Dal macro al micro attraverso il simbolico

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo

a cura di Silvana Saiello

E’ noto da tempo che l’apprendimento dei concetti scientifici passa attraverso la conoscenza delle relazioni tra i tre aspetti , macro, sub-micro e simbolico, come è sottolineato da A.H. Johnstone fin dal 1991 e come è ripreso in quasi tutte le overview sul argomento http://www.rsc.org/images/AHJ%20overview%20final_tcm18-52107.pdf

Slide1La mancanza di attenzione alla collocazione di un concetto chimico al interno di ciascuno di questi tre livelli crea troppo spesso confusione nella testa degli studenti.

E’ per questo che ho scelto di condividere questo problema con alcuni insegnanti della Scuola nel corso della progettazione comune di un piccolo pezzetto di percorso formativo che realizzeranno nelle loro classi con il tutoring di alcuni docenti universitari.

La parte finale di questo percorso può essere sintetizzato con la frase:

” Dal macro al sub-micro attraverso il simbolico”

Il punto di partenza sono le leggi fondamentali della Chimica e il concetto operativo di Sostanza elementare

Un racconto a cui gli studenti possono/devono credere è quello che i primi Chimici provavano a trasformare la materia in maniera controllata. Osservavano con attenzione i risultati delle loro trasformazioni sia dal punto di vista delle proprietà delle sostanze che manipolavano sia dal punto di vista delle quantità di sostanza che si trasformavano e le quantità di sostanza che riuscivano ad ottenere.

I Chimici di un tempo lavoravano su sostanze di cui riconoscevano le proprietà e che si trasformavano in sostanze con proprietà completamente diverse.

Accadeva anche di trasformare un’unica sostanza in due sostanze completamente diverse che, a loro volta, potevano essere trasformate di nuovo nella sostanza che le aveva generate.

Una Cosa diventa Due Cose, Due Cose diventano Una Cosa … è questa la vera Magia della Chimica!

E’ ovvio che la curiosità spingeva a verificare fin dove era possibile realizzare questa “Magia”.

E da qui che si riuscì a mettere in evidenza che c’erano sostanze che non si riusciva a trasformare in alcun modo in Due Cose diverse.

Queste sostanze speciali sono le Sostanze Elementari.

Se guardiamo con una certa attenzione i numeri relativi alle trasformazioni di due sostanze elementari in una sostanza composta arriviamo dritti dritti a fare l’ipotesi che gli atomi esistono.

Non racconterò qui il “ragionamento numerico”, ma mostrerò come l’ipotesi che gli atomi esistono applicata alle relazioni numeriche che riassumono le leggi con cui avvengono le trasformazioni di sostanze in altre sostanze (le leggi fondamentali della Chimica) conduce al significato di formula chimica.

Il livello sub-micro collegato al livello macro conduce al livello simbolico.

Slide2E’ necessario, però, condividere una simbologia e un metodo.

  • Indichiamo con m* le masse di sostanze elementare che si trasformano in una sostanza composta.
  • Prendiamo in considerazione un caso specifico: la trasformazioni di Carbonio e Ossigeno in una sostanza A caratterizzata attraverso le sue proprietà macroscopiche
  • Applichiamo alle masse che si trasformano la relazione che esplicita l’ipotesi di esistenza degli atomi,
  • In questo modo trasformiamo le leggi fondamentali della Chimica che “raccontano” un livello macro in relazioni che raccontano un livello sub-micro

… e il gioco è fatto!

Slide3

In estrema sintesi il Rapporto di combinazione delle masse che si trasformano è qualcosa che posso determinare sperimentalmente, in questo esempio specifico il numero 0,750 è il risultato sperimentale (macro).

Se è vero che esistono gli atomi esiste un uguaglianza che lega questo livello macro al livello sub-micro.

Slide4

Guardiamo in dettaglio all’interno della relazione “sub-micro”, troviamo due rapporti, un rapporto tra le masse degli atomi che costituiscono la sostanza composta e un rapporto tra gli atomi di Carbonio e di Ossigeno che si legano per diventare la sostanza composta .

Esistono altre sostanze composte che si ottengono dalla trasformazione del Carbonio e dell’Ossigeno, ma, come è noto, il rapporto di combinazione delle masse delle sostanze elementari che si trasformano in una sostanza composta è diverso da sostanza a sostanza anche se entrambe sono costituite dallo stesso tipo di atomi, quindi il rapporto a/b è una caratteristica della sostanza A.

Nel caso in cui Carbonio e Ossigeno formano un’altra sostanza composta B, questa sarà caratterizzata da un altro rapporto di combinazione delle masse R*B ≠ R*A e poiché il rapporto tra le masse degli atomi di Carbonio e Ossigeno rimarrà lo stesso, quello che cambierà sarà solo il rapporto tra gli atomi di Carbonio e di Ossigeno che si legano ( c/da/b ).

In definitiva mentre il rapporto a/b è caratteristico della sostanza A, il rapporto caratteristico della sostanza B sarà c/d .

Come rappresentiamo in maniera simbolica questa differenza?

Scriviamo le formule delle due sostanze A e B , che rispettivamente saranno CaOb e CcOd rappresentando con C l’atomo di Carbonio e con O l’atomo di Ossigeno.

A questo punto bisognerebbe aprire una discussione su formula minima, formula molecolare, ecc… ma a me basterebbe che ogni giovane che ha frequentato una classe di Chimica fosse in grado di leggere e di comprendere fino in fondo il significato di tutte le parole che formano una frase a prima vista banale ma che, a mio parere, rappresenta bene la sintesi dei tre livelli necessari a costruire il concetto di formula di una sostanza.

Slide1

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E’ APERTA LA RACCOLTA DI FIRME PER LA PETIZIONE ALLA IUPAC per dare il nome Levio ad uno dei 4 nuovi elementi:FIRMATE!

https://www.change.org/p/international-union-of-pure-and-applied-chemistry-giving-name-levium-to-one-of-the-4-new-chemical-elements

 

4 thoughts on “Dal macro al micro attraverso il simbolico

  1. Cara Silvana, il ragionamento è coerente e convincente. C’è solo un punto che non mi è chiaro. A volte parli di “micro” a volte di “sub-micro”. Perché queste due dizioni? Sottendono qualcosa?

    Giovanni Villani

  2. Ho sempre sostenuto che deve venire prima il macro e poi il micro, almeno nei corsi di base a livello secondario, quindi mi piace molto il post di Silvana. Mi resta la perplessità di Giovanni.

  3. Vorrei chiarire a Giovanni e Rinaldo che si tratta sempre di livello sub-micro.Nel parlar comune utilizziamo la parola micro così come è nei titoli…..ma la cambieremo.

  4. Utilizzo un approccio per certi versi simile, ma che inizia ben prima della problematica delle combinazioni e “scombinazioni” delle sostanze. Fondamentale quell’equazione iniziale tra massa macro = massa micro per un numero inimmaginabilmente grande di oggetti invisibili. Il livello macro va sempre tenuto in mano, proprio per imparare a immaginare in tanti contesti più semplici di quello delle combinazioni chimiche queste moltitudini di molecole e atomi.
    I punti deboli di questo approccio, per quello che vedo con gli studenti del primo, sono due: innanzitutto devono sparire simboli di variabili algebrici ed esserci numeri al loro posto. Se devo parlare di un cubo di rame, prima devo averlo pesato, poi devo avere in mano il numero che mi indica il peso di un suo atomo e allora posso chiedere di immaginare come calcolare il numero di atomi dimenticandomi delle unità di misura. A questo livello la necessaria generalizzazione non deve consistere nel memorizzare quelle equazioni generali come fossero delle “formule”, ma semplicemente in un’abitudine a immaginare atomi in relazione alle “cose”, dalla quale rappresentazione possa scaturire in modo naturale che si debba fare una moltiplicazione per trovare la massa complessiva o una divisione per trovare il numero di atomi.
    In secondo luogo si fa troppo affidamento sui rapporti. Considerando che abbiamo una discreta percentuale di ragazzi che se richiesti di rapportare o comparare 0,6 g con 0,1 g (quante volte 0,6 g è più di 0,1 g) risponde “cinque”, dimostrando di non padroneggiare i rapporti, di non avere l’abitudine a rapportare, nonostante le carrettate di inutili proporzioni fatte alle medie (così come fanno equivalenze con efficienza strabiliante, ma non sanno che in esse la quantità si conserva, per cui appena devono farle in un campo diverso, come passare da 0,4·10^-3 a x·10^-6 scrivono 0,0004·10^-6, dove invece calcolerebbero alla perfezione se invece della notazione esponenziale dovessero convertire 0,4 mg in x microgrammi), figuriamoci cosa riescono a fare con una comparazione di un rapporto con un altro rapporto, quali quelli implicati nella stechiometria.
    La loro memoria di lavoro va in stallo e iniziano a impostare proporzioni senza senso.

    Ho appena finito di correggere una prova comune di 60 alunni in cui c’era un unico quesito sull’individuazione del reagente limitante in una reazione 2A + 1B –>; nella quale si mettevano a reagire 1 mol di A e un mol di B. Come già osservato durante le lezioni, per i ragazzi era quasi impossibile riuscire a pensare contemporaneamente ai due ruoli – diversi – e alla relazione esistente tra il rapporto tra le quantità messe a reagire e il rapporto tra i coefficienti stechiometrici. Il risultato è stato che 14 alunni hanno scelto B anziché A. 5 hanno argomentatamente scelto A e gli altri non hanno risposto.
    A questo livello, imparare a rapportare, e rapportare rapporti, non può essere un prerequisito per capire la chimica, ma eventualmente un risultato della comprensione quantitativa della chimica. Nel frattempo occorre che il risultato del rapporto sia “tirato fuori” con un proprio significato autonomo e, con quello, manipolato in ulteriori operazioni mentali sensate.

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