P.D 4 Acqua come solvente P.D 4A Miscugli e separazione di miscugli Esempio di percorso

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1 P.D 4 Acqua come solvente P.D 4A Miscugli e separazione di miscugli Esempio di percorso Scuola primaria e secondaria di primo grado Attività iniziali Il lavoro, organizzato a gruppi, può prendere avvio dall osservazione di oggetti quotidiani (oggetti in plastica, in ferro, in legno, polistirolo, segatura, farina, detersivo in polvere, limatura di ferro, sale, zucchero, farina, fagioli,, lenticchie, inchiostro, succo di limone, acqua..) per arrivare ad una prima classificazione in base ad attributi diversi fra i quali solidi e liquidi. Ricordando le loro proprietà si può porre il problema della classificazione delle polveri che se versati in un recipiente ne assumono la forma; osservando con una lente di ingrandimento si arriverà alla conclusione che le polveri sono piccole particelle solide. Si passa quindi ad esplorare i fenomeni di interazione fra materiali analizzando cosa succede mettendo in contatto le sostanze (inizialmente due sostanze): per determinare quali idee dovranno essere rafforzate e quali invece dovranno essere modificate si può partire dalle concezioni spontanee e conoscenze pregresse possedute dall'allievo, ponendo alcune domande mirate: cosa succede se mescolo? E si organizza un attività di manipolazione ed osservazione a gruppetti in cui gli alunni mettono a contatto due dei materiali a disposizione. Gli alunni osservano le eventuali trasformazioni e quindi le interazioni fra o diversi materiali, registrano ciò che succede anche con disegni e i risultati delle osservazioni dei vari gruppi vengono messi in comune a livello di classe, eventualmente inseriti in tabelle e discussi. Attraverso le osservazioni e le discussioni si introducono i concetti di miscuglio omogeneo/eterogeneo e di solubilità/non solubilità anche senza utilizzare nella scuola primaria i termini. Gli alunni potranno poi riflettere e trovare altri casi di interazione nella realtà quotidiana. Formazione e separazione di miscugli A gruppetti i ragazzi mescolano solidi (fagioli, lenticchie, riso, sale grosso), si osserva il miscuglio ottenuto e si pone il problema di come separarli. Usando setacci a maglie diverse (se non li si hanno a disposizione si possono utilizzare dei cartoni in cui con un punteruolo si fanno fori grandi come gli oggetti che si vogliono separare) si separano i materiali (i fagioli si possono separare anche usando una pinzetta). È importante che gli studenti capiscano come sia fondamentale la scelta dello strumento da utilizzare: se il setaccio è troppo grosso passa tutto, se è troppo fine non passa niente. Si può eventualmente usare anche limatura di ferro (separabile con la calamita; in tal caso è meglio interporre tra calamita e limatura un foglio, per evitare che si attacchi alla calamita). In questo modo si può introdurre il concetto di reversibilità dei fenomeni. Sempre suddivisi a gruppetti i ragazzi mescolano varie sostanze con acqua ad esempio acqua e sale, acqua e zucchero, acqua e sabbia, acqua e farina, acqua e segatura, osservano e descrivono, anche con disegni, quello che succede mescolando, si raccolgono i dati delle osservazioni in una tabella in cui si indica cos è accade all acqua e che cosa alle varie sostanze per arrivare a concludere che ogni miscuglio presenta caratteristiche diverse (opaco/trasparente; limpido/torbido), in alcuni casi, come nel caso del sale e dello zucchero questi sembrano sparire in altri

2 (farina, sabbia, segatura) invece i componenti si vedono ancora e lasciati riposare si depositano sul fondo o galleggiano (miscugli omogenei e miscugli eterogenei ); se non si danno indicazioni sulle quantità di acqua e degli altri componenti da utilizzare può capitare che alcuni gruppi versino ad esempio tanto sale in poca acqua, ciò può essere l occasione per un apertura verso i concetti di concentrazione e di saturazione di una soluzione (vedi più avanti) Per separare l acqua dalla farina, dalla sabbia e dalla segatura si può utilizzare un setaccio a maglie sottilissime (un filtro o un fazzoletto), se i ragazzi hanno già svolto le attività sui terreni ( vedi PD 3B) dovrebbero riconoscere questo metodo di filtrazione, mentre per separare acqua e sale questo metodo non è possibile e se hanno già affrontato l evaporazione e in particolare svolto l attività quanto sale c è nell acqua di mare? (vedi PD3B) dovrebbero arrivare a riconoscere come separare l acqua dal sale. Altrimenti si possono effettuare esperienze prima di affrontare la separazione dei componenti di una soluzione come acqua e sale (vedi esperienza Tante acque e Filtrazione acqua di mare ). Come verifica si può presentare un miscuglio (riso farina, sabbia, sale, segatura, limatura di ferro) e chiedere ai ragazzi di osservare e separare i componenti utilizzando i metodi conosciuti. Nella scuola primaria il piano di riferimento è quello macroscopico, nella scuola secondaria di primo grado e di secondo grado si chiariscono meglio i concetti introdotti nella scuola primaria: ad esempio quello di miscuglio omogeneo ed eterogeneo: un miscuglio come il latte appare a prima vista omogeneo ma se osservato con il microscopio evidenzia le goccioline di grasso, e si può introdurre la modellizzazione particellare delle miscele. Nella scuola primaria si studieranno soluzioni acquose; nella scuola secondaria di primo e di secondo grado occorre specificare che l acqua non è l unico solvente, e che sostanze insolubili in acqua, possono esserlo solubili in liquidi diversi. Nella scuola secondaria di primo grado si introducono anche gli aspetti quantitativi: conservazione della massa, non conservazione del volume. Sono possibili e opportuni collegamenti con la matematica ( calcolo di percentuali ponderali, percentuali volumetriche e i g di soluto per litro di soluzione). CROMATOGRAFIA Scuola secondaria di I grado Un altro metodo di separazione dei componenti è quello della cromatografia su carta: si preparano delle striscioline di carta assorbente (circa 20cm x 5cm) ; a due cm dal bordo inferiore si fa un segno in orizzontale con un pennarello colorato (nero, blu, rosso, verde...) e si immergono le striscioline in un recipiente di vetro in cui è stata versata poca acqua (fino al livello di 1 cm di altezza) stando attenti che l acqua non bagni il tratto di pennarello; si lasciano immerse le strisce; man mano che l'acqua sale (per capillarità) nella striscia i colori componenti vengono separati. Scuola secondaria di secondo grado Si possono far fare ai ragazzi esperimenti strutturati con può essere utilizzato per introdurre percorsi di chimica, e collegato alle tecniche per la separazione dei miscugli

3 L attività è svolta in laboratorio di chimica con esperimenti strutturati secondo protocolli discussi con gli allievi e in classe per le parti che richiedono elaborazione dei dati. Si possono realizzare una o due esperienze, la cromatografia degli inchiostri e degli estratti degli spinaci (quest ultima richiede anche una tecnica, estrazione, per avere il miscuglio da separare) Si parte dalla discussione sul significato del termine materiale nel senso comune e sulla necessità di identificarlo senza ambiguità grazie alla scienza chimica. Brainstorming sui termini: materia, materiale, omogeneo/eterogeneo, miscuglio/miscela, componente, elemento, soluzione/ solvente/ soluto, composizione. Si suggerisce di provare ad applicare le considerazioni sulla classificazione dei materiali per esempio ai componenti degli inchiostri dei pennarelli di diverso colore. Si distribuisce carta da filtro, si danno informazioni generiche sull attività sperimentale e si invitano gli studenti a realizzare a casa (in bicchiere con acqua, o altri solventi casalinghi tipo acetone, alcol o diverse miscele) la separazione dei colori! : tecnica che i chimici chiamano cromatografia Esperimento 1 Separazione cromatografia dei componenti degli inchiostri Si procede con la discussione del protocollo: si commentano i risultati ottenuti a casa (dovrebbe emergere la funzione dell eluente e quindi una discussione sull esistenza di diverse affinità tra i componenti) Si propone di realizzare, in maniera riproducibile e più accurata, una cromatografia utilizzando diversi eluenti e diverse tecniche, secondo un preciso protocollo, che viene spiegato agli studenti Si assegna relazione a casa con elaborazione dei dati (Calcolo Rf e identificazione dei componenti comuni ai diversi inchiostri) e con domande poste agli studenti sull interpretazione del fenomeno. In classe si discutono le relazioni svolte a casa, in particolare sulle ipotesi formulate dagli studenti per interpretare il fenomeno. Esperimento 2 Estrazione e separazione di pigmenti di foglie di cavolo nero Il secondo esperimento richiede una preventiva preparazione del campione (essicato ed estratto) che viene fatta dal docente, che documenterà le diverse fasi. Si procede con la cromatografia, è veloce e può essere fatta dalla cattedra, se gli studenti hanno già realizzato personalmente la tecnica con gli inchiostri. Si esaminano le lastrine con i diversi colori (giallo, rosso, verdi) e si procede alla discussione con gli studenti

4 CRISTALLIZZAZIONE Nella scuola secondaria di primo grado si possono far fare ai ragazzi esperimenti strutturati con analisi quantitative del problema. La cristallizzazione (tecnica di separazione di un miscuglio che si basa sulla diversa solubilità a caldo e a freddo di una sostanza in un solvente) può essere il punto di partenza per introdurre il concetto di sostanza pura intesa come materiale purificato sino a un certo livello, in modo da avere una sostanza che è caratterizzata da proprietà fisiche costanti (in laboratorio si può fare solo con composti di cui si possa determinare successivamente la temperatura di fusione!) Esperimento 1 Cristallizzazione del solfato di rame pentaidrato (CuSO 4.H 2 O) o Cloruro di Sodio (NaCl) Si presenta alla classe un problema di tipo pratico: come purificare un sale con impurezze (solfato di rame pentaidrato o cloruro di sodio, con carbone vegetale di massa nota) Si discute con gli studenti per la scelta di una strategia adatta alla separazione dei componenti del miscuglio Si individua nella dissoluzione a caldo il primo passo per la tecnica di separazione Si realizza a coppie la pesata di una quantità nota di miscuglio di sale e carbone vegetale. Si dissolve a caldo e si osserva il risultato Si registra la scomparsa di parte del solido Si filtra a caldo e si osserva la permanenza sul filtro di residuo nero, individuato come carbone vegetale Si decide di raffreddare il filtrato lasciandolo a riposo per una settimana Dopo una settimana si osserva il risultato della formazione di cristalli In base alle caratteristiche del risultato si decide come cercare di ottenere l isolamento dei cristalli (filtrazione nel caso di cristalli in presenza di acqua residua) Si pesano i cristalli secchi e si calcolala resa % di cristallizzazione come rapporto tra la massa di sale di partenza e massa di sale ottenuto come cristalli finali moltiplicato per cento

5 La concentrazione in una soluzione Il concetto della concentrazione dovrebbe essere sviluppato dapprima in modo qualitativo e successivamente in modo quantitativo. Negli ultimi anni della scuola primaria si può iniziare utilizzando sostanze colorate inchiostro, tempere ): la differenza di concentrazione viene evidenziata dalla differenza dell intensità del colore. Per le soluzioni di sostanze incolori, si fa riferimento, senza far assaggiare, ad altre proprietà (più salato meno salato, più dolce meno dolce per le soluzioni di sale o zucchero; oppure alla quantità di residuo ottenuta per evaporazione delle stesse quantità di soluzioni a diversa concentrazione. Nella scuola secondaria di primo grado si possono utilizzare le soluzioni di acqua e zucchero per studiare soluzioni di diversa concentrazione e effettuare collegamenti con la matematica lavorando sulla proporzionalità diretta, su quella inversa e sulle proporzioni (vedi Apiaget_elementari_UDEF) Le soluzioni sature Prendendo eventualmente spunto dalle esperienze libere precedenti si può introdurre il concetto di saturazione di una soluzione. Si prendono 10 bicchieri di plastica trasparente e si numerano da 1 a 10 con un pennarello indelebile Si allineano e si riempiono della stessa quantità d'acqua poi si comincia a versare un cucchiaino di sale nel primo bicchiere, due nel secondo, ecc., mescolando bene, finché il sale non si è sciolto Ad un certo punto si nota che il sale non si scioglie più, perchè la soluzione è satura Se si ha la possibilità di usare un fornellino o una piastra elettrica, si può mettere la soluzione satura a scaldarsi in un pentolino: l acqua calda scioglie il sale più velocemente (come si può osservare quando si prepara la pastasciutta: a freddo il sale grosso si scioglie con difficoltà, occorre agitare con un cucchiaio! A caldo il processo è più veloce!) In genere l'acqua calda è un solvente migliore dell'acqua fredda ma se si usa il sale da cucina (cloruro di sodio, NaCl, la solubilità a caldo e a freddo è uguale) questa regola empirica non è verificata. ACQUA COME SOLVENTE: PREPARAZIONE DI SOLUZIONI E CONTROLLO CON IL DENSIMETRO Scuola secondaria di II grado Può essere utilizzato per introdurre le soluzioni (all inizio dell anno per un corso di chimica, scienze) verso fine gennaio per un corso di chimica/fisica in un insegnamento integrato) o come conclusione di un percorso sul concetto di misurazione diretta della densità, per introdurre il concetto di miscuglio. Può essere collegato al percorso didattico 2 in quanto è un applicazione/ripasso del concetto di densità e dell uso del densimetro

6 L attività è svolta in laboratorio di chimica/fisica con esperimenti strutturati secondo protocolli discussi con gli allievi e in classe per le parti che richiedono elaborazione dei dati Esperimento 1 Preparazione di una soluzione (ogni studente o gruppo di due) prepara una soluzione di concentrazione nota Si parte dalla discussione sul significato di soluzione e concentrazione. Si spiega il protocollo sperimentale che viene discusso (scelta della vetreria e della strumentazione), si spiegano i calcoli preliminari (calcolo della quantità da pesare, dato il volume e la concentrazione). Ogni studente in coppia procede con la risoluzione del problema quantitativo e procede con l esecuzione del protocollo. Si assegna relazione a casa con elaborazione dei dati. Esperimento 2 Discussione dei dati sperimentali e determinazione della densità di ciascuna soluzione con densimetro Si richiama l uso del densimetro e si procede con il problema pratico: quale sarà la densità di una soluzione di un sale in acqua rispetto al valore dell acqua pura? Dopo una discussione si invitano gli studenti a fare previsioni sull ordine di grandezza dei valori di densità e si invitano a scegliere i densimetri con la corretta scala di utilizzo. Ogni studente in coppia procede con l esecuzione del protocollo: se si tratta di un soluto colorato le soluzioni appaiono più intense se sono più concentrate e in tal caso si possono fare osservazioni a tal proposito. La lettura della scala graduata può generare difficoltà, come la scelta della corretta scala, se il densimetro affonda occorre passare a una scala inferiore!. Si assegna relazione a casa con elaborazione dei dati: costruire una tabella e grafico relativo con i valori di tutta la classe. In classe si discutono le relazioni svolte e si commentano i grafici (d/c), si osservano tutte le regolarità che conducono al concetto di proporzionalità diretta, andamento lineare tra due grandezze e possibilità di utilizzare il grafico ottenuto per scopi

7 analitici : misurando la densità di una soluzione di concentrazione incognita si può risalire al valore di quest ultima. Si può concludere la serie di esperimenti proprio con una prova valutata Esperimento 3 Prova pratica di laboratorio Si può chiudere il percorso con una prova sperimentale tipo esperimento strutturato con verifica con la determinazione della concentrazione incognita di una soluzione di cui si misura la densità. (in questo caso è meglio usare Carbonato di sodio Na 2 CO 3 che fornisce risultati riproducibili) Problem Solving Come determinare la densità di un uovo ( e quindi stabilire se è più o meno fresco) In alternativa si può chiudere il percorso con una proposta di PS come determinare la densità di un uovo ( e quindi stabilire se è più o meno fresco) utilizzando soluzioni e densimetro oppure chiedendo il funzionamento di un termometro di Galileo o di un diavoletto di Cartesio.

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