Piccola meraviglia: la chimica su microscala in classe Inspire article

Le cose buone arrivano in piccole confezioni: scopri come gli esperimenti su microscala possono avere un grande impatto nell'insegnamento STEM.

Gli esperimenti in classe sono necessari per coinvolgere l’attenzione degli studenti e illustrare i principi chimici chiave. Tuttavia, i metodi tradizionali spesso richiedono grandi quantità di reagenti pericolosi, attrezzature complesse, e molto lavoro per l’insegnante o gli studenti in termini di allestimento e pulizia. Molti di questi esperimenti possono essere facilmente adattati per essere eseguiti su piccola scala, senza pregiudicarne l’effetto dimostrato. Infatti, gli esperimenti su microscala (a volte chiamati su piccola scala) possono anche evidenziare effetti non evidenti quando eseguiti su una scala più grande. Questo articolo introduce il principio degli esperimenti su microscala in classe e le ragioni per cui dovresti provarli nella tua classe.

Cos’è la chimica su microscala?

Ho sviluppato procedure su microscala al CLEAPSS[1] nel Regno Unito per rispondere alle preoccupazioni dei datori di lavoro scolastici sull’esposizione di studenti e insegnanti a reagenti pericolosi.

Molto spesso, la chimica su microscala si riferisce all’esecuzione di reazioni in quantità di gocce. Questo può essere fatto comodamente dispensando alcune gocce (da 0,2 a 0,5 ml) di soluzioni su un foglio di lavoro racchiuso in un foglio o cartella di plastica trasparente (preferito) o laminato (correzioni e miglioramenti richiedono più plastificazione).

La figura 1 illustra una dimostrazione che coinvolge indicatori di pH e soluzioni con diversi valori di pH. Tale dimostrazione è utilizzata da CLEAPSS durante i suoi corsi di salute e sicurezza per insegnanti e tecnici del Regno Unito, e i bellissimi colori e la velocità con la quale può essere eseguita incoraggiano i partecipanti a portare queste idee nelle loro scuole.

Un foglio di lavoro di chimica su microscala con gocce di indicatori di pH colorati
Figura 1: Gli indicatori cambiano colore a diversi valori di pH (righe da 1 a 3), ma una miscela di indicatori (riga 4) può produrre un indicatore universale, che può essere confrontato con la versione commerciale (riga 5).
Immagine gentilmente concessa da Bob Worley

Altre reazioni, tra cui la precipitazione (Figura 2) e le reazioni di spostamento possono essere eseguite in modo simile. I reagenti possono essere convenientemente applicati usando un piccolo contagocce o una pipetta, il che permette di impostare vari disegni per illustrare diversi modelli o tendenze. I fogli possono poi essere facilmente puliti. Un altro approccio è quello di applicare gocce di reagenti su piastre Petri (vedi Figura 5).

Foglio di lavoro di chimica su microscala in un foglio di plastica e l'applicazione di soluzioni con un flacone contagocce
Figura 2: Un esempio di foglio di lavoro di carta in una custodia di plastica. Gocce di soluzioni possono poi essere applicate sulla superficie.
Immagine gentilmente concessa da Bob Worley

Oltre ad aggiungere gocce di soluzioni o reagenti liquidi, gli studenti possono preparare la soluzione in situ aggiungendo grani di un sale a un solvente con uno stuzzicadenti o un bastoncino di legno. A causa del volume ridotto, la dissoluzione e la miscelazione sono molto rapide, e questo di per sé può essere un’eccellente dimostrazione di dissoluzione, solvatazione e diffusione.

La figura 3 mostra cosa succede quando minuscoli granelli di solfato di rame (II) e carbonato di sodio vengono aggiunti a ciascun lato di una goccia di acqua distillata. I due solidi ionici si dissolvono e si diffondono attraverso l’acqua, e una linea di precipitato basico di carbonato di rame si forma al centro della goccia dove gli ioni di rame e carbonato si incontrano.

Una reazione su microscala di solfato di rame e carbonato di sodio per ottenere carbonato di rame che precipita al centro della goccia
Figura 3: Reazione su microscala di solfato di rame(II) (blu) e carbonato di sodio (bianco).
Immagine gentilmente concessa da Bob Worley

Un indicatore di conducibilità può anche essere usato sulle gocce per rilevare la presenza di ioni e dimostrare l’elettrolisi (Figura 4).

Figura 4: Un indicatore di conducibilità con elettrodi in fibra di carbonio. L’aggiunta di un granello di sale a una pozza di acqua distillata è sufficiente per far brillare il LED.
Immagine gentilmente concessa da Bob Worley

Come adattare l’esperimento all’ approccio su microscala?

Idealmente, la versione su microscala dovrebbe chiarire più informazioni a fine didattico rispetto alla versione tradizionale dell’attività.

La procedura che prevede l’uso di gocce di liquido su una superficie di plastica si basa sulla tensione superficiale, che va bene con le soluzioni acquose ma non funziona con i liquidi organici. Inoltre, molte plastiche sono ammorbidite da solventi organici come chetoni ed esteri. Quindi, per i solventi organici, sono necessarie piccole fiale di vetro, piastre di porcellana o provette.

Il riscaldamento può essere un problema, ma i liquidi possono essere posti in una fiala di vetro immersa in acqua bollente prelevata da un bollitore o posta su un piatto caldo o su un riscaldatore appositamente progettato.[2]

Perché dovrei usare la chimica su microscala nella mia classe?

Esistono molti vantaggi nel seguire questo approccio, e i principali sono riassunti qui di seguito.

Vantaggi dell’approccio su microscala

  1. Migliora la sicurezza
  2. Riduce i rifiuti (meglio per l’ambiente)
  3. Riduce i costi delle attrezzature/materiali
  4. Adatto all’uso in ambienti con risorse limitate, come esemplificato dal progetto RADMASTE [3]
  5. Preparazione/pulizia più facile
  6. Esperimenti più veloci e facili da eseguire:
  • Gli insegnanti hanno più tempo per spiegare.
  • Gli studenti possono concentrarsi sui principi chiave.
  1. Migliora la comprensione di concetti chimici difficili contrastando le idee sbagliate degli studenti
  2. Incoraggia nuovi esperimenti, per esempio, idrogenazione di alcheni e liquefazione di gas
  3. Facilita le iniziative STEM con materiali e metodi moderni, ad esempio, elettrodi in fibra di carbonio, magneti Nd, LED, microelettronica Arduino, stampa 3D e taglio laser

In termini di sicurezza, i vantaggi di usare piccole quantità di reagenti sono ovvi. Questo è particolarmente rilevante con le sostanze chimiche volatili, dove i livelli di gas tossici nell’aria risulteranno molto più bassi se gli studenti utilizzano solo quantitativi in gocce. Un’eccellente dimostrazione di ciò è l’elettrolisi del cloruro di sodio o del cloruro di rame (II), che produce gas di cloro tossico che può causare difficoltà respiratorie. Alcuni datori di lavoro hanno manifestato l’intenzione di rimuovere questa attività anche se specificatamente richiesta nei programmi d’esame. Tuttavia, CLEAPSS è stato in grado di progettare attrezzature per eseguire questo esperimento su una scala più piccola (figura 5), e in questo caso si producono solo da 5 a 6 cm3 di gas di cloro.

Figura 5: Allestimento in microscala per l’elettrolisi del cloruro di sodio o del cloruro di rame (II) in una piastra Petri.
Immagine gentilmente concessa da Bob Worley
Schema di elettrolisi
Immagine gentilmente concessa da Bob Worley

Alcuni insegnanti temono che gli studenti risultino svantaggiati da allestimenti sperimentali non corrispondenti a quelli usati durante gli esami. Tuttavia, ciò può essere solitamente risolto fornendo un diagramma che chiarisca l’equivalenza con i classici esperimenti su larga scala. Per esempio, per l’esperimento di elettrolisi descritto sopra, un insegnante ha riconosciuto come buona la microelettrolisi, ma temeva che il disegno non riflettesse l’apparato come mostrato nei libri di testo e nelle domande d’esame. Il tecnico dalla prontezza di riflessi ha disegnato un “becker orizzontale” su carta e ha riposizionato gli elettrodi, e l’insegnante si è dichiarato soddisfatto.

I vantaggi degli esperimenti veloci e facili da eseguire sono forse meno evidenti dei vantaggi pratici in termini di convenienza e sicurezza. Gli esperimenti veloci e facili da eseguire, infatti, riducono il carico sulla memoria di lavoro a breve termine degli studenti e permettono loro di focalizzarsi meglio sia con il divertimento dell’esperimento che con la scienza dietro di esso. La natura dell’esperimento su microscala può anche rendere i principi scientifici più facili da capire. Per esempio, nell’esperimento di precipitazione del carbonato di rame mostrato sopra, gli studenti vedono i solidi che vengono aggiunti e capiscono come si dissolvono e poi si incorporano nel mezzo. Mentre quando si mescolano due soluzioni preparate dall’insegnante, l’improvvisa comparsa di un precipitato solido può sembrare una magia.

Sommario

C’è molto di più. Se questo articolo ha acceso il tuo interesse, ti incoraggio a guardare la recente lezione che Adrian Allan ed io abbiamo tenuto in collaborazione con Science on Stage,[4] insieme all’altro video nella sezione risorse. Nei numeri successivi di Science in School, saranno pubblicati ulteriori articoli di Teach con istruzioni passo dopo passo su come eseguire alcuni di questi esperimenti su microscala, insieme a risorse stampabili.


References

[1] An introduction to CLEAPSS: http://science.cleapss.org.uk/Policies/What-Is-Cleapss.aspx

[2] Allan A, Worley B, Owen M (2018) Perfumes with a pop: aroma chemistry with essential oils. Science in School 44:40–46.

[3] More information on the RADMASTE Microscience project: https://www.radmaste.org.za/

[4] Science on Stage brings together STEM teachers with outstanding teaching ideas: https://www.science-on-stage.eu/

Resources

Institution

Science on Stage

Author(s)

Bob Worley FRSC is the (semi-retired) chemistry advisor for CLEAPSS in the UK. He taught chemistry for 20 years, and in 1991, he joined CLEAPSS, which provides safety and advisory support for classroom experiments. In carrying out these duties, he gained an interest in miniaturizing experiments to improve safety and convenience.




License

CC-BY