Diario di bordo - IIS - Sansi-Leonardi

ISTITUTO ISTRUZIONE SUPERIORE
“PONTANO- SANSI – LEONARDI”
SPOLETO
RETE 8 SPOLETO – VALNERINA
IL CURRICOLO VERTICALE
ASSE TECNOLOGICO-SCIENTIFICO
TEMA: LA MATERIA E LE TRASFORMAZIONI
CLASSE I B LICEO CLASSICO – A.S. 2009/2010
DOCENTE: prof.ssa Cinzia Corona
DIARIO DI BORDO
12 Novembre 2009
MOTIVAZIONE
Nel corso delle prime lezioni di chimica, parlando delle trasformazioni fisiche, è stata ricorrente la
richiesta di ulteriori chiarimenti sulla variazione di temperatura che si manifesta nel corso del
passaggio di stato di una sostanza pura. Il docente propone alla classe di indagare sperimentalmente
su questo fenomeno.
PROBLEMATIZZAZIONE
Come varia la temperatura nel corso del riscaldamento di una sostanza pura in corrispondenza del
passaggio di stato solido-liquido? La temperatura varia in modo continuo o discontinuo?
PREMESSA
Il docente invita innanzitutto i ragazzi a definire e caratterizzare lo stato solido e lo stato liquido di
un sistema.
Flavia: un corpo solido ha forma propria e volume proprio, mentre un corpo liquido non ha forma
propria ma quella del suo contenitore, perché le sue particelle si muovono più liberamente che nel
solido.
Giorgio: le sostanze gassose hanno la forma del contenitore e anche il volume dipende dal
contenitore.
Doc: come avviene il passaggio dallo stato solido allo stato liquido? Pensate al ghiaccio: quando si
scioglie e diventa liquido?
Federica: quando lo riscaldiamo tenendolo in mano o lo lasciamo all’aria
Doc: così facendo cosa hai modificato al ghiaccio?
Più ragazzi rispondono: la temperatura.
IPOTESI
A questo punto il docente chiede ai ragazzi: se riscaldiamo una sostanza solida fino a farla diventare
liquida, come varierà la sua temperatura?
Più ragazzi rispondono: la temperatura aumenta gradualmente.
Doc: non potrebbe succedere qualcosa che modifica un andamento graduale?
I ragazzi si mostrano perplessi ma alla fine non escludono che potrebbe effettivamente esserci una
variazione non regolare della temperatura.
16 Novembre 2009
FASE DELL’ESPERIENZA
Il docente porta in classe un certa quantità di una sostanza incognita e chiede ai ragazzi di definirne
la caratteristiche utilizzando i sensi della vista, del tatto e dell’olfatto.
Francesca: la sostanza è un po’ bianca e un po’gialla simile alla cera.
Federica: solida e a scaglie lucenti come il sapone di Marsiglia.
Daniele: non ha odore.
Anna: si sgretola tra le dita e lascia una patina cerosa.
Doc: perché lascia una patina cerosa?
Anna: si scioglie un po’.
Doc: perché, cosa è successo?
Giorgio: perché l’ha scaldata con il calore della mano.
Doc: e se la riscaldassimo ancora di più?
Giorgio: forse si “squaglierebbe” tutta.
A questo punto la classe si trasferisce nel laboratorio di chimica per sottoporre a riscaldamento la
sostanza in esame e seguirne l’aumento di temperatura.
Materiali e strumenti:
1. Sostanza incognita (5g)
2. 1 provettoni
3. 1 becher (da 500 ml)
4. 1 sostegno
5. 1 treppiede
6. 1 retina
7. 1 becco bunsen
8. 1 termometro (-10: + 150 °C)
9. acqua (250 ml)
10. 1 cronometro
11. 1 macchina fotografica
DESCRIZIONE DELL’ESPERIMENTO
Si predispone il sostegno con due pinze: una per il
termometro e l’altra per la provetta contenente la
nostra sostanza; si pone sul treppiede una retina e su
questa si colloca un becher riempito per metà con
acqua di rubinetto. Allestiamo un bagno-maria:
immergiamo la provetta nel becher e inseriamo
all’interno della provetta il termometro, facendo
attenzione che il bulbo sia ben inserito nella sostanza
senza toccare le pareti interne della provetta; sotto il
treppiede disponiamo il becco bunsen.
Foto 1
Il docente assegna un ruolo preciso ai ragazzi che
seguono
l’esperimento:chi
controlla
il
riscaldamento, chi usa il cronometro, chi legge il
termometro, chi scrive i dati, chi scatta le foto, ecc.
Si accende la fiamma del becco bunsen per
riscaldare l’acqua nel becher, che a sua volta
riscalda la provetta contenente la nostra sostanza.
Ogni trenta secondi i ragazzi osservano le
modificazioni a cui va incontro la sostanza, ne
rilevano la temperatura raggiunta e la riportano in
tabella.
Osservazioni:intorno ai 34°C la sostanza diminuisce
di volume e si compatta (foto 2).
Foto 2
Intorno ai 50°C la sostanza diventa più gialla, si
compatta ulteriormente e comincia a sciogliersi
laddove è a contatto con le pareti interne della
provetta (foto 3).
Foto 3
Intorno ai 70°C la sostanza si scioglie man mano,
assume un colore giallo (foto 4) e la temperatura
cessa di aumentare con la l’incremento osservato
fino a quel momento; solo quando la sostanza è del
tutto
liquefatta, la temperatura riprende ad
aumentare.
Foto 4
Nel corso dell’esperimento vengono rilevati i
valori della temperatura assunta dalla nostra
sostanza ogni 30 secondi e annotate eventuali
osservazioni.
L’esperimento complessivamente dura circa
mezz’ora.
Foto 5
17 novembre 2009
I ragazzi suddivisi in due gruppi ripetono l’esperienza del giorno 16 novembre in maniera
indipendente l’uno dall’altro annotando le misure della temperatura rilevata ogni 30 secondi.
23 novembre 2009
RISULTATI
I dati raccolti nei tre esperimenti eseguiti nei giorni 16 e 17 novembre, vengono riportarti in tabella
ed elaborati in formato elettronico con il programma Excel con la successiva elaborazione grafica.
ESPERIMENTO 1
n.
Prove
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
tempo
(sec.)
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
390
420
450
480
510
540
570
600
630
660
690
720
750
780
810
840
870
900
930
960
990
1020
1050
1080
1110
1140
t (in °C)
20
21
23
25
28
31
33,5
36
39
42
44,5
49,5
52
54
56
58
60
62
63,5
65
67
68
68,5
69,5
70
71
71
71
70
70,5
70,5
71
71,5
73
75
80
82
84
85
ESPERIMENTO 2
n. Prove
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
tempo
(sec.)
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
390
420
450
480
510
540
570
600
630
660
690
720
750
780
810
840
870
900
930
960
990
1020
1050
1080
1110
1140
1170
t (in °C)
20,5
20,5
20,5
21
22
23
24,5
27,5
29
31
34
36
38,5
42
44
46,5
48,5
51
53
55,5
58
61
63
65
68
70,5
72
76
76,5
78
78
78
75
75,5
76
76
77
79,5
82
84
t (in °C)
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
ESPERIMENTO 3
n. Prove
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
tempo
(sec.)
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
390
420
450
480
510
540
570
600
630
660
690
720
750
780
810
840
870
t (in °C)
19
19
19,5
20,5
21,5
23
25
28
31
33,5
36,5
39,5
42,5
45
48,5
51
54
56
58
60
63,5
65,5
67
69
70
72
78
82
88
92
t (in °C)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
200
400
600
800
1000
24 novembre 2009
DISCUSSIONE
In classe si discutono i risultati analizzando i grafici ottenuti.
I ragazzi sono molto soddisfatti nel vedere concretizzato il loro lavoro nelle curve ottenute
nell’osservare che le curve ottenute. Si osserva che intorno ai 70°C l’incremento del temperatura si
arresta per un certo periodo di tempo, proprio in corrispondenza dell’osservazione del completo
passaggio di stato da solido a liquido della sostanza.
Nel caso del secondo esperimento, i ragazzi interpretano il discostarsi della curva dal valore
suddetto conseguenza di una manovra errata durante l’esperimento: ricordano infatti che il bulbo
del termometro, incautamente spostato in quella fase dell’esperimento, ha toccato la prete interna
della provetta provocando un brusco innalzamento della temperatura. Accortisi di ciò, hanno poi
riposizionato correttamente il termometro e la temperatura ha assunto valori più vicini ai 70°C.
Poiché i dati raccolti dimostrano che la nostra sostanza ha una temperatura di fusione pari a circa
70°C, gli studenti ricercano in letteratura la possibile sostanza corrispondente e compatibilmente
con le osservazioni macroscopiche fatte in partenza ritengono si tratti di Acido Stearico.
Questo dà lo spunto per uno scambio di considerazioni con il docente.
Doc: cosa abbiamo osservato durante la fusione della nostra sostanza?
Giorgio: la temperatura non cambiava anche se il becco bunsen continuava a riscaldarla
Doc: allora che rapporto c’è tra temperatura e calore? Sono la stessa cosa?
Giorgio: sono due cose separate
Doc: e allora cosa sono?
Daniele: il calore è energia che si sposta
Doc: come si sposta?
Francesca: dalla fiamma alla retina, al becher, all’acqua, alla provetta e poi alla sostanza
Doc: e la temperatura cosa è?
Claudia: la quantità di calore di un corpo
Doc: questa è una contraddizione: abbiamo appena interpretato dai grafici che temperatura e calore
non sono la stessa cosa
Daniele: la temperatura è una conseguenza del calore che abbiamo dato, non la stessa cosa
Doc: due corpi a diversa temperatura cosa hanno di diverso?
Ueda: forse il volume, la densità?!!
Daniele: hanno diversa energia interna
Doc. cosa è l’energia interna di un corpo?
Giorgio: è legata alla sua composizione
Doc: come è fatto un corpo?
Adelmo: le sostanze sono fatte di atomi e molecole
Flavia: …….e quindi l’energia potrebbe rappresentare i legami che uniscono gli atomi
Doc: e allora che vuol dire che un corpo ha più o meno energia?
Flavia: più legami ci sono più energia c’è
Doc: ma si muovono le molecole o stanno ferme?
Daniele: si muovono e un corpo con maggiore calore ha maggiore mobilità degli atomi
Doc: quindi concludendo sembra che la temperatura è dovuta alla mobilità degli atomi!
Abbiamo visto che inizialmente la sostanza era solida e quindi gli atomi sono fermi in quello stato?
Francesca: no comunque sono in movimento anche se di meno
Doc: la temperatura di un solido, di un liquido e di un gas sono sempre diverse?
Daniele: se io prendo un corpo a una certa temperatura ed è solido, aumentando la temperatura
diventa liquido ed è più caldo, aeriforme è più caldo ancora
Doc: quindi lo stato fisico in generale dipende dalla temperatura; come spieghi che la sostanza che
abbiamo usato nell’esperimento a temperatura ambiente era solida mentre l’acqua del becher
era allo stato liquido?
Daniele: allora l’effetto del calore su una sostanza cambia al variare della sostanza stessa cioè ogni
sostanza reagisce in maniera diversa
Doc: cosa cambia nelle sostanze perché poi la stessa temperatura le rende solide o liquide o gassose
Federica: i legami fra gli atomi e il tipo di atomi, per cui alla stessa temperatura dove ci sono legami
più forti la sostanza è solida, dove ci sono legami più deboli la sostanza è liquida
Doc: allora proviamo a capire perché la temperatura si arresta nel passaggio di stato come abbiamo
visto nell’esperimento: pur continuando a dare calore (energia) la temperatura non
aumentava; dove è andato a finire quell’energia?
Anna: è stata assorbita dalla parte solida
Claudia: il calore si è disperso nell’atmosfera
Daniele: ha rotto i legami tra le molecole
Doc: come ha fatto una energia a rompere i legami?
Giorgio: agitando le molecole si rompono i legami che le tengono insieme
Ueda: il calore si è trasformato in un’altra forma di energia
Giorgio: in energia cinetica
Daniele: infatti abbiamo visto che fin quando tutta la sostanza non è diventata liquida il calore non
ha fatto aumentare la temperatura, ma è servito solo a rendere più mobili tutte le molecole
CONCLUSIONI
Con questa esperienza i ragazzi hanno chiarito le perplessità circa la variazione di temperatura di
una sostanza pura nel corso del passaggio di stato solido-liquido ottenuto mediante riscaldamento a
pressione costante. In particolare hanno osservato un arresto della temperatura (sosta termica)
fintanto che tutta la sostanza non è passata allo stato liquido, concludendo che il calore
somministrato “energizza” le molecole tanto da far vincere le forse che le “costringono” le une
vicine alle altre. Hanno inoltre compreso la differenza tra temperatura e calore.
PROPOSTE PER ULTERIORI PROBLEMATICHE
1. Come varia la temperatura nel passaggio di stato solido-liquido (a pressione costante) di un
miscuglio?
2. Come varia la temperatura nel passaggio di stato solido-liquido (a pressione costante) di
un’altra sostanza pura? Quanto dura la sosta termica?