Quale concetto di acidi e base nella parte terminale dell’obbligo scolastico
| QUALE CONCETTO DI ACIDO E BASE NELLA PARTE TERMINALE DELL’OBBLIGO SCOLASTICO? Eleonora AquiliniGruppo di ricerca e sperimentazione didattica in educazione scientifica del CIDI di Firenze. INTRODUZIONENella proposta di curricolo per l’insegnamento della Chimica preparato dalla commissione della SCI/DD , in base a considerazioni psicopedagogiche da un lato e storico- epistemologiche dall’altro, è stato scelto di privilegiare nel biennio terminale dell’obbligo la chimica classica (1). In questa fase è delicato il passaggio dal processo di apprendimento di metodi di indagine (osservare, confrontare, classificare, misurare, generalizzare…) senza specificità disciplinare della scuola di base, alla loro identificazione negli ambiti disciplinari veri e propri.Si passa in sostanza dallo studio di problemi “affrontabili” facilmente dai bambini, in quanto legati a fenomenologie su cui si possono fare ipotesi e proporre soluzioni verificabili sperimentalmente , a problemi così complessi che hanno avuto bisogno di millenni di storia solo per emergere alla coscienza. La loro soluzione ha costituito quell’insieme di conoscenze che chiamiamo nuclei concettuali fondanti delle discipline. La comprensione dei nuclei fondanti richiede un approccio graduale di costruzione di significati . Nei diversi livelli scolari verranno quindi affrontati in maniera diversa, con varie articolazioni.Alla luce di queste considerazioni, l’analisi dei nuclei fondanti della chimica utilizzati nell’insegnamento ha portato all’identificazione dei: nuclei fondanti dell’apprendimento.(2) Li elenchiamo:1) la natura dei corpi materiali2) le trasformazioni della materia3) massa e trasformazioni della materia4) composizione delle sostanze5) atomi e molecole6) relazione tra proprietà e strutture delle molecole7) energia nelle sostanze e nelle reazioni8) tempo e reazioniPensiamo che i concetti di acido e base siano ideali per costruire in uno sviluppo verticale del curricolo, alcuni di questi nuclei fondanti. La proposta prevede un’articolazione di questi temi realizzabile nel passaggio dalla scuola di base al biennio della scuola media superiore, focalizzata sul tema centrale delle trasformazioni chimiche . La distinzione fra trasformazione chimica e trasformazione fisica, viene utilizzata in questo lavoro a scopo didattico (3).Pensiamo che la definizione operativa di acido, base e sale, costituisca la base per costruire significati sempre più generali di questi concetti come quelli contenuti nelle teorie di Lavoisier e Arrhenius, Broensted e Lewis. 2. Schema del percorso sulla natura degli acidi e delle basi e collegamenti con i nuclei fondanti 1) Gli acidi sono sostanze aggressive la natura dei corpi materiali sono in grado di sciogliere solidi insolubili in acqua 2)Gli acidi hanno tutti la stessa forza? La forza di un acido è la sua aggressività 3) Da quali fattori dipende la velocità Il tempo e le reazionidi solubilizzazione? La natura dei reagenti: lo stato di suddivisione del solido,il tipo di acido. 4)In quale modo gli acidi sciolgono? Trasformazioni della materia Si ha una trasformazione chimicaQuali sono i segni della trasformazione chimica? 5)Le sostanze basiche La natura dei corpi materialiSono sostanze aggressive che sono in grado di sciogliere alcune sostanze insolubili in acqua6)Gli acidi e le basi sono un’unica classe di sostanze? Reagiscono fra di loro formando i SALI Acidi e basi si possono riconoscere con gli INDICATORI 3.LE TRE CLASSI FONDAMENTALI DI SOSTANZE: GLI ACIDI, LE BASI, I SALI.DEFINIZIONE OPERATIVA Il percorso riguardante gli acidi, le basi e i sali è stato ideato in seguito ad alcune riflessioni riguardanti le conoscenze di senso comune relative a tali classi di composti (4). Il loro comportamento nei riguardi della solubilizzazione permette di sviluppare un lavoro particolarmente efficace su un concetto ostico: quello di trasformazione chimica.Bambini di 12- 13 anni e molti adulti di solito conoscono il termine acido, mentre ignorano il termine base; intendono per sale quello da cucina. Sicuramente per le basi e i sali non si ha la consapevolezza che costituiscano una classe di sostanze (5).Per gli acidi è presente anche l’idea che siano sostanze corrosive.Le definizioni di acido e base oggi accettate, e che portano dentro significati sempre più generali di conoscenza, non hanno significato per bambini che non possiedono neppure i concetti fondamentali di tipo macroscopico. Si tratta allora di partire dal concetto spontaneo di acido, associato all’aggressività, legare a questo il concetto di base, e poi capire “come” acidi e basi agiscono quando riescono a solubilizzare molte sostanze solide insolubili in acqua.Inizialmente si osserva il comportamento del marmo in pezzi e in polvere con l’acido cloridrico diluito e concentrato. Si nota quindi che l’effervescenza è legata alla solubilizzazione e la velocità del discioglimento dipende dalla concentrazione, dal tipo di acido, dalla pezzatura del solido.Riflettendo sulle osservazioni schematizzate in tabella 1 , si avrà una prima concettualizzazione sutemi “importanti” per la chimica , quali la velocità di reazione e la forza degli acidi e delle basi TABELLA 1 EffervescenzaSolubilizzazioneLiquido incolore/ coloratoVelocitàCarbonato di calcio in polvere + acqua Carbonato di calcio in polvere+acqua+ acido cloridrico Carbonato di calcio in pezzi +acqua +acido cloridrico Carbonato di calcio in polvere+ aceto Carbonato di calcio in pezzi + aceto Successivamente è importante osservare il comportamento con l’acido cloridrico di altre sostanze insolubili in acqua (tabella 2). E’ opportuno in questo caso utilizzare un solo acido di riferimento. Questo per due motivi: 1) il modo scientifico di procedere per studiare i fattori che si ritiene influenzino un certo fenomeno è l “isolamento” di uno di essi, controllando le altre variabili in gioco; 2) se gli alunni fossero in grado di valutare l’azione combinata di più variabili nell’analisi dei fenomeni, avrebbero una conoscenza già specialistica della disciplina.Il primo punto comporta una riflessione di tipo epistemologico che, se il percorso viene svolto all’inizio del biennio della scuola media superiore, può essere fatta insieme agli alunni, avendo presente che quando Galileo ha introdotto lo studio della natura con un metodo che prevedeva l’isolamento della parte rispetto al tutto è nata la scienza moderna . A questo proposito ci resta utile riprendere il pensiero di Bontempelli: “La rivoluzione scientifica cinque-seicentesca ha rappresentato un formidabile salto in avanti nello sviluppo dei procedimenti razionali proprio perché ha ridefinito gli oggetti teorici attraverso nettissime astrazioni dai significati dell’esperienza comune. Inoltre ogni riduzione e maggiore separazione di un oggetto teorico accresce la sua efficacia come strumento di previsione e quindi di azione….. Nella scienza ciò è ancora più vero: quanto più un oggetto teorico è ritagliato dal suo sfondo, e quanto più sono isolate le sue singole relazioni con gli altri oggetti, tanto più risultano prevedibili e riproducibili determinati suoi effetti particolari.” (6). Tabella 2 EffervescenzaSolubilizzazione Liquido colorato/ incoloreVelocità Ferro + acido cloridrico Rame+acido cloridrico Ossido di rame + acido cloridrico Alluminio+acido cloridrico in pezzi Alluminio+ acido cloridrico in pallina Con il discioglimento dell’ossido di rame e la colorazione verde osservata, si evidenzia il fatto che il cambiamento di colore è un possibile segno della trasformazione chimica, che rischia altrimenti di essere associata solo all’effervescenza.Si ha poi una seconda fase in cui si ha una prima acquisizione di tipo scientifico: si comprende il modo diverso rispetto all’acqua con cui gli acidi “sciolgono”. Il termine “sciogliere” viene usato per continuità con il senso comune, poi quando si capirà che è la nuova sostanza, prodotta per interazione fra l’acido e la sostanza insolubile, ad essere solubile in acqua, allora si introdurranno le parole giuste.Si dirà che si è avuta una reazione quando si comprenderà che la sostanza che si recupera è diversa da quella di partenza; si dirà che l’acido cloridrico reagisce con il carbonato di calcioe che si forma una sostanza che ha comportamento diverso con l’acqua: è solubile. Si useranno i termini appropriati quando si saranno costruiti i relativi significati. Sperimentando questo percorso con ragazzi della prima classe di Istituti Tecnici ci si rende conto che la parola reazione è conosciuta e che viene usata per indicare che è successo qualcosa, che c’è stato un contatto fra sostanze che ha prodotto una diversità (effervescenza, cambiamento di colore, …) ma non c’è nessuna consapevolezza della trasformazione. Se infatti, si chiede, sempre nel caso dell’acido cloridrico e del carbonato di calcio, “che fine ha fatto il carbonato di calcio ?” gli alunni rispondono con sicurezza che è in soluzione e che si può recuperare facendo evaporare la parte liquida. Solo provando a recuperare il carbonato di calcio nel modo da loro indicato, e facendo la prova della solubilità in acqua, si capisce con stupore che quella sostanza bianca non è carbonato di calcio.Per la caratterizzazione delle basi come sostanze aggressive si opera in maniera analoga agli acidi:TABELLA 3 EffervescenzaSolubilizzazione Liquido colorato/ incoloreVelocità Soda caustica + alluminio Potassa caustica+ Alluminio Soda caustica +Ferro Soda caustica +calcare Anche le basi , come gli acidi, “sciolgono” sostanze che non vengono sciolte dall’acqua; spesso attaccano sostanze che non vengono aggredite dagli acidi. Si osserva, anche con le basi, effervescenza e cambiamento di colore.Gli acidi e le basi possono essere distinti con indicatori naturali (tè, estratto alcolico di fiori colorati..) che possiamo “fabbricarci” da soli o trovare già pronti come la cartina tornasole. Acidi e basi perdono la loro originaria aggressività combinandosi fra di loro e formando i sali.Quasi tutti gli alunni pensano che invece, unendo un acido con una base si ottenga un liquido “superpotente” in grado di “sciogliere” tutto.E’ con molta diffidenza e timore che toccano e assaggiano il prodotto della mescolanza di acido cloridrico e idrossido di sodio, recuperato come solido con l’evaporazione. Fantastica è la faccia incredula degli alunni che con coraggio hanno appena assaggiato il sale…; è piena di meraviglia perché… quella cosa lì….ottenuta in laboratorio, è…sale da cucina, cioè proprio “il sale”.Il recupero del cloruro di sodio è essenziale perché se nell’analisi del liquido ottenuto dal mescolamento dell’acido e della base ci si ferma alla prova che verifica la perdita di aggressività (aggiungendo carbonato di calcio che rimane quindi indisciolto o alluminio che reagisce sia con gli acidi che con le basi), agli alunni resta l’idea che “l’acido cloridrico e la soda caustica unendosi si annullano” e questa formulazione verbale per alcuni significa che “si annullano le due aggressività” per altri significa “ scomparsa delle due sostanze”. Le parole, il racconto che può fare l’insegnante di ciò che avviene in soluzione, difficilmente servono per cambiare l’idea che tutte le sostanze siano svanite nel nulla.Le acquisizioni connesse al concetto di trasformazione chimica in questa prima fase sono sostanzialmente due:1) quando si ha una trasformazione chimica, si ottengono sostanze con proprietà diverse da quelle di partenza e quindi sostanze diverse,2) la trasformazione è dovuta ad un’interazione fra almeno due sostanze e la trasformazione è un atto di reciprocità.Riguardo al primo punto, se non avviene il recupero del sale, gli alunni restano ancorati al pensiero magico della scomparsa, dell’annullamento, associato al gioco di prestigio. Questo modo fantastico di ragionare , oltre ad essere legato all’età e attraente di per sé (la speranza che una bacchetta magica possa cambiare le cose non ci abbandona mai), ha radici nella storia del pensiero chimico. Gli scritti degli alchimisti infatti hanno come argomento la comparsa e la scomparsa, la creazione e la rivelazione. Inoltre nell’alchimia non c’è l’idea di trasformazione chimica ma quella di trasmutazione. Il ragionamento che molti ragazzi fanno è di tipo “alchemico” anche dopo aver verificato che la sostanza che si ottiene è diversa da quella di partenza, proprio nel senso che concettualizzano la trasformazione come trasmutazione. Vengo quindi al secondo punto per spiegarmi meglio: alcuni alunni scrivono: “il carbonato di calcio è diventato cloruro di calcio”: Chiedendo chiarimenti sul significato di questa affermazione risulta evidente che non è stato compreso il fatto che anche l’acido cloridrico si è trasformato. Il fatto che il cloruro di calcio contiene parte dell’acido cloridrico, è difficile da immaginare a questo stadio, considerando anche che il nome del composto è un’etichetta, non dà la storia della sostanza che si scioglie in acqua.. Sembra che l’idea che hanno questi ragazzi sia che il carbonato di calcio si trasforma in cloruro di calcio grazie alla presenza dell’acido cloridrico che perde sì la sua aggressività ma non diventa “altro”. Gli alunni dicono: “l’acido cloridrico consuma il carbonato di calcio”. Il consumarsi del carbonato viene accompagnato dalla perdita di aggressività dell’acido (“perde la potenza” dicono), ma questo non significa perdita d’identità. In una visione animistica delle cose, l’acido è come un pugile che ha combattuto: è sfinito, ha esaurito le sue forze, è stanco ma ancora un pugile, non qualcosa di diverso.Torniamo all’Alchimia per comprendere le modalità di funzionamento del pensiero dei nostri alunni in questa circostanza. Scopo fondamentale degli alchimisti era la produzione della Pietra Filosofale, conosciuta anche come Elisir o Tintura per trasmutazione del metallo vile in oro (7). La trasmutazione è trasformazione di una sostanza in qualcosa di “altro” provocata da un “agente” non da un “reagente”, non una trasformazione che provoca un cambiamento reciproco. Per evitare che gli alunni restino ancorati alla concezione primitiva di trasmutazione si deve porre l’accento sul fatto che, ad esempio nella formazione del “sale”, la soda caustica e l’acido cloridrico quando si neutralizzano perdono entrambe l’aggressività, si trasformano in cloruro di sodio che possiamo recuperare per evaporazione della parte liquida. Quest’ultima non è aggressiva , è come l’acqua. Deve essere evidenziato quindi che le sostanze di partenza devono essere almeno due e che entrambe si trasformano.Ritengo che la definizione operativa di acido, base e sale, realizzabile con questo percorso, svolto con attenzione, ponendo l’accento sui punti chiave che sono stati evidenziati, costituisca la base per un’acquisizione “adulta” e quindi formalizzata di questi concetti. Mi sembra illuminante quanto scritto da Dewey a proposito della necessità di dare concretezza alle parole, di associare all’idea un fatto, in modo da ridurre la “vaghezza” dei concetti o delle idee.“Le parole possono isolare e conservare un significato solo allorché esso è stato in precedenza implicato nei nostri contatti diretti con le cose. Tentare di dare un significato tramite la parola soltanto, senza una qualsiasi relazione con la cosa, significa privare la parola di ogni significazione intellegibile…….Inoltre vi è la tendenza ad ammettere che ovunque vi sia una definita parola o forma linguistica, vi sia anche un’idea definita; mentre in realtà sia gli adulti che i fanciulli possono adoperare formule verbalmente precise, avendo solo la più vaga e confusa idea di ciò che esse significano. E’ più proficua la genuina ignoranza perché è facilmente accompagnata da umiltà, curiosità ed apertura mentale; mentre l’abilità a ripetere frasi fatte, termini convenzionali, proposizoni familiari crea la presunzione del sapere e spalma la mente di una vernice impenetrabile alle nuove idee”(8). 4 ACIDI, BASI E SALI E LA CHIMICA DEL ‘700: riflessioni per un possibile sviluppo didattico. Il concetto di acido come sostanza fenomenale capace di portare in soluzione sostanze insolubili in acqua, era già stato elaborato nel Medioevo e giunto così fino a Lavoisier. La prima fase del processo alchemico stesso consisteva nel sottoporre la “Materia Prima”, generalmente di origine metallica, a distruzione con il fuoco o con qualche apposito preparato di natura acida (7). Nel 1600 era già acquisita la generalizzazione importantissima che gli acidi e le basi sono più semplici dei sali. Si tentò anche di dare una spiegazione meccanicistica del fenomeno della neutralizzazione. Lemery ad esempio immaginava che le particelle degli acidi fossero a punta e quelle delle basi porose; la neutralizzazione consisteva quindi nella penetrazione degli acidi, come spilli, nelle particelle basiche porose. Questa spiegazione che oggi consideriamo ingenua e che ci fa sorridere ha importanza anche perché è un tentativo di dare una spiegazione microscopica dei fenomeni macroscopici è questo è molto moderno. Per Lavoisier la gerarchia composizionale degli acidi, basi e sali era quanto c’era da salvare dell’opera dei suoi predecessori. Il grande scienziato ottenne anche acidi studiando il ruolo dell’aria nella combustione, elaborò una propria teoria della loro composizione, considerandoli portatori di un principio comune responsabile dell’acidità (9).Gli studi sugli acidi contribuirono operativamente alla formulazione del concetto di elemento chimico. Nella combustione del fosforo, questo brucia perché assorbe “aria” e si trasforma in acido, quindi gli acidi sono composti rispetto ai principi di partenza e sono quindi questi ultimi “gli elementi”. La ricostruzione di questa parte dell’opera di Lavoisier è sviluppabile nel biennio della scuola media superiore (10) dopo la definizione operativa di acido e base e crediamo sia di fondamentale importanza per la conoscenza della chimica classica.Pensiamo quindi che la definizione operativa di acido, base e sale, costituisca la base per costruire significati sempre più generali di questi concetti come quelli contenuti nelle teorie di Lavoisier e Arrhenius. Nel triennio della scuola media superiore sarà possibile introdurre le definizioni di Lewis e Broensted. Bibliografia 1) E. Aquilini, F. Carasso. C. Duranti, M.V. Massidda, F. Olmi, Proposta di sviluppo del curricolo chimico segmento del biennio secondario superiore di fine obbligo, CnS- La Chimica nella scuola, XXII , (2000), 2, 58. 2) F.Olmi , C. Fiorentini, M.V. Massidda, P. Riani, Per la definizione di un curriculum di Educazione Scientifica generale e, in particolare, di Chimica, – In corso di pubblicazione-, Firenze, La Nuova Italia. 3) P.Mirone ,Considerazioni sul concetto di reazione chimica, CnS- La Chimica nella scuola, XX, (1998), 2, 49. 4) C.Fiorentini, “La Prima Chimica”, Franco Angeli, Milano,1990, p.117-135. 5) C.Fiorentini, La correttezza scientifica: conoscenza di termini o conoscenza concettuale. Un esempio: gli acidi, Insegnare,1999,2, 62. 6) M. Bontempelli, “La conoscenza del bene e del male”, Editrice C.R.T, Pistoia, 1998, p.116-117. 7) C. Gilchrist, “ L’Alchimia una scienza segreta”, Xenia, Milano,1993, p.7-12. 8) J. Dewey ,“Come pensiamo”, La Nuova Italia, Firenze, 1994, p.333. 9) A.Lavoisier, “Considerations générales sur la nature des acides, in Oevres de Lavoisier, Tome II, Imprimerie Imperiale, Paris, 1862, p.259. 10) C.Fiorentini “Dispense di Chimica per la Scuola Media Superiore”, disponibili presso il CIDI di Firenze. |