GLI STATI FISICI DELLA MATERIA PROBLEMI RELATIVI ALLA DIDATTICA A LIVELLO DELL’ISTRUZIONE OBBLIGATORIA

 

Pierluigi Riani

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

riani@dcci.unipi.it

 

Riassunto

Il problema degli stati fisici della materia e dei cambiamenti di stato fisico viene esaminato sia da un punto di vista formale (significato e applicabilità dei termini, limiti delle definizioni più comuni), sia da un punto di vista didattico.  Per quest'ultimo aspetto l'indagine è limitata al periodo dell'istruzione obbligatoria (scuola elementare e scuola media inferiore); vengono evidenziati alcuni problemi, fra i quali la comprensibilità e l'utilità di alcune definizioni, la comprensione della materialità dello stato gassoso, la possibilità di osservazione effettiva dei cambiamenti di stato fisico.  Vengono anche esaminate alcune interpretazioni in base al modello particellare della materia.

 

1. Introduzione

Quello degli stati fisici è un argomento al quale si fa spesso riferimento nei testi sia per la scuola elementare, sia per la scuola media inferiore; sembra quindi opportuno, nell'ambito di un lavoro sulle parole chiave della chimica, un tentativo di chiarificazione e di puntualizzazione di alcuni aspetti didattici. Alcune brevi premesse sono necessarie.

Dato che nella fascia d'età della scuola obbligatoria (6-14 anni) lo sviluppo cognitivo produce nelle modalità di apprendimento degli allievi variazioni di carattere non solo quantitativo, ma anche (e soprattutto) qualitativo, è sicuramente troppo superficiale dare indicazioni didattiche generali.  Un ragionevole compromesso consiste nell'individuare tre livelli corrispondenti al primo e al secondo ciclo della scuola elementare e alla scuola media, ma si deve aver chiaro che si tratta di un compromesso.  Nel presente lavoro la parte relativa ai problemi didattici ha comunque un riferimento abbastanza generale, con alcune limitazioni principali: nel primo ciclo della scuola elementare si prendono in considerazione solo gli stati condensati; per la scuola elementare si prendono in considerazione solo gli aspetti macroscopici, mentre i collegamenti con il modello particellare sono riservati alla scuola media.  Riguardo a quest'ultima scelta c'è da osservare che essa costituisce spesso oggetto di discussione; l'autore concorda con questa scelta, peraltro supportata dal fatto che a essa fanno riferimento i programmi vigenti per la scuola elementare.

 

Nel presente lavoro viene studiato un problema sicuramente di confine fra chimica e fisica; d'altra parte la distinzione fra queste due discipline non ha molto senso ai livelli scolastici considerati.  Va rilevato che anche nei programmi vigenti chimica e fisica sono appaiate: "Fenomeni fisici e chimici" per la scuola elementare, "Materia e fenomeni fisici e chimici" per la scuola media.

Il lessico relativo agli stati fisici e ai cambiamenti di stato fisico viene utilizzato frequentemente; da questo derivano alcuni problemi di natura strettamente linguistica.  L'uso di molti termini è diffuso e radicato nella vita comune; occorre quindi particolarmente per quest'area tendere alla coesistenza di due tipi di linguaggio, senza pretendere di uniformare il linguaggio naturale a quello scientifico.  D'altra parte è auspicabile che un allievo che abbia completato il periodo di istruzione obbligatoria abbia un minimo di conoscenze di linguaggio scientifico; queste conoscenze sono previste fra l'altro dai programmi vigenti, che indicano fra gli obiettivi (sia per l'area linguistica, sia per le altre aree) la padronanza dei linguaggi specifici delle diverse discipline.  Molti problemi restano troppo spesso senza risposta.  A giudizio dello scrivente i principali, direttamente verificati su gruppi di allievi di scuola elementare e scuola media, sono i seguenti:

Definizione delle caratteristiche in base alle quali si possono identificare i diversi stati fisici.

Collegamento di queste caratteristiche con il modello particellare (solo per la scuola media).

Identificazione delle categorie di materiali per i quali è possibile una determinazione effettiva e univoca dello stato fisico, in base alle caratteristiche di cui al primo punto.

Identificazione dello stato fisico della materia finemente suddivisa, in base alle caratteristiche di cui al primo punto.

Materialità dello stato gassoso.

 

2. Alcuni dati dai libri di testo.

Per quanto riguarda la scuola elementare, la definizione degli stati fisici procede o attraverso l'esame delle caratteristiche macroscopiche esemplificate più avanti, o attraverso la differenziazione a livello particellare; nella scuola media si osserva una netta preferenza per la via particellare, anche se le caratteristiche macroscopiche vengono spesso citate in quanto "spiegate" dal modello microscopico.  A nessun livello ci si pone il problema dei limiti di applicabilità delle definizioni di stato fisico; le conseguenze di questa omissione diventano evidenti quando si tenti un'analisi del preteso stato fisico di materiali eterogenei o finemente suddivisi.  Le osservazioni macroscopiche appaiono alquanto viziate da preconcetti; sono sempre le stesse che vengono riproposte da decenni, nonostante alcune parti non reggano a un minimo di analisi critica.

 

Per i solidi impera il modello del corpo rigido, indeformabile (forma propria volume proprio).  A parte il fatto che qualsiasi solido si deforma sotto sforzo, per alcuni materiali la deforma-bilità (elastica o plastica) è particolarmente evidente.

Per i liquidi si da per scontato che possano essere travasati da un contenitore a un altro mantenendo lo stesso volume (volume proprio forma del contenitore).  Il problema del volume è invece tutt'altro che semplice; per allievi della scuola elementare la conservazione anche dopo un cambiamento di forma è un concetto che deve essere acquisito.

Dei gas si dice che occupano tutto lo spazio a disposizione (forma e volume del contenitore); si tratta di un discorso perfettamente corretto, che però allievi di 8 - 14 anni ben difficilmente sono in grado di comprendere.

 

Per quanto riguarda le interpretazioni particellari, viene implicitamente accettato un modello a sfere rigide.  Le implicazioni di questo modello sono le seguenti:

I solidi sono costituiti da particelle strettamente impacchettate, disposte in modo ordinato (struttura cristallina); vengono quindi spiegate la forma propria, il volume proprio e l'eventuale regolarità macroscopica.

I liquidi sono costituiti da particelle che hanno la possibilità di muoversi l'una rispetto all'altra; questa proprietà viene in genere giustificata attraverso un piccolo aumento della distanza fra particelle contigue.  I liquidi assumono quindi la forma del contenitore ma, visto che le distanze fra le particelle sono ancora piccole, mantengono un volume proprio.

I gas sono formati da particelle non legate, completamente libere di muoversi (assumono quindi la forma del contentore), di allontanarsi e di avvicinarsi (assumono quindi il volume del contenitore).

È evidente la mancanza di collegamento fra il modello microscopico e la realtà macroscopica; in particolare i problemi riguardano lo stato liquido, per il quale il modello a sfere rigide non riesce a spiegare in modo plausibile la possibilità di movimento relativo delle sfere stesse.  Da questo deriva la necessità di ipotizzare una sia pur ridotta distanza fra le particelle, in netto contrasto con alcuni dati sperimentali, e in particolare quello dell'acqua (densità del ghiaccio minore della densità dell'acqua liquida).

I cambiamenti di stato fisico vengono in genere esaminati esclusivamente da un punto di vista fenomenologico, e anche in questo caso non si pongono i dovuti limiti di applicabilità; in più molte affermazioni sono concettualmente errate.  Gli errori più vistosi e più comuni sono i seguenti:

Per la fusione e la solidificazione si ammette che la temperatura non vari finché il cambiamento di stato non è completo, senza chiarire che questo dato è valido solo per le sostanze pure.

Si confonde l'evaporazione con l'ebollizione, specificando quindi, ad esempio, che l'acqua passa allo stato di vapore alla temperatura di 100°C.  Manca in genere un'interpretazione particellare dei fenomeni di cambiamento di stato fisico; si tratta di una lacuna grave, in quanto completata da discutibilissime definizioni del termine "molecola".  Secondo molti testi la molecola è la particella più piccola ottenibile di una sostanza, che ne mantiene tutte le caratteristiche.  Applicando in modo stretto questa definizione, un allievo può ad esempio concludere che una molecola di acqua fonde a 0°C, ed errori di questo tipo sono molto comuni.

 

3. Gli stati fisici e i cambiamenti di stato: alcune possibili definizioni.

Una definizione può essere considerata come l'espressione verbale di un modello che descrive l'oggetto, il fenomeno o il concetto a cui siamo interessati.  È chiaro che quanto più abbiamo a che fare con oggetti, fenomeni o concetti generali, tanto più difficile diventa dare una definizione soddisfacente, che comprenda in sé tutte le caratteristiche che possono essere verificate.  Quello di stato fisico è un concetto generalissimo: possiamo infatti attribuire uno stato fisico a tutti i diversi tipi di materia che compongono l'universo.  D'altra parte, il fatto di vivere sulla Terra, e quindi in presenza di un certo insieme di condizioni al contorno (fra le quali la gravita), permette di arrivare a definizioni abbastanza soddisfacenti anche da un punto di vista esclusivamente macroscopico e fenomenologico.  Vediamo dunque le definizioni di tipo più classico e analizziamole con una certa pignoleria per completarle ed eventualmente correggerle.  Occupiamoci prima degli aspetti più formali, rimandando al paragrafo successivo le considerazioni didattiche.

 

La materia allo stato solido è dotata di forma propria e volume proprio.  L'obiezione che il volume cambia per variazioni di temperatura cade facilmente se si presume di lavorare sotto il vincolo di temperatura costante; più difficile è il problema della forma.  È chiaro che anche la forma di un materiale solido può essere modificata sotto sforzo, a meno che non si faccia riferimento a un astratto corpo perfettamente rigido; dovremo quindi completare questa definizione dicendo che un materiale solido mantiene la propria forma a meno che non sia sottoposto a sforzi.  Fra l'altro il problema degli sforzi vale anche per il volume: è vero che la dipendenza del volume dalla pressione non è critica, ma l'esame di un diagramma di stato esteso alle alte pressioni dice chiaramente che, per variazioni di pressione molto grandi, la variazione di volume può diventare apprezzabilissima.

 

La materia allo stato liquido è dotata di volume proprio, ma non di forma propria; assume infatti la forma del contenitore.  Per le variazioni di volume in conseguenza di variazioni di temperatura e pressione vale quanto detto per i solidi.  Più complessa è la questione della forma: viene fatto sempre l'esempio di un liquido che viene versato da un recipiente a un altro, quindi con l'azione indispensabile della forza di gravita.  Volendo evitare questa limitazione, si potrebbe far riferimento a un contenitore di forma variabile, oppure al trasferimento forzato da un contenitore a un altro.

 

La materia allo stato gassoso non è dotata né di forma, né di volume proprio, ma può assumere forma e volume del contenitore.  Da un punto di vista formale è la definizione più chiara, anche se da un punto di vista didattico le cose non vanno assolutamente così.

 

Il volume pone qualche problema ulteriore.  Per i gas esso dipende (a temperatura costante) in modo critico dalla pressione.  Per solidi e liquidi invece la dipendenza dalla pressione è molto poco sensibile, e in più abbiamo un valore limite verso le basse pressioni: un gas può essere espanso quanto si vuole, un solido e un liquido hanno invece un volume limite che possiamo identificare con quello che si misura quando è stato raggiunto l'equilibrio con il vapor saturo.  Dovrebbe essere chiaro che in un ipotetico vuoto assoluto qualsiasi materiale solido o liquido non si troverebbe in stato di equilibrio (e dovrebbe prima o poi passare allo stato gassoso), a meno che la massa non fosse tale da garantire l'equilibrio per gravità.  Passando al modello particellare, sembra che non ci siano problemi: in un solido le particelle sono legate a posizioni fisse, in un liquido possono muoversi ma senza che vi sia variazione della distanza media fra particelle adiacenti, in un gas c'è la massima libertà di movimento.  D'altra parte una delle caratteristiche attribuite alla materia allo stato solido è la struttura cristallina, con le particelle disposte in modo regolare; il caso dei vetri e, più in generale, dei solidi cosiddetti "amorfi" è quindi anomalo.  Qualcuno ha cercato di risolvere il problema dicendo che un solido privo di struttura cristallina è in realtà un liquido dotato di viscosità infinita; d'altra parte una posizione del genere è in contrasto con la definizione macroscopica, secondo la quale un vetro è indiscutibilmente solido.

 

È quindi evidente, per gli stati solido e liquido, la necessità di una scelta:

Se prevale il punto di vista macroscopico, dobbiamo adattare le definizioni microscopiche, distinguendo fra solidi cristallini e solidi amorfi;

Se invece prevale il punto di vista particellare, con la struttura cristallina come condizione necessaria per lo stato solido, cadono le definizioni macroscopiche degli stati solido e liquido, a meno che non vengano evidenziate le eccezioni.

 

Un punto molto importante riguarda il campo di applicabilità delle definizioni: è bene chiarire immediatamente che si può parlare in modo rigoroso di stato fisico solo per i materiali omogenei.  Per i cambiamenti di stato fisico, dal punto di vista delle definizioni, c'è ben poco da dire.  L'unica questione abbastanza aperta è di tipo linguistico, e riguarda i passaggi solido <> gas: fino a qualche anno fa per entrambi (gas > solido e solido –> gas) veniva usato lo stesso termine, sublimazione; attualmente viene spesso usato il termine brinamento per il passaggio gas > solido.  Più complesso il campo di applicabilità sia delle definizioni, sia di alcuni dati sperimentali quali quello già visto dell'arresto della temperatura nella fusione e nella solidificazione.  Come già detto, questo fenomeno si verifica solo per le sostanze pure; qualsiasi tentativo di generalizzazione è destinato solo a creare confusione.  Quanto alle definizioni, c'è il problema di capire cosa intendiamo per cambiamento di stato fisico per molti sistemi omogenei costituiti da più di un componente: se abbiamo ad esempio una soluzione di cloruro di sodio in acqua, gli eventuali cambiamenti di stato (evaporazione o solidificazione) non riguardano la soluzione, ma solo il componente acqua.  A rigor di termini non possiamo quindi parlare di congelamento o evaporazione della soluzione, ma solo di congelamento o evaporazione di uno dei componenti.

 

4. Solidi, liquidi e gas: problemi didattici.

Nei primi livelli scolastici i problemi rlativi ai solidi e ai liquidi sono quasi sempre indotti da definizioni che, dato il loro carattere formale, risultano poco comprensibili.  Gli errori più comuni riguardano infatti i materiali solidi finemente suddivisi che, in base alla caratteristica "prende la forma del contenitore" vengono classificati liquidi.  A questo tipo di errore contribuiscono aspetti linguistici: per le polveri molto spesso si adoperano termini relativi ai liquidi (es. "versare la farina").  Molto spesso l'errore non si presenta se non ci sono state definizioni formali, per cui può essere decisamente più produttivo procedere in base a un approccio intuitivo.  In caso di definizione formale, si deve rilevare come essa, nel caso di solidi suddivisi, debba essere applicata ai singoli frammenti; è necessario allora un esame con un ingrandimento adeguato (lente contafili o microscopio).  È opportuno che l'uso del linguaggio scientifico sia stimolato in tutti i livelli scolastici, tenendo però conto del fatto che esso non è destinato a sostituire il linguaggio comune, ma solo ad affiancarlo.  Nella scuola media si può quindi chiarire che, anche se nel linguaggio comune è perfettamente lecito dare l'etichetta di solido, tanto per fare un esempio, al polistirolo espanso, non è corretto parlare di stato fisico quando si ha a che fare con un materiale eterogeneo.  Da un punto di vista scientifico dovremo quindi specificare che nel polistirolo espanso sono presenti due componenti, un solido e un gas.  Un discorso di questo tipo può essere introdotto anche a livello di scuola elementare, ma con una certa cautela e senza tentare approfondimenti perfettamente inutili.  Per i liquidi, il problema del volume è decisamente sottovalutato.  La conservazione viene "dimostrata" spesso travasando un liquido da un recipiente A a un recipiente B; ritravasando nel recipiente A si osserva che il volume è quello iniziale.  È però chiaro che il problema è quello di attribuire volume diverso a forma diversa; in questo modo il ripristino della forma iniziale ripristinerà il volume iniziale senza che ci sia alcuna necessità di mantenimento dello stesso volume nel recipiente B.  Il superamento di questo errore avviene normalmente a una certa età.  Si può tentare una dimostrazione lavorando con recipienti di forma regolare, dei quali si possa calcolare il volume, ma spesso la capacità di calcolo del volume di solidi anche semplici segue l'acquisizione autonoma del concetto di conservazione del volume.

 

Lo studio della materia allo stato gassoso presenta un notevole numero di ostacoli cognitivi, ostacoli di cui si può tentare il superamento attraverso un adeguato lavoro sperimentale.  Il guaio è che in molte proposte didattiche non si mira a cogliere gli aspetti più strettamente sensoriali, ma si tende piuttosto a dimostrazioni che seguono una logica interpretativa troppo evoluta.  L'ostacolo principale è quello della materialità: per un allievo che entra nella scuola elementare il concetto intuitivo di materia abbraccia i solidi e i liquidi, escludendo i gas, e questa limitazione è destinata a durare a lungo se non viene adeguatamente corretta.  L'esperienza dimostrativa più frequentemente proposta riguarda la pesata: si pesa un palloncino sgonfio, si pesa lo stesso palloncino gonfio e si vede che il peso è aumentato; di conseguenza l'aria pesa.  Al riguardo ci sono da osservare due cose:

Prima di tutto l'efficacia didattica dell'esperienza: l'aumento di peso è veramente molto piccolo.

In secondo luogo la correttezza concettuale: in questa esperienza non si fa in genere menzione della spinta di Archimede, che pure maschera in modo nettissimo i risultati.  In sede di scuola elementare si può sorvolare sul secondo punto, totalmente al di fuori della possibilità di comprensione, e puntare tutto sul piccolo effetto visibile; nella scuola media si può invece affrontare, sia pure con qualche difficoltà, una spiegazione in termini di compressione dell'aria (all'interno del palloncino la pressione dell'aria è leggermente maggiore di quella esterna).  D'altra parte, a giudizio dello scrivente, l'esperienza della pesata può servire esclusivamente come complemento di una serie di esperienze necessariamente più evidenti.

La strada da percorrere è quella di eliminare le cause che rendono l'aria non visibile e "non toccabile" (parliamo dell'aria in quanto costituisce praticamente l'unico materiale gassoso disponibile per uso scolastico).  Questo può essere fatto molto facilmente lavorando in acqua, e mostrando come la stessa esperienza, eseguita in ambiente aria o in ambiente acqua, abbia risultati differenti.  Vediamo alcuni esempi semplicissimi:

Due siringhe, una piena d'acqua e l'altra piena d'aria (vuota?).  Si premono lentamente gli stantuffi: dalla siringa piena d'acqua escono gocce d'acqua, da quella piena d'aria non esce nulla (è questo il risultato dell'osservazione puramente visiva).  Ripetendo le stesse operazioni sott'acqua, dalla siringa piena d'acqua non esce nulla, da quella piena d'aria escono bollicine d'aria perfettamente visibili e, immergendo una mano nell'acqua, 'toccabili'.

Due bicchieri, uno pieno d'acqua, l'altro vuoto (?). Si può travasare l'acqua se ci si trova in ambiente aria, si può travasare l'aria se ci si trova in ambiente acqua (in questo caso la spinta di Archimede impone che i bicchieri siano capovolti).

Raccolta in due bicchieri di aria e acqua contenute in due siringhe.  Se si lavora in aria si può raccogliere solo l'acqua, se si lavora sott'acqua si può raccogliere solo l'aria (anche in questo caso il bicchiere deve essere capovolto).  È bene sottolineare che l'aspetto più importante di queste esperienze è la comparazione fra ciò che succede in ambiente aria e in ambiente acqua.  In ogni caso una soddisfacente acquisizione del concetto di materialità per la materia allo stato gassoso richiede la programmazione di più interventi alquanto distanziati nel tempo.

 

5. Cambiamenti di stato fisico: problemi didattici.

Da un punto di vista sperimentale - scolastico l'osservazione di alcuni cambiamenti di stato fisico rappresenta troppo spesso un autentico bluff.  Infatti:

Per evaporazione e sublimazione si vede il materiale di partenza ma non quello di arrivo;

Per condensazione e brinamento si vede il materiale di arrivo, ma non quello di partenza;

Per la solidificazione (in genere viene adoperata l'acqua) si vedono sia il materiale di partenza, sia quello di arrivo, ma non si assiste al processo, che avviene generalmente all'interno di un freezer.

L'unico cambiamento di stato che può essere effettivamente seguito è la fusione.  Viene spesso proposta l'esperienza della fusione del ghiaccio con misurazione periodica della temperatura, in modo da rilevarne la costanza finché la fusione non è completa.  Vi sono però due punti da discutere:

Prima di tutto è abbastanza difficile avere in una scuola ghiaccio tritato a temperatura adeguata (fra 5 e 10°C), in modo da poter osservare il tratto di salita della temperatura del ghiaccio, il punto di arresto per la fusione e infine la salita della temperatura dell'acqua.  Troppo spesso si parte con ghiaccio a 0°C, già in fusione.

L'esperienza è terribilmente lunga, vista l'entità anomala dei calori specifici e del calore di transizione; se si accorciano i tempi con un riscaldamento diretto, è praticamente impossibile mantenersi in uno stato vicino all'equilibrio durante la fusione.

Per eliminare questi inconvenienti si può proporre l'uso di alcool butilico terziario, che ha una temperatura di fusione veramente ideale: 25,5°C.  Con questa sostanza, di reperibilità non difficilissima e di costo non troppo elevato, si può osservare senza difficoltà il processo di solidificazione; in più i tempi richiesti per riscaldamento e raffreddamento con cambiamento di stato sono ragionevolmente brevi.  Per quanto riguarda evaporazione e condensazione, la normale esperienza di riscaldamento dell'acqua e successiva condensazione del vapore su una superficie fredda non risolve il problema della non visibilità dell'intermedio; d'altra parte si è costretti a concludere che questo problema non è risolvibile in sede scolastica.  Come soluzione di compromesso si può proporre un lavoro che passi attraverso un approccio preventivo al concetto di conservazione della materia, in modo che il vapore risulti quale intermedio necessario fra l'acqua originaria e l'acqua successivamente ricondensata.

Per sublimazione e brinamento abbiamo a disposizione esperienze abbastanza evidenti con lo iodio:

Per la sublimazione occorre scaldarne 2 - 3 cristallini in una provetta a bagnomaria in acqua a 70 - 80°C, e osservare il tenue vapore violetto che si forma senza fusione preventiva.

Per il brinamento occorre scaldare la stessa provetta su fiamma diretta; i cristallini fondono e contemporaneamente si forma un vapore intensamente colorato in viola.  Dopo il raffreddamento, le pareti della provetta sono coperte di minuscoli cristallini di iodio, senza che vi sia alcuna traccia di un preventivo passaggio attraverso la fase liquida.

 

6. Collegamenti con il modello particellare.

Occorre immediatamente chiarire un punto: se si prescinde dai dati stechiometrici (ponderali e volumetrici) che sono riassunti dalle leggi delle proporzioni definite, delle proporzioni multiple e delle proporzioni volumetriche per i gas, non ci sono altri dati macroscopici semplici che richiedano necessariamente l'introduzione del modello particellare per essere spiegati in modo soddisfacente.  Quindi il modello particellare può razionalizzare fra l'altro alcune proprietà degli stati fisici e alcuni fenomeni caratteristici dei cambiamenti di stato fisico, ma non può pretendere alcuna esclusiva di questa razionalizzazione.  Vediamo gli esempi possibili, sottoponendoli anche a un esame critico.

Temperatura ed energia cinetica delle particelle.

Quando cediamo calore a un sistema, gli cediamo energia; quando non vi sono fenomeni concomitanti come cambiamenti di stato fisico, la cessione di calore a un sistema si traduce in un suo aumento di temperatura.  Questo aumento di temperatura, nel microscopico, può solamente essere correlato con un aumento dell'energia cinetica media delle particelle.  Vista in questo modo la questione è certamente semplificata in modo eccessivo; in ogni caso è già moltissimo riuscire a stabilire, a livello di scuola media, una correlazione fra temperatura e movimento delle particelle.

Proprietà degli stati fisici.

Il modello a sfere rigide generalmente proposto spiega i dati relativi a forma e volume, ma si dimostra insufficiente quando si va a esaminare il problema della relazione fra temperatura ed energia cinetica media delle particelle.  Per i solidi siamo infatti costretti ad ammettere la possibilità di vibrazione delle particelle intorno alle loro posizioni fisse, introducendo quindi la necessità di un certo spazio disponibile; la raffigurazione modellistica è costituita da palline legate fra loro con molle, e a questo tipo di struttura allievi di scuola media tendono ad attribuire una notevole comprimibilità.

Fusione.

Il solido può essere rappresentato da particelle legate fra loro in modo tale da occupare posizioni identificabili; intorno a queste posizioni le particelle si muovono di moto oscillatorio.  Dal momento che a un aumento della temperatura corrisponde un aumento dell'energia cinetica media delle particelle, in un solido l'aumento della temperatura produrrà un aumento dell'ampiezza delle oscillazioni.  Quando l'energia delle particelle diventa tale da superare l'energia dei legami, la struttura dello stato solido si rompe e abbiamo il passaggio allo stato liquido.

Evaporazione.

All'interno di un liquido le particelle si muovono in modo disordinato, e sono soggette a forze di interazione che, vista la distribuzione statistica, sono mediamente mille.  Alla superficie del liquido l'asimmetria dell'interfaccia determina una forza verso l'interno non nulla; per uscire dal liquido una particella deve compiere lavoro, superando un gradino di potenziale.  Le particelle non hanno tutte la stessa energia cinetica: c'è una distribuzione statistica le cui caratteristiche dipendono dalla temperatura (ricordiamo che la temperatura è legata all'energia cinetica media delle particelle).  Una certa frazione delle particelle ha quindi l'energia cinetica sufficiente per superare la barriera di potenziale e passare nella fase vapore; questo fatto vale a tutte le temperature, anche se è evidente che questa frazione può essere molto bassa.  Questo meccanismo spiega assai bene l'effetto di raffreddamento dovuto all'evaporazione: le particelle che passano nella fase vapore sono quelle dotate di energia cinetica più alta; è quindi chiaro che l'energia cinetica media delle particelle che restano nella fase liquida si abbassa.

Sublimazione.

Come per l'evaporazione, con due sostanziali differenze: a) nel solido le particelle sono legate a posizioni fisse, quindi solo quelle che si trovano sulla superficie possono passare nella fase vapore; b) la richiesta energetica è complessivamente maggiore.  Questi due fattori concomitanti fanno si che quello della sublimazione sia, nella norma, un fenomeno di entità piuttosto ridotta.

Cambiamenti di stato fisico inversi: solidificazione, condensazione, brinamento.

A livello di scuola media non appare possibile identificare in modo valido aspetti che non siano esattamente opposti a quelli relativi ai passaggi di stato già visti.  Al limite, con allievi in grado di approfondire la questione, si può accennare alla possibilità di avere liquidi sovraraffreddati e vapori sovrassaturi e alla parallela impossibilità di avere solidi sovrariscaldati o liquidi in equilibrio metastabile con vapore a pressione più bassa di quella prevista.

 

7. Breve conclusione

Definizioni plausibili per gli stati fisici della materia e i fenomeni relativi possono essere date in termini di fenomenologia macroscopica e struttura microscopica; si tratta però di definizioni che non appaiono ben fruibili per allievi dei primi livelli scolastici.  Per essi le definizioni devono avere un valore operativo, devono cioè essere intese come la razionalizzazione dei risultati di un lavoro precedente, possibilmente sia pratico, sia verbale.  Nell'introduzione del modello particellare occorre mantenere il massimo contatto possibile con il macroscopico, attraverso continui salti fra fenomeni osservabili e loro interpreta-zione particellare.  Se non viene seguita questa strada l'esperienza didattica dimostra chiaramente che il modello particellare diventa una costruzione fine a sé stessa, e perde così la propria fondamentale caratteristica interpretativa.

 

BIBLIOGRAFIA

Nota iniziale.  Nel testo non compaiono riferimenti; i testi e gli articoli qui riportati hanno, evidentemente a giudizio dell'autore, un carattere generale e fondamentale.  Il riferimento 5 contiene una serie di altri riferimenti relativi al modello particellare.

1. J. Piaget, La causalité physique chez l'enfant, Presses Universitaires de France, Paris, 1927 - Trad. it. La causalità fisica nel bambino, Newton Compton, Roma, 1977.

2. J. Piaget, B. Inhelder, Le développement des quantités physiques chez l'enfant, Delachaux & Niestlé, Paris-Neuchàtel, 1962 - Trad. it. Lo sviluppo delle quantità fisiche nel bambino, La Nuova Italia, Firenze, 1971.

3. R. Driver, E. Guesne, A. Tiberghien (Eds.), Children's ideas in science, Open University Press, Milton Keines, 1985.

4. Equipes INRP, Changement d'état, Rencontres pédagogiques, 1985, 3, 9.

5. P. Riani, La struttura particellare della materia nella scuola media inferiore, CnS, 1995, 17, 79.

 

Pubblicato originariamente su La Chimica nella Scuola, 1996, XIIX (3), 85-89.