4. LE MISCELE. Introduzione

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1 4. LE MISCELE Introduzione Una volta acquisito il concetto di sostanza, è dunque possibile distinguere i corpi in sostanze e miscele di sostanze. La maggior parte dei corpi naturali e dei manufatti prodotti dagli esseri umani sono miscele di sostanze pure. Una miscela contiene due o più sostanze e le miscele possono essere qualsiasi combinazione di sostanze solide, liquide e gassose. Le miscele possono essere classificate in miscele omogenee e miscele eterogenee. In questo senso, al fine di operare tale classificazione sono necessari i concetti di fase e di interfaccia. Tra le miscele si presta particolare attenzione alle soluzioni ossia alle miscele omogenee. Formulazioni di riferimento (livello macroscopico-microscopico) un corpo può essere un sistema omogeneo o eterogeneo un sistema omogeneo è costituito da una sola fase; non sono riconoscibili interfacce un sistema eterogeneo è costituito da due o più fasi; sono riconoscibili una o più interfacce un corpo può essere costituito da una o più sostanze un corpo costituito da più sostanze è una miscela di sostanze una miscela è omogenea se costituita da una fase, è eterogenea se costituita da due o più fasi la sostanza conserva la propria identità nei vari stati fisici la sostanza mantiene la propria identità nelle trasformazioni fisiche ogni sostanza può assumere, a seconda delle condizioni ambientali, uno dei tre stati fisici della materia una sostanza è formata da un solo tipo di particelle le particelle che costituiscono una sostanza conservano la propria identità nei vari stati fisici le particelle che costituiscono una sostanza assumono le proprietà definite dal modello particellare 1

2 Reticolo di concetti (livello macroscopico-microscopico) Si ricorda che il reticolo di concetti e le relative formulazioni di riferimento che vengono proposte all insegnante all inizio delle sequenze didattiche costituiscono una guida progettuale e non devono mai essere fornite agli allievi. A ciascuno di questi verrà richiesto di costruire il proprio reticolo di concetti al termine di ogni sequenza o di una serie di sequenze. Questo reticolo rappresenta una tappa verso la costruzione del reticolo generale riportato all inizio del capitolo 2 e permetterà a ogni studente di rappresentare con questo strumento l evoluzione della propria rete concettuale. L insegnante avrà così modo di confrontare i reticoli costruiti dagli allievi con quelli forniti nel testo. Sarà quindi possibile, come già detto, sia verificare la significatività dell'apprendimento e valutare la qualità delle attività di insegnamento/apprendimento, sia ricavare informazioni sulle concezioni degli studenti evidenziando la presenza di eventuali concezioni difformi. 2

3 Sequenza didattica ATTIVITÀ 1: COSA PENSANO GLI STUDENTI Il nostro primo compito, come sempre, è quello di conoscere cosa pensano gli studenti a proposito dei concetti che saranno oggetto di insegnamento. A questo scopo, con la prima attività di questa sequenza si mira a rilevare le concezioni degli studenti a proposito di vari corpi di uso o conoscenza comune. L obiettivo è quello di comprendere quali sono i criteri utilizzati dagli allievi per distinguere le miscele dalle sostanze. Le attività seguenti permetteranno di individuare e definire i concetti che gli scienziati utilizzano per classificare i corpi come sistemi omogenei o eterogenei; come miscele o sostanze. Questa prima attività permette anche di verificare quanto il concetto di sostanza costruito nella sequenza precedente sia stato metabolizzato dagli allievi. Il concetto di sostanza di cui essi dispongono è stato definito a livello microscopico e dunque non può essere utilizzato per stabilire, a livello macroscopico, se un corpo sia una sostanza o una miscela di sostanze. Compito di questa sequenza sarà quindi anche quello di utilizzare il modello particellare per rappresentare correttamente i vari tipi di miscele a livello microscopico. L insegnante fornisce agli allievi, il FOL Per ogni CORPO dell elenco rispondere alla domanda: si tratta di una SOSTANZA? FOL 4.1 a. ACCIAIO q si q no q non so giustifica la tua risposta b. ACQUA q si q no q non so giustifica la tua risposta c. FERRO q si q no q non so giustifica la tua risposta d. CLORURO DI SODIO q si q no q non so giustifica la tua risposta e. ACQUA DI MARE q si q no q non so giustifica la tua risposta f. OSSIGENO q si q no q non so giustifica la tua risposta g. ARIA q si q no q non so giustifica la tua risposta h. LATTE q si q no q non so giustifica la tua risposta Sei in grado d indicare un criterio per definire cos è una SOSTANZA?

4 La discussione consente all insegnante di registrare quanto pesino le conoscenze di senso comune nelle scelte e nelle giustificazioni degli allievi. Questi scoprono di non avere opinioni e conoscenze omogenee. Prendono anche atto che la definizione di sostanza introdotta con il modello particellare: Una sostanza è una porzione di materia costituita di un unico tipo di particelle non consente di rispondere alla prima domanda posta nel FOL 4.1. L insegnante propone allora di cominciare a esaminare alcune sostanze. ATTIVITÀ 2: MISCELARE LE SOSTANZE La sceneggiatura di questa attività presenta due parti distinte e un possibile svolgersi degli eventi in classe. Però, in ogni classe, la discussione si dipana in modo diverso e gli studenti introducono i concetti secondo un ordine che dipende dalle loro conoscenze ed esperienze precedenti. Ogni insegnante deve così ricorrere alla propria esperienza e sensibilità e decidere in quale momento formalizzare i concetti evitando di imporre le proprie idee senza tener conto dei tempi di apprendimento che la discussione tra i suoi allievi manifesta. Può accadere dunque che certi termini e definizioni siano introdotti dagli studenti già nella prima parte, ma non è infrequente che solo nella seconda quei concetti giungano a definirsi. Questa attività prevede che in un primo tempo siano esaminate delle caratteristiche macroscopiche di alcune sostanze. A tale scopo vengono messe a disposizione degli allievi le sostanze elencate nel FOL 4.2a. FOL 4.2a Esaminando le sostanze elencate, completare la seguente tabella: Nome Stato fisico Colore Odore Comportamento con l acqua ( 1 ) Quanti corpi si vedono in ciò che si ottiene con l acqua? In quale stato fisico sono i corpi che si vedono in ciò che si ottiene con l acqua? Considerazioni personali Acqua Ferro Etanolo Solfato di bario Zolfo Esano Cloruro di sodio Zucchero Solfato di rame 1 Per vedere il comportamento con l'acqua, aggiungere, alle provette contenenti i corpi, 5 cm 3 di acqua e agitare accuratamente con una bacchetta di vetro. 4

5 Gli studenti devono completare la tabella riportando le loro percezioni dei fatti. Come si può notare, alcune delle informazioni richieste hanno carattere soggettivo (colore, odore), mentre altre sono facilmente condivisibili (comportamento con l acqua). Tuttavia, la discussione è generalmente ricca e intensa, poiché per esempio aggiungendo acqua al solfato di bario e scuotendo la provetta si ottiene una sospensione che appare simile al latte. Solo attendendo la lenta decantazione del solido bianco si può riconoscere che questo corpo non si scioglie in acqua. Osservare non conduce a rilievi oggettivi; lo studente che non attende che il solfato di bario si depositi sul fondo vede e registra un dato diverso dallo studente che non si ferma alla prima impressione. Il confronto dei risultati di tutti gli allievi è essenziale. Non si tratta solo di portare gli allievi ad acquisire una certa manualità nella pratica di laboratorio, ma di metterli in condizione di riflettere sulle proprie azioni e sul significato che esse hanno, ossia sul rapporto che intercorre tra i fatti come noi li percepiamo e l interpretazione che noi attribuiamo a quei fatti. È in questo contesto che il comportamento con l acqua manifestato dalle varie sostanze acquista particolare importanza. In questa prima parte della seconda attività compaiono le differenze tra soluzioni, emulsioni, sospensioni. Inoltre, la domanda Quanti corpi si vedono in ciò che si ottiene con l acqua? introduce la discussione che porterà a definire i concetti di fase e di interfaccia. In un primo tempo, questa richiesta dell insegnante può suscitare qualche perplessità, ma si rivelerà essenziale nello studio della chimica. Infatti, una delle domande più frequenti riguarda la consegna di verificare il comportamento dell acqua con l acqua; in ogni classe, più di uno studente chiede: Che senso ha verificare cosa succede se aggiungo acqua all acqua? Questo è un momento fondamentale, poiché l insegnante chiede: Secondo voi come possiamo rappresentare il sistema che si ottiene aggiungendo acqua alla sostanza acqua? Durante la discussione, qualcuno afferma che aumenta solo la quantità di acqua, ma la sostanza aggiunta è sempre acqua; dato che vengono aggiunte particelle dello stesso tipo, aumenta solo il numero di particelle. Viene stabilita, a questo punto, la corrispondenza semantica tra il comportamento macroscopico delle sostanze e la rappresentazione microscopica di ciò che accade. Al disegno che rappresenta il sistema acqua è sufficiente aggiungere una certa quantità di particelle dello stesso tipo senza mutare alcuna altra caratteristica del modello particellare (figura 1). Figura 1 Rappresentazione della sostanza acqua prima (a) e dopo (b) l aggiunta di altra acqua A questo punto, l insegnante chiede agli studenti di rappresentare tutti i sistemi che hanno ottenuto aggiungendo acqua alle varie sostanze della tabella del FOL 4.1a. Ora, utilizzando il modello particellare, in ogni sistema, ciascuna sostanza viene rappresentata con un simbolo iconico diverso; inoltre la distanza tra le particelle, la loro disposizione più o meno ordinata ci permette di rappresentare lo stato fisico in cui si trova ciascuna delle sostanze che compongono il sistema esaminato. Qualcuno comincia a contare le particelle che disegna, poiché ritiene che il numero di 5

6 particelle aggiunte si trovi, al termine dell operazione, dentro il sistema ottenuto. Per esempio, aggiungendo dell acqua allo zucchero questo si scioglie e si ottiene un sistema dall aspetto indistinguibile dall acqua; però un cambiamento è avvenuto e la rappresentazione del sistema ottenuto deve spiegarlo secondo quanto previsto dal modello particellare. (Figura 2) Figura 2 Rappresentazione della sostanza acqua (a), dello zucchero (b) e del sistema acqua/zucchero (c) Nell esempio rappresentato nella figura 2 viene anche rispettato il numero di particelle delle due sostanze prima e dopo l aggiunta. Dato che il modello particellare prevede che Una particella di una certa sostanza ha sempre la stessa quantità di materia, che cambia al cambiare della sostanza, si può giungere alla conclusione che la massa del sistema finale è la somma delle masse dei sistemi iniziali. È possibile che qualche studente chieda di poter verificare con una bilancia questo fatto. L insegnante chiede allora agli studenti di progettare e mettere in atto l esperimento. Il modello si dimostra efficace, poiché permette di prevedere il comportamento macroscopico dei sistemi esaminati. Rappresentazione con il modello particellare Nome sostanza sostanza Comportamento con l acqua Acqua Ferro Etanolo Solfato di bario Zolfo 6

7 Esano Cloruro di sodio Zucchero Solfato di rame Tabella 1 Rappresentazione delle sostanze del FOL 4.2a e del loro comportamento con l acqua Se nessuno studente introduce l aspetto quantitativo, l insegnante può rinviare questo argomento alle attività successive. Nella Tabella 1 vengono riportati alcuni esempi, proposti da alcuni studenti, di rappresentazioni delle sostanze 1 presenti nel FOL 4.2a e dei relativi sistemi ottenuti con aggiunta di acqua. Sono state scelte delle rappresentazioni in cui viene rispettata la conservazione del numero di particelle delle varie sostanze dopo l aggiunta di acqua. Occorre chiarire che, a questo punto, non sono pochi gli studenti che non tengono conto di questa caratteristica. Quando vengono mischiate due sostanze, come accade quando studiamo il comportamento di una sostanza con l acqua, possono verificarsi due situazioni: nella prima, nel sistema si possono riconoscere macroscopicamente due parti che presentano ciascuna una propria omogeneità e si può percepire dove finisce l una e comincia l altra; nella seconda, tutto il sistema presenta una sua omogeneità e non si distingue alcuna separazione tra parti diverse. È possibile che la discussione tra gli studenti suggerisca all insegnante di dare un nome alle varie parti che presentano omogeneità: si chiamano fasi. In questo caso, l insegnante chiede: cosa rende visibile la separazione del sistema in due fasi? Non è così semplice esplicitare che per vedere le fasi occorre percepire una superficie che si determini quando percepiamo una discontinuità nell omogeneità di un corpo. Viene usata spesso l espressione: c è una linea che divide (separa) due parti. La discussione deve giungere alla condivisione che si tratta di una superficie che si determina là dove due parti di un sistema entrano in relazione e che si chiama interfaccia. Nelle rappresentazioni di un sistema eterogeneo, cioè formato da più fasi, accade spesso che gli studenti mostrino difficoltà a distinguere il livello macroscopico e quello microscopico. Nella figura 3 viene proposta una rappresentazione di un sistema eterogeneo (acqua/esano) dove la percezione dell interfaccia a livello macroscopico viene riprodotta a livello microscopico con una linea che separa le particelle che rappresentano una fase dalle particelle dell altra fase. 1 Le sostanze cloruro di sodio, solfato di bario e solfato di rame vengono qui rappresentate senza tenere conto della loro natura ionica; le rappresentazioni cambieranno quando il concetto di ione sarà integrato in un modello particellare più evoluto. 7

8 Figura 3 Rappresentazione difforme del sistema formato dalle sostanze acqua ed esano L insegnante, in questo caso, deve chiedere allo studente di esplicitare di cosa sia costituita, a suo parere, la linea che ha disegnato. La discussione che nasce porta a individuare le differenze tra la rappresentazione del reale nel mondo macroscopico e nel mondo microscopico. Il cammino che gli studenti dovranno percorrere per giungere a comprendere tali differenze è in genere lungo. In ogni classe, qualche allievo pensa che per concepire un sistema a livello microscopico bisogna immaginare di fare uno zoom molto spinto su una zona limitata del sistema. Intanto, alcuni allievi hanno già introdotto nei loro interventi le parole miscela, miscuglio, soluzione. Nella seconda parte di questa attività tutti i concetti appena visti vengono approfonditi e precisati. L insegnante propone agli allievi il FOL 4.2b, nel quale vengono esaminate le caratteristiche dei sistemi ottenuti miscelando le sostanze prese in considerazione nel foglio di lavoro precedente. In questo FOL tornano molte argomentazioni che sono state oggetto della discussione precedente. Lo scopo è quello di focalizzare l attenzione sui concetti di fase, interfaccia e miscela e sugli aggettivi omogeneo ed eterogeneo. Un sistema è omogeneo se con metodi ottici è distinguibile la presenza di una sola fase; in altre parole in un sistema omogeneo non siamo in grado di rilevare con metodi ottici la presenza di alcuna interfaccia. Se invece, nel sistema è possibile percepire almeno un interfaccia e quindi sono distinguibili almeno due fasi, siamo in presenza di un sistema eterogeneo. L idea di omogeneità e di eterogeneità di un sistema è quindi in relazione con la presenza di una o più fasi. L affermazione che definisce il sistema formato da acqua e zucchero come miscela 2 omogenea significa che sono presenti più di una sostanza (miscela) ed è percepibile una sola fase (omogenea). Come abbiamo visto, comprendere questi concetti permette di rappresentare in modo corretto sostanze e miscele con il modello particellare, tenendo conto sia delle fasi sia degli stati fisici presenti nel sistema macroscopico. 2 La parola miscuglio è sinonimo di miscela; le espressioni miscela omogenea o miscuglio omogeneo esprimono lo stesso concetto. 8

9 FOL 4.2b Completare la seguente tabella prendendo nota di ciò che avviene mettendo insieme le sostanze esaminate in precedenza Nome delle sostanze Stato fisico Colore Quanti corpi si vedono in ciò che si ottiene In quale stato fisico sono i corpi che si vedono in ciò che si ottiene? Quale nome scientifico daresti a ciò che si ottiene? Acqua + Cloruro di sodio Ferro + Zolfo Acqua + Esano Acqua + Solfato di bario Zucchero + Cloruro di sodio Acqua + Solfato di rame Acqua + Etanolo Zolfo + Cloruro di sodio Acqua + Zolfo Vengono esaminate e devono essere riconosciute alcune delle miscele già studiate in precedenza. Compaiono anche tre miscele tra sostanze allo stato solido che presentano alcune difficoltà di percezione visiva a livello macroscopico. La miscela tra ferro e zolfo viene esaminata ponendo in un mortaio le due sostanze. Con il pestello gli studenti le mischiano intimamente. Quanto più fini sono le polveri, tanto più difficile è riconoscere i grani delle due sostanze a occhio nudo. Se vengono miscelate in modo profondo, si ottiene una polvere dal colore grigio-verdastro. C è chi afferma di essere in presenza di un solo corpo e chi dice che andrebbe usata una lente o un microscopio per vedere meglio. Potenziando la nostra visione con metodi ottici, è possibile distinguere granelli di tipo diverso; in altre parole è possibile vedere la permanenza dei granelli di zolfo e di ferro. Durante la discussione, alcuni studenti suggeriscono di aggiungere alla miscela dell acqua. Essi ritengono, facendo riferimento a quanto accaduto in precedenza nello studio del ferro e dello zolfo, che quest ultimo dovrebbe rimanere sulla superficie dell acqua e il ferro dovrebbe invece affondare. Se nessun allievo dovesse introdurre questa proposta, deve essere l insegnante a chiedere agli allievi di progettare un esperimento per stabilire se si tratti di un solo corpo o di una miscela di sostanze. Solo in assenza di idee degli studenti, evento molto raro, l insegnante chiede agli studenti cosa prevedono che succeda se alla miscela ferro-zolfo viene aggiunta dell acqua. L efficacia di questo esperimento suggerisce agli studenti di aggiungere acqua anche alle altre miscele del FOL 4.2b. L insegnante chiede loro di esplicitare delle previsioni su ciò che si aspettano che avvenga prima di 9

10 effettuare le prove pratiche. Viene anche richiesto di rappresentare le miscele prima e dopo l aggiunta di acqua. Aggiungere acqua alla miscela ferro-zolfo provoca la separazione tra i granelli di zolfo e quelli di ferro. Dato che i primi restano sulla superficie dell acqua e i secondi affondano, alcuni studenti cercano di rappresentare questa situazione (figura 4). Figura 4 Rappresentazione difforme della miscela eterogenea di ferro, zolfo e acqua Questa rappresentazione non è corretta, poiché anche in questo caso si fa confusione tra il livello macroscopico e il livello microscopico. L insegnante deve chiedere agli studenti che propongono questa rappresentazione di spiegare ai compagni cosa rappresentino le tre parti del disegno. In genere, essi dicono che ogni tipo di particella rappresenta una sostanza diversa; il ferro è quello disegnato in basso volendo con questo intendere che si trova sul fondo del recipiente, mentre l acqua è al centro e lo zolfo si trova nella parte in alto. Questa spiegazione si riferisce al livello microscopico per i diversi simboli che vengono disegnati e per il rispetto delle regole del modello particellare, ma raffigura la disposizione dei tre corpi come appaiono a livello macroscopico. Qualche compagno fa notare che il disegno riporta un limitato numero di particelle, mentre il sistema è costituito da un numero enorme di particelle. Le rappresentazioni del mondo macroscopico e di quello microscopico seguono regole diverse che non possono essere confuse tra loro. Se si disegnano delle particelle è impossibile rappresentare contemporaneamente le tre fasi. Come qualche studente fa notare, per disegnare le particelle, bisogna immaginare di fare uno zoom su una parte microscopica del sistema. Non resta che immaginare una piccolissima zona che si trovi al confine tra due fasi e disegnare poche particelle che si trovino lì. A seguito dei risultati ottenuti, la discussione tra gli studenti li porta a condividere le rappresentazioni riportate nella Tabella 2; in essa, si vede che il sistema ferro + zolfo + acqua necessita di due disegni distinti: uno rappresenta il confine tra l acqua e il ferro, l altro il confine tra l acqua e lo zolfo. 10

11 Rappresentazione con il modello particellare Nome delle sostanze Miscela delle due sostanze Comportamento della miscela con l acqua Ferro + Zolfo Zucchero + Cloruro di sodio Zolfo + Cloruro di sodio Tabella 2 Rappresentazione delle miscele di sostanze solide del FOL 4.2b e del loro comportamento con l acqua Le rappresentazioni di ciò che si può percepire, cioè del mondo macroscopico, sono molto diverse dalle rappresentazioni del mondo microscopico immaginato e interpretato con il modello particellare. A questo punto, l insegnante può aiutare gli studenti a formalizzare e definire i concetti argomento dell attività Un corpo puro è un sistema costituito di una sola sostanza Una sostanza è una porzione di materia costituita di particelle dello stesso tipo Una miscela è un sistema costituito di due o più sostanze In un sistema, si definiscono fasi le porzioni di materia omogenee, di data composizione chimica e in un determinato stato fisico, distinguibili con metodi ottici e separabili meccanicamente. In generale Un sistema costituito da due o più fasi è detto eterogeneo Un sistema costituito da una sola fase è detto omogeneo L interfaccia è la superficie di confine che permette di distinguere due differenti fasi a contatto tra loro. 11

12 Ora l insegnante può chiedere agli studenti se sanno fare qualche esempio di un sistema eterogeneo costituito di una sola sostanza. In genere, in ogni classe qualche studente arriva a proporre il sistema acqua e ghiaccio. Se ciò non accadesse, l insegnante ripropone il primo esempio di questa attività, cioè l aggiunta di acqua all acqua. Si può ottenere un sistema eterogeneo aggiungendo acqua all acqua? Una volta percepita un interfaccia nel sistema acqua-ghiaccio e quindi la sua eterogeneità per la presenza di due fasi non resta che rappresentarlo con il modello particellare (figura 5) e confrontare tale rappresentazione con quella che si era fatta nel primo esempio del FOL 4.2a. Figura 5 Sistema acqua-ghiaccio e sua rappresentazione con il modello particellare ATTIVITÀ 3: LE SOSTANZE GASSOSE NELLE MISCELE Nella sequenza che introduce il modello particellare, è stato già considerato il corpo gassoso aria. Ora possiamo definire il sistema aria una miscela omogenea di più gas. Non dovrebbero esserci problemi a rappresentare con il modello particellare l aria. Questa è la prima richiesta che compare nel FOL 4.3. FOL 4.3 I due gas più abbondanti nell aria sono l azoto e l ossigeno. 1. Non considerando gli altri gas che costituiscono l uno per cento della miscela, rappresentare con il modello particellare il sistema formato di 80% di gas azoto e 20% di gas ossigeno. 2. Nell acqua frizzante abitualmente in commercio è disciolto il gas diossido di carbonio. Secondo te, si tratta di una miscela omogenea? 3. q sì q no q non so giustifica la tua risposta Secondo te, come si può rappresentare con il modello particellare l acqua frizzante? 12

13 La prima rappresentazione (figura 6) non comporta problemi (solo qualche allievo necessita di rivedere le proprie concezioni); ricordiamo che è comunque difficile disegnare le particelle molto distanti nelle rappresentazioni di corpi gassosi. Figura 6 Rappresentazione della miscela azoto-ossigeno nell aria La miscela formata da diossido di carbonio disciolto nell acqua dà origine a differenti rappresentazioni e a discussioni intense. Dato che nell immaginario comune l acqua frizzante (come dice il nome) presenta effervescenza, cioè l evidente presenza di bollicine, parecchi studenti cercano di rappresentare questa situazione come indicato nella figura 7. Figura 7 Rappresentazione difforme della miscela di diossido di carbonio e acqua Rappresentazioni di questo tipo sono molto frequenti, ma altrettanto frequenti sono le eccezioni che altri allievi avanzano. Nella figura 7, si nota il tentativo di rappresentare le bolle di gas disperse nell acqua, ma come già evidenziato in precedenza non è possibile disegnare un sistema come appare a livello macroscopico (in questo caso disegnare le bollicine) ricorrendo a un immagine che utilizza le particelle, cioè che si riferisce al modello microscopico. Infatti, gli studenti che non sono d accordo con questa rappresentazione affermano che non si può rappresentare con poche particelle (in questo caso tre) una bolla che ne contiene un enorme numero. La discussione è accesa e rischia di non pervenire a una rappresentazione condivisa. L insegnante propone un semplice esperimento. Si tratta di prendere due bottigliette ermeticamente chiuse di acqua (in tutte le scuole sono presenti i distributori): una di acqua gassata e l altra di acqua non gassata. Dopo aver tolto le etichette, l insegnante chiede agli studenti: Secondo voi, in quale di queste bottigliette c è acqua contenente diossido di carbonio? Quando le bottiglie di acqua gassata sono sigillate, la pressione interna fa sì che il gas sia completamente disciolto; il loro aspetto è identico a quello di una bottiglia di acqua non gassata e non è possibile distinguere l una dall altra. Solo quando la bottiglia viene aperta la prima volta, la pressione interna eguaglia quella atmosferica e buona parte del diossido di carbonio disciolto lascia la miscela formando una rilevante effervescenza. È una situazione usualmente vista da tutti, ma non è comunemente osservata, cioè molto raramente si individua un problema che genera una riflessione sul fatto. Per aiutare gli studenti a giungere a una rappresentazione condivisa, l insegnante chiede quale tipo di miscela sia contenuta nella bottiglia prima dell apertura e quale tipo di miscela sia riconoscibile dopo l apertura. Si giunge in poco tempo a condividere che prima di aprire la bottiglia contenente acqua gassata non è percepibile alcuna interfaccia nel liquido contenuto: si tratta quindi di una miscela omogenea. Dopo la prima apertura, le bolle di gas determinano l instaurarsi di interfacce che ci fanno ritenere eterogenea la miscela. 13

14 Nella figura 8 sono rappresentate le due miscele. Nella prima (8a) le particelle di diossido di carbonio sono disperse nell acqua quindi la rappresentazione microscopica è in accordo con il fatto che non si vedano interfacce a livello macroscopico. Nella seconda (8b) non è possibile rappresentare tante bolle, ma bisogna limitarsi a disegnare alcune particelle che appartengono a una bolla di diossido di carbonio e alcune particelle di acqua; si tratta di una porzione molto limitata, ma il disegno è in accordo con il fatto macroscopico che siano percepibili interfacce. a b Figura 8 Rappresentazione di particelle di una sostanza gassosa disperse nell acqua (a); rappresentazione di alcune particelle di una sostanza gassosa contenute in una bollicina sospesa nell acqua (b). Un fenomeno interessante è l interazione acqua-aria. Sulla superficie terrestre sono presenti distese più o meno grandi di acqua: oceani, mari, laghi, fiumi, torrenti. Tutte queste acque sono in contatto con l aria: la superficie degli oceani, dei mari, dei laghi, dei fiumi e dei torrenti è l interfaccia di un gigantesco sistema eterogeneo costituito da acqua (fase liquida) e aria (fase gassosa). Cosa succede alle sostanze gassose che compongono l aria che è in contatto con l acqua? Le sostanze si sciolgono nell acqua è danno origine alla formazione di una soluzione di aria, costituita di diversi gas, nell acqua. Quando un insegnante chiede agli studenti di spiegare come pensano che avvenga la respirazione nei pesci, emergono parecchie concezioni difformi. Per raccoglierle e consentire agli allievi di discutere delle loro conoscenze a proposito di questo argomento viene introdotto il FOL4.4. FOL 4.4 Nella respirazione umana viene utilizzato l ossigeno presente nell aria. Anche i pesci respirano e per farlo utilizzano le branchie. Secondo te: 1. Cosa viene introdotto attraverso le branchie? Quale gas viene utilizzato dai pesci nella respirazione? Dove si trova il gas che viene utilizzato dai pesci nella respirazione? Sei in grado di spiegare come avvenga la respirazione dei pesci? Durante la discussione emergerà che i gas che costituiscono la miscela aria si sciolgono nell acqua e l ossigeno diventa quindi disponibile ai pesci che, grazie alle branchie lo separano dall acqua. A questo punto, rappresentare il sistema aria disciolta nell acqua può diventare un attività piuttosto impegnativa; alcuni allievi pensano all acqua di mare e quindi oltre ai gas dell aria disegnano anche 14

15 altre particelle che rappresentano una o più sostanze disciolte nell acqua di mare; altri studenti propongono rappresentazioni assai più semplici. Spetta a ogni insegnante decidere se affrontare con quella classe un attività che potrebbe impegnare parecchio tempo. L insegnante può infine citare due casi di miscele eterogenee in forma di sospensioni in cui sono presenti dei gas. Il primo caso è conosciuto come nebbia (goccioline d acqua disperse nell aria). L aria che ci circonda contiene dell acqua sotto forma di gas (vapore acqueo); quando gli strati di aria si raffreddano, il vapore d acqua si condensa formando piccole goccioline d acqua. Si forma una nuvola in prossimità del suolo che prende il nome di nebbia. Tuttavia è bene ricordare che qualunque sospensione di goccioline di un liquido in un gas prende il nome di nebbia. Fa parte della nostra esperienza quotidiana vedere il fumo di un camino o emesso dai tubi di scarico dei veicoli. Si tratta della sospensione di granelli di sostanze solide disperse nell aria. Anche in questo caso, è bene specificare che qualunque sospensione di granelli di sostanze solide in qualunque gas prende il nome di fumo. ATTIVITÀ 4: LA DISSOLUZIONE È giunto il momento di definire le soluzioni. Questo è il nome che abitualmente viene attribuito alle miscele omogenee costituite da sostanze solide, liquide o gassose disciolte in una sostanza liquida. Però, va chiarito che qualunque miscela omogenea può essere chiamata soluzione. Quando una sostanza si discioglie in un'altra si ha un processo di dissoluzione; per esempio il primo caso presente nel FOL 4.5 prevede che la sostanza solida saccarosio si sciolga in acqua. Si dice che il saccarosio è solubile in acqua, che l acqua funziona da solvente, mentre la sostanza che si scioglie (saccarosio) costituisce il soluto. Esistono vari tipi di soluzione, in cui sono coinvolte sostanze in diversi stati di aggregazione. In tutti i casi di dissoluzione, viene spesso detto che il soluto scompare. Nell esempio del saccarosio disciolto in acqua, è possibile verificare la presenza del soluto nella soluzione assaggiandola. Tuttavia questa pratica va sconsigliata, poiché non sempre un soluto è innocuo e di sapore piacevole. Comunque, in una soluzione, il soluto non scompare; è più corretto dire che non è più visibile. Per spiegare ciò che succede si deve passare al livello microscopico. A contatto con l acqua, le particelle di saccarosio si allontanano le une dalle altre e diffondono tra le particelle dell acqua. Nel processo di dissoluzione, a livello macroscopico si verifica che: Le sostanze implicate si conservano dal punto di vista qualitativo, ossia esse conservano la propria identità. Le sostanze implicate conservano la propria quantità, ossia si ha conservazione della quantità di materia. A livello microscopico questo viene spiegato ammettendo che: Dal punto di vista qualitativo, il solvente viene rappresentato con un determinato tipo di particella e il soluto viene rappresentato con un altro tipo di particella, uguale a quello usato per rappresentare il corpo solido. Dal punto di vista quantitativo, la conservazione della quantità di materia viene rappresentata mantenendo inalterato il numero delle particelle del solvente e del soluto. Viene perciò assegnata la consegna di completare il FOL 4.5. Si tratta di rappresentare in una tabella molte soluzioni che gli studenti hanno già studiato. 15

16 1. Rappresentare nella seguente tabella le sostanze indicate e le corrispondenti miscele. FOL 4.5 Rappresentazione con il modello particellare sostanza sostanza Miscela omogenea Acqua Zucchero Acqua e zucchero Acqua Etanolo Acqua e etanolo Ossigeno Acqua Ossigeno e Acqua Ossigeno Azoto Ossigeno e Azoto Rame Zinco Rame e Zinco La discussione che segue ha lo scopo di evidenziare come la rappresentazione delle varie miscele omogenee presenti sempre lo stesso schema. In tutte le rappresentazioni delle miscele omogenee, le particelle di una sostanza sono disperse tra le particelle dell altra sostanza. Questa disposizione delle particelle rappresenta una situazione di omogeneità a livello macroscopico; in altre parole, nel sistema macroscopico non sono visibili interfacce e quindi è presente una sola fase. Nella figura 9 vengono presentate alcune possibili rappresentazioni sulle quali gli studenti giungono a condivisione. Una soluzione è una miscela omogenea, ossia costituita di un unica fase, di almeno due sostanze. La sostanza presente in quantità minore solida, liquida o gassosa prende il nome di soluto, mentre la sostanza presente in quantità maggiore prende il nome di solvente. 16

17 Rappresentazione con il modello particellare sostanza sostanza Miscela omogenea Acqua Zucchero Acqua e zucchero Acqua Etanolo Acqua e etanolo Ossigeno Acqua Ossigeno e Acqua Ossigeno Azoto Ossigeno e Azoto Rame Zinco Rame e Zinco Figura 9 Rappresentazione con il modello particellare di miscele omogenee (soluzioni) Una volta condivisa questa situazione, in genere, alcuni studenti dicono che le particelle si possono disegnare come si vuole, ma risulta difficile capire come avvenga che il corpo solido rame si mischi intimamente con il corpo solido zinco. L insegnante fa presente che quella miscela è una soluzione solida conosciuta con il nome di lega. Qualche studente afferma che per mischiare i due metalli bisogna prima farli fondere, ma è frequente che qualcuno dica che bisogna scioglierli. L insegnante chiede allora agli studenti di spiegarsi meglio. Viene specificato, a volte in modo contradditorio, che il rame e lo zinco devono essere liquidi per potersi mischiare. Si riscontra così che il linguaggio quotidiano genera confusione tra il fenomeno della fusione e quello della dissoluzione. Il verbo sciogliere indica la dissoluzione di una sostanza in un altra; dunque l azione indicata dal verbo sciogliere prevede la partecipazione di almeno due sostanze. Il verbo fondere indica invece che una sostanza cambia il proprio stato fisico da solido a liquido. Qui si apre la sequenza relativa ai passaggi di stato. È opportuno riassumere i concetti trattati in questa sequenza nel seguente schema: 17

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