LE SOLUZIONI

1. CHE COSA EMERGE DALLE RICERCHE SULLE CONCEZIONI

DEGLI STUDENTI ?

2. QUALE SCHEMA MENTALE HA L’ALUNNO PER COMPREN-

DERE I CONCETTI SCIENTIFICI PROPRI DELLE VARIE DI-

SCIPLINE OGGETTO DI INSEGNAMENTO ?

3. PERCORSO DIDATTICO SULLE SOLUZIONI

4. ATTIVITÀ FENOMENOLOGICO-OPERATIVA

- Primo livello

- Secondo livello

- Approfondimenti

A cura di: Antonio Testoni (e-mail: ajteston@tin.it)

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CHE COSA EMERGE DALLE RICERCHE SULLE CONCEZIONI

DEGLI STUDENTI ?

L’educazione delle scienze mira a sviluppare nei soggetti che apprendono

modelli interpretativi della realtà più efficaci di quelli che vengono costruiti

nell’ambito del sapere comune. Ogni soggetto che apprende dispone, prima di

essere sottoposto all’insegnamento, di schemi mentali in base ai quali struttura

i propri ragionamenti, prende decisioni, avanza previsioni e decodifica le in-

formazioni che gli vengono fornite. Ci sembra fondamentale dunque, che

l’educazione alle scienze abbia come obiettivo primario quello di incidere su

questi schemi concettuali di senso comune, aiutando gli allievi ad avvicinarsi

a quelli di tipo scientifico.

Le ricerche effettuate nel corso degli ultimi decenni, sia da psicologi che

da esperti di didattica delle scienze sulle concezioni di tipo scientifico degli

studenti, sono quindi un punto di riferimento necessario per chiunque si occupa

di insegnamento delle discipline scientifiche. Queste ricerche - condotte a livel-

lo internazionale - hanno evidenziato che i risultati raggiunti nell’educazione

delle scienze sono ben lungi dall’essere soddisfacenti. Di grande rilevanza,

proprio in riferimento alla situazione dell’insegnamento scientifico in Italia,

sono i risultati delle indagini presentate nel testo “Conoscenze scientifiche: le

rappresentazioni mentali degli studenti” a cura di N.Grimellini Tomasini e

G.Segrè. Tali risultati mettono in evidenza che, alla fine della scuola seconda-

ria, la maggior parte degli studenti fanno ancora ricorso a concezioni, ossia a

modi di ragionare, basate sul senso comune: l’educazione alle scienze non è

dunque riuscita, nella maggior parte dei soggetti a scalfire gli schemi concet-

tuali del sapere quotidiano e non ha prodotto strumenti scientificamente ade-

guati alla lettura del reale.

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Le spiegazioni che generalmente vengono fornite dei risultati di queste ri-

cerche sono le seguenti:

quando le conoscenze formali sono presentate in modo prematuro, come ge-

neralmente avviene, esse non sono in grado di interagire con le conoscenze

spontanee degli studenti e non sono quindi capaci di modificarle né di con-

tribuire all’evoluzione delle strutture cognitive. Conoscenze scientifiche e

conoscenze spontanee si strutturano in due mondi totalmente separati: le

prime finiscono così per essere necessarie soltanto durante le ore di scienze

per andare bene a scuola, le seconde continuano invece ad essere gli unici

strumenti utilizzati per interpretare la realtà.

“Perché gli studenti non sanno padroneggiare ciò che hanno studiato? I

modi propri della conoscenza scientifica contrastano spesso con quelli

dell’esperienza comune. Il fallimento della scuola sul piano cognitivo è legato

in gran parte al fatto che essa si limita a fornire una patina superficiale di co-

noscenze, senza intervenire a rimettere in discussione i modi profondi della

mente infantile. Una vera educazione al comprendere può attuarsi solo se gli

educatori diventano capaci di far affiorare i modi ingenui, sottostanti, met-

terli criticamente a confronto con i modi scientificamente evoluti: occorre i-

dentificare consapevolmente i “passaggi cruciali” tra le preconoscenze (infan-

tili) ed i modi propri del pensiero scientifico.”

(A.Calvani, Elementi di didattica, Carrocci Editore, 2001, pag.75)

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“Il classico esperimento piagietiano della dissoluzione della soluzione di

zucchero in acqua è stato utilizzato per indagare le concezioni circa la con-

servazione del soluto con studenti neozelandesi dai 15 ai 17 anni (Piaget e In-

helder 1971) … È risultato che alcuni intendevano lo scioglimento come dis-

solvimento o negavano decisamente la conservazione dello zucchero, come se

pensassero che l’acqua zuccherata fosse una nuova sostanza …o ritenevano

comunque che la modifica delle proprietà percettive dello zucchero equivales-

se alla sua trasformazione in qualcosa d’altro (Driver 1985). L’attenzione è

stata posta, su ragionamenti quantitativi, a proposito delle soluzioni, sia con

studenti inglesi dai 9 ai 14 anni, sia con studenti inglesi e svedesi di 15 anni,

alcuni dei quali avevano già studiato chimica. Quasi due terzi dei primi crede-

vano che la massa della soluzione sarebbe stata inferiore alla somma di quelle

iniziali dello zucchero e dell’acqua …

Molti insegnanti (presumibilmente di scuola elementare) ai quali ho chie-

sto perché lo zucchero si scioglie, hanno risposto: ?Perché avviene una rea-

zione chimica fra acqua e zucchero≅. Allora ho domandato loro: bene, se voi

lasciate evaporare l’acqua che cosa succede? ?Avviene una reazione chimica

inversa≅ è stata la risposta il 90% delle volte. Badate che sto parlando di inse-

gnanti, di rappresentazioni mentali degli adulti. Se, a questo punto, io chiedo

loro di definire la molecola, essi mi rispondono che è l’unità chimico fisica …,

cioè mi danno la definizione scolastica di molecola. Ma non utilizzano la defi-

nizione appresa per interpretare i fenomeni correnti.”

(G. Cavallini, La formazione dei concetti scientifici, La Nuova Italia, 1995)

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QUALE SCHEMA MENTALE HA L’ALUNNO PER COMPRENDERE

I CONCETTI SCIENTIFICI PROPRI DELLE VARIE DISCIPLINE

OGGETTO DI INSEGNAMENTO ?

Nessuno ha innati gli schemi scientifici differenti dagli schemi utilizzati

nella vita quotidiana che sono spontanei, di senso comune. La maggior parte

dei concetti scientifici sono oltre o in contraddizione con l’esperienza di sen-

so comune, e non soltanto gli aspetti più formalizzati o matematizzati della

scienza, quali ad esempio le teorie fisiche, chimiche e biologiche sviluppatesi

in questo secolo.

Vi è una discontinuità totale tra esperienza quotidiana, senso comune, da

una parte, e la maggior parte dei concetti fondamentali della scienza, dall’altra.

Ora è sufficiente pensare a quale “rivoluzione” hanno dato origine, per

esempio, le teorie di Galileo, Newton, Lavoisier e Darwin, per rendersi conto

come i concetti elementari dell’organizzazione specialistica delle discipline

scientifiche sono tutt’altro che elementari sul piano epistemologico e psico-

logico.

Lo schema scientifico più complesso deve essere costruito, cioè deve ba-

sarsi sullo schema o concetto operativo che consiste nella conoscenza del fe-

nomeno stesso.

Il senso delle definizioni operative sta proprio nel mettere ordine nell’ os-

servazione dei fenomeni, nel passaggio dalla percezione di un tutto indistinto

alla conoscenza intelligente del fenomeno. Si fanno cioè i primi passi per usci-

re dalla spiegazione di senso comune e arrivare alla spiegazione scientifica.

Se consideriamo, ad esempio, l’insegnamento della chimica, prima di pas-

sare alla spiegazione dei fenomeni in termini di atomi e molecole, che richiede

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una modellizzazione ed un livello di specialismo più elevato, questi devono es-

sere conosciuti.

Con queste affermazioni non si vuole negare l’importanza, nelle scienze,

degli aspetti formali, ma si desidera ribadire che la fase astratta, formale di una

scienza è produttiva sul piano educativo, soltanto quando si ha già una cono-

scenza adeguata dei più importanti fenomeni che costituiscono l’oggetto di

quella scienza. Riteniamo, quindi, che sia insostenibile l’insegnamento della

maggior parte dei concetti scientifici prima che si sia realizzato un adeguato

consolidamento delle strutture cognitive dello studente, finché, cioè, lo studen-

te non abbia effettuato un lungo processo educativo - corrispondente per i fe-

nomeni elementari alla scuola di base - che l’abbia portato ad acquisire consa-

pevolezza, riflessione e razionalità intorno a problematiche e fenomenologie

connesse, o simili sul piano cognitivo, all’esperienza quotidiana.

Infatti appropriarsi di concetti formali o astratti non significa semplice-

mente apprendere a memoria le parole corrispondenti. Il processo è molto più

complicato in quanto richiede lo sviluppo di funzioni cognitive complesse che

accompagnano una graduale ristrutturazione degli schemi mentali, vale a dire

dei modi di ragionare. Per questo, anche noi, sosteniamo che le conoscenze

scientifiche non possono essere semplicemente trasmesse, ma devono essere

costruite dal soggetto che impara.

L’insegnamento tradizionale di tipo ricettivo/trasmissivo, nel quale la le-

zione frontale è l’attività fondamentale, non offre agli allievi l’opportunità di

rendersi conto dei limiti dei propri schemi mentali e, di conseguenza, non può

che produrre un apprendimento puramente verbale. Si tratta di un intervento

non solo povero di risultati educativi, ma anche pericoloso, in quanto dà al

soggetto che apprende l’illusione di imparare concetti, mentre in realtà impara

solo parole.

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“Le parole possono isolare e conservare un significato solo allorché es-

so è stato in precedenza implicato nei nostri contatti con le cose. Tentare di

dare un significato tramite la parola soltanto, senza una qualsiasi relazione

con la cosa, significa privare la parola di ogni significazione intelligibile […]

Vi è la tendenza a credere che ovunque vi sia una definita parola o forma lin-

guistica vi sia anche un’idea definita; mentre, in realtà, sia gli adulti che i

fanciulli, possono adoperare formule verbalmente precise, avendo solo la più

vaga e confusa idea di ciò che significano. È più proficua la genuina ignoran-

za perché è facilmente accompagnata da umiltà, curiosità ed apertura menta-

le; mentre l’abilità a ripetere frasi fatte, termini convenzionali, proposizioni

familiari crea la presunzione del sapere e plasma la mente di una vernice im-

penetrabile alle nuove idee.”

(J.Dewey, Come pensiamo, La Nuova Italia, 1994, pag.333)

“Mi sembra che una delle cause principali dell’insuccesso scolastico risieda

nell’idea che la comprensione della scienza possa essere ottenuta attraverso

un convincimento puramente verbale. L’esperienza mostra, in maniera sem-

pre più chiara, che le esposizioni esclusivamente verbali (…) non lasciano nel-

le menti degli studenti praticamente nulla di permanente e significativo. Pre-

sentazioni di questo tipo aiutano ancor meno lo studente a conseguire quelli

che io considererei i segni di una persona scientificamente colta.”

(A.B.Arons, Guida all’insegnamento della fisica, Zanichelli, 1992, pag.366)

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È necessario, prima di tutto, che il ragazzo acquisisca la capacità di os-

servare, descrivere ed analizzare i fenomeni proposti cercando di cogliere dif-

ferenze, somiglianze e relazioni.

Ci sembra quindi particolarmente appropriato parlare di impostazione fe-

nomenologico-operativa come l’impostazione dell’educazione scientifica più

adeguata alla scuola di base; fenomenologica in relazione al contenuto, e ope-

rativa in riferimento alla metodologia didattica. Operatività che va intesa, so-

stanzialmente, come un’operatività cognitiva e non un’attività manuale: la me-

todologia didattica deve sviluppare quanto è più possibile le condizioni che

permettano a ciascun studente di costruire la conoscenza, e non tanto di poter

effettuare in prima persona il maggior numero possibile di esperimenti.

La riflessione e la sperimentazione, che stiamo conducendo da molti anni,

ci hanno portato a prospettare un modello metodologico per l’educazione

scientifica nella scuola di base, che non va assunto come un dogma, ma appun-

to come un modello che deve essere adattato costantemente sia all’oggetto del-

la conoscenza che alle condizioni reali della costruzione della conoscenza.

Questo modello, che si articola in cinque fasi, permette di evidenziare

le condizioni complesse del processo di concettualizzazione:

1) fase della sperimentazione e dell’osservazione;

2) fase della verbalizzazione scritta individuale (descrizione del feno-

meno);

3) fase della discussione collettiva confronto delle descrizioni;

4) fase dell’affinamento della concettualizzazione (verbalizzazione

scritta individuale);

5) sintesi collettiva (sintesi guidata dall’insegnante).

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PERCORSO DIDATTICO SULLE SOLUZIONI

Il concetto di soluzione è considerato anche da molti insegnanti banale, in

quanto quotidianamente ci si imbatte in fenomeni di questo tipo, o si utilizzano

termini quali solubile, sciogliersi, ecc… Vi è indubbiamente confusione tra co-

noscenza concettuale e conoscenza di termini, tra conoscenza scientifica e co-

noscenza di senso comune. La conoscenza di senso comune non va demonizza-

ta, anzi deve costituire la base della conoscenza scientifica, in un processo di

apprendimento caratterizzato sia da continuità che da discontinuità con il senso

comune.

Noi riteniamo che il passaggio dall'una all'altra forma di conoscenza sia

caratterizzato, in questo caso, da 3 stadi:

1) Il primo stadio è quello della identificazione e definizione delle sostan-

ze effettivamente solubili. Infatti non c'è coincidenza neppure del riferi-

mento empirico, perché generalmente vi sono alcune esperienze della vita

quotidiana che acquistano un carattere talmente paradigmatico da cancel-

lare la traccia di altre esperienze. Da una parte, le sostanze colorate solu-

bili non sono considerate tali perché molti hanno ormai interiorizzato i

casi del sale e dello zucchero in acqua come esempi paradigmatici delle

sostanze solubili. D'altra parte, per altri, anche eventuali sostanze che ri-

mangono sospese in acqua sono solubili. E' presente in questo caso un

concetto di solubile più esteso che comprende anche le sostanze che pro-

ducono sospensioni: è probabile che questa idea sia una generalizzazione

empirica di esperienze con materiali della vita quotidiana, quali il cacao

solubile, indicate come solubili, pur non essendolo.

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2) Il secondo stadio è quello della comprensione del tipo di interazione che

si verifica, della comprensione, cioè, della permanenza, al di là dell'appa-

renza, nelle soluzioni delle sostanze iniziali. Si realizza, in questo modo,

la possibilità di iniziare a familiarizzarsi con il concetto di trasformazione

fisica.

3) Il terzo stadio è quello esplicativo. Si può iniziare ad ipotizzare delle ri-

sposte di tipo atomistico alla domanda: "che cosa è successo alla sostanza

solida che non è più visibile, benché sia presente nella soluzione?" Con

risposte di tipo atomistico non intendiamo l'introduzione di una termino-

logia atomistica desunta dalle acquisizioni scientifiche di questo secolo,

ma ipotesi di tipo particellare, corpuscolare, quali, ad esempio, le seguen-

ti: "il sale, poiché non è più visibile, potrebbe essere presente nell'acqua

sotto forma di particelle talmente piccole da non potere essere rilevate

dalla vista", oppure "se l'acqua ha la capacità di disgregare i granelli di

sale in granellini, sempre di sale, ma non più visibili, si può ipotizzare che

questi ultimi ci siano anche nei solidi, che, cioè, i granelli di sale non sia-

no che aggregati di moltissime particelle invisibili".

In conclusione l'effettuazione di esperimenti di solubilizzazione con so-

stanze usuali della vita quotidiana è imprescindibile, ma tutt'altro che sufficien-

te: il passaggio dal concetto di senso comune al concetto scientifico non sta ne-

gli esperimenti, ma nelle riflessioni sistematiche che possono essere effettuate

a partire da essi.

Si potrebbe, tuttavia, obiettare, che esiste uno scarto significativo tra il

concetto scientifico da noi proposto di sostanza solubile e quello presente nelle

trattazioni chimico-fisiche attualmente accreditate, dove il problema viene af-

frontato, in modo formalizzato, da molteplici punti di vista.

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Noi pensiamo che il concetto da noi proposto costituisca il primo livello di

concettualizzazione, la base imprescindibile di un concetto che poi si potrà svi-

luppare in relazione alle esigenze di tipo specialistico dei vari ambiti scientifici.

Stiamo adoperando il termine concetto scientifico nel senso di passaggio

da una conoscenza di senso comune, casuale, preconcettuale, ad una cono-

scenza di tipo riflessivo e sistematico. Lo utilizziamo, quindi, in un'accezione

pedagogico-didattica, dove l'attenzione è non ad una astratta correttezza scien-

tifica rispetto alle teorie accreditate, ma è all'adeguatezza delle conoscenze

scientifiche proposte, in una prospettiva evoluzionistica, rispetto alle struttu-

re cognitive e motivazionali del soggetto che apprende.

Dopo questo lavoro, dove gli studenti sono stati condotti alla costruzione

della definizione operativa di soluzione, si può passare ad analizzare gli aspetti

quantitativi del fenomeno:

4) Il quarto stadio è quello della definizione di solubilità come proprietà

operativa misurabile. Il ragazzo può constatare sperimentalmente che al-

cune proprietà operative misurabili, come la solubilità, costituiscono

“l’impronta digitale” delle sostanze. Mentre le proprietà operative di tipo

qualitativo non ci permettono, effettivamente, di effettuare questa distin-

zione, queste proprietà ci danno, invece, la possibilità di riconoscere una

sostanza.

Infine vengono proposte alcune piste di approfondimento, che riteniamo

particolarmente significative. Esse riguardano la solubilità dell’aria in acqua a

varie temperature e il problema della conservazione della massa e del volume a

seguito del mescolamento di sostanze solubili.

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ATTIVITÀ FENOMENOLOGICO-OPERATIVA

Una delle difficoltà con cui l’insegnante si trova a confrontarsi nella sua

pratica didattica, concerne la necessità di sviluppare capacità osservative negli

studenti. Focalizzare l’attenzione su aspetti rilevanti del fenomeno sotto osser-

vazione è un compito non banale; gli studenti, infatti, partendo dalle loro cono-

scenze mettono spesso in evidenza caratteristiche che esulano completamente

dall’analisi che si sta compiendo. Ma non potrebbe essere diversamente: sol-

tanto al conoscenza a posteriori ci permette di inquadrare nella giusta prospet-

tiva ciò che è necessario prendere in considerazione rispetto a ciò che deve es-

sere scartato.

Fornire i parametri di osservazione prima di iniziare l’analisi del fenomeno

è limitativo, è sicuramente più indicativo che siano gli studenti stessi a mettere

in evidenza che cosa è significativo attraverso un confronto che si sviluppa

all’interno della classe (la scienza è, dopotutto, una costruzione condivisa). Gli

studenti non dovranno sempre e per forza arrivare a comprendere quali sono le

variabili in gioco; in casi particolari, nei quali, ad esempio, le variabili in gioco

sono molteplici, l’insegnante può fornire o rifinire una tabella di osservazione,

dopo che gli studenti si sono cimentati, comunque, nella sua realizzazione.

Si tenga presente che non si deve pretendere di arrivare subito

all’osservazione giusta, perché anche le risposte errate contribuiscono alla so-

luzione: tutti possono portare contributi. Gli studenti devono diventare attori

del processo in atto.

L’insegnante, poi, svolge un ruolo fondamentale nel dirigere il lavoro,

mantenendo il filo conduttore del discorso e rimandando a momenti successivi

alcuni problemi senza far cadere l’interesse, proponendo percorsi alla portata

degli studenti e della loro capacità di formulare ipotesi, permettendo loro di os-

servare con “occhi nuovi” fatti già noti.

Non si tratta, quindi, di fornire definizioni da vocabolario o di realizzare

“esperimenti a ricetta”, ma di contestualizzare specifici problemi all’interno di

percorsi che conducano alla concettualizzazione.

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Primo livello: Scuola primaria (paragrafi 1-11)

Secondo livello: Scuola secondaria di primo grado (paragrafi 12-16)

Terzo livello: Approfondimenti (paragrafi 17-20)

Attrezzatura e materiale occorrente:

- becker da 100 cc., bacchette di vetro, spatola, capsule, fornello elettrico,

bilancia (II livello), cilindro da 100 cc. (II livello), matraccio da 100 cc.

(II livello).

- sale, zucchero, solfato di rame, carbonato di calcio, sabbia, farina, sci-

roppo di menta, acqua distillata, alcool etilico (Approfondimenti).

PRIMO LIVELLO

1. Versate in un becker 20-30 cc di acqua distillata ed una punta di spatola di

sale. Dopo aver agitato per alcuni minuti, chiedete agli alunni di descrive-

re che cosa è successo. Fate confrontare le descrizioni, per ottenere da

tutti gli alunni una produzione linguistica accettabile.

2. 3. Procedete con la stessa modalità, prima con lo zucchero e poi con il car-

bonato di calcio in polvere.

4. Occorre effettuare altri esperimenti simili ai precedenti e confrontarli con

essi. Gli alunni si renderanno conto facilmente che il confronto può essere

effettuato immediatamente finché gli esperimenti sono 2-3, ma quando il

numero aumenta il confronto diventa molto più difficile. A questo punto

gli si può proporre come strumento utile per risolvere il problema, una ta-

bella. Chiedete loro di fare proposte sulla tabella, su quali caratteristiche

ritengono utili per evidenziare somiglianze e differenze nel comportamen-

to delle varie sostanze dopo mescolamento con acqua (tab.1).

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5. Effettuate esperimenti simili ai precedenti e fate tabulare agli alunni i ri-

sultati con le seguenti sostanze: olio, sabbia, solfato di rame, farina, sci-

roppo di menta.

6. Chiedete agli studenti di raggruppare assieme le sostanze che si compor-

tano (interagiscono) con l'acqua in modo simile.

Se i raggruppamenti effettuati fossero soltanto di tipo percettivo potrem-

mo avere la seguente situazione:

- raggruppamento a: acqua-sale, acqua-zucchero

- " b: acqua-solfato di rame, acqua-sciroppo di menta

- " c: acqua-carbonato di calcio, acqua-sabbia

- " d: acqua-farina

" e: acqua-olio

7. Chiedete agli alunni di indicare le sostanze solubili, di identificare, cioè, le

soluzioni.

Riteniamo che sia tutt'altro che banale il passaggio da questi raggruppa-

menti percettivi al raggruppamento concettuale delle soluzioni. I termini

soluzione, solubile, sciogliersi, sono generalmente conosciuti da tutti

bambini del secondo ciclo della scuola elementare, come termini di vita

quotidiana. Tuttavia il loro significato spontaneo non coincide con quello

scientificamente accreditato; è, infatti, sia più ampio che più ristretto.

È più ampio perché:

- il termine sciogliere è anche utilizzato per indicare la fusione di al-

cune materiali quali il ghiaccio, il burro, ecc.;

- il termine solubile è anche impiegato per indicare sostanze che con

l'acqua non danno soluzioni ma sospensioni, quali ad es. il cacao.

É più ristretto perché:

- spesso non comprende le soluzioni colorate.

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8. E' possibile che gli studenti arrivino ad identificare le soluzioni o che sia

necessario l'intervento dell'insegnante; in questo secondo caso lo stimolo

si deve limitare a quanto è indispensabile soltanto per fare procedere il

processo di costruzione della conoscenza. L'intervento dell'insegnante po-

trebbe consistere, per esempio, nell'indicare quali sono le soluzioni e nel

chiedere quindi agli studenti di individuare le somiglianze delle soluzioni,

arrivando così alla costruzione della definizione operativa di soluzione (e

quindi di sostanza solubile). Si dovrebbe ricavare una definizione operati-

va di questo tipo: una sostanza (o un materiale) è solubile in acqua

quando, dopo averla mescolata con acqua, non è più visibile, e ciò che si

ottiene è limpido e trasparente.

9. La costruzione di definizioni operative è di grande importanza, ma in al-

cuni casi è anche necessario discuterle ulteriormente.

Chiedete agli studenti che fine ha fatto la sostanza solida che non è più

visibile. E' probabile che la maggior parte risponda che la sostanza, ben-

ché non sia più visibile, è presente nell'acqua, ma non è da escludere che

una parte degli studenti abbia idee confuse, e che pensi, ad esempio, che

il sale sia effettivamente sparito, lasciando soltanto il proprio sapore nel-

l'acqua. Dopo aver raccolto le ipotesi degli studenti, chiedete loro se è

possibile constatare la presenza della sostanza in acqua. Con molta pro-

babilità verrà indicata da molti l'evaporazione o l'ebollizione dell'acqua.

Versate 10-15 ml delle soluzioni in capsule, e riscaldatele con un fornel-

lino elettrico. Tutti gli studenti potranno così constatare che si riottengono

le sostanze iniziali (sale, solfato di rame).

10. Dopo che gli studenti hanno compreso che il fenomeno di solubilizzazio-

ne, nonostante l'apparenza, è caratterizzato dal fatto che le sostanze non

cambiano (dalla conservazione delle sostanze) è possibile introdurre il

concetto di trasformazione fisica. Le soluzioni costituiscono un esempio

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di trasformazioni fisiche, in quanto si ha la conservazione delle sostanze

iniziali.

11. Si può, infine, cercare di dare una spiegazione di ciò che è successo.

Chiedete agli studenti di formulare delle ipotesi su che cosa è successo

al solido, che, benché non sia più visibile, è presente nell'acqua. Se dopo

una prima fase di riflessione, le ipotesi prospettate non sono sufficiente-

mente adeguate e condivise, potrebbe essere utile questo esperimento:

dopo aver messo in un becker 20-30 cc di acqua distillata ed un grano di

sale grosso; chiedete agli studenti di osservare alcune volte, dopo aver a-

gitato, il contenuto del becker, fino a completa solubilizzazione del sale.

Potrebbe essere più semplice per gli studenti formulare l'ipotesi che l'ac-

qua scioglie il sale, in quanto è capace di separarlo in particelle talmente

piccole da non essere più visibili. Quando una sostanza è sciolta, non è

più visibile perché sarebbe presente nel liquido sotto forma di particelle

piccolissime.Gli studenti possono così formulare delle prime ipotesi ato-

mistiche. Questa ultima fase dell'attività è indubbiamente quella più im-

pegnativa, perché implica lo sviluppo di ragionamenti che vanno al di là

dei dati percettivi. Sono, tuttavia, ipotesi alla loro portata, perché esse co-

stituiscono estrapolazioni di primo livello rispetto ai dati percettivi.

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SECONDO LIVELLO

12. Definizioni e proprietà operative

Se ripensiamo alle attività precedenti ed al modo in cui siamo giunti a dare

una definizione di sostanza solubile, possiamo meglio renderci conto del

significato del termine “definizione” e dell’operazione del “definire” uti-

lizzata in questo contesto.

Una qualsiasi definizione ha come finalità primaria quella di semplificare

e di mettere ordine nella complessità dei fenomeni e degli oggetti che po-

polano questo mondo. Definire significa, innanzitutto, suddividere

l’universo in due categorie: all’una appartengono gli oggetti che rientrano

nella definizione, all’altra gli oggetti che non vi rientrano. Noi abbiamo

definito le sostanze solubili individuando il modo e i criteri mediante i

quali effettuare il suddetto processo di selezione. Questo tipo di definizio-

ne, che è quella che in questo momento più ci interessa, prende il nome di

“definizione operativa”, perché specifica le misure, le osservazioni, le

procedure, cioè le operazioni per mezzo delle quali possiamo decidere se

un oggetto appartiene o no a quella categoria.

13. La solubilità è una proprietà operativa misurabile.

Abbiamo già constatato che il sale e lo zucchero sono solubili in acqua;

probabilmente qualche bambino, effettuando quelle esperienze, potrebbe

aver già chiesto se maggiori quantità di sale e di zucchero si fossero u-

gualmente sciolte in acqua.

- Versate in un becher da 100cc, contenente 50 cc di acqua distillata, 5

grammi di sale ed agitate;

- quando la soluzione è diventata limpida aggiungete altri 5 grammi di

sale ed agitate;

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- ripetete l’operazione fino alla permanenza di sale indisciolto; se ciò si

verifica dopo la quarta aggiunta (dopo aver versato complessivamente

20 g di sale) che cosa è possibile affermare? E’ possibile dire che in 50

cc di acqua sono solubili 15 g di sale più una parte di 5 g; infatti gli ul-

timi 5 g di sale aggiunti potrebbero essere rimasti totalmente come

corpo di fondo o, con molta maggiore probabilità, essersi in parte

sciolti. Come si può constatarlo? E’ necessario ripetere l’esperienza;

- dopo aver versato 15 g di sale nei 50 cc di acqua, aggiungete il sale in

minore quantità, per esempio 1 g per volta. Supponiamo che rimanga

del sale indisciolto dopo aver aggiunto 3 g. A questo punto è possibile

affermare che in 50 cc di acqua sono solubili 17 g più una parte di 1 g;

infatti, anche in questo caso, il terzo grammo di sale aggiunto potrebbe

essersi in parte sciolto.

E’ possibile determinare con certezza (con precisione assoluta) la solubi-

lità del sale?

No, la certezza, la verità assoluta non esiste. Il valore della solubilità ri-

sulta tanto più preciso quanto maggiore è la precisione con cui siamo in

grado di misurare il volume dell’acqua ed il peso del sale da cucina. Que-

sto concetto è di fondamentale importanza per qualsiasi tipo di misura.

Ogni strumento è in grado di fornire valori corretti entro un determinato

ambito di approssimazione. Le bilance in uso nel laboratorio di chimica

permettono di misurare il peso fino alla decimillesima parte del grammo e

quindi ci danno la possibilità di avere una precisione ed un’accuratezza

nelle misure decisamente maggiore rispetto alle comuni bilance da cucina

che normalmente hanno una sensibilità dell’ordine di alcuni grammi.

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14. Considerazioni simili possono essere fatte per la misura del volume dei li-

quidi; per determinarlo si utilizzano dei recipienti di vetro a volume noto.

Per esempio, per misurare 100 ml. di acqua possono essere utilizzati un

beaker, un cilindro graduato o un matraccio, ma il margine di errore della

misura effettuata non è lo stesso per i tre recipienti. Per renderti consape-

vole di quanto appena affermato, ti suggeriamo la seguente prova:

- Dopo aver riempito con acqua i tre recipienti fino al livello di 100ml,

aggiungi , una alla volta, 4-5 gocce di acqua servendoti di un conta-

gocce.

- Con questa semplice operazione è molto facile constatare che il mar-

gine di errore nella misura del volume di acqua aumenta passando

dal matraccio al beaker.

Ma è anche possibile effettuare una generalizzazione: la misura del volume

di un liquido è tanto più attendibile quanto più stretto è il collo del recipiente

utilizzato.

15. Nelle esperienze precedenti, relative alla solubilità del sale in acqua, il vo-

lume dell’acqua è stato misurato con un cilindro graduato da 50 cc; questa

misura non può essere stata particolarmente precisa sia perché il cilindro

non fornisce valori molto precisi sia perché, quando si versa l’acqua nel

becher, alcune gocce di acqua rimangono attaccate alle pareti del cilindro.

Avendo osservato che la solubilità del sale da cucina è di 17,.. g in 50 cc

di acqua, potreste constatare che, in un volume di acqua doppio (100 cc)

la quantità di sale solubile raddoppia; in un volume quadruplo di acqua

(200 cc) la quantità di sale quadrupla; in un volume 20 volte superiore (1

litro = 1000 cm3) la quantità di sale viene moltiplicata per 20. Da queste

esperienze è possibile cogliere l’esistenza di una relazione di proporzio-

nalità diretta tra il volume dell’acqua e la quantità di sale solubile.

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16. Effettuando le esperienze precedenti con altre sostanze solubili, quali per

esempio lo zucchero, il solfato di rame ecc., si può constatare che il valo-

re della solubilità è diverso da sostanza a sostanza. La solubilità del sol-

fato di rame risulta essere di circa 16 g in 50 cc di acqua e quella dello

zucchero di 102 g in 50 cc di acqua. La solubilità del sale da cucina è

quindi minore di quella dello zucchero e maggiore di quella del solfato di

rame. E’ possibile inoltre constatare sperimentalmente che la relazione di

proporzionalità diretta esistente tra il volume dell’acqua e il peso di sale

da cucina è generalizzabile alle altre sostanze solubili. Con lo stesso pro-

cedimento può essere misurata la solubilità delle diverse sostanze, cioè la

quantità massima di ogni sostanza che può essere sciolta in un deter-

minato volume di acqua ad una determinata temperatura.

Per avere valori immediatamente confrontabili di solubilità si prende per

convenzione come riferimento per tutte le sostanze lo stesso volume di

acqua e la stessa temperatura (la solubilità dipende anche dalla tempera-

tura); generalmente viene preso 1 litro o 100 cc di acqua (tab.2).

Per il riconoscimento delle sostanze è più adatta la proprietà della solu-

bilità o della combustibilità?

Evidentemente quella della solubilità, poiché ogni sostanza ha un valore

di solubilità caratteristico. Generalizzando, si può affermare che:

tutte le proprietà operative misurabili, come la solubilità, sono molto

più adeguate per il riconoscimento delle sostanze rispetto alle proprietà

operative di tipo qualitativo.

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APPROFONDIMENTI

17. Un fenomeno vitale per la vita sul nostro pianeta riguarda la solubilità

dell’aria nel solvente più comune e più abbondante sulla faccia della ter-

ra, cioè nell’acqua. Riportiamo di seguito alcuni valori di solubilità

dell’aria a temperature diverse (tab.3). Confronta queste misure con quel-

le relative alla solubilità di sostanze solide in acqua (tab.2) e riporta le tue

considerazioni.

18. Procurati un recipiente dalla base abbastanza ampia, introduci un po’ di

acqua e riscaldala fino a circa 70-80 °C. Che cosa vedi sul fondo del reci-

piente? Come mai si formano tante bollicine?

19. É possibile prevedere il peso e il volume finale di una soluzione somman-

do semplicemente i valori iniziali? Introduci circa 20/25g di sale da cucina

in un matraccio da 100cc, porta a volume con acqua distillata, tappa il ma-

traccio e pesalo senza agitarlo. Pensi che il peso complessivo e il livello

dell’acqua rimangano invariati dopo che il sale si sarà disciolto comple-

tamente? Agita il contenitore ben chiuso fino a far disciogliere il sale, ve-

rifica le tue previsioni e riporta le tue conclusioni (puoi ripetere

l’esperienza mescolando 100cc di acqua con 100cc di alcool etilico).

20. Il procedimento matematico della somma si può sempre applicare con suc-

cesso a numeri che esprimono una realtà fisica, cioè a numeri che rappre-

sentano valori di determinate grandezze fisiche (5Kg, 5m, 5l …)?

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SOLIDO/LIQUIDO ACQUA galleggia è sul fondo non si vede/non si distingue è disperso limpida/trasparente torbida colorata Sale x x

Zucchero x x

Farina x x x

Marmo polvere x x x

Sabbia x x

Solfato di rame x x x

Olio x x

Sciroppo x x x

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Sostanza 20oC 10oC

Sale da cucina 360 g/l 358 g/l

Solfato di rame 320 g/l

Zucchero 2040 g/l 1905 g/l

Potassa 1105 g/l 1080 g/l

Soda 215 g/l 125 g/l

Calce 1,31 g/l

Calcare 0,065 g/l

Gas 0°C 10°C 20°C 30°C Peso di 1l (g)

Aria 28,80* 22,68* 18,70* 16,07* 1,29

Ossigeno 48,90 38,00 31,03 26,16 1,43

Azoto 23,50 18,50 15,42 13,40 1,25

Anidride carbonica 1713 1194 878 665 1,98

Ammoniaca 1049∃103 813∃103 660∃103 530∃103 0,77

Metano 55,60 41,70 33,80 27,60 0,72

Acido cloridrico 515∃103 475∃103 441∃103 412∃103 1,64

* ml di aria in 1litro di acqua a pressione atmosferica (1 atm)