A partire dalla diversa solubilità in due solventi (acqua e alcol) di due sostanze (zucchero e limonene) il percorso conduce lo studente alla individuazione di relazioni tra composizione, struttura e proprietà fisiche delle sostanze.
L’attività prevede vari step, proponibili anche in anni diversi con una modalità ricorsiva che rinforza conoscenze e abilità. Può comunque essere proposta anche in un’unica soluzione. La modalità didattica con cui viene proposta è tipicamente IBSE nella prima parte, diventa PBL quando in seguito è necessario supportare le esperienze con ricerche.
Scheda sintetica delle attività
Prima parte: gli studenti devono progettare degli esperimenti per risolvere il problema delle torbidità del limoncello. Saranno stimolati e guidati nella procedura sperimentale alla formulazione di ipotesi chiare e correlabili con i risultati attesi, al controllo delle variabili, alla comunicazione chiara ed efficace, alla rendicontazione e alla riflessione sul metodo e sulle procedure.
Seconda parte: Con modalità di Inquiry più strutturato e di PBL l’alunno viene guidato alla scoperta delle relazioni tra composizione, struttura e proprietà fisiche delle sostanze. I contenuti acquisibili riguardano la geometria delle molecole, i legami intramolecolari e intermolecolari, la polarità delle molecole.
Terza parte: è un percorso di ricerca sulla chiralità e le caratteristiche biologiche con l’utilizzo di modellini di molecole.
Risorse necessarie
Provette;
portaprovette;
bilancia;
cilindri graduati;
pipette,;
burette con sostegno (possono essere sostituite da siringhe);
imbuti;
panno di lana e di seta;
bastone di vetro e di ebanite;
lastra di vetro;
beute, spilli;
Kit per modellini molecolari di chimica.
Sostanze chimiche (possono essere usate anche altre sostanze è importante che alcune siano polari ed altre apolari):
alcol etilico;
cicloesene;
butanolo;
propanolo;
ciclometilpentil etere;
toluene;
glicerolo;
limoni.
Prerequisiti necessari
Primo biennio
Manualità con strumentazione minima di laboratorio ( provette, pipette, ecc.);
conoscere e applicare concetti di solubiltà, soluzioni sature (miscugli omogenei e eterogenei).
Secondo biennio
Saper costruire formule di struttura per individuare la polarità e la chiralità delle molecole.
Obiettivi di apprendimento
Primo biennio
Acquisire e sperimentare il metodo scientifico: formulare ipotesi ed esperimenti coerenti con le stesse; saper raccogliere dati e interpretarli;
saper comunicare ipotesi procedure e risultati;
saper valutare l'efficacia delle procedure adottate nella risoluzione del problema.
Secondo biennio
Saper ricercare informazioni sia sperimentali che bibliografiche;
saper organizzare dati e interpretarli in base a modelli noti;
costruire nuovi modelli interpretativi;
interpretare le proprietà fisiche delle sostanze alla luce della loro struttura molecolare;
riconoscere i centri stereogeni e saper costruire con i modellini gli enantiomeri;
individuare l'importanza della forma delle molecole nei sistemi biologici.
Dotazioni di sicurezza
L'alcol etilico, il ciclopentilmetiletere, il cicloesene e il toluene sono liquidi infiammabili per cui è bene tenerli lontani da fonti di calore, scintille, fiamme libere. Con cicloesene e toluene usare guanti, protezioni per gli occhi e lavorare sotto cappa perché il contatto con la pelle e i vapori sono nocivi.
Svolgimento
PRIMO BIENNIO
Innesco (Engagement )
Il limoncello
La signora Gina, da anni, prepara il limoncello con la ricetta che segue, ma le viene sempre torbido. Sapresti spiegarle come mai? Allestisci degli esperimenti che ti permettano di capire, prima, e di spiegare, poi, alla signora il motivo di questo fenomeno.
RICETTA PER FARE UN BUON LIMONCELLO
Ingredienti
10 limoni non trattati;
1 litro di alcol puro al 95%;
600 grammi di zucchero;
1 litro di acqua.
Preparazione
Dopo aver lavato bene i limoni, asciugateli e sbucciateli servendovi di un pela patate, cercate di evitare che la parte interna bianca della buccia, che darebbe al liquore un sapore troppo amaro, venga asportata con la parte gialla.
Tagliatele a piccole listarelle le scorze e poi mettetele a macerare insieme a 1 litro di alcol in una ciotola di vetro chiusa ermeticamente. Riponete il tutto in un luogo fresco e al riparo dalla luce e lasciate riposare per almeno dieci giorni.
Figura1: infuso di alcol etilico e scorze di limone (da Ricette pour femme)
Trascorso questo periodo, filtrate il liquido in modo da rimuovere le scorze di limone: a questo punto l’alcol ha acquisito il colore giallo tipico dei limoni, il loro profumo e sapore.
Procedete con la preparazione mettendo sul fuoco una pentola contenente 1 litro d’acqua e i 600 grammi di zucchero e portate il tutto a ebollizione mescolando fino al completo scioglimento dello zucchero.
Lasciate raffreddare e poi versate lo sciroppo ottenuto in una ciotola contenente l’alcol filtrato precedentemente.
Figura 2: Mescolamento delle due soluzioni; viene versata la soluzione zuccherina nell'infuso di alcol; si può notare che al momento sono entrambe limpide (da www.ideericette.i).
Mescolate il tutto e una volta che il composto risulta omogeneo trasferitelo in una bottiglia di vetro e lasciate riposare il tutto per circa 8-10 giorni in un luogo fresco e al buio.
Figura 3: limoncello (da Casa blog)
Dopo aver letto il brano e in base alle immagini della ricetta, che ti sono state presentate, ipotizza una spiegazione del fenomeno. Quali esperimenti vuoi fare per verificare le tue previsioni?
Viene fornito allo studente il seguente schema di lavoro che riassume le fasi del percorso IBSE (The 5 E Learning Cycle Model) di seguito indicato:
Tabella 1: le fasi del percorso delle 5E (da Bybee, R.W. et al., 1989)
Le fasi del percorso
1. Domanda scritta Il testo del problema rappresenta l’engagement) * rispondere individualmente sul quaderno.
2. Discussione nel gruppo
*individuare l’ipotesi di soluzione; *progettare un esperimento e scriverlo su un cartellone e sul quaderno.
3. Presentazione delle proposte dei gruppi con frasi, schemi o disegni a) ogni gruppo presenta la sua proposto b) discussione sulle proposte presentate * riporta sul quaderno la discussione, soprattutto nelle parti che ritieni significative perché hanno determinato la modifica dell’esperimento che il tuo gruppo aveva deciso di svolgere.
4. Sperimentazioni (exploration) Ogni gruppo effettua la propria indagine dopo aver scritto sul quaderno:
l’ipotesi che vuole indagare;
la procedura dell'esperimento che vuole eseguire;
i risultati che immagina di ottenere;
la lista del materiale che serve per realizzare l’indagine (da presentare all’insegnante).
5. Presentazione dei risultati (explanation) Quali risultati hai ottenuto dai tuoi esperimenti? Descrizione sul quaderno. Essi confermano la tua ipotesi? Risposta scritta sul quaderno Comunicazione tramite cartellone / proiezione dei risultati dei gruppi alla classe Quali risultati hanno ottenuto gli altri gruppi? Con quali esperimenti? Risposta scritta sul quaderno
6. Risposta alla domanda iniziale (elaboration) Discussione dei risultati della classe. Scrivere sul quaderno le conclusioni della classe. La sperimentazione ha dato una risposta esauriente alla domanda iniziale? Se sì, passa al punto 7. Se no, riparti dal punto 2. Ti vengono in mente altre domande che vuoi indagare?
7. Conoscenze/abilità: quello che ho imparato (evaluation) Cosa ho appreso in termini di conoscenze?
Cosa ho imparato sul metodo di lavoro?
In allegato, a titolo di esempio, la relazione di un gruppo di studenti di prima LS-osa.
SECONDO BIENNIO
Primo step
Hai affrontato negli anni precedenti il problema della torbidità del limoncello e sei arrivato alla conclusione che tale liquido è sempre torbido perché le bucce di limone contengono un idrocarburo, il limonene, che non si scioglie in acqua ma solo nell’alcol usato per estrarlo. E’ questo il motivo per cui le due soluzioni, estratto di limone e acqua e zucchero, diventano torbide se mescolate insieme. All’epoca l’insegnante ti ha detto che allo stato delle tue conoscenze non eri in grado di indagare oltre il problema, ma ora puoi scoprire perché alcune sostanze si mescolano tra loro dando miscugli omogenei e altre no; perché l’alcol può sciogliere alcune sostanze che si sciolgono in acqua ma anche sostanze che non si sciolgono in acqua, ma non lo fa altrettanto bene.
La tua domanda investigabile sarà: perché il limonene si scioglie nell’alcol e non in acqua?
Utilizza per le tue investigazioni varie sostanze presenti nel laboratorio della tua scuola e metti in relazione le loro proprietà fisiche con la loro formula di struttura. Puoi utilizzare la tabella 2 per organizzare le informazioni e i dati che raccoglierai. La tabella contiene alcune indicazioni sulle sostanze da usare e le prove da effettuare, ma puoi sempre sceglierne altre e stabilire le ricerche e le procedure sperimentali più adatte allo scopo.
Tabella 2
Possono essere eseguite anche prove di
analisi della sagoma delle gocce;
forma del menisco;
attrazione in campo elettrostatico (bacchette di ebanite e di vetro) su sostanze solide quali saccarosio, cloruro di sodio e paraffina in scaglie;
miscibilità e solubilità di tutte le sostanze prese in considerazione fra loro.
Secondo step
Non hai ancora finito con questo limocello, sembra che una investigazione tiri l’altra. Durate le tue ricerche sul limonene ti sei imbattuto in una caratteristica strana di questa molecola: il limonene è un idrocarburo insaturo ciclico, è incolore a temperatura ambiente e ha un forte odore di limoni ma può anche avere un forte odore di pino, senza apparenti modificazioni della sua formula. Non riesci a spiegarti come mai possa verificarsi questo fenomeno; come è possibile che il nostro senso dell’olfatto percepisca due odori diversi dalla stessa molecola? Dipende dalla molecola o dal funzionamento del nostro naso in vari momenti della nostra giornata o della vita? In realtà non ti sei mai accorto di questo fenomeno; i limoni hanno sempre avuto odore di limoni.
Decidi, pertanto, di continuare la tua ricerca.
Per organizzare meglio il tuo lavoro utilizza la scheda operativa sia per il primo che per il secondo step (vedi allegato).
Hai a disposizione il kit di modellini di chimica per costruire molecole.
Note e storia
L'attività è stata realizzata in risposta al bando "Nuove idee per la didattica laboratoriale" che la sua scuola ha vinto.
