RELAZIONE TRA DIFFUSIONE E TEMPERATURA IN UNA MASSA D ACQUA

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1 RELAZIONE TRA DIFFUSIONE E TEMPERATURA IN UNA MASSA D ACQUA LO STATO LIQUIDO In un liquido l energia cinetica delle molecole è uguale a quella delle molecole gassose alla stessa temperatura. Nei liquidi, tuttavia, le molecole sono le une vicine alle altre trattenute da attrazioni interne che prendono il nome di forze coesive e che ostacolano la dispersione delle molecole nello spazio circostante. Le forze coesive nei liquidi determinano una energia potenziale il cui valore è comparabile con l energia cinetica delle particelle. Per questa ragione nei liquidi le molecole possono muoversi continuamente e liberamente all interno della massa liquida, pur mantenendosi le une vicino alle altre. I liquidi, a differenza dei solidi, sono sistemi isotropi, cioè presentano valori identici delle grandezze fisiche in ogni direzione. Le proprietà dei liquidi dipendono fortemente dalle molecole che li costituiscono. Il continuo movimento delle molecole dei liquidi evita l impaccamento delle molecole stesse in un edificio cristallino come avviene nei solidi. Questo movimento genera degli spazi vuoti intermolecolari, che incessantemente si muovono, all interno del liquido. La capacità delle particelle che lo costituiscono di scorrere le un sulle altre (mobilità) da origine alla fluidità, una delle proprietà di un liquido. L'acqua è fatta di molecole in continuo movimento: vibrano, ruotano su se stesse e cambiano di continuo posizione le une rispetto alle altre. Quando si riscalda l'acqua, o qualunque altra sostanza, l'energia trasferita sotto forma di calore si traduce in aumento dell'energia cinetica o di movimento delle sue particelle che le fa muovere da una regione ad un altra con una velocità che dipende dalla loro forma e dalla massa, dalla temperatura e dalla viscosità del mezzo (viceversa, il raffreddamento comporta un rallentamento delle particelle). Il movimento delle molecole in soluzione (in fase liquida) è costantemente influenzato dalle collisioni con altre molecole. Ogni collisione altera la traiettoria in maniera che il moto di queste particelle è alla fine un moto completamente casuale. Maggiore è la massa delle molecole e più è allungata la forma della molecola tanto minore è la velocità con cui si muovono. Si chiama Energia Termica quella forma di energia che ogni corpo possiede e che è dovuta all'incessante movimento di tutte le particelle che lo costituiscono. L'energia termica è associata alla temperatura dei corpi: ogni corpo ha un patrimonio di energia termica che aumenta all'aumentare della sua temperatura. La quantità di calore richiesta da una sostanza perché si verifichi una determinata variazione di temperatura è detta calore specifico. L acqua presenta un elevato calore specifico come conseguenza dei legami a idrogeno, infatti questi tendono a limitare il movimento delle molecole.

2 La Diffusione La diffusione molecolare è il movimento delle molecole da una regione in cui esse sono presenti in alta concentrazione verso una zona a più bassa concentrazione, in seguito al loro moto caotico. In soluzione, l equilibrio è raggiunto quando c è una identica distribuzione delle particelle in tutto il volume, cioè quando la composizione diventa la stessa in ogni punto del sistema (identica concentrazione). Le molecole di un colorante (molecole polari) che si sciolgono facilmente in acqua sono dette idrofile (amanti dell acqua). Queste molecole passano facilmente in soluzione perché le loro regioni dotate di carica parziale attraggono le molecole d acqua. Altre molecole invece, come i grassi, tendono ad essere insolubili all acqua e sono dette idrofobe (temono l acqua).

3 U.D.A. : DIFFUSIONE E TEMPERATURA Destinatari: gruppi di alunni di classe V della scuola primaria. Esperimento: Ponendo del colorante all interno di una massa d acqua, si osserverà che le molecole di colorante tenderanno a diffondere in tutta la soluzione e il tempo in cui ciò avviene dipende dalla temperatura iniziale dell acqua. Finalità: Evidenziare come la temperatura influenza il processo di diffusione del soluto (colorante) nel solvente acqua. Obiettivi specifici: Far capire ai bambini che le molecole sono particelle in continuo movimento; Osservare il moto molecolare all interno di un liquido; Familiarizzare con il concetto di movimento molecolare (diffusione); Evidenziare come la temperatura influenza il processo di diffusione. Prerequisiti Saper distinguere i concetti di calore e temperatura. Conoscere la composizione della materia (atomi, molecole) Conoscere il concetto di diffusione. Distinguere solidi, liquidi, gas Conoscere le proprietà dello stato liquido Saper leggere un termometro

4 DOMANDE STIMOLO Perché quando aggiungiamo una goccia di colore ad un bicchiere d acqua, dopo un po di tempo tutto il bicchiere si colora? Perché quando introduciamo una bustina di the nell acqua calda, attorno alla bustina si forma come una nuvola di liquido colorato? Materiale occorrente: coloranti per alimenti Acqua: ghiacciata, a temperatura ambiente e calda; Bicchieri di vetro o di plastica trasparente incolore di pari volume e lisci ; Contagocce in plastica; Termometro (facoltativo). PROCEDURA Diffusione (in fase liquida) delle molecole di colorante. Riempire un contenitore di vetro (ad esempio un vaso per la marmellata) con acqua a temperatura ambiente. Aggiungere con un contagocce al centro del barattolo una due gocce di colorante blu (o altro colorante a disposizione). Col passare del tempo si osserverà che le molecole di colorante tenderanno a diffondere in tutta la soluzione. Nella regione di acqua dove è caduta la goccia la concentrazione delle molecole è più alta e le molecole di colorante tenderanno a diffondere, a causa del gradiente di concentrazione dappertutto in maniera disordinata. Effetto della temperatura. Disporre tre bicchieri sopra un tavolo vicini tra di loro. Versare nel primo acqua calda (40-50 C), nel secondo acqua a temperatura ambiente e nel terzo acqua ghiacciata; riempirli tutti alla stessa altezza (se si dispone di un termometro, misurare la temperatura dell acqua nei tre bicchieri e annotarla). Utilizzare tre coloranti per alimenti per esempio il rosso il verde e il blu. Addizionare al primo bicchiere una goccia di colorante rosso, al secondo bicchiere una goccia di colorante verde ed al terzo una goccia una goccia di colorante blu. La goccia di colorante va addizionata al centro del bicchiere.

5 In funzione della temperatura dell acqua, la velocità con cui diffonderà il colore sarà diversa (tale velocità si può controllare cronometrando il tempo di diffusione). Nel bicchiere contenente acqua calda il colore si distribuirà rapidamente in tutto il volume di acqua, nel bicchiere con acqua fredda il colore tenderà a depositarsi sul fondo del bicchiere. OSSERVAZIONI: La stessa quantità di colorante immessa nei tre contenitori si diffonde in maniera diversa. Dopo molto tempo, annullandosi l effetto della differente temperatura, la concentrazione del colorante nei tre contenitori sarà identica. ANALISI DEI RISULTATI: L'esperimento è semplice da realizzare, ma le tre prove devono essere effettuate nelle stesse condizioni, l'unica variabile è la temperatura dell'acqua. Non deve cambiare il volume iniziale per non ingenerare confusione nell apprendimento dei bambini. Metodologia Le attività proposte ai bambini prevedono la stimolazione della formulazione di ipotesi ( anche attraverso l uso delle domande stimolo) per poi giungere alla soluzione (problem solving). Le nozioni non vengono presentate direttamente ai bambini, ma essi divengono protagonisti attivi del proprio apprendimento mediante la scoperta graduale dei nuovi concetti. Le attività saranno introdotte partendo dalla conoscenza reale dei bambini, i quali mediante un braistorming sulla propria esperienza danno inizio alle attività da trattare (tutti certamente avranno, almeno una volta, bevuto un the!). Si ritiene fondamentale, dunque, favorire l apprendimento mediante attività di cooperative learning che permettono di fissare meglio l apprendimento utilizzando l esperienza diretta di ogni bambino, che costituisce una risorsa essenziale per l intero gruppo classe.

6 Verifica e valutazione Le attività svolte verranno monitorate in modo da verificare l avvenuta acquisizione dei concetti e delle nuove competenze. La verifica verrà svolta sia in itinere che a conclusione delle attività mediante: analisi di elaborati scritti e rappresentazioni grafiche; discussioni collettive e individuali questionario Alcune possibili domande: Perché il colore non va subito in tutto il contenitore? Come mai nell acqua calda il colore si distribuisce rapidamente a tutto il bicchiere? La velocità con cui il colore si distribuisce nel bicchiere dipende dal tipo di colore? Una sostanza non colorata che si scioglie in acqua darà sempre il fenomeno della diffusione? Se mettiamo in acqua una sostanza colorata che non si scioglie osserveremo ancora il fenomeno della diffusione? Tempi di realizzazione: 2 incontri di 2 ore.