UA 2 La separazione dei miscugli

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1 Gruppo di lavoro SSIS CHIMICA Percorso 1 - DAI MISCUGLI ALLE SOSTANZE UA 2 La separazione dei miscugli Livello scolare di riferimento: III media Collocazione all interno della progettazione annuale: parte iniziale dell anno; seguono Le soluzioni, elementi e composti e le trasformazioni della materia Durata complessiva ore 7,5 compreso la verifica se eseguita ora (+1 fac.) Ambiente: aula con presa di corrente e/o laboratorio Nella precedente UA si è concluso che in natura le sostanze pure sono poche e sono invece molto frequenti i miscugli da cui è necessario ricavare le sostanze. Ci occuperemo allora dei miscugli e della loro separazione. L insegnante fa alcuni esempi di miscugli comuni solidi e liquidi: una roccia (granito), una spremuta di arancia, una cioccolata in tazza, e l acqua del rubinetto, l aria che respiriamo e il vino sono miscugli? Invita poi gli allievi a scrivere altri miscugli sul quaderno. Si discute raccogliendo le idee della classe. Per gli allievi il miscuglio si lega spesso all idea di un liquido torbido, di un solido come il terreno: quasi mai rientra in questo ambito un liquido trasparente ( vino, acqua del rubinetto,..). Per rendersi effettivamente conto di cosa sia un miscuglio è bene che gli allievi ne realizzino qualcuno e imparino a separarli. Sarà necessario trattare più in dettaglio, all interno dell argomento, delle soluzioni e delle loro proprietà. Obiettivi specifici. Fase 1- Miscugliamo : prepariamo dei miscugli e impariamo a separarli Tempo:4 ore Ambiente: Aula con presa di corrente ( o meglio laboratorio) L insegnante spiega che i miscugli si possono fare con solidi, liquidi e gas e propone di cominciare dai solidi, osserva che questi si possono mescolare tra loro, con liquidi oppure con gas ottenendo miscugli solido/solido, solido/liquido e solido/gas e propone infine di iniziare occupandosi di quelli del primo tipo Esperienza 1 - Miscugli solido/solido (presentazione ed esp.1: 1/2 ora) Ciascun gruppo di allievi mescola su un piattino sale da cucina con limatura di ferro in varie proporzioni seguendo una scheda appositamente preparata da consegnare agli allievi ( Scheda 1 in appendice). La scheda richiede: -Descrivere le caratteristiche osservabili dei due componenti del miscuglio -I due componenti si possono mescolare in varie proporzioni (tutte)? -Dopo il mescolamento si possono riconoscere entrambi ad occhio nudo o con l aiuto di una lente di ingrandimento? -Le caratteristiche sono uguali o diverse rispetto a quando erano separati? 1

2 -E possibile separarli di nuovo? Se sì, quale strumento tra quelli dati ti sembra più efficace per separarli? L insegnante invita a compilare la scheda e formulare le considerazioni che vengono richieste al termine dell esperienza e suggerisce di inserire la scheda nella cartellina trasparente del proprio quaderno di lavoro in attesa della discussione con l insegnante. Esperienza 2 Facciamo miscugli sabbia/segatura e sabbia/sale fino da cucina (esperienza 2a: 1 ora) L insegnante consegna agli allievi una seconda scheda ( vedi Scheda 2a in appendice) invitandoli a seguire quanto suggerisce. In particolare ogni gruppo di allievi mescola in un primo bicchiere sabbia con segatura e in un secondo bicchiere sabbia con sale da cucina ( non fornire acqua inizialmente!). L insegnante invita poi ad osservare il primo bicchiere e a rispondere alle prime tre domande della scheda 2a analoghe a quelle della scheda 1 e poi chiede: -com è possibile separare la sabbia dalla segatura? Se il miscuglio resta tra solidi, la separazione dei componenti risulterà pressoché impossibile ( l uso di una lente e di pinzette non si mostra adatto!!). (esperienza 2b: 1 ora) In genere gli allievi intuiscono che per mezzo dell acqua si possono separare i due componenti ma se questo non emerge l insegnante suggerisce: -cosa si osserva aggiungendo nel bicchiere dell acqua al primo miscuglio (mescolando con il cucchiaino e lasciando riposare)? -come si possono separare ora i due componenti? e consegna agli allievi la scheda 2b ( vedi Scheda 2b in appendice) L insegnante fa leggere ad alcuni gruppi di allievi le ipotesi avanzate per la separazione dei miscugli e, per il primo miscuglio, suggerisce di togliere nel modo migliore possibile (schiumare) il materiale affiorante (segatura) e filtrare la sabbia rimasta sul fondo rimescolando continuamente prima di versare sul filtro ( dare agli allievi istruzioni per come eseguire la filtrazione). Se si fosse versato il liquido sovrastante la sabbia si eseguiva una decantazione, ma la separazione sarebbe stata più grossolana. Per ottenere asciutti i due componenti dovremo farli asciugare Gli allievi scoprono così alcune operazioni adatte a separare miscugli in componenti: la schiumatura, la decantazione e la filtrazione. L aggiunta di acqua al secondo bicchiere contenente sabbia e sale fino da cucina dovrebbe evidenziare che il miscuglio sul fondo si è molto ridotto rispetto a quello iniziale (lo spessore si è quasi dimezzato). Cosa è successo? Una parte del miscuglio è scomparsa Si è sciolta la sabbia? Si è sciolto il sale?. Intanto l insegnante invita gli allievi ad eseguire la filtrazione del contenuto del secondo bicchiere ripetendo le operazioni fatte nella filtrazione precedente e discute le ipotesi proponendo alla fine. di andare a vedere cosa è andato nell acqua facendola vaporizzare. Esperienza 2c (da osservare) 1 - Vaporizzazione dei filtrati (esperienza + discussione e concettualizzazione : 1,5 ore) Ambiente: aula con presa di corrente (o laboratorio) Se l insegnante lavora in aula fare disporre i banchi degli allievi ad U rispetto al tavolo di lavoro. 1 Non è opportuno usare il termine dimostrativa perché non si dimostra proprio nulla, ma parlare di esperienze da osservare ( osservative) 2

3 L insegnante raccoglie alla fine un po dei diversi liquidi filtrati del primo miscuglio ( pentolino 1) e un po dei diversi liquidi filtrati del secondo miscuglio (pentolino 2) ed esegue una vaporizzazione (Scheda 2c in appendice) usando una piastra riscaldante facendo notare agli allievi soprattutto la delicatezza della fase finale della vaporizzazione [una piastra riscaldante di diametro 15-17cm, due recipienti per le evaporazioni ( 2 pentolini), un cucchiaino, presa di corrente Alla fine nel primo recipiente non si osserva residuo apprezzabile, nel secondo recipiente compare un solido bianco: si tratta del sale disciolto che ricompare? Si potrebbe ripetere l operazione ( aggiunta di acqua e successiva vaporizzazione): si otterrebbe lo stesso risultato? Oppure si potrebbe prendere nuovamente 2 cucchiaini di sale, aggiungere acqua e ripetere la vaporizzazione: si ottiene lo stesso risultato di prima? Dopo che gli allievi hanno eseguito le esperienze, osservata la vaporizzazione dei filtrati e hanno risposto alle domande poste sulle schede di lavoro, l insegnante invita gli allievi a leggere alcune risposte e discute con la classe Concettualizzazione Alla fine è necessario che emergano i seguenti concetti: I miscugli solido/solido possono essere di diversi tipi a seconda della natura dei singoli componenti; questi possono essere presenti nel miscuglio con varie proporzioni, ma le caratteristiche essenziali del miscuglio non cambiano; i componenti sono talvolta separabili rimanendo allo stato solido, altre volte è necessario usare un liquido(ad esempio acqua) per poterli separare o perché vanno a fondo, o perché galleggiano o perché si sciolgono. Sono importanti molte applicazioni pratiche (riciclaggio dei rifiuti, potabilizzazione dell acqua,.) Le operazioni necessarie alla separazione dei componenti sono diverse, in base alle loro caratteristiche. Al termine delle separazioni i componenti di un miscuglio mantengono ciascuno le proprie caratteristiche: la sabbia, la segatura, il sale da cucina lo stesso I miscugli sale da cucina/limatura di ferro, sabbia/segatura, e altri analoghi si dicono eterogenei: in essi i singoli componenti sono identificabili perché osservabili e ciascuno mantiene le proprie caratteristiche. I miscugli tipo sale/acqua ( più propriamente si parla di miscele) sono sempre miscugli (ne rispettano tutte le caratteristiche dette prima), ma uno dei componenti è contenuto in esso in uno stato talmente suddiviso da non essere osservabile; questo tipo di miscugli appare sempre limpido e viene chiamato miscuglio o meglio miscela omogenea o soluzione. Di queste ci occuperemo più avanti in modo più approfondito. E estremamente diffuso l impiego di soluzioni, in campo alimentare, medico, agricolo, industriale. Esistono anche miscugli solido/gas, un esempio sono i fumi ( fumo della sigaretta, fumi rilasciati da combustioni in genere, ) Per rafforzare il concetto si può chiedere agli allievi di indicare esempi di miscugli eterogenei ed omogenei (naturali o artificiali) mettendo poi in evidenza nella discussione la loro importanza. Fase 2- Ampliamo la nostra esperienza: miscugli tra liquidi e liquidi e gas Tempo: 2 ore Ambiente: Aula con presa di corrente ( meglio laboratorio) Esperienza 3 (da osservare) L insegnante mescola in due bottigliette acqua con olio e acqua con alcol etilico ( vedi scheda 3 in appendice) [ servono: due piccole bottigliette da succo di frutta, una bacchetta di vetro o plastica, acqua, olio, alcol etilico, possibilmente da liquori] a) L insegnante mette un po d acqua nella prima bottiglietta e aggiunge poi dell olio (qualsiasi tipo) e invita gli allievi a osservare e rispondere alle domande poste dalla Scheda 3a (in appendice): -dopo l aggiunta dell olio sono ancora osservabili le caratteristiche dei due componenti? 3

4 -I due componenti si possono mescolare tra loro? - Se si prova ad agitare il contenuto della bottiglia con la bacchetta, cosa si osserva dopo un po di tempo? Si sono mescolati i due componenti? Si possono riconoscere entrambi ad occhio nudo? Le caratteristiche sono uguali o diverse rispetto al momento in cui il miscuglio è stato preparato? -Come sarebbe possibile separare i componenti di questo miscuglio? L insegnante invita gli alunni a cercare di avanzare delle ipotesi e a scrivere tutto sulla propria scheda. Al termine delle esperienze le ipotesi vengono discusse prima con i compagni e poi con l insegnante e le osservazioni vengono annotate sul quaderno di lavoro. b) L insegnante introduce un po di acqua nella seconda bottiglietta e aggiunge poi un po di alcol etilico. Cosa si osserva? se poi agitiamo ( anche senza bacchetta) cosa accade?. L insegnante invita gli allievi a osservare e a rispondere alle seguenti domande ( Scheda 3b in appendice): -Realizzato il miscuglio, sono riconoscibili le caratteristiche osservabili dei due componenti? -I due componenti si sono mescolati tra loro? -Cosa si osserva dopo un po di tempo? Le caratteristiche sono uguali o diverse rispetto al momento in cui il miscuglio è stato preparato? -Come si potrebbero separare i componenti del miscuglio? L insegnante invita gli alunni a cercare di avanzare delle ipotesi, scrivendo sulla propria scheda. Al termine delle esperienze le ipotesi vengono discusse con i compagni e con l insegnante e le osservazioni vengono annotate sul quaderno di lavoro. Nella discussione l insegnante deve fare emergere che nel caso a) si può operare l aspirazione abbastanza precisa del liquido sovrastante con un contagocce oppure si può impiegare il cosiddetto pallone separatore (figura 1) che, munito di un rubinetto, consente di sgocciolare il liquido sottostante con precisione. Nel caso b) la separazione non può più essere di tipo meccanico dovremo ricorrere alla cosiddetta distillazione che incontreremo proseguendo il nostro cammino di indagine. c) L insegnante propone agli allievi un esperienza con una bottiglietta di acqua gasata (o di una bibita gasata) (Scheda 3c in appendice) [ servono: bottiglietta di ½ litro di acqua gasata o bibita gasata, pentolino per riscaldamento, piastra riscaldante, palloncini da gonfiare] L insegnante fa notare che stappando la bottiglietta si osserva una effervescenza. Poi versa nel pentolino un po di acqua ( circa la metà) e mette all imboccatura della bottiglia un palloncino agitando la bottiglia, quindi propone agli allievi le seguenti riflessioni: - Nella bottiglia prima di aprirla è osservabile la presenza di gas? - Quando si stappa che cos è l effervescenza che si osserva (bollicine che salgono verso l uscita )? - Quando si agita la bottiglietta dopo averla tappata con un palloncino gonfiabile cosa osserviamo? Gli allievi annotano le risposte sulla propria scheda. L insegnante scalda poi fino all ebollizione l acqua gasata contenuta nel pentolino, la lascia raffreddare un po e la rimette nella bottiglietta. Poi chiede agli allievi: agitando ora la bottiglia si osserverà ancora l effervescenza? Anche queste risposte vengono annotate dagli allievi sulla loro scheda. A questo punto l insegnante discute con la classe. Concettualizzazione Dalla discussione dovranno emergere i seguenti concetti: Nella esperienza 3a) si osserva la formazione di un miscuglio eterogeneo formato da due liquidi non miscibili, uno di p sp minore che galleggia (olio) e uno di p sp maggiore sottostante (acqua): si tratta di una sospensione. 4

5 I due liquidi per agitazione formano quella che si chiama emulsione, cioè una momentanea miscelazione olio/acqua, che però, lasciando a riposo, riforma il miscuglio che si aveva in partenza. I due componenti sono chiaramente riconoscibili ad occhio nudo e ognuno mantiene le caratteristiche macroscopiche proprie. Mescolando acqua e alcol etilico ( esperienza b)) si ottiene una miscela omogenea in cui un liquido non è più riconoscibile rispetto all altro: si tratta di una soluzione. Si esaminano le ipotesi avanzate dagli allievi per controllare se era scaturita la parola distillazione come forma di separazione ( il che è poco probabile). Si fa presente che nessuno dei metodi di separazione fin qui incontrati ( filtrazione, decantazione, ) è in grado di separare i componenti di una soluzione. Più avanti vedremo come si possono separare liquidi tra loro miscibili Infine ( esperienza c)) possiamo avere anche miscele omogenee acqua /gas o più genericamente liquido/gas: un esempio comune sono le nostre bottiglie di acqua minerale gasata naturale o meno. Si può aggiungere che il gas disciolto nell acqua è biossido di carbonio, uguale a quello che emettiamo nella nostra respirazione. Fase 3 (o approfondimento). Osserviamo il contenuto di un barattolo pieno di aria. Tempo: ½ ora Ambiente: aula L insegnante pone sulla cattedra un barattolo da conserva o marmellata (pulito, senza etichette) chiuso con il suo tappo e chiede agli allievi: cosa è contenuto nel recipiente vuoto. In genere qualcuno dice che dentro c è l aria. L insegnante chiede allora: Ma che cosa è l aria? È una sostanza o un miscuglio di alcuni gas? Gli allievi generalmente hanno imparato le parole ossigeno e azoto e che, per respirare, a noi serve l ossigeno. Qui l insegnante deve discutere con gli allievi i vari punti: l aria è dunque una miscela di vari gas ( aggiungere almeno il biossido di carbonio, legato alla vita e all inquinamento da combustioni ): normalmente è limpida e trasparente per cui è una miscela omogenea gas/gas, una soluzione gassosa. Ma può essere anche una miscela eterogenea quando contiene fumi (miscele solido/gas) e/o goccioline di acqua sospese ( non sempre osservabili) come nebbie e nubi. L insegnante pone a questo punto una domanda: è possibile separare i vari gas che l aria contiene?. Per ora la risposta viene lasciata in sospeso: l insegnante dice che la risposta è affermativa e spiega che il problema verrà affrontato dopo aver studiato un altro argomento, i passaggi di stato delle varie sostanze. Fase di rinforzo: L insegnante propone di andare a caccia di miscele con cui veniamo a contatto nel nostro quotidiano; propone poi la seguente discussione: date miscele costituite da diverse sostanze come si può progettare una loro separazione? ( esercizi e discussione). Gli allievi devono spiegare i vari metodi di separazione dei miscugli (1 ora fac.) Fase 4 - Verifica formativa dell UA Durata: 1 ora ( compreso la discussione finale).. 5

6 APPENDICI U.A.2 SCHEDA 1 Miscugli solido/solido Per il lavoro di gruppo sono necessari: un piattino, un cucchiaino, limatura di ferro, sale grosso da cucina, calamita, una lente d ingrandimento, una pinzetta, un foglio di carta come fare: - mescolare le due sostanze secondo le indicazioni della tabella che segue, tenendo conto del numero del proprio gruppo: GRUPPO LIMATURA DI FERRO SALE DA CUCINA 1 1 cucchiaino 1 cucchiaino 2 2 cucchiaini 1 cucchiaino 3 1 cucchiaino 2 cucchiaini 4 1 cucchiaino 1/2 cucchiaino 5 1/2 cucchiaino 1 cucchiaino 6 2 cucchiaini 1/2 cucchiaino 7 1/2 cucchiaino 2 cucchiaini Raccogliere i dati e rispondere alle domande: DOMANDE SI NO NOTE Descrivi le caratteristiche osservabili di ciascun componente del miscuglio I due componenti si possono mescolare in varie proporzioni? Dopo il mescolamento si possono riconoscere ancora i due componenti A occhio nudo? Con una lente? Le caratteristiche dei componenti sono uguali o diverse rispetto a quando erano separati? È possibile separarle di nuovo? Se SI con quale strumento tra quelli dati? 6

7 U.A. 2 SCHEDA 2a Miscugli sabbia/segatura e sabbia/sale fino da cucina Per il lavoro di gruppo sono necessari: due bicchieri di plastica trasparente, un cucchiaino, sabbia di mare asciutta, segatura, sale fino da cucina, una pinzetta, una lente d ingrandimento. come fare: - mescolare nel primo bicchiere 2 cucchiaini di sabbia e due cucchiaini di segatura e nel secondo bicchiere 2 cucchiaini di sabbia e due cucchiaini di sale. Raccogliere i dati e rispondere alle domande: DOMANDE SI NO NOTE Descrivi le caratteristiche osservabili di ciascun componente del miscuglio: Dopo il mescolamento si possono riconoscere ancora i due componenti A occhio nudo? Con una lente?: Le caratteristiche dei componenti sono uguali o diverse rispetto a quando erano separati? È possibile separarli di nuovo? 7

8 Scheda 2 b Separazione dei miscugli esaminati Per il lavoro di gruppo sono necessari: stessi materiali della scheda 2a più acqua deionizzata (per ferri da stiro) e 2 bicchieri, un imbuto, un sostegno per l imbuto, 2 dischetti di carta da filtro Come fare? -Aggiungere ora circa 50 cc di acqua nel primo bicchiere e rimescolare - Aggiungere ora circa 50 cc di acqua nel secondo bicchiere e rimescolare e rispondere alle domande: DOMANDE SI NO NOTE Cosa è accaduto ai due componenti di ciascun miscuglio? Dopo il mescolamento con acqua si possono riconoscere ancora i due componenti: Le caratteristiche dei componenti sono uguali o diverse rispetto a quando erano separati? È possibile ora separarli di nuovo? Come si potrebbe fare: formula le tue ipotesi 8

9 Scheda 2c- Vaporizzazione dell acqua La vaporizzazione dell acqua dei due filtrati raccolti dall insegnante è un operazione delicata e deve essere eseguita con attenzione per evitare improvvisi schizzi pericolosi, soprattutto verso la fine del processo Osserva tutto attentamente e rispondi alle seguenti domande: - descrivi l operazione di riscaldamento dei filtrati 1 e 2 (vaporizzazione). -arrivati alla fine della vaporizzazione, nel primo pentolino (filtrato del ) rimane sul fondo qualcosa di apprezzabile?. -e sul fondo del secondo pentolino (filtrato del ) cosa si osserva? -tenendo conto dell ipotesi formulata prima della vaporizzazione cosa potrebbe essere il solido bianco che si osserva alla fine nel secondo recipiente? -se pensi si possa trattare del sale da cucina che abbiamo messo all inizio nel miscuglio come si potrebbe provare questo? Proviamo a farlo e commentiamo:. (Segue discussione con l insegnante ) 9

10 Scheda 3a- Miscugli ( miscele?) tra liquidi e liquidi e gas L insegnante introduce nel recipiente dell acqua e poi aggiunge dell olio Osserva tutto attentamente e rispondi alle seguenti domande: -dopo l aggiunta dell olio sono ancora osservabili le caratteristiche dei due liquidi componenti il miscuglio?. -I due componenti si possono mescolare tra loro? Se sì in che modo?.. - Se si prova ad agitare il contenuto della bottiglia con la bacchetta, cosa si osserva dopo un po di tempo? Si sono mescolati i due componenti? Si possono riconoscere entrambi ad occhio nudo?. - Le caratteristiche sono uguali o diverse rispetto al momento in cui il miscuglio è stato preparato? - - Come sarebbe possibile separare i componenti di questo miscuglio? Prova a fare un ìpotesi (Segue discussione con l insegnante) Scheda 3b- Miscela acqua/alcol etilico L insegnante introduce nel recipiente dell acqua e poi aggiunge dell alcol etilico Osserva tutto attentamente e rispondi alle seguenti domande: -Realizzato il miscuglio, sono riconoscibili le caratteristiche osservabili dei due componenti?. -I due componenti si sono mescolati tra loro? Cosa si osserva dopo un po di tempo? -Le caratteristiche dei due componenti sono uguali o diverse rispetto al momento in cui il miscuglio è stato preparato? -Come si potrebbero separare i componenti del miscuglio? Prova ad avanzare un ipotesi 10

11 Scheda 3c Miscela acqua/gas L insegnante stappa una bottiglia di acqua gasata e svolge alcune operazioni. Osserva tutto attentamente e rispondi alle seguenti domande: - Nella bottiglia prima di aprirla è osservabile la presenza di gas?.. - Quando si stappa che cos è l effervescenza che si osserva (bollicine che salgono verso l uscita )?.. - Quando si agita la bottiglietta dopo averla tappata con un palloncino gonfiabile cosa osserviamo?.. - Dopo che l insegnante ha riscaldato l acqua, rimesso questa nella bottiglia e tappata questa col palloncino agitando ora la bottiglia si osserverà ancora l effervescenza? Cosa hai osservato? Cosa puoi concludere? (segue discussione con l insegnante) 11