COSA ACCADE QUANDO UN SALE O UNO ZUCCHERO SI SCIOLGONO IN ACQUA

UNA STORIA PEDAGOGICA

 

Kevin C de Berg

Avondale college, Cooranbong NSW 2265, Australia

kdeberg@avondale.edu.au

 

Avete mai fatto un bagno rilassante con del sale?  Se non lo avete fatto vale la pena di provare specialmente se avete i muscoli doloranti dopo una partita vigorosa come pallacanestro o rugby.  Quando gettate i cristalli di sale nell'acqua della vasca sembrano scomparire nel processo di dissoluzione.  Non sembra più esservi sale allo stato solido.  Il sale è ancora presente nell'acqua anche se non potete vederlo?  Potete rispondere a questa domanda semplicemente assaggiando l'acqua.  Senza dubbio la sentirete salata.  Inoltre, se prelevate un campione dell'acqua salata della vasca e lo mettete in un vassoio e la lasciate evaporare in un paio di giorni e con l’aiuto della luce del sole, si potrebbero recuperare i cristalli di sale dalla soluzione.  Forse vorrete provare questo esperimento.  Allora che cosa pensate sia accaduto quando il sale si è disciolto nell'acqua?  Sembrerebbe che il sale sia ancora presente nell'acqua quando si discioglie ma in particelle così piccole che non potete vederle.  Possiamo schematizzare questo processo di dissoluzione come in figura.

 

 

Un modello simile si potrebbe applicare alla dissoluzione dello zucchero in acqua.  Le particelle dello zucchero sono spezzate dall'acqua in particelle più piccole che non potete vedere ad occhio nudo.  Esaminiamo il processo di dissoluzione un po’ più a fondo.  Oltre a cambiare il gusto dell’acqua, quali altre proprietà dell’acqua potrebbero subire una variazione quando sciogliete del sale o dello zucchero in essa?  Ebbene, più di cento anni fa, gli scienziati scoprirono che quando si scioglie sale o zucchero, l'acqua congela a temperature più basse di zero gradi centigradi.  Se vivete in un clima per cui nevica in abbondanza, saprete che il sale viene sparso spesso sulle strade per ridurre la quantità di ghiaccio che si forma per garantire una maggior sicurezza a chi viaggia.  Le automobili slittano facilmente sul ghiaccio ed è nell’interesse della sicurezza stradale abbassare la temperatura di congelamento dell’acqua aggiungendole del sale.  Ciò significa che c’è meno probabilità che si formi del ghiaccio e quindi meno rischi connessi al viaggiare in auto.  Ma di quanto la temperatura di congelamento dell’acqua si abbassa quando si aggiunge del sale o dello zucchero?  Per rispondere a questo problema è richiesta una ricerca scientifica.  Ma che cosa serve in una ricerca scientifica?  Scopriamolo osservando come gli scienziati nel passato affrontarono questo problema.

 

La prima indagine scientifica nota riguardante questo problema è stata effettuata dallo scienziato francese F. W. Raoult nel diciannovesimo secolo.  Raoult decise di ridurre il più possibile il numero di variabili così da poter decidere quali fattori hanno interessato l'abbassamento del punto di congelamento.

 

In questo esperimento che cosa pensate possa variare da una ricerca all’altra?  Pensateci un momento

 

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Possono variare la quantità di sale o di zucchero, la quantità di acqua e il tipo di sale o di zucchero.  Concentriamoci sullo zucchero in primo luogo.  Dapprima uno scienziato potrebbe scegliere uno zucchero e vedere come la temperatura di congelamento varia con la quantità di zucchero mantenendo costante la quantità d’acqua.  Supponiamo di aver misurato quanto la temperatura di congelamento dell’acqua sia diminuita quando 1 grammo, 2 grammi e 3 grammi di glucosio sono stati disciolti in 100 grammi di acqua.  Otterreste risultati simili a quelli riportati nella tabella 1.

 

 

Tabella 1.  Abbassamento del punto di congelamento per diverse quantità di glucosio in 100 grammi di acqua.

 

 

Quantità (grammi)

 

Abbassamento (gradi centigradi)

 

1

 

0,103

 

2

 

0,204

 

3

 

0,308

 

Che cosa accade all’abbassamento del punto di congelamento se la quantità di zucchero cambia?  Come cambia l’abbassamento quando la quantità di zucchero raddoppia o triplica?

 

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Dai dati sopra riportati ci si può rendere conto che l’abbassamento del punto di congelamento è proporzionale alla quantità di zucchero disciolta.  Ciò ci dice molto circa il processo di dissoluzione.  Supponiamo di non aver controllato le variabili e di avere aggiunto 1 grammo di glucosio a 100 grammi di acqua, 2 grammi di glucosio a 150 grammi di acqua e 3 grammi di glucosio a 80 grammi di acqua e misurato l’abbassamento del punto di congelamento.  Otterremmo risultati simili a quelli nella tabella 2.

 

Tabella 2.  Abbassamento del punto di congelamento per diverse quantità di glucosio in quantità differenti di acqua.

 

 

Quantità di glucosio

 

Quantità di acqua

 

Abbassamento

 

1 grammo

 

100 grammi

 

0,103

 

2 grammi

 

150 grammi

 

0,138

 

3 grammi

 

80 grammi

 

0,385

 

Potete vedere che quando non minimizziamo il numero di variabili che possono cambiare in un dato esperimento, è molto difficile estrarre una relazione fra le variabili.  I risultati in tabella 2 indicano che l’abbassamento della temperatura di congelamento non raddoppia quando la quantità di zucchero disciolta raddoppia perché abbiamo permesso che anche la quantità di acqua variasse.  Questa è una caratteristica importante di una esperienza scientifica.

 

In un altro esperimento Raoult ha deciso di mantenere costanti le quantità di zucchero di acqua per vedere come il punto di congelamento variava usando diversi tipi di zucchero.  Ora potremmo misurare la quantità come una massa o come un certo numero di particelle.  Risulta che Raoult ha dissolto 0,1 moli di particelle (6,022 x  1022 particelle o 18 grammi per glucosio e 34,2 grammi per lo zucchero di canna) di uno zucchero in 100 grammi di acqua ed ha misurato il punto di congelamento dell'acqua.  Ciò è stato fatto per lo zucchero di canna e per il glucosio.  Raoult allora ha calcolato quello che ha denominato il fattore d'abbassamento molare, cioè la misura di quanto il punto di congelamento dell’acqua sarebbe diminuito se una mole di zucchero fosse stata disciolta in 100 grammi di acqua.  Ciò è stato ottenuto moltiplicando l’abbassamento del punto di congelamento di 0,1 moli di zucchero per dieci ottenendo l’abbassamento per una mole dello stesso.  Poté farlo perché abbiamo visto nella tabella 1 che l’abbassamento era proporzionale alla quantità di zucchero disciolta.  I risultati di Raoult per i due zuccheri sono indicati in tabella 3.

 

Tabella 3. 

 

Zucchero

Fattore d’abbassamento molare

Glucosio

18,6

Zucchero di canna

18,5

 

Quale sarebbe stato il fattore d'abbassamento molare se Raoult avesse usato 500 grammi di acqua come standard anziché 100 grammi?

 

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Raoult avrebbe potuto scegliere di usare come standard 1 grammo di zucchero anziché 1 mole in 100 grammi di acqua. Ciò avrebbe portato ad un fattore di abbassamento per grammo anziché ad un fattore d'abbassamento molare.  Ovvero, il fattore di abbassamento per grammo sarebbe stato di quanto il punto di congelamento si sarebbe abbassato a causa della dissoluzione di un grammo di zucchero in 100 grammi di acqua.  I fattori di abbassamento per grammo per i due zuccheri sono riportati nella tabella 4.

Tabella 4. 

 

Zucchero

Fattore d’abbassamento per grammo

Glucosio

0,103

Zucchero di canna

0,054

 

Qual è la differenza nel rapporto dell’abbassamento quando si misura la quantità di zucchero in grammi confrontata alla misura della quantità di zucchero in moli?

 

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Spero che possiate vedere che quando usate le moli per gli zuccheri, i fattori d'abbassamento molari sembrano essere gli stessi o quasi per entrambi gli zuccheri.  Ciò non accade per i fattori di abbassamento per grammo.  Ovvero, l’abbassamento del punto di congelamento per diversi zuccheri dipende dal numero di particelle di zucchero disciolte in acqua, e non dalla massa delle particelle dello zucchero disciolte nell'acqua.  Riuscite a vedete come la nostra conoscenza del processo di dissoluzione sia stata migliorata adottando un approccio scientifico al problema? 

 

Potete identificare da ciò che abbiamo detto fin qua che cosa potrebbe costituire un approccio scientifico diversamente da altri approcci?

 

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Così Raoult ha osservato che l’abbassamento del punto di congelamento dell’acqua per zuccheri differenti dipende dal numero di particelle dello zucchero disciolte nell'acqua piuttosto che dalla massa delle particelle.  Presumibilmente lo stesso principio dovrebbe valere anche per i sali.  Così ha studiato nello stesso modo una gamma di sali.  Ha disciolto 0,1 moli di sale in 100 grammi di acqua, ha misurato il punto di congelamento ed ha allora determinato quanto esso si sarebbe abbassato se una mole di sale venisse disciolta in 100 grammi di acqua.  I risultati di Raoult per una serie di sali sono riportati nella tabella 5.

 

Tabella 5. 

 

Sale

Fattore d’abbassamento molare

Idrossido di potassio

35,3

Idrossido di sodio

36,2

Cloruro di potassio

33,6

Cloruro di sodio

35,1

Nitrato di potassio

30,8

 

Che cosa pensate di questi risultati?  Raoult non poté spiegare questi risultati poiché pensava di ottenere un fattore d'abbassamento molare simile ai risultati ottenuti per gli zuccheri, 18,6, perché aveva disciolto lo stesso numero di moli di sale e di zucchero nella stessa quantità di acqua.  Accade spesso nelle sperimentazioni scientifiche che emergano risultati inattesi come in questo caso.  Ma ciò significa che dobbiamo migliorare ancora la nostra conoscenza del processo di dissoluzione per poter interpretare questi dati. 

 

Potete immaginare perché i sali si comportino diversamente dagli zuccheri?  Annotate alcune idee che potreste avere in questa fase e che potrebbero contribuire all’interpretazione dei risultati.  Studiate le grandezze dei numeri; potrebbe essere un indizio.

 

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Ora non scoraggiatevi se trovate difficile interpretare i risultati perché furono necessari altri cinque anni da quando questi risultati furono pubblicati a quando ne fu ipotizzata un'interpretazione scientifica.  Nel 1887 Svante Arrhenius, un chimico svedese, suggerì che, poiché il fattore d'abbassamento molare per i sali era approssimativamente il doppio del valore di quello per gli zuccheri, le particelle del sale devono essersi divise in due.  Ma che cosa producono esattamente i sali quando si dividono in due?  Due dei suggerimenti formulati furono questi.  Consideriamo il caso del sale comune, cloruro di sodio.

 

Caso 1:                                 NaCl  ®  Na  +  Cl

Caso 2:                                 NaCl  ®  Na+  +  Cl_ 

 

Però un certo numero di chimici erano fortemente contrari all’idea che un sale potesse scindersi in due.

Studiate con attenzione ogni caso e vedete se potete formulare qualunque critica che potrebbe essere sollevata contro ciascun caso.

Caso 1: Le vostre obiezioni

 

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Caso 2: Le vostre obiezioni

 

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Che cosa hanno detto alcuni chimici circa il caso 1?

Se il cloruro di sodio si separa in sodio e cloro, perché non si osserva una reazione molto violenta fra sodio ed acqua (se non avete visto questa reazione chiedete al vostro insegnante di mostrarvela) e perché non si sente l'odore del cloro (come in piscina)? 

 

Pensate che questa sia un'obiezione legittima in base alla vostra generale conoscenza della chimica?  Il caso 2 rimuove queste obiezioni?  Spiegate.

 

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Che cosa hanno detto alcuni chimici circa il caso 2?

Se il cloruro di sodio si separa negli ioni positivi di sodio e negli ioni negativi di cloro, perché le grandi forza d’attrazione che esistono tra cariche opposte non riportano questi ioni insieme per formare l’NaCl?  Come hanno potuto queste cariche essere prodotte tramite la semplice azione di dissoluzione nell’acqua?  Sarebbero richieste grandi forze elettrica per generare queste cariche. 

 

Pensate che queste siano obiezioni legittime?  Spiegate.

 

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Come ha reagito Arrhenius a queste obiezioni sulla sua ipotesi di dissociazione?  Era d’accordo che le obiezioni al caso 1 erano giustificate.  Sì, ci si dovrebbe aspettare una reazione fra sodio e acqua e sentire un odore di cloro analogo a quello di una piscina.  Ma Arrhenius indicò che queste obiezioni non erano applicabili al caso 2 perché uno ione sodio (Na+) non è uguale al sodio elementare (Na) e uno ione cloro (Cl_) non è uguale ad un atomo di cloro (Cl) o di cloro elementare (Cl2). 

 

Siete d'accordo con la sua affermazione?  Spiegate.

 

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Arrhenius era molto a favore del caso 2 e presentò risultati di conducibilità per sostenere la scoperta dell'esistenza degli ioni in soluzione.  In un esperimento di conducibilità l'elettricità viene fatta passare in una soluzione: se la soluzione non conduce elettricità la corrente cade a zero, ma se la soluzione conduce allora la corrente che attraversa il circuito assumerà un valore diverso da zero.  Il fatto che soluzioni saline conducevano l'elettricità appoggiava, secondo Arrhenius, l'esistenza degli ioni positivi e negativi in soluzione.  Però, alcuni degli avversari di Arrhenius pensavano che una soluzione non potesse condurre l'elettricità a meno che delle cariche fossero presenti in soluzione.  Inoltre sostenevano che gli ioni fossero creati dalla sorgente elettrica esterna piuttosto che, semplicemente formati dalla dissociazione del sale in acqua.  Un esperimento di conducibilità può essere eseguito usando l'apparecchiatura qui riportata.

 

 

Pensate, quindi, che gli esperimenti di conducibilità provino in modo definitivo che i sali in acqua si scindano spontaneamente nei loro ioni?  O pensate sia meglio dire che i risultati degli esperimenti di conducibilità siano stati coerenti con un modello che suggerisce la presenza di ioni in soluzione dovuti a dissociazione spontanea dei sali in acqua?  Giustificate la vostra risposta.

 

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Il professor Henry Armstrong era fortemente critico nei confronti del modello di dissociazione ionica proposto da Arrhenius.  Lo ha denominato "l'ipotesi assurda di dissociazione ionica.  Asserisce che il cloruro di sodio è così debolmente unito che cade a pezzi una volta disciolto in acqua.  Nessun motivo valido è suggerito per tale martirio e l'ipotesi è totalmente in opposizione all’esperienza chimica e inapplicabile alla spiegazione di un più grande numero di fatti".  Alcuni chimici, compreso Armstrong, hanno ritenuto che il modello di dissociazione fosse basato semplicemente sui rapporti numerici ottenuti dalle misure fisiche e non potesse essere un modello chimico genuino basato sull’esperienza chimica.  Armstrong ha sostenuto che Arrhenius ed i suoi amici “ionisti”, tra cui Ostwald dalla Germania, avevano ignorato l'effetto dell’acqua nel processo di dissoluzione.  A causa dell'esistenza dei sali idratati, come Na2CO3·10 H2O, Armstrong ha sostenuto che la dissoluzione fosse un processo di associazione con acqua piuttosto che un processo di dissociazione in acqua.  Sostenne che proprietà come l'abbassamento del punto di congelamento, dipendessero dal numero di molecole libere di idrone (hydrone; H2O) presenti nella soluzione.  Quando un sale o uno zucchero vengono disciolti in acqua il numero di molecole libere di idrone (H2O) è ridotto perché c’è un'associazione con le particelle dello zucchero o del sale.  Il fattore d'abbassamento molare del punto di congelamento quasi doppio per i sali, come il cloruro di sodio visto in tabella 5, è dovuto a due molecole di idrone che sono influenzate dall'aggiunta di NaCl.  L'aggiunta di una particella di zucchero ha interessato soltanto una molecola di idrone e così ha dato la metà del fattore d'abbassamento molare dei sali come il cloruro di sodio. 

 

Pensate che Armstrong reagì troppo violentemente al modello di dissociazione OPPURE pensate che potesse avere alcune legittime preoccupazioni?

 

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Considerate i sali come il cloruro di calcio, CaCl2, e il cloruro di bario, BaCl2, che consistono di tre particelle per unità di formula.  Quando Raoult in 1882 determinò di quanto il punto di congelamento dell’acqua si sarebbe abbassato se 1 mole di questi sali fosse stata disciolta in 100 grammi di acqua, ha ottenuto i seguenti risultati riportaati in tabella 6.

 

Tabella 6. 

 

Sale

Fattore di abbassamento molare

Cloruro di calcio

49,9

Cloruro di bario

48,6

 

Come avrebbe spiegato questi risultati Arrhenius?

 

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Come avrebbe spiegato questi risultati Armstrong?

 

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Anche una soluzione del cloruro di calcio conduce l'elettricità.

Come avrebbe spiegato questo fatto Arrhenius?

 

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Come avrebbe spiegato questo fatto Armstrong?

 

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Quindi questa situazione presentava due modelli: ogni modello veniva difeso con veemenza dai relativi fautori e veniva attaccato con altrettanta veemenza dagli avversari.  Questi erano il modello di dissociazione spontanea negli ioni ed il modello dell'associazione spontanea con acqua.  Non abbiamo microscopi abbastanza potenti per vedere le particelle in soluzione e per decidere quale dei due modelli è corretto.  Dobbiamo giudicare indirettamente misurando le proprietà come l’abbassamento del punto di congelamento e la conducibilità.  Alle volte non possiamo decidere in modo definitivo quale modello sia corretto, anche se si studiano una varietà di proprietà.  Gli scienziati devono sperare che si presenti una proprietà che ci possa aiutare a decidere quale modello sia più applicabile nella descrizione del processo di dissoluzione.  Circa nel 1915, uno scienziato britannico di nome William Bragg stava studiando l'effetto del passaggio dei raggi X nei cristalli del sale e dalle immagini ai raggi X ottenute concluse che nessuna molecola discreta di NaCl esiste come tale ma piuttosto il cloruro di sodio esiste come un reticolo tridimensionale di ioni sodio e di ioni cloro.  Ne viene visualizzata un'immagine.

 

 

In altre parole, quando il cloruro di sodio viene disciolto in acqua, l'acqua non crea gli ioni.  Separa semplicemente gli ioni già presenti nel cristallo.  Ciò significa che in un esperimento di conducibilità gli ioni esistono molto probabilmente in soluzione prima che una qualsiasi tensione esterna sia applicata.  Questa scoperta portò un forte supporto al modello di dissociazione ionica.  Armstrong, tuttavia, fu sconvolto dal fatto che i chimici stavano ricorrendo all'uso delle misure fisiche nella chimica.  Riguardo al lavoro di Bragg egli disse: ”La chimica non è né scacchi né geometria, qualsiasi cosa la fisica dei raggi X possa essere. A tale denigrazione ingiustificata del carattere molecolare del nostro più necessario condimento non deve essere permesso ancora di passare incontestata.  Un po’ di studio dell’apostolo Paolo può essere suggerito al professor Bragg come preliminare necessario anche al lavoro ai raggi X; la scienza è l'inseguimento della verità.  È giunto il momento che i chimici si prendano carico della chimica e proteggano i neofiti dal culto dei falsi dei".

 

Che cosa pensate stesse motivando Armstrong in questa esplosione di critica?

 

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Desidero ora che proiettate le vostre menti di nuovo al 1884 e considerate quanto fortemente, secondo voi, i dati della prova dell'abbassamento del punto di congelamento hanno sostenuto il modello di dissociazione ionica.  Per aiutarvi in questa valutazione ho incluso i dati già discussi con altri dati di altri composti in un’unica tabella (tabella 7) qui sotto.

 

Tabella 7.  Fattori d'abbassamento molare delle soluzioni dei seguenti composti in acqua.

 

 

Metanolo

 

17,3

 

Acido cloridrico

 

39,1

 

Etanolo

 

17,3

 

Acido nitrico

 

35,8

 

Glicerolo

 

17,1

 

Acido solforico

 

38,2

 

Zucchero di canna

 

18,5

 

Idrossido di potassio

 

35,3

 

Acido formico

 

19,3

 

Idrossido di sodo

 

36,2

 

Fenolo

 

15,5

 

Cloruro di potassio

 

33,6

 

Acido acetico

 

19,0

 

Cloruro di sodio

 

35,1

 

Acido butirrico

 

18,7

 

Cloruro di calcio

 

49,9

 

Etere

 

16,6

 

Cloruro di bario

 

48,6

 

Ammoniaca

 

19,9

 

Nitrato di potassio

 

30,8

 

Anilina 

 

15,3

 

Solfato di magnesio

 

19,2

 

Acido ossalico

 

22,9

 

Solfato di rame

 

18,0

 

Quali dati pensate che sostengano il modello e quali dati, se c’é ne sono, no?

 

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Ora valutate quanto fortemente i dati nella tabella sostengano un modello di dissociazione ionica.

 

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Anche se il modello di associazione con l’acqua di Armstrong è decaduto in parte all'inizio del 20esimo secolo a causa della scoperta per i sali della struttura del reticolo ionico con l’analisi dei raggi X, la sua insistenza che l'acqua avesse un ruolo importante nel processo di dissoluzione è stata dimostrata essere corretta.  È stato dimostrato che l’acqua ha un’alta costante dielettrica, il che significa che gli ioni di carica opposta potrebbero esistere liberamente in soluzione senza unirsi a causa delle forze d’attrazione.  L’acqua, se preferite, poteva assorbire fino ad un certo punto queste forze d'attrazione.  Tuttavia, se si fanno soluzioni saline fortemente concentrate o soluzioni che contengono ioni altamente carichi, la probabilità di formare accoppiamenti di ioni viene aumentata.  Così, in una soluzione concentrata di cloruro di sodio per esempio, la probabilità che si formino degli accoppiamenti di ioni del tipo, Na+·Cl_, diventa più grande.

 

Queste idee possono aiutarvi a spiegare le possibili anomalie nella tabella 7?  Spiegate.

 

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È da quando avete iniziato la scuola superiore che dovreste sapere che quando il sale comune si discioglie in acqua, accade il seguente processo:

NaCl  ®  Na+  +  Cl_

E per i sali più complicati come il carbonato di sodio:

Na2CO3·10 H2 ®  2 Na+  +  CO32_  +  10 H2O

Come potete vedere da quanto riportato questa idea si dimostrò molto controversa.  Questo piccolo progetto è stato sviluppato per mostrarvi come questa conoscenza è nata e quale prova è stata usata per sostenerla.  Naturalmente non ho potuto discutere tutta la prova che è stata usata per sostenere il modello ionico di dissociazione ma ce n’è abbastanza per darvi un'idea.  Il progetto si spera vi abbia aiutati a capire come gli scienziati ragionano e come decidono fra modelli in conflitto.

 

Il processo di decidere tra modelli che sono in conflitto è semplice o complesso?  Giustificate la vostra risposta.

 

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In che misura la personalità dello scienziato influenza l'accettazione o il rifiuto di un modello scientifico?  Nella vostra risposta basatevi sugli esempi in questo articolo e anche su altri fattori.

 

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Quali possono essere i ruoli dell’evidenza e delle convinzioni nella costruzione della conoscenza scientifica?  Nella vostra risposta basatevi sugli esempi in questo articolo e anche su altri fattori.

 

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