Giuseppe Valitutti Università di Urbino Carlo Bo Treviso 19 Gennaio 2012

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1 Giuseppe Valitutti Università di Urbino Carlo Bo Treviso 19 Gennaio 2012

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3 Indirizzi utili Per scaricare il software sulle mappe concettuali l

4 Quesito concettuale 1 Boris e i suoi compagni di classe stanno osservando i piccoli cristalli di sale con una lente di ingrandimento. Essi immaginano che, con uno strumento di ingrandimento più potente, potrebbero vedere gli atomi. I loro pareri sono elencati. Con quale allievo siete d accordo e perché?

5 1.Boris Gli atomi sono impacchettati, l uno vicino all altro. Essi ci appaiono come un materiale solido senza spazi vuoti fra gli atomi. 2.Maria Io penso che gli atomi, sistemati ordinatamente, dovrebbero vibrare negli spazi vuoti che li separano. Negli spazi vuoti non c è aria. 3.Nicola Secondo me gli atomi, sistemati ordinatamente, non si muovono e sono separati da spazi vuoti. 4.Carlo Io penso che gli atomi, sistemati ordinatamente, dovrebbero vibrare negli spazi vuoti che li separano. Negli spazi vuoti c è aria. 5.Vera Secondo me dovremmo vedere gli atomi a forma di piccoli cubi. Ciascun cubo piccolo, unito agli altri cubi, dovrebbe formare un cubo grande di sale. 6.Ciro Io penso che dovremmo vedere degli atomi vibranti connessi da piccole linee. Le linee, che connettono gli atomi, danno al sale la caratteristica forma cubica. 7.Rita Io ritengo che dovremmo vedere gli atomi che si muovono da una parte all altra. Il loro movimento avviene all interno della forma cristallina.

6 Se l allievo non è coinvolto e non è autonomo, emergerà dall esperienza scolastica con un nudo catalogo di fatti, non suo ma scelto da altre persone. Olimpiadi: corso intensivo di 15 giorni basato sulla risoluzione di problemi. Gli allievi lavoravano in piena autonomia e si scambiavano le strategie risolutive. Con queste modalità gli allievi acquisivano abilità straordinarie applicabili anche in altri contesti, per esempio nelle prove di selezione della Normale di Pisa. Priorità assoluta: rendere gli studenti autonomi e responsabili del proprio apprendimento.

7 Il vuoto esiste? Gas Materiale Siringa con manometro, bilancia digitale, elastico Domande Discuti col gruppo e poi disegna la struttura microscopica del gas. Ripeti l esperimento riempiendo la siringa d acqua. Riesci a comprimere l acqua? C è maggiore spazio vuoto fra le molecole del gas o le molecole dell acqua?

8 Il vuoto esiste? Liquidi Materiali Matraccio da 250 ml con tappo, imbuto a gambo lungo, contagocce, alcol denaturato, bilancia digitale Domande Ci sono spazi vuoti fra le molecole dell acqua? C è più spazio vuoto fra le molecole dell acqua o fra le molecole dell alcol?

9 C2H5OH alcol Peso molecolare = 46 H2O acqua Peso molecolare = 18 Peso molecolare medio dell olio = king/export/4583/pag2_3_6.html

10 Il vuoto esiste? Solidi Materiali Due cubi di rame e di zinco, bilancia digitale, Tavola Periodica. Domande Qual è il più denso fra Zn e Cu? Qual è il meno denso? Come determiniamo il volume dei due cubi? Confronta la massa atomica dei due metalli, che leggi sulla Tavola Periodica, con le rispettive densità. Il metallo con massa atomica più grande ha pure una densità più elevata? C è maggiore spazio vuoto fra gli atomi di zinco o fra gli atomi di

11 Materiali Modello particellare e trasformazioni fisiche Guanto da forno, 2 beute da 200 ml, bilancia digitale, palloncini di gomma Domande Appena il vapore esce dalla beuta siamo sicuri che l aria non sia più presente? Il vapore acqueo può essere compresso come l aria della siringa? Lo spazio vuoto fra le molecole d acqua è maggiore allo stato gassoso o allo stato liquido? Possiamo dimostrare che le molecole d acqua sono separate da spazio vuoto?

12 Il modello particellare Materiale Bicchiere alto, lenticchie piccole, fagioli borlotti grandi. Stratificare nel bicchiere prima le lenticchie piccole. Stratificare poi i fagioli borlotti. Quale altezza raggiunge il miscuglio dopo agitazione del bicchiere?

13 L entità del moto (energia cinetica media)delle particelle allo stato solido, liquido e gassoso è la stessa se le temperature di solidi, liquidi e gas sono uguali. Cambiano solo le modalità con cui si muovono: nei solidi le particelle vibrano e oscillano intorno a delle posizioni fisse, nei liquidi scorrono l una sull altra e sono disordinate ma vicine, nei gas si muovono in tutte le direzioni. Il Bollitore

14 Di che cosa sono fatte le bollicine? Carlo: sono bollicine di calore Nicola: le bollicine sono piene d aria Teresa: le bollicine sono una forma invisibile d acqua Laura: le bollicine sono vuote e dentro non c è niente Michele: le bollicine contengono idrogeno e ossigeno, che sono gli elementi componenti dell acqua. Con quale allievo/a siete d accordo e perché? Spiegate in 5 righe il vostro pensiero.

15 Sotto zero (0 C) l acqua è solida. Le molecole vibrano e oscillano, pur conservando una struttura rigida. Le molecole sono separate da spazi vuoti. Le molecole si muovono liberamente e sono separate da grandi spazi vuoti. L acqua è liquida da 0 a 100. Le molecole si muovono liberamente, ma rimangono vicine e sono separate da spazi vuoti. Modello particellare

16 Proprietà Solido Liquido Gas Figure Posizione delle particelle Moto delle particelle Forze di attrazione Comprimibilità Le molecole sono vicine e in ordine. Ci sono spazi vuoti fra le molecole. Le molecole vibrano intorno a delle posizioni fisse. Le interazioni fra le molecole, attraverso gli spazi vuoti, sono molto intense. Incomprimibili, perché le nubi elettroniche interagiscono e si respingono attraverso gli spazi vuoti. Le molecole sono vicine ma disordinate. Ci sono spazi vuoti fra le molecole. Le molecole sono in moto e possono scorrere l una sull altra. Le interazioni fra le molecole, attraverso gli spazi vuoti, sono meno intense dello stato solido. Incomprimibili, perché le nubi elettroniche interagiscono e si respingono attraverso gli spazi vuoti. Le molecole sono disordinate e ci sono larghi spazi vuoti. Le molecole sono libere di muoversi in tutte le direzioni. Sono molto deboli le interazioni fra le molecole, attraverso gli spazi vuoti. Facilmente comprimibili, perché le molecole sono molto distanti. Volume e forma Hanno forma e volume propri. Hanno volume proprio ma la forma è quella del contenitore. Non hanno forma e volume propri. Le molecole occupano tutto lo spazio disponibile.

17 L atomo Il premio Nobel Richard Feynman, nel 1963, ha scritto: Se, in un cataclisma, dovesse essere distrutta tutta la conoscenza, quale frase potrebbe contenere il maggior numero di informazioni per le future generazioni? Io credo che sia l ipotesi atomica e cioè che tutte le cose sono costituite da atomi (o da molecole e ioni) piccole particelle che si muovono in tutte le direzioni senza fermarsi mai, che si attraggono, quando sono vicine, ma si respingono se sono schiacciate l una contro l altra. La semplice, ma chiara, idea di Feynman contiene l essenza di tutta la scienza: della biologia, della chimica, della fisica, delle scienze naturali, dell ecologia, della geologia, ecc...

18 Principio di Avogadro

19 La pressione atmosferica

20 La colonna d aria contiene sempre lo stesso numero di molecole. Perché quando l aria è umida la pressione si abbassa?

21 L atomo è colorato?

22 Rame Metallo Solfato di rame anidro Soluzione di Solfato di rame

23 Le idee centrali della Chimica L atomo ha/è? colore, temperatura, conduttore, duro, ecc.., sono proprietà macroscopiche Macroscopico Le Proprietà Fisiche Microscopico Le proprietà chimiche e le strutture atomiche e molecolari

24 I quesiti concettuali

25 Quale diagramma rappresenta le molecole di un composto allo stato gassoso? Cosa rappresentano gli altri diagrammi? A B C D Descrivi in poche righe col tuo linguaggio abituale le scelte, senza far ricorso alle definizioni del libro.

26 Altri quesiti concettuali 1. Sono formati di materia? Indica con una X tutti gli oggetti che sono formati da materiali: -----roccia sale -----luce vapore calore stelle ossigeno elettricità ----freddo amore democrazia ----polvere 2. In inverno la tua camera ha una temperatura di 15 C, quale sarà la temperatura dei seguenti oggetti della tua camera? Gli oggetti sono: una sedia di legno, il pavimento, il tappetino vicino al letto, lo specchio di vetro. Secondo te quali oggetti hanno la stessa temperatura? 3. Roberto ha una piastra di un determinato materiale, che galleggia sull acqua. Roberto prende la piastra e vi crea 5 buchi, con un trapano. Poi, rimette la piastra bucata sull acqua. Cosa pensi che accadrà? A. la piastra bucata affonda; B. la piastra bucata galleggia a pelo d acqua; C. la piastra bucata galleggia alla stessa maniera della piastra senza buchi; D. la piastra bucata va a fondo e poi ritorna in superficie, in continuazione. Spiega le ragioni della

27 Altri quesiti concettuali 4. Teresa versa un cucchiaio di zucchero in un bicchiere d acqua calda. Agita l acqua col cucchiaio, per sciogliere lo zucchero. Segna con una X le affermazioni corrette. A..lo zucchero fonde; B.lo zucchero perde massa; C.lo zucchero si trasforma nelle molecole d acqua; D..lo zucchero forma un miscuglio con l acqua; E..lo zucchero può essere separato dall acqua; F.lo zucchero scompare e non esiste più; G le molecole di zucchero si sparpagliano fra le molecole d acqua; H lo zucchero libera gli atomi di cui è costituito in acqua; I lo zucchero si combina con l acqua per formare una nuova sostanza. 5. Michele misura una barretta di ferro e la pone al sole. Dopo il riscaldamento la barretta è leggermente più lunga. Quale affermazione, riguardante gli atomi di ferro, dopo il riscaldamento, è corretta? A. Il numero di atomi cresce. B. La dimensione degli atomi cresce. C. Lo spazio fra gli atomi cresce. D. L aria che separa gli atomi di ferro si espande. E. Alcuni atomi fondono e si sparpagliano nella barretta. F. Il calore causa un flusso di atomi nella barretta.

28 Altri quesiti concettuali 6. Marta pone un termometro in acqua calda e gli altri allievi guardano cosa accade al termometro, il cui liquido rosso sale rapidamente nel capillare di vetro. I pareri degli allievi sono elencati sotto. Con quale allievo siete d accordo e perché? Enzo L acqua calda spinge il liquido rosso in alto. Paolo La massa del liquido rosso aumenta. Marisa Il calore nel termometro aumenta. Tania L aria nel termometro spinge in alto il liquido rosso. Carlo Le molecole del liquido rosso sono più lontane. Vera Cresce il numero di molecole nel liquido rosso. Maria Le molecole del liquido rosso sono diventate più grandi. 7. Michele ha un palloncino sgonfio. Lo riempie con il gas elio e il palloncino gonfio si innalza nel cielo. Perché? A. Il Pallone che galleggia nell aria ha più massa. B. Il Pallone che galleggia nell aria ha meno massa. C. La massa del pallone sgonfio e del pallone che galleggia nell aria è la stessa. Fornisci una spiegazione della tua risposta in tre righe.

29 Altri quesiti concettuali 10. Moira ha riempito un pallone con aria a 30 C. Pone il Pallone chiuso nel frigo a 5 C ed osserva che, dopo mezz ora, il Pallone ha un volume più piccolo di quello a 30 C. Perché? A. La massa del pallone caldo è minore del pallone freddo. B. La massa del pallone caldo è maggiore della massa del pallone freddo. C. La massa del pallone caldo è la stessa di quella del pallone freddo. Spiega il fenomeno e giustifica la tua risposta in almeno tre righe.

30 Principio di Avogadro

31 Problemi e investigazioni in classe Densità dell aria: Come usi la beuta codata, la bilancia digitale e la pompa da vuoto per calcolare la densità dell aria? Se la densità dell idrogeno H2 è 0,084 g/l, a temperatura ambiente, puoi calcolare il peso molecolare medio dell aria nelle stesse condizioni di temperatura e pressione?

32 1. Si riscalda la bottiglia con 2 3 ml d acqua, sino alla fuoriuscita della prima nebbiolina di vapore, si tappa, si lascia raffreddare. 2. Si pone la bottiglia sulla bilancia e si azzera. 3. Si lascia entrare l aria nella bottiglia e si legge sulla bilancia la massa in grammi del Litro d aria ossia la sua densità. Densitàaria (g/l)/densitàidrogeno H2 (0,084 g/l) = = ½ Peso molecolare medio dell aria

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34 Rapporto fra le densità dell aria e dell idrogeno Densità = Massa/Volume = = N m/volume N = numero di particelle (atomi, molecole oppure ioni) m = massa della particella Densità aria = N m aria /Volume Densità idrogeno = = N m idrogeno /Volume Se calcoliamo il rapporto fra le due densità = = Densità aria /Densità idrogeno

35 Rapporto fra le densità dell aria e dell idrogeno Se calcoliamo il rapporto fra le due densità = = Densità aria /Densità idrogeno Dovremo tenere presente che il volume dei due gas (aria e idrogeno) è uguale, sopra e sotto il segno della divisione, perciò:

36 Rapporto fra le densità dell aria e dell idrogeno Densità aria /Densità idrogeno = = N m aria /Volume N m idrogeno /Volume = = N m aria /N m idrogeno Quindi: Densità aria /Densità idrogeno = N m aria /N m idrogeno

37 Rapporto fra le densità dell aria e dell idrogeno Semplificando N otterremo il rapporto fra la massa molecolare media dell aria e la massa della molecola di idrogeno che è 2: Densità aria /Densità idrogeno = m aria /m idrogeno Da questa uguaglianza ricaviamo m aria Massa molecolare media dell aria = m aria = Densità aria /Densità idrogeno 2

38 Chimica in classe o a casa 1 Risultati attesi Bicarbonato di sodio Bicarbonato di sodio + idrogeno fosfato di calcio Cremore di tartaro Detergente Amido Acqua Aceto Tintura di Iodio Cavolo rosso Na 2 H 2 P 2 O 7 HOOC-CHOH-CHOH- COO - K +

39 Chimica in classe o a casa 2 Pensiero critico Problem solving: identifica le 4 polveri bianche usando le soluzioni in 3 contagocce: acqua, aceto, colorante del cavolo rosso. Le polveri sono gesso (CaCO 3 ), Alkaseltzer, bicarbonato di sodio, vitamina C. Pensiero critico Problem solving: in 3 pipette ci sono le soluzioni di cloruro di calcio, carbonato di sodio, acido cloridrico. Identifica le 3 soluzioni.

40 Chimica in classe o a casa 3 Tieni a bagno, per 30 minuti in acqua calda a 50 C (non in acqua bollente! ), le foglie tagliate sottilmente del cavolo rosso. Filtra il miscuglio. Il filtrato freddo dell estrazione, di colore blu, lo usi per valutare il ph di una soluzione incognita.

41 Chimica in classe o a casa 4 1.Colorante + HCl 2. Colorante + aceto 3. Colorante + bicarbonato di sodio 4. Colorante + cenere

42 Chimica in classe o a casa 5 Pensiero critico Problem solving Identifica le 3 soluzioni di acido cloridrico, di carbonato di sodio e acqua. Puoi usare il colorante del cavolo rosso. Pensiero critico Classificazione I 4 contagocce contengono soluzioni acide e basiche. Classifica le soluzioni usando il colorante del cavolo rosso.

43 La massa si conserva? Materiale Carta da filtro, bilancia digitale, acqua, contagocce Domande Quando la carta assorbente è asciutta, misura e registra la nuova massa. Dove è andata a finire l acqua? Dopo discussione, descrivi sul quaderno il tuo pensiero. L acqua si è trasformata in un gas invisibile? Se il sistema è chiuso la trasformazione subisce cambiamenti di massa? Se la massa non cambia, come lo possiamo spiegare? Come chiami questo processo? Cosa avviene asciugando i panni al sole? Puoi dire che l acqua sparisce e si trasforma in un gas invisibile, formato da particelle microscopiche, che non riesci a vedere? Qual è la massa di una camicia umida in kg e in g? Qual è la massa della camicia asciutta, sempre in kg e in g? In cucina sta bollendo l acqua sul fornello. Sotto quale forma l acqua si trasferisce dalla pentola e fa appannare il vetro della finestra? Il vapore che si trasferisce è visibile o invisibile?

44 Il vuoto esiste? Ghiaccio e acqua Materiale 2 becher, acqua, alcol, cubetti di ghiaccio Domande Le molecole d acqua sono più pesanti delle molecole del ghiaccio? Perché le particelle di ghiaccio galleggiano sull acqua? Perché il ghiaccio affonda nell alcol? Sono più pesanti le molecole dell acqua o le molecole dell alcol? Come spieghi le densità diverse di alcol e acqua? Discuti nel gruppo e arriva a una soluzione del quesito condivisa pure dal docente.