TIROCINIO FORMATIVO ATTIVO
Classe A013
Università degli Studi di Firenze
Anno Accademico 2011-2012
“ Lavoisier fino alla scoperta dell’ossigeno”
Candidata: Serena Baglioni
PROGETTAZIONE PERCORSO DIDATTICO
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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.
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.
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
OBBIETTIVI FORMATIVI-DIDATTICI
• Enunciare il principio di
Lavoisier di conservazione
della massa e effettuare
esperienze sulla invarianza
della massa nelle reazioni
• Riconoscere che la chimica
si è evoluta
sull’elaborazione di teorie
risultanti come
conseguenza logica di fatti
ricavati dall’esperienza.
• Riconoscere che
combustione e calcinazione
dei metalli sono fenomeni
che hanno in comune la
partecipazione
dell’ossigeno.
• Essere consapevoli che
un’osservazione diventa
legge quando è confermata
da numerosi esperimenti.
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.
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
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)
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
UNITA’ DIDATTICHE
•
•
•
•
UNITA’ 1:
UNITA’ 2:
UNITA’ 3:
UNITA’ 4:
• UNITA’ 5:
• UNITA’ 6:
• UNITA’ 7:
• UNITA’ 8:
Le calci metalliche e la combustione
Il fenomeno della combustione
La teoria del flogisto
Esperienza di Lavoisier sulla trasmutazione
dell’acqua in terra per distillazione.
1772: La scoperta fondamentale
La conferma sperimentale delle ipotesi di
Lavoisier: i “recipienti”chiusi
Lavoisier formula un’altra ipotesi sull’aria
La scoperta dell’aria deflogisticata: Lavoisier e
Priestley
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?
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.
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
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?
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.
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
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 ...”
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?
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
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.
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
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
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
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 + pesocalce metallica )?
Riflessioni : Discussione sulle tre ipotesi proposte
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:
1.
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;
2.
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;
3.
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.
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.
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!!
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.
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
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)
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…….
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
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