ESPERIENZE DI LABORATORIO PER LO STUDIO DELLE SOSTANZE GASSOSE NELLA SCUOLA MEDIA INFERIORE

 

Pierluigi Riani

Dipartimento di Chimica e Chimica industriale, Università di Pisa, Via Risorgimento, 35 56100 Pisa

riani@dcci.unipi.it

 

Riassunto

Si propone un lavoro di tipo sperimentale per l’acquisizione del concetto di materialità dei gas.  Il percorso didattico è concepito per il livello della scuola secondaria di primo grado; può comunque essere adattato sia per gli ultimi anni della scuola elementare, sia per il biennio della scuola secondaria superiore.  Vista l’età degli allievi a cui sono indirizzate, le esperienze proposte coinvolgono soprattutto la sfera sensoriale.

 

Abstract

An experimental work is presented, adressed to the acquisition of thè concept of materiality of gases.  The reference school level is the junior high school (pupils aged 11 14 years), but the work can be adapted to the last years of elementary school and to the first years of high school.  The experiments involve mainly the sensorial aspects.

 

1. Introduzione

In questo lavoro si vuole raccogliere un materiale già in gran parte pubblicato [1, 2], in modo da conferirvi una veste unitaria e, soprattutto, ben indirizzata alla pratica sperimentale.  Lo studio della materia nei diversi stati fisici costituisce in genere un argomento sempre presente nei curricula della scuola elementare e delia scuola media.  In molti casi, però, lo studio della materia allo stato gassoso è alquanto sottovalutato: viene a volte proposto durante la scuola elementare, quando può esservi al massimo un primo approccio; è spesso trascurato in sede di scuola media inferiore, quando probabilmente si troverebbero le condizioni ideali per una corretta acquisizione dei concetti di base; nella scuola secondaria superiore ci si limita poi ad alcuni aspetti sicuramente importanti (quali ad esempio la legge di Boyle), ma che non possono essere considerati esaustivi.  Appare invece di estrema importanza una corretta acquisizione dei principali concetti relativi allo stato gassoso; la scuola media inferiore costituisce il livello scolastico ideale per un approccio semplice e nel contempo esauriente.  L’acquisizione dei concetti deve però seguire un metodo adatto all’età degli allievi, quindi un metodo caratterizzato da un continuo appoggio ai dati concreti.

 

2. Quale lavoro sperimentale?

Andando a leggere i testi di scienze per la scuola media, il dato che balza subito agli occhi è il seguente: la strada sperimentale di gran lunga più seguita per arrivare a dimostrare la "materialità" dello stato gassoso è quella della pesata.  Si procede in genere con i normali palloncini di gomma: si pesa dapprima un palloncino sgonfio, poi lo si pesa gonfio e si constata che il peso è aumentato, l’aumento essendo quindi dovuto al peso dell’aria.  Francamente è difficile concordare con questa impostazione: per avere un risultato effettivo, infatti, la pesata deve essere dì alta precisione, e come ben sappiamo difficilmente le bilance in dotazione alle scuole medie possono arrivare oltre la precisione del grammo.  Il docente che al riguardo mitra dei dubbi può eseguire qualche semplice calcolo:

Nella pesata eseguita non si valuta tutto il peso del gas, in quanto la spinta idrostatica ne neutralizza la maggior parte;

Se, tanto per dare alcune cifre, pesiamo un palloncino del volume di 2 dm3, il peso registrato sarà pari al peso dell’aria contenuta nel palloncino diminuito del peso di un volume di aria pari a quello del palloncino stesso;

Il risultato non è nullo in quanto l’aria nel palloncino è leggermente compressa.  Possiamo valutare la pressione interna nel palloncino a 1,01 – 1,02 atm;

Il peso valutato è quindi quello di 2 dm3 di aria alla pressione massima (valore largamente approssimato per eccesso) di 0,02 atm; calcolando un peso molecolare medio di 30, si tratta all’incirca di 0,06 g. 

 

Come mai l’esperienza da spesso un risultato positivo?  In molti casi può succedere che l’insegnante disponga le cose, magari anche inconsciamente, in modo da spostare i risultati a proprio vantaggio: basta, con una bilancia costruita artigianalmente, spostare anche minimamente il punto in cui il palloncino viene appeso.  Se invece il palloncino viene gonfiato a bocca, e non nel modo corretto, con una pompa, un sensibile aumento di peso è dovuto alla condensazione, all’interno del palloncino, dell’umidità contenuta nell’aria espirata.  In ogni caso non si vuole levare tutto il significato all’esperienza della pesata, ma soloridurla a una posizione di sostanziale rafforzamento di altre esperienze fondate su principi differenti.

 

I principi che devono essere sfruttati sono quelli più decisamente sensoriali: l’aria si vede, l’aria può essere toccata, l’aria può essere travasata, l’aria può esercitare una spinta.  Per conseguire risultati pienamente soddisfacenti dobbiamo però realizzare esperienze che, nello stesso tempo, a) forniscano i risultati richiesti, b) mettano in luce le cause che non ci permettono, nella norma, di vedere e di toccare i gas.  Per questo è stata progettata una sequenza di esperienze, ognuna delle quali dovrebbe dare un parziale contributo per la costruzione del concetto complessivo.

 

3. La sequenza di esperienze

È necessaria una premessa.  L’autore è dell’opinione che, lavorando con allievi di 11 – 14 anni, sia preferibile avere un solo obiettivo specifico per ogni esperienza.  D’altra parte non si può negare che la stessa esperienza possa essere indirizzata anche verso altri obiettivi; sta all'insegnante valutare se evidenziarli, magari come rafforzamento.  Un esempio per tutti: il fatto che l’aria occupi spazio, evidenziato nell’esperienza 3.5, può essere dedotto anche dall’esperienza 3.3, nella quale si punta l’attenzione sulla possibilità di travaso, e dall’esperienza 3.4, soprattutto quando si va a saggiare la comprimibilità.

 

3.1 L'aria si vede

Si comincia con l’esperienza forse più significativa.  L’insegnante dispone di due siringhe senza ago, la prima piena d’acqua, la seconda semplicemente con lo stantuffo tirato indietro.  L’acqua della prima siringa deve essere ben visibile, quindi è opportuno che sia presente anche un po' di aria.  L’insegnante mostra le siringhe agli allievi e chiede che cosa contengono; per la prima la risposta è in genere unanime, mentre per la seconda si ha quasi sempre una maggioranza di allievi per i quali è vuota e una minoranza per i quali invece contiene aria.  A questo punto si può stabilire che effettivamente la siringa contiene aria, ponendo però l’ulteriore domanda: "È visibile l’aria contenuta nella siringa?"  E la risposta non può che essere negativa.  A questo punto l’insegnante deve valutare le diverse possibilità.  Sarebbe opportuno che ogni allievo procedesse per conto proprio, ma vi sono due problemi:

– Prima di tutto occorre che l’abilità manuale sia abbastanza ben sviluppata, soprattutto in termini di capacità di controllo dei movimenti fini;

In secondo luogo, ogni allievo viene a disporre di una siringa piena d’acqua e di una bacinella pure piena d’acqua, per cui i ri schi di degenerare in una gran confusione sono notevoli.

 

Diciamo quindi che l'esperienza per tutti può essere proposta a quelle classi i cui allievi hanno già una buona pratica di lavoro sperimentale e un solido autocontrollo; se questi prerequisiti non sono soddisfatti, è bene che l’esperienza sia eseguita dall’insegnante.  Il procedimento più completo è il seguente:

Primo passaggio.  Si premono con molta lentezza e contemporaneamente gli stantuffi di entrambe le siringhe (l’acqua deve gocciolare).  Domanda: Che cosa vediamo uscire dalle siringhe?  Da notare che non si chiede che cosa esce, ma che cosa si vede uscire, e la risposta dovrebbe essere univoca: dalla siringa piena d’acqua si vedono uscire gocce d’acqua, dall’altra non si vede uscire nulla.  Il problema della chiarezza lessicale non deve essere sottovalutato, in quanto allievi che abbiano già avuto informazioni al riguardo possono impuntarsi sulla risposta che dalla siringa piena d’aria esce aria; l’insegnante deve quindi chiarire che la domanda non è relativa a quello che succede, ma a ciò che si vede effettivamente.

Secondo passaggio.  Si ripristina la situazione di partenza (una siringa con acqua, l’altra con aria) e si ripete la stessa operazione precedente, lavorando però sott’acqua (è opportuno disporre di una bacinella abbastanza profonda, che servirà anche per ulteriori esperienze).  La domanda è la stessa, ma la situazione si è capovolta: dalla siringa piena d'acqua non si vede uscire nulla, mentre da quella piena d’aria si vedono uscire bollicine d’aria (fig. 1).

 

Fig. 1.

 

È evidente che in questa esperienza si sfrutta il contrasto fra due situazioni diverse.  È innegabile che nella norma l’aria non si vede, ma abbiamo dimostrato che possiamo costruire una situazione nella quale l’aria diventa perfettamente visibile e, guarda caso, il materiale che costituisce il mezzo nel quale ci si muove (l’acqua) diventa invisibile.  È possibile proporre esperienze di rafforzamento di quest’ultimo concetto: possiamo ad esempio vedere che in ambiente acqua non si vede l’acqua che esce da una siringa ma si vede l’olio che esce da un’altra siringa, mentre in ambiente olio i dati dell’osservazione si invertono.  Un rafforzamento invece riguardo alla visibilità dell’aria e dell’invisibilità dell’acqua in ambiente acqua può derivare dall’osservazione di alcune foto subacquee: se la realizzazione è buona, il tipo di fotografia è evidenziato esclusivamente dal tipo di paesaggio, con alghe e animali acquatici; se è presente un sub dotato di bombole, la scia di bollicine è perfettamente visibile.

 

3.2. L'aria può essere toccata

II punto di partenza è rappresentato dalle due solite siringhe, una con acqua, l’altra con aria.  Prima parte: a) si preme piano piano lo stantuffo della siringa piena d’acqua in modo che le gocce cadano sui palmo della mano libera (si avvertono le gocce d’acqua); b) stessa cosa con la siringa piena d’aria (non si avverte nulla).  Seconda parte: come sopra ma lavorando sott’acqua; evidentemente la mano deve essere posizionata sopra la siringa.  L’effetto è anche in questo caso capovolto: non si avverte nulla con la siringa piena d’acqua, mentre con l’altra si avvertono distintamente le bollicine d’aria.

 

3.3. L'aria può essere travasata

Viene sfruttato il solito gioco di contrasti.  Si comincia con due bicchieri, dei quali uno pieno d’acqua; se si dispone di due beker da 250 mL (con beccuccio) il lavoro risulta molto agevolato.  Si travasa l’acqua da un bicchiere all’altro, poi si osserva che, se entrambi i bicchieri sono "vuoti", non si può travasare nulla.  Successivamente si procede allo stesso tipo di lavoro sott’acqua, con i bicchieri capovolti: è facile osservare che se entrambi i bicchieri sono "vuoti" (pieni di acqua) non si travasa nulla, mentre se un bicchiere è pieno d’aria, è proprio l'aria che può essere travasata, ovviamente dal basso verso l’alto.  Da notare che al capovolgimento degli effetti deve corrispondere anche il capovolgimento fisico dei bicchieri; è bene non sottovalutare questo fatto, che impone una buona abilità manuale nelle operazioni di travaso (fig. 2).  Soprattutto per questa fase è opportuno disporre di beker dotati di beccuccio.

 

Fig. 2.

 

3.4 L'aria esercita una spinta ed è comprimibile

Occorrono due siringhe collegate da un tubicino flessibile, lungo circa 20 cm e di diametro interno tale che in esso entri a forza il cono delle siringhe.  Si predispone l’apparecchiatura come indicato in fig. 3; in partenza uno stantuffo deve essere premuto, mentre l’altro deve essere posizionato circa a metà siringa.

Fig. 3.

 

a) Si preme lo stantuffo alzato lasciando l’altro libero: lo vedremo alzarsi immediatamente, sotto l’azione della spinta dell’aria che passa da una siringa all’altra.

b) Si preme nuovamente lo stantuffo alzato, tenendo però bloccato l’altro.  Lo stantuffo premuto riesce a scorrere, almeno per un certo tratto; evidentemente si ha una diminuzione di volume dell’aria contenuta, che risulta quindi comprimibile.

c) Si lascia andare lo stantuffo premuto e si constata che esso ritorna, più o meno, nella posizione iniziale.  Evidentemente la compressione subita dall'aria è reversibile.

d) Per terminare si può tirare ulteriormente lo stantuffo alzato, osservando un processo inverso a quello della compressione.  Risulta quindi evidente che l’aria può essere compressa ed espansa; questa osservazione è, da un punto di vista sensoriale, molto più convincente della solita affermazione secondo la quale "l’aria non ha volume proprio", affermazione che molti allievi memorizzano semplicemente, senza comprenderne minimamente il significato.

 

L’esperienza può, per quanto riguarda le proprietà dei gas, dirsi conclusa; è però opportuno proseguire osservando qual è il comportamento di un liquido (l’acqua) sottoposto alle stesse operazioni.  L’apparecchiatura è esattamente la stessa, anche se questa volta essa deve essere perfettamente riempita di acqua.  Attenzione: la locuzione "perfettamente riempita" non è casuale: occorre che dalle siringhe e dal tubicino siano state allontanate tutte le bollicine di aria.  Per gli allievi non è un procedimento semplice; si tratta di una di quelle operazioni assai utili per il conseguimento di una buona abilità manuale.  Quanto all’insegnante, osserviamo che per l’eliminazione delle bolle è sufficiente collegare una delle siringhe col tubicino, aspirare un po’ di acqua con tutte e due le siringhe, quindi fare uscire un po’ di acqua dalle siringhe tenute in posizione verticale, col cono (o col tubicino di collegamento) posizionato verso l’alto, e infine collegare al tubicino la seconda siringa.  Ecco come si svolge l'esperienza.

a) Si preme lo stantuffo alzato lasciando l’altro libero: lo vedremo alzarsi immediatamente, sotto l’azione della spinta dell'acqua che passa da una siringa all’altra.

b) Si preme nuovamente lo stantuffo alzato, tenendo però bloccato l’altro: lo stantuffo premuto non riesce a scorrere.  Evidentemente non si ha una diminuzione di volume dell’acqua contenuta, che risulta quindi incomprimibile.

c) Si può tirare lo stantuffo alzato: si riesce a sollevarlo, ma si osserva anche che si forma una zona vuota fra lo stantuffo e la superficie dell’acqua.  Anche per una diminuzione di pressione il volume dell’acqua resta lo stesso.

Con questa seconda parte dell’esperienza si riescono a identificare somiglianze e differenze fra liquidi e gas.  Entrambi possono essere trasferiti da un contenitore all’altro, ma mentre un gas risulta essere comprimibile ed espandibile, un liquido non può essere né compresso, né espanso.

 

3.5 L'aria occupa spazio

Questa esperienza può essere realizzata in due livelli distinti: il primo è di tipo puramente osservativo, per il secondo si possono tentare delle misurazioni.  Vediamo in dettaglio.

a) Pura osservazione.  Occorre un barattolo con tappo ermetico (tipo conserve alimentari); il tappo deve essere forato in due punti.  Attraverso i due fori si fanno passare due tubicini di plastica flessibili e si provvede poi a sigillare il tutto; uno dei tubicini (1) resta libero, nell’altro (2) deve essere infilato a forza un imbuto con gambo fine, tipo imbuto da profumiere (fig. 4).  A questo punto l'esperienza è molto semplice: si versa acqua nell’imbuto e si osserva che essa entra nel barattolo solo se il tubicino di plastica 1 è aperto; se è tappato, l’acqua non riesce a entrare.  Quando l’acqua entra, l’aria esce dal barattolo attraverso il tubicino 1; l’uscita dell’aria può essere evidenziata dirigendo il soffio verso la fiamma di una candela, che si piega.

Fig. 4.

 

b) Misurazione.  Occorre realizzare un bagno idropneumatico, come in fig. 5; il contenitore capovolto deve ovviamente essere pieno d’acqua.  Il livello dell’acqua nella bacinella, che deve essere piuttosto stretta (consigliabile 15x20 cm), deve essere in posizione fissa, in modo che non subisca spostamenti che potrebbero alterare il livello dell'acqua.  Da un punto di vista concettuale l’esperienza è assai semplice:

 

si introduce un certo quantitativo di gas nel recipiente di raccolta;

si misura la variazione del volume dell’acqua nella bacinella (attraverso la mi surazione del livello prima e dopo l’introduzione del gas);

si misura il volume del gas introdotto nel recipiente.

 

Fig. 5.

 

Le difficoltà sperimentali non devono essere sottovalutate.  L’introduzione del gas nel recipiente di raccolta è semplicissima: basta soffiare nel tubo.  Successivamente deve essere registrato il livello raggiunto dall’acqua sia nel recipiente di raccolta del gas, sia nella bacinella; a questo punto occorre procedere alla misurazione dei volumi.  La misurazione dell'acqua spostata è abbastanza complessa: occorre, mantenendo il recipiente di raccolta del gas nella stessa posizione che aveva durante l’esperienza, ripristinare il livello iniziale nella bacinella versando l’acqua in più in un recipiente graduato.  Per il volume del gas basta invece vuotare il recipiente di raccolta e, con un recipiente graduato, aggiungere acqua fino al segno praticato.  Entrambe le operazioni richiedono una buona capacità di uso del recipiente graduato.  I due volumi così misurati dovrebbero essere uguali; non dobbiamo però aspettarci una concordanza perfetta, vista la sensibilità del volume rispetto ai parametri geometrici (basta un piccolo errore sui livelli per produrre un errore sensibile sul volume).

 

4. Conclusioni

Il lavoro descritto è stato proposto in alcune scuole medie, e ha suscitato un notevole interesse negli allievi, fra l’altro molto gratificati dal fatto di poter lavorare con l’acqua; come già accennato, i principali problemi derivano dalla necessità di mantenere uno stretto controllo del comportamento.  I tempi per la realizzazione sono necessariamente piuttosto lunghi: al riguardo è il caso di notare come non sia assolutamente il caso di mettersi a correre.  Personalmente ho più volte osservato come alcuni insegnanti confondano la necessità di concentrare l’attenzione su ciò che si sta facendo, evitando le perdite di tempo, con la necessità di fare alla svelta: il problema è che l’obiettivo da perseguire non è il compimento dell’esperienza, ma la sua comprensione, e gli allievi hanno generalmente bisogno di tempi non brevissimi, anche se lavorano con impegno.  Visto il gran numero di prove sperimentali, l’insegnante che vuole realizzarle tutte e non ha il necessario tempo a disposizione può ripartire i compiti nella classe; in questo modo gli allievi avranno una dimostrazione pratica di come il lavoro scientifico sia spesso un lavoro collettivo, nel quale ognuno utilizza anche i risultati ottenuti dagli altri.  Come è stato più volte notato, esperienze di questo tipo non devono essere strettamente collegate a un determinato livello scolastico: appare infatti evidente che, con le dovute modificazioni, il lavoro può essere proposto sia nelle ultime classi della scuola elementare, sia (magari come azione di rinforzo e recupero) nel bienno della secondaria.

 

Bibliografia

1. P. Riani, La materialità dei gas: un approccio sperimentale, Scuola e didattica, 1991, 36, fascicolo 15, pag. 40.

2. P. Riani, Gli stati fisici della materia: problemi relativi alla didattica a livello dell'istruzione obbligatoria, La Chimica nella Scuola, 1996, 18, 85. On line at: http://wwwcsi.unian.it/educa/pedagogia/statifis.html

3. Un utile strumento di lavoro per l’insegnante, molto adatto anche alla scuola media nonostante il titolo, è il volume "La chimica alle elementari", a cura di R. Andreoli, F. Carasso Mozzi, L. Contaldi, S. Doronzo, P. Fetto, P. Riani, Giunti Lisciani, Firenze 1996.

 

Pubblicato originariamente su La Chimica nella Scuola, 1998, 20 (4), 126-129.