MASTER IN DIDATTICA DELLE SCIENZE E DALLA MATEMATICA UNIVERSITA DI PALERMO LABORATORIO DI CHIMICA DIARIO DI BORDO DELLA CORSISTA: PANTALEO MARIA
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- Luciana Ruggiero
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1 MASTER IN DIDATTICA DELLE SCIENZE E DALLA MATEMATICA UNIVERSITA DI PALERMO LABORATORIO DI CHIMICA DELLA CORSISTA: PANTALEO MARIA Prof.ssa IRENE MONGIOVI INDICE DEGLI ESPERIMENTI Osservare senza vedere: I sensi come strumento di conoscenza Strumenti di misurazione precisa Le molecole esistono Separare le sostanze di una soluzione di iodio Indicatori di ph acidi e basi Un doppio esperimento: radicchio e the sono indicatori Ossidazione: l ossigeno agente ossidante Ossidazione del ferro: la ruggine Una Reazione chimica che sviluppa gas ed energia termica Legge di Lavoisier 16 APRILE
2 PREMESSA Il laboratorio di didattica della chimica, che si è svolto per la durata di 30 ore all interno del Master in didattica delle scienze e della matematica, ha avuto fra le finalità quella di trasformare le conoscenze scientifiche e le abilità didattiche dei corsisti in competenze specifiche laboratoriali trasferibili nella didattica curricolare scolastica. Le competenze specifiche nella gestione e progettazione di un laboratorio di chimica dovrebbero essere considerate in quanto prassi e metodo indispensabili ad improntare un efficace insegnamento delle scienze nella scuola dell obbligo. Per rispondere a questa finalità il laboratorio, durante il suo svolgersi, ha perseguito e raggiunto i seguenti Obiettivi Formativi. Acquisire competenze laboratoriali nell insegnamento della chimica trasformando le conoscenze scientifiche e le abilità pratiche in metodologia di insegnamento della chimica nella scuola dell obbligo. OBIETTIVI del LABORATORIO Acquisire conoscenze tecniche sull uso degli strumenti da laboratorio: terminologia specifica ed uso. Agganciare la teoria alla pratica laboratoriale come dimostrazione di ipotesi, come spiegazione di teorie fondamentali come strumento di ricerca e scoperta di caratteristiche della materia per tentativi ed errori. Il metodo scientifico e le sue fasi, induzione e deduzione. Stabilire un clima positivo e cooperativo fra i corsisti come strumento di apprendimento attraverso l interdipendenza positiva da mutuare il classe. Progettare e realizzare situazioni didattiche laboratoriali efficaci e significative per gli alunni anche attraverso materiali e strumenti di uso comune e facilmente reperibili nella vita di tutti i giorni. Ricaduta delle nuove competenze acquisite nella didattica in classe.
3 Osservare senza vedere: I sensi come strumento di conoscenza MATERIALE Prima fase: la consegna 1. ognuno di noi ha ricevuto un barattolino di metallo con dentro un oggetto misterioso da riconoscere 2. la consegna era di cercare di individuare le caratteristiche dell oggetto attraverso alcune caratteristiche del materiale di cui era composto 3. di individuarne la forma attraverso il movimento e il peso 4. di individuare il numero degli oggetti dentro la scatolina 5. l unico fra i cinque sensi che si poteva utilizzare era l udito ma anche la sensazione tattile del peso e del movimento 6. si poteva agitare la scatolina per coglierne il rumore ma anche il movimento e da essi definire la forma la dimensione e il tipo di materia di cui era composto l oggetto Seconda fase: il confronto 1. lo scambio delle scatoline con i colleghi metteva in crisi le proprie deduzioni e spingeva a rivederle 2. si cercava di individuare l oggetto piuttosto che le caratteristiche malgrado ci fosse stato consigliato di non farlo per non cadere in pregiudizi Terza fase: la discussione collettiva 1. viene messo in evidenza che i sensi non possono essere attendibili, che non siamo abituati ad usarli in modo appropriato e completo, che ragioniamo per categorie rigide già formate da pregiudizi, che non siamo capaci di osservare descrivendo le caratteristiche ma al contrario denominando l oggetto 2. si riflette insieme sull osservazione oggettiva della realtà che ci circonda come punto di partenza per costruire un atteggiamento scientifico la conoscenza scientifica non può essere sensoriale e soggettiva la vista prevale a discapito degli altri sensi nella conoscenza della realtà. (vittime della civiltà delle immagini) nelle valutazioni non ci fermiamo ai dati, ma spesso interpretiamo e colleghiamo a esperienze pregresse cercando di etichettare piuttosto che esaminare singole informazioni. barattoli con dentro oggetti di diverso tipo: bottoni, sassolini, pasta, foglie, biglie di vetro..ecc...
4 STRUMENTI DI MISURAZIONE PRECISA E MATERIALE Prima fase: osserviamo gli strumenti di misurazione più comuni CALIBRO A CORSOIO E NONIO CILINDRI GRADUATI BILANCIA ELETTRONICA Seconda fase: classifichiamo oggetti scegliendo un criterio, il peso. 1. disponiamo gli oggetti dal meno pesante al più pesante utilizzando le mani e la sensazione di peso che il nostro corpo avverte su di esse 2. confrontiamo l esattezza della nostra classificazione pesando gli oggetti con la bilancia Classificare sulla base di una grandezza richiede l uso di strumenti tarati e precisi e questo vale per ogni unità di misura (peso, lunghezza, volume, densità. ecc.) Solo le classificazioni che usano strumenti precisi sono oggettive e ripetibili Ogni bilancia ha una portata massima e una sensibilità minima, prima di pesare un oggetto è necessario conoscerle entrambe I sensi sono mezzi di conoscenza approssimati e imprecisi, condizionati dalla cultura e dai pregiudizi. (pesare con le mani!)
5 LE MOLECOLE MATERIALE Prima fase: un particolare miscuglio Viene richiamata alla mente la lezione di chimica sui miscugli e le soluzioni. La prof. ci invita a mescolare acqua e alcool ma dopo averne accuratamente misurato la massa e il volume. Seconda fase: esperimento 1 1. con un cilindro graduato vengono misurati 100 cm³ di acqua e 100 cm³ di alcool 2. i due cilindri pieni vengono pesati per definire le masse 3. entrambi i liquidi vengono travasati in un cilindro più grande e mescolati 4. il miscuglio viene misurato: le masse sommate corrispondono, ma i volumi non corrispondono: nel cilindro il liquido segna 194 cm³ Cilindro graduato Bilancia elettronica Acqua, Alcool, lenticchie, fagioli. Terza fase: esperimento 2 la metafora dei fagioli 1. vengono pesati 100 cm³ di fagioli e 100 cm³ di lenticchie, poi tutto viene mescolato e di nuovo pesato 2. anche questa volta il peso corrisponde ma il volume no 3. stavolta è visibile ed evidente che le lenticchie hanno occupato lo spazio vuoto fra i fagioli. Le molecole dell alcool occupano lo spazio vuoto fra le molecole dell acqua perché sono più piccole determinando la variazione del volume. Quindi la materia è fatta di atomi che formano le molecole. Le masse si possono sommare mentre i volumi no
6 Separare le sostanze di una soluzione di iodio MATERIALE 1. Alcool e iodio 2. si aggiunge benzina L esperimento non riesce Le due sostanze non si separano. Acqua, iodio e olio L esperimento riesce Lo iodio si separa dall acqua Premessa: le soluzioni acquose di iodio sono difficili da ottenere poichè lo iodio elementare (I 2 ) è poco solubile in acqua Esperimento: ipotesi vogliamo separare una soluzione di acqua e cristalli di iodio Prima fase: prepariamo una soluzione di iodio con i cristalli e per accelerare il processo riscaldiamo le due sostanze con un forellino Seconda fase: versiamo la soluzione ottenuta in un imbuto separatore Terza fase: aggiungiamo alla soluzione olio di semi Osserviamo: lo iodio si separa dall acqua e si aggrega all olio dato che risulta maggiormente solubile in solventi organici. A questo punto basta aprire l imbuto separatore e lasciar scorrere l acqua. Lo iodio è più solubile in solventi organici che in acqua per cui è sufficiente estrarre lo iodio tramite un solvente organico insolubile in acqua, come l olio e poi separare le due fasi organica ed acquosa. Imbuto separatore, fornellino, cristalli di iodio, benzina, alcool, olio di semi,
7 Indicatori di ph acidi e basi MATERIALE La fenolftaleina è una sostanza indicatrice, che normalmente è incolore. Con l'aggiunta di ammoniaca, la soluzione diventa rossa. per misurare il ph, si usano speciali cartine imbevute di indicatori, le quali cambiano colore quando vengono immerse in sostanze acide o basiche. Questo è il caso della famosa cartina al tornasole, che dà questi valori di ph: 2,5 il succo di limone 3 l'aceto da tavola 10 l'acqua saponata 12 l'ammoniaca in soluzione acquosa per uso domestico 1. In un becker, versiamo circa 100 ml d'acqua e 3 gocce di fenolftaleina. Otteniamo una soluzione incolore, di aspetto del tutto simile all'acqua. 2. Con un contagocce, aggiungiamo gocce di ammoniaca Ad un certo punto, vediamo che la soluzione diventa improvvisamente di colore porpora. 3. Ora, al liquido porpora che abbiamo ottenuto aggiungiamo gocce d'aceto. Il liquido torna ad essere incolore. Conclusione: Cartine di tornasole, provette, diverse sostanze di uso comune, indicatore chimico: fenolftaleina Aggiungendo aceto, la soluzione torna a divenire incolore. la fenolftaleina ha la proprietà di assumere un colore viola quando il ph della soluzione supera il valore di 8,3 Il grado di acidità o di basicità delle sostanze è misurato in ph. Questa scala va da 0 a 14. Le sostanze con ph inferiore a 7 sono considerate acide, quelle con ph pari a 7 sono considerate neutre e quelle con ph maggiore di 7 sono considerate basiche. Con il termine indicatore si intende, in chimica, un composto (o un sistema di più composti) in grado di subire modifiche facilmente osservabili - di solito il colore - in funzione dell'ambiente chimico in cui si trova: acido o basico. Gli indicatori vengono generalmente impiegati in soluzione o supportati su strisce di carta per rapide valutazioni (le cosiddette "cartine indicatrici"). Il fenomeno di variazione del colore di un indicatore viene detto viraggio. L'occhio umano lo recepisce quando una delle due forme colorate dell'indicatore è presente in rapporto almeno 10:1 sull'altra.
8 Un doppio esperimento: radicchio e the sono indicatori MATERIALE INDICATORE: DECOTTO DI RADICCHIO 1. INDICATORE + AMMONIACA 2. INDICATORE + LIMONE 3. VIRAGGIO LE PROVETTE CON LE DIVERSE REAZIONI ottenute aggiungendo acidi e basi al radicchio e al the. Ipotesi: vogliamo testare il valore e l efficacia del decotto di radicchio come indicatore di ph Prima fase: si prepara il decotto di radicchio che servirà come indicatore di acidità per gli esperimenti Seconda fase sperimentale: si mette il decotto in diverse provette e si osserva la reazione con elementi acidi e basici. Indicatore e limone = colore più chiaro Indicatore e bicarbonato = non cambia colore Indicatore e ammoniaca = colore verde Terza fase: riflettere sui risultati degli esperimenti osservati. In ambiente acido provocato dal limone aumenta la quantità di ioni H + che attribuiscono il colore più chiaro all indicatore. Con ammoniaca la reazione avviene e si modifica completamente il colore. In ambiente neutro il colore non cambia. CONTROPROVA Vogliamo provare se una sostanza basica riesce a neutralizzare l effetto acido riportando la miscela al valore iniziale di ph e ricostituendone il colore iniziale. Esperimento: alla provetta di colore chiaro che contiene indicatore + limone, viene aggiunto bicarbonato = il liquido ritorna al colore iniziale. Fornellino elettrico Una beuta Acqua Foglie di radicchio Bustina di tè Sostanze acide: limone, aceto. Sostanze basiche: ammoniaca, bicarbonato, olio Altre sostanze di cui scoprire l effetto sull indicatore. Alcune sostanze cambiano di colore a seconda dell ambiente in cui si trovano: acido o basico Gli acidi sono sostanze che poste in acqua liberano ioni idrogeno (H + ), chiamati anche idrogenioni. Le basi sono sostanze che poste in acqua liberano ioni idrossido (OH - ). Questi ioni reagiscono con gli ioni idrogeno formando molecole d'acqua: H + + OH - = H 2 O, in questo modo le sostanze basiche fanno diminuire la concentrazione degli ioni idrogeno. Una soluzione ricca di ioni idrogeno è acida, una sostanza povera di ioni idrogeno è basica.
9 Candela accesa per consumare l ossigeno I pezzi di mela nelle diverse condizioni La mela in assenza di ossigeno Ossidazione: l ossigeno agente ossidante Premessa: ipotesi dato che l ossigeno è l agente ossidante delle sostanze si vuole confrontare una situazione in assenza di ossigeno con una in presenza di ossigeno Prima fase: si prepara l esperimento si divide la mela in diverse parti Una parte viene collocata sotto una campana insieme ad una candelina accesa che brucia l ossigeno. Una parte chiusa dentro una campana con l ossigeno. Un altra parte viene lasciata all aria. Una parte viene bagnata con il succo di limone. L ipotesi da verificare è che nello stesso tempo l ossigeno dovrebbe ossidare maggiormente la mela lasciata all aria piuttosto che quella in assenza di ossigeno. Seconda fase: verifica dell ipotesi. dopo circa 2 ore La mela fuori dalla campana risulta la più scura. Risulta meno scura la mela dentro la campana e con la candela accesa che consuma l ossigeno. La mela bagnata con il succo di limone non diventa scura perché la vitamina C rallenta l ossidazione. MATERIALE campana di vetro, mela bianca affettata, limone, una candelina. In presenza di ossigeno le sostanze si ossidano più velocemente È l ossigeno che provoca la reazione ossidante
10 Ossidazione del ferro: la ruggine Si vuole misurare il grado di ossidazione che si riesce ad ottenere in un certo tempo sulla stessa sostanza in diverse condizioni. Esperimento: Si preparano le provette con acqua, con acqua ossigenata e con acqua con aceto e si aggiunge rispettivamente: 1. polvere di ferro 2. paglietta di ferro 3. limatura di ferro Si coprono di olio alcune provette con acqua per isolare l ambiente interno dall aria. Si creano le stesse condizioni in dischi di vetro di diametro più ampio e senza la pellicola protettiva dell olio. Si attendono alcune ore. Osservazioni: la polvere di ferro reagisce più velocemente della limatura e della paglietta l acqua ossigenata libera ossigeno che accelera la reazione l olio impedisce all ossigeno dell aria di entrare e all ossigeno dell acqua ossigenata di uscire l aceto accelera la reazione la reazione avviene più velocemente in una capsula che in una provetta Provette, vetrini ad orologio, altri recipienti, monetine ossidate e sporche. Olio, acqua, limone, aceto, limatura di ferro, polvere di ferro, paglietta di ferro. Si mette alla prova la capacità di deossidazione del limone, in quanto sostanza riducente, a contatto delle monetine di rame. ferro + ossigeno = ossidazione = ruggine, Fe 2 O 3 il ferro a contatto con diverse sostanze ha tempi diversi di ossidazione la ruggine è una sostanza nuova, un miscuglio, nel quale c è anche ossido di ferro. Reazione bilanciata della formazione di ossido ferrico Fe 2 O 3 : 4Fe + 3O 2 = 2Fe 2 O 3
11 (fig. 1) (fig. 2) (fig. 3) Una Reazione chimica che sviluppa gas ed energia termica Ipotesi: Questo esperimento serve per introdurre il concetto di reazione chimica. Serve inoltre a far capire che le sostanze acide reagiscono con quelle basiche. Esperimento: 1. in una beuta vengono versati 10 cl di aceto 2. in un palloncino si versano 5 g di bicarbonato 3. si sigilla il palloncino alla beuta (fig. 1) Osservazioni: si svilupperà un'abbondante produzione di bollicine (fig. 2). Che cosa è successo? E' avvenuta una reazione chimica fra il bicarbonato (sostanza basica) e l'aceto (sostanza acida). (fig. 2) Queste due sostanze hanno reagito fra loro, producendo un sale, acqua ed anidride carbonica. (fig. 3) E' stato proprio questo gas a produrre le bollicine che abbiamo osservato. MATERIA LE Un palloncino, una beuta, aceto, bicarbonato. CH 3 COOH NaHCO 3 CH 3 COONa H 2 O CO 2 Acido acetico Bicarbonato di sodio Acetato di sodio Acqua Anidride carbonica In generale, le sostanze acide e quelle basiche reagiscono fra loro, producendo un sale e spesso altre sostanze quali appunto acqua ed anidride carbonica. Legge di Lavoisier
12 Materiale La legge di Lavoisier dice che: "In una reazione chimica nulla si crea e nulla si distrugge, ovvero la somma delle masse dei reagenti è uguale alla somma delle masse dei prodotti ottenuti". Eseguiamo un esperimento che lo dimostri. Procedimento - fase 1 Mettiamo sulla bilancia di precisione una bustina di idrolitina e una ampolla di vetro con 20 cl di acqua e pesiamo tutto. Togliamo il tutto dalla bilancia e inseriamo l idrolitina (acido tartarico e bicarbonato di sodio) nell'acqua avendo cura di tappare l ampolla. Aspettiamo che si sviluppi la reazione chimica, evidenziata dalla formazione di un gas, CO 2. Quando la reazione è avvenuta, rimettiamo l ampolla sulla bilancia insieme alla carta della bustina. Considerando che un poco di gas formatosi è uscito nel tappare la beuta (errore sperimentale), la massa coincide con quella iniziale. La legge di Lavoisier è verificata! massa iniziale (massa acqua + massa bustina + tara) 25,6 g massa finale (acqua con idrolitina dopo la reazione) 25,5 g Procedimento - fase 2 Togliamo il tappo alla beuta e aspettiamo che esca la CO 2 formata, mescolando per accelerare il processo. Quando le bollicine si sono esaurite rimettiamo tutto sulla bilancia e controlliamo la massa. Che massa otteniamo? una beuta di vetro a chiusura ermetica una bustina di idrolitina, acqua, bilancia di precisione, massa iniziale (massa acqua + massa bustina + tara) massa misurata dopo la fuoriuscita del prodotto gassoso CO 2 25,6 g 24,7 g la reazione chimica ha prodotto 0,9 g di anidride carbonica che si è dispersa nell aria perché allo stato gassoso, ma che non è sparita.
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