DIDATTICA DELLA CHIMICA E TRASPOSIZIONEDIDATTICA Parte seconda - Un approccio didattico alla costruzione del concetto di trasformazione chimica

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jo u rn al h o m e p a g e :w w w . e l s e v i e r . c o m / p i s c

DIDATTICA

DELLA

CHIMICA

E

TRASPOSIZIONE

DIDATTICA

Parte

seconda

-

Un’approccio

didattico

alla

costruzione

del

concetto

di

trasformazione

chimica

CHEMISTRY

TEACHING

AND

DIDACTIC

TRANSPOSITION

-

Part

two:

A

didactic

approach

to

the

construction

of

the

concept

of

chemical

process

Elena

Ghibaudi

a,b,∗

,

Ezio

Roletto

b

,

Alberto

Regis

b

a_Dip_Chimica,_Università_di_Torino,_Via_Giuria_7,₁₀₁₂₅_Torino,_Italy

b_Gruppo_SENDS_(Storia_ed_{Epistemologia}_per_una_Nuova_Didattica_delle_Scienze),_Torino,_Italy

Ricevutoil3dicembre2015;receivedinrevisedform10marzo2016;accettatoil22aprile2016

Disponibileonline 7giugno2016

PAROLECHIAVE Trasposizione didattica; Situazione-problema; Socio-costruttivismo; Modellodidattico allosterico; Sequenzadi apprendimento-insegnamento

Riassunto Questasecondaparteillustraunesempioditrasposizionedidatticarealizzatain Italia,inclassidellascuolasecondariadiIIgrado.Oggettodellatrasposizionesonoiconcettidi trasformazionechimica,direazionechimicaediequazionedireazione;unrisultatodiquesto percorsoèl’introduzionedelladistinzionefralenozionidiatomoemolecoladapartedegli allievistessi,comeipotesinecessariaperinterpretarelafenomenologiaosservata.L’approccio adottatoinquestasequenzaèditipostorico-epistemologicoelaprassimediantelaqualeviene realizzataèsocio-costruttivista.Lostrumentodidatticoèlasituazione-problema.Nellaprima partediquestoarticolovengonopresentateleattivitàcheconsentonoaglistudentidielaborare ilconcettoditrasformazionechimicaapartiredalconcettodiidentitàdiunasostanzachimica edall’utilizzodelmodelloparticellare.Nellasecondapartevengonopresentateleattivitàdi apprendimentochepartendodalcontrastofraleideediDalton(atomoindivisibile)equelledi Gay-Lussac(leggedicombinazionedeigas)portanoalleipotesidiAvogadroealladistinzione framolecoleeatomioperatadaCannizzaro.

∗_{Corresponding}_author_at:_Dip._Chimica,_Università_di_Torino,_Via_Giuria_7,₁₀₁₂₅_Torino,_Italy._Tel.:₊₃₉₀₁₁_6707951;

fax:+390116707855.

E-mail:elena.ghibaudi@unito.it(E.Ghibaudi). http://dx.doi.org/10.1016/j.pisc.2016.04.105

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KEYWORDS Didactic transposition; Problemsituation; Socio-constructivism; Allostericteaching model; Learning-teaching sequence

Summary Inthesecondpartofthiswork,wepresentanexampleofdidactictransposition carriedoutinItaly,withhighschoolstudents.Theeducationalactivityisfocusedonthe con-cepts ofchemicaltransformation,chemicalreactionandreactionequation;anachievement ofthisactivityistheintroductionofthedistinctconceptsofatomandmoleculebythe stu-dentsthemselves,asahypothesisthatallowsinterpretingtheobservedphenomenology.This sequenceisconceivedaccordingtoahistorical—epistemologicalapproachanditisbasedona socio-constructivistpraxis.Itreliesontheproblem-situationasadidactictool.Intheﬁrstpart ofthisarticle,wedescribetheactivitiesthatdrivestudentstoelaboratetheconceptof chemi-caltransformationbasedontheconceptof‘identityofachemicalsubstance’,andtheuseof theparticlemodel.Inthesecondpart,wedescribesomelearningactivitiesthatleadstudents towardtheAvogadro’shypothesisandCannizzaro’sdistinctionbetweenatomsandmolecules, startingfromthecontrastbetweenDalton’sandGay-Lussac’spositions.

Introduzione

In questo lavoro presentiamoun esempiodi trasposizione didattica realizzatasecondo le premesseteoriche e i cri-terididatticiepedagogiciespostinelprecedentearticolo. Sitrattadiunasequenzad’insegnamentocostruitaintorno ai concetti di trasformazione chimica, reazione chimica ed equazione di reazione, fondata sull’articolazione fra modellizzazione,sperimentazioneeconcettualizzazione,e concepita in modo tale da creare le condizioni per un apprendimento signiﬁcativo. Con essa intendiamo contri-buireallosviluppodipraticheesemplariperl’insegnamento dellachimica(Lijnse,2000).

Lasequenzaèstataelaboratatenendocontodelle indi-cazioniprovenientidallaletteraturadidatticadisciplinare, riguardoalleconcezionieaimodidiragionaredeglistudenti inmeritoallatrasformazionechimicaealsuomodello, la reazionechimica(Fillon,1997;StavridouandSolomonidou, 1998;Barker,2000;LaugierandDumon,2004).Essaèbasata sull’idea che il passaggio dal registro macroscopico (tra-sformazione chimica) a quello microscopico del modello (reazionechimica),cosìcomevieneabitualmenterealizzato nelleclassi, sottostima l’importanzadi questatappa e gli ostacolicheglistudentieffettivamenteincontrano(Kermen andMéheut,2008;Rolettoetal.,2010;Nelson,2002).

L’approccioèditipostorico-epistemologicoelaprassiè socio-costruttivista: l’insegnamento deicontenuti discipli-narièorganizzatoseguendounatracciastorica,elosviluppo storico è integrato nella (ri)costruzione del sapere scien-tiﬁco da parte degli studenti (Merle, 2002; Guedj, 2005; BrehelinandGuedj, 2007;DeHosson andKaminski,2006; DeHossonandKaminski,2007).Inaltritermini,imateriali storicisonousaticome risorsedidattiche:gliinterrogativi eiproblemicheaffrontaronoichimicidelXIXsecolosono alla base di situazioni d’apprendimentoche nonsolo sfo-cianonell’acquisizionedisaperidisciplinari,mapermettono anche aglistudenti di acquisire familiarità con interroga-tivi,problemie modi diprocedere degli scienziati, ilche consentedifaredell’epistemologiaapplicata.

Lo strumento didattico è la situazione-problema (De Vecchi and Carmona-Magnaldi, 2002): essa stimola lo svi-luppodiattività cognitivedaparte dellostudente(ad es. la rappresentazione della situazione, la formulazione di

ipotesielamodellizzazione),lequalisfocianonella riorga-nizzazionedeiconcettiinnuovestrutturementali.Inoltre essa consente di realizzare un insegnamento progressivo cheprocedelogicamentedallivellomacroscopicoaquello microscopicoe consente di iniziare gliallievi al processo di costruzione del sapere scientiﬁco. Il ricorso alla storia evidenzia come i chimici non abbiano provato l’esistenza delmondo microscopico, ma neabbiano piuttosto suppo-sto l’esistenza, formulando ipotesi plausibili sulla natura e l’organizzazione dei suoi costituenti. Come sottolinea Matthews: ‘‘The purpose of historical and philosophical dimensionsin scienceteachingisnot justtoprovidestill morethingstoknow,itistopromoteanawarenessof inte-restingandimportant questions andaconcernwith their resolution’’(Matthews,1994).

Ilmodellod’apprendimento diriferimentoè ilmodello ‘‘allosterico’’ (Giordan, 1994): esso riconosce un ruolo fondamentale al conﬂitto socio-cognitivo e considera l’apprendimentounprocessodiristrutturazionedelle strut-ture mentali nel quale giocano un ruolo importante le conoscenze che gli studenti già possiedono (dimensione didattica).

Premesse

Teoriche

Ilcontenutodellasequenzad’insegnamento-apprendimento è lamodellizzazione dellamateria e delle sue trasforma-zioni.Gliobiettividiapprendimentosonoiseguenti: - identiﬁcare le trasformazioni chimiche, imparare a

modellizzarle nella formadi reazioni chimiche e a rap-presentarlemedianteequazionichimiche;

- riconoscere che l’introduzione dei concetti di atomo e molecola come entità chimiche distinte è un passaggio indispensabile per comprendere la natura delle trasfor-mazionichimiche;

- iniziareadaffrontaregliaspettiquantitatividelle trasfor-mazionichimiche.

Gli studenti sono impegnati in una strategia d’apprendimentochesirichiamaallastrategiadell’indagine

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scientiﬁcainquantonerichiamaitremomenti fondamen-tali:

• formulazionedelproblemarelativoalsistemastudiato; • sceltadelmodelloperrappresentareilsistemae

formu-lareipotesiperlasoluzionedelproblema;

• messa allaprovadelmodello, veriﬁcandola plausibilità delleipotesiformulate.

Si comprende una situazione empirica quando si è in grado di rappresentarla con un modello che per-metta di interpretarla; la comprensione profonda degli aspettimacroscopici dellamateria passanecessariamente attraverso la rappresentazione corretta dei loro aspetti microscopicimediantemodelliadeguati(BarletandPlouin, 1997). La modellizzazione del comportamento percetti-biledelmondo materiale mediantel’immaginazionedi un mondo di entità invisibilicostituì unostacolo epistemolo-giconell’elaborazionedelsapereper gliscienziati delXIX secolo;parimenti,lamodellizzazionedellesituazioni empi-richeèunanotevolefontedidifﬁcoltàperl’apprendimento e l’insegnamento della chimica (Tsaparlis, 1997; Nelson, 1999). Tuttavia,l’insegnamento progressivo della chimica passaattraversolacostruzionedi modelliinterpretatividi cuivengono via via messi in luce ilimiti; ciòfavorisce la costruzione di modelli sempre più evoluti. I chimici del XIX secolo ebbero inizialmente a disposizione il modello dell’atomo indivisibile proposto da Dalton che fu messo indiscussionedai risultati ottenutidaGay-Lussacfacendo interagireigas:idatisperimentalieranoinconciliabilicon l’indivisibilitàdegliatomi.Questoostacoloepistemologico furimossodaAvogadrograzieallaformulazionedidue ipo-tesi:una relativa allaproporzionalità fra volumedi gas e numerodimolecole;l’altrarelativaallapossibilitàcheuna molecoladiunasostanzasemplicegassosa(daluichiamata molecolaintegrante)potesseesserecostituitadadueopiù particellecheeglichiamavamolecoleelementari.

Sul piano della prassi didattica, gli allievi lavorano in modo cooperativo, sia in piccoli gruppi sia a livello dell’intera classe, e questo costituisce un ulteriore rife-rimento alla dimensione psicologica. Agli studenti viene data l’opportunità di esprimere liberamente le proprie idee e di confrontarle con quelle deicompagni nelcorso didiscussioninell’ambitodeigruppidilavoroodell’intera classe.Gli interventi di studenti che non hanno la stessa opinioneolastessa spiegazionedannoorigineasituazioni conﬂittuali che l’insegnante può sfruttare, utilizzando la diversitàdiideecon unoscopodidattico.Graziealleidee scambiateconglialtri,lamaggiorpartedeglistudentiavvia unafasedirevisioneediricostruzionedeiproprisaperiche portagradualmenteaelaborareconoscenzepiùconsoneal saperescientiﬁco.L’insegnante nondàalcungiudiziosulle argomentazioniesullespiegazionipropostedaglistudenti. Avolte eglile riformula,si assicura che ilpensiero dello studente non sia stato deformato, domanda informazioni complementari. L’atteggiamento dell’insegnante deve esseretaledaconvincerelostudentecheciòcheeglidice èdegnodiinteresse.Illavorocollettivooffreaglistudenti un’immagine del modo di lavorare degli scienziati: la scienzaèunprocessosocialedicostruzionediconoscenza, caratterizzato dalla comunicazione dei risultati delle

Riquadro1 Organizzazionedellasequenza d’insegna-mento.

Approccio:Situazione—problema

1. Letrasformazioniﬁsichedellamateria:costruzione delmodelloparticellareconparticelleindivisibili.

2. Ampliamento del campo sperimentale di riferi-mento, con l’identiﬁcazione di un nuovo campo concettuale,quellodelletrasformazionichimiche. Siesploranoilimitidelmodellodisponibile,quello delleparticelleindivisibili,chefunzionacome osta-colocognitivo.

3. Evoluzionedelmodello:dalleparticelleindivisibili alleparticelle divisibili.Speciﬁcazionedeitipi di particelle:molecoleeatomi.Numerodiatomiper ognimolecola.

4. Corrispondenzafrailregistrodeisimboliiconicie quellodeisimbolichimici.NomenclaturaIUPAC

5. L’equazionedireazionecomemodellizzazionedella trasformazione chimica. I coefﬁcienti stechiome-trici.

ricerche e dalla loro validazione e accettazione daparte

dellacomunitàscientiﬁca(dimensioneepistemologica).

Progettazione

e

Costruzione

della

Sequenza

Didattica

L’organizzazionegeneraledellasequenzadidatticaè

sche-matizzatanelRiquadro1.

Inquesto articolo discuteremo in dettaglio solole fasi 2—5. Prima di entrarenel merito dellatrattazione di tali punti,diamounabrevedescrizionedellafase1edeisuoi obiettivi di apprendimento (Roletto etal., 1996a andb), comepremessanecessariaalsuccessivopercorsodi appren-dimento.

FASE1—Inquestafasegliallievisonoportati,inunprimo tempo,ariconoscerecomeplausibilelacongetturadiuna strutturaparticellaredellamateria:questapotrebbeessere costituitadiparticelleinvisibili,indeformabili,indivisibilie incontinuomovimentonelvuoto.Sullabasediqueste pre-messe,gliallieviaffrontanolostudiodelletrasformazioni ﬁsichedellamateriachedovrebberoesseremodellizzatea livellomicroscopicomedianteleparticelle,per rappresen-tare le qualisi ricorrea simboliiconici (cerchi, quadrati, triangoli,ecc.).

Letrasformazioni ﬁsichesonoconcettualizzatealivello macroscopico come processinei qualile sostanze conser-vanolapropriamassaelapropriaidentità,mentrealivello microscopicoessesonoconcettualizzatecomeprocessinei quali sonoconservati il numerodelle particelle (la massa dellasostanzasiconserva)eillorotipo(lasostanzaconserva la propria identità). Inoltre, la sostanzaviene concettua-lizzata a livellomicroscopico come un corpocostituitodi particelletuttedellostessotipo.

Nel corso di questa fase, gli allievi costruiscono un modelloparticellaresemplice,nelqualesiparlaunicamente diparticellesenzamaiintrodurrelenozionidiatomoe mole-cola,costituitodalleseguentiproprietà:

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1. unaparticellanonsipuòdividere,èindivisibile 2. unaparticellanonpuòcambiareforma,èindeformabile 3. unaparticellahasemprelestessedimensioni

4. unaparticelladiunacertasostanzahasemprelastessa quantità di materia, che cambia al cambiare della sostanza

5. unsolotipodiparticelleindividuaunasostanza 6. undeterminatonumerodiparticelle dellostesso tipo

equivalesempreallastessaquantitàdisostanza 7. traleparticelleesistonospazivuotipiùomenograndi

asecondadellostatoﬁsicodellasostanza

8. leparticellesonopiùomenostipatetraloro,e piùo menovincolateleuneallealtre,asecondadellostato ﬁsicodellasostanza

9. le particelle sono più o meno libere di muoversi e/o spostarsiasecondadellostatoﬁsicodellasostanza 10. leparticellesonodisposteinmodopiùomenoordinato

asecondadellostatoﬁsicodellasostanza.

Una volta comprese le trasformazioni fisiche gliallievi possono affrontare le trasformazioni chimiche. Hesse e Anderson (Hesse and Anderson, 1992) osservano che la distinzione fra trasformazione chimica e trasformazione fisica (cambiamento di stato) ‘‘è ben più complessa di quanto pensino abitualmente molti insegnanti e autori di manuali’’ e ‘‘l’apprendimento della trasformazione chimicarichiedemodificazionicomplessenell’ecologia con-cettualedimoltiallievi’’.

Studisulledifﬁcoltàdeglistudentiadifferenziareidue tipiditrasformazione(ReynoldsandBrosnan,2000;Solsona etal.,2003)riportanochemoltiallievinonriesconoa imma-ginarelapossibilitàdiunariorganizzazionedegliatominel corsodi unatrasformazionechimica: essa viene più facil-menteconcepitacomeunprocessodiaddizionedireattivi che come un processo nel corso del quale alcune specie chimichesi dividono nellelorocomponentielementari,le qualisiriorganizzanoaformarenuovespecie(Cokelezetal., 2008).Ilmodelloparticellaredelqualegliallievidispongono dopo aver studiato le trasformazioni ﬁsiche non è adatto ainterpretareletrasformazioni chimiche:essocostituisce quindiunostacoloall’evoluzionedellaconoscenza.

FASI 2-5: Questo ostacolo viene superato attraverso unampliamento delmodello, resopossibile dallerisposte elaborate nella risoluzione di alcune situazioni-problema progettate ad hoc. Seguendo le indicazioni di De Vos e Verdonk (De Vos and Verdonk, 1985) si è fatto ricorso a situazioni che intrigassero gli allievisoltanto a causa del cambiamentodellesostanzedipartenzainnuovesostanze, escludendo la presenzadi effetti spettacolari in gradodi distrarli. Lasequenzaprevedeche dapprimasi esamini la reazioneaseccotranitratodipiomboeiodurodipotassio, duepolveribianchechedannoorigineaunprodottogiallo (ioduro di piombo). Analogoprodotto si ottieneoperando sullesoluzionitrasparentideiduesaliche,unavolta misce-late,generanounprecipitatogiallo.Vienepostoinevidenza l’aspettoquantitativo,facendoriﬂetteregliallievisulfatto chesenelsistemaesaminatonullaentraenullaesce,allora lasuamassacomplessivanonmuta,nonostantela trasfor-mazioneabbiageneratouncambiamentodellesostanzeche locompongono.Ilsecondosistemapresoinconsiderazione dallasequenzaècostituitodasostanzegassose,ammoniaca

e clorurodi idrogeno, che interagendo producono cloruro diammoniosottoformadipolverebianca. Inentrambele situazioninon accade altro: non vi è elettricità, fiamma, rumoreoqualsiasialtroeffetto.L’assenzadi‘interferenze esterne’aiutagliallieviarendersicontochesitrovanodi fronteatrasformazionidellamateriadiversedaquelle fisi-che,preseinconsiderazioneprecedentemente,nellequali le sostanze conservano la propria identità. Al contrario, nellenuovetrasformazioni lesostanzeiniziali scompaiono ecompaiononuovesostanze:l’identitàdellesostanzenon èdunqueuninvariantediquestotipoditrasformazioni.Per interpretaretalitrasformazioniglistudentisiservonodello strumentoconcettualedicuigiàdispongono:ilmodello par-ticellarecostruitoperletrasformazionifisiche,chepostula l’indivisibilitàdelleparticelle; tuttaviasi rendono rapida-menteconto che essonon è adeguatoperinterpretare le trasformazionichimiche.Siinstauracosìunconflitto cogni-tivoche porta glistudenti a rendersi conto dei limitidel modelloinloropossessoedellanecessitàdisostituirlocon unaltropiùadeguato.Perinterpretaretrasformazioniincui lesostanzeiniziali perdonola loroidentità, si deveporre indubbio lavalidità delpostulato 1 e ammettere la divi-sibilitàdelleloroparticelle. Sigiunge così aelaborareun modelloparticellareaggiornato,cheammettel’esistenzadi particelledivisibili,costituitedaaltreparticellepiùpiccole. Emergeunproblemadilinguaggio,chepuòesseresuperato designandoconiltermineatomoleparticellepiùpiccolee conilterminemolecolaquellepiùgrandi,formatedadue opiùatomi.Sigiungecosìapostulare l’esistenzadiatomi emolecole,comeipotesilogicamentenecessarieper giusti-ficarelaconservazionedellamassadelsistemaunitamente alcambiamentodiidentitàdellesostanze.L’esistenzadegli atomicostituiscel’elementodicontinuitànelsistemaprima edopolatrasformazionechimica.Lapossibilitàdegliatomi dicombinarsiinmododiverso,purconservandosiinnumero etipo,giustificailcambiamentodiidentitàdellesostanze presenti nel sistemaprima e dopo la trasformazione chi-mica.

L’esamedi ulteriori situazioni-problemarelative a tra-sformazionichimiche infasegassosafra sostanzesemplici (idrogenoecloro,idrogenoeazoto,idrogenoeossigeno)con laformazione di unasostanza compostagassosa consente inﬁnedi:

• ipotizzarelarelazionefravolumedigasenumerodi par-ticelle;

• ipotizzarela‘struttura’dellemolecoledeigasdipartenza (interminidiatomicostituenti)edeiprodotti, conside-randoanchel’invarianzadellamassatotaledelsistema.

Dapprimasiutilizzanoisimboliiconici,poivengono gra-dualmente introdotti i simboli chimici e la nomenclatura IUPAC: in questo modo gli studenti pervengono a scri-vere le formule delle molecole delle diverse sostanze e leequazionichimicherelativealletrasformazionichimiche daessistudiate.Procedendo daunafaseall’altra,gli stu-denticostruisconoconoscenze,sirendonocontodellaloro naturacongetturaleedevolutivaecomprendonocosaèun modello.

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La

Sperimentazione

in

Classe

La sperimentazione di questa sequenza d’insegnamento è iniziata in una classe seconda del liceo scientifico-tecnologico nell’anno scolastico 2004-05 ed è proseguita coinvolgendo alcune classi prime e/o seconde del liceo scientifico-tecnologicoedelliceoscientificoneglianni suc-cessivi; i dati riportati in questo articolo si riferiscono adalcuneclassi delliceoscientifico-tecnologico di Biella, Italia.

Attività1—Dallatrasformazioneﬁsicaalla trasformazionechimica

Gliallievisonoinvitatiaeseguirealcuneoperazionidi misce-lazione di sostanze:ioduro di potassioe nitrato di sodio; nitratodi potassio eioduro di piombo.Dapprimavengono miscelateaseccolesostanzeallostatosolido;inseguito,le sostanzevengonosciolteinacquaelesoluzionicosìottenute vengonomiscelate.Agli allievivengono postiinterrogativi relativiallostatoﬁsico,alcolore,alnumerodellesostanze cheentranoingiocoealnumerodi fasidelsistema risul-tante.Irisultati sono riassuntiin duetabelle (Tabella1 e Tabella2)

Gliallievisono ancheinvitatia rappresentareisistemi studiati mediante il modello particellare già costruito in precedenza(FASE1);il compito non pone particolari

difﬁ-coltàperché si tratta di situazioniincui entranoin gioco unicamentefenomeniﬁsicilacuimodellizzazioneè ormai padroneggiatadagliallievi.

In seguito l’insegnante introduce una situazione ana-logaalleprecedenti,nellaqualesifannointeragireioduro di potassio e nitrato di piombo sia a secco (usando mor-taio epestello)sia insoluzioneacquosa.Ladiscussione in classedeidatisperimentaliportaglistudentiaconcludere che:

• Quandosimescolanoaseccoleduesostanze,triturandole beneconilpestello,compareunacolorazionegiallache primanonc’era.

• Quandosi fa interagire ognuna delle due sostanze con acqua,sihaunfenomenodidissoluzioneconformazione diduemisceleomogeneeeincolori.

• Unendoleduesoluzioni,siformaunsolidogialloche si depositasulfondodelrecipiente:sièinpresenzadiuna miscelaeterogenea.

IdatisperimentalisonoriassuntinellaTabella3. Duranteladiscussionein classe,qualcheallievo sugge-risce di far interagirecon acquala miscela contenutanel mortaiodopolatriturazione. Siottienealloraunamiscela eterogenea analoga a quella ottenuta mescolando le due soluzioni: si deposita un solido giallo sul fondo del reci-piente.

Il prodotto dell’interazione a secco tra nitrato di piombo e ioduro di potassio è di difﬁcileinterpretazione. L’esperimento condottotralestesse sostanzein soluzione acquosaforniscealtridatichesonodiaiutoperspiegareil fenomeno:vieneritenutoprobabilecheilprodottoottenuto nell’interazione fra nitrato di piombo e ioduro di potas-sio sia ioduro di piombo, di colore giallo e insolubile in

Tabella1 Risultatidialcunemanipolazioniiniziali.

statoﬁsico Colore n◦sostanze n◦fasi

nitratodisodio solidogranulare Bianco 1 1

iodurodipotassio solidogranulare Bianco 1 1

nitratodisodio+acqua liquido incoloretrasparente 2 1

miscelaomogenea

iodurodipotassio+acqua liquido incoloretrasparente 2 1

miscelaomogenea

nitratodisodio+ iodurodipotassio

solidopolverulento Bianco 2 2 miscela eterogenea

nitratodisodio+acqua+iodurodi potassio+acqua

liquido incoloretrasparente 3 1

miscelaomogenea

Tabella2 Risultatidialcunemanipolazioniiniziali.

nitratodipotassio solidogranulare Bianco 1 1

iodurodipiombo solidogranulare Giallo 1 1

nitratodipotassio+acqua liquido incoloretrasparente 2 1

miscelaomogenea

iodurodipiombo+acqua liquido solido

incoloretrasparente giallo

2 2

miscelaeterogenea

nitratodipotassio+acqua+ioduro dipiombo+acqua liquido solido incoloretrasparente giallo 3 2 miscelaeterogenea

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Tabella3 Risultatichefannoipotizzareunnuovotipoditrasformazione.

nitratodipiombo solido granulare

Bianco 1 1

Iodurodipotassio solido granulare

Bianco 1 1

Nitratodipiombo+acqua liquido incoloretrasparente 2 1

miscelaomogenea

Iodurodipotassio+acqua liquido incoloretrasparente 2 1

miscelaomogenea

Nitratodipiombo+ Iodurodipotassio

solido pulverulento

biancoegiallodopo averbenpestato

2 2

miscelaeterogenea

Nitratodipiombo+acqua+iodurodi potassio+acqua liquido solido incoloretrasparente giallo 3 2 miscelaeterogenea nitrato di piombo ioduro di potassio nitrato di potassio ioduro di piombo

Figura1 Rappresentazionedelsistemaasecco.

acqua,ossialasostanzachenonsièscioltainacquadurante

l’esperimentopropostoinprecedenza(Tabella2).

Siachesiopericonlesostanzedipartenzaasecco (mor-taio e pestello) sia che si operi con le stesse sostanzein soluzione,tralasituazioneinizialeequellaﬁnalevièuna notevole differenza:allaﬁne èsempre presenteuncorpo di coloregiallo che prima nonc’era. La miscela eteroge-nea,ottenutamescolandolesoluzionidinitratodipiombo e ioduro di potassio, presenta caratteristiche analoghe a quelle dellamiscelaottenuta inprecedenza(Tabella2)in cui è presente ioduro di piombo. Ladiscussione in classe dei risultati sperimentali ottenuti con le varie manipola-zioni, opportunamente guidata dall’insegnante, permette aglistudentidipervenireaun’ipotesiesplicativa:

‘‘facendointeragirenitratodipiomboeiodurodi potas-siosihaproduzionediunasostanza,diversadaquelle dipartenza, di coloregiallo e insolubile in acqua che potrebbeessereiodurodipiombo’’.

Si chiede aglistudenti di rappresentare con ilmodello particellarel’interazionefraiodurodipotassioenitratodi piombo. Le rappresentazioni proposte sono generalmente deltiporiportato1_in_Figura₁_e_Figura_2.

Gli studenti interpretano i sistemi con il modello par-ticellare che sono abituati a usare per le trasformazioni ﬁsiche, ossiaquello chepostulal’indivisibilitàdelle parti-celle.Nellerappresentazionièrispettata laconservazione del numero delle particelle (livello microscopico) che corrisponde, a livello macroscopico, alla conservazione della massa. Rappresentazioni di questo tipo sembrano sufﬁcientiperinterpretareilfenomeno,madaldibattitoin classeemergeche nontuttigliallievinesonopienamente

1_Per_motivi_di_chiarezza_del_testo_non _si_riportano_le_scansioni

delleproduzionioriginalideglistudentimalalororicostruzioneal computer.

nitrato di piombo ioduro di potassio nitrato di potassio ioduro di piombo acqua

Figura2 Rappresentazionedelsistemainsoluzioneacquosa.

soddisfatti.Alcuniinfattiritengonocheisimboliiconiciusati nonsianoadeguati enonpermettanodievidenziarecome lesostanzeinizialisisonotrasformateinsostanzediverse.

In effetti le rappresentazioni proposte confermano la validitàdelmodellochecomportal’indivisibilitàdelle par-ticelle e questo costituisce unostacolo per accedere alla nozionedellalorodivisibilità,indispensabilepergiustiﬁcare ilpassaggio dalle sostanzeiniziali a quelle ﬁnali.Gli stu-dentisitrovanoconfrontatiaunasituazione-problemache comporta unarottura con quantoappreso in precedenza. Peraiutarliasuperarel’ostacolo,l’insegnanterichiamala loroattenzionesuisegniverbali,facendonotarecheilnome dellasostanzagialla(iodurodipiombo)ècostituitodadue parole: una (ioduro) è presente nel nome della sostanza ‘‘iodurodipotassio’’mentrel’altra(piombo)èpresentenel nomedellasostanza ‘‘nitrato di piombo’’.È quindi possi-bilerappresentareilsistemainquestomodo,usandoisegni verbali:

Unaltromododirappresentarequestatrasformazioneè ilseguente:

ioduro di potassio+nitrato di piombo→ioduro di piombo+nitratodipotassio

L’insegnante fa presente che il simbolo→signiﬁca ‘‘trasformazione chimica’’. Questo è lo schema verbale

dellatrasformazionepresain considerazione.Selo ioduro e il piombo si ricombinano formando ioduro di piombo, ilpotassio e ilnitrato si ricombinano formando nitrato di

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potassio.Inquestomodosimetteinrisaltocheilprodotto ottenutononpuòesseresolamenteloiodurodipiombo, poi-chélaricombinazionedelleparolechecompongonoinomi dellesostanzesuggerisce lapresenzaanchedelnitrato di potassioche,come sièvisto inprecedenza(Tabella1),si scioglieinacquaproducendounasoluzioneincolore.Gli stu-dentisirendonocontocheifenomenistudiatisonodiversi da quelli presi in considerazione nella Fase 1, quando si ècostruitoilmodello particellare studiandole trasforma-zioniﬁsiche.Siaprequindidifrontealorounnuovocampo concettuale,quellodellatrasformazionechimica.

L’utilizzazionedeisegniverbaliattiral’attenzionedegli allievisullacomposizionedellesostanzeemetteinevidenza che laparticella di ioduro di piombo viene in parte dalla particelladiiodurodipotassioeinpartedallaparticelladi nitratodipiombo.Questainterpretazionedellaformazione delloiodurodipiombo comportaladivisibilitàdelle parti-cellementreilmodelloparticellareﬁnquiusatonepostula l’indivisibilità.Glistudentisitrovanodifronteaunostacolo: chefare?Dalmomentocheilmodellofunzionabenissimoper interpretarele trasformazioni ﬁsiche è evidenteche con-vieneconservarlo.Apparedunquelogicaun’altrasoluzione: fareevolverelaproprietàcheriguardal’indivisibilitàdelle particelle e riformularla in questo modo: ‘‘Le particelle sono divisibili’’. Quando le particelle si dividono (livello microscopico),lasostanzaperdelapropriaidentità(livello macroscopico):si è alloradi fronte a unatrasformazione chimicanellaqualelesostanzedipartenza(ireagenti) inte-ragisconoproducendounaopiùnuovesostanze(iprodotti dellatrasformazione).

Nel nuovomodello le particelle sono dunque divisibili, maquestorendeproblematicol’usodeltermineparticella;

infattileparticelledivisibilirisultanocostituitedaaltre par-ticelle:come distinguerle?Si trattadunque dicambiareil vocabolario,diprecisarlo,di inventareunvocabolarioche corrisponda aglieventi, e quindi sia veicolo di comunica-zione e di intesa. A questo punto, l’insegnanteintroduce le nozioni di molecola e di atomo, proponendo di chia-maremolecoleleparticellediiodurodipotassio,nitratodi piombo,iodurodipiomboenitratodipotassioedichiamare atomile particelle di potassio, piombo, ioduro e nitrato. Questoèilprimopassosullastradacheportaalladistinzione framolecolaeatomo.Inquestomodoèpossibilespiegare laformazionedinuovesostanzeinbaseallericombinazioni degliatomiche,inquestomodello,restanoinalteratinelle trasformazioni chimiche, assicurando la continuità tra le sostanzedipartenza ei prodottidellatrasformazione.La primaproprietàdelmodelloparticellarevienequindi rifor-mulatain questo modo: Le particelle (molecole) dicui è costituitauna sostanza sono divisibili perché formate da altreparticelle(atomi).Glistudentisonoinvitatia model-lizzarenuovamenteil sistemanitratodi piombo/iodurodi potassiotenendocontodelladivisibilitàdelleparticelle.

Siamoconsapevolichel’utilizzodeltermine‘molecola’ riferitoacomposti ionicinonèappropriatoallalucedelle moderne teorie di legame. Vorremmo sottolineare che si tratta di una precisa scelta didattica volta a focalizzare l’attenzionedegli allievisullanatura dellemolecole quali costituenti fondamentali delle sostanze, in contrappo-sizione agli atomi intesi come costituenti fondamentali dellamateria.Inquestaprospettiva,iltermine‘molecola’ assume qui un’accezione molto simile a quella utilizzata

nitrato di piombo ioduro di potassio nitrato di potassio ioduro di piombo acqua

Figura 3 Nuova rappresentazione del sistema in soluzione acquosa.

daAvogadro. Analogamente,si noteràche lo ionenitrato viene trattato come una particella indivisibile inveceche composta.Lemotivazionisonosimilialleprecedentiesono giustiﬁcatedallapreoccupazionedidatticadiintrodurregli allievi 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 appren-dimento successivi, dopo aver costruito con gli allievi il concettodilegamechimico.

NellaFigura3èriportataunadellerappresentazioni pro-posteperilsistemainsoluzioneacquosa,ritenutaadeguata dallaclasse.

Sipuòoraaffrontarel’aspettoquantitativodelfenomeno trasformazionechimica.L’insegnanteproponela situazione-problema riportata nel Riquadro 2 al ﬁne di avviare una riﬂessione sullaconservazionedella massanelcorso delle trasformazionichimiche.

Il primo interrogativo, di natura qualitativa, serve a richiamare la trasformazione chimica considerata in pre-cedenza; il secondo, di natura quantitativa, richiede di riﬂetteresulfenomeno esulsistemanelqualesi produce (nullaentra,nullaesce).Inﬁnevienechiestoaogniallievo diprogettareunesperimentochepermettadiprovareche larispostafornitaalsecondointerrogativoèaccettabile.

Alcuni allievi, che ragionano a livello macroscopico, ritengonopocoprobabile che le masse sianoeguali prima edopolatrasformazioneegiustiﬁcanoquestaconvinzione facendo notareche le sostanze ottenutecon una trasfor-mazione chimica sono diverse dallesostanze di partenza.

Riquadro 2 Un’ipotesi da veriﬁcare sperimental-mente.

Il recipiente A contiene una soluzione di nitrato di piombo:lamassadellasoluzioneè15g.Nelrecipiente Asiversano10gdiunasoluzionediiodurodipotassio esimescolabene.

1. Secondote,cosaavviene?

2. Secondo te, la massa di ciò che è contenuto nel recipienteAdopoavermescolato leduesoluzioni è:

Giustiﬁcalatuarisposta

3. Progettail procedimentocheseguirestiper poter sostenereconevidenzasperimentalelatuascelta, avendoa disposizioneunabilanciadalaboratorio permisurarelemasse.

(8)

Però, altri studenti che ragionano a livello microscopico

sostengonol’invarianzadellamassaaffermandoche,incaso

contrario, si dovrebbe avere un numero diverso di atomi

primaedopolatrasformazione.Sigeneracosìunconﬂitto

socio-cognitivochevienesuperatoriﬂettendosulfattoche

larappresentazioneiconicadiunatrasformazionechimica

mette in evidenza una nozione molto importante: il

pro-dottodiunatrasformazionechimicanonpuòesserequalsiasi

cosa. Esso può essere costituitounicamenteda unao più

sostanzelecuimolecolecontengonogliatomigiàpresenti

nellemolecoledelle sostanzedi partenza.Nelle molecole

deiprodotti,gliatomisarannocombinati inmododiverso

chenellemolecoledellesostanzeiniziali,masaranno

sem-prequeideterminatitipidiatomieancheilloronumerosarà

lostessoprimaedopolatrasformazione.Dalpuntodivista

macroscopicoquestosigniﬁca,essendociconservazionedel

numerodi atomi,che vi èconservazione dellamassa.Dal

puntodivistamicroscopicosicominciaaintrodurrel’idea

cheanchenelletrasformazionichimicheèpresenteun

inva-riante,ossiaqualcosacherimaneinalteratonelprocessoe

assicuralacontinuitàfrailprimaeildopo.Civorràancora

moltolavoroperarrivareacomprenderechel’invarianteè

l’elemento;aquesto puntodelpercorsod’apprendimento

ciò che conta è riconoscerela presenza di un invariante

anchenellatrasformazionechimica,individuandolo

tempo-raneamentenel‘‘tipodiatomo’’.

Èveroche,dalpuntodivistachimico,laspecie‘‘nitrato’’

nonè unatomo,ma nellasituazione speciﬁcaquesto non

è problema. Per modellizzare le trasformazioni chimiche

prese in considerazione, gli studenti devono accettare la

separazione(divisione)delleparticelleelaricombinazione

delle‘‘parti’’ cosìottenute, con l’unicaregoladella

con-servazionedelleparti (livellomicroscopico)edellamassa

(livellomacroscopico). Quindi,gli obiettividi questa fase

dell’insegnamentosono:

• Portareglistudentiadammettereduetipidi

trasforma-zione,ﬁsicaechimica,dicuiquellachimicaconsistenella

sparizionedellesostanzeinizialiconformazionedinuove

sostanze.

• Introdurre la proprietà di divisibilità delle particelle,

distinguendolemolecoledagliatomi.

• Introdurre l’idea di ricombinazione degli atomi (livello

microscopico) in una trasformazione chimica per

inter-pretare laformazionedi nuovesostanze(livello

macro-scopico).

• Introdurrel’ideadiconservazionedegliatominelcorsodi

unatrasformazionechimica.

Attività2—Latrasformazionechimica

Finoaquestomomentoglistudentihannopresoin

conside-razionele trasformazionichimichedisostanzesolidesia a

seccosiainsoluzioneacquosa.Perestendereilcampodelle

trasformazionichimiche,l’insegnanteproponeallaclasselo

studiodell’interazionediduesostanzegassose(ammoniaca

eclorurod’idrogeno)conformazionediunasostanzasolida

inpolvere(clorurodiammonio).Ildispositivosperimentale

è alquantosemplice.Alle estremitàdi untubo divetrosi

introducono,rispettivamente,unbatuffolodicotone

imbe-vutodi unasoluzioneconcentratadi clorurodi idrogenoe

Riquadro3 Unaprimasituazione-problema.

Un cilindro è chiuso alle estremità da due pistoni mobili. Un diaframmarimovibile divideil cilindro in due contenitori atenuta. I duecontenitori hanno lo stesso volume e contengonoognuno 1 dm3 _di _gas: _il

contenitoreAcontiene1dm3_di_cloruro_di_idrogeno,_il

contenitoreBcontiene1dm3_di_ammoniaca.

Neldisegnochesegueèrafﬁguratalasituazione spe-rimentaleprimaedopolatrasformazione.

1dm3_di_cloruro_di_idrogeno_(gas)₊₁_dm3_di_ammoniaca

(gas)→Clorurodiammonio(solidobianco)

1. Usando il modello particellare, rappresenta le sostanzedipartenzaeilprodottodella trasforma-zione.

2. Giustiﬁcaletuerappresentazioni

Ammoniaca Cloruro d’idrogeno

Figura4 Larappresentazionepiùfrequentefraquelle propo-ste.

unbatuffolodicotone imbevutodi unasoluzione

concen-trata di ammoniaca. Si sigillano le due estremità con un

fogliodipolietilene:nelvolgeredipochiminutisideposita

all’internodeltubounapolverebiancacostituitadicloruro

diammonio.Soloalterminedell’esperimento,prelevando

conunaspatolaunapartedellapolverebianca,glistudenti

hannolacertezzadellaformazionediuncorposolido.Inun

primotempo, essi hanno l’impressionedi vedere un‘‘gas

bianco’’,poichéilmovimentodellesostanzereagenti

gas-sosemantieneinsospensionelapolverebiancachesiforma.

Glistudenti devonoinizialmenterispondereadue

interro-gativirelativia:

Tipoditrasformazione—Sitrattadi unatrasformazione

ﬁsicaodiunatrasformazionechimica?

Conservazionedellamassa—Fral’inizioelaﬁnedel

pro-cesso,lamassa delsistemaè aumentata,è diminuitao è

rimastacostante?

Inentrambiicasiessidevonoargomentareleloro

rispo-ste.Inseguitosipassaallafasedimodellizzazioneapartire

dalla seguente situazione-problema nella quale entrano

in gioco anche i volumi delle sostanze gassose reagenti.

(Riquadro3)Loscopoèdipervenireaunmodello particel-larenelqualesistabilisceunlegamefrailvolumedigase ilnumerodiparticelle:inaltreparole,simetteinrelazione illivellomacroscopicodeivolumiconillivellomicroscopico delleparticelle.

La maggioranza delle rappresentazioni proposte dagli studentisonodeltiporiportatoinFigura4.

(9)

Ammoniaca Cloruro di idrogeno Cloruro di ammonio = = =

Figura5 Unapropostadiricombinazionedegliatomi.

Si tratta di rappresentazioni in cuigli allievi modelliz-zanoinmodosoddisfacentelesostanzegassosedipartenza (particelle distanziate e disordinate) e il prodotto solido (particelle stipate e ordinate). Inoltre, la maggior parte deglistudenti stabilisconospontaneamente una corrispon-denza fra livello macroscopico (volumi dei gas) e livello microscopico(numerodiparticelle): avolumeuguale cor-risponde un numero uguale di particelle. Infine risulta pienamenterispettatalaconservazionedellamassa:viene infattirappresentatolo stesso numerodi particelleprima e dopo la trasformazione. Però la rappresentazione della sostanzasolida che siformaè taledafarepensare a una trasformazionefisicadisolidificazione:infattileparticelle conservanolepropriecaratteristiche(formaedimensione) ilchesignifica,alivellomacroscopico,chelesostanze con-servanolapropriaidentità.

Sono in numero ridotto gli studenti che mostrano di tenere conto nelle loro modellizzazioni delle nozioni di atomoemolecolaintrodottenell’attivitàprecedente, pro-ponendorappresentazionideltipodiquellariportatanella Figura5.

Questarappresentazioneèaccompagnatadallaseguente giustiﬁcazione: ‘‘Posso immaginare le due molecole di ammoniaca e cloruro di idrogeno come formate da due atomiognuna.Siccomedopoiduepistonisisonoavvicinati, all’interno del cilindro non saranno presenti gas, perciò gliatomisisonocombinatiinun’unicamolecolaoppurein piùmolecolemescolate inmodoomogeneofraloro(stato solido)’’.

Ingenere,unnumeroconsistentediallievirappresentai duegasconlostessonumerodiparticelle.Perònonmancano quellichepropongonorappresentazioniconnumeridiversi diparticelleenonvièdubbiocheilnumerorelativodi par-ticellecostituiscaunproblemaimportante:sitrattainfatti della relazione macroscopico/microscopico fra volume di gasenumerodiparticelle,unadelleipotesidiAvogadro.

È interessante notareche quasi sempre vi sono allievi che affermano di non disporre di informazioni sufﬁcienti perstabilire che ilnumero di particelle di qualunquegas dipendesolodalvolumedelrecipiente.Essiritengonoche untaleeventosiapocoprobabile,vistoche‘‘...in1dm3_,

sono presenti miliardi di miliardi di molecole, anche se noinerappresentiamo unnumero limitato. Come sifa a misurarne il numero?’’. Per contro, coloro che ritengono che nei due contenitori vi sia lo stesso numero di parti-celle, sovente giustificanola loro scelta affermando che, sesiammettelo stessonumerodiparticelle, ‘‘ilmodello funziona’’erendecontodiquantoavvienealivello macro-scopico. Durante il dibattito collettivo, è importante che l’insegnantesiastengadalcriticareapertamentequalsiasi giustificazione,maquestononsignificache eglinonpossa occasionalmentecomportarsida‘‘avvocatodeldiavolo’’e inserireunadomandastimolante.

Perinsisteresullarelazionefravolumedigasenumero di particelle e pervenire a una ipotesi condivisa dalla classe,l’insegnanteproponeunanuovasituazione-problema

Riquadro4 Unanuovasituazione-problema.

Mutiamolasituazionesperimentaledell’attività pre-cedente.Ilcilindroèsemprechiusoalledueestremità dai pistoni mobili. Il diaframma rimovibile divide il cilindroinduecontenitoriatenuta.Iduecontenitori contengonovolumidiversidigas:IlcontenitoreA con-tiene 2 dm3 _di _cloruro_di _idrogeno; _il _contenitore _B

contiene1dm3_di_ammoniaca._Nel_disegno_che_segue_è

rafﬁguratalasituazionesperimentaleprimaedopola trasformazionechimica:

1. Rappresentalesostanzeprimaedopola trasforma-zionechimicautilizzandoilmodelloparticellare.

2. Giustiﬁcaletuerappresentazioni.

(Riquadro4)analogaallaprecedente(Riquadro3)incuiperò si introduce una nuova variabile: i volumi delle sostanze gassoseinizialisonodiversi.

Fra le rappresentazioni proposte sono ancora in buon numero quelle del tipo riportato nella Figura 6, accompagnata dalla seguente giustiﬁcazione: ‘‘Per me l’ammoniaca reagisce per tutta la sua quantità con l’equivalentedelclorurod’idrogenocheperòèinquantità doppiarispettoall’ammoniaca,perciòunapartediquesto nonreagiscerestandoungas’’.Ineffetti,ilgasineccesso èrappresentatocorrettamenteconleparticellelontanefra di loroedispostein mododisordinato. Nonostantelo stu-dente ammetta che l’ammoniaca reagisce con il cloruro d’idrogeno,ilprodottoèrappresentatoaccostandole parti-celledeiduereagenti,dandocosìl’ideadiunmescolamento disostanzeallostatosolido.

Alcunistudentipropongonorappresentazionideltipodi quella riportatainFigura 7,accompagnatadallaseguente giustificazione:‘‘ilsolidoconterràpiùparticelledicloruro di idrogeno’’ Lo studente riconosce che vi è un eccesso di cloruro d’idrogeno, però ritiene che esso entri a fare parte del cloruro di ammonio. La rappresentazione e la giustificazione sono coerenti e fanno pensare alla conce-zionediBerthollet:lacomposizionedellasostanzaformatasi nella trasformazione chimica non è definita e costante (comesostenevaProust)madipendedalleproporzionidelle sostanzechereagiscono.

Figura6 L’eccessodireagentenonsicombina.

(10)

Figura8 Unnuovosimboloiconicoperunanuovasostanza.

PiùadeguataèlarappresentazioneriportatainFigura8, accompagnata dalla seguente giustiﬁcazione: ‘‘I due gas vengonoacontattoeavvieneunatrasformazionechimicae gliatomichesonoleparticellepiùpiccolesifondonoconle altreelemolecole(particelle)cambianoediconseguenza ancheilcorpo‘‘.Inquestocaso,sonorappresentatiinmodo correttosia ilgasin eccessosia ilprodottosolidochesiè formato:inoltre,datochequestoèunanuovasostanza,essa vienerappresentataconunsimboloiconicodiversodaquelli utilizzatiperlesostanzedipartenza.

La grandemaggioranza deglistudenti ricorrea rappre-sentazioniincuileparticellerisultanoindivisibili.Anchefra colorochenellegiustificazionichiamanoincausagliatomi, sonopochiquellichelirappresentanonelleloro modellizza-zioni,percuinonviècoerenzafralegiustificazioniverbalie lerappresentazioniiconiche.Inoltre,nelleloro rappresen-tazioni,glistudentisilimitanoadaccostarenelrapporto1:1 leparticelle(molecole)diammoniacaeclorurod’idrogeno, comesesitrattassediunamiscelasolidadisostanze. Que-staèun’ulterioreconfermadiun’ideachecondividonotutti colorochesiinteressanodiproblemid’apprendimento:non è sufficiente porre gli allievi a contatto con una nuova conoscenza perché questi se ne impadroniscano in modo significativoeoperativo;l’acquisizioneela padronanzadi nuovimodellièunprocessolungoepaziente.

Ildibattitoscientiﬁcoinclasse,innescatodalconfronto fralediverserappresentazioni,permettedifareemergere pregielimitidiognuna.Glistudentihannocosìl’opportunità di acquisire consapevolezza delle concezioni sulle quali ognunosièbasatoperprodurrelapropriarappresentazione e delle relativeargomentazioni,nonché di riﬂettere sulla loroadeguatezza.

Attività3—Dalton,Gay-Lussac,Avogadro: evoluzionediunmodello

Nell’ambitodell’attività1sonostate introdottelenozioni dimolecolaeatomoperinterpretarelatrasformazione chi-mica:lemolecoledellesostanzedipartenzasonocostituite diatomiiqualisiricombinanodandoorigineaiprodottidella trasformazione.Sitrattadiconoscenzechegliallievidevono acquisireinmodooperativoperessereingradodi modelliz-zareinmodoadeguatoletrasformazionichimiche.Aquesto ﬁne,vengonoloropropostealcunesituazioni-problemache sonolestesseaffrontatedaichimicidelXIXsecoloeilcui noccioloècostituitodalconﬂittofrailmodelloatomico pro-postodaDalton(particelleindivisibili)eidatisperimentali diGay-Lussacsullecombinazionifrasostanzegassose. Situazioneprobleman.1—Sistemaidrogeno/cloro Laprimasituazione-problemapresentataagliallieviprende in considerazione la combinazione fra gas idrogeno e gas cloro(Riquadro5).

Riquadro5

Lasituazionesperimentaleèlaseguente.Uncilindro èchiusoalledueestremitàdapistonimobili.Un dia-frammarimovibiledivideilcilindroinduecontenitori a tenuta.Idue contenitorihannolostesso volumee contengonoognuno1dm3_di_gas:_il_contenitore_A

con-tienegasidrogeno,ilcontenitoreBcontienegascloro. Si rimuove il diaframma e si fa avvenire la trasfor-mazione chimica al termine della qualei due gas di partenzasonoscomparsicompletamenteproducendo2 dm3_di_una_nuova_sostanza_gassosa,_cloruro_di_idrogeno.

1. Usando il modello particellare rappresenta le sostanze,primaedopolatrasformazionechimica

2. Giustiﬁcaletuerappresentazioni

Cloro Idrogeno Cloruro di idrogeno

Figura9 Leparticelle‘‘sitrasformano’’.

Èimportantechenellaconsegnavengasegnalatochesi

formaunanuovasostanzagassosaedarneilnome,perchéin

assenzadiquestainformazionegliallievipotrebbero

logica-mente concludereche ilvolumeﬁnaledel sistemarisulta

semplicemente dalla somma dei due volumi iniziali dopo

l’eliminazionedeldiaframma.

Ilvolumedoppiodi clorurodiidrogeno risulta

sconcer-tanteperunnumeroelevatodistudentiche,avendoormai

acquisitol’ideadellarelazionefravolumedigasenumerodi

particelle,ritengonocontradditorioeproblematicoquesto

datosperimentalecherisultaincontraddizioneconquanto

appreso inprecedenza; infattiè per loro deltutto logico

pensarecheleduemolecoledeigasinquestione(idrogenoe

cloro)sitrasforminoinsiemeperdareunanuovamolecoladi

clorurodiidrogeno,interagendonelrapporto1:1comenel

caso delsistema ammoniaca/cloruro di idrogeno. Gli

stu-dentisitrovano difronte aunostacolocognitivocheè lo

stessoostacoloepistemologicodifrontealqualesitrovarono

gliscienziati delXIXsecolocheaderivano allaconcezione

dell’atomoindivisibilediDalton.

Perspiegareildatosperimentaleènecessarioammettere

chelemolecolediidrogenoeclorosianocostituite

rispetti-vamentedadueatomidiidrogenoedueatomidicloro.La

situazione-problemasipresentaquindialquantocomplessa

eimpegnaafondoglistudentinelcercaredirisolverla,come

testimonianolesoluzioniproposte.Unadiqueste,riportata

nellaFigura 9, è accompagnata dalla seguente

(11)

cloruro di idrogeno

=

cloro idrogeno

Figura10 Atomiemolecole:ancoraunpo’diconfusione.

diloro.Permeleparticellediidrogenoeclororeagiscono al contattoma restanoseparate,non sifondono una con l’altra.Praticamentesitrasformanosolo’’.

La rappresentazione iconicarende conto delfatto che si è formata una nuova sostanza e che il volume è rad-doppiato.Peròlagiustiﬁcazionechel’accompagnasegnala che lo studente presenta un problema serio per quanto riguarda la sua concezione della trasformazione chimica. Egliinfattidàl’impressionedicondividerel’ideaalchemica che una sostanza possatrasmutarsi in un’altra: il volume doppiooccupato dal cloruro d’idrogeno si spiega ammet-tendocheognimolecoladicloroeognimolecoladiidrogeno si ‘‘trasformi’’ in una molecola di cloruro di idrogeno. Questocasomostra quantosiaimportante farecostruirei concettidaglistudenti:quandounconcettosembra acqui-sito, nei loro percorsi di apprendimento si manifestano spessoripensamentieritornisuipropripassicherichiedono un’attivitàdirinforzo,diconsolidamento.

Unaltrostudenteproponelarappresentazioneriportata inFigura10,accompagnandolacon questagiustiﬁcazione:

‘‘le molecole di idrogeno reagiscono con quelle di cloro creandoil clorurodiidrogeno(sostanza).Unamolecoladi clorurodiidrogenoèformatadallametàdegliatomidella molecoladiidrogenoedallametàdegliatomidella mole-coladicloro,perquestoquandoduemolecoledeigasdati reagisconotraloro,senecreanoaltreduediclorurodi idro-genoe,secondol’esperienzaprecedente,anumerodoppio diparticellecorrispondeunvolumedoppio’’.

Anchequestarappresentazione iconicarendecontodel fattochesièformataunanuovasostanzaecheilvolumeè raddoppiato.Oltreaciòvièuntentativoevidentedi fare tornareicontirelativiagliatomieallemolecole.Peròvièun problemaperquantoriguardalacostituzionedellemolecole diidrogenoecloro,ognunadellequalirisultacostituitadi atomidifferenti.

Moltochiarerisultanoinveceleideedellostudenteche hapropostolarappresentazioneriportatainFigura11.Egli infattihadecisodifarecorrispondereaognisimboloiconico untipo diatomo,riuscendocosì agiustiﬁcareilfattoche ‘‘essendolasostanzadireazionegassosaformatadaidue tipidimolecoleprecedentinonfamuovereipistoniperché occupasemprelostessospazio’’.

La discussione in classe delle varie proposte avanzate daglistudentimette inevidenzache nontutti sono dispo-stiadaccettarel’ideachelemolecoledi idrogenoecloro sianocostituiteognunadi due atomi.Per contro,in tutte

Cloro Idrogeno

Figura11 Icontitornano:unsimboloperognitipodiatomo.

Riquadro6 Untestoadattatodall’originaledi Avoga-dro.

‘‘Gay-Lussacmostròinunamemoriainteressanteche le combinazioni dei gas fra loro si fanno sempre secondorapportisemplicissimiinvolume,equandoil risultato dellecombinazioni è gassosoil suo volume èpureinrapporto assaisempliceconquellodeisuoi componenti;mairapportidellequantitàdisostanze nellecombinazioniparenonpossanodipenderechedal numero relativo delle molecole che si combinano e daquello dellemolecolecomposteche nerisultano. Bisognadunqueammetterechevisienopuredei rap-portimoltosemplicifraivolumidellesostanzegassose e il numero dellemolecole semplici e composteche leformano.Laprima ipotesichesiaffacciaaquesto riguardo e che pare essere la sola ammissibile,è di supporre che il numero delle molecoleintegranti in qualunque gas èsempre lostessoa volumeeguale o sempreproporzionaleaivolumi’’(Avogadro,1811).

le situazioni-problema affrontate, la grande maggioranza degli studenti ha stabilitospontaneamente una relazione proporzionalefra volumee numerodimolecole.Per met-tere in evidenza che si tratta di un’idea importante, di un’ipotesiscientiﬁcachehapermessodifareprogredirela comprensione delle trasformazioni chimiche, l’insegnante proponeall’attenzione deglistudenti iltestoriportatonel Riquadro6,adattatodagliscrittidiAvogadro.Glistudenti vengonoinformaticheAvogadrodenominamolecole, mole-coleintegrantiemolecolecompostequellechepernoisono semplicemente molecole; inoltre egli denomina molecole semplici e molecole elementari quelle che per noi sono

atomi(Avogadro,1811).

L’analisiinclassediquestotestoportaaconcludereche, perspiegareidatidiGay-Lussacrelativiallecombinazioni fra gas, Avogadro avanzò un’ipotesi, mai smentita e tut-tora valida, che viene oggi indicatacome ‘‘primaipotesi diAvogadro’’edèespressainquestomodo:‘‘Volumieguali digasdiversi,nellestesse condizioniditemperatura edi pressione,contengonolostessonumerodimolecole’’.Per quanto riguardail numerodi atominelle molecole,viene propostoagliallieviunsecondotestoricavatodallostesso articolo(essai)diAvogadro.(Riquadro7)

Dall’analisi in classe di questo testo risulta che, per interpretare i dati sperimentali di Gay-Lussac, Avogadro avanzòunasecondaipotesi,relativaallacostituzionedelle molecoledellesostanzegassosesemplici:questesarebbero costituitedadueopiù‘‘molecoleelementari’’ossiaatomi. Peresempio,l’interazionefragascloroegasidrogenoporta a ritenere che le molecole dei due gas siano costituite ognuna di due atomi.Per questo motivo, per indicare le sostanzegassoseidrogenoeclorosidevonousareitermini

(12)

Riquadro7 Unulterioretestoadattatodall’originale diAvogadro.

‘‘Ilvolumedelclorurod’idrogeno chesiformanella reazionefragasidrogenoegascloroè,comedimostrò Gay-Lussac, doppiodiquello delgas idrogeno chevi entrao, ilche èpoi lastessa cosa,doppio diquello delcloro.Esisteunmezzoassainaturaleperspiegare i fatti di questogenere in conformità con la nostra ipotesicheilnumerodellemolecoleintegrantiin qua-lunquegasèsemprelostessoavolumeegualeosempre proporzionale aivolumi.Sitrattadisupporrechele molecolecostituentidiunqualsiasigas semplicenon siano formate dauna solamolecola elementare,ma risultinodauncertonumerodiquestemolecoleriunite inunasola’’(Avogadro,1811).

diidrogenoedicloro. Lestesse considerazionivalgono per lealtresostanzegassosesemplicicomel’ossigenoel’azoto perlequalisidevonousareiterminidiossigenoediazoto.

A questo punto è opportuno ritornare al livello macroscopico e portare l’attenzione degli studenti sulla conservazionedellamassa.Facendoriferimentoalsistema considerato nel riquadro 5, viene proposta la seguente situazione-problema:

Consideriamo la combinazione tra gas cloro e gas idrogeno con formazione di cloruro di idro-geno prendendo in considerazione lemasse delle sostanze reagenti (gas cloro e gas idrogeno) e la massa della sostanza che si forma come pro-dotto della trasformazione chimica: il cloruro di idrogeno. Il contenitore A contiene 0,89g di gas idrogeno e il contenitoreB 31,7gdi gas cloro. Si rimuoveildiaframmaesifaavvenirela trasforma-zionechimica.Tuttoilgasidrogenosicombinacon tuttoilgascloro.

1.Secondote,qualèlamassaespressaingrammi delclorurodiidrogenochesièformato?

2.Giustiﬁcalatuarisposta.

In accordoconle conclusionidelle attivitàprecedenti,

tutti gli allievi condividono l’idea che la massa

comples-siva del sistema si sia conservata. Non è una novità, ma

lasituazionediapprendimentopredispostadall’insegnante

permetteatuttigliallievidiformulareipotesi

interpreta-tivetenendocontocontemporaneamentediduefatti:ilgas

prodotto dalla trasformazione chimica occupa un volume

doppiorispettoaquellooccupatodaciascunodeigasdi

par-tenza;lamassacomplessivadelsistemasièconservata.La

discussioneconsentealloraall’insegnantedisollecitaregli

studentiaesplicitareleideecondivise:

• In una trasformazionechimica, lamassa complessiva si

conserva.

• Inunatrasformazionechimica,lesostanzedipartenzasi

trasformanoinaltresostanze

Riquadro8

Studiamooralacombinazionetralesostanzegas dii-drogeno e gas diazoto. La situazionesperimentale è la seguente. Un cilindro è chiuso alle estremità da duepistonimobili.Undiaframmarimovibiledivideil cilindro in duecontenitoriatenuta. IlcontenitoreA contiene3dm3_di_gas_diidrogeno;_il_contenitore_B

con-tiene1dm3_di_gas_diazoto._Si_rimuove_il_diaframma_e_si

faavvenirelatrasformazionechimica:iduegas reagi-sconocompletamenteproducendo2dm3_di_una_nuova

sostanzagassosa,l’ammoniaca.

• Usando il modello particellare rappresenta le sostanzeprimaedopolatrasformazionechimica

• Rappresentalestessesostanzesostituendoisimboli iconiciconirispettivisimbolichimici;assegnapoia ciascunasostanzailnomesecondolanomenclatura IUPAC.

• Le particelle che individuano le unità chimiche di ogni

sostanzasonolemolecole.

• Inunatrasformazionechimica, lemolecoledeireagenti

sitrasformanoinaltremolecole.

• Lemolecolediognisostanzasonoformatedaatomi.

• Inunatrasformazionechimica,gliatomichecostituiscono

lemolecoledeireagentisiricombinano.

• Inunatrasformazionechimica,gliatomisiconservanoe

cosìsipuòinterpretarealivellomicroscopico,la

conser-vazionedellamassacomplessivadelsistema.

Questaattivitàsichiudeconlapresentazioneagliallievi

deisimbolichimicideglielementipiùcomuniedelleregole

dinomenclaturaIUPACriguardantilesostanzebinarie.

Situazione-probleman.2—Sistemaidrogeno/azoto

Per dare agli studenti l’occasione di mettere alla prova

l’operativitàdellepiùrecentiacquisizioni,viene loro

pro-postalasituazione-problemariportatanelRiquadro8.

Ancheinquestocasosirichiedediindicarequalesaràla massacomplessivadiprodotto(gasammoniaca)ottenutaa partiredamassenotedeigasdiidrogenoediazotoedi giu-stiﬁcarela risposta.Nonostantela precedentediscussione abbiaevidenziatolaplausibilitàdell’ipotesichelemolecole didiidrogenoedidiazotosianodiatomiche,alcunistudenti propongono rappresentazioni del tipo di quella riportata nellaFigura12.

Come risulta dalla rappresentazione e dalla giustiﬁca-zione, lo studente scrive diazoto e diidrogeno, ma non utilizzasimboli iconici che mettanoin evidenza molecole diatomiche.Seilrapportotraivolumideigasè1:3:2 (dia-zoto:diidrogeno:ammoniaca), allora ogni tre particelle di

(13)

Diazoto Diidrogeno

Figura12 Giustiﬁcazione:‘‘Ildiidrogenopiùildiazoto for-manol’ammoniaca,ma vistocheildiidrogenoèinavanzo ci sonoancoradelleparticellenontrasformate’’.

diazoto(quadrati)cenesarannonovedidiidrogeno(cerchi) e seidi ammoniaca (triangoli). Peròlo studente non è in gradodigestireilrapportotravolumieragionaintermini di rapporto 1:1 nella combinazione traazoto e idrogeno. Ammettechesiforminoseiparticellediammoniacaepoi, per garantire la conservazione della materia, conserva il numerototale diparticelle; ciòsigniﬁca che‘‘avanzano’’ seiparticelledidiidrogenochenonhannoreagito.In con-clusione, lo studente non è in grado di rispettare i dati sperimentali:lascomparsadidiazotoediidrogenoeil rap-portodeivolumi.Lacombinazioneatomo-atomo,funzionale per spiegare la formazione del cloruro d’idrogeno, impe-discea questo studente di concepire un diverso rapporto nell’interazionefraidrogeno e azoto;in altreparole, una conoscenza anteriore diventa un ostacolo cognitivo. Nel corso della discussione in classe questa rappresentazione viene criticata e giudicata inadeguata.Altri studenti pro-pongono rappresentazioni del tipo di quella riportata in Figura13.

Rappresentazionidiquestotiposonocriticatedaglialtri studentiper dueragioni:- l’ammoniacaè ungase quindi nondeveessererappresentataconparticellestipatecome perisolidi;-ilnumerodiatomiprimaedopola trasforma-zionenonèlostesso equindinonè rispettatoilprincipio diconservazione dellamassa. La maggiorparte degli stu-dentiproponerappresentazionideltipodiquellariportata inFigura14.

Se le molecole del gas idrogeno e del gas azoto sono diatomiche, i rapporti fra i volumi (dia-zoto:diidrogeno:ammoniaca=1:3:2) portano a ritenere cheunamolecoladiammoniacasiacostituita diunatomo di azoto e tre atomi di idrogeno. Sulla base di questo ragionamento, è possibile produrre rappresentazioni in cuiè rispettatosia ilrapporto fra ivolumisia ilprincipio di conservazione della massa. Viene dunque confermata l’ipotesi della relazione fra volume di gas e numero di molecole,lequali risultanocostituitedidue o piùatomi. Ciò corrobora l’ipotesi che ogni molecola sia formata da un numero deﬁnito di atomi delle varie specie: ogni sostanzadovrebbequindi avereunacomposizionedeﬁnita ecostante.

Alterminedellediscussioni,laclassesiaccordasulla rap-presentazione del sistema diidrogeno-diazoto-ammoniaca

Diazoto Diidrogeno Ammoniaca

Figura14 Tuttiirapportisonorispettati.

riportata nella Figura 15. Alla rappresentazione iconica viene fatta corrispondere la rappresentazione mediante i simbolichimiciriportatainfigura.Nellascritturaconsimboli chimicisifaricorsoa‘‘indici’’ilcuisignificatorisulta evi-dentegraziealpassaggioattraversolascritturaconsimboli iconici: l’indiceinforma sulnumerodiatomiche costitui-sconolamolecoladiunasostanza;ilricorsoagliindiciserve per semplificare la scrittura delle formule delle molecole dellesostanze.

Alﬁnedirinforzareeconsolidareleconoscenzeappena acquisite,vienepropostaagliallievilasituazione-problema riportatanelRiquadro9.

Larichiesta 3 pone in difﬁcoltà una parte degli allievi e rimetteindiscussione idee chesembravano ormai asso-date.Èlaconfermacheidatieleevidenzesperimentalinon sono lasoluzionedelproblema,ma costituisconola situa-zioneproblematicadainterpretareconmodelliappropriati; è indispensabile, quindi, che sia concesso achi apprende il temponecessario per pervenire a padroneggiare questi modelli,senzaiqualinonsaràpossibilepadroneggiarei con-cettidiquantitàdisostanzaedimole(Rolettoetal.,2003). Inrispostaallerichieste1e2,laquasitotalitàdegliallievi proponerappresentazionideltipodi quellariportatanella Figura16doveﬁguranoisimboliiconiciequellichimici.

Aconclusionediquestaattività,gliallievisonoinvitatia scrivereleproprietàdelmodelloparticellareallalucedelle conoscenze emerse studiando la trasformazione chimica: divisibilitàdelleparticellee distinzione fraatomie mole-cole. Gli studenti avanzano le loroproposte che vengono discussedallaclasselaqualepervieneinﬁneacondividere ilseguentemodello:

1. Leparticelledicuiècostituitaunasostanza(molecole) sonodivisibili,poichésonoformatedaaltreparticelle (atomi)

2. Unamolecolanonpuòcambiareforma 3. Unamolecolahasemprelestessedimensioni

4. Unamolecoladiunacertasostanzahasemprelastessa quantitàdi materia(massa), che cambia al cambiare dellasostanza

5. Unsolotipodimolecolaindividuaunasostanza 6. Un determinatonumerodi molecole dellostesso tipo

equivalesempreallastessaquantitàdisostanza

diazoto diidrogeno ammoniaca

xx

+ + +

x

x x

x

x x

x

xx

(14)

N2 H2 NH3 H2 H2 H2 H2 H2 N2 NH3 NH3 NH3

Figura15 Rappresentazioniiconicaesimbolicochimicadellatrasformazionechimicadidiidrogenoediazotoinammoniaca.

Riquadro9

Studiamooralacombinazionetralesostanzegassose diidrogeno e diossigeno. La situazione sperimentale èla seguente.Un cilindroè chiusoalleestremitàda duepistonimobili.Undiaframmarimovibiledivideil cilindroin duecontenitoriatenuta. il contenitoreA contiene2dm3_di_gas_diidrogeno;_il_contenitore_B

con-tiene1dm3_di_gas_diossigeno._Si_rimuove_il_diaframma

e sifa avvenirela trasformazionechimica tra i due gaschereagisconocompletamenteproducendo2dm3

diunanuovasostanza:acquaallostatogassoso Neldisegnochesegueèrafﬁguratalasituazione spe-rimentaleprimaedopolatrasformazione.

1. Usando il modello particellare, rappresenta le sostanzeprimaedopolatrasformazionechimica.

2. Rappresentalestessesostanzesostituendoisimboli iconiciconirispettivisimbolichimici.

3. Consideriamo la stessa trasformazione chimica ponendociquestoproblema:IlcontenitoreA con-tiene0,18gdidiidrogenoeilcontenitoreB1,44g didiossigeno.Sifannointeragireiduegas;allaﬁne dellatrasformazionechimicaiduegasdipartenza sonoscomparsicompletamenteproducendoacqua allostatogassoso.

Secondo te, quanti grammi di diidrogeno e quanti grammi di diossigeno sono necessari per produrre 1,00kgdiacqua?

Giustiﬁcaletuerisposte.

7. Tralemolecoleesistonospazivuotipiùomenograndi

asecondadellostatoﬁsicodellasostanza

8. Lemolecolesonopiùomenostipatetraloroequindi

piùomenovincolateleuneallealtreasecondadello

statoﬁsicodellasostanza

9. Le molecole sono piùo meno libere di muoversi e/o

spostarsiasecondadellostatoﬁsicodellasostanza

10. Lemolecolesonodisposteinmodopiùomenoordinato

asecondadellostatoﬁsicodellasostanza.

Attività4—L’equazionechimica

Finoaquestomomentosièparlatodi trasformazione

chi-micafacendo riferimento alle sostanze che interagiscono

alivellomacroscopico;con ilmodelloparticellare e coni

simboliiconicisisonomodellizzatelesostanzeinizialiele

sostanzeﬁnalidelletrasformazioni chimicheaffrontandoi

problemi di divisibilità delle particelle e introducendo le

nozioni di molecola e atomo. Con il passaggio ai simboli

chimicisiintroduceilconcettodireazionechimica:la

distin-zione fra i concettidi trasformazione chimicae reazione

chimicaènecessariaperdistinguereifattisperimentali

(tra-sformazionichimiche)dalmodellodestinatoainterpretarli

(reazionechimica)(Davousetal.,2003),mediantela

produ-zionedirappresentazionichiamateabitualmenteequazioni chimicheoequazionidireazione.

La classe riprende in considerazione la trasformazione chimicadeldiidrogenoedeldicloroinclorurodiidrogeno elerelativerappresentazioniconsimboliiconiciesimboli chimici.LaconsegnaèriportatanelRiquadro10.

In seguito, l’insegnante sottopone all’attenzione degli allievialcunedellerispostefornitealpunto3:

5H2+5Cl2→10HCl

3H2+3Cl2→6HCl

4H2+4Cl2→8HCl

Inognicaso,irapportifralemolecoledelletresostanze sono1:1:2. È quindi possibilerappresentare la trasforma-zione chimica del diidrogeno e del dicloro in cloruro di idrogenocon un’equazionechimicacheesprimanelmodo piùsemplicequestirapportiechesaràquindi

H2+Cl2→ 2HCl H2 H2 _H₂ H2 H2 H2 O2 O2 O2 H2O_H H2O 2O H2O H2O H2O