Saggi alla fiamma IBSE

I saggi alla fiamma sono un “classico” quando si affronta l’atomo e la configurazione elettronica. Ma come trasformare la più confermativa delle attività in inquiry-based? Si può realizzare questa attività con materiali poveri quando non si dispone di un laboratorio vero e proprio?

Rispondere alla prima domanda è abbastanza semplice: per trasformare un’attività confermativa in inquiry strutturato, è necessario fare l’attività sperimentale PRIMA di aver spiegato la distribuzione degli elettroni all’interno dell’atomo.

Io faccio questa attività (in terza) prima di spiegare l’atomo di Bohr, in una sorta di ENGAGE/EXPLORE.

Cosa sanno già i ragazzi?

In prima abbiamo già studiato che in particolari condizioni, ad esempio quando le sostanze sono portate all’incandescenza, gli atomi possono emettere energia sotto forma di radiazione elettromagnetica.
Atomi di elementi diversi emettono radiazioni diverse, cioè radiazioni con diversi valori di lunghezza d’onda, frequenza ed energia.
L’insieme di tutte le radiazioni emesse dagli atomi di un elemento viene chiamato spettro di emissione di quell’elemento.
Quando la luce bianca viene fatta passare attraverso un prisma di vetro, si divide nei sette colori che la costituiscono: rosso, arancio, giallo, verde, azzurro, indaco e violetto. L’insieme di questi colori costituisce lo spettro della luce bianca.
Questo è uno spettro di emissione continuo: il passaggio dall’uno all’altro dei colori è graduale e senza interruzioni.

Cosa succede portando ad incandescenza atomi di elementi diversi?

Poiché dispongo dei materiali necessari, per prima cosa faccio esplorare questa domanda ai ragazzi con il metodo “classico” (sempre di grande effetto):

  1. si accende il Bunsen (il nostro è un fornello da campo…);
  2. si immergere un filo di platino (o di nichel-cromo) pulito in una provetta con acido cloridrico diluito e si preleva una piccolissima quantità di sostanza tramite la punta del filo;
  3. si porta la sostanza nella zona più calda della fiamma e si annotano i colori osservati e la loro persistenza in una tabella;
  4. si ripetere il procedimento per tutte le altre sostanze preparate.

A questo punto discutiamo insieme la domanda iniziale e arriviamo ad affermare che, in qualche modo, le sostanze (gli atomi) riemettono il calore ricevuto dalla fiamma in forma di luce.

Proseguo, quindi, proponendo un altro interrogativo:

Come si può identificare una sostanza sulla base del colore della sua fiamma?

Con materiali ultra semplici e facilmente reperibili proviamo a esplorare la faccenda.

In commercio, esistono candeline per torta di compleanno che fanno una luce colorata (io le ho acquistate su Amazon) che sono davvero fantastiche per questo laboratorio!

Per questa parte dell’attività servono:

Cosa abbiamo fatto?

Ho inserito le candele in un blocchettino di polistirolo premendo a fondo. Con un fiammifero, abbiamo acceso una candela alla volta (rosso, viola, verde, blu, arancione) e abbiamo osservato il colore della fiamma nella stanza buia.

I ragazzi hanno registrato il colore di ciascuna fiamma, osservato ad occhio, nudo nella prima colonna della tabella dei risultati.

Tenendo la pellicola di diffrazione da 15 a 30 cm di distanza dalle fiamme (o puntando gli spettroscopi – noi ne abbiamo una decina), i ragazzi hanno osservato anche i colori dominanti dello spettro per ciascuna fiamma, registrandoli nella terza colonna della tabella dei risultati.

Per ogni candela abbiamo anche scattato delle foto da poter utilizzare a supporto della tabella nella fase di identificazione degli elementi:

Quindi, i ragazzi utilizzano il loro dispositivo per collegarsi al sito Web di webmineral.com, confrontare gli spettri osservati con quelli del database del sito e cercare di identificare (approssimativamente) l’elemento che ha prodotto il colore in ciascuna fiamma.

Poiché l’identificazione non è una cosa semplicissima da fare con strumenti così semplici, per prima cosa è bene far restringere la ricerca identificando gli spettri relativi al colore della fiamma osservata ad occhio nudo. Quindi, si abbinano gli spettri di emissione pubblicati sul sito Web agli spettri osservati in laboratorio per effettuare l’identificazione finale.
Se gli appunti e le foto non sono sufficienti, si possono riaccendere le singole candele e osservare nuovamente lo spettro per ulteriore conferma.
Infine, i ragazzi registrano i possibili elementi identificati nella colonna finale della tabella dei risultati.

Al termine dell’attività i ragazzi, a gruppi, si confrontano per rispondere alle seguenti domande:

  1. Secondo voi, perché le fiamme hanno prodotto colori diversi?
  2. Da dove viene la luce emessa dagli atomi? Cosa può essere successo all’interno degli atomi per produrre gli spettri di emissione?
  3. Giustificate l’identificazione delle sostanze in base alle osservazioni fatte.
  4. Che differenza c’è tra lo spettro della luce del Sole (luce bianca) e gli spettri delle sostanze portate a incandescenza?

Naturalmente, le risposte degli studenti possono essere varie. L’obiettivo di questa attività, infatti, non è un’identificazione assoluta, ma è cercare di arrivare a identificazioni ragionevoli dei metalli coinvolti che siano supportate dalle evidenze sperimentali raccolte.

Dopo aver condiviso e discusso le risposte dei vari gruppi, si è pronti per passare alla fase di EXPLAIN partendo dal problema dell’interpretazione degli spettri di emissione degli atomi, dal passaggio dalla fisica classica alla fisica quantistica, dal modello atomico di Bohr… verso l’infinito e oltre! 😉

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