ALLA SCOPERTA DELL ACQUA

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1 ALLA SCOPERTA DELL ACQUA Un percorso didattico pluridisciplinare tra fisica, chimica, biologia, scienze naturali pag. 1

2 ALLA SCOPERTA DELL ACQUA Un percorso didattico pluridisciplinare tra fisica, chimica, biologia, scienze naturali Premessa Il progetto intende affrontare lo studio di alcune delle principali caratteristiche dell acqua, dal punto di vista della fisica, della chimica, della biologia e delle scienze naturali, con una forte sottolineatura della dimensione sperimentale e intersecando tra loro le diverse discipline, pur cercando di rispettarne i metodi e i linguaggi specifici. Partendo dall esame dei fenomeni a livello macroscopico, esso giunge ad introdurre il modello particellare e cinetico-molecolare della materia quale ipotesi interpretativa, su scala microscopica, dei fenomeni osservati. Sono via via indicati i possibili sviluppi o approfondimenti teorici. Il progetto è riferito al primo biennio, o al primo anno di studio della scienze. Quando ciò sia possibile è previsto l uso di materiali poveri. Svolgimento del progetto Discipline interessate: fisica, chimica, scienze. Obiettivi (conoscenze) 1. Conoscenza delle principali caratteristiche fisiche macroscopiche dell acqua: fluidità, incompressibilità, densità 2. Conoscenza del fenomeno della pressione idrostatica, delle sue leggi, del principio dei vasi comunicanti 3. Conoscenza dei principali fenomeni superficiali dell acqua: capillarità, tensione superficiale 4. Conoscenza degli stati fisici dell acqua, delle loro trasformazioni, del ruolo giocato in esse dal calore 5. Conoscenza del ciclo dell acqua 6. Conoscenza del modello particellare della materia e suo utilizzo per la descrizione dei fenomeni studiati (stati della materia, passaggi di stato) 7. Conoscenza dei fenomeni legati al movimento delle particelle costituenti la materia a livello microscopico: diffusione, moto browniano 8. Conoscenza della composizione dell acqua: sua decomposizione mediante elettrolisi. Conoscenza del concetto di elemento e della teoria atomica 9. Conoscenza delle proprietà elettriche macroscopiche dell acqua 10. Conoscenza delle proprietà solventi dell acqua e delle proprietà principali delle soluzioni. Conoscenza del concetto di concentrazione e di soluzione satura 11. Conoscenza del fenomeno dell osmosi e del suo ruolo nelle cellule viventi (soluzioni iso-, ipo- e ipertoniche, plasmolisi) pag. 2

3 12. Conoscenza del ruolo dell acqua nei processi chimici e biochimici Metodologie adottate - Lezione frontale e dialogata - Svolgimento di esperimenti in aula (da cattedra) e in laboratorio, singolarmente e a gruppi - Discussione in classe dei risultati degli esperimenti e delle prove di laboratorio - Problem solving Tempi di attuazione I tempi sono indicati per ogni singola attività (escludendo gli approfondimenti). Verifiche previste Una in itinere, al termine di ogni attività, e una conclusiva. Le verifiche saranno scritte - articolate in quesiti a risposta aperta, quesiti a risposta multipla, frasi a completamento, problemi ed esercizi sui contenuti svolti e orali. Sono inoltre previste prove di laboratorio, al termine delle quali ogni studente redigerà una relazione, che sarà valutata. Strumenti adottati - Testo / testi delle discipline coinvolte - Schede di laboratorio - Appunti delle lezioni e delle discussioni - Simulazioni al computer - Audiovisivi - Ricerche sul Web NOTA: quando possibile, il progetto fa riferimento agli OSA previsti per i licei, in particolare per quello scientifico. Inoltre, sono indicati come punto di fuga i possibili approfondimenti o ampliamenti, sia teorici sia sperimentali, che rappresentano altrettanti sviluppi laterali del percorso principale. In questo modo il percorso proposto sull acqua diventa una sorta di fil rouge che attraversa e collega i contenuti di una parte significativa dei corsi di base di chimica (o di scienze) e di fisica, quasi a rimarcare la ricchezza pressoché inesauribile, dal punto di vista conoscitivo, contenuta in una singola goccia d acqua. Le domande guida sono dei suggerimenti per guidare la discussione o l analisi dei risultati delle prove effettuate, anche le più semplici. Le conclusioni sono una sintesi dei contenuti essenziali che dovrebbero essere trattenuti, come idee sintetiche, dagli studenti alla fine di ogni attività suggerita. pag. 3

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5 Articolazione delle attività A1 L acqua come fluido e come liquido Contenuti Le caratteristiche dei fluidi Conosce nze 1. Abilità Attività sperimentali Tempi Verifiche Riconoscere caratteristiche rilevanti dei materiali (fluidi e liquidi) Prove sulla capacità dei fluidi di scorrere Prove sulla compressibilità dell aria e sulla incompressibilità dell acqua Misure di densità 2 ore (da cattedra) 2 ore (misure di densità in lab.) Relazione di lab. sulle misure di densità La pressione idrostatica e il principio dei vasi comunicanti 2. Applicare le leggi fisiche alla descrizione di situazioni reali Prove sulla pressione idrostatica Prove sui vasi comunicanti 2 ore (da cattedra) 1 ora di discussione in classe dei risultati 1 ora per la verifica finale Verifica scritta finale su tutta l attività pag. 5

6 Le caratteristiche dei fluidi I fluidi scorrono. Il loro nome deriva infatti dal latino flúere, che significa appunto scorrere. La capacità dei liquidi come l acqua di scorrere è a tutti nota; forse lo è meno l analoga capacità dei gas, che può essere evidenziata con un semplice esperimento. Utilizzando l anidride carbonica prodotta dalla reazione tra aceto e bicarbonato, e sfruttando il fatto che essa è più pesante dell aria, la si può versare da un recipiente all altro, facendo ad esempio spegnere una candela. Un effetto ancora più evidente lo si ha usando un tubo o un foglio di cartoncino piegato a L per guidare la discesa del flusso di anidride carbonica dal primo al secondo recipiente. I gas sono comprimibili, i liquidi come l acqua non lo sono. Utilizzando una siringa a cui sia stato tolto l ago lo si può facilmente evidenziare, provando dapprima a comprimere l aria contenuta nella siringa vuota, ripetendo poi la prova con l acqua, dopo avere riempito la siringa con il liquido. Nel caso dell aria questa si comprime facilmente, riducendosi facilmente ad un quarto del volume iniziale, mentre con l acqua, anche premendo con forza, non vi alcuna apprezzabile variazione di volume. Queste prime due prove possono essere eseguite da cattedra, o fatte eseguire ad alcuni allievi come dimostrazione per tutti. Per le misure di densità dell acqua si utilizzerà un recipiente tarato, ad es. da 100 ml, (non è necessario usare il picnometro), avendo cura di determinarne prima la tara con la bilancia (anche non analitica, perché può essere sufficiente una con sensibilità 0,1 g), ripesandolo poi una volta riempito sino a volume con acqua. La densità si otterrà quindi, dalla definizione stessa, come rapporto massa / volume: d = m/v Questa prova può essere eseguita da tutti gli allievi in laboratorio, ed essere seguita da una relazione. Domande guida - Da che cosa sono caratterizzati i fluidi? - In che cosa differiscono i liquidi dai gas? - Quanto vale la densità dell acqua? pag. 6

7 Conclusioni I fluidi sono in grado di scorrere. Mentre però i liquidi, pur non avendo forma propria, hanno volume proprio, i gas (aeriformi) non hanno né forma né volume propri. La pressione idrostatica Dopo avere introdotto il principio di Pascal, utilizzando due recipienti di forma cilindrica, forati e riempiti d acqua con continuità, è possibile evidenziare come nel primo, recante fori tutti alla stessa altezza, gli zampilli giungano alla stessa distanza, mentre nel secondo, con fori a diversa altezza, gli zampilli escano con spinta crescente con l altezza, giungendo quindi a distanze sempre maggiori. Ciò evidenzia la pressione determinata da una colonna di liquido a causa del suo peso (pressione idrostatica). In luogo dei recipienti cilindrici si può usare una bottiglia di plastica, forata ad intervalli regolari lungo la parete, e mantenuta pieno d acqua con un continuo rifornimento. Dalla diversa spinta che gli zampilli hanno si potrà avere un indicazione di come varia la pressione all interno del liquido con la profondità. Si potrà poi introdurre la legge di Stevino. Il principio dei vasi comunicanti Per studiare il comportamento dell acqua quando si trovi in un sistema di vasi di vetro di diversa forma e diametro, collegati tra loro alla base, si può usare il classico apparecchio, presente in molti laboratori, oppure realizzarne uno in modo artigianale, utilizzando ad esempio due o più bottiglie di plastica a cui è stato tolto il fondo, collegate per l imboccatura attraverso un tubo di plastica o di gomma, inserendo eventualmente un raccordo a Y se se ne vogliono collegare più di due. L uso di acqua colorata consentirà una migliore visualizzazione del livello del liquido all interno dei recipienti. Usando il sistema delle bottiglie queste andranno alzate e abbassate per evidenziare che il livello rimane lo stesso in entrambe. Si può fare notare che un dispositivo simile è utilizzato dai muratori per segnare punti ad uguale altezza sui muri. Se è presente in laboratorio, si può mostrare il cosiddetto paradosso idrostatico, un apparecchio in cui è possibile evidenziare in modo immediato come la pressione di una colonna di liquido dipenda solo dalla sua altezza e non dalla sua forma e dal suo peso complessivo. pag. 7

8 Domande guida - Come risulta essere la pressione idrostatica in un liquido, in punti alla stessa profondità? - Come dipende la pressione idrostatica dall altezza della colonna di liquido soprastante? - Che cosa accadrebbe se usassimo un liquido di differente peso specifico? - Come si può spiegare, in termini di pressione idrostatica, il principio dei vasi comunicanti? Conclusioni La pressione idrostatica in un liquido come l acqua dipende solo dall altezza della colonna di liquido e dal peso specifico del liquido stesso (legge di Stevino). L uguaglianza delle pressioni idrostatiche tra le varie colonne di liquido è alla base del principio dei vasi comunicanti. pag. 8

9 A2 I fenomeni superficiali nell acqua Contenuti I fenomeni superficiali nell acqua: tensione superficiale, capillarità Conosce nze Abilità Attività sperimentali Tempi Verifiche 3. Interpretare i fenomeni Prove sulla tensione 1 ora (da cattedra) Relazione di lab. sulle che avvengono alla superficiale dell acqua 2 ore (prove di capillarità prove svolte superficie di un liquido Prove sulla capillarità in lab.) (acqua) in base alle 1 ora di discussione in Verifica scritta o orale forze che in esso classe dei risultati finale sull attività agiscono 1 ora per la verifica finale pag. 9

10 La tensione superficiale La superficie dell acqua si comporta come una pellicola elastica. Ciò può essere mostrato facilmente, con un bicchiere in plastica riempito lentamente oltre l orlo (che fa il colmo ), o considerando l aspetto delle gocce d acqua su superfici non bagnabili, o il tipico modo di muoversi di animali come i gerridi. È pure facile verificare come la superficie dell acqua sia in grado di sostenere il peso di piccoli oggetti (ad es. un ago), purché appoggiati delicatamente sulla superficie stessa. In questo caso gli oggetti non galleggiano, ma sono sostenuti dal comportamento elastico della superficie dell acqua. La spiegazione richiede l introduzione del modello particellare, anche a un livello minimo, perché la peculiarità del comportamento della superficie è data dall asimmetria delle forze che agiscono su di una particella d acqua che vi si trovi. Essa, infatti, sarà soggetta ad un sistema di forze non equilibrato, che avrà risultante diretta verso l interno del liquido, così che l acqua stessa tenderà se libera ad assumere la forma a cui compete, a parità di volume, la superficie minima, cioè la sfera. Si veda ad esempio la forma sferica delle grosse gocce d acqua liberate dagli astronauti sullo shuttle. [ punto di fuga: i tensioattivi e le bolle di sapone] I fenomeni di capillarità La capillarità è un fenomeno ben noto. Una striscia di carta da filtro o assorbente, immerso in acqua, si bagna ben oltre il livello di immersione. Lo stesso fa un tessuto. Questo fenomeno può essere messo in evidenza utilizzando un becher contenente acqua colorata con inchiostro. Un semplice apparecchio, presente in molte scuole, consente di evidenziare come la risalita dell acqua nei capillari sia tanto più marcata quanto minore è il loro diametro. Risulta evidente che la capillarità è una sorta di violazione del principio dei vasi comunicanti. La spiegazione del fenomeno richiede di tenere in considerazione le forze che agiscono all interno del liquido (forze di coesione) e quelle che agiscono tra il liquido e la parete del capillare (forse di adesione). Si potrà inoltre evidenziare che il comportamento della superficie del liquido (menisco concavo o menisco convesso) dipende dall entità relativa dei due tipi di pag. 10

11 forze. Quando prevalgono le forze di coesione, il menisco è convesso e nei capillari il livello del liquido si abbassa anziché alzarsi, come nel caso del mercurio (b). Con un semplice dispositivo formato da due lastrine di vetro, unite in modo da avere uno spessore variabile e un po d acqua colorata, si può facilmente mostrare la dipendenza della risalita capillare dalle dimensioni del vaso. La spiegazione del fenomeno in termini di composizione delle forze in gioco può risultare complessa e va affrontata solo se gli allievi hanno una certa dimestichezza con il calcolo vettoriale. Domande guida - Come si comporta la superficie dell acqua? - Perché le gocce d acqua hanno forma sferica? - Come si comporta un materiale poroso come la carta o la stoffa quando è immerso in acqua? - In che cosa differisce il suo comportamento da quello di un materiale non poroso? - Come dipende l altezza di risalita dell acqua nel capillare dal diametro del capillare stesso? Conclusioni La superficie dell acqua si comporta come una pellicola elastica e tende ad assumere la superficie minima possibile. Ciò è dovuto alle forze non equilibrate che agiscono su di una particella posta alla superficie dell acqua stessa. La capillarità consiste nella risalita (o nella discesa) di un liquido in un vaso di piccolo diametro ed è la conseguenza della combinazione di forze di coesione e di forze di adesione. La superficie dell acqua in piccoli recipienti è curva (menisco) per gli stessi motivi. Nell acqua contenuta in un recipiente di vetro, prevalendo le forze di adesione, il menisco è concavo. pag. 11

12 A3 Gli stati della materia e i passaggi di stato Contenuti Stati della materia e passaggi di stato Ciclo dell acqua Modello particellare della materia Conosce nze Abilità Attività sperimentali Tempi Verifiche Interpretare le caratteristiche macroscopiche degli stati della materia alla luce del modello particellare. Descrivere in termini di variazione delle proprietà fisiche, termici e microscopici i passaggi di stato Misurare le condizioni di temperatura a cui avvengono i passaggi di stato. Riscaldamento di una massa d acqua Studio della fusione del ghiaccio 1 ora (introduzione) 2 ore (curva di riscaldamento dell acqua) 2 ore (curva di riscaldamento dell acqua) 1 ora per la discussione dei risultati 1 ora per la verifica finale Relazione di lab. sulle due prove svolte Verifica scritta o orale finale sull attività pag. 12

13 Gli stati della materia e i passaggi di stato L acqua è una delle poche sostanze che può esistere in condizioni ordinarie, cioè abitualmente presenti sulla superficie terrestre, in tutti e tre gli stati di aggregazione: solido, liquido, vapore. Si richiamano perciò dapprima esperienze note e nozioni già possedute. Occorre in ciò porre grande attenzione agli aspetti di linguaggio, in quanto, in quello comune, termini come liquefare e sciogliere sono ritenuti sinonimi del corretto fondere. Per prima cosa, quindi, si evidenzieranno le proprietà macroscopiche dei tre stati della materia e si definiranno i nomi corretti dei vari passaggi di stato. L indagine sperimentale sui passaggi di stato parte dalla curva di riscaldamento di una massa d acqua. Il riscaldamento di una massa d acqua (studio dell ebollizione) Si procede al riscaldamento di una massa misurata d acqua (es. 200 g), in un becher, collocato sopra una adeguata fonte di calore e in un cui sia stato collocato un termometro. Con un cronometro o orologio con contasecondi si misura il tempo di riscaldamento, dato che le misure di temperatura vanno fatte a tempi costanti (ad es. ogni 30 s). Si prenderà nota mano a mano anche delle trasformazioni che si osservano all interno del liquido. T ( C) 100 I II tempo Misurando a intervalli regolari di tempo, e riportando in un diagramma cartesiano la temperatura in funzione del tempo, si osserva un andamento caratteristico. La temperatura dapprima sale linearmente, poi tende a stabilizzarsi (in realtà con un andamento arrotondato e non con una variazione brusca) attorno a 100 C. Da quel punto in poi la temperatura non aumenta ulteriormente. L acqua bolle. Il diagramma della curva di riscaldamento è così diviso in due parti: il riscaldamento (I) e l ebollizione vera e propria (II). pag. 13

14 Durante il passaggio liquido-vapore, quindi, che pure richiede calore, la temperatura non aumenta più. [ punto di fuga: calorimetria, relazione Q / T, capacità termica, calore specifico, calore latente di evaporazione] Il riscaldamento del ghiaccio (studio della fusione) Si procede quindi al riscaldamento di certa quantità di ghiaccio, finemente tritato, in un becher in un cui sia stato collocato un termometro. Il riscaldamento deve essere molto lento, quindi si può lasciare che il ghiaccio si riscaldi con il calore dell ambiente, oppure lo si può riscaldare a bagnomaria, ma in acqua appena tiepida e agitando con il termometro. Anche in questo caso con un cronometro o orologio con contasecondi si misura il tempo di riscaldamento, rilevando le temperature a tempi costanti (es. 30 s) e prendendo nota contemporaneamente delle trasformazioni osservate. T ( C) 0 I II tempo In questo caso, se la temperatura del ghiaccio è inizialmente inferiore a 0 C, essa sale sino a raggiungere lo zero (se il riscaldamento è sufficientemente lento e regolare), per poi stabilizzarsi quando inizia la fusione. Fin che il ghiaccio non è tutto fuso, la temperatura non aumenta più. Anche in questo caso il grafico è diviso nel riscaldamento del ghiaccio fino a 0 C e nel passaggio di stato. Domande guida prova 1 - Di quante parti si compone il grafico? - Che cosa accade nella prima parte? - Che cosa accade nella seconda parte? - Come varia la temperatura nella prima parte? - Come varia la temperatura nella seconda parte? - Nella seconda parte della prova continua il riscaldamento? - [Di che cosa sono costituite le bolle che si liberano dall acqua durante l ebollizione?] - Dove va a finire il calore che continuiamo a fornire all acqua, dato che non ne aumenta la temperatura? A che cosa serve? Domande guida prova 2 (vedi domande prova 1) NOTA: Le ultime due sono le domande-chiave. La risposta in chiave macroscopica è provoca il passaggio di stato. Si può a questo punto richiamare la comune sensazione di freddo che si prova uscendo bagnati dalla doccia o dall acqua del mare, per giungere a concludere che il passaggio di stato liquido-vapore richiede calore. Il passaggio inverso invece lo libera (si citi ad esempio la cottura a vapore dei cibi). Per una comprensione piena del fenomeno occorre richiamare il modello pag. 14

15 particellare della materia, arricchendolo di considerazioni sulla situazione delle particelle e dei loro reciproci legami nei solidi, nei liquidi e negli aeriformi. [le prove sono condotte a P cost. punto di fuga: Si può introdurre l influenza della pressione, la tensione di vapore ] (a) solido (b) liquido (c) vapore La spiegazione in chiave microscopica è allora che il calore somministrato durante il passaggi di stato (liquido - aeriforme e solido liquido) serve ad allontanare le particelle d acqua le une dalle altre. Si può inoltre fare notare che la comprensione piena del fenomeno richiede un duplice approccio: empirico-macroscopico e modellistico-microscopico. [ punto di fuga: il calore latente di fusione vedi allegato] Il ciclo dell acqua Strettamente connesso ai passaggi di stato che coinvolgono l acqua è il suo ciclo. Prenderlo in esame consente di chiarire il ruolo che l energia (calore) svolge nei passaggi di stato, evidenziando allo stesso tempo l importanza che tale ciclo ha nel determinare il clima terrestre. [ punto di fuga: precipitazioni, meteorologia, ambiente] pag. 15

16 Conclusioni Gli stati fisici della materia sono tre: solido, liquido, aeriforme. Essi hanno caratteristiche diverse dal punto di vista macroscopico. È possibile il passaggio da uno all altro dei diversi stati. Tali passaggi comportano sempre scambi di calore: riscaldamento nel passaggio solido-liquido-aeriforme, raffreddamento nel passaggio iverso. Durante il passaggio di stato la temperatura rimane costante. La materia è formata da particelle. Esse sono aggregate in posizioni fisse nei solidi, a contatto ma libere di muoversi nei liquidi, svincolate e con grande libertà di movimento negli aeriformi. Nei solidi e nei liquidi le particelle sono tenute insieme da forze attrattive. Il calore fornito durante i passaggi di stato solido-liquido e liquido-aeriforme serve ad allontanare le particelle le une dalle altre. La stessa quantità di calore, detta calore latente, viene rilasciata nei passaggi inversi. pag. 16

17 A4 Molecole in movimento Contenuti Diffusione moto browniano teoria cineticomolecolare Conosce nze Abilità Attività sperimentali Tempi Verifiche 7. Interpretare i fenomeni Studio della diffusione 1 ora (introduzione e di diffusione in base al Studio del moto prova sulla diffusione) modello cineticomolecolare. browniano 2 ore (moto browniano e discussione risultati) Verifica scritta o orale 1 ora per la verifica finale finale sull attività pag. 17

18 Le molecole in movimento: diffusione e moto browniano Il modello particellare introdotto non ha ancora approfondito un aspetto fondamentale: le particelle costituenti la materia sono in movimento. Per evidenziarlo, si possono effettuare alcune semplici prove sulla diffusione, introducendole a partire da esperienze della vita di ogni giorno come la diffusione di un profumo o di un gas nell aria. Per lo studio del fenomeno della diffusione si può utilizzare un recipiente di vetro, contenente acqua, in cui sia stato introdotto qualche cristallo di solfato di rame, o semplicemente qualche goccia di inchiostro stilografico. Lasciando il tutto coperto e senza muoverlo, dopo un tempo che può essere anche di alcune settimane (le osservazioni andranno fatte perciò a intervalli regolari di tempo), si potrà osservare che il colore si è appunto diffuso in modo uniforme nel liquido. Per lo studio del moto browniano il dispositivo sperimentale dovrà essere più complesso, utilizzando per la prova un microscopio capace di 400 ingrandimenti. Si disperde una piccola quantità di grafite colloidale in acqua distillata (in alternativa si può usare qualche goccia di inchiostro nero di china sciolto in acqua), ponendo poi una goccia del liquido sul vetrino portaoggetti, che va coperto col coprioggetti. Osservando al microscopio, si potrà rilevare il movimento delle particelle di grafite. Una webcam del tipo da collegare al microscopio può consentire di mostrare a tutta la classe contemporaneamente ciò che si osserva. Durante la discussione dei risultati si può suggerire l ipotesi che a provocare la diffusione e il moto browniano sia la stesso causa, il movimento che anima incessantemente le molecole d acqua. Una animazione da un filmato o una simulazione al computer possono aiutare a visualizzare i fenomeni. Anche se una spiegazione esauriente del moto browniano richiede un approccio matematico avanzato, la si può intuitivamente fornire richiamando anche con esempi il fatto che se le particelle del solido sono sufficientemente piccole, gli urti a cui sono sottoposte da parte delle molecole d acqua danno un effetto complessivo non nullo istante per istante, con la conseguenza se sono sufficientemente leggere di farle muovere in modo casuale a zig-zag. Domande guida - Che cosa si osserva nel recipiente con il solfato di rame? - Che cosa si nota osservando il liquido al microscopio? - Come si possono spiegare le osservazioni fatte? Conclusioni pag. 18

19 Le particelle che formano l acqua sono in continuo e caotico movimento (moto di agitazione termica). [ punto di fuga: influenza della temperatura, teoria cinetica] pag. 19

20 A5 L acqua come composto e le caratteristiche della molecola d acqua Contenuti Elementi e composti Teoria atomica Formule chimiche Caratteristiche della molecola d acqua Conosce nze Abilità Attività sperimentali Tempi Verifiche Riconoscere e distinguere elementi e composti Interpretare le formule delle sostanze Descrivere le proprietà dell acqua sulla base delle sue caratteristiche molecolari Elettrolisi (decomposizione) dell acqua Prove sulla polarità dell acqua 1 ora (introduzione) 2 ore (elettrolisi) 1 ora (prove di polarità) 2 ore per discussione risultati e introduzione concetti di elementi, composti (2 ore sviluppo concetti) 1 ora per la verifica finale Relazione di laboratorio Verifica scritta o orale finale sull attività pag. 20

21 L acqua come composto: l elettrolisi L acqua è una sostanza. Ma si tratta di un elemento, come ritenevano gli antichi filosofi, o di un composto? Mediante l elettrolisi, effettuata su acqua distillata in cui sia stato sciolto un elettrolita come il solfato di sodio, è possibile ottenere la decomposizione dell acqua stessa, mettendo così in evidenza che si tratta di un composto formato dagli elementi idrogeno e ossigeno. Il dispositivo più semplice può consistere in un apparato come quello in figura, alimentato da una batteria da 4,5 V. Nelle due provette si raccolgono rispettivamente idrogeno (al polo negativo) e ossigeno (a quello positivo) gassosi, il primo in volume circa doppio del secondo. La natura dei due gas può essere messa in evidenza con alcune semplici prove, che riguardano alcune caratteristiche salienti dei due gas. L idrogeno, ad esempio, scoppietta con un suono caratteristico a singhiozzo se si avvicina una fiamma alla bocca della provetta, mentre una brace di legno riprende vigore e si infiamma se inserita nell ossigeno gassoso. La teoria atomica e le molecole È possibile a questo punto introdurre la teoria atomica, trattando l acqua dal punto di vista molecolare. Dal rapporto (teorico) di 2:1 tra i volumi di idrogeno e di ossigeno ottenuti per elettrolisi è possibile stabilire la formula H 2 O per l acqua, introducendo l ipotesi di Avogadro. Il triplice significato di questo simbolismo (qualitativo, quantitativo tra gli atomi, quantitativo come rapporti di combinazione dalla conoscenza delle masse atomiche) può essere quindi sviluppato. [ punto di fuga: teoria atomica, legami chimici, rapporti di combinazione, composizione %, leggi ponderali] Le proprietà elettriche della molecola d acqua Molte delle caratteristiche macroscopiche dell acqua dipendono dal fatto che essa sia costituita di molecole polari, in cui cioè è presente una parte positiva ed una negativa dal punto di vista elettrico. Per mostrare queste caratteristiche si può effettuare una prova che consiste nell avvicinare ad un sottile filo d acqua che scende da una buretta (o anche semplicemente da un rubinetto) una bacchetta di plastica caricata per strofinio. Il flusso d acqua viene deviato. Il flusso viene deviato anche da una bacchetta di vetro. pag. 21

22 Poiché plastica e vetro, strofinati con un panno di lana, si caricano con elettricità di segno opposto, risulta che l acqua è attirata tanto dalle cariche negative (plastica) quanto da quelle positive (vetro). Le molecole d acqua hanno perciò, dal punto di vista elettrico, una duplice natura, cioè sono dei dipoli elettrici, avendo una parte positiva (i due atomi di idrogeno) e una negativa (l atomo di ossigeno). Ciò è conseguenza di una diseguale distribuzione delle cariche elettriche atomiche (elettroni) al suo interno, a causa delle diverse caratteristiche degli atomi dei due elementi che si legano, in particolare della loro diversa capacità di attirare gli elettroni (elettronegatività). In base alle caratteristiche di polarità della molecola d acqua è possibile spiegare proprietà quali il suo elevato punto di ebollizione, l aumento di volume che si ha quando essa solidifica, le sue proprietà solventi, le caratteristiche di miscibilità, oltre ad aspetti già presi in esame quali la tensione superficiale e la capillarità. Tra le molecole d acqua, infatti, esiste una forza di attrazione, sostanzialmente di natura elettrica, chiamata legame a idrogeno e che consiste nell attrazione che si esercita tra un atomo di idrogeno di una molecola d acqua e l atomo di ossigeno di un altra molecola. Nell acqua, quindi, sia allo stato liquido che a quello solido, non esistono molecole singole, quanto piuttosto aggregati di molecole tenute insieme da una rete di legami a idrogeno. Tali aggregati sono dinamici nel liquido, cioè si rompono e si riformano in continuazione, mentre nel solido sono permanenti. Le proprietà fisiche dell acqua, quindi, sono spiegabili considerandone le caratteristiche molecolari, in particolare la polarità e la presenza del legame a idrogeno. Struttura dinamica dell acqua liquida Domande guida Struttura cristallina del ghiaccio - Che cosa accade durante l elettrolisi? - Quali sono i due gas che si formano? - L acqua è un elemento o un composto? - Che cosa accade avvicinando una bacchetta elettrizzata ad un filo d acqua? - Che cosa ci indica il suo comportamento a riguardo della sua natura elettrica? pag. 22

23 - Come si spiegano le caratteristiche fisiche dell acqua in base a quelle molecolari? Conclusioni L acqua è un composto formato da idrogeno e ossigeno. La formula H 2 O indica inoltre che la sua molecola è formata da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno. Dalle rispettive masse atomiche è inoltre possibile ricavare la sua composizione in %. La molecola d acqua è polare. Negli stati condensati esistono aggregati di molecole, tenuti insieme da un tipo di interazione molecolare detto legame a idrogeno. La polarità dell acqua e la presenza del legame a idrogeno sono responsabili delle sue caratteristiche fisiche. [ punto di fuga: polarità dei legami, proprietà periodiche e elettronegatività, geometria delle molecole e polarità, legami deboli intermolecolari] pag. 23

24 A6 L acqua come solvente e le soluzioni Contenuti Solubilità e miscibilità Soluzioni e concentrazione Proprietà delle soluzioni (osmosi) Conosce nze Abilità Attività sperimentali Tempi Verifiche Prevedere il tipo di solvente più adatto a sciogliere una determinata sostanza Calcolare la concentrazione di una soluzione Interpretare il fenomeno dell osmosi Prove di solubilità Preparazione di una soluzione a concentrazione data Riconoscimento di soluzioni elettrolitiche e non elettrolitiche Prove sulla osmosi 1 ora (introduzione) 2 ore (solubilità) 2 ora (soluzioni elettrolitiche) 2 ore (osmosi) (2 ore sviluppo concetti) 1 ora per la verifica finale Relazioni di laboratorio sulle diverse prove svolte Verifica scritta o orale finale sull attività pag. 24

25 Le proprietà solventi dell acqua L acqua è uno dei principali solventi, essendo in grado di sciogliere seppure in misura diversa moltissime sostanze. Un primo approccio al problema della solubilità e della miscibilità può essere quello di effettuare prove empiriche, utilizzando alcuni soluti solidi (ad es. NaCl, saccarosio, naftalina o paraffina in scaglie o acido stearico) e alcuni solventi di diversa polarità (acqua, alcol etilico e esano). Si saggia la solubilità di ogni solido in ciascuno dei solventi, secondo tutte le combinazioni possibili, ponendone una punta di spatola in una provetta con alcuni ml di solvente e agitando a lungo. Si osservano poi i risultati. Per verificare se si è sciolta anche solo una piccola quantità di solido, dopo avere agitato a lungo si pone qualche goccia di liquido su un vetro d orologio ben pulito e si fa evaporare sotto cappa. Un deposito o un leggero alone indicano una seppur minima solubilità. Si raccolgono poi i dati in una tabella di questo tipo, chiedendo di valutare a livello semiquantitativo (molto, abbastanza, poco o niente) la solubilità: solventi acqua alcol esano soluti NaCl saccarosio naftalina Il quadro si può completare con prove di miscibilità tra i tre liquidi, mescolandone a due a due pochi ml e agitando. Fornendo le informazioni a riguardo della diversa polarità molecolare di soluti e solventi, è possibile giungere alla conclusione che a determinare la compatibilità tra le sostanze, dal punto di vista della solubilità o della miscibilità, è principalmente legata alle caratteristiche di polarità delle loro molecole, secondo la regola del simile scioglie simile. Si può a questo punto dare una interpretazione microscopica di quanto osservato, in base a considerazioni riguardanti le interazioni elettriche che si possono stabilire tra le particelle del soluto e le molecole del solvente. Nel caso dell acqua si formeranno legami ione-dipolo con gli ioni Na + e Cl - e legami a idrogeno con le molecole di saccarosio. Si dice che gli ioni sono solvatati, cioè circondati da molecole d acqua. Schema della dissoluzione dello zucchero Dissoluzione del cloruro di sodio pag. 25

26 Le soluzioni e la concentrazione Introdotto il concetto di soluzione come sistema omogeneo formato da soluto e solvente, partendo dall esperienza quotidiana (ad es. il fatto che una quantità di zucchero rende una bevanda più o meno dolce a seconda del volume di liquido in cui è disciolto) si può introdurre il concetto di concentrazione e le sue varie possibili espressioni, facendo eseguire anche esercizi numerici sul suo calcolo. Si può sottolineare, con esempi (il più immediato è la densità), il fatto che le proprietà di una soluzione, ad es. acquosa, sono variabili in funzione della concentrazione e non invece caratteristiche del solvente come accade per l acqua pura. Il percorso può proseguire in laboratorio con la preparazione di una soluzione di concentrazione data. Soluzioni elettrolitiche e non elettrolitiche La presenza di cariche libere (ioni) nelle soluzioni acquose di sostanze come NaCl le rende capaci di trasportare la corrente. Con un dispositivo simile a quello in figura è possibile saggiare le caratteristiche di conducibilità elettrica di diversi soluti (ad es. zucchero, alcol, NaCl, acido acetico), mettendo in luce la diversa capacità di trasportare la corrente attraverso la soluzione: nulla per zucchero e alcol, massima per NaCl (anche in funzione della concentrazione), intermedia per un soluto come l acido acetico. Si può notare che il passaggio di corrente nella soluzione è accompagnato da fenomeni quali liberazione di bolle di gas o deposizione di solidi, che avvengono alla superficie degli elettrodi (elettrolisi). Si possono così distinguere i soluti in non elettroliti e in elettroliti, e questi ultimi in elettroliti forti e deboli a seconda della loro capacità di trasportare la corrente. L osmosi Quando due soluzioni di diversa concentrazione sono poste a contatto tramite una membrana che lasci passare solo le molecole di solvente (semipermeabile), si ha un flusso di solvente da quella più diluita a quella più concentrata. Tale fenomeno è detto osmosi. Tale fenomeno è di grande importanza in campo biologico, costituendo uno dei meccanismi di pag. 26

27 trasporto dell acqua attraverso le membrane cellulari. Partendo da esperimenti che utilizzano membrane semipermeabili naturali o artificiali, si può visualizzare il fenomeno. Il flusso d acqua nel dispositivo in figura continua finché non si forma all interno un battente idrostatico (dislivello rispetto al liquido all esterno) tale da arrestare il flusso stesso (pressione osmotica). La spiegazione del fenomeno non è elementare, ma la si può accennare vedendo nell osmosi una manifestazione della tendenza al livellamento delle differenze di concentrazione dei soluti tra i due lati della membrana semipermeabile. Si possono realizzare alcune semplici esperimenti che evidenziano il passaggio di acqua attraverso le membrane cellulari a causa del gradiente di concentrazione. Utilizzando una patata, sbucciata, tagliata a metà e scavata all interno, si può ottenere l osmosi in due modi. In una metà si colloca un po di sale e la si pone in una recipiente contenente acqua. L altra metà della patata, in cui è stata versata acqua distillata all interno, viene invece posta in un altro recipiente contenente una soluzione salina concentrata. Nel primo caso la patata si riempie d acqua, nel secondo si svuota, per il flusso di liquido che è opposto nei due casi. Un fenomeno comune di osmosi è ad es. il sugo che si forma quando alle fragole viene aggiunto dello zucchero, che richiama acqua dall interno delle cellule vegetali. Se le cellule vengono poste in una soluzione a concentrazione maggiore di quelle presente al loro interno (ipertonica) perdono acqua (fenomeno della plasmolisi nelle cellule vegetali); se vengono poste in una a concentrazione inferiore, o in acqua pura (ipotonica), si rigonfiano sino a scoppiare. Anche in questo caso si possono richiamare esperienze comuni, come il raggrinzimento della pelle delle mani o dei piedi dopo un prolungato bagno in mare. Plasmolisi di cellule vegetali Domande guida - Quali soluti si sciolgono nei vari solventi? - Quali solventi sono tra loro miscibili? - A che cosa attribuire le diverse solubilità osservate? - Quali caratteristiche presentano soluzioni di sostanze come NaCl? - Perché una soluzione di zucchero non conduce la corrente? - Che cosa distingue dal punto di vista elettrico le soluzioni di NaCl da quelle di acido acetico di pari concentrazione? - Che cosa accade attraverso una membrana semipermeabile se ai suoi due lati vi sono soluzioni a diversa concentrazione? Conclusioni La solubilità e la miscibilità dipendono dalle caratteristiche di polarità delle molecole delle sostanze coinvolte. La quantità relativa di soluto rispetto alla soluzione è detta concentrazione. Le soluzioni che contengono cariche mobili (ioni) sono in grado di trasportare la corrente mediante l elettrolisi e sono dette perciò soluzioni elettrolitiche. Gli elettroliti si distinguono in forti e deboli. Tra due soluzioni a diversa concentrazione, messe a contatto tramite una membrana semipermeabile, si ha il pag. 27

28 fenomeno dell osmosi che tende a livellare le differenze di concentrazione. [ punto di fuga: circuiti elettrici, legge di Ohm, equilibri chimici, anatomia e fisiologia della cellula] pag. 28

29 A7 L acqua nelle reazioni chimiche Contenuti Reazioni chimiche Reazioni in soluzione Conosce nze Abilità Attività sperimentali Tempi Verifiche 12. Saper riconoscere una Studio di reazioni in 1 ora (introduzione) Relazioni di laboratorio reazione chimica soluzione 2 ore (reazioni) sulle diverse prove Saper riconoscere in (2 ore sviluppo concetti) svolte una reazione reagenti e 1 ora per la verifica finale prodotti Saper rappresentare Verifica scritta o orale una reazione finale sull attività pag. 29

30 L acqua nelle reazioni chimiche: solvente & reagente L acqua è uno dei più comuni ambienti di reazione. All interno di tale mezzo, infatti, sono possibili moltissime reazioni. Quelle accennate sono perciò solo alcune di quelle possibili. Come esempio di reazioni in cui l acqua è solo il solvente si possono considerare reazioni di doppio scambio tra soluzioni di Na 2 SO 4 e BaCl 2, NaCl e AgNO3, CuSO 4 e Na 2 CO 3, KMnO 4 e H 2 O 2 e molte altre, comprese le reazioni acido-base come quella tra NaOH e HCl. Si sceglieranno comunque reazioni in cui la formazione di precipitati, di gas o la comparsa (o scomparsa) di colori renda facile evidenziarle. In questo caso si può sottolineare che la presenza in acqua di ioni separati e liberi di muoversi rende tali reazioni in genere veloci. Si possono quindi fare eseguire queste reazioni in laboratorio, mescolando le diverse soluzioni secondo le indicazioni e annotando i risultati e le osservazioni, cercando di interpretarli in termini di reazioni e di equazioni chimiche che le rappresentano. L acqua però può prendere parte direttamente a moltissime reazioni, quali quelle che coinvolgono l ossidazione del ferro metallico all aria umida, per la quale è sufficiente tenere un po di paglietta d acciaio in un piattino con un po d acqua per alcuni giorni, o quelle più spettacolari dei metalli alcalini come sodio e potassio (da eseguire in condizioni di sicurezza), che producono idrogeno e i rispettivi idrossidi, o ancora la fondamentale reazione della fotosintesi clorofilliana. L acqua può essere anche un prodotto della reazione: è il caso di tutte le combustioni di sostanze contenenti idrogeno. Lo stesso respiro che emettiamo contiene acqua vapore prodotta durante il metabolismo negli zuccheri nelle nostre cellule (respirazione cellulare). Domande guida - Che cosa si osserva quando si mescolano le soluzioni? - Che cosa accade quando si mescolano le soluzioni? - Che ruolo ha l acqua in queste trasformazioni? - Che ruolo ha l acqua nella reazione di ossidazione del ferro? E in quella dei metalli alcalini? - Da dove proviene la condensa che si osserva nello scappamento dei motori a scoppio o nel nostro respiro? Conclusioni L acqua è un solvente nel quale avvengono molte reazioni, dette perciò in soluzione, soprattutto tra reagenti in forma di ioni. L acqua può essere però essa stessa un reagente o un prodotto della reazione, come nella ossidazione di molti metalli, nella fotosintesi o nella respirazione cellulare. Le stesse reazioni che avvengono nel nostro organismo sono, in buona parte, reazioni in soluzione. [ punto di fuga: reazioni chimiche, equazioni chimiche e bilanciamento, acidi e basi, calcoli stechiometrici, velocità di reazione, metabolismo, biochimica] pag. 30

31 Il fil rouge L acqua: 1) è un fluido; 2) è un liquido; 3) esercita una pressione a causa del suo peso; 4) ha una superficie che si comporta come una pellicola elastica (tensione superficiale); 5) tende a risalire all interno di recipienti molto sottili (capillarità); 6) può esistere nei tre stati di aggregazione della materia; 7) può passare dall uno all altro dei stati della materia; 8) è formata da particelle (molecole); 9) le molecole sono in condizioni diverse nel solido, nel liquido e nel vapore; 10) è sottoposta in natura ad un ciclo (ciclo dell acqua); 11) è formata da molecole in continuo movimento; 12) a causa di tale movimento si verificano la diffusione e il moto browniano; 13) è un composto di idrogeno e ossigeno; 14) la sua formula è H 2 O; 15) le molecole d acqua sono polari, cioè hanno una parte positiva e una negativa; 16) quando è liquida o solida tra le sue molecole è presente il legame a idrogeno; 17) è un ottimo solvente per molte sostanze; 18) quando le scioglie forma legami con le loro particelle (ioni o molecole); 19) è in grado di sciogliere sostanze simili ad essa dal punto di vista elettrico (ioniche o polari); 20) se scioglie sostanze che formano ioni dà luogo a soluzioni elettrolitiche; 21) può passare attraverso una membrana semipermeabile per differenza di concentrazione (osmosi): 22) è il mezzo in cui avvengono molte reazioni chimiche; 23) può essere a sua volta un reagente o un prodotto della reazione. pag. 31

32 MAPPA CONCETTUALE pag. 32

33 capillarità tensione superficiale solido presenta in superficie i fenomeni di ACQUA è un fluido perché può scorrere è un liquido perché è un fluido incomprimibile liquido gassoso può esistere in natura allo stato è un composto di idrogeno e ossigeno e quindi ha volume ma non forma propri la sua formula è H 2 O è formata da molecole ha peso proprio tra esse vi è il legame a idrogeno le sue molecole sono polari l acqua stessa può prendere parte alle e quindi esercita la è perciò un buon solvente per sostanze ioniche o polari reazioni pressione idrostatica le soluzioni sono caratterizzate dalla le soluzioni di composti ionici sono l acqua è il mezzo in cui avvengono molte per cui si dispone allo stesso livello nei concentrazione le cui differenze provocano la osmosi soluzioni elettrolitiche vasi comunicanti pag. 33