1 Acqua
L’ acqua rappresenta insieme all’aria, al sole ed al suolo i quattro elementi abiotici fondamentali per la vita sul Pianeta. Vedremo gli altri successivamente, mentre qui ci soffermeremo sul fluido che i bambini conoscono molto bene per esperienza diretta.
L’acqua rappresenta un’esperienza sensoriale che i bambini fanno sin da piccoli: il bagnetto, il ghiaccio che galleggia e tintinna nel bicchiere, la neve fredda che copre i prati, la pioggia che bagna e forma pozzanghere, il vetro che si appanna quando facciamo la doccia, tutti fenomeni che i bambini vedono, toccano, sentono e che ci aiutano a trasformare queste sensazioni in “conoscenza”, proponendo le proprietà e le caratteristiche dell’acqua nelle varie fasi dell’educazione. Grazie alla sue proprietà così evidenti e familiari, possiamo sfruttare le conoscenze del bambino sull’acqua per parlare di stati della materia, di passaggi di stato e introduciamo il concetto di calore.
1.1 Parte I: introduzione scientifica
L’acqua è la sostanza che caratterizza il nostro Pianeta rispetto a tutti quelli del Sistema Solare.
Dalle sue proprietà fisiche e chimiche dipendono la vita e tutti i fenomeni naturali.
L’acqua è il liquido più comune sulla terra ed ha un ruolo fondamentale per la vita degli esseri viventi: è elemento imprescindibile per tutte le forme di vita conosciute: piante, animali, funghi, batteri, protozoi necessitano di molta acqua per vivere e per mantenere l’equilibrio all’interno delle loro cellule.
L’acqua è il componente primario delle cellule procariote ed eucariote, sia vegetali che animali: tutte le reazioni cellulari conosciute devono avvenire in ambiente acquoso e richiedono la presenza di acqua come reagente: per esempio nelle piante l’acqua è un elemento fondamentale per la fotosintesi clorofilliana grazie alla quale i vegetali si producono le sostanze nutritive e sostengono qualsiasi ecosistema sul Pianeta. Nell’acqua si sciolgono i Sali minerali e lo zucchero a formare la linfa grezza e la linfa elaborata, le cellule del sistema immunitario sono immerse in una soluzione acquosa a formare il sangue, i prodotti di scarto che sono solubili in acqua vengono eliminati attraverso il sistema escretore in molti animali.
Se pensiamo al nostro organismo, esso è costituito prevalentemente di acqua che perdiamo con il sudore, con le lacrime, nella nostra interazione con il mondo esterno. Mantenere un buono stato idrico è fondamentale per la vita delle cellule degli organismi viventi.
Gruppi diversi di organismi hanno differenti quantità di acqua all’interno del loro corpo:
gli esseri viventi più semplici, formati da una sola cellula racchiusa dentro una membrana, contengono acqua ad una percentuale di oltre il 98%;
gli animali più semplici, tipo le meduse, sono composti da circa il 95% di acqua
le piante, con grande variabilità, contengono in media l'80%
i mammiferi hanno una composizione media con circa il 75% di acqua.
Queste differenze derivano soprattutto dal processo evolutivo che ha portato ad una diversificazione degli esseri viventi salvaguardando strutture di sostegno e di protezione dalla perdita di acqua in ambienti terrestri e permettendo strutture più leggere e minore protezione all’evaporazione in ambienti ricchi di acqua o acquosi.
Animali e piante attuano meccanismi diversi per assumere l’acqua, ma meccanismi molto simili per eliminarla.
Gli animali e le piante che vivono in ambienti acquatici non hanno necessità di immagazzinarla o di trattenerla nel proprio organismo. Un discorso a parte va fatto per gli individui che vivono in ambienti con acqua salata, ma tale argomento verrà trattato successivamente.
Per quanto riguarda gli organismi terrestri scopriremo, nei relativi capitoli a loro dedicati, che alcune piante assorbono acqua attraverso le cellule del loro corpo, mentre tutte le piante superiori assorbono acqua dalle radici. Gli animali introducono acqua attraverso l’orifizio della bocca e la assorbono nel suo percorso attraverso il sistema digerente.
Sia nelle piante che negli animali, l’acqua viene trattenuta nelle cellule e negli spazi interstiziali, trasporta sostanze nutritive e di scarto e viene eliminata per traspirazione (ossia evapora) quando la temperatura esterna è troppo alta e il corpo deve essere raffreddato.
1.2 Caratteristiche e stati della materia
Pur essendo l’acqua così comune, soltanto nel 1811 Avogadro ne propose la formula chimica dando avvio allo studio delle proprietà fisiche e chimiche che la caratterizzano.
L’acqua è composta da molecole tutte uguali fra loro formate da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno: la formula è H2O e gli atomi sono uniti fra di loro da legami O-H definiti covalenti polari.
La molecola è di per sé neutra, ma gli elettroni - che influenzano i legami fra i singoli atomi di una molecola - nel loro ruotare intorno al nucleo, hanno delle zone in cui passano più tempo di altre. La distribuzione asimmetrica delle cariche elettriche rende le molecole polari. In particolare, la molecola dell’acqua è un dipolo: l’ossigeno attira fortemente gli elettroni
(si dice che ne è avido), rappresentando una zona di maggior presenza di cariche negative (-), mentre gli atomi di idrogeno rappresentano una zona di minor presenza di cariche negative e, conseguentemente, acquisiscono una parziale carica positiva (+).
Partendo dalla considerazione che cariche opposte si attraggono (e cariche uguali si respingono), quando le molecole si trovano sufficientemente vicine
si formano dei legami idrogeno tra un idrogeno di una molecola e l’ossigeno di un’altra: dalle caratteristiche di questi legami derivano tutte le proprietà dell’acqua.
L’acqua, a differenza di qualsiasi altri elemento sul nostro Pianeta, è presente, in condizioni naturali, in tutti gli stati della materia: solido (ghiaccio, neve e grandine), liquido e gassoso (vapore).
Proviamo a esaminare i vari stati partendo dalle considerazioni fatte fino ad ora. Consideriamo, inoltre, che gli stati della materia dipendono dalla temperatura e dalla pressione alle quali stiamo analizzando le molecole.
1.2.1 Lo stato liquido
Partiamo dallo stato che conosciamo meglio: in un intervallo molto ampio di temperatura (da 0 a 100°C) l’acqua si trova prevalentemente allo stato liquido. Se potessimo vedere le molecole, vedremmo che queste “scorrono” le une sulle altre con un continuo formarsi e rompersi dei legami idrogeno che sono deboli e temporanei. Allo stato liquido la disposizione delle molecole è disordinata, le molecole hanno elevata mobilità e si scambiano di posto frequentemente. La situazione è dinamica, ma controllata: l’acqua ha un volume proprio, assume la forma del recipiente che la contiene ed ha forze di coesione tra le molecole.
1.2.2 Lo stato gassoso
Quando la temperatura sale sopra i 100°C, l’acqua evapora passando dallo stato liquido allo stato aeriforme o gassoso o di vapore, le molecole separate le une dalle altre tendono a salire verso l’alto e ad espandersi.
Se potessimo vedere le molecole di un gas, vedremmo una situazione di grande caos dove le molecole non sono legate fra loro: sono separate e collidono le une con le altre senza la possibilità che si formino legami. Per questo motivo le molecole tendono a occupare tutto lo spazio disponibile e a mantenersi separate fra di loro.
Si dice che i gas tendono ad espandersi ed a occupare tutto lo spazio disponibile.
L’acqua può evaporare anche a temperatura ambiente, quando la pressione di vapore è inferiore alla pressione atmosferica, e nel farlo sottrae calore. Questa caratteristica è sfruttata dagli esseri viventi per raffreddarsi attraverso la traspirazione. Il calore del sole sulle masse idriche del nostro Pianeta, inoltre, causa l’evaporazione dell’acqua che salendo nel cielo dà origine alle nubi e ai fenomeni atmosferici.
1.2.3 Lo stato solido
Immaginiamo ora di avvicinare sempre di più fra loro queste molecole. Come si orienteranno una rispetto all’altra? Quando la temperatura scende sotto gli 0°C, l’acqua solidifica e diventa ghiaccio.
La presenza di un dipolo fa orientare le molecole in modo che siano più efficaci le attrazioni elettrostatiche e man mano che le molecole si avvicinano, si formano molti
legami idrogeno tra gli atomi di ossigeno e gli idrogeni. A causa della repulsione fra cariche uguali, non si instaurano legami fra due atomi di idrogeno o due di ossigeno, quindi le molecole occupano posizioni geometriche molto precise, in un’impalcatura tridimensionale stabile chiamata reticolo cristallino.
1.3 Proprietà dell’acqua
Dai legami idrogeno derivano alcune proprietà dell’acqua. Approfondire tali concetti ci permetterà di spiegare molti dei fenomeni a cui assistiamo in natura.
1.3.1 La capacità termica
La capacità termica è la quantità di calore che una sostanza deve assorbire perché la sua temperatura aumenti di 1°C. L’acqua ha una capacità termica molto elevata rispetto agli altri liquidi:
ha bisogno di 1 Caloria mentre l’etanolo di 0,58 Calorie.
L’acqua si scalda e si raffredda lentamente a causa della presenza dei legami idrogeno, che influiscono sui cambiamenti di stato. Questa capacità termica molto più elevata fa sì che l’acqua possa assorbire una grandissima quantità di calore e cederla lentamente quando l’aria e il terreno circostanti sono freddi.
Questo permette agli ambienti vicino al mare di mantenere temperature miti per tutto l’anno e influenza i venti e le correnti come vedremo parlando dell’aria.
1.3.2 La capacità solvente
Grazie al fatto che è un dipolo, l’acqua è in grado di sciogliere sostanze polari.
Nell’acqua si sciolgono:
sostanze solide come sale e zucchero
sostanze liquide come ammoniaca e alcool
sostanze gassose come ossigeno e anidride carbonica
L’acqua si definisce solvente, la sostanza che viene sciolta si chiama soluto, mentre l’insieme del solvente e del soluto si chiama soluzione. La maggior parte delle soluzioni acquose appaiono limpide e trasparenti per cui è impossibile riconoscere i singoli componenti visivamente.
La solubilità di una sostanza in acqua è espressa in grammi di soluto che possono essere sciolti in 100 grammi di solvente. Ogni sostanza ha un suo grado di solubilità in acqua: esistono sostanze che si sciolgono molto bene in acqua ed altre che non si sciolgono e si dicono insolubili in acqua: queste sostanze unite all’acqua non formano soluzioni, ma miscele:
emulsioni miscele di liquidi immiscibili in cui uno è finemente disperso nell'altro; una tipica emulsione è la maionese - uovo e olio
sospensioni miscele di un solido finemente disperso in un liquido; esempi di sospensione sono il succo di frutta –acqua e polpa del frutto e il fango – acqua e argilla.
La concentrazione di una sostanza in acqua è la quantità in grammi di soluto disciolto in 1 litro di acqua. La concentrazione di una soluzione è identica in una qualsiasi parte della soluzione stessa.
Una soluzione può essere:
diluita quando contiene pochi grammi di soluto
concentrata quando contiene molti grammi di soluto
satura quando il soluto è troppo e la quantità in grammi supera la solubilità della sostanza.
1.3.3 La densità
Ogni sostanza ha un suo valore di densità, specifico per quella sostanza. Ciò vuol dire che, per esempio, un anello e un vassoio di argento occupano volumi diversi, hanno valori diversi di massa, ma la densità, ossia il rapporto tra massa e volume è lo stesso per i due oggetti.
A differenza di altre molecole, l’acqua allo stato solido ha una densità minore rispetto allo stato liquido: questa caratteristica fa sì che, a parità di massa, il volume del ghiaccio sia maggiore di quello dell’acqua liquida e che questo galleggi sull’acqua liquida. In inverno, la temperatura dell’ambiente esterno diminuisce fino a quando non si forma uno strato superficiale di ghiaccio che, vista la sua minore densità, galleggia sull’acqua sottostante (che si trova a 4°C). Il ghiaccio fa da isolante e l’acqua al di sotto può rimanere allo stato liquido (alla temperatura di 4°C): la conseguenza è che la vita degli organismi acquatici può continuare.
1.3.4 La capillarità
La capillarità è generata dalla forza di coesione (attrazione tra molecole della stessa sostanza) e adesione (attrazione tra le molecole di sostanze diverse). Viene definita come la tendenza dell’acqua a risalire entro spazi ristretti.
La capillarità è il fenomeno che permette all’acqua di risalire in tubicini molto sottili senza apporto di energia dall’esterno. Il fenomeno si spiega considerando l’esistenza dei legami idrogeno che tengono unite fra di loro le molecole di acqua e forze di adesione che
tendono ad attrarre le molecole di acqua verso le pareti del tubicino. Minore è il diametro del tubicino, minore è la forza di coesione tra le molecole e maggiore risulta la forza di adesione che esercitano le pareti. E’ come se dovessimo immaginare un “tira e molla” continuo fra le molecole che le porta a salire verso l’alto.
Grazie alla capillarità, l’acqua risale all’interno dello Xilema, il sistema di conduzione che trasporta acqua e sali minerali dalle radici alle foglie delle piante. Sempre grazie alla capillarità i fiori aprono i loro petali.
1.3.5 La tensione superficiale
La tensione superficiale esprime la forza con cui le molecole che si trovano sulla superficie di un liquido si attirano l'una verso l'altra.
Ogni molecola di acqua in un liquido attira le molecole che la circondano ed a sua volta è attratta da esse. Per le molecole che si trovano all'interno del liquido, la risultante di queste forze è
Densità di un materiale:
rapporto costante fra massa e volume:
d = m / V
nulla ed ognuna di esse si trova in equilibrio rispetto alle altre. Quando invece queste molecole si trovano sulla superficie, a contatto con l’aria, esse vengono attratte dalle molecole sottostanti e da quelle laterali, ma non hanno interazioni con l'esterno.
La risultante delle forze che agiscono sulle molecole di superficie è una forza diretta verso l'interno del liquido. La superficie di un liquido si comporta dunque come una membrana elastica che avvolge e comprime il liquido sottostante. Le gocce che si formano da un rubinetto che perde sono compatte perché la tensione superficiale le mantiene unite.
Se potessimo vederle mentre cadono, vedremmo che sono perfettamente sferiche perché le forze interne tendono alla conformazione più regolare possibile.
I legami che caratterizzano la tensione superficiale formano una “pellicola” che copre un liquido: se ci tuffiamo in acqua come un tuffatore esperto, con il corpo compatto, “bucando” la superficie dell’acqua e rompendo la tensione superficiale, non subiamo
grossi danni, se invece ci tuffiamo “di pancia” e quindi sbattiamo contro la superficie dell’acqua senza romperne i legami, la sensazione è quella di battere su una superficie
“dura”.
Alcuni insetti come le effimere degli stagni, possono
“appoggiarsi” sull’acqua come anche piccoli oggetti leggeri. Vd.
Esperimento n. x
Attenzione a non confondere il galleggiamento con la tensione superficiale: sono due cose molto diverse.
1.3.6 Il galleggiamento
Un corpo galleggia in base al suo peso specifico o alla sua densità. Per parlare di galleggiamento dobbiamo introdurre altre alcune grandezze fisiche: Peso (P) massa (m) forza di gravità (g) densità (d) e peso specifico (Ps) volume (V):
Facciamo una prima importante considerazione: quando nel parlar comune diciamo quanto pesa un oggetto, in realtà stiamo parlando della sua massa: una grandezza fisica caratteristica dell’oggetto in esame. Il termine peso, descrive la massa in relazione alla forza di gravità a cui tale massa è soggetta. La massa di un oggetto è sempre la stessa in ogni luogo, mentre il suo peso dipende dalla forza di gravità e cambia a seconda di dove esso si trovi (sulla Terra, sulla Luna, su Giove, nello spazio).
il peso (P) è una forza ed è definito dalla formula P= m x g.
la densità (d) che abbiamo già descritto prima, è una grandezza definita come il rapporto tra la massa di un oggetto e il volume occupato d = m/V.
il peso specifico è definito come il rapporto tra il peso di un oggetto e il volume occupato Ps = P/V
Sostituendo nella formula del peso specifico m x g al posto del peso e d al posto di m/V, otteniamo che il Ps = d x g
Ps = P/V = (m x g)/V = d x g
Quindi peso specifico e densità sono direttamente proporzionali. La densità di un corpo ne influenza direttamente il peso specifico e questo definisce se un corpo galleggia o meno sull’acqua.
Materiali la cui densità e quindi il peso specifico è minore dell’acqua (il polistirolo, il legno, un cubetto di ghiaccio) galleggiano, mentre oggetti la cui densità è superiore a quella dell’acqua liquida (il ferro, il vetro, le rocce) affondano.
Introducendo questi concetti possiamo introdurre il principio di Archimede e fare esperimenti sul galleggiamento. Vedremo nella parte esperienziale come sfruttare queste nozioni.
1.3.7 L’Osmosi
Il processo di osmosi si verifica quando due soluzioni sono separate fra di loro da una membrana semipermeabile (ossia il solvente può passare acqua mentre il soluto no). Questo è un processo di diffusione spontanea durante il quale, secondo il gradiente di concentrazione, si osserva il flusso netto di molecole di solvente (acqua) da una soluzione più diluita (a maggior potenziale idrico e minor concentrazione di soluto) verso quella più concentrata (a minor potenziale idrico e maggior concentrazione di soluto). Il risultato finale è che la soluzione più concentrata viene diluita e la differenza di concentrazione viene annullata.
L'osmosi è un processo spontaneo che non richiede energia dall’esterno.
La membrana cellulare che circonda ogni cellula è una membrana semipermeabile. A causa del processo di osmosi la concentrazione di soluti nel liquido in cui si trovano le cellule è molto importante per la vita delle cellule.
Parte II Quando affrontare l’argomento (le indicazioni Nazionali per il curriculo)
Come già descritto, le Indicazioni Nazionali ci suggeriscono gli obiettivi a cui puntare.
Per quanto riguarda l’acqua, la familiarità sensoriale permette di lavorare fin dalle prime classi per approfondire la conoscenza di questo elemento fondamentale. Riportiamo qui i soli obiettivi in cui vengono esplicitamente richiamate le proprietà e le caratteristiche dell’acqua.
Obiettivi di apprendimento al termine della classe terza Osservare e sperimentare sul campo
– Osservare, con uscite all’esterno, le caratteristiche dei terreni e delle acque.
– Osservare e interpretare le trasformazioni ambientali naturali (ad opera del sole, di agenti atmosferici, dell’acqua, ecc.) …omissis…
– Avere familiarità con la variabilità dei fenomeni atmosferici (venti, nuvole, pioggia, ecc.)
…omissis…
Obiettivi di apprendimento al termine della classe quinta Oggetti, materiali e trasformazioni
– …omissis… realizzare sperimentalmente semplici soluzioni in acqua (acqua e zucchero, acqua e inchiostro, ecc).
Osservare e sperimentare sul campo
- …omissis…; osservare le caratteristiche dell’acqua e il suo ruolo nell’ambiente.
Parte III: come affrontare l’argomento
La maggior parte delle nozioni sull’acqua vanno introdotte con esperimenti semplici e mirati.
Per raggiungere, al termine della classe terza, gli obiettivi suggeriti dalle indicazioni nazionali, il primo passo da compiere è la sperimentazione sensoriale delle proprietà dell’acqua. Semplici esperimenti permetteranno ai bambini di sperimentare e successivamente di acquisire le nozioni relative alla sperimentazione (Le proposte per il primo triennio vengono contrassegnate con 1-3).
Nell’ultimo biennio possiamo introdurre concetti astratti e parlare di infinitamente piccolo e infinitamente grande. Quindi le molecole e gli atomi che le compongono potranno aiutarci a spiegare le caratteristiche dell’acqua e a comprenderne le proprietà (4-5). Introdurremo le unità di misura di volume e massa, le cariche positive e negative (attraverso le calamite) e sperimentare il Principio di Archimede (Le proposte per il secondo biennio vengono contrassegnate con 4-5).
L’acqua liquida prende la forma del recipiente che la contiene.
(1-3) Prendiamo contenitori diversi in diametro e altezza. Utilizziamo un contenitore graduato (o semplicemente un bicchierino con un segno fatto con il pennarello che permette di “misurare”
sempre la stessa quantità di acqua) e riempiamo con la stessa quantità di acqua tutti i diversi contenitori. Non diciamo che stiamo utilizzando sempre lo stesso volume di acqua.
Possiamo mandare almeno due diversi messaggi:
1 l’acqua prende forme diverse dei vari contenitori
2 non è facile dire se c’è più o meno acqua nei diversi contenitori guardandoli
Gli esseri viventi contengono acqua
(1-3) Sfruttando il fatto che la carta assorbente si deforma quando assorbe l’acqua, possiamo mettere a seccare le foglie o una intera pianta erbacea per “vedere” che le piante contengono acqua, in maniera analoga possiamo verificare come le nostre lacrime o la saliva possano bagnare la carta.
(4-5) Una volta introdotte le misure di massa, possiamo anche, utilizzando una bilancia abbastanza precisa, pesare dell’erba appena colta, metterla a seccare e ripesarla. Potremmo valutare per differenza quanta acqua c’era nell’erba e vedere in maniera analoga le diverse percentuali di acqua in vari tipi di piante (erbacee o arbusti).
L’acqua è fatta di particelle tutte uguali fra loro
(1-3) Utilizzando una superficie piatta e pulita, possiamo versarvi delle gocce di acqua e vedere che si uniscono le une alle altre; poi possiamo rompere questa struttura e ricomporla.
L’acqua liquida è fatta di particelle tutte uguali che si attaccano e si staccano all’infinito, come l’acqua cambi “forma” a seconda del contenitore in cui la mettiamo.
(4-5) Potendo introdurre il concetto di molecola e atomo, introdurremo la molecola dell’acqua e visualizzeremo il ghiaccio e l’acqua liquida attraverso modelli fatti con palline.
Il processo di capillarità avviene senza consumo di energia
(1-3) realizzeremo dei fiori di carta e li faremo aprire facendoli appoggiare sull’acqua. Il fenomeno di capillarità è evidente nella carta che è fatta di un sottile strato di cellulosa.
(4-5) Possiamo inserire un fusto di sedano con foglie in un contenitore con acqua nella quale avremo sciolto del colorante alimentare. Lasciamo il sedano per qualche ora e vedremo che le foglie si coloreranno, se taglieremo trasversalmente il gambo, vedremo piccole punti colorati immersi nel colore uniforme del fusto. L’acqua colorata è salita nel fusto tramite sottili tubicini senza necessità di “spingerla o tirarla”.
L’osmosi
(4-5) Possiamo eseguire esperimenti in cui una patata (formata da cellule che sono circondate da una membrana semipermeabile) una volta scavata al suo interno, si riempie o si svuota di acqua a seconda della concentrazione di sale nell’acqua. I bambini vedranno avvenire il fenomeno osmotico senza intervento esterno.
Con l’esperimento sull’uovo, vediamo come una cellula posta in una soluzione ipotonica aumenti di volume a causa dell’entrata di acqua dall’esterno.
L’acqua come solvente
Possiamo provare a sciogliere varie sostanze in acqua, fino ad arrivare alla saturazione della soluzione e ad osservare il precipitato.
Mettiamo un soluto che, se sciolto, non si possa vedere (sale, zucchero). Facciamo successivamente evaporare l’acqua che appare trasparente, e mostriamo che senza acqua si vede di nuovo il soluto.
Mescoliamo acqua e olio o acqua e farina, per mostrare che non tutto si scioglie in acqua.
La tensione superficiale
(4-5) Per “vedere” la tensione superficiale, prenderemo un ago e lo infileremo in un bicchiere dalla punta, i bambini vedranno che va a fondo. Poi lo “appoggeremo” sulla superficie superiore dell’acqua nel bicchiere e vedremo come la tensione superficiale lo trattiene invece di farlo affondare (vd.exp X).
I passaggi di stato dell’acqua
I passaggi di stato della materia rappresentano una esperienza giornaliera per i bambini. Vedono il ghiaccio che si è formato in freezer (solidificazione) sciogliersi nel liquido che stanno bevendo (fusione), vedono lo specchio che si appanna quando fanno la doccia (condensazione), vedono l’acqua che sta bollendo sul fornello formare una specie di nebbiolina (evaporazione).
Mentre nei primi anni
Il ciclo dell’acqua
Il passo successivo è ovviamente l’introduzione del ciclo dell’acqua che, a seconda della classe in cui lo stiamo trattando, può o meno essere approfondito con i passaggi di stato. Parleremo di questo argomento a breve/nel capitolo successivo.
