Oggi ti voglio raccontare di come affronto in classe il concetto di solubilità. Per molti studenti si tratta solo uno di quei concetti astratti che riempiono i libri di testo di chimica, ma lo sappiamo, è molto più di questo. Comprendere il concetto di solubilità significa, infatti, saper interpretare una vasta gamma di fenomeni chimici, biologici e ambientali che incidono direttamente sulla nostra vita quotidiana e sul nostro ambiente.
Comprendere il concetto di solubilità non solo è cruciale per capire se una sostanza si dissolverà o meno in un solvente, ma serve anche per prevedere la fattibilità di una reazione chimica: se le sostanze reagenti sono insolubili l’una nell’altra, è improbabile che reagiscano tra loro in modo significativo. Al contrario, se le sostanze reagenti sono solubili, c’è una maggiore probabilità che interagiscano e reagiscano.
La solubilità influisce anche sulla velocità delle reazioni chimiche. Perché una reazione abbia luogo, le particelle di sostanza solida devono essere disperse nelle particelle del solvente e se le sostanze reagenti sono più solubili, la superficie di contatto aumenta e la reazione avviene più rapidamente.
E ancora… in molte reazioni chimiche, si raggiunge uno stato di equilibrio quando la velocità della reazione diretta è uguale alla velocità della reazione inversa e la solubilità delle sostanze reagenti e dei prodotti influenzerà la posizione di questo equilibrio. Se uno dei prodotti di una reazione è insolubile, questo può precipitare, spostando l’equilibrio verso la formazione di più prodotto per compensare la sua rimozione dalla soluzione.
La solubilità è anche cruciale per la purificazione di sostanze e la separazione di miscele. Processi come la cristallizzazione, l’estrazione e la cromatografia si basano proprio sulla differenza di solubilità tra i componenti per separarli e purificarli.
Nel campo industriale, conoscere la solubilità delle sostanze è fondamentale per la formulazione di prodotti come farmaci, cosmetici, detergenti e altri materiali e consente ai ricercatori di sviluppare prodotti più efficaci e sicuri.
Nel campo dell’ingegneria chimica e della progettazione di processi, la solubilità è cruciale per il design e il controllo dei processi. Conoscere la solubilità delle sostanze chimiche consente agli ingegneri di pianificare e ottimizzare le condizioni operative per massimizzare i rendimenti delle reazioni e minimizzare i costi di produzione.
Comprendere la solubilità è essenziale anche per affrontare problemi ambientali come, ad esempio, l’inquinamento delle acque. La solubilità dei contaminanti, infatti, influisce sulle loro proprietà tossicologiche e sulla loro mobilità nell’ambiente.
In campo biologico, conoscere la solubilità delle sostanze è fondamentale per lo sviluppo di farmaci efficaci e sicuri perché questa influisce sul loro assorbimento, la distribuzione e l’eliminazione dal corpo.
A questo punto è chiaro che non può essere sufficiente liquidare un concetto di tale portata con una semplice definizione e otto righe di spiegazione come nel libro di testo dei miei ragazzi.
Se vogliamo che per i nostri studenti ciò che spieghiamo sia rilevante e trasferibile nella vita di tutti i i giorni dobbiamo dar loro la possibilità di esplorare in modo attivo e così comprendere davvero.
Come?
L’attività di EXPLORE che propongo alle mie prime, parte da una domanda semplice ma importante: perché alcune sostanze solide si sciolgono più velocemente di altre in uno stesso solvente?
Il termine solubilità indica “quanto bene una sostanza (detta soluto) si scioglierà in un’altra” (chiamata solvente). Quindi, quando diciamo che qualcosa è solubile in acqua significa che si scioglie molto bene in acqua, mentre quando qualcosa è insolubile in acqua significa che non si scioglie in acqua e forma un miscuglio eterogeneo.
La solubilità varia da sostanza a sostanza e dipende dalle proprietà di soluto e solvente ma ci sono altri fattori che la influenzano.
L’investigazione ha come focus quello di esplorare alcuni di questi fattori.
In laboratorio, i ragazzi eseguono quattro esperimenti per valutare in che modo le dimensioni del soluto, la temperatura del solvente, l’agitazione meccanica (ossia, se una soluzione viene mescolata o meno) e la concentrazione del soluto influenzano la velocità con cui una sostanza solida si scioglie in un solvente (tasso di dissoluzione).
Per prima cosa, si testa l’effetto dell’agitazione meccanica sulla velocità di dissoluzione.
Si inseriscono due provette in un portaprovette etichettandole come A e B e si aggiunge acqua distillata in modo da riempire i ⅔ di ciascuna.
In vaschette da bilancia si pesano 0,2 g di sale fine e si aggiungono in ciascuna provetta. Quindi, si chiude la provetta B con un tappo e si mescola per inversione una volta.
Un’inversione consiste nel mettere la provetta a testa in giù e poi riportarla in posizione con il tappo verso l’alto. Se dopo la prima inversione tutto il sale non si è dissolto e se ne vede ancora un po’ sul fondo della provetta, è necessario invertire nuovamente. La consegna è di continuare a mescolare per inversione finché non si scioglie tutto, contare il numero delle inversioni effettuate e registrare osservazioni e numero delle inversioni in una tabella.
La provetta A, invece, viene semplicemente osservata senza toccarla, annotando le osservazioni fatte in tabella.
La seconda prova testa, invece, l’effetto della temperatura sulla velocità di dissoluzione.
Si riempiono i ⅔ di tre provette con acqua distillata, etichettandole come A, B e C. Si pesano, poi, tre campioni di sale fine da 0,2 g e li si inserisce nelle tre provette precedentemente riempite con acqua distillata.
La provetta A viene lasciata a temperatura ambiente. Con un termometro si misura la temperatura dell’acqua e la si registra in una tabella.
La provetta B viene, invece, inserita in un becher con acqua calda a 80°C, mentre la provetta C viene inserita in un becher con acqua e ghiaccio.
La provetta A, contenente acqua a temperatura ambiente, viene sigillata con un tappo e si conta il numero delle inversioni necessarie per sciogliere tutto il sale. Le osservazioni e il numero delle inversioni vengono registrate in tabella.
Tutta la procedura viene ripetuta anche con le provette B e C.
Il terzo esperimento testa l’effetto delle dimensioni del campione (area superficiale) sulla velocità di dissoluzione confrontando il tempo di dissoluzione di campioni di sale con diverse dimensioni (fine, grosso e polverizzato).
Vengono riempite tre provette per ⅔ con acqua distillata a temperatura ambiente. Poi, si pesano un campione di 0,2 g di sale grosso e due campioni di 0,2 g di sale fine. Uno dei campioni di sale fine viene, poi, polverizzato in un mortaio.
I tre campioni di sale (finissimo, fine e grosso) vengono inseriti nelle tre provette etichettate come A, B e C.
Le provette vengono chiuse con un tappo, e , ancora una volta, si conta il numero delle inversioni necessarie per sciogliere tutto il sale in ciascuna e si registrano le osservazioni e il numero delle inversioni in tabella.
Nella quarta e ultima prova si investiga l’effetto della concentrazione sulla velocità di dissoluzione.
Due provette vengono riempite per ⅔ con acqua distillata a temperatura ambiente.
Si pesano due campioni di sale fine: uno da 0,2 g e un secondo campione da 1 g.
Si chiudono le provette con un tappo e si conta il numero delle inversioni necessarie per sciogliere tutto il sale in ciascuna, registrando, come sempre, le osservazioni e il numero delle inversioni in tabella.
Analisi dei dati
L’analisi parte con l’identificazione delle variabili indipendenti, dipendenti e controllate di ciascun esperimento.
Quindi, si riflette sulle evidenze raccolte per rispondere alle seguenti domande:
- Sulla base delle evidenze raccolte, qual è l’effetto del mescolamento sulla velocità di dissoluzione?
- Sulla base delle evidenze raccolte, qual è l’effetto dell’area superficiale sulla velocità di dissoluzione?
- Sulla base delle evidenze raccolte, qual è l’effetto della temperatura sulla velocità di dissoluzione?
- Sulla base delle evidenze raccolte, qual è l’effetto della concentrazione sulla velocità di dissoluzione?
Conclusioni
Grazie all’esperienza diretta, con questa attività i ragazzi comprendono che l’agitazione meccanica, le dimensioni del soluto, la concentrazione e la temperatura della soluzione influenzano il tasso di dissoluzione di una sostanza solida in un solvente liquido.
Una temperatura più alta, l’agitazione meccanica, una maggiore area superficiale e una maggiore concentrazione di soluto sono tutte condizioni che tendono a accelerare il processo.
Questa esperienza, molto semplice ma davvero efficace, si conclude con l’analisi di un grafico che mostra l’andamento della solubilità in funzione della temperatura per sostanze diverse in modo da comprendere anche che ciascuno dei fattori esplorati ha un effetto diverso a seconda della sostanza considerata.
Che ne pensi?
Tu come affronti il concetto di solubilità con i tuoi studenti? Se ti va raccontamelo nei commenti!
Aspetta! Prima di salutarti ho ancora un’ultima cosa da dirti. Se ti interessa avere la scheda che ho preparato, pronta da utilizzare in classe con i tuoi studenti, sostieni il blog e scrivimi a ibseedintorni@gmail.com
Alla prossima! 🙂
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