LA STRUTTURA PARTICELLARE DELLA MATERIA NELLA SCUOLA MEDIA INFERIORE: RISULTATI DI UNA INDAGINE E RIFLESSIONI DIDATTICHE

 

Pierluigi Riani

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

riani@dcci.unipi.it

 

Riassunto

Il lavoro riguarda l'acquisizione del modello particellare della materia da parte di allievi di scuola media inferiore.  Vengono evidenziate difficoltà di natura concettuale che possono avere origine sia dai libri di testo, sia dall'uso di un linguaggio non adeguato da parte dell'insegnante.  Vengono infine presentate alcune proposte per una conduzione efficace di un iter didattico al riguardo.

 

Abstract

The present paper is concerned with thè acquisition of the particle model of matter by junior high school pupils.  Some conceptual difficulties are showed.  These difficulties can be originated both from textbook and from thè teacher who employs an inadequate language.  Some proposals are presented, adressed to the building of an effective educational curriculum in thisfield.

 

1. Premessa

In questo lavoro vengono presentati i risultati di una indagine riguardante l'acquisizione del modello della struttura particellare della materia da parte di allievi della scuola media inferiore; l'obiettivo di questa indagine è quello di fornire elementi utili ai fini sia di una riflessione approfondita sul problema, sia dell'elaborazione di una proposta didattica efficace.  Sull'acquisizione di modelli mentali esistono lavori in gran numero; il modello particellare della materia è sicuramente fra i più studiati [1], ma poco risulta sia stato fatto in Italia al riguardo per la scuola media inferiore [2].  D'altra parte l'iter didattico seguito in questo livello scolastico è di primaria importanza per due ragioni ben precise:

– Per una percentuale non trascurabile di allievi, il termine degli studi coincide col termine della scuola obbligatoria, con la terza media inferiore;

Gli allievi che proseguono negli studi avranno a che fare nuovamente col modello particellare; le acquisizioni della scuola media inferiore costituiranno però una base abbastanza consolidata per qualsiasi sviluppo futuro, e le correzioni comporteranno senz'altro difficoltà non indifferenti.

Contemporaneamente a questa rilevazione è stato effettuato un esame su alcuni dei libri di testo di più ampia diffusione; questo esame è risultato necessario per avere un quadro quanto più possibile compiuto dell'origine delle idee manifestate dagli allievi.

 

2. La presentazione della struttura particellare: i testi.

Nella maggior parte dei libri di testo esaminati* la struttura particellare della materia viene introdotta al primo anno; non sono però infrequenti casi in cui la presentazione è rimandata al secondo anno.  È opportuno ricordare che al riguardo i programmi vigenti si limitano a un minimo cenno, e in più non sono in alcun modo prescrittivi riguardo ai tempi.  Nel tema "Materia e fenomeni fisici e chimici", contenuto "caratterizzazione e trasformazioni delle sostanze" troviamo un limitatissimo riferimento fra le indicazioni di lavoro: "Cenni sulla struttura della materia: dimensioni degli atomi, i cristalli".  Gli argomenti relativi trattati nei libri di testo variano in un campo abbastanza vasto.  Come linea generale si parla di atomi e di molecole; quasi sempre viene introdotta la struttura dell'atomo, con nuclei ed elettroni; un po' meno frequentemente si va oltre, proponendo il problema della popolazione delle orbite con l'onnipresente ottetto.  Per la formazione delle molecole ci si rifa abbastanza spesso ai concetti di valenza e di legame chimico, covalente e ionico.  Da un punto di vista iconico, le particelle vengono rappresentate in modi differenziati anche all'interno dello stesso testo: quando la struttura è inessenziale viene usata una pallina semplice; quando si vuole puntare l'attenzione sulla struttura della molecola vengono usati modelli tipo "ball and stick" oppure "space filling".  Per la struttura dell'atomo è decisamente prevalente la rappresentazione di tipo "planetario", peraltro alquanto in contrasto con le rappresentazioni proposte per le molecole; piuttosto rara la rappresentazione a distribuzione sferica (al momento, per fortuna, mancano ancora gli orbitali p e d).

Un punto sul quale è opportuno porre l'attenzione è il seguente: nella gran maggioranza dei casi il modello particellare è fine a sé stesso, e non viene utilizzato per razionalizzare fenomeni macroscopici.  L'unica applicazione introdotta di frequente è quella relativa alla struttura della materia nei tre stati fisici; manca generalmente (pòche le eccezioni) qualsiasi riferimento ai cambiamenti di stato fisico, al discioglimento dei solidi nei liquidi, a trasformazioni di qualsiasi tipo.  Le reazioni chimiche hanno al riguardo una piccolissima parte, limitata però in generale a una rappresentazione iconica dell'equazione.  La caccia all'errore non è negli intenti di questo lavoro; alcuni punti devono però essere sottolineati.  

La rappresentazione planetaria degli atomi è a volte spinta fino alle estreme conseguenze.  Si arriva ad affermare che gli elettroni percorrono orbite ben precise, e che la stessa orbita si trasferisce pari pari da un atomo all'altro (in altri termini: la distanza degli elettroni dal nucleo è la stessa per l'atomo di idrogeno, per l'atomo di elio e in generale per tutti gli elettroni che stanno nella prima orbita).

L'insidia della molecola che "conserva tutte le proprietà della sostanza" (3) è sempre in agguato: a volte il concetto è espresso a chiare lettere, più spesso lo si può leggere fra le righe.  Manca completamente qualsiasi riferimento al fatto che quasi tutte le proprietà osservabili di una sostanza non sono riferibili alla singola molecola.

Nella rappresentazione della materia nei diversi stati fisici troviamo spesso l'affermazione che la distanza fra le molecole cresce nella sequenza solido liquido gas; a volte questo concetto non è affermato verbalmente, ma risulta in modo abbastanza chiaro dal disegno.  Anche se l'acqua costituisce un'eccezione, pure è una sostanza abbastanza comune; fra l'altro l'esperienza della rottura della bottiglia piena d'acqua nel freezer viene proposta frequentemente.

 

3. Rilevazione delle idee degli allievi: modalità.

Premessa fondamentale: l'autore è dell'opinione che qualsiasi tentativo di traduzione statistica quantitativa di un rilevamento con finalità didattiche sia destinato all'insuccesso.  Con tutto questo non si vuole sminuire l'importanza di questi rilevamenti, ma piuttosto ricondurre a un livello realistico la leggibilità e soprattutto la trasferibilità dei risultati.  In altri termini, i risultati ottenuti sono sicuramente affidabili nell'ambito del gruppo nel quale sono stati rilevati, ma sono solo parzialmente trasferibili a gruppi esterni; rilevamenti condotti su campioni completamente diversi possono produrre risultati che presentano somiglianze significative, ma questi risultati non possono essere tradotti in percentuali ragionevolmente sicure.  Le motivazioni sono tutte riconducibili all'eccessivo numero di variabili che possono influire sui risultati, e che non abbiamo alcun modo di controllare in modo sufficientemente efficace da garantire un effettivo grado di riproducibilità.  Fra le variabili che influiscono sulle idee degli allievi, gli insegnanti e i libri di testo hanno certamente una posizione di primo piano.  È stato detto "gli insegnan­ti e i libri di testo" e non "le idee espresse dagli insegnanti e dai libri di testo": in effetti, come avremo modo di vedere, nella formazione delle idee riguardo a un argomento tutto sommato astratto e certamente non suscettibile di verifica sperimentale come è quello della struttura particellare della materia, il linguaggio attraverso il quale le idee vengono espresse gioca un ruolo fondamentale.  Il rilevamento è stato condotto in due tempi, su campioni completamente distinti: la prima volta in scuole di Livorno e di Lucca (4), la seconda volta in una scuola di Camaiore, provincia di Lucca.  Allievi interessati: più di 200 per il primo rilevamento, poco meno di 100 per il secondo.  I risultati del primo rilevamento sono stati oggetto di una comunicazione preliminare.

 

Solo a un campione ridotto di allievi (circa 50, tutti di classe prima e del secondo gruppo) sono state poste alcune domande preliminari, precedenti qualsiasi intervento dell'insegnante riguardo alla proposta del modello particellare; si è trattato di una specie di test informale, condotto sotto forma di discussioni di gruppo.  Il rilevamento vero e proprio è stato invece condotto in forma scritta individuale, con un questionario diviso in tre parti (testo completo in appendice):

Domande relative alla comprensione e all'apprendimento lessicale per alcuni fenomeni di cambiamento di stato fisico e di soluzione, senza riferimento alla struttura particellare;

Domande specifiche riguardo al modello particellare;

Richiesta di disegni relativi ad alcuni fenomeni visti secondo il modello particellare.

 

4. Rilevazione delle idee degli allievi: analisi delle risposte.

Per quanto riguarda la situazione di ingresso nella scuola media, il campione è stato sicuramente troppo limitato per fornire indicazioni valide; in effetti sono in programma ulteriori rilevamenti.  Due dati però sono emersi in modo abbastanza costante:

Nella scuola elementare gli insegnanti parlano poco o nulla di atomi e contorno (o, se ne parlano, non rimane memoria negli allievi); viene evidentemente seguita al riguardo l'indicazione contenuta nei programmi vigenti.

In qualche modo gli allievi hanno sentito parlare di atomi, molecole, elettroni eccetera, ma nelle loro idee solo in pochissimi casi esiste qualche barlume di collegamento col mondo macroscopico.

Per la maggior parte degli allievi gli atomi, gli elettroni e in genere tutte le "particelle" possibili sono semplicemente oggetti misteriosi contenuti nella materia, a volte dannosi (le bombe atomiche), a volte utili (gli strumenti elettronici), spesso totalmente fantastici.  La derivazione in massima parte fumettistico fantascientifica di queste informazioni è evidente.  Per quanto riguarda la struttura del questionario, la richiesta dei disegni ha una finalità ben precisa: si vuole mettere in evidenza una eventuale discrepanza con le risposte verbali, in modo da chiarire se all'apprendimento verbale consegua un apprendimento effettivamente significativo.  In altri termini, si vuole determinare se il modello mentale che l'allievo si è costruito corrisponde o meno a quanto è stato appreso in forma verbale, dando per scontato che il disegno corrisponda meglio del testo al pensiero dell'allievo.  Le risposte alla prima domanda dimostrano una soddisfacente acquisizione sia dei fenomeni di riferimento, sia del lessico relativo.  Alcune annotazioni:

La prima frase viene interpretata in due modi diversi; il riferimento alla condensazione dovrebbe essere chiaro, ma molti allievi fanno riferimento al fenomeno precedente, e quindi all'evaporazione.  È evidente che la forma in cui viene espresso un quesito deve essere quanto più univoca possibile, e senza troppe possibilità di lettura deviata; con allievi di scuola media non ci può essere la certezza di una lettura rigorosamente logica.

Riguardo alla sublimazione, le risposte si dividono per blocchi classe.  Il termine corretto è quello usato in prevalenza laddove è stato introdotto con una certa attenzione; nelle classi in cui il lavoro è stato più limitato prevale invece nettamente il termine evaporazione (o termini connessi).

Da un punto di vista linguistico la confusione fra discioglimento e fusione costituisce un ostacolo molto duro da superare; per l'ultima frase infatti il termine discioglimento è il più usato.  È d'altra parte impossibile avere le idee chiare sull'attenzione prestata dagli allievi nel formulare le risposte, quindi non si può attribuire automaticamente la risposta sbagliata all'errata comprensione del fenomeno; teniamo conto del fatto che in casi come questo nella lingua parlata non verrà mai usato il termine scientifica mente corretto.

Un numero limitato di allievi confonde il fenomeno con la causa; si tratta per lo più di allievi collocabili in una fascia medio-bassa di rendimento scolastico, che danno la risposta più ovvia e immediata (esempi: le strade che si asciugano caldo; aggiunta dello zucchero alla limonata è aspra; formazione del ghiaccio fa freddo).  Un ulteriore accertamento diretto ha evidenziato una comprensione molto superficiale dei concetti e un apprendimento lessicale pressoché nullo.  La maggioranza di questi allievi ha eseguito l'ultima parte del lavoro, relativa ai disegni, senza fare alcun riferimento alla struttura particellare.

 

In base alle risposte verbali alle domande relative alla struttura particellare si dovrebbe concludere che la comprensione media del modello è soddisfacente: una netta maggioranza degli allievi fornisce risposte almeno parzialmente corrette.  Errori più frequenti:

Le molecole di zucchero diventano liquide; questa risposta affianca spesso la successiva (le molecole di zucchero escono dal reticolo cristallino e si mescolano alle molecole di acqua); evidentemente permane una certa confusione fra il fenomeno visto dal punto di vista particellare e gli aspetti macroscopici.

Formazione di molecole solide di ghiaccio nell'acqua liquida che sta gelando.  Commento come sopra.

Pochi allievi parlano di molecole di acqua che diventano liquide quando il ghiaccio fonde; al riguardo va osservato però che fra le esemplificazioni fornite dagli insegnanti la fusione del ghiaccio era sempre presente.  Passiamo all'esame dei disegni; le sorprese non mancano.  Sono risultate frequenti frasi a carattere esplicativo scritte accanto ai disegni.

I primi tre disegni sono relativi al rapporto fra struttura particellare e stato fisico quindi a uno dei punti che più frequentemente viene affrontato sui libri di testo.  Gli errori più notevoli, presenti in un numero non trascurabile di elaborati, spesso anche contemporaneamente, sono i seguenti:

Le particelle cambiano dimensionenei tre stati fisici; in genere (ma la predominanza non è netta) le dimensioni aumentano nella sequenza solido liquido gas (Fig. 1). Qualche confusione col fenomeno della dilatazione?

 

Fig. 1.  Cambia la dimensione delle particelle

 

Le particelle cambiano forma; in alcuni casi c'è una certa rispondenza con il dato macroscopico: forma con lati (triangolo o quadrato) per i solidi, cerchio per i liquidi, "fumetto" per i gas (Fig. 2).

 

 

Fig. 2.  Cambia la forma delle particelle

 

La distanza fra le particelle nel liquido è sensibilmente maggiore che nel solido; l'origine di questo parziale errore è in genere da ricercarsi nei testi.  In particolare nel secondo campione gli allievi che fanno questa scelta disegnano particelle sempre uguali.

Per gli stati fluidi le molecole sono "immerse" nella sostanza; abbiamo quindi molecole immerse nell'acqua liquida, molecole immerse nel vapore (Fig. 3).

 

 

Fig. 3.  Particelle immerse nel liquido

 

Da domande rivolte successivamente è emerso che questo errore può avere in certi casi origine da problemi grafici.  Lo stesso errore non si verifica per lo stato solido.  Per questi primi disegni le didascalie sono limitate alla scrittura dello stato fisico considerato.

 

I disegni riguardanti a disposizione delle molecole di zucchero in un cristallo non portano particolari problemi; la raffigurazione particellare dello stato solido in effetti sembra essere quella che ha avuto maggiore successo.  Didascalia tipo: Cristallo di zucchero.  Riguardo alla soluzione, si rilevano errori di quattro tipi principali:

Formazione di coppie di molecole acqua zucchero, in rigoroso rapporto 1:1 (Fig. 4).

 

 

Fig. 4.  Soluzione con coppie di particelle di acqua e zucchero in rapporto 1:1 ; struttura ordinata

 

Didascalia tipo: le molecole di zucchero si attaccano alle molecole di acqua.

Formazione di molecole di soluzione; in certi casi le molecole di soluzione conservano memoria della loro origine, ovvero sono formate da due parti distinguibili; in altri casi no (Fig. 5). 

 

Fig. 5.  Formazione di molecole di soluzione

 

Didascalia tipo: le molecole di zucchero si attaccano alle molecole di acqua per formare molecole di soluzione.

Soluzione con struttura rigidamente ordinata; questo errore coesiste spesso con quello della formazione di coppie di molecole.

Soluzione con struttura rigidamente ordinata; questo errore coesiste spesso con quello della formazione di coppie di molecole.

Molecole di zucchero disciolte fra le molecole di acqua (Fig. 6). 

 

 

Fig. 6.  Discioglimento delle molecole di zucchero

 

Attenzione:  questo tipo di errore viene rilevato anche per alcuni allievi che nella risposta verbale hanno scritto che le molecole di zucchero non diventano liquide.  Varie didascalie; in generale si sottolinea che lo zucchero si scioglie, senza fare riferimento alla struttura particellare.  L'eventuale ambiguità dei disegni (che nella figura sono riassunti in modo forzatamente troppo schema­tico: le linee curve potrebbero rappresentare molecole di zucchero, e in questo caso la rappre­sentazione sarebbe corretta) è stata superata con domande dirette; le risposte orientavano nettamente verso il discioglimento delle molecole.

Gli ultimi tre disegni sono relativi a situazioni dinamiche: cosa succede alle molecole di una sostanza (acqua o zucchero) mentre avviene un fenomeno (discioglimento o cambiamento di stato fisico).  Dovrebbe essere ipotizzata una certa concordanza con quanto visto in precedenza, ma nella realtà le discordanze sono frequenti.  In altri termini, allievi che hanno interpretato in un certo modo sia la disposizione delle molecole di zucchero e di acqua in una soluzione, sia la disposizione delle molecole nei tre stati fisici, eseguono disegni che con questa interpretazione non sono assolutamente correlati. Anche se si è dichiarato di non voler fornire dati quantitativi, è utile avere una stima dell'ordine di grandezza di questo fenomeno: nei due campioni esaminati si va intorno al 20%.  Ecco comunque gli errori più comuni. Discioglimento dello zucchero.

Discioglimento delle molecole di zucchero; l'acqua può essere o no rappresentata in struttura particellare.

Formazione di coppie di molecole acqua zucchero o di molecole di soluto.  Queste risposte sono in numero nettamente inferiore a quelle del disegno 5; la parte rimanente si orienta verso il discioglimento delle molecole.

Fusione del ghiaccio.

Fusione delle molecole: ghiaccio rappresentato con struttura ordinata; attorno ad esso acqua senza struttura (Fig. 7).  Questa rappresentazione è scelta anche da allievi

 

 

Fig. 7. Fusione delle molecole

 

che hanno dato una rappresentazione particellare dell'acqua allo stato liquido.

 

L'acqua viene rappresentata come un liquido all'interno del quale si trovano molecole; il ghiaccio è generalmente rappresentato con struttura ordinata (Fig. 8).  

 

 

Fig. 8. Molecole immerse nell’acqua fusa

 

Buona la corrispondenza con il disegno 2, relativo all'acqua allo stato liquido, anche se in questa fase propendono per questa interpretazione anche alcuni allievi che nel disegno 2 avevano optato per un'interpretazione puramente particellare.  Evaporazione dell'acqua.

L'acqua è rappresentata come un liquido, il vapore come una nuvoletta: manca il riferimento alla struttura particellare.  Sono stati esclusi dall'elenco i disegni che non hanno alcuna attinenza con la struttura particellare, ma questo caso viene menzionato in quanto particolarmente frequente, anche da parte di allievi che hanno dato rappresentazioni particellari dell'acqua nei tre stati fisici.

Rappresentazione particellare dell'acqua, rappresentazione con "fumetti" di vario tipo del vapore (Fig. 9).  Si tratta in buona parte di disegni difficilmente interpretabili: i "fumetti" vogliono rappresentare l'evaporazione delle molecole o le singole molecole che hanno cambiato aspetto?  In pochi casi la didascalia da una chiara interpretazione molecolare (es.: molecole di vapore).

 

 

Fig. 9.  Evaporazione delle molecole

 

A parte la rappresentazione del vapore con "fumetti", nelle interpretazioni particellari più chiare scompaiono in buona parte le differenze fra molecole che sono state viste nei primi tre disegni.  Un punto che ha un'importanza particolare nella costruzione del modello particellare è quello del linguaggio adoperato dall'insegnante.  Si può obiettare che il linguaggio è sempre importante; d'altra parte si è rilevato che all'interno del campione sussistono interpretazioni particolari, caratteristiche di alcuni gruppi-classe, interpretazioni per le quali sono state- chiaramente determinanti le locuzioni e i termini adoperati.  Si riportano due esempi particolarmente significativi, per i quali si è potuto procedere a una ricostruzione attendibile di quanto detto dall'insegnante.

Parlando della fusione, è stata fornita una spiegazione del tipo seguente: nel solido le molecole sono disposte in modo ordinato; a una certa temperatura questa struttura si rompe, e le particelle dei diversi strati (riferimento a un disegno) possono scivolare l'una sull'altra. Risultato: molti allievi hanno rappresentato la fusione attraverso una sfalsatura degli strati di molecole di un solido; in altri termini, sono gli strati che scivolano l'uno sull'altro, non le particelle (Fig. 10).

 

 

Fig. 10.  Fusione del ghiaccio: gli strati di molecole scivolano l'uno sull'altro

 

Parlando della struttura della materia allo stato solido, è stato detto che le particelle sono disposte lungo gli spigoli di figure geometriche di forma definita; questa struttura si rompe quando avviene la fusione. Risultato: la materia allo stato solido viene rappresentata con file di particelle disposte lungo gli spigoli di un cubo; nella fusione la struttura del cubo si rompe, ma le particelle restano raggrappate in file (Fig. 11).

 

 

Fig. 11.  Particelle disposte in file su un reticolo; la fusione spezza il reticolo, ma non distrugge le file

 

5. Riflessioni didattiche

5.1. Il problema del modello

Allievi di 11 - 12 anni tendono a recepire un modello in un modo molto concreto; è sempre in agguato quindi un'interpretazione della teoria particellare nella quale le "palline" rappresentative diventano palline autentiche, costituite probabilmente da qualche materiale strano, magari anche colorate.  Troppo spesso il modello particellare viene proposto senza lasciare il tempo di una adeguata riflessione; quando si tratta poi di correlarlo con la realtà, il risultato è quello di una evidente forzatura fra la struttura delle particelle, che per la maggioranza degli allievi sono indiscutibilmente piccoli oggetti solidi, e le caratteristiche della materia nei diversi stati fisici.  Nell'interpretazione statica, quella evidenziata dai disegni sui tre stati fisici, il modello particellare viene applicato, sia pure con una lettura che spesso non corrisponde a quella codificata.  Quando invece si tratta di descrivere un processo, gli allievi si trovano in difficoltà: nella fusione abbiamo un solido che diventa liquido, nell'evaporazione abbiamo un liquido che diventa gas, e queste trasformazioni devono, secondo un'interpretazione concreta del modello, tradursi in trasformazioni analoghe delle particelle.  Ecco quindi le interpretazioni contraddittorie: il solido è formato da particelle che fondono durante la fusione, il liquido è formato da particelle che evaporano durante l'evaporazione.

 

5.2. Il problema del linguaggio

Quando si tenta di spiegare verbalmente un concetto come quello della struttura particellare, che non ha una corrispondenza nella realtà macroscopica, si attivano due grosse fonti di errore:

Il docente da una spiegazione corretta, usando un linguaggio corretto; il discente può però interpretare il linguaggio a suo modo;

Il docente adopera un linguaggio di interpretazione ambigua, e fra le possibilità che ha davanti il discente deve operare una scelta che può portare alla formazione di un modello errato.  All'origine di queste fonti di errore sta chiaramente la natura del concetto: il discente deve costruirsi un modello mentale; se questa costruzione si appoggia su rappresentazioni insufficienti (se non del tutto assenti), il modello risultante potrà essere insoddisfacente. Se, a titolo di esempio, esaminiamo un certo numero di libri, arriveremo alla formazione di un modello mentale soddisfacente, che permetterà il riconoscimento immediato di un libro come tale, senza doverne esaminare caratteristiche particolari.  Con la teoria particellare non abbiamo invece in mano niente di concreto; il discente deve appoggiarsi su quanto gli viene proposto dal docente o dal testo, e se la proposta non è sufficientemente articolata, non possiamo avere la pretesa che il modello mentale che viene costruito sia completo e corretto.

 

5.3. Il "ponte" fra macroscopico e microscopico

Se gli allievi devono costruirsi un modello particellare della materia collegato con la realtà macroscopica, è necessario che i docenti forniscano in modo chiaro questi collegamenti; questo non è evidentemente possibile se le due trattazioni, quella a livello microscopico e quella a livello macroscopico, vengono condotte in modo più o meno scollegato.  In conclusione, l'iter didattico deve prevedere numerosi scambi di corsia fra microscopico e macroscopico. Vediamo un esempio, relativo al tema degli stati fisici della materia e dei cambiamenti di stato fisico.

Aspetto macroscopico dei tre stati fisici. In particolare dovrebbero essere prese in considerazione caratteristiche quali l'indeformabilità dei solidi, la struttura cristallina che può essere osservata per alcune sostanze sòlide, l'incomprimibilità dei liquidi, la comprimibilità dei gas, l'ordine di grandezza della densità per tutti e tre gli stati fisici.

Struttura microscopica della materia nei tre stati fisici.  Collegamenti col macroscopico: a) I solidi sono difficilmente deformabili, quindi le particelle che li compongono devono essere legate fra loro con legami che si rompono difficilmente; b) La struttura cristallina di certe sostanze può essere spiegata ammettendo che le particelle siano legate fra loro secondo strutture regolari; e) Per le sostanze solide che non hanno struttura cristallina visibile, si può ipotizzare una costituzione a microcristalli: qualcosa del genere può essere osservata con una lente in un campione di granito, al microscopio per un marmo; d) L'incomprimibilità dei liquidi dice che le particelle devono essere più o meno alla stessa distanza di quelle che compongono i solidi, anche se i legami che le tengono unite devono essere diversi in quanto è permessa la mobilità delle particelle; e) La comprimibilità dei gas evidenzia il fatto che le particelle costituenti devono essere distanziate l'una dall'altra; f) Le densità della stessa sostanza allo stato solido e allo stato liquido sono molto simili, e questo da una conferma al fatto che la distanza fra le particelle non varia in modo apprezzabile (e, nel caso dell'acqua, la distanza è minore nel liquido che nel solido, tant'è vero che il ghiaccio galleggia); g) La bassa densità dei gas da una conferma a quanto visto nel punto e.

Aspetti macroscopici della fusione.  L'arresto della temperatura può essere osservato con una certa difficoltà e con una certa approssimazione, in quanto non è facile far avvenire una fusione mantenendo costantemente il sistema in stato di equilibrio termico.  È possibile, lavorando con cilindro graduato e bilancia, evidenziare la piccolezza delle variazioni di volume e la conservazione della massa.

Aspetti macroscopici dell'evaporazione.  Può essere facilmente evidenziato, con esperienze che rispettino rigorosamente il procedimento di controllo delle variabili, l'effetto della superficie esposta e della temperatura sulla velocità dell'evaporazione.  È opportuno anche sottolineare un dato abbastanza noto (e comunque facilmente sperimentabile): l'evaporazione provoca un raffreddamento che può essere anche molto sensibile.

Interpretazione particellare della fusione.  È stata già vista la struttura particellare della materia allo stato solido e allo stato liquido; si tratta di capire come avviene il passaggio. È necessario introdurre la correlazione fra temperatura e agitazione termica delle particelle (non appare il caso di parlare di energia cinetica media), rilevando che in un solido l'agitazione termica è giocoforza limitata a oscillazioni intorno alle posizioni di equilibrio.  Una volta che l'ampiezza delle oscillazioni oltrepassa un certo limite, si ha la rottura del reticolo cristallino e quindi la fusione; l'energia necessaria per la rottura del reticolo è rappresentata dal calore latente di fusione.  Attenzione a non sottovalutare la difficoltà dei concetti qui sommariamente esposti!

Interpretazione particellare dell'evaporazione.  Vale sempre il dato dell'agitazione termica; una particella che abbia energia sufficiente può uscire dal liquido e passare nella fase vapore.  Diventa evidente l'influenza delle variabili temperatura e superficie esposta.  È opportuno mettere in evidenza la differenza fra un processo rapido, favorito magari da una corrente d'aria, con conseguente abbassamento di temperatura, e un processo lento nel quale lo scambio termico con l'ambiente è in grado di assicurare l'isotermia.

A livello di scuola media non sembra facile introdurre sostanziali differenze di spiegazione particellare fra evaporazione e sublimazione; quanto ai cambiamenti di stato fisico inversi si può assumere che valgano le spiegazioni inverse, anche se la questione non è del tutto corretta.

 

6. Conclusioni

Un dato è abbastanza chiaro: dobbiamo seguire la costruzione di un modello per il quale non è disponibile, soprattutto al livello scolastico in cui si opera, alcun dato diretto.  La conclusione che deve essere tratta è forse un po' drastica, ma alla luce dei risultati didattici è l'unica propo­nibile; possiamo riassumerla in alcuni punti fondamentali.

Il modello che gli allievi devono costruirsi si identifica con una serie di immagini mentali; queste immagini devono essere prese da qualche parte, quindi è opportuno che vengano fornite direttamente dall'insegnante nella forma più corretta possibile.  Richiedere che gli allievi costruiscano da soli queste immagini significa non capire che questa autocostruzione non poggerebbe su alcun dato effettivo di partenza.

Occorre, quantomeno nelle fasi iniziali, fornire una rappresentazione particellare iconica dei processi senza limitarsi allo stato iniziale e allo stato finale.  È ben difficile, avendo un'immagine iniziale e un'immagine finale, riuscire a immaginare correttamente cosa è successo durante il processo; il discente che non ha dati a disposizione può essere tentato (e i risultati esposti in questo lavoro lo confermano) di descrivere il processo tenendo conto del punto di partenza e trascurando completamente il punto di arrivo.

La rappresentazione particellare è un modello che deve interpretare anche fenomeni macroscopici; il collegamente fra macroscopico e microscopico deve essere costantemente curato.

Il linguaggio ha un'importanza fondamentale: una sola frase male inserita può falsare completamente la costruzione di un modello.  Di questi ultimi due punti abbiamo già riferito ampiamente.

Ha grande importanza un controllo puntiglioso in itinere (passo per passo!) dell'acquisizione del modello, in modo da diagnosticare le deviazioni nella fase iniziale.  In questo modo si potrà evitare il rafforzamento di idee errate.

 

Appendice

Testo del questionario

a) Parte verbale.

Accanto alle frasi che seguono, scrivi a quale tipo di fenomeni esse fanno riferimento.

Dopo la doccia, i vetri della finestra erano appannati;

E' tornato il sole e le strade si sono asciugate;

Questo inverno il lago era coperto di ghiaccio;

La naftalina spande il suo odore nell'aria;

Aggiungi un po' di zucchero alla limonata, per favore;

Fai attenzione, il tuo gelato si sta sciogliendo!

Fra le affermazioni seguenti, sottolinea quelle che ti sembrano corrette.

Quando il ghiaccio fonde, le molecole d'acqua diventano liquide;

Quando il ghiaccio fonde, le molecole d'acqua non sono più disposte in modo ordinato;

Quando lo zucchero si scioglie nell'acqua, le sue molecole diventano liquide e si mescolano all'acqua;

Quando lo zucchero si scioglie nell'acqua, le sue molecole escono dalla struttura cristallina e si mescolano alle molecole di acqua;

Quando l'acqua gela, a partire dall'acqua liquida si formano molecole solide di ghiaccio.

Quando l'acqua gela, le sue molecole formano una struttura ordinata e non possono più muoversi l'una rispetto all'altra.

 

b) Parte grafica

Descrivi con semplici disegni:

La disposizione delle molecole di acqua nel ghiaccio;

La disposizione delle molecole di acqua nell'acqua liquida;

La disposizione delle molecole di acqua nel vapore;

La disposizione delle molecole di zucchero in un cristallo di zucchero;

La disposizione delle molecole di zucchero e di acqua in una soluzione;

Cosa succede alle molecole di zucchero mentre lo zucchero si scioglie nell'acqua;

Cosa succede alle molecole di acqua mentre il ghiaccio fonde;

Cosa succede alle molecole di acqua mentre l'acqua evapora.

 

 

Fig. 12. Esempio di possibili disegni corretti.

 

* Vista la natura commerciale dei libri di testo non si ritiene opportuno portare riferimenti bibliografici precisi, per i quali sarebbe necessario uno studio comparato e, soprattutto, completo.

 

Bibliografia

 

1. Impossibile una citazione completa; si riportano solo alcuni lavori particolarmente significativi.

Novick, S., Nussbaum, J. Sci. Educ., 62, 273 (1978).

Osborne, R. J., Cosgrove, M. M., J. Res. Sci. Teach., 20, 825 (1983)

Chomat, A., Larcher, C, Meheut, M., ASTER, 7, 143 (1988).

Londgen, K., Black, P., Solomon, J., Int. J. Sci. Educ., 13, 59 (1991)

Testo di sintesi: Driver, R., Guesne, E., Tiberghien, A., Children's ideas in science, Open University Press, Milton Key-nes, 1985

2. Fra gli altri lavori, vedi Bargellini, A., Lardicci, L., Mannelli, M., Raspi, G., Proceedings 2nd. European Conference on Research in Chemical Education - 9° Congresso nazionale della Divisione di Didattica della Società Chimica Italiana, p. 260 - A. Bargellini e P. E. Todesco Eds., Pisa 1993

3. Sull'argomento vedi Ben-Zvi, R., Eylon, B. S., Silberstein, J., J. Chem. Educ., 63, 64 (1986).

4. Una prima lettura dei risultati è presentata in Riani, P., Bargellini, A., Actes XII JIES, p. 349 - A. Giordan, J. L. Martinand, C. Souchon Eds., Chamonix 1990.

 

 

Pubblicato originariamente su La Chimica nella Scuola, 1995, XVII (3), 79-85.  Riprodotto con l'autorizzazione direttore di CnS.