L’insegnante introduce quindi un terzo esperimento di miscelazione:
3. nitrato di piombo e ioduro di potassio A secco e in soluzione acquosa
Kasey
Ioduro di potassio Nitrato di piombo
Attività 1
Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
Come in precedenza, gli alunni riassumono le osservazioni in una terza tabella
Attività 1
Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
Segue una discussione in classe dei dati sperimentali.
Gli alunni concludono che:
• Quando si mescolano a secco le due sostanze compare una colorazione gialla che prima non c’era.
• Quando si fa interagire ognuna delle due sostanze con acqua, si ha un fenomeno di dissoluzione con formazione di due miscele omogenee e incolori.
• Unendo le due soluzioni, si forma un solido giallo che si deposita sul fondo del recipiente: si è in presenza di una miscela eterogenea.
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Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
Il prodotto dell’interazione, a secco o in soluzione, tra nitrato di piombo e ioduro di potassio è di difficile interpretazione.
La situazione finale è molto diversa da quella iniziale: è presente un corpo di colore giallo che prima non c’era…
Durante la discussione, qualche alunno suggerisce di far interagire con acqua la miscela eterogenea solida bianca e gialla.
Si ottiene una miscela eterogenea analoga a quella ottenuta mescolando le due soluzioni: si deposita un solido giallo sul fondo del recipiente.
Qualche alunno finalmente suggerisce che il solido giallo sia lo stesso ioduro di piombo visto nell’esperimento precedente: un solido giallo insolubile.
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La discussione in classe dei risultati sperimentali ottenuti nei vari esperimenti, opportunamente guidata dall’insegnante, permette agli alunni di pervenire a un’ipotesi esplicativa:
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Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
Si chiede quindi agli alunni di rappresentare con il modello particellare l’interazione fra ioduro di potassio e nitrato di piombo.
Le rappresentazioni proposte sono di questo tipo
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Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
Nelle rappresentazioni fatte dagli alunni è rispettata la conservazione del numero delle particelle.
Questo è consistente con il modello particellare che hanno appreso e corrisponde, a livello macroscopico, alla conservazione della massa.
Rappresentazioni di questo tipo sembrano sufficienti per interpretare il fenomeno, ma dal dibattito in classe emerge che non tutti gli alunni ne sono pienamente soddisfatti.
Alcuni ritengono che i simboli iconici usati non permettano di evidenziare come le sostanze iniziali si sono trasformate in sostanze diverse
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Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
Gli alunni ancora non se ne rendono conto ma, per questa nuova situazione-problema, il modello particellare è diventato un ostacolo.
È un momento di crisi, ovvero di scelta. Che fare?
?
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Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
Ovviamente dovremo arrivare ad ammettere la divisibilità delle particelle per giustificare il passaggio dalle sostanze iniziali a quelle finali.
Vorremmo lasciare che gli alunni arrivassero autonomamente a questa conclusione.
Il suggerimento è lasciare un certo tempo e intervenire solo quando la discussione divenisse infruttuosa.
Se necessario, possiamo incanalare la discussione, ma vogliamo farlo nel modo più leggero possibile.
Possiamo dare dei suggerimenti che si limitino semplicemente a dirigere la loro attenzione verso ciò che hanno già davanti.
Ad esempio, riflettere sui nomi delle sostanze…
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Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
Il nome della sostanza gialla, “ioduro di piombo”, è costituito da due parole.
Una di esse: “ioduro” è presente anche nel nome di una delle sostanze bianche: ‘‘ioduro di potassio’’.
L’altra parola “piombo” è presente nel nome dell'altra sostanza bianca ‘‘nitrato di piombo’’.
È quindi possibile rappresentare il sistema in questo modo, usando i segni verbali:
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Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
Un altro modo di rappresentare questa trasformazione è il seguente:
ioduro di potassio
+
nitrato di piombo→
ioduro di piombo+
nitrato di potassioL’insegnante spiega che il simbolo "
→
" significa proprio ‘‘trasformazione chimica’’.Siete diventati dei chimici!
Bastava una freccetta… Ma potevate dirmelo prima!
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Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
Avere diretto l’attenzione degli alunni sui segni verbali ha permesso loro di giungere ad una nuova idea emersa organicamente dalla riflessione: la composizione delle
sostanze.
La particella di ioduro di piombo viene in parte dalla particella di ioduro di potassio e in parte dalla particella di nitrato di piombo.
Questa interpretazione della formazione dello ioduro di piombo comporta la divisibilità delle particelle mentre il modello particellare, fin qui usato, ne postulava l’indivisibilità.
Dal momento che il modello funziona benissimo per interpretare le trasformazioni fisiche è evidente che non conviene rigettarlo completamente.
Appare invece logica un’altra soluzione: fare evolvere la proprietà che riguarda l’indivisibilità delle particelle e riformularla in un nuovo modo.
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Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
Anche in questo caso lasciamo che siano gli alunni stessi a riformulare il concetto di indivisibilità delle particelle in modo che sia consistente con quanto osservato.
Il primo passo è affermare il principio più generale ed evidente:
“Le particelle sono divisibili”
Il secondo passo è concettualmente più complicato e difficilmente gli alunni saranno in grado di compierlo autonomamente.
Anche qui un piccolo aiuto può essere però sufficiente.
Ad esempio si può ritornare a quanto già detto:
La particella di ioduro di piombo viene in parte dalla particella di ioduro di potassio e in parte dalla particella di nitrato di piombo.
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Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
Quindi non basta dire che “Le particelle sono divisibili” ma anche che…?
“Le particelle possono ricombinarsi”
Cosa accade quando le particelle si dividono e si ricombinano in modo nuovo?
Abbiamo visto una nuova sostanza gialla.
Quindi ad una sostanza nuova (livello macroscopico) corrisponde una nuova combinazione delle particelle (livello microscopico).
A questo punto dovrebbe essere facile accettare la seguente affermazione:
“Quando le particelle si combinano in modo nuovo (livello microscopico) si ottiene una sostanza nuova (livello macroscopico)”.
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Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
Una sostanza nuova è una sostanza diversa. Una sostanza con una diversa identità.
Il concetto di identità di una particella è già noto…
…ma non era ancora mai stato discusso in profondità.
Nella originale formulazione del modello particellare non si è mai discussa una idea che adesso emerge naturalmente dall’osservazione del risultato sperimentale:
“cosa determina l’identità di una sostanza?”
Questo è un passo logico e scientifico enorme, forse il più importante di tutta questa trasposizione didattica.
Non solo lo stato fisico di una sostanza ma anche la sua identità, entrambi appartenenti al livello macroscopico, sono determinati dal livello microscopico.
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Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
Comincia a farsi strada l’idea di un livello microscpico ancora più microscopico.
Particelle di particelle…
L’uso del termine particella diventa problematico.
Le particelle divisibili risultano costituite da altre particelle: come distinguerle?
Occorre precisare il vocabolario in modo che corrisponda agli eventi.
A questo punto, l’insegnante introduce le nozioni di molecola e di atomo, proponendo di chiamare molecole le particelle di ioduro di potassio, nitrato di piombo, ioduro di piombo e nitrato di potassio e di chiamare atomi le particelle di potassio, piombo, ioduro e
nitrato.
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Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
La scelta didattica è di non raccontare subito tutta la storia, ammettendo, ad esempio, di chiamare atomi le specie ioniche e addirittura gli ioni nitrato.
Vogliamo introdurre gli alunni a riconoscere la complessità strutturale del livello atomico-molecolare in modo graduale.
La distinzione tra unità-formula e molecola, così come la natura composta dello ione nitrato, saranno affrontati in stadi di apprendimento successivi, ad esempio dopo aver costruito con gli alunni il concetto di legame chimico.
Finalmente, la prima proprietà del modello particellare viene riformulata in questo modo:
“Le particelle di cui è costituita una sostanza sono divisibili e sono chiamate molecole.
Queste molecole, a loro volta, sono formate da altre particelle più piccole chiamate atomi.”
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Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
Gli alunni sono invitati a modellizzare nuovamente il sistema nitrato di piombo/ioduro di potassio tenendo conto della divisibilità delle particelle
La seguente è una delle rappresentazioni proposte per il sistema in soluzione acquosa, ritenuta adeguata dalla classe.
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Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
Si può ora affrontare l’aspetto quantitativo del nuovo fenomeno “trasformazione chimica”.
L’insegnante propone la seguente situazione-problema al fine di avviare una riflessione sulla conservazione della massa nel corso delle trasformazioni chimiche.
Il primo interrogativo, di natura qualitativa, serve a richiamare la trasformazione chimica
considerata in precedenza
Il secondo, di natura quantitativa, richiede di riflettere sul fenomeno e sul sistema nel quale si produce (nulla entra, nulla esce)
Alcuni alunni, che ragionano a livello macroscopico, ritengono poco probabile che le masse siano uguali prima e dopo la
trasformazione e giustificano questa convinzione facendo
notare che le sostanze ottenute con una trasformazione chimica sono diverse dalle sostanze di partenza!
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Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
Però, altri alunni che ragionano a livello microscopico sostengono l’invarianza della
massa affermando che, in caso contrario, si dovrebbe avere un numero diverso di atomi prima e dopo la trasformazione.
Questo conflitto socio-cognitivo viene superato riflettendo sul fatto che la
rappresentazione iconica di una trasformazione chimica mette in evidenza una nozione molto importante:
il prodotto di una trasformazione chimica non può essere qualsiasi cosa.
Nelle molecole dei prodotti, gli atomi saranno combinati in modo diverso ma saranno sempre quei determinati tipi di atomi.
Anche il loro numero sarà lo stesso prima e dopo la trasformazione.
Dal punto di vista macroscopico questo significa che la massa si conserva.
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Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
Dal punto di vista microscopico si comincia a introdurre l’idea che, anche nelle
trasformazioni chimiche, c’è qualcosa che rimane inalterato nel processo e assicura la continuità fra la situazione iniziale e quella finale.
Ci vorrà ancora molto lavoro per arrivare a comprendere che questo invariante è l’elemento.
Per ora ciò che conta è riconoscere la presenza di un invariante anche nella trasformazione chimica, individuandolo temporaneamente nel “tipo di atomo”.
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Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
Riassumendo, gli obiettivi raggiunti da questa prima attività sono stati:
• Portare gli alunni ad ammettere due tipi di trasformazione, fisica e chimica. Quella chimica consiste nella sparizione delle sostanze iniziali con formazione di nuove sostanze.
• Aggiornare il concetto di particella con la proprietà della divisibilità, distinguendo le molecole dagli atomi.
• Introdurre l’idea di ricombinazione degli atomi (livello microscopico) in una trasformazione chimica per interpretare la formazione di nuove sostanze (livello macroscopico).
• Introdurre l’idea di conservazione degli atomi nel corso di una trasformazione chimica.