Laboratorio di scienze Al caldo, al freddo Per capire il comportamento dei materiali con il caldo e con il freddo bisogna immaginare di smontare le particelle che li compongono fino ad ottenere gli elementi semplici che costituiscono la loro struttura. Negli esperimenti che ti vengono suggeriti in questo laboratorio osserverai il comportamento di alcuni materiali con il caldo e il freddo, in modo particolare dell acqua. La struttura dei materiali Tutti i materiali sono formati da particelle microscopiche, invisibili a occhio nudo, che si chiamano molecole. Le molecole sono le particelle più piccole che mantengono le proprietà di quel materiale. Le molecole a loro volta sono composte di parti ancora più piccole che si chiamano atomi. Per capire dobbiamo costruirci un modello: immaginiamo che gli atomi siano dei mattoncini, gli atomi sono di tanti tipi e ognuno lo rappresenteremo con un mattoncino di colore diverso. Le molecole sono delle piccole costruzioni fatte mettendo insieme mattoncini di vari colori secondo regole stabilite dalla natura. Quando ho costruito una molecola, ho creato una particella di materiale con delle caratteristiche ben precise: la molecola di acqua, di zucchero, di anidride carbonica. Alcune molecole sono più semplici, cioè sono fatte da pochi atomi, altre, ad esempio quella dello zucchero, sono molto complesse. ATOMI MOLECOLE 2006 RCS Libri S.p.A. - Divisione Education 1
Ma come fanno a stare attaccate le molecole e formare un materiale da toccare, vedere, trasformare? Le molecole sono tenute attaccate le une alle altre da una forza speciale: immagina ogni molecola come una calamita che tiene attaccate a sé tutte le altre molecole. Questa forza si chiama forza di coesione. Facciamo un esempio con l acqua. Se la forza di coesione è fortissima l acqua è allo stato solido e le molecole sono praticamente ferme, se è meno forte l acqua è allo stato liquido e le molecole si muovono abbastanza velocemente scivolando una sull altra, ma non riescono a mantenere una forma precisa e quindi prendono quella del recipiente che le contiene. Se l acqua viene ulteriormente riscaldata si trasforma in un gas, cioè evapora: le molecole sono in agitazione e, ormai slegate le une dalle altre, vanno a disperdersi nell aria circostante. Tutti i materiali evaporano, se vengono riscaldati alla temperatura giusta, non solo l acqua: hai mai notato come si sporcano di grasso i mobili della cucina per l evaporazione dei grassi che si usano per cucinare? Il caldo e il freddo agiscono infatti sulle forze di coesione tra le molecole e producono un cambiamento di stato facendo sì che un materiale passi dallo stato liquido a quello solido o da quello liquido a quello gassoso. La temperatura però a cui avvengono i cambiamenti di stato è diversa da materiale a materiale. Se riscaldi o se raffreddi un materiale puoi far cambiare anche un altra sua caratteristica importante che si chiama densità. Di solito se riscaldi un materiale le sue molecole si agitano e si allontanano tra di loro, tu te ne accorgi perché il materiale si dilata. Il suo peso non cambia, ma il volume sì, quindi il materiale diventa meno denso. L acqua è un materiale un po speciale perché a differenza degli altri si dilata sia quando viene riscaldato e si trasforma in vapore, sia quando viene raffreddato e diventa ghiaccio, questo è il motivo per cui il ghiaccio galleggia sull acqua, è meno denso. Le sue molecole, quando si attaccano per formare il ghiaccio, lasciano tanti spazi vuoti e quindi l acqua diventa più leggera. Come succede a te e ai tuoi compagni se volete fare un girotondo: se vi mettete vicini, spalla contro spalla, occupate meno spazio di quando vi date la mano per formare il cerchio. Un materiale più denso a parità di volume pesa di più di uno meno denso. Più denso Meno denso 1 kg 0,8 kg 2006 RCS Libri S.p.A. - Divisione Education 2
Evaporazione e condensazione Ora farai alcune esperienze sui cambiamenti di stato utilizzando l acqua e gli strumenti indicati. Rispondi per scritto alle domande e poi confronta le tue risposte con le spiegazioni contenute nelle pagine seguenti. Prova anche a raccontare la storia di una gocciolina di acqua e illustrala in modo che si capisca bene cosa succede alle sue particelle (molecole) quando cambia di stato. Esperienza 1 Materiali: un piatto fondo, un barattolo di vetro, acqua. Attività: Prendi il piatto fondo e il barattolo di vetro, versa in ognuno la stessa quantità di acqua, segna con un pennarello il livello dell acqua e mettili al sole. Dopo un certo periodo di tempo controlla la situazione e vedrai che in entrambi i recipienti l'acqua è diminuita. Ma dove è diminuita di più? Segna il livello raggiunto dall acqua nel barattolo, poi buttala via e versa nel barattolo l acqua rimasta nel piatto: i livelli sono uguali? Perché? Come ti spieghi quel che è successo? Esperienza 2 Materiali: due fazzoletti uguali, acqua. Attività: Prendi due fazzoletti uguali, immergili nell acqua e poi strizzali in modo che siano bagnati nello stesso modo. Mettili entrambi ad asciugare all ombra, posizionane però uno in un posto molto arieggiato e l altro in un posto più riparato. Che cosa ti aspetti che succeda? Esperienza 3 Materiali: un pentolino, acqua, un fornellino elettrico, un termometro da liquidi che misuri oltre 100. Attività: Prendi il pentolino e riempilo di acqua, scalda l acqua sul fornellino elettrico misurando la temperatura con il termometro ogni due minuti (fai attenzione a non far toccare il bulbo sul fondo del pentolino perché l alta temperatura potrebbe far scoppiare il termometro). Descrivi quel che succede: a quale temperatura dell acqua comincia la formazione di bolle sul fondo del pentolino? Se metti un cucchiaio sopra il vapore che esce vedi che si formano delle goccioline: sai spiegare perché il vapore è ridiventato acqua? 2006 RCS Libri S.p.A. - Divisione Education 3
Esperienza 4 Materiali: un imbuto, un tubo di plastica trasparente lungo circa 1 metro, un barattolo di vetro, un pentolino, acqua, fornellino elettrico. Attività: Prendi un imbuto e infila nella sua punta un tubo di plastica trasparente, l altra estremità del tubo deve terminare in un barattolo di vetro. Ora tieni l imbuto sul pentolino, ad una certa distanza per non bruciarti, e fai scaldare l acqua. Il vapore entra nell'imbuto, passa dentro il tubo e fuoriesce nel barattolo. Che cosa succede al vapore mentre passa nel tubo? 2006 RCS Libri S.p.A. - Divisione Education 4
Spiegazioni Esperienza 1 Maggiore è la superficie dell'acqua a contatto con l aria, maggiore è la quantità d'acqua che evapora in un certo tempo, quindi nel piatto l acqua è evaporata più in fretta. Esperienza 2 Il fazzoletto steso nella zona ventilata è asciugato più rapidamente perché la ventilazione rende più veloce l evaporazione. Esperienza 3 L acqua comincia a trasformarsi in vapore molto prima dei 100 e quando comincia a bollire la sua temperatura non aumenta più, rimane intorno ai 100. Sul cucchiaio, che è più freddo, si formano goccioline perché il vapore si condensa a causa dell abbassamento della temperatura. Esperienza 4 Il vapore acqueo, raffreddandosi, torna allo stato liquido e quindi, poco per volta, si trasforma in goccioline che diventano sempre più grosse finché scorrendo nel tubo vanno a finire nel barattolo. 2006 RCS Libri S.p.A. - Divisione Education 5
Scambi di calore, variazioni di densità Abbiamo detto che con il calore la densità di un materiale diminuisce e quindi diventa più leggero. Stai a vedere che cosa succede all acqua e a dei coloranti: resterai meravigliato! Materiale: 2 contenitori di plastica o di vetro trasparenti, 2 boccette di vetro con tappo, acqua calda e fredda, colorante alimentare, etichette adesive. Attività: Etichetta i contenitori con le lettere A e B; riempi il contenitore A con acqua fredda e il contenitore B con acqua calda Riempi una delle due boccette con acqua calda colorata, tappala e immergila nel contenitore A, riempi l altra boccetta con acqua fredda colorata, tappala e immergila nel contenitore B. A B A B Metti i due contenitori vicini per poter confrontare ciò che succede e poi togli i tappi dalle due boccette. Nel contenitore A, l acqua calda colorata contenuta nella boccetta, esce da questa, sale e, a poco a poco, colora l acqua fredda cominciando dall alto e andando verso il basso. Nel contenitore B, l acqua fredda colorata contenuta nella boccetta si muove verso l alto ma non riesce ad uscire. Come puoi spiegare quel che è successo facendo riferimento al caldo, al freddo e alla densità? Scrivi che cosa pensi e poi leggi la spiegazione nella pagina successiva. 2006 RCS Libri S.p.A. - Divisione Education 6
Spiegazione L acqua calda ha una densità minore di quella fredda, quindi tende a galleggiare su quella fredda. Nel caso A l acqua calda esce dalla boccettina e sale verso l alto, ma a mano a mano che incontra acqua fredda, si raffredda, diventa più densa, pesa di più e quindi comincia a scendere. Nel caso B, invece, l acqua calda del contenitore fa riscaldare poco per volta l acqua fredda colorata che inizia così a muoversi verso l alto all interno della boccettina ma non riesce a uscire: perché? Per uscire dovrebbe essere meno densa dell acqua calda che la circonda, ma siccome l acqua nella boccettina è fredda non può diventare meno densa dell acqua calda. 2006 RCS Libri S.p.A. - Divisione Education 7
La fusione della cera Ora lavorerai con un materiale diverso dall acqua, la cera, vedrai che cosa succede con il caldo e il freddo e potrai confrontarlo con quel che succedeva all acqua. Materiali: candele bianche, avanzi di pastelli a cera, campioni di profumo, fornello elettrico, pentola, pentolini con beccuccio, cucchiaio di metallo, coltello, stoppino rigido, mollette da bucato, bicchierini di plastica da caffé, plastilina, termometri da 100, fiammiferi. Attività: osserva, tocca, annusa, rompi la candela e scrivi quali sono le caratteristiche della cera (colore, odore, consistenza, durezza ). Metti la cera in un pentolino e tieni da parte lo stoppino. Prepara un pentolino più grande con dell acqua dentro e mettici il pentolino con la cera. Ora metti il pentolino con l acqua sul fornellino. Prima di accendere il fornellino prepara gli stampini per dare forma alla cera quando sarà fusa: fai un piccolo foro sul fondo dei bicchierini da caffé e infila lo stoppino, bloccalo sul fondo con della plastilina e fissalo in modo che sia ben diritto usando una molletta da bucato appoggiata sul bordo del bicchierino. Ora accendi il fornellino e fai fondere la cera controllando con i termometri a intervalli di tempo regolari sia la sua temperatura sia quella dell acqua. Che cosa osservi durante la fusione della cera? Che cosa vedi e che cosa senti? Che cosa segna il termometro nella cera? E quello nell acqua? Segna su un foglio come cresce la temperatura col passare del tempo. Quando la cera è fusa, aggiungi dei pezzi di pastello a cera per avere il colore desiderato e qualche goccia di profumo. Mescola bene. Versa il composto negli stampini, facendo in modo che lo stoppino rimanga al centro. Lascia passare il tempo necessario prima di estrarre le candele dagli stampi. Che cosa osservi durante la solidificazione della cera? Per vedere meglio, fai cadere prima una goccia di cera fusa, poi più gocce una sull altra, su una superficie liscia. Riesci ad immaginare che cosa succede alle particelle (molecole) di cera durante il processo di fusione e di solidificazione? Ci sono proprietà che rimangono inalterate? Prova a rappresentalo con un disegno. Compila una tabella a tre colonne: sulla prima colonna segna il tempo e sulle altre due la temperatura dell acqua e della cera. Puoi fare un grafico cartesiano per mettere a confronto le due temperature e fare le tue considerazioni. (Adattato da: Corso di formazione 2002-3 Progetto SeT Scienza in Rete Circoli didattici 1 di Pinerolo e 3 di Carmagnola, Istituto Comprensivo Gouthier di Perosa Argentina - LUCE, CALORE, CORPO: I PERCORSI DELL'ENERGIA - Laboratori degli insegnanti condotti da Laura BASSINO e Nuccia MALDERA) 2006 RCS Libri S.p.A. - Divisione Education 8
In acqua bollente e in acqua gelata Quando fai dei miscugli con l acqua, il comportamento dei materiali varia, se usi acqua molto calda o acqua molto fredda. Osserva quel che succede e mettilo a confronto con quanto hai imparato con le esperienze precedenti; cerca di dare delle spiegazioni per ciò che vedi succedere pensando alla struttura dei materiali. Materiali: acqua molto calda, acqua prelevata dal freezer prima che ghiacci, bicchieri grandi di plastica trasparente, contagocce, cucchiaini, sciroppo di menta, detersivo liquido per piatti (denso e colorato), miele, ritagli di carta crespa (non utilizzare quella dei fiorai). Per ogni esperienza: - osserva e annota che cosa succede subito, dopo un po di tempo, dopo molto tempo; - rappresenta con dei disegni ciò che vedi e ciò che immagini succeda a livello microscopico. Esperienza 1 Riempi un bicchiere con acqua molto calda e un bicchiere con acqua fredda quasi gelata, utilizzando il contagocce, fai cadere sulla superficie dell acqua prima una e poi alcune gocce di sciroppo di menta. Ripeti l esperienza con il detersivo e con il miele (se fosse troppo denso per essere prelevato con il contagocce, utilizza il cucchiaino e prova a far cadere il miele senza toccare il pelo dell acqua). Esperienza 2 Taglia 4 pezzi di carta crespa, delle stesse dimensioni e dello stesso colore, e da due di loro ricava due palline. Utilizza due bicchieri d'acqua bollente e due d'acqua gelata e sulle superfici adagia rispettivamente i pezzettini di carta lasciata distesa e le palline. In un secondo momento prova a ipotizzare più modi per avere una maggiore o una minore concentrazione del colore utilizzando sempre l acqua e la carta crespa. Cambia il comportamento dei materiali a contatto con l acqua calda o fredda? Scrivi infine un testo nel quale spieghi che cosa hai capito durante queste esperienze. (Adattato da: Corso di formazione 2002-3 Progetto SeT Scienza in Rete Circoli didattici 1 di Pinerolo e 3 di Carmagnola, Istituto Comprensivo Gouthier di Perosa Argentina - LUCE, CALORE, CORPO: I PERCORSI DELL'ENERGIA - Laboratori degli insegnanti condotti da Laura BASSINO e Nuccia MALDERA) 2006 RCS Libri S.p.A. - Divisione Education 9