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Dichiarazione di copyright
Copyright notice
Corrado Bacchiocchi
corrado.bacchiocchi@unicam.it
Comunicazione da parte del Prof. Gilberto Mosconi
Delegato del Rettore
per la Formazione permanente
e la Formazione insegnanti
Tutti i partecipanti possono stampare direttamente un attestato di partecipazione ad ogni singolo webinar
compilando il modulo presente su:
http://darwin.unicam.it/formazione/
Il modulo va compilato durante il webinar; saranno
effettuati controlli a campione per verificare l’effettiva
partecipazione al webinar
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http://darwin.unicam.it/formazione/
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http://darwin.unicam.it/formazione/
I docenti referenti iscritti su SOFIA potranno scaricare poi l’attestato completo di tutto il
percorso (sempre da SOFIA) una volta terminati i laboratori
Per i docenti referenti non iscritti su SOFIA sarà predisposto un modulo dove inserire i propri dati al fine di ottenere poi una
certificazione
Cominciamo
il seminario...
Oggetto della trasposizione didattica sono i seguenti concetti
trasformazione chimica: ciò che osservo sperimentalmente
reazione chimica: il modello con cui interpreto ciò che osservo
equazione chimica (o “di reazione”): la rappresentazione
simbolica del modello
Questi concetti sono legati ai livelli macro/micro
trasformazione chimica: livello macroscopico reazione chimica: livello microscopico
equazione di reazione: livello microscopico astratto
Obiettivi di apprendimento
identificare le trasformazioni chimiche
imparare a modellizzarle nella forma di reazioni chimiche e a rappresentarle mediante equazioni chimiche
riconoscere che l’introduzione dei concetti di atomo e molecola come entità chimiche distinte è un passaggio indispensabile
per comprendere la natura delle trasformazioni chimiche
iniziare ad affrontare gli aspetti quantitativi delle trasformazioni
chimiche
Risultati di apprendimento
distinguere gli atomi dalle molecole
costruire il concetto di equazione di reazione
distinguere i coefficienti stechiometrici dagli indici delle
formule molecolari
Bonus
gli alunni sperimentano in prima persona
gli interrogativi, i problemi e i modi di procedere
degli scienziati
La strategia d’apprendimento
richiama infatti tre momenti fondamentali dell’indagine scientifica
formulazione del problema relativo al sistema studiato
scelta del modello per rappresentare il sistema e formulare ipotesi per la soluzione del problema
messa alla prova del modello, verificando la plausibilità
delle ipotesi formulate
Struttura di riferimento consistente con il precedente modulo di chimica
(Proff. Di Nicola e Galassi)
approccio: storico-epistemologico prassi: socio-costruttivista
strumento didattico: situazione-problema
modello d’apprendimento ‘‘allosterico’’
Perché facciamo tutto questo?
Il passaggio
dal registro macroscopico a quello microscopico è una tappa fondamentale nell’apprendimento
che merita un maggiore investimento
Il tipico testo proposto in classe
tende a sottostimare l’importanza di questa tappa
e gli ostacoli che gli alunni effettivamente incontrano
1 ⨉ 10 -11 m ?
Io farei diversamente
Io farei emergere gradualmente e naturalmente l’idea che è ragionevole che la massa si conservi.
Ritornerei su questa idea con qualche altro esempio…
… e finalmente proporrei di generalizzare queste osservazioni con una frase del tipo
“in una reazione chimica la massa dei prodotti di reazione è uguale alla massa dei reagenti”
Oppure
“in una reazione chimica la massa si conserva”
“in una reazione chimica la massa non scompare”
Credo sia utile dire la stessa cosa in più modi diversi.
E solo a questo punto Solo a questo punto direi una cosa tipo
“Il primo a rendersi conto che le cose stanno così fu uno scienziato francese che si chiamava Antoine-Laurent de Lavoisier, nel 1773”
In questo modo:
mettiamo lo scienziato al suo posto
mettiamo anche il testo scolastico al suo posto
Gli scienziati non dettano legge, sono uomini come noi che fanno osservazioni (e possono anche sbagliarsi)
I libri di testo possono sbagliarsi, il prof può sbagliarsi, ecc...
Perché facciamo tutto questo?
Hesse e Anderson [1] osservano che la distinzione fra trasformazione chimica e trasformazione fisica…
‘‘…è ben più complessa di quanto pensino abitualmente molti insegnanti e autori di manuali…’’
‘‘…l’apprendimento della trasformazione chimica richiede modificazioni complesse nell’ecologia concettuale
di molti alunni’’
[1] J. Hesse, and C. Anderson. Students’ conceptions of chemical change. J. Res. Sci. Teach. 29, 277—299 (1992).
Perché facciamo tutto questo?
Molti alunni tendono a concepire una trasformazione chimica come un processo di addizione di reattivi…
…faticano a immaginare un processo nel corso del quale alcune specie chimiche si dividono nelle loro componenti elementari, le quali si riorganizzano a formare nuove
specie
Perché facciamo tutto questo?
Il modello particellare del quale gli alunni dispongono dopo aver studiato le trasformazioni fisiche non è più adatto a
interpretare le trasformazioni chimiche
esso costituisce un ostacolo all’evoluzione della conoscenza
sperimentare questo ostacolo e cercare di superarlo sarà
l’oggetto principale di questo modulo
Perché facciamo tutto questo?
(aggiungo io)
La cultura scientifica, in particolare di chi non ha proseguito gli studi in campo scientifico, tende ad essere un po’
scarsa
Questa trasposizione didattica è un esempio di come si
pongono solide basi ad una cultura scientifica
Come scegliamo le situazioni-problema?
Seguendo le indicazioni di De Vos e Verdonk [1] sono state scelte situazioni-problema che intrigassero gli alunni
soltanto a causa del cambiamento delle sostanze di partenza in nuove sostanze…
…sono stati intenzionalmente esclusi esperimenti più spettacolari che possono essere fonte di distrazione
[1] W. De Vos and A. Verdonk.
A new road to reactions. J. Chem.Educ. 62, 238—240 (1985)
Attività 1
Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
Introduzione a spettacolarità frenata:
si fanno interagire:
- ioduro di potassio - nitrato di piombo
a secco
Kasey
Ioduro di potassio Nitrato di piombo
Attività 1
Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
qualche commento al video dimostrativo
• ambiente privo di distrazioni
• essenziale e ordinato
• inquadratura del dettaglio mantiene la corretta relazione spaziale con quella generale
• i passaggi dettaglio/totale avvengono quando è logicamente atteso
• Kasey dirige l’attenzione con gesti semplici e precisi e fa le giuste pause
• si concede un momento buffo mentre agita il flaconcino
Attività 1
Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
quando ho preparato tutto così bene posso (devo?) introdurre un elemento buffo/sciocco/caotico
Il caos controllato rafforza il senso di autorevolezza che siamo in grado di trasmettere come docenti
come alunno sarò maggiormente desideroso di imprarare
da una persona che considero autorevole
Attività 1
Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
ma facciamo un passo indietro
perché fare una dimostrazione in laboratorio?
un video non è sufficiente?
Cosa c'è in un esperimento dal vivo che non c'è in un
video, per quanto ben fatto?
Modalità di insegnamento
ti spiego per bene tutte le cose di cui hai bisogno…
oppure
ti spiego solo alcune cose
per aiutarti a prendere coscienza
delle questioni più interessanti e importanti
e per farti venire la voglia di conoscere di più
Attività 1
Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
Gli alunni sono invitati a eseguire due esperimenti di miscelazione di sostanze:
1. nitrato di sodio e ioduro di potassio
2. nitrato di potassio e ioduro di piombo
A secco e in soluzione acquosa
Attività 1
Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
Gli alunni devono poi riassumere le osservazioni in due tabelle
Attività 1
Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
Gli alunni devono poi riassumere le osservazioni in due tabelle
Attività 1
Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
Gli alunni sono quindi invitati a rappresentare i sistemi studiati mediante il modello particellare
Il compito non pone particolari difficoltà in quanto devono descrivere solo trasformazioni fisiche che sanno ormai
modellizzare
Attività 1
Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
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.
Attività 1
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.
Attività 1
Dalla trasformazione fisica alla trasformazione chimica
La discussione in classe dei risultati sperimentali ottenuti nei vari esperimenti, opportunamente guidata dall’insegnante, permette agli alunni di pervenire a un’ipotesi esplicativa:
Attività 1
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
Attività 1
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
Attività 1
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?
?
Attività 1
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…
Attività 1
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:
Attività 1
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!
Attività 1
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.
Attività 1
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.
Attività 1
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)”.
Attività 1
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.
Attività 1
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.
Attività 1
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.”
Attività 1
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.
Attività 1
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!
Attività 1
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.
Attività 1
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”.
Attività 1
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.
Attività 2
La trasformazione chimica
Per estendere il campo delle trasformazioni chimiche, l’insegnante propone alla classe lo studio dell’interazione di due sostanze gassose (NH3 e HCl) con formazione di una
sostanza solida in polvere (NH4Cl).
NH
3HCl
NH
3HCl
!?!
Salmiakki (liquirizia salata)
Attività 2
La trasformazione chimica
All’inizio, gli alunni hanno l’impressione di vedere un “gas bianco”, poiché il movimento delle sostanze reagenti mantiene in sospensione la polvere bianca che si forma.
Aspettando 2-3 minuti si nota però la deposizione della polvere bianca costituita da cloruro di ammonio.
Solo al termine dell’esperimento, prelevando con una spatola una parte della polvere bianca, gli alunni hanno la certezza della formazione di un corpo solido.
Vengono proposte due prime domande:
1. Si tratta di una trasformazione fisica o chimica?
2. Fra l’inizio e la fine del processo, la massa del sistema è aumentata, è diminuita o è rimasta costante?
In entrambi i casi gli alunni devono argomentare le loro risposte.
Attività 2
La trasformazione chimica
Si passa quindi alla fase di modellizzazione a partire da una nuova situazione-problema nella quale entrano in gioco anche i volumi delle sostanze gassose reagenti.
Lo scopo è di pervenire a un modello particellare nel quale si stabilisce un legame fra il volume di gas e il numero di particelle: in altre parole, si mette in relazione il livello
macroscopico dei volumi con il livello microscopico delle particelle.
Attività 2
La trasformazione chimica
Attività 2
La trasformazione chimica
Si procede a giustificare la rappresentazione
La rappresentazione è coerente con la versione originale del modello particellare: le
sostanze gassose di partenza sono rappresentate da particelle distanziate e disordinate mentre il prodotto solido da particelle stipate e ordinate.
Anche la conservazione della massa è rispettata: viene infatti rappresentato lo stesso numero di particelle prima e dopo la trasformazione.
Inoltre, anche se non è stato ancora discusso esplicitamente, molti alunni stabiliscono spontaneamente una corrispondenza fra i volumi dei gas e il numero di particelle.
Tuttavia la rappresentazione non è del tutto coerente con la nuova versione del modello particellare in grado di descrivere anche una trasformazione chimica.
Perché?
Attività 2
La trasformazione chimica
La rappresentazione della sostanza solida che si forma è tale da fare pensare a una trasformazione fisica di solidificazione: infatti le particelle conservano le proprie
caratteristiche (forma e dimensione) il che significa, a livello macroscopico, che le sostanze conservano la propria identità.
Sono in numero ridotto gli alunni che mostrano di tenere conto, nelle loro
modellizzazioni, delle nozioni di atomo e molecola introdotte nell’attività precedente, proponendo rappresentazioni di questo tipo
Attività 2
La trasformazione chimica
Questa rappresentazione è accompagnata dalla seguente giustificazione:
“Posso immaginare le due molecole di ammoniaca e cloruro di idrogeno come formate da due atomi ognuna.
Siccome dopo i due pistoni si sono avvicinati, all’interno del cilindro non saranno presenti gas, perciò gli atomi si sono combinati in un’unica molecola oppure in più molecole mescolate in modo omogeneo fra loro (stato solido)”.
Il dibattito tra gli alunni si concentra soprattutto sul rapporto tra n. di particelle e volume del gas.
Questo probabilmente perché fa uso di concetti legati alla versione iniziale del modello particellare, che sentono di padroneggiare meglio.
Attività 2
La trasformazione chimica
Dalla discussione risulta evidente che il numero relativo delle particelle delle due sostanze costituisca un problema importante: si tratta infatti della relazione
macroscopico/microscopico fra volume di gas e numero di particelle, una delle ipotesi di Avogadro.
Prima di procedere oltre con la trasformazione chimica, è quindi opportuno chiarire bene questo aspetto.
Per insistere sulla relazione fra volume di gas e numero di particelle e pervenire a una ipotesi condivisa dalla classe, l’insegnante propone una nuova situazione-problema analoga alla precedente in cui però si introduce una nuova variabile: i volumi delle sostanze gassose iniziali sono diversi…
Attività 2
La trasformazione chimica
Attività 2
La trasformazione chimica
Molte rappresentazioni proposte sono di questo tipo
con la seguente giustificazione:
‘‘Per me l’ammoniaca reagisce per tutta la sua quantità con l’equivalente del cloruro d’idrogeno che però è in quantità doppia rispetto all’ammoniaca,
perciò una parte di questo non reagisce restando un gas’’.
Il gas in eccesso è rappresentato correttamente con le particelle lontane fra di loro e disposte in modo disordinato.
Il prodotto è però ancora rappresentato accostando le particelle dei due reagenti, dando così l’idea di un mescolamento di sostanze allo stato solido e non di un cambiamento di identità.
Attività 2
La trasformazione chimica
Alcuni alunni propongono rappresentazioni di questo tipo
con la seguente giustificazione:
‘‘il solido conterrà più particelle di cloruro di idrogeno’’
L’alunno riconosce che vi è un eccesso di cloruro d’idrogeno, però ritiene che esso entri a far parte del cloruro di ammonio.
La rappresentazione e la giustificazione sono coerenti e fanno pensare alla concezione di Berthollet (1748 – 1822): la composizione della sostanza formatasi nella
trasformazione chimica non è definita e costante (come invece sosteneva Joseph Proust) ma dipende dalle proporzioni delle sostanze che reagiscono.
Claude Louis Berthollet (1748 – 1822) Joseph Louis Proust (1754 –1826) Le rapport
dépend des réactifs...
Mmmhhh
Non…
Attività 2
La trasformazione chimica
Più adeguata è una proposta di rappresentazione di questo tipo
con la seguente giustificazione:
“I due gas vengono a contatto e avviene una trasformazione chimica
e gli atomi, che sono le particelle più piccole, si fondono con le altre e le molecole (particelle) cambiano e di conseguenza anche il corpo.”
In questo caso, sono rappresentati in modo corretto sia il gas in eccesso sia il prodotto solido che si è formato.
Inoltre, dato che il solido è una nuova sostanza, essa viene rappresentata con un simbolo iconico diverso da quelli utilizzati per le sostanze di partenza.
Attività 2
La trasformazione chimica
La grande maggioranza degli alunni ricorre a rappresentazioni in cui le particelle risultano indivisibili.
Anche fra coloro che nelle giustificazioni chiamano in causa gli atomi, sono pochi quelli che li rappresentano nelle loro modellizzazioni, per cui non vi è coerenza fra le
giustificazioni verbali e le rappresentazioni iconiche.
Inoltre, nelle loro rappresentazioni, gli alunni si limitano ad accostare nel rapporto 1:1 le particelle di ammoniaca e cloruro d’idrogeno, come se si trattasse di una miscela solida di sostanze.
Questo è un aspetto fondamentale dell’apprendimento:
non è sufficiente porre gli alunni a contatto con una nuova conoscenza perché questi se ne impadroniscano in modo significativo e operativo
l’acquisizione e la padronanza di nuovi modelli è un processo lungo e paziente.
Attività 2
La trasformazione chimica
Gli alunni confrontano e dibattono le loro diverse rappresentazioni facendo emergere pregi e limiti di ognuna.
In questo modo hanno l’opportuità di:
• acquisire consapevolezza delle concezioni sulle quali ognuno si è basato per produrre la propria rappresentazione;
• confrontare le relative argomentazioni;
• riflettere sulla loro adeguatezza.
In pratica, gli alunni hanno l’opportuità di sperimentare un esempio di dibattito scientifico.
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro:
evoluzione di un modello
Affinché gli alunni acquisiscano i concetti di atomo e molecola a livello operativo
vengono loro proposte alcune situazioni-problema affrontate dai chimici del XIX secolo.
Ci troviamo al centro del conflitto fra il modello atomico di particelle indivisibili, proposto da Dalton, e i dati sperimentali di Gay-Lussac sulle combinazioni fra sostanze gassose.
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro: evoluzione di un modello sistema idrogeno-cloro
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro: evoluzione di un modello
Gli alunni si trovano di fronte allo stesso ostacolo cognitivo-epistemologico degli
scienziati del XIX secolo che aderivano alla concezione dell’atomo indivisibile di Dalton.
Gli alunni hanno acquisito l’idea della relazione fra volume di gas e numero di particelle e ritengono contradditorio e problematico il volume doppio di cloruro di idrogeno.
Per loro è del tutto logico pensare che le due molecole di idrogeno e cloro si trasformino insieme per dare una nuova molecola di cloruro di idrogeno, interagendo nel rapporto 1:1 come nel caso del sistema ammoniaca/cloruro di idrogeno.
Questa nuova situazione-problema si presenta particolarmente complessa e impegna a fondo gli alunni nel cercare di risolverla.
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro: evoluzione di un modello
Una delle rappresentazioni proposte è la seguente
con la seguente giustificazione:
“Le due sostanze reagiscono tra loro senza unirsi tra di loro.
Per me le particelle di idrogeno e cloro reagiscono al contatto ma restano separate, non si fondono una con l’altra. Praticamente si trasformano solo”.
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro: evoluzione di un modello
La rappresentazione iconica rende conto del fatto che si è formata una nuova sostanza e che il volume è raddoppiato.
Però la giustificazione che l’accompagna segnala che l’alunno presenta un problema serio per quanto riguarda la sua concezione della trasformazione chimica.
Egli sembra condividere l’idea alchemica che una sostanza possa trasmutarsi in un’altra:
il volume doppio occupato dal cloruro d’idrogeno si spiega ammettendo che ogni
molecola di cloro e ogni molecola di idrogeno si ‘‘trasformi’’ in una molecola di cloruro di idrogeno.
Questo caso mostra quanto sia importante fare costruire i concetti dagli alunni.
Quando un concetto sembra acquisito si manifestano spesso ripensamenti e ritorni sui propri passi che richiedono un’attività di rinforzo, di consolidamento.
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro: evoluzione di un modello
Un altro alunno propone questa rappresentazione
accompagnandola con questa giustificazione:
“Una molecola di cloruro di idrogeno è formata dalla metà degli atomi della molecola di idrogeno e dalla metà degli atomi della molecola di cloro.
Quando due molecole dei gas reagiscono tra loro, se ne creano altre due di cloruro di idrogeno e, secondo l’esperienza precedente, a numero doppio di particelle corrisponde un volume doppio.”
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro: evoluzione di un modello
Notiamo lo sforzo per fare tornare i conti relativi agli atomi, alle molecole e ai volumi
Però vi è un problema per quanto riguarda la costituzione delle molecole di idrogeno e cloro, ognuna delle quali risulta formata da atomi differenti.
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro: evoluzione di un modello
Un alunno sembra invece avere le idee molto chiare
Egli ha deciso di fare corrispondere a ogni simbolo iconico un tipo di atomo con la seguente giustificazione:
‘‘essendo la sostanza di reazione gassosa formata dai due tipi di molecole precedenti non fa muovere i pistoni perché occupa sempre lo stesso spazio’’.
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro: evoluzione di un modello
La discussione delle varie proposte degli alunni mette in evidenza che non tutti sono
disposti ad accettare l’idea che le molecole di idrogeno e cloro siano costituite ognuna di due atomi.
Per contro, in tutte le situazioni-problema affrontate, la grande maggioranza degli alunni ha stabilito spontaneamente una relazione proporzionale fra volume e numero di
molecole.
Vogliamo mettere in evidenza che si tratta di un’ipotesi scientifica che ha permesso di fare progredire la comprensione delle trasformazioni chimiche.
L’insegnante propone all’attenzione degli alunni un testo adattato dagli scritti di Avogadro.
Gli alunni vengono informati che Avogadro denomina molecole, molecole integranti e molecole composte quelle che per noi sono semplicemente molecole; inoltre egli
denomina molecole semplici e molecole elementari quelli che per noi sono atomi.
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro: evoluzione di un modello
L’analisi in classe di questo testo porta a concludere che, per spiegare i dati di Gay- Lussac relativi alle combinazioni fra gas, Avogadro avanzò un’ipotesi, mai smentita e tuttora valida.
Questa ipotesi viene oggi indicata come “Prima ipotesi di Avogadro”:
“Volumi eguali di gas diversi, nelle stesse condizioni di temperatura e di pressione, contengono lo stesso numero di molecole”.
Per quanto riguarda il numero di atomi nelle molecole, viene proposto agli alunni un secondo testo di Avogadro.
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro: evoluzione di un modello
Dall’analisi in classe di questo testo risulta che, per interpretare i dati sperimentali di Gay-Lussac, Avogadro avanzò una seconda ipotesi, relativa alla costituzione delle molecole delle sostanze gassose semplici.
Queste sostanze sarebbero costituite da due o più “molecole elementari” ossia atomi.
Per esempio, l’interazione fra gas cloro e gas idrogeno porta a ritenere che le molecole dei due gas siano costituite ognuna di due atomi.
Per questo motivo, per indicare le sostanze gassose idrogeno e cloro si devono usare i termini diidrogeno e dicloro.
Le stesse considerazioni valgono per le altre sostanze gassose semplici come l’ossigeno e l’azoto per le quali si devono usare i termini diossigeno e diazoto.
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro: evoluzione di un modello
A questo punto è opportuno ritornare al livello macroscopico e riportare l’attenzione degli alunni sulla conservazione della massa.
Facendo riferimento al precedente esperimento, viene proposta una nuova situazione- problema:
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro: evoluzione di un modello
Tutti gli alunni condividono che la massa si sia conservata. L’insegnante sollecita gli alunni a esplicitare le idee condivise
• In una trasformazione chimica, la massa complessiva si conserva.
• In una trasformazione chimica, le sostanze di partenza si trasformano in altre sostanze.
• Le particelle che individuano le unità chimiche di ogni sostanza sono le molecole.
• In una trasformazione chimica, le molecole dei reagenti si trasformano in altre molecole.
• Le molecole di ogni sostanza sono formate da atomi.
• In una trasformazione chimica, gli atomi che costituiscono le molecole dei reagenti si ricombinano.
• In una trasformazione chimica, gli atomi si conservano. Questo corrisponde, a livello microscopico, alla conservazione della massa complessiva del sistema
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro: evoluzione di un modello sistema idrogeno-azoto
Mettiamo alla prova l’operatività delle più recenti acquisizioni degli alunni con una nuova situazione-problema. Stavolta il sistema è formato da idrogeno e azoto.
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro: evoluzione di un modello sistema idrogeno-azoto
Nonostante la precedente discussione abbia evidenziato la plausibilità dell’ipotesi che le molecole di diidrogeno e di diazoto siano diatomiche, alcuni alunni propongono
rappresentazioni di questo tipo
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro: evoluzione di un modello sistema idrogeno-azoto
l’alunno scrive diazoto e diidrogeno, ma non utilizza simboli iconici che mettano in evidenza molecole diatomiche
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro: evoluzione di un modello sistema idrogeno-azoto
Il rapporto tra gas di partenza e ammoniaca formata è corretto: 1:3:2, però il rapporto tra i reagenti è 1:1 e quindi “avanzano” sei particelle di diidrogeno.
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro: evoluzione di un modello sistema idrogeno-azoto
L’alunno non è in grado di rispettare i dati sperimentali: la scomparsa di diazoto e diidrogeno e il rapporto dei volumi.
La combinazione atomo-atomo, funzionale per spiegare la formazione del cloruro
d’idrogeno, impedisce a questo alunno di concepire un diverso rapporto nell’interazione fra idrogeno e azoto.
Ancora una volta, una conoscenza anteriore diventa un ostacolo cognitivo.
Nel corso della discussione in classe questa rappresentazione viene criticata e giudicata inadeguata.
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro: evoluzione di un modello sistema idrogeno-azoto
Alcuni alunni propongono rappresentazioni di questo tipo
Anche queste sono criticate da altri alunni per due ragioni:
l’ammoniaca è un gas e quindi non deve essere rappresentata con particelle stipate come per i solidi;
il numero di atomi prima e dopo la trasformazione non è lo stesso e quindi non è rispettato il principio di conservazione della massa.
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro: evoluzione di un modello sistema idrogeno-azoto
La maggior parte degli alunni propone rappresentazioni di questo tipo
I rapporti fra i volumi suggeriscono che una molecola di ammoniaca sia costituita di un atomo di azoto e tre di idrogeno.
Viene dunque confermata l’ipotesi della relazione fra volume di gas e numero di molecole, le quali risultano costituite di due o più atomi.
Ciò corrobora l’ipotesi che ogni molecola sia formata da un numero definito di atomi delle varie specie: ogni sostanza dovrebbe quindi avere una composizione definita e costante.
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro: evoluzione di un modello sistema idrogeno-azoto
Al termine delle discussioni, la classe si accorda su questa rappresentazione
Alla rappresentazione iconica viene fatta corrispondere la rappresentazione mediante i simboli chimici.
Nella scrittura con simboli chimici si fa ricorso a ‘‘indici’’.
Questi indicano il numero di atomi che costituiscono la molecola di una sostanza e permettono di scrivere le molecole in modo più semplice.
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro: evoluzione di un modello sistema idrogeno-ossigeno
Per rinforzare e consolidare le conoscenze appena acquisite, viene proposta agli alunni una nuova situazione-problema. Stavolta il sistema è formato da idrogeno e ossigeno.
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro: evoluzione di un modello sistema idrogeno-ossigeno
Quasi tutti propongono rappresentazioni corrette con simboli iconici e chimici tipo questa
La richiesta 3 pone però in difficoltà una parte degli alunni e rimette in discussione idee che sembravano ormai assodate.
È la conferma che i dati e le evidenze sperimentali non sono la soluzione del problema, ma costituiscono la situazione problematica da interpretare con modelli appropriati.
È indispensabile che sia concesso agli alunni il tempo necessario per arrivare a
padroneggiare questi modelli, senza i quali non sarà possibile comprendere a fondo e utilizzare correttamente i concetti di quantità di sostanza e di mole.
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro: evoluzione di un modello sistema idrogeno-ossigeno
A conclusione di questa attività, gli alunni sono invitati a scrivere le proprietà del modello particellare alla luce delle conoscenze emerse studiando la trasformazione chimica.
Le idee fondamentali sono: divisibilità delle particelle e distinzione fra atomi e molecole.
La classe giunge a condividere il seguente modello:
1. Le particelle di cui è costituita una sostanza (molecole) sono divisibili, poiché sono formate da altre particelle (atomi)
2. Una molecola non può cambiare forma
3. Una molecola ha sempre le stesse dimensioni
4. Una molecola di una certa sostanza ha sempre la stessa quantità di materia (massa), che cambia al cambiare della sostanza
5. Un solo tipo di molecola individua una sostanza
6. Un determinato numero di molecole dello stesso tipo equivale sempre alla stessa quantità di sostanza
Attività 3
Dalton, Gay-Lussac, Avogadro: evoluzione di un modello sistema idrogeno-ossigeno
7. Tra le molecole esistono spazi vuoti più o meno grandi a seconda dello stato fisico della sostanza
8. Le molecole sono più o meno stipate tra loro e quindi più o meno vincolate le une alle altre a seconda dello stato fisico della sostanza
9. Le molecole sono più o meno libere di muoversi e/o spostarsi a seconda dello stato fisico della sostanza
10. Le molecole sono disposte in modo più o meno ordinato a seconda dello stato fisico della sostanza
Attività 4
L’equazione chimica
Abbiamo introdotto la trasformazione chimica facendo riferimento alle sostanze che interagiscono a livello macroscopico
Con il modello particellare e con i simboli iconici abbiamo modellizzato le sostanze iniziali e finali delle trasformazioni chimiche affrontando i problemi di divisibilità delle particelle e introducendo le nozioni di molecola e atomo.
Con il passaggio ai simboli chimici abbiamo introdotto il concetto di reazione chimica.
Concludiamo proponendo agli alunni un ulteriore livello di astrazione: la
rappresentazione della reazione chimica con l’equazione chimica o equazione di reazione.
Attività 4
L’equazione chimica
Viene proposta alla classe una nuova situazione-problema che riprende la trasformazione chimica del diidrogeno e del dicloro in cloruro di idrogeno.
Attività 4
L’equazione chimica
In seguito, l’insegnante sottopone all’attenzione degli alunni alcune delle risposte fornite al punto 3:
In ogni caso, i rapporti fra le molecole delle tre sostanze sono 1:1:2.
È quindi possibile rappresentare la reazione chimica con un’equazione chimica che esprima nel modo più semplice questi rapporti:
Attività 4
L’equazione chimica
Viene proposta una attività analoga per le altre reazioni chimiche viste.
La classe perviene così alla seguente conclusione: la rappresentazione con simboli chimici di una trasformazione chimica prende il nome di equazione chimica.
I rapporti fra le molecole delle sostanze di partenza e le sostanze prodotte sono indicati con numeri chiamati coefficienti stechiometrici.
Collegando la rappresentazione iconica con quella mediante simboli chimici, gli alunni riescono a cogliere con facilità la differenza tra i due tipi di numerazione che compaiono in una equazione chimica:
- gli indici di ogni molecola;
- i coefficienti stechiometrici.
Attività 4
L’equazione chimica
La sequenza si conclude con questa ultima situazione-problema
Attività 4
L’equazione chimica
Questa volta, quasi tutti gli alunni sono in grado di indicare correttamente la formula molecolare dei reagenti e della sostanza prodotta nella reazione.
Sono capaci di attribuire i corretti indici a ogni formula chimica.
Sono inoltre in grado di scrivere l’equazione di reazione sia con simboli iconici sia utilizzando i simboli chimici.
Quindi sono capaci di assegnare anche i corretti coefficienti di reazione.
Attività 5 Verifica
Per capire se gli alunni avessero raggiunto una comprensione concettuale in accordo con gli scopi dell’insegnamento, è stata loro proposta una prova di verifica.
Essa è basata su situazioni-problema che servono per verificare se gli alunni sono in grado di applicare i concetti insegnati in situazioni nuove.
64 alunni su 85 (75%) hanno riportato un punteggio superiore a 9
Conclusioni
I risultati attestano che la grande maggioranza degli alunni è in grado di comprendere e usare i concetti oggetto d’insegnamento.
Con questa sequenza didattica sono stati raggiunti i seguenti obiettivi di apprendimento:
• gli alunni sono portati a distinguere le molecole (particelle che si conservano nelle trasformazioni fisiche) dagli atomi (particelle che, in prima approssimazione, si
conservano nelle trasformazioni chimiche)
• imparano a sostituire le rappresentazioni iconiche delle trasformazioni chimiche con quelle simboliche chimiche e a costruire l’idea di equazione di reazione
• pervengono a distinguere chiaramente i coefficienti stechiometrici delle reazioni dagli indici delle formule molecolari.
Conclusioni
La scelta di un approccio storico epistemologico e l’utilizzo della situazione-problema consente agli alunni di vivere in prima persona l’evoluzione dei modelli interpretativi.
Evidenziando i limiti dei modelli via via proposti, gli alunni ne comprendono la natura funzionale e la necessità di una loro evoluzione e riformulazione.
Si evita in questo modo un apprendimento di tipo dogmatico, favorendo invece:
una progressiva riorganizzazione delle strutture mentali;
l’acquisizione di una consapevolezza dei processi di elaborazione del sapere scientifico.
Questo sapere non ha statuto di verità ma si pone come conoscenza storicamente situata, emergente dalla interpretazione di fatti percettivi.
Conclusioni
L’uso dei simboli iconici favorisce la proposta—da parte degli alunni—di interpretazioni microscopiche della fenomenologia macroscopica.
Inoltre, nel contesto di un processo di invenzione di ipotesi esplicative, il loro utilizzo favorisce la transizione verso un linguaggio simbolico il cui significato, a questo punto, può essere pienamente compreso dagli alunni.
