IBSE e saggio di Fehling per il riconoscimento degli zuccheri riducenti

É sempre possibile trasformare un’attività tradizionale in inquiry-based?

Nelle attività IBSE (fasi di EXPLORE/EXPLAIN) gli studenti applicano contemporaneamente una serie di abilità di processo, ossia quelle abilità che riflettono il comportamento degli scienziati come, ad esempio, osservare, fare inferenze, misurare, comunicare, classificare, fare previsioni, formulare ipotesi, interpretare dati…

Come sapete, da qualche anno sto cercando di “inquirizzare” (passatemi questo termine orribile) tutti i miei percorsi didattici ma ci sono volte in cui  trasformare un’attività tradizionale in inquiry è davvero difficile.

In quinta, ad esempio, stiamo affrontando i carboidrati ma nella mia scuola (liceo scientifico) il laboratorio non dispone di attrezzature o di materiali idonei per proporre attività sperimentali di chimica organica o biochimica. E quindi?

Ho solo due possibilità:  o mi arrendo e rinuncio a fare attività in laboratorio o faccio quello che posso con quello che ho.

Opto, naturalmente, per la seconda opzione!

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Come dicevo, in classe ho appena iniziato le caratteristiche generali dei carboidrati ma fino a qualche giorno fa le idee stavano a zero…

Avete presente quando è ora di cena, andate in cucina, aprite il frigorifero alla ricerca di qualcosa che vi ispiri ma nel frigo non c’è un granché? Mica vi arrendete, no? Tirate fuori quello che c’è e vi inventate qualcosa, giusto?

L’altro giorno è andata proprio così! Sono andata in laboratorio, ho aperto l’armadio dei reagenti e qualcosa ho trovato: glucosio, saccarosio, lattosio e reattivo di Fehling. Che farne?

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C’era, poi, anche un altro fatto da considerare: avevo già giocato la “carta” del reattivo di Fehling in seconda, nell’attività che solitamente faccio sul riconoscimento delle biomolecole negli alimenti. Certo, in quinta le cose vengono affrontate ad un livello  diverso, ma come si può fare a “inquirizzare” un’attività di questo tipo?

Ho deciso di seguire i miei stessi consigli (parola d’ordine: piccoli cambiamenti!) e mi sono messa ad analizzare il protocollo del saggio di Fehling per vedere  se fosse possibile trasformare la procedura in modo da ottenere un’attività di inquiry almeno al livello minimo (confermativo) o al più parziale.

Che differenza c’è tra inquiry pieno e parziale?

Si parla di inquiry pieno (full inquiry) quando le attività presentano tutte e cinque le caratteristiche essenziali (NRC, 2000).

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Le attività di inquiry pieno, poi, possono essere declinate in quattro livelli diversi: confermativo, strutturato, guidato e aperto.

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Ma non è sempre così. In qualche caso, infatti, si potrebbe decidere di far lavorare i ragazzi solo su una o alcune di queste cinque caratteristiche. In questo caso l’inquiry viene definito parziale (partial inquiry).

Provo a farvi qualche esempio. Immaginiamo che i nostri studenti siano piccoli e non abbiano dimestichezza con i protocolli sperimentali (mai andati in laboratorio o raramente). In questo caso l’attività potrà consistere semplicemente nella conduzione di un esperimento e non partirà da una domanda investigabile. Viene quindi a mancare una delle cinque caratteristiche dell’inquiry e come tale si tratterà di inquiry parziale.

Si tratta di inquiry parziale anche quando, ad esempio, si forniscono agli studenti solo i dati sperimentali da analizzare e interpretare.

Le ricerche (NRC, 2000) sostengono che anche l’inquiry parziale abbia comunque un valore, soprattutto quando gli studenti non sono ancora pronti (per età o abilità) ad affrontare un inquiry pieno o quando vogliamo far sviluppare o potenziare qualche specifica abilità di processo. Personalmente mi sento di aggiungere che l’inquiry parziale abbia comunque un valore soprattutto quando non ci è possibile fare diversamente. Meglio parziale che niente!

Come dicevo, in seconda abbiamo già utilizzato i reattivi di Fehling per riconoscere la presenza di zuccheri (riducenti) in diversi alimenti, ora che abbiamo studiato le caratteristiche generali di monosaccaridi e disaccaridi  potremmo usare i reattivi di Fehling per testare diversi tipi di zuccheri e stabilire quali tra questi siano riducenti o non riducenti?

No… ancora non ci siamo.

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Tabella delle abilità di processo alla mano, ho cercato, quindi, di capire quali cambiamenti potevo fare nel protocollo per far sviluppare alcune abilità di processo come ad esempio: osservare, fare previsioni e inferenze, raccogliere e interpretare dati, sperimentare, progettare.

Piano piano, le cose hanno cominciato a prendere forma. Vi racconto com’è andata.

Prima di iniziare l’attività ho spiegato che il saggio di Fehling permette di testare la presenza di aldeidi o di distinguere gli zuccheri riducenti dagli zuccheri non-riducenti.

Gli zuccheri riducenti sono quelli che possiedono un gruppo aldeidico o chetonico libero. In presenza di un ossidante, il gruppo aldeidico degli aldosi nella forma aciclica, in equilibrio con la forma ciclica, si ossida (agendo come agente riducente) con formazione di acidi carbossilici chiamati acidi aldonici.

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In questo saggio, l’agente ossidante è il reattivo di Fehling che è composto da due soluzioni acquose chiamate Fehling A e Fehling B.

La soluzione Fehling A è costituita da solfato di rame (II) di colore blu, mentre la soluzione Fehling B è costituita da una soluzione alcalina di NaOH contenente tartrato di sodio e potassio [KNa(C4H4O2)] che è incolore. Le due soluzioni vanno tenute separate e mescolate, in volumi uguali, al momento.

Indicazioni per la sicurezza:
Il reattivo di Fehling B è corrosivo, occorre maneggiarlo con guanti e occhiali protettivi.
Il reattivo di Fehling A può essere tossico per l’ambiente e, quindi, non deve essere smaltito nel lavandino.

Cosa serve

  • Saccarosio
  • Glucosio
  • Fruttosio
  • Lattosio (o latte)
  • Reattivi di Fehling A e B
  • Acqua distillata
  • Acido citrico
  • Acqua del rubinetto
  • Portaprovette e provette alte
  • Pinza in legno per provette
  • Pipette
  • Spruzzetta con acqua distillata
  • Piastra termica
  • Becher da 250 mL
  • Spatole
  • Occhiali e guanti per la sicurezza

 

Com’è andata

In gruppo, i ragazzi hanno letto tutto il procedimento e progettato una tabella per la raccolta dei dati, in cui registrare quanto fatto e osservato, che fosse in un formato facile da utilizzare e che potesse essere condivisa con altri (se il tempo a disposizione fosse poco potete sempre inserire una tabella già fatta nella scheda studente del protocollo). 

Per prima cosa, hanno aggiunto una punta di spatola di glucosio nella provetta A, una punta di spatola di saccarosio nella provetta B, una punta di spatola di saccarosio più una punta di spatola di acido citrico in polvere nella provetta C e 1 ml di latte nella provetta D (il giorno del laboratorio ho dimenticato a casa il fruttosio per cui questo monosaccaride non è stato testato).  

A questo punto, hanno inserito 2 ml di acqua distillata in tutte le provette (1 ml in quella con il latte) e agitato per mescolare.

Nel frattempo, hanno messo a scaldare su una piastra elettrica (non abbiamo gas in laboratorio) un becher pieno a metà con acqua del rubinetto. Una volta che l’acqua è giunta a ebollizione, la piastra è stata spenta e la provetta C con saccarosio e acido citrico è stata inserita nell’acqua bollente per 2-3 minuti.

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Trascorso il tempo, la provetta C è stata rimossa dal bagnomaria e riposta nel portaprovette insieme alle altre.

A questo punto hanno aggiunto 1 ml di Fehling A e 1 ml di Fehling B a tutte le provette e le hanno immerse nel becher con l’acqua calda per qualche minuto. Con una pinza di legno, hanno infine estratto tutti i campioni dall’acqua calda e li hanno riposti nel portaprovette per osservarli meglio.

In questo saggio, un risultato positivo viene indicato da un precipitato di ossido rameoso che può mostrare colori diversi.

Analisi e conclusioni

La scheda che ho fornito ai ragazzi presentava queste domande:

1. Sulla base delle evidenze raccolte, quali tra gli zuccheri analizzati sono riducenti e quali non riducenti?

2. Quale potrebbe essere stato l’effetto del trattamento a caldo con acido citrico sulla soluzione di saccarosio nella provetta C? Motivare la risposta sulla base delle evidenze raccolte.

3. Da cosa può dipendere l’intensità della colorazione ottenuta nella provetta C?

4. Fate una previsione su cosa potrebbe accadere variando la temperatura a cui viene riscaldata la provetta con la soluzione di saccarosio e acido citrico prima dell’aggiunta dei reattivi di Fehling o modificando il pH della soluzione.

5. Progettate un esperimento che potreste realizzare con cui testare le previsioni.

Cosa è successo nelle provette?

Il glucosio ha dato un risultato positivo (è uno zucchero riducente) perché nella sua forma a catena aperta ha un gruppo aldeidico in grado di ossidarsi (ecco perché questa reazione può essere usata anche per testare la presenza di aldeidi).

Il saccarosio ha dato, invece, un risultato negativo (non è uno zucchero riducente) perché le catene non possono aprirsi a causa del legame glicosidico tra gli atomi di carbonio anomerici di glucosio e fruttosio.

Il terzo campione contenente il saccarosio e l’acido citrico ha dato un risultato positivo perché il legame glicosidico tra glucosio e fruttosio si è spezzato per idrolisi acida (con acido citrico) a caldo, con conseguente formazione dei due monosaccaridi costituenti che hanno dato risposta positiva.

L’intensità della colorazione rosso arancio è un indice della quantità di zuccheri riducenti che sono stati prodotti durante la reazione di idrolisi.

Questa reazione viene sfruttata per produrre quello che viene comunemente chiamato zucchero invertito, cioè saccarosio parzialmente o totalmente trasformato in glucosio e fruttosio. A livello industriale viene utilizzato un enzima, chiamato invertasi, che catalizza la reazione e produce uno sciroppo che contiene un’uguale quantità di glucosio e fruttosio e che può contenere, a seconda del tipo di prodotto, anche del saccarosio non trasformato. Il termine “invertito” si riferisce al diverso comportamento che la luce polarizzata mostra quando viene fatta passare attraverso una soluzione di saccarosio oppure di zucchero invertito.

La scomposizione del saccarosio in glucosio e fruttosio può avvenire anche per idrolisi acida a caldo, ad esempio in presenza di acido citrico come nel nostro esperimento o tartarico-cremor tartaro (vanno bene entrambi e non sono pericolosi).

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La reazione di idrolisi è tanto più veloce quanto più il pH è basso (quindi la soluzione deve essere molto acida) e tanto più è alta la temperatura. Il tipo di acido è praticamente ininfluente, conta solo il pH della soluzione.

Nel saggio di Fehling lo ione Cu++ (blu) del solfato rameico si riduce a Cu+ che forma Cu2O rosso che precipita. La formazione di un precipitato rosso di ossido di rame I (Cu2O) sul fondo della provetta è, quindi,  la prova dell’avvenuta reazione.

La formazione del precipitato rosso di ossido rameoso (Cu2O) si è osservata nelle provette che contenevano il glucosio, il lattosio e lo zucchero invertito (zuccheri riducenti). Nella provetta contenente il saccarosio, invece, il precipitato non si è formato e la soluzione è rimasta blu (zucchero non riducente).

Il fruttosio è uno zucchero riducente perché la sua forma aperta contiene un gruppo chetonico che può ossidarsi (ah… se mi fossi ricordata di portarlo!!!).

Il lattosio è un disaccaride come il saccarosio ma è formato da glucosio e galattosio. Nonostante la presenza di un legame glicosidico, l’anello del glucosio si può aprire e così c’è un gruppo aldeidico in grado di reagire con il reattivo di Fehling ossidandosi.

Il momento più bello per me è stato quando ho girato per i banconi discutendo le risposte date alle domande. I ragazzi sono riusciti a comprendere da soli che nella provetta C doveva essere avvenuta una reazione di idrolisi che ha comportato la formazione dei due monomeri riducenti e che le diverse gradazioni di colore ottenute dipendessero dalla quantità di molecole di saccarosio idrolizzate.

Quindi posso dire, con soddisfazione, che questa attività di inquiry parziale è comunque riuscita a sfidare cognitivamente i ragazzi che sono diventati maggiormente consapevoli del significato di quanto stiamo studiando in classe. Dall’osservazione alla concettualizzazione: un successo! 😉

 

Che ne pensate? Quali modifiche si potrebbero fare ancora a questa attività? Avete suggerimenti?

Alla prossima! 🙂

Barbara

P.S.

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