5 - Società Chimica Italiana

Agli allievi è stata richiesta la realizzazionedi strumenti che, mantenendole stesse dimensioni (ideali perporre lo strumento su di un banco dilavoro e consentire una comoda lettura),utilizzino liquidi manometricidiversi dal mercurio. Tale richiesta èdovuta a due ragioni fondamentali:- una di tipo tecnico: il mercurio è didifficilissima manipolazione, e i suoivapori sono altamente tossici;- una di tipo didattico: con allievi nellafase di entrata nella scuola secondariasuperiore è opportuno affrontaresemplici problemi connessi conla statica dei fluidi, in quanto tale argomentorisulta spesso di difficileapplicazione pratica.Uno degli obiettivi del lavoro è propriorelativo alla statica dei fluidi. Unesempio tipico è, per esempio, il calcolodell’altezza della colonna d’acquala cui pressione è uguale a quelladeterminata da un dislivello di x mmdi mercurio in un tubo ad U; se gliallievi possono osservare direttamentel’effetto di una variazione di pressionesu un tubo ad U riempito dimercurio rispetto ad uno riempito diun liquido manometrico meno denso,paragonando quindi gli effetti di liquidimanometrici diversi (meno èdenso il liquido più dislivello osservo:perché?), possono arrivare inmodo autonomo alla formulazionedella legge di Stevino, primaqualitativamente e poi quantitativamente.In seguito possono essere ingrado di prevedere un giustodimensionamento per lo strumento darealizzare.Difficoltà rilevanti si riscontrano perl’uso delle unità di misura: un buonnumero di allievi all’inizio non riescenemmeno a distinguere il concetto digrandezza fisica da quello della suaunità di misura. Anche in seguito,superato questo primo impedimento,si presentano difficoltà nella conversionedi un’unità di misura in un’altra,soprattutto se le stesse si riferisconoa grandezze fisiche derivantidal rapporto di altre più semplici (densità,velocità, pressione, etc.). D’altrocanto sempre più spesso si richiedeanche nella vita quotidiana l’usodelle unità del Sistema Internazionale,per cui è opportuno abituare il primapossibile gli allievi a questa normativa.Il lavoro proposto è in buonaparte fondato su misure di pressione,e presenta quindi un’ottima occasionedi esercizio al riguardo.Scelta dei liquidi manometriciAgli allievi è stato inizialmente postoil problema della scelta di qualchesostanza allo stato liquido che potessesostituire il mercurio nel manometro;le prime proposte si sono indirizzatesu alcool, olio ed acqua.Il lavoro è quindi partito con osservazioniqualitative riguardo alle possibilitàdi funzionamento di un manometrocon dette sostanze: i liquidisono stati introdotti in tubi ad U piegatidagli allievi stessi in laboratorioe collegati ad una beuta di circa 300mL contenente aria. Già con l riempimentodi acqua un dato è risultatoimmediatamente evidente: il solo fattodi prendere in mano la beuta e quindidi far passare il gas da una temperaturaambiente di circa 20 °C a unaleggermente superiore provocava undislivello dell’acqua nel manometroben maggiore di quello del mercurio.Problemi indotti: Quanto maggiore?Di quanto è maggiore la densità delmercurio rispetto a quella dell’acqua?Che relazione si può trovare tra ledensità ed i dislivelli ? Tali effettoveniva ulteriormente esaltato utilizzandol’alcool e l’olio d’oliva. Solitiproblemi: Di quanto maggiore è il dislivellodel liquido nel manometro rispettoa quello dell’acqua? E’ possibileda questo dato ricavare all’incircale densità dell’olio e dell’alcool?Tutte queste osservazioni possonofornire elementi per ricavare operativamentela legge di Stevino.Una prima conclusione è stata quindila seguente: se si vuol mantenere l’altezzadel manometro nel limite di 60cm, come il prototipo, l’intervallo ditemperatura su cui si possono eseguiremisure usando l’acqua come liquidomanometrico è molto limitato,e si restringe ulteriormente usandoolio e alcool etilico. L’uso di questidue ultimi liquidi è stato quindi immediatamentescartato.Dal momento che gli allievi che entranonel biennio della scuola secondariasuperiore non hanno nessuna cognizionedi chimica organica, è statoritenuto opportuno evitare la propostadi sostanze non chimicamentenote e meno comuni quali oli pesantiche, oltre alla maggiore densità, avrebberopresentato il vantaggio di tensionidi vapore molto basse. Occorretener conto del fatto che una dellecaratteristiche dell’area di progetto èquella di lasciare ampio spazio decisionaleagli allievi, aiutandoli piuttostoa risolvere i problemi inizialmentenon noti che si possono verificaredurante il lavoro; se quindi la sceltadell’acqua come liquido manometricopuò sembrare inopportuna data latensione di vapore non trascurabilealle temperature di lavoro, la scelta èstata rispettata rimandando il problemaal momento delle prove quantitative.Bisogna sottolineare che, pur essendogli allievi a conoscenza del concettodi tensione di vapore, nessunoha avanzato obiezioni riguardo allascelta dell’acqua come liquidomanometrico: evidentemente il concettonon è ancora familiare e nonviene quindi collegato al problemapratico da risolvere.Al momento dell’inizio del lavoro gliallievi avevano qualche nozione sulleproprietà delle soluzioni acquoseed erano in grado di preparare soluzionidi data concentrazione; è stataquindi proposta l’individuazione diqualche sostanza molto solubile, checonsenta la realizzazione di una soluzionecon densità più elevata rispettoa quella dell’acqua. Usando le tabelledisponibili la scelta è caduta sulcloruro di zinco, sostanza disponibilenel laboratorio; ne è stata preparatauna soluzione al 70 % m/m dellaquale è stata determinata la densitàrelativa all’acqua per mezzo dipicnometri.In definitiva è stato stabilito di costruiregli strumenti usando come liquidimanometrici acqua distillata esoluzione di cloruro di zinco, realizzandocomunque, con l’aiuto del personaledi laboratorio, anche uno strumentoche utilizzasse il mercurio dautilizzare a scopo di controllo.Dimensionamento degli strumentiE’ necessario prevedere l’intervallo ditemperature entro il quale gli strumentipossono funzionare e stabilire le dimensionidella beuta contenente ilgas, in modo da assicurare con buonlivello di approssimazione la costanzadel volume del gas durante l’esperienza.Effettivamente la variazione dilivello del liquido nel manometro provocauna variazione del volume delgas, variazione pari alla metà del volumedi una colonna di liquido di altezza∆h. Dato che questa variazionedeve essere trascurabile, è stato stabilitoche il volume totale occupatodal gas deve essere almeno 100 voltemaggiore di tale incremento.171Novembre - Dicembre 2000CnS - La Chimica nella Scuola