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STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA E PASSAGI DI STATO - SISTEMI OMOGENEI ED ETEROGENEI

Premessa:

L’argomento proposto può costituire oggetto di studio per una classe di scuola secondaria che per la prima volta affronta la chimica come disciplina specifica, che quindi presenta conoscenze frammentarie e non strutturate, peraltro eterogenee tra gli allievi, acquisite nella media inferiore unitamente alle conoscenze dirette di fenomeni naturali connessi al presente tema, maturate al di fuori di quelle operazioni intellettive formali proprie delle teorie e dei modelli scientifici.

All’interno di un percorso modulare che si propone lo studio della costituzione della materia, e che potrà costituire un sapere capitalizzabile e certificabile in termini di acquisizioni di specifiche conoscenze, competenze e capacità, il presente argomento potrebbe costituire la prima o la seconda unità didattica, preceduta eventualmente da una specifica unità sulle misure delle più comuni grandezze fisiche, e, al contempo propedeutica allo studio delle leggi fondamentali della chimica, che hanno condotto allo sviluppo della teoria atomico - molecolare di Dalton - Avogadro.

L’argomento si inquadra infatti nel contesto generale della chimica classica, riconducibile al periodo compreso tre l’inizio dell’800 e gli anni ’30 di questo secolo, in cui la composizione dei corpi viene espressa in termini di atomi e molecole e non ancora sulla base della natura composita degli atomi, costituendo di fatto, un valido ponte, anche in termini didattici, verso la concezione discontinua della materia, insita nella struttura concettuale della teoria atomica stessa.

Un' impostazione che introduce correttamente l’allievo nel tema indicato deve partire da considerazioni a carattere macroscopico sulle proprietà dei corpi basate su parametri generali di tipo fisico (il volume e la massa dei corpi, gli stati di aggregazione, le variabili pressione e temperatura), unitamente a categorie più specifiche di tipo chimico (miscuglio, composto, sostanza, proprietà caratteristiche), per approdare successivamente ad uno studio consapevole e mirato del mondo microscopico in termini di atomi e molecole.

Le finalità generali possono essere ricondotte alla consapevolezza del divenire del sapere scientifico attraverso una sintesi logico – cronologica, che possa costituire terreno di confronto con le idee non ancora strutturate e ferme all’aspetto spontaneo e poco formalizzato dell’allievo. Tale impostazione consentirà lo sviluppo di un pensiero critico in linea con gli obiettivi dell’intero percorso didattico di seguito evidenziati.
 

Obiettivi generali:

-    Attitudine ad un lavoro di indagine sistematica del fenomeno studiato e di confronto fra le idee.

-    Capacità di formulare ipotesi interpretative dei fenomeni osservati, individuando procedure di verifica.

-    Sviluppo di un lessico specifico, più preciso e rigoroso del linguaggio comune.

-    Capacità di correlare i processi chimici o chimico – fisici esaminati con altre situazioni reali aventi in comune ....gli stessi principi e le stesse variabili.

-    Sviluppo di uno spirito critico e competente nei confronti delle informazioni fornite dai mezzi di informazione ....su fatti relativi alla chimica.

I contenuti verranno introdotti senza mai forzare e travalicare le conoscenze pregresse dell’allievo, che ancorché ingenue, costituiscono di per sé una forte barriera all’acquisiszione di nuove idee, allorché, queste ultime, risultino avulse dal suo modo di ragionare.

Per questo è necessario impostare un lavoro interattivo teso a comprendere le idee iniziali degli allievi sull’argomento, che rappresentino per l’insegnante il punto di partenza per la messa a punto delle attività da proporre. Il confronto fra le idee finali maturate dagli allievi al termine dell’unità e le idee iniziali fornirà indicazioni sulla effettiva penetrazione del lavoro svolto.

Per quanto attiene la presente unità didattica possiamo delimitare il campo dei contenuti sulla base dei seguenti obiettivi specifici.
 

Obiettivi specifici:

-    Elaborare i concetti di fase e di sostanza.

-    Definire l’omogeneità sia dal punto di vista fisico che chimico.

-    Acquisire il concetto generale di stato fisico di un sistema.

-    Comprendere la generalità dei passaggi di stato come effetti di variabili fisiche e la loro specificità per ogni ....sostanza.

-    Intuire e definire il concetto di calore latente nei liquidi e nei solidi.

-    Verificare la natura continua o discontinua della materia.
Risulta ovvio che, oltre alle idee pregresse degli allievi, bisogna tenere conto anche dei prerequisiti, ricavati dalla valutazione dei livelli di partenza e degli obiettivi che si sono realizzati nelle attività didattiche precedenti collegate. Ciò avverrà preferibilmente in forma dialogata con l’intera classe, cercando di riorientare le interpretazioni ambigue o scorrette attraverso rapide prove pratiche dimostrative, disponendo di un laboratorio anche modestamente attrezzato (misura del volume e della massa di liquidi e solidi, misura o calcolo indiretto della densità, eventuali raffronti, misura della temperatura durante un riscaldamento o raffreddamento, misura della pressione ambiente), o richiamando l’attenzione su fenomeni caratteristici ed  esemplificativi tratti dalla comune esperienza. Tale strumento è naturalmente anche alla base dello sviluppo dei contenuti propri dell'unità didattica.
 

Prerequisiti:

-    Padroneggiare il concetto di indivisibilità dal punto di vista fisico.

-    Aver acquisito le nozioni di massa, volume, densità come proprietà dei corpi.

-    Aver acquisito le nozioni di temperatura e pressione come variabili ambientali e delle relative unità di misura ....(in particolare: °C, atm, Torr).

-    Saper applicare il significato dei termini omogeneo ed eterogeneo ai sistemi materiali.
....Sviluppo dei contenuti

 

Studiando il comportamento dell’acqua durante il raffedddamento e il riscaldamento tramite un esperimento dimostrativo, condotto in un sistema aperto, cioè alla pressione dell’ambiente e registrando i dati relativi alla variazionein della temperatura al passare del tempo di raffreddamento o riscaldamento (magari con l'usilio del programma "excell" per ottenere un diagramma temperatura - tempo), notiamo che ci sono due temperature, definite punto di ebollizione (100°C) e punto di fusione (0°C) alle quali l’acqua cambia stato di aggregazione: sopra ai 100°C diviene un gas (vapore acqueo) e sotto a 0°C diviene un solido (ghiaccio), mentre tra queste due temperature si presenta allo stato liquido.

A queste temperature specifiche si osserva peraltro, durante il raffreddamento o il riscaldamento dell'acqua, una stasi della temperatura; evidentemente il calore che il sistema libera o assorbe durante il riscaldamento o il raffreddamento a queste temperature non si manifesta attraverso una variazione di temperatura; proprio per la mancanza di un effetto termico associato, il calore scambiato a queste temperature viene definito calore latente di condensazione (al punto di fusione) e calore latente di evaporazione (al punto di ebollizione).

La giustificazione a questo apparente paradosso (lo è sicuramente per gli allievi) non può essere introdotta fino a quando non viene trattato il concetto di discontinuità della materia in termini di atomi e molecole e delle forze che si esercitano al livello microscopico tra tali particelle.

Il primo punto, relativo alla costiuzione fisica dell'acqua, può essere trattato facendo notare il comportamento dell'acqua stessa nei tre diversi stati di aggregazione.

Facendo eseguire direttamente agli allievi misure di volume di diverse quantità di acqua liquida per mezzo di recipienti tarati in volume viene ricordato e puntualizzato che un liquido possiede un volume proprio ma una forma variabile. Ciò non è per lo stato gassoso, nel quale l'acqua, allo stato di vapore, manifesta maggiore libertà di movimento rispetto allo stato liquido, tanto che va ad occupare tutto il volume a disposizione (se il recipiente resta aperto se ne vola via), non possedendo pertanto in tale stato, oltre che una forma propria, neanche un volume proprio. Al contrario allo stato solido la stessa acqua è costretta ad una forma immodificabile (fin quando resta in tale stato), tanto che nel processo di solidificazione è in grado di spaccare una bottiglia (dimostrazione della bottiglia piena d’acqua lasciata nel freezer) in quanto il ghiaccio in formazione non si adatta alla forma del recipiente.

E' utile a questo punto riflettere su quanto osservato. Da cosa dipende ad esempio la diversa libertà di movimento dell'acqua nei tre diversi stati di aggregazione? L'acqua non sembra mostrare una natura di fluido compatto, ma manifesta al contrario una variabilità di comportamenti al cambiare della temperatura, difficilmente spiegabili in base ad una sua costituzione interna continua; perché infatti dovrebbe assumere una forma così precisa allo stato solido ed espandersi indefinitamente allo stato gassoso se non c'è soluzione di continuità fra le sue parti?

Per sondare ulteriormente le caratteristiche dei diversi stati di aggregazione possiamo ricorrere ad un altro semplice esperimento, che ci porterà ad intuire qualcosa sulla natura microscopica della materia, non osservabile direttamente.

Prendiamo una siringa in cui è stata ispirata una certa quantità d'aria e spingiamo sul pistone tenendo chiuso il foro di uscita con un dito, in modo da non far uscire l'aria dalla siringa; osserveremo che il gas (l'aria) si comprime sempre più all'aumentare della pressione esercitata sul pistone; al contrario se viene ispirata all'interno della siringa dell'acqua, osserveremo che questa non si comprime affatto all'aumentare della pressione, proprio come avverrebbe con un materiale solido compatto. Ciò fa pensare che l'acqua, come gli altri liquidi, sia incomprimibile, mentre l'aria, come qualsiasi gas o vapore risultano comprimibili in ragione della pressione esercitata.

E’ per questo motivo che lo stato liquido come quello solido vengono detti “stati condensati”, cioè ad alta densità di materia, mentre allo stato aeriforme la densità di materia risulta evidentemente molto più bassa.

Ora il concetto di densità presuppone addensamento o rarefazione di materia, analogamente alla densità di popolazione per gli individui in un territorio; tale analogia si presta bene a spiegare il comportamento della materia nei vari stati di aggregazione. Infatti lo stato solido può essere paragonato ad una situazione in cui gli individui non hanno spazio per il minimo movimento, per cui non potendo spostarsi avranno nell'insieme una forma e uno spazio occupato immodificabili. Allo stato gassoso, essendo la materia, evidentemente, più rarefatta, la situazione è paragonabile a quella di una popolazione, in cui gli individui, in grado di muoversi, tenderanno a occupare tutto lo spazio a disposizione, lasciando al contempo molte zone vuote; si spiega così perché il gas si comprime: per la presenza di spazi vuoti al suo interno, che diminuendo all'aumentare della pressione esercitata, comportano diminuzione del volume occupato dal gas stesso.

Lo stato liquido, il cui comportamento sembra più difficile da spiegare,  può essere interpretato come uno stato condensato con una certa libertà di movimento, evidentemente dovuta a qualche spazio libero, la cui incomprimibilità denota comunque una densità di materia più vicina allo stato solido che a quello gassoso.

In effetti gli spazi all'interno di un liquido possono essere messi in evidenza dalla dissoluzione dei comuni sale e zucchero nell'acqua, in quanto quest'ultima non subisce un aumento apprezzabile di volume anche per aggiunte di quantità di sale o zucchero cospicue. Il sale che si scioglie va ad occupare evidentemente parte di questi spazi lasciati vuoti dall'acqua liquida. Analogamente quando si mescolano due liquidi miscibili come acqua e alcool, si può osservare che il volume finale della miscela è minore della somma dei volumi iniziali dei due liquidi separati.

A questo punto è chiaro che le osservazioni sperimentali e i primi ragionamenti fatti portano ad intravvedere una natura microscopica discontinua dell'acqua, fatta cioè di particelle o corpuscoli invisibili ad occhio nudo (e anche col microscopio). Con osservazioni e ragionamenti analoghi si può estendere il concetto alla costituzione fisica dei vari materiali che abbiamo utilizzato - l'alcool, l'acqua, il sale, l'aria, ma anche la siringa, il ghiaccio, la bottiglia, ecc, e qwuindi di tutti i corpi. Evidentemente le particelle possono addensarsi come nei solidi e nei liquidi o restare separate con molto spazio vuoto come nei gas.

In particolare il fatto che queste particelle si uniscano formando l'acqua e il ghiaccio, l'alcool e il sal,e o qualsiasi altro tipo di materia porta a pensare che esse in qualche modo si attraggano, si instaurino cioè delle forze di coesione che le tengono unite, che debbono evidentemente essere vinte per poterle "staccare" e lasciare dei vuoti tra di esse.

Visto che all’aumentare della temperature tutte le sostanze prima o poi vaporizzano, si può pensare che l’azione della temperatura tende ad opporsi alle forze di coesione che tengono unite tali  “fantomatiche” particelle; ciò può spiegare l'osservazione effettuata sui calori latenti in corrispondenza dei passaggi di stato, in quanto il calore viene qui utilizzato per vincere le forze di attrazione che caratterizzano gli stati condensati, fenomeno che evidentemente non comporta apprezzabile cambiamento di temperatura del sistema.

L'ulteriore introduzione e giustificazione del fenomeno in termini di energia cinetica delle particelle e di energia potenziale tra le particelle fornisce lo spunto per una successiva unità didattica che sviluppi, sempre in chiave interdisciplinare tra chimica e fisica, lo studio della materia sotto il profilo energetico, avente per argomenti cardine la teoria cinetica dei gas e l'energia potenziale associata alle forze di interazione.

In effetti fino a questo punto il discorso è stato sostanzialmente di impostazione fisica; vediamo allora come l'argomento possa essere ulteriormente indagato e specializzato attraverso categorie di tipo prettamente chimico.

Se ad esempio ci concentriamo sulla natura e le caratteristiche dei diversi liquidi utilizzati, osserviamo che l'alcool (il comune spirito) presenta al pari dell'acqua due temperature di transizione che delimitano le sue tre diverse fasi fisiche, ma tali temperature differiscono da quelle dell'acqua, risultando più bassi sia il punto di fusione che quello di ebollizione. Dobbiamo altresì notare che mescolando acqua e alcool si osserveranno temperature di transizione intermedie tra quelle dell’alcool puro e dell’acqua pura, variabili con la composizione della miscela.

Ciò ci fa capire che per l'acqua e l'alcool, sia il punto di fusione, che il punto di ebollizione, rappresentano caratteristiche invariabili, che individuano differenti ma precise entità chimiche o qualità di materia che definiremo sostanze, cioè sistemi chimici caratterizzati da proprietà definite: la sostanza, acqua o alcool, avendo sempre lo stesso comportamento quando è presente da sola individua un sistema chimicamente omogeneo.

Al contrario il sistema binario acqua - alcool, con caratteristiche non definibili univocamente, risulta un sistema chimicamente eterogeneo, in quanto formato da più sostanze. In questo caso, quando il sistema è formato da diverse sostanze viene definito miscuglio.

Il sistema risulta peraltro fisicamente omogeneo, in quanto costituito da una sola fase liquida; in effetti solo quando si riconoscono più fasi un sistema risulta fisicamente eterogeneo.

La concezione discontinua offre ancora una soddisfacente interpretazione di tali sistemi in termini microscopici: una sostanza pura risulta chimicamente omogenea perché è costituita da un solo tipo di particelle, un miscuglio, al contrario risulta chimicamente eterogeneo perché costituito da due o più tipi di particelle. Inoltre quando queste si trovano ad intimo contatto, indipendentemente dalla loro natura chimica, cioè dal tipo di particelle, costituiscono una soluzione, cioè un sistema fisicamnete omogeneo. Allo stato liquido e solido, a causa della scarsità di spazio, bisogna però fare i conti con la "xenofobia" delle particelle. Infatti quando due sostanze non si mescolano, significa che le rispettive particelle non vengono in contatto tra loro, restando separate in una sorta di reciproca repulsione. In questo caso il sistema appare fisicamente eterogeneo.

Nel caso dei gas questo "problema" non esiste, grazie alla presenza degli spazi vuoti tra le particelle che permettono sempre la reciproca solubilità, per cui qualsiasi miscela di gas forma sempre una sola fase gassosa.  

Occorre comunque puntualizzare che dal punto di vista fisico una sostanza pura o un miscuglio possono costituire indifferentemente sia un sistema omogeneo che eterogeneo, per cui per poter classificare un corpo occorre porsi delle domande secondo una schema logico.

....1) La composizione fisica del corpo è costante in ogni sua parte? Cioè quante fasi (solide o liquide, demarcate da precise superfici di separazione, o gassosa, se fa parte anch’essa del sistema), sono presenti?

Se tale composizione è costante, cioè se il corpo contiene una sola fase riconoscibile (ad es. una soluzione solida, liquida o gassosa o un solido puro) il miscuglio costituisce un sistema fisicamente omogeneo, altrimenti, in presenza di più fasi solide (rocce), fasi solide e liquide (sospensioni), più fasi liquide (emulsioni), sistemi in equilibrio di una sola sostanza (acqua-ghiaccio o acqua-vapore) il sistema risulta eterogeneo, anche quando, come nell'ultimo caso, è, invero, chimicamente omogeneo.

Per correttezza occorre però far notare che nella realtà il limite di demarcazione tra sistemi fisicamente omogenei ed eterogenei non è sempre netto; si può ad esempio passare senza soluzione di continuità da una sospensione (sistema eterogeneo) ad una soluzione (sistema omogeneo) attraverso una situazione intermedia detta soluzione colloidale, caratterizzata da un solido non distinguibile ad occhio nudo, sospeso in un liquido, che appare comunque opaco alla luce (latte, sangue, barbottine di argilla o di calce, ecc).

....2) Una volta individuato un sistema (o una sua parte) omogeneo si deve stabilire se tale fase è costituita da una sola o da più sostanze, cioè se risulta chimicamente omogeneo e quindi chiedersi se ha delle proprietà nette e ben definite.

Se la risposta è affermativa, si può dire che il sistema è una sostanza pura, ad esempio mentre il sale comune è una sostanza pura (individuo chimico), l'aria risulta invece una miscela, benchè fisicamente  omogenea, di più sostanze (principalmente azoto e ossigeno) allo stato gassoso.

Per poter affrontare e definire in modo univoco i passaggi di stato di aggregazione occorre dunque prendere in considerazione una singola sostanza. In realtà ogni sostanza ha i suoi punti caratteristici, ma occorre specificare anche la pressione alla quale si riferiscono.

Più in generale si può affermare che l'esistenza di una sostanza in uno o più stati fisici di aggregazione, cioè in una o più fasi, dipende contemporaneamente dalla temperatura e dalla pressione dell'ambiente. Ciò può essere trattato come attività di approfondimento o di rinforzo attraverso lo studio dei diagrammi di stato, anch’essi caratteristici di ogni singola sostanza.

Conclusione

Le numerose misconcezioni o concezioni ingenue degli allievi con una siffatta impostazione non possono che entrare in crisi, in particolare quella sulla natura continua, che spesso predomina come concezione spontanea rispetto a quella discontinua, che, benché studiata e ripetuta a memoria, o peggio, data per scontata dall'insegnante, in realtà non entra mai a fondo nella cultura dell'allievo, che non riesce quindi a riconoscerla come un modello esplicativo dei fatti che gli accadono intorno. La "irrinunciabile" conoscenza delle strutture atomiche come dato di fatto, sovente propinata agli allievi aal'inizio dei corsi di chimica, resta in tal caso fine a se stessa, in quanto svincolata dalla problematica macroscopica, che parte dal complesso (il mondo così com'è) per approdare al semplice (il modello interpretativo della realtà), andando a costituire quasi sempre un sapere non competente. Quest'ultimo argomento andrebbe infatti demandato a corsi successivi o ad attività di approfondimento, costituendo di fatto uno strumento culturale indispensabile solo a coloro che si rivolgono alla chimica o alla fisica in una fase di specializzazione degli studi.

Costituisce invece un naturale prosieguo della presente unità didattica lo studio delle leggi fondamentali della chimica, che forniranno l'evidenza sperimentale dell'esistenza di quelle particelle microscopiche, specializzatesi via via in atomi e molecole, che forniranno un'interpretazione definitiva, non solo della costituzione della materia, ma anche delle sue trasformazioni in termini di reazioni chimiche, che avranno una attualizzazione macroscopica nella trasformazione di elementi e composti.

Prof. Pierluigi Ferracuti - Docente di Chimica - Istituto d’Arte di Fermo (AP)