constata che il modello è insoddisfacente e lo si modifica per adattarlo al nuovo fenomeno che si è osservato

  Si perviene ad una definizione delle trasformazioni chimiche a livello microscopico e ad una elaborazione successiva del modello particellare, nella quale si introduce la distinzione tra atomi e molecole

La trasformazione chimica: un ostacolo cognitivo

  Varie indagini mostrano che gli allievi non concepiscono spontaneamente la possibilità che delle sostanze possano dare origine ad altre sostanze, interagendo fra loro

  Spesso la trasformazione chimica è concettualizzata come un evento che produce una miscela delle sostanze di partenza o che ne modifica l’apparenza ma non la sostanza

  Tendenza a “sostanzializzare” le proprietà (colore, odore, ecc.), come se fossero separate dalla sostanza che le possiede. Da qui la falsa idea che le sostanze possono modificare le loro proprietà mantenendo la loro identità.

Verso una rappresentazione delle trasformazioni chimiche (FOL TC 4,5)

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Verso una rappresentazione delle trasformazioni chimiche (FOL TC 4,5)

Combinazioni proposte

1.  Zolfo e limatura di ferro

2.  Cloruro di sodio e limatura di ferro

3.  Zolfo e cloruro di sodio

4.  Acqua e limatura di ferro

5.  Acqua e cloruro di sodio

6.  Acqua e zolfo

7.  Acqua ed etanolo

Riassumendo

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Verso una rappresentazione delle trasformazioni chimiche (FOL TC 6,8)

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Verso una rappresentazione delle trasformazioni chimiche (FOL TC 6,8)

Crisi del modello particellare ?

!

!

!

!

!

FOL TC8

Verso una rappresentazione delle trasformazioni chimiche (TC 12,13)

  In un bicchiere da 100 mL metti mezza spatola di solfato di rame idrato (A)

  In un bicchiere da 100 mL metti mezza spatola di cloruro di bario (B)

  Aggiungi 25 cm3 di acqua distillata in ognuno dei due bicchieri. Agita accuratamente con una bacchetta di vetro il contenuto del primo bicchiere; con un'altra bacchetta di vetro agita accuratamente il contenuto del secondo bicchiere.

  Compila la tabella indicando le caratteristiche delle soluzioni contenute nei bicchieri.

Bicchiere Soluzione di Stato fisico Colore Tipo di miscela

A Solfato di rame

B Cloruro di bario

Versa il contenuto del bicchiere A nel bicchiere B. Agita accuratamente con la bacchetta di vetro. Lascia riposare per alcuni minuti. Descrivi brevemente ciò che avviene ..............................................................

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Chi si scioglie e chi no …

!

! !

Verso una rappresentazione delle trasformazioni chimiche

Modellizza, utilizzando i simboli iconici, la sostanza A, la sostanza B, le relative soluzioni e ciò che si ottiene dalla reazione chimica

sostanza A solfato di

rame idrato

sostanza B cloruro di

bario

soluzione A

soluzione B

+ acqua

(solido bianco + soluzione azzurra) solfato di bario + soluzione di cloruro di rame

+ acqua

Se cambi il solfato di partenza …

!

!

!

!

Modello particellare

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

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Proposte di schema iconico

Prima proposta: un simbolo per ogni sostanza – le sostanze non si conservano, ma non si ipotizza in che modo si formino nuove sostanze

Seconda proposta: la molecola di ogni sostanza si

separa in due parti ciascuna delle quali si unisce con una parte di una molecola di un’altra sostanza

Terza proposta: le molecole sono costituite da atomi che

si ricombinano dando origine a nuove molecole e nuove sostanze

Implicazioni

Quali proprietà del modello particellare occorre modificare per tenere conto delle conclusioni a cui si è pervenuti?

Lo schema iconico implica che il primo assunto (Le particelle sono indivisibili) non è più valido e deve essere modificato in questo modo: Le particelle sono divisibili. Se una particella è divisibile, essa è costituita da particelle più piccole, più semplici.

Ne segue che non è opportuno usare un unico termine per indicare i due tipi di particelle: potrebbe generarsi confusione.

Implicazioni

Di fronte a questo problema, cosa propongono gli studenti? Una proposta è stata questa: chiamare particelle fisiche quelle più grandi che restano inalterate nelle trasformazioni fisiche e particelle chimiche quelle più piccole che restano inalterate nelle trasformazioni chimiche.

A questo punto l’insegnante propone di usare il termine molecola per le prime e il termine atomo per le seconde.

Questo è il primo passo sulla strada che porta alla distinzione fra molecola e atomo.

Il modello particellare si modifica

La conclusione sarà dunque la seguente: le sostanze sono costituite di molecole che sono a loro

volta costituite di atomi le molecole restano inalterate nelle trasformazioni

fisiche, ma si dividono nelle trasformazioni chimiche La regola n. 1 del modello particellare va ora così enunciata: Le particelle di cui è costituita una sostanza (molecole) sono divisibili, poiché sono formate da altre particelle (atomi)

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Varianti/invarianti

Grazie alla rappresentazione iconica: idea che il prodotto di una trasformazione chimica non può essere qualsiasi cosa; sono sostanze che contengono atomi presenti nelle sostanze di partenza, combinati in modo diverso.

Idea di fondo: qualcosa rimane inalterato nelle trasformazioni chimiche.

Insegnante propone idea generale: se in un sistema ci sono varianti, devono esserci degli invarianti. Continuità.

Nuovo approccio

Approccio adottato differisce da quello tradizionale.

Tradizionale: presenta atomi e molecole a livello reale, come “oggetti materiali”; in effetti si tratta di modelli.

Approccio si richiama a storia ed epistemologia della chimica:

Si parte da un modello grezzo della struttura particellare della materia.

Si dà agli allievi la possibilità di rendersi conto che si tratta di un modello provvisorio.

Si mettono gli allievi in condizione di sviluppare gradualmente modelli più sofisticati per dare risposta a nuovi problemi.

Evoluzione del modello particellare

  le particelle di cui è costituita una sostanza (molecole) sono divisibili, poiché sono formate da altre particelle (atomi)

  una particella non può cambiare forma   una particella ha sempre le stesse dimensioni   una particella ha sempre la stessa quantità di materia che cambia al

cambiare della sostanza   un solo tipo di particelle individua una sostanza   un determinato numero di particelle dello stesso tipo equivale sempre

alla stessa quantità di sostanza   tra le particelle di una sostanza vi sono spazi vuoti più o meno grandi a

seconda che la sostanza sia solida, liquida o gassosa (dello stato fisico)   le particelle di una sostanza sono più o meno stipate tra di loro e più o

meno vincolate le une alle altre a seconda che la sostanza sia solida, liquida o gassosa (dello stato fisico)

  le particelle di una sostanza sono più o meno libere di muoversi e/o spostarsi a seconda che la sostanza sia solida, liquida o gassosa (dello stato fisico)

  le particelle di una sostanza sono disposte in modo più o meno ordinato a seconda che la sostanza sia solida, liquida o gassosa (dello stato fisico)

Trasformazioni fisiche vs trasformazioni chimiche: una definizione su due livelli

Trasformazione fisica   Macro: trasformazione che preserva la quantità e

l’identità delle sostanze.   Micro: trasformazione nella quale le molecole si

conservano in numero e in tipo

Trasformazione chimica   Macro: trasformazione che non preserva l’identità

delle sostanze e ne genera di nuove, a partire da quelle iniziali.

  Micro: trasformazione nella quale le molecole delle sostanze di partenza si dividono negli atomi che le costituiscono; questi poi si ricombinano dando origine a nuove molecole, ossia a nuove sostanze.

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LA FISICA DI FEYNMAN. VOL. 1

1-2 La materia è composta di atomi Se in qualche cataclisma l'intera conoscenza scientifica dovesse andare distrutta e un’unica frase venisse tramandata alle successive generazioni di esseri viventi, quale affermazione conterrebbe l'informazione più importante nel minor numero di parole? lo credo che sia l'ipotesi atomica … che tutte le cose sono formate di atomi, piccole particelle che girano in perpetuo moto attraendosi l'un l'altra quando si trovano a breve distanza, ma che si respingono quando vengono pressate l'una contro l'altra. In quest'unica affermazione … è contenuta una enorme quantità d'informazione sul m o n d o , s e l a s i c o n s i d e r a c o n u n m i n i m o d'immaginazione e la si medita appena un po’.

Stanislao Cannizzaro

"Io credo che i progressi della scienza, fatti in questi ultimi anni, abbiano confermato l'ipotesi di Avogadro, di Ampère e di Dumas sulla simile costituzione dei corpi allo stato aeriforme, cioè che volumi eguali di essi, sieno semplici, sieno composti, contengono l’egual numero di molecole; non però l’egual numero di atomi, potendo le molecole dei vari corpi o quelle dello stesso corpo nei suoi vari stati, contenere un vario numero di atomi, sia della medesima natura, sia di natura diversa” 1858

SENDS

Storia ed Epistemologia per una Nuova Didattica delle Scienze

Una proposta degli allievi

  Sostanze semplici:

formate da un solo tipo di atomi

  Sostanze composte:

formate da più di un tipo di atomi

  miscele:

formate da più di una sostanza

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IUPAC

Non deve destare stupore che gli allievi introducano spontaneamente un’idea che la IUPAC propone come una delle definizioni di riferimento dell’elemento: A species of atoms; all atoms with the same number of protons in the atomic nucleus. O v v i a m e n t e , a q u e s t o l i v e l l o d i concettualizzazione, gli allievi si limitano alla proposizione “A species of atoms”, dove il termine specie è sostituito dal termine di uso quotidiano “tipo”

Mendeleev

La relazione tra i concetti di atomo e di elemento, introdotta dagli allievi in questo contesto, appare molto simile a quella proposta da Mendeleev nel 1871: Anche se, fino a Laurent e Gerhardt, i termini molecola, atomo, equivalente sono stati usati indifferentemente uno al posto dell’altro, e anche se oggi confondiamo spesso le espressioni sostanza semplice ed elemento, tuttavia, ciascuna di esse ha un significato ben preciso, che è importante precisare per evitare confusioni tra i termini usati in filosofia chimica.) Una sostanza semplice è qualcosa di materiale, metallo o metalloide, dotato di proprietà fisiche e che mostra determinate proprietà chimiche. All’espressione sostanza semplice corrisponde l’idea di molecola. (...) Bisogna riservare, al contrario, il termine elemento per caratterizzare le particelle materiali che formano le sostanze, e che determinano il loro comportamento dal punto di vista chimico e fisico. Il termine elemento richiama l’idea di atomo.

L’enigma dell’elemento

  Nei libri di testo: elemento è sinonimo o di sostanza semplice (registro macroscopico) o di atomo (registro microscopico).

  Però i l concetto di elemento non appartiene né al livello macroscopico (e quindi non è sinonimo di sostanza), né al livello microscopico atomico-molecolare (e quindi non è sinonimo di atomo).

  Alcune situazioni emblematiche

Elemento e sostanza semplice

CH2=CH2 + H2 → CH3- CH3 In questa reazione:   la sostanza idrogeno conserva la propria

identità?   l'elemento idrogeno conserva la propria

identità?

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Elemento e sostanza semplice

  Trasformazione chimica: la sostanza semplice diidrogeno non conserva la propria identità.

  Elemento idrogeno: presente sia in sostanze reagenti sia nella sostanza prodotta. L’elemento idrogeno conserva la propria identità.

  Elemento non è sinonimo di sostanza semplice: la sostanza semplice non conserva la propria identità, mentre l’elemento la conserva.

Elemento, atomo, molecola

  Quanti atomi costituiscono la molecola CH4?   Quanti elementi costituiscono la molecola

CH4? Atomi: cinque. Elementi: due, il carbonio e l'idrogeno. Elemento e atomo non sono sinonimi

Elemento, ione, sostanza semplice

Nella reazione chimica:

Zn + 2H+ ⇒ Zn2+ + H2

  Cosa hanno in comune la sostanza semplice zinco (Zn) e lo ione zinco (Zn2+)?

  Cosa hanno in comune lo ione idrogeno (H+) e la sostanza semplice diidrogeno (H2)?

In entrambi i casi: l’elemento (zinco e idrogeno).

Sostanza semplice, sostanza composta

  Il simbolo chimico H2 rappresenta una sostanza semplice?

  Il simbolo chimico H2O rappresenta una sostanza composta?

  Qual è il criterio discriminante?

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Sostanza semplice, sostanza composta

  una sostanza semplice è costituita da atomi di un solo elemento

  una sostanza composta è costituita da

atomi di più elementi

Elemento e nucleo

  Si può identificare l’atomo di idrogeno nel metano, nell’etano, nella sostanza semplice diidrogeno e nello ione idrogeno?

  In tutte queste specie chimiche, l’entità atomo di idrogeno non è più individuabile: non si conserva l’intorno elettronico dell’atomo.

  Quale entità chimica relativa all’elemento idrogeno è presente nel metano, nell’etano, nella sostanza semplice diidrogeno e nello ione idrogeno?

  L’unica caratteristica che hanno in comune, relativa all’elemento idrogeno, è la presenza del nucleo dell’atomo di idrogeno.

Il concetto di elemento

Il significato del concetto di elemento è legato al nucleo.

Gli attributi essenziali del concetto di elemento sono:

1.  Un nome

2.  Una posizione nella Tavola Periodica

3.  Un simbolo

4.  Un numero atomico

Elemento e atomo

1H 2H 3H Questi tre simboli:   rappresentano tre atomi uguali?

  rappresentano tre atomi dello stesso elemento?

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Gli isotopi

  I nuclei si differenziano per il numero atomico e per il numero di massa; nuclei aventi lo stesso numero atomico e diverso numero di massa occupano lo stesso posto nella Tavola Periodica.

  Nella stessa casella: varietà diverse dello stesso elemento, varietà chiamate isotopi (stesso luogo).

  Ciò che li differenzia è il numero di massa.

Il significato di elemento

In conclusione: con il termine elemento si designa una classe di nuclei aventi tutti lo stesso numero atomico.

Il concetto di elemento appartiene al registro di concettualizzazione nucleo-elettronico (o elettrico).

Evidente l’assurdità della posizione di quanti identificano elemento e sostanza semplice: se così fosse, una sostanza semplice (ossia un elemento) sarebbe un corpo puro costituto da una miscela di isotopi. Se questa non è una contraddizione …

protoni

Livello microscopico atomico-molecolare

Struttura gerarchica della chimica di base

Livello macroscopico

Livello microscopico

nucleoelettronico

elettroni di legame

elettroni del nocciolo

neutroni

NUCLEI

NOCCIOLI

MOLECOLE ATOMI

Elementi isotopi

SOSTANZE

SENDS

Storia ed Epistemologia per una Nuova Didattica delle Scienze

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Sistema:

Cosa succede al sistema con il passare del tempo?

Prima:

Dopo:

Due risposte

  Una risposta: l’acqua evapora   Un’altra risposta: il livello dell’acqua

diminuisce, si abbassa. Sono due risposte equivalenti, dicono la stessa

cosa, le possiamo mettere sullo stesso piano?

Fatto o interpretazione?

  Abbassamento del livello dell’acqua Questo è il fatto constatato

  L’acqua evapora Fatto o interpretazione?

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Livelli di interpretazione

Come mai il livello dell’acqua si abbassa? Risposta a due livelli. Prima interpretazione: acqua passa da liquido a

gas (vapore).   Evaporazione.

Livelli di interpretazione

  Evaporazione: interpretazione di un fatto

basato su teoria.

  Teoria: stati della materia.

  Livello macroscopico.

Livelli di interpretazione

Altra interpretazione.

  Particelle (molecole) di acqua.

  Teoria: struttura particellare.

  Livello microscopico.

SENDS

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