Come si fa a spiegare in modo semplice ma non semplicistico un concetto come il pH a dei ragazzi di seconda?
Tutti hanno sentito parlare di pH. Persino nelle pubblicità di prodotti di uso comune (come ad esempio shampoo o saponi), spesso fanno riferimento al valore di pH per indicarne l’acidità o la basicità.
Molti ragazzi sanno già che questa proprietà può essere misurata in vari modi, ad esempio usando un sensore di pH o un indicatore, ossia una sostanza che cambia colore a differenti valori di pH.
Ma cosa viene misurato esattamente?
Sappiamo tutti che un pH uguale a 7 è neutro, sotto il 7 è acido e sopra il 7 è basico, ma perché? Cosa significa questo valore? Cosa c’è nella soluzione che può essere misurato dal sensore o che reagisce con l’indicatore facendogli cambiare colore?
Le molecole dell’acqua hanno una leggerissima tendenza a rompersi per formare ioni: un idrogeno rompe il legame covalente che lo lega all’ossigeno formando uno ione H+ che va a legarsi a una seconda molecola d’acqua. Il risultato di questa reazione è la formazione di uno ione idronio H3O+ e uno ione idrossido OH–.
Questa reazione viene chiamata autoprotolisi dell’acqua e, nell’acqua pura, si verifica solo per pochissime molecole, infatti le quantità di ioni H3O+ e OH– che si formano sono minime. A 25 °C, per esempio, la concentrazione (ossia la quantità per unità di volume) di ciascuno dei due ioni è solo di 10-7 mol/L.
Una volta che gli ioni idronio e ossidrile si sono formati, tendono, però, a riassociarsi portando nuovamente alla formazione di due molecole d’acqua (si parla, infatti, di equilibrio dinamico).
Nell’acqua pura, gli ioni idronio e ossidrile sono presenti in ugual numero. Nelle soluzioni acquose, invece, alcune sostanze modificano le quantità di questi ioni.
Gli acidi sono composti che in soluzione acquosa portano alla formazione di altri ioni idronio, mentre le basi sono composti che in soluzione acquosa portano alla formazione di altri ioni idrossido.
Quando gli acidi e le basi vengono mescolate insieme, questi ioni idronio e idrossido extra reagiscono tra loro per formare acqua.
Il pH è un numero legato alla concentrazione degli ioni H3O+ (e OH–) in una soluzione acquosa. A seconda delle quantità di questi ioni, le soluzioni possono essere definite acide, basiche o neutre.
Ma cosa significano veramente queste informazioni per i ragazzi?
Credo di aver scoperto un modo fantastico per riuscire a trasformare le informazioni in comprensione vera. Come?
Conoscete le simulazioni interattive PhET? Sono il frutto di un progetto della University of Colorado Boulder istituito nel 2002 dal Premio Nobel Carl Wieman. Le simulazioni (gratuite) PhET sono progettate tenendo conto dei dati provenienti dalla ricerca didattica sull’apprendimento e coinvolgono gli studenti attraverso un ambiente estremamente intuitivo, ludico dove si apprendere attraverso l’esplorazione e la scoperta. Molte di queste simulazioni sono già state tradotte in italiano e possono essere utilizzate a livelli scolari diversi e quindi con studenti di tutte le età dai più piccoli ai più grandi.
Le traduzioni, a dire il vero, non sono sempre perfette ma questo non comporta errori concettuali per cui si possono usare direttamente in italiano.
Non solo ci sono tantissime simulazioni (di fisica, chimica, biologia, scienze della Terra e matematica) ma sul sito potete trovare anche suggerimenti su come usare queste simulazioni e tanti esempi di attività realizzate da insegnanti per gli insegnanti.
Fino ad ora, non ero riuscita a progettare investigazioni significative da fare in laboratorio su questo argomento. Certo, anche il semplice determinare il pH di alcune sostanze con la cartina al tornasole può essere utile, ma io ero alla ricerca di una investigazione, di una attività che partisse da una domanda di ricerca, che comportasse la raccolta di dati e la loro interpretazione.
Cercando cercando sono approdata qui:
Tra le attività proposte ne ho trovata una che sembrava adatta per cui mi sono messa a tradurla e ad adattarla in modo che rispettasse i requisiti IBSE che mi interessavano maggiormente.
Ho, quindi, preparato una scheda di lavoro per i ragazzi, l’ho caricata su Google Classroom in modo che in classe potessero lavorare a coppie direttamente dal loro computer.
Investigare la scala del pH
In che modo il pH è collegato alla concentrazione di ioni idronio e ioni idrossido?
Investigazione a livello macro
Per rispondere a questa prima domanda di ricerca i ragazzi cominciano ad esplorare i valori della scala del pH misurando il pH delle 12 sostanze presenti nell’elenco a tendina della simulazione.
Una volta effettuate queste “misure” di pH, utilizzando le informazioni raccolte i ragazzi rispondono a queste prime semplici domande:
- Quali valori di pH corrispondono alle sostanze acide?
- Quali valori di pH corrispondono alle sostanze basiche?
Investigazione a livello micro
Si passa, quindi, a investigare il pH a livello microscopico.
Anche qui ci sono le stesse sostanze usate nell’investigazione “Macro” ma in questa sezione si trova qualche informazione in più. I valori di pH delle sostanze sono mostrati, infatti, attraverso il rapporto H3O+/OH– ed è possibile contare il numero degli ioni presenti nella soluzione.
Ripetendo l’analisi per ciascuna sostanza, questa volta i ragazzi devono riempire una tabella in cui determinano il valore di pH, attribuiscono l’etichetta di acido o base, determinano la concentrazione delle molecole d’acqua, degli ioni idronio e idrossido e descrivono la soluzione a livello particellare.
Quindi, usando le informazioni raccolte rispondono alle seguenti domande:
- Quando il pH si avvicina allo 0 (e la soluzione diventa più acida) cosa accade alla concentrazione degli ioni H3O+?
- Quando il pH si avvicina allo 0 (e la soluzione diventa più acida) cosa accade alla concentrazione degli ioni OH–?
- Quando il pH si avvicina a 14 (e la soluzione diventa più basica/alcalina) cosa accade alla concentrazione degli ioni H3O+ ?
- Quando il pH si avvicina a 14 (e la soluzione diventa più basica/alcalina) cosa accade alla concentrazione degli ioni OH–?
- Potete prevedere come apparirà una soluzione con un pH= 7 a livello particellare?
- Come classifichereste questa soluzione, acida o basica? Spiegare il ragionamento.
- Ora fornite una risposta basata sulle evidenze raccolte alla domanda investigabile di questa attività.
Ma non è finita qui. L’avventura continua investigando una seconda domanda:
In che modo l’aggiunta di acqua influenza il pH delle soluzioni acide e basiche?
Si comincia da una soluzione personalizzata:
Qui, i ragazzi regolano la scala del pH in modo da avere una soluzione con pH 7 e disegnano (e analizzano) la soluzione a livello particellare rispondendo alle seguenti domande:
- Qual è la concentrazione degli ioni H3O+e OH–?
- La soluzione è acida o basica? Motivare la risposta.
Quindi si torna nella pagina con l’investigazione a livello micro e si investiga cosa succede al pH della soluzione quando si aggiunge una maggior quantità di sostanza. Per farlo devono scegliere 5 diverse soluzioni (almeno due acide e due basiche) e confrontare i valori di pH prima e dopo l’aggiunta della sostanza.
Infine si investiga cosa succede al pH delle soluzioni scelte quando, invece, si aggiunge acqua (ossia si diluisce la soluzione).
Per concludere, si utilizzano le informazioni raccolte per rispondere alle seguenti domande:
- Cosa accade al pH di una sostanza acida quando si aggiunge acqua?
- Cosa accade alla concentrazione degli ioni H3O+ e OH– quando si aggiunge acqua a un acido?
- Cosa accade al pH di una base quando si aggiunge acqua?
- Cosa accade alla concentrazione degli ioni H3O+ e OH– quando si aggiunge acqua a una base?
- Ora fornite una risposta basata sulle evidenze raccolte alla domanda investigabile di questa attività.
Com’è andata?
Per quanto mi riguarda l’attività è stata un successo e credo che questo percorso abbia aiutato i ragazzi a comprendere molto più in profondità il significato di pH di una sostanza.
E voi, invece, come fate? Quali esempi, attività, laboratori vi aiutano a far comprendere più in profondità questo concetto? Me lo raccontate?
Buon fine settimana! Alla prossima 🙂
Barbara
mi permetto di farti un paio di “appunti”, che corrispondono ad altrettanti luoghi comuni.
1. Mentre il pH è definibile solo per soluzioni in cui vi sia almeno un po’ di acqua (sebbene se le studentesse dell’indirizzo cosmetico di Sarnano e i loro insegnanti di chimica cosmetica ancora credono che esista il pH della pelle, un’invenzione della pubblicità. Esiste l’acidità dell’olio, ma non il pH), le sostanze acide, le specie acide e le soluzioni acide sono tre cose molto diverse tra loro, nessuna delle quali necessita la di acqua. Questa distinzione è fondamentale e implica l’abbandono del modello di Arrhenius che, invece, è ancora visto come praticamente imprescindbile nell’educazione scientifica tradizionale.
2. La app del Phet, che andrò ad usare quando farò acidi e basi di Brönsted e Lowry, intelligentemente estende la scala del pH oltre 14 e al di sotto di 0. Mentre ogni anno mi capita di parlare con ragazzi a cui è stato fatto credere, o espressamente insegnato, che “il pH è una scala che va da 0 a 14”. Quindi, per non rinforzare involontariamente questo eqivoco, dovresti chiedere cosa succede superando 14 e andando sotto 0, anziché “avvicinandosi a”.
Grazie di cuore Alfredo! Confesso pubblicamente la mia ignoranza riguardo gli estremi della scala del pH. Nella terza parte dell’attività online (soluzione personalizzata) si può verificare che il pH può assumere anche valori inferiori a zero e superiori a 14. Ho cercato ovunque una spiegazione a riguardo ma nessun testo a mia disposizione ne parla per cui ho “glissato”. Ne approfitto allora per chiederti se puoi dirmi qualcosa di più a riguardo. Grazie davvero! Avevo pensato di scriverti per chiedere a te ma per fortuna tu sei stato più rapido! 😊
La definizione di prendere come pH l’esponente cambiato di segno dell’attività (leggi concentrazione) degli ioni idrogeno in base 10 non si modifica quando la concentrazione [H₃O⁺] o [OH⁻] supera 10⁰ = 1 mol/L. L’HCl 2M (o 2N) è una presenza comune in laboratorio e dovrà avere necessariamente pH < 0. Infatti, se una soluzione di HCl 1M ha pH inotrno allo zero, una soluzione di HCl 2 M avrà pH negativo (-0,30), dato che [H⁺(aq)] = 2 = 10^+0,30. Se una soluzione di NaOH 1 M ha pH 14 (teorico, poi misurarlo è un altro conto, dato che l'errore alcalino dell'elettrodo a membrana di vetro è inevitabile), una soluzione di NaOH 10 M (fattibilissima) dovrà avere pH dell'ordine di 15, visto che [H₃O⁺] = 10⁻¹⁵ M e -(-15) = +15.
Non occorre parlare di logaritmi per fare capire la scala del pH. Bastano le potenze di 10, come fa su Phet. Poi calcolare quei pH con [H₃O⁺] con esponente non intero ci si affida alla calcolatrice.
Il modello di Brönsted e Lowry (non preceduto da Arrhenius che serve solo a confondere le idee) è fondamentale per capire:
a) gli acidi deboli/forti, come ionizzazione incompleta/completa (con o senza concetto di equilibrio). Cosa da fare altrimenti non si potrebbe parlare nemmeno di autoprotolisi che, invece, l'equilibrio lo richiede per via della bilancia [H₃O⁺]/[OH⁻]. D'altra parte quello degli acidi deboli/forti è il modo più facile per mettere in pratica il concetto di equilibrio chimico, e non ci sono corsi di chimica in cui questo concetto è considerato fuori dalla protata degli alunni di 15 anni (in realtà lo è, arduo senza particolari attenzioni e lavoro prolungato che non so se valga la pena, ma i teacher non si fermano davanti a niente pur di "fare il programma").
b) che l'idrolisi acida/basica non esiste. Esistono, molto più semplicemente, specie acide/basiche che si deprotonano/protonano (imparare a usare i termini protonazione/deprotonazione è fondamentale per chi poi continuerà a studiare biologia e biochimica). Dove le specie sono immesse nelle soluzioni (non necessariamente acquose) quando in esse si sciolgono sostanze. Se io sciolgo il carbonato di sodio in acqua non ottengo una soluzione fortemente basica perché la sostanza salina si "ricorda" di essere stata ottenuta da un acido debole e da una base forte. Il carbonato di sodio in acqua, molto più semplicemente, libera ioni carbonato, che sono basi di Brönsted discretamente forti, anche se meno dell'idrossido, che quindi deprotonano l'acqua generando ioni OH⁻ in concentrazioni apprezzabili. Gli ioni sodio, da parte loro, non ricordano di derivare dall'idrossido di sodio che "era una base forte". Ma semplicemente, formano specie idratate che non sono sensibilmente più forti, come acidi, dell'acqua. Al contrario degli ioni Fe³⁺ che idratati polarizzano talmente l'acqua ad essi legata nella sfera di coordinazione che questa acqua legata diventa un acido forte quasi quanto HCl. Tanto che gli ioni Fe(H₂O)₆³⁺ protonano l'acqua quasi al 100%, trasformandosi in [Fe(H₂O)₅OH]²⁺. Mentre ancora circola la leggenda che essi si ricordano di derivare da un'idrossido debolmente basico, Fe(OH)₃. Ma quando mai! quel poveretto non è debole, ma solo poco solubile! E comunque (è qui che Arrhenius confonde) NaOH(s) e Fe(OH)₃(s) non sono facilmente classificabili né come acidi né come basi perché non corrispondo a specie individuabili in soluzione o in qualche altra fase capace di reagire con specie protonanti. Nonostante ciò a 99 studenti su 100 se chiedo "NaOH è una base forte grazie a cosa? a) all'intera molecola b) al fatto che può liberare ioni OH⁻ (Arrhenius) c) al fatto che può liberare ioni Na⁺, d) non lo è, ma lo sono gli ioni OH⁻, la maggior parte risponde a), alcuni dicono c), nessuno dice b) e l'1% sa che l'unica base è l'idrossido libero immesso in soluzione o nell'NaOH fuso. la cosa che mi fa arrabbiare dell'insegnamento tradizionale è che sono molti di più quelli che considerano lo ione Na⁺ il responsaibile della basicità che non quell'1% che è consapevole che l'unica roba basica lì sia l'idrossido. Il colpevole è la teoria dell'idrolisi, per cui i sali di sodio sono basici perché evidentemente conferivano la basicità all'NaOH. Oppure, semplicemente, il fatto che i docenti (a meno che non siano ricercatori praticanti) padroneggiano solo la teoria di Arrhenius, addomesticata un pochino con l'idronio (che poi non è l'unica specie, né la più abbondante nelle soluzioni acquose acide, per cui è preferibile, oltre che più semplice, parlare di ioni idrogeno idratati, come per tutti gli altri ioni positivi. H₃O⁺ è solo una comodità per indicare UNA molecola d'acqua protonata in un'equazione di scambio protonico non inutilmente complicata), mentre B&L la spiegano solo a livello di definizione, ma non la applicano in modo naturale nell'insegnare, anche a livello avanzato. Io per farlo mi sono prima dovuto de-arrheniusizzare. Un'altra cosa che non si riesce di far capire ai colleghi è che HCl è una sostanza ed anche una specie acida di per sé, ma solo in assenza di acqua. Se prendo HCl(aq) 0,1 M la specie HCl è assente e non responsabile dell'acidità. Nella soluzione HCl(aq) 0,1 molare l'acidità è dovuta alle specie (plurale) ioni idrogeno idratati, mentre il cloruro se ne sta per fatti suoi e non dà nessun contributo. Infine l'ammoniaca. Io vedo laboratorio con boccette con scritto NH₄OH 6M. Non esiste nessuna sostanza con tale formula. L'idrossido di ammonio non esiste, neppure a concentrazioni infinitesime. In soluzione acquosa abbiamo le seguenti specie presenti in quantità significative: NH₃(~6M), NH₄⁺(aq) e OH⁻(aq) (pochissimi) e H₂O(l). Di NH₄OH non c'è traccia. Quindi nelle boccette scriviamo NH₃ 6M. Facciamo entrare Brönsted e Lowry finalmente nell'insegnamento della chimica e nei laboratori delle scuole. (PS, per l'HCl 6M è diverso, perché la sostanza HCl esiste sia in soluzione che allo stato puro, quindi HCl 6M scritto sulla boccetta è accettabile, mentre "H⁺(aq) e Cl⁻(aq) sarebbe un'idiozia.)
Che dire… GRAZIE per la spiegazione Alfredo!!!