TIROCINIO FORMATIVO ATTIVO

1. TIROCINIO FORMATIVO ATTIVO Classe A013 Università degli Studi di Firenze Anno Accademico 2011-2012 “ Lavoisier fino alla scoperta dell’ossigeno” Candidata: Serena Baglioni

2. PROGETTAZIONE PERCORSO DIDATTICO “LA RIVOLUZIONE SCIENTIFICA DI LAVOISIER FINO ALLA SCOPERTA DELL‘OSSIGENO”

3. FINALITA’ • Il modulo si rivolge a: Classe prima ITIS “G.Galilei” Arezzo • Scopo: Ricostruire il contesto problematico, teorico e sperimentale che ha portato prima ad ipotizzare e definire la legge di conservazione della massa e poi alla scoperta dell’ossigeno ponendo l’accento sulle considerazioni di Lavoisier relativamente a queste scoperte.

4. IN CHE MODO? • Facendo capire come alcuni nodi concettuali sono nati come problemi storico-epistemologici e come sono stati risolti. • Illustrando come funziona la scienza addentrandosi nel problema scientifico in oggetto e usando i metodi che usava e che usa la scienza per risolverlo. • Usando una metodologia costruttivista che implica costruzione di significati che oltre ai concetti disciplinari contempli anche la realtà psicologica degli alunni.

5. PREREQUISITI • Conoscenza operativa del fenomeno della combustione e della calcinazione: concetto descrittivo • Conoscenza operativa delle trasformazioni chimiche e fisiche • Conoscenza del bagno pneumatico e aria fissa • Saper distinguere tra metalli e non metalli e saperli collocare nella tavola periodica • Saper collocare storicamente il periodo della rivoluzione francese

6. Enunciare il principio di Lavoisier di conservazione della massa e effettuare esperienze sulla invarianza della massa nelle reazioni Riconoscere che combustione e calcinazione dei metalli sono fenomeni che hanno in comune la partecipazione dell’ossigeno. Riconoscere che la chimica si è evoluta sull’elaborazione di teorie risultanti come conseguenza logica di fatti ricavati dall’esperienza. Essere consapevoli che un’osservazione diventa legge quando è confermata da numerosi esperimenti. OBBIETTIVI FORMATIVI-DIDATTICI

7. COMPETENZE • Essere capaci di riferire le teorie in gioco per la spiegazione del fenomeno della combustione. • Individuare i punti problematici nelle teorie che spiegavano la combustione prima di Lavoisier. • Cogliere i punti innovativi, le discontinuità nella teoria esplicativa di Lavoisier. • Comprendere il ruolo dell’ipotesi e della verifica nel lavoro scientifico. • Rendersi conto della complessità della risoluzione dei problemi.

8. MODALITA’ DI LAVORO • Analisi della situazione di partenza mediante intervista diagnostica per verificare i prerequisiti • Attività di laboratorio, sia dimostrativa che a gruppi di 3-4 alunni (cooperative learning), seguita da relazione individuale sull’attività svolta. L’attività di laboratorio deve suscitare interrogativi. • Lezione frontale e partecipata con ausilio di materiale della LIM • Rielaborazione continua dei concetti acquisiti tramite discussione e riflessione • Verifiche in itinere e a fine modulo

9. SPAZI E TEMPI • SPAZI: • Aula della classe dotata di computer e LIM • Laboratorio di chimica del biennio • TEMPI: • Collocazione temporale: a partire dai primi di febbraio • Tempo di svolgimento: 7 settimane (21 ore)

10. VERIFICHE • VERIFICA DIAGNOSTICA: conversazione diagnostica consistente in un’intervista agli alunni, basata su una serie di domande-stimolo o domande di chiarimento per chiarire il livello di partenza • VERIFICA FORMATIVA: relazioni individuali delle esperienze di laboratorio, domande orali o scritte durante lo svolgimento del percorso. • VERIFICA SOMMATIVA:verifica scritta con domande a scelta multipla, vero o falso, completamento di frasi, abbinamento tra termini e definizione, risposte aperte brevi sia riferite alla parte teorica, per valutare il grado di consapevolezza delle dinamiche storiche ed epistemologiche evidenziate nel percorso sia alla rielaborazione dell’attività pratica

11. UNITA’ DIDATTICHE • UNITA’ 1: Le calci metalliche e la combustione • UNITA’ 2: Il fenomeno della combustione • UNITA’ 3: La teoria del flogisto • UNITA’ 4: Esperienza di Lavoisier sulla trasmutazione dell’acqua in terra per distillazione. • UNITA’ 5: 1772: La scoperta fondamentale • UNITA’ 6: La conferma sperimentale delle ipotesi di Lavoisier: i “recipienti”chiusi • UNITA’ 7: Lavoisier formula un’altra ipotesi sull’aria • UNITA’ 8: La scoperta dell’aria deflogisticata: Lavoisier e Priestley

12. UNITA’ DIDATTICA 1 Le calci metalliche e la calcinazione [Esperienze:1. La calcinazione dei metalli (Fe, Sn, Zn, Pb)] • Osservazioni: formazione di una sostanza diversa sulla superficie, aumento di peso, di più nella capsula. • Riflessioni: Che tipo di spiegazione può essere data di questo fenomeno? Come è possibile spiegare l’aumento di peso? Perché la calcinazione si verifica alla superficie dei metalli? Perché la calcinazione avviene più facilmente in recipienti aperti, quali la capsula?

13. UNITA’ DIDATTICA 2 Il fenomeno della combustione combustibile (innesco)  luce + calore + (cenere) • Che tipo di trasformazione è la combustione? • Perché alcune sostanze hanno la proprietà di bruciare? Perché l’aria è necessaria alla combustione? Esperienza dimostrativa: combustione di carta,legno e alcool etilico.

14. UNITA’ DIDATTICA 3 La teoria del flogisto Teoria avanzata dal medico tedesco Sthal per dare una spiegazione al fenomeno della combustione: • combustibile (innesco)  flogisto (luce + calore) + cenere L’aria è concepita come lo strumento fisico essenziale della combustione, ma l’aria non ha nessuna funzione chimica, non si combina con il combustibile • combustibile (innesco)  flogisto (luce + calore) + cenere metallo  flogisto + calce metallica Secondo Stahl anche la calcinazione dei metalli può essere spiegata in modo simile alla combustione. Quest’ultima ipotesi di Stahl, cioè che anche i metalli contengano flogisto e lo perdano durante la calcinazione, su che cosa si basa? • minerale + flogisto (contenuto nel carbone)  metallo

15. UNITA’ DIDATTICA 3 La teoria del flogisto • Confronto tra esperienza 1 e teoria del flogisto IL PARADOSSO DELLA VARIAZIONE DI PESO Com’è infatti possibile che un metallo perda qualcosa, il flogisto, e produca una sostanza più pesante? • Questa domanda mette in evidenza, per noi, una contraddizione insanabile nella teoria del flogisto; ma tale non risultò durante il Settecento, prima dell’affermazione del principio della conservazione della massa. • Se con le reazioni chimiche si creano sostanze nuove non è possibile anche un aumento o una diminuzione di peso?

16. UNITA’ DIDATTICA 4 Esperienza di Lavoisier sulla trasmutazione dell’acqua in terra per distillazione L’importanza di questa esperienza risiede sia nelle conclusioni specifiche a cui perviene Lavoisier, sia nel metodo quantitativo impiegato. In questa esperienza infatti è già operativo il principio epistemologico della conservazione del peso (massa) nelle trasformazioni chimiche e fisiche che avvengono in sistemi chiusi, cioè in dispositivi sperimentali che impediscono l’entrata e l’uscita di materia.

17. UNITA’ DIDATTICA 5 1772: La scoperta fondamentale • Lo storico della chimica Guerlac ha definito il 1772 l’anno cruciale della rivoluzione chimica. Lavoisier effettuò delle scoperte rivoluzionarie: • Il fosforo e lo zolfo, quando bruciano trasformandosi rispettivamente in acido fosforico e solforico, “assorbono” aria; • la calcinazione dei metalli avviene in modo simile, in quanto, anche in questo caso, abbiamo “assorbimento” di aria.  • LIM: visione di immagini che illustrano l’esperienza • Lettura del testo della nota inviata il 1 novembre 1772 al segretario dell’Accademia delle Scienze sulla combustione dello zolfo

18. UNITA’ DIDATTICA 5 1772: La scoperta fondamentale “Sono circa otto giorni che ho scoperto che lo zolfo, bruciando, invece di perdere peso, ne acquista ... avviene la stessa cosa con il fosforo: questo aumento di peso deriva da una quantità prodigiosa di aria che si fissa durante la combustione e che si combina con i vapori. Questa scoperta, che ho constatato con delle esperienze che considero decisive, mi ha fatto pensare che ciò che ho osservato nella combustione dello zolfo e del fosforo avrebbe potuto aver luogo con tutte le sostanze che acquistano peso con la combustione e la calcinazione; e mi sono persuaso che l’aumento di peso delle calci metalliche deriva dalla stessa causa. L’esperienza ha completamente confermato le mie congetture ...”

19. UNITA’ DIDATTICA 5 1772: La scoperta fondamentale • Teoria del flogisto • zolfo (innesco)  luce + calore + acido solforico + flogisto • metallo (calcinazione)  calce metallica + flogisto • Teoria di Lavoisier • zolfo + aria (innesco)  luce + calore + acido solforico • metallo + aria (calcinazione)  calce metallica • Secondo voi c’è una qualche ragione per preferire la spiegazione di Lavoisier a quella di Stahl?

20. UNITA’ DIDATTICA 5 1772: La scoperta fondamentale Esperienza n. 2: Combustione della candela in bagno pneumatico: • Attrezzatura e materiale occorrente: cristallizzatore, candela, becher da 100 ml, beuta 250 ml, acqua • Procedimento: prendere un cristallizzatore, fissare al centro una candela e riempire parzialmente con dell’acqua. Accendere la candela e coprirla con una beuta da 250 ml fatta aderire al fondo affinché non ci sia comunicazione tra l’aria interna ed esterna

21. UNITA’ DIDATTICA 5 1772: La scoperta fondamentale Osservazioni Esperienza n. 2: • Cosa succede? • Il livello dell’acqua aumenta all’interno del becher • La candela si spenge • Come mai l’acqua sale all’interno del becher? Se l’esperienza viene ripetuta con recipienti di volume diverso , si può osservare che la combustione dura più a lungo in recipienti più grandi.

22. UNITA’ DIDATTICA 5 1772: La scoperta fondamentale Esperienza n. 3: Combustione dello zolfo in bagno pneumatico con indicatore: • Attrezzatura e materiale occorrente: cristallizzatore, zolfo, becher da 100 ml, becher da 500 ml, capsula, beuta 250 ml, acqua, rosso metile • Procedimento: mettere un po’ di acqua con alcune gocce di indicatore (rosso metile) in un cristallizzatore. Mettere al centro un becher capovolto parzialmente immerso. A parte, in una capsula introdurre dello zolfo e riscaldarlo fino ad incendiarlo. Porre la capsula al centro del cristallizzatore sopra il becher capovolto. Con il becher da 500 ml coprire la capsula contenente lo zolfo in fiamme in modo che tocchi il fondo del cristallizzatore

23. UNITA’ DIDATTICA 5 1772: La scoperta fondamentale • Osservazioni Esperienza n. 3: Cosa succede? • Il livello dell’acqua aumenta all’interno del becher • Lo zolfo si spenge • L’indicatore, cambiando colore, rivela che l’ambiente è acido • Riflessioni finali: • Come mai l’acqua diventa acida? • Fornire una spiegazione della variazione del livello di acqua all’interno dei recipienti sovrastanti lo zolfo e la candela, che tenga conto della variazione cromatica dell’indicatore

24. UNITA’ DIDATTICA 6 La conferma sperimentale delle ipotesi di Lavoisier: i “recipienti”chiusi • Riassumiamo le ipotesi esplicative del tempo in relazione al fenomeno della calcinazione: 1. Ipotesi delle particelle ignee: metallo + particelle ignee (calcinazione)  calce metallica 2.   Ipotesi del flogisto: metallo (calcinazione)  calce metallica + flogisto 3.   Ipotesi di Lavoisier: metallo + aria (calcinazione)  calce metallica

25. UNITA’ DIDATTICA 6 La conferma sperimentale delle ipotesi di Lavoisier: i “recipienti”chiusi La calcinazione dello stagno in recipienti chiusi Lavoisier dopo aver introdotto in una storta di vetro una quantità nota di stagno richiude ermeticamente l’estremità del collo del recipiente ed inizia il riscaldamento. Dopo pochi minuti si forma una pellicola nera (ha inizio la calcinazione); dopo mezz’ora la quantità di polvere nera non aumenta più; dopo un’ora la storta viene lasciata raffreddare e ripesata: Lavoisier constata che il peso del recipiente chiuso, nel quale aveva introdotto il metallo, rimane sostanzialmente inalterato, mentre il peso del solo metallo calcinato aumenta. Osservazioni:Com’è possibile spiegare il fatto che mentre il peso totale rimane invariato, il peso del metallo calcinato aumenta? (pesostorta + pesometallo= pesostorta + pesocalcemetallica )? Riflessioni : Discussione sulle tre ipotesi proposte

26. UNITA’ DIDATTICA 6 La conferma sperimentale delle ipotesi di Lavoisier: i “recipienti”chiusi • Lavoisier era già in grado, a questo punto dell’esperimento, di trarre tre fondamentali conclusioni: • I fatti sperimentali smentiscono l’ipotesi di Boyle: la trasformazione del metallo e l’eventuale aumento di peso non sono dovuti alle particelle ignee del fuoco, in quanto non si è verificata nessuna modificazione della quantità di materia contenuta nel recipiente; • La trasformazione è avvenuta con la conservazione del peso, cioè il peso totale delle sostanze prima della calcinazione (reagenti) è uguale al peso totale delle sostanze dopo la calcinazione (prodotti). Lavoisier ha infatti constatato sperimentalmente che il peso del recipiente chiuso prima della calcinazione è uguale al peso del recipiente chiuso dopo la calcinazione; • Lavoisier, essendo la trasformazione avvenuta con la conservazione del peso, avanza la ovvia previsione, confermata dalla conclusione dell’esperimento, che l’eventuale aumento di peso del metallo non possa che essere attribuito alla combinazione del metallo con una parte di aria contenuta nel recipiente.

27. UNITA’ DIDATTICA 6 La conferma sperimentale delle ipotesi di Lavoisier: i “recipienti”chiusi • Riflessioni • È possibile fare questa ulteriore verifica dell’ipotesi prospettata da Lavoisier, cioè pesare la quantità di aria contenuta nella storta prima della calcinazione e controllare se questa coincide con l’aumento di peso del metallo dopo la calcinazione? • Che cosa dovrebbe succedere all’apertura della storta dopo la calcinazione? • Ripesando la storta aperta dopo la calcinazione, si ha un aumento di peso in quanto entra dell’aria. Se l’ipotesi di Lavoisier è corretta, che relazione vi è fra il peso dell’aria entrata nella storta e il peso del metallo calcinato? • Lavoisier al momento dell’apertura della storta sente un sibilo della durata di 5/6 secondi, dovuto all’aria che entra nel recipiente. Il peso dell’aria che entra per rimpiazzare l’aria che si è combinata con lo stagno corrisponde esattamente all’aumento del peso dello stagno.

28. UNITA’ DIDATTICA 6 La conferma sperimentale delle ipotesi di Lavoisier: i “recipienti”chiusi CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE È con esperimenti di questo tipo, condotti in recipienti chiusi che Lavoisier fu in grado di confermare due dei principi basilari della chimica:  1)  Il principio di conservazione della massa  2) La combustione e la calcinazione dei metalli sono due fenomeni che avvengono per combinazione con l’aria …la realtà è diversa dall’apparenza!!

29. UNITA’ DIDATTICA 6 La conferma sperimentale delle ipotesi di Lavoisier: i “recipienti”chiusi • Grazie a Lavoisier il peso, che fino ad allora era stato considerato una proprietà della materia di scarsa rilevanza teorica per la chimica, diventò la variabile più importante della scienza chimica e la bilancia lo strumento fondamentale. • Dopo Lavoisier la chimica si configura quale scienza quantitativa modernamente intesa, in cui esperienza e teoria - cardini basilari della ricerca scientifica - procedono di pari passo.

30. UNITA’ DIDATTICA 6 La conferma sperimentale delle ipotesi di Lavoisier: i “recipienti”chiusi • Esperienza 4: Reazione acido cloridrico+zinco in beuta chiusa ed aperta • Esperienza 5: Reazione acido cloridrico+calcare in beuta chiusa ed aperta • Attrezzatura e Materiali: zinco in polvere, carbonato di calcio in polvere, acido cloridrico diluito, 4 provette, 4 beute, parafilm, bilancia tecnica • Procedimento: • Introdurre nella beuta lo zinco e una provetta con l’acido cloridrico, facendo attenzione a non fare fuoriuscire l’acido. Pesare tutto, inclinare la beuta contenente la provetta in modo da versare l’acido e, a reazione terminata, ripesare la beuta. Ripetere il procedimento con la beuta tappata. Procedendo nello stesso modo, utilizzare il carbonato di calcio al posto dello zinco • Fare le riflessioni opportune su quanto osservato

31. UNITA’ DIDATTICA 7 Lavoisier formula un’altra ipotesi sull’aria • Lavoisier in alcuni esperimenti di combustione del fosforo, posto sotto una campana di vetro capovolta nell’acqua, osservò che non tutto il fosforo bruciava e che soltanto una parte dell’aria, circa 1/5 era in grado di mantenere la combustione. • Quale spiegazione a ciò? Se si accetta che il fenomeno sia dovuto alla combinazione con l’aria... soltanto una frazione dell’aria è attiva nel mantenere la calcinazione e la combustione! (intuizione geniale che l’aria non è una sostanza elementare ma una miscela di gas)

32. UNITA’ DIDATTICA 8 La scoperta dell’aria deflogisticata: Priestley e Lavoisier • Priestley ricavò dal riscaldamento della calce rossa del mercurio un gas a cui attribuì il nome di “aria deflogisticata” • Lavoisier sottopose questo gas alle stesse esperienze arrivando a conclusioni molto diverse da quelle di Priestley……. • Nella prima fase di calcinazione Lavoisier misura che l’aria contenuta nell’ampolla ha perso circa 1/6 del volume (cioè l’ossigeno che ha reagito con il mercurio). Lavoisier osserva anche che nell’aria rimasta (i 5/6 di quella di partenza) le candele si spengono immediatamente e un topolino non riesce a respirare. • Nella seconda fase Lavoisier utilizza la calce di mercurio appena prodotta (HgO) riscaldandola ad alta temperatura in modo da rompere la molecola, liberando un gas. Ovviamente la quantità di gas così prodotto corrisponde a 1/6, che era scomparso nella prima fase. E adesso le candele messe in questo gas bruciano con luce abbagliante…….

33. UNITA’ DIDATTICA 8 La scoperta dell’aria deflogisticata: Priestley e Lavoisier ……ipotizzò che il gas ricavato non era altro che un componente dell’aria atmosferica, quello attivo chimicamente nella calcinazione, nella combustione e nella respirazione a cui nel 1779 attribui il nome di …….OSSIGENO!!!! Riflessioni: Ritornare sull’esperimento della candela e dello zolfo relativamente all’aumento del livello dell’acqua e al viraggio dell’indicatore

34. CONCLUSIONI “L’arte deduttiva data dall’esperienza e dall’osservazione consiste nel valutare le probabilità, nello stimare se queste sono consistenti e corrette al fine di costituire una prova” Antoine Laurent Lavoisier