PERCHE LE MOLECOLE STANNO INSIEME?

ROBERTO AMBROSETTI

IPCF-CNR, Pisa

ambrosetti@icqem.pi.cnr.it

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Se c'è una domanda veramente importante alla quale l'inse­gnamento della Chimica deve dare una risposta, questa è quella del titolo.

 

Il percorso normalmente seguito per arrivare ad una risposta è in realtà alquanto lungo e tortuoso. E' comunque necessaria anzitutto l'acquisizione sicura dell'esistenza di una struttura microscopica della materia, del ruolo delle molecole come co­stituenti esclusivi di questa struttura, e della struttura delle molecole stesse; tutto ciò nell'ambito di un'adeguata defini­zione di "molecola", cosa che di per sé pone problemi rilevanti. La strada consueta passa dall'analisi della struttura dell'ato­mo. Si parte dalle particelle costituenti l'atomo, evidenziando le forze attrattive di natura elettrostatica tra nucleo ed elettro­ni. Si introducono poi, molto precocemente rispetto alla capa­cità di vera comprensione degli alunni, concetti fisici avanzati e difficili: tra questi la natura ondulatoria della luce, gli spettri elettromagnetici, l'emissione di radiazione di una carica acce­lerata, la meccanica quantistica ed alcune sue conseguenze. Segue di norma una lunga digressione sul sistema periodico e sulla sua razionalizzazione in termini di livelli energetici de­gli atomi.

 

Quando la struttura e la stabilità delle molecole ritornano fi­nalmente in campo, di norma il problema viene trattato in termini di modifica degli atomi costituenti. Quasi subito si intro­duce una classificazione dei legami tra atomi (covalente, ionico, metallico ecc.) e si insinua la convinzione che in sostanza sia la formazione di nuove coppie elettroniche ad originare la maggiore stabilità delle molecole, almeno per il "legame covalente". Questo purtroppo non è vero. Questo itinerario ha anche altre manchevolezze. A parere di chi scrive, fra i difetti va annoverata la necessità di ripetute assunzioni fìdeistiche di concetti fisici complessi, ma senza una base conoscitiva adeguata (explicare ignotum per ignotius). E' anche più grave la perdita della sostanziale unitarietà di tutti i legami chimici: sembra di dover dire: "se il legame è covalente, sta insieme perché...; se è ionico, per­ché...".

 

Il lungo percorso rischia poi di far perdere i due concetti vera­mente fondamentali:

 

1. La stabilità di tutti gli atomi e di molti aggregati atomici è dovuta all'attrazione elettrostatica fra cariche di segno oppo­sto e al suo prevalere sulla corrispondente repulsione fra ca­riche dello stesso segno;

 

2. Il contributo primario della meccanica quantistica è l'asser­zione dell'esistenza di uno stato fondamentale: cioè uno sta­to dell'atomo o della molecola in cui l'energia, anche se non necessariamente zero, è la minima possibile, e che permette allo stato di essere indefinitamente stabile (a meno di un'ade­guata perturbazione esterna).

 

L'autore (e con lui personalità di rilievo da tempo attive nella Divisione didattica) ritiene preferibile un percorso semplifica­to , schematizzabile così:

 

A. gli atomi (neutri) sono sempre stabili perché, se si pensa alla loro costruzione a partire da un nucleo "nudo", ogni elet­trone entrante "vede" comunque una carica positiva che lo attrae; e, se sente molto la repulsione degli altri elettroni, non deve fare altro che mettersi in uno stato in cui li vede poco o nulla (semplificando ancora: "può mettersi più lontano dal nucleo")

 

B. un aggregato di atomi può essere stabile, e quindi formare una molecola, o non esserlo; ciò perché quando gli atomi si avvicinano si sviluppano nuove attrazioni, dovute all'avvici­narsi di un nuovo nucleo; ma anche nuove repulsioni, dovute all'avvicinarsi dei nuclei con cariche dello stesso segno e all'avvicinarsi a ciascun atomo degli elettroni dell'altro ato­mo. La repulsione dei nuclei, non è eliminata dall' "allontana­mento" degli elettroni; e se gli elettroni si allontanano la mo­lecola si dissocia.

 

La formazione di coppie elettroniche nelle molecole non va vista come sorgente di ulteriore stabilità, ma come compromesso per evitare la maggiore instabilità degli elettroni con lo stesso spin (con illustri eccezioni, come la molecola di ossigeno, che come è noto non forma nemmeno tutte le coppie che potrebbe!). La forma della molecola, se è stabile, è dettata dalla repul­sione delle coppie elettroniche "esterne", contate con le regole di Lewis (modello VSEPR).

 

In questa trattazione sono ovviamente presenti le fondamentali manchevolezze della trattazione classica del mondo microscopico. Ad esempio si ignora completamente il fatto che non solo l'energia potenziale elettrostatica, ma anche l'energia cinetica degli elettroni varia sensibilmente al formarsi del la molecola dagli atomi. E' anche evidente che la trattazione non si presta ad una valutazione quantitativa: sarebbe necessario mediare le interazioni elettrostatiche su tutte le posizioni degli elettroni, e sappiamo che ogni tentativo di prevedere la dinamica degli elettroni con metodi classici è destinato al fallimento (a parte l'estrema difficoltà matematica di ogni pro­blema dinamico a molte particelle, anche se classico).

 

Peraltro questa trattazione ha dei vantaggi significativi. In­tanto non dice bugie, al più nasconde una parte della verità. Richiede certamente tempi minori, e ha l'ulteriore vantaggio di suggerire senza sforzo la natura sostanzialmente unitaria di tutti i legami; anche se naturalmente può tornare utile classi­ficarli dopo averne asserito l'unità. Anzi, in questo modo vie­ne del tutto naturale vedere come fenomeno unitario la forma­zione di tutti gli edifici chimici: atomi e molecole.

 

In questo schema l'unico "Deus ex machina" è la forza di Coulomb, il che sembra accettabile. Il concetto a monte di questo, e cioè che la materia, pur apparentemente neutra, con­tiene molta carica, può invece essere sostenuto da adeguate esperienze di elettrolisi, in cui si mostri che anche con corren­ti elevate occorrono tempi lunghi per "preparare" quantità significative di sostanze ridotte e ossidate. Del resto, non si dice una falsità nemmeno asserendo che l'impenetrabilità dei solidi è dovuta sostanzialmente alla repulsione elettrostatica, elettronica e nucleare, fra i corpi premuti uno contro l'altro!

1 E' in sostanza la prosecuzione in campo molecolare, con ulteriori semplificazioni, di un approccio già suggerito dal pro­gramma "Atomo" (scritto dal prof. Maurizio Persico, Università di Pisa, con la collaborazione dell'autore, e disponibile con ftp anonimo da ftp://hare.icqem.pi.cnr.it,  directory pub/atomo). Naturalmente il docente può approfondire l'argomento su numerosi libri; tra questi si consiglia il classico G.C. Pimentel, R.D. Spratley,"D legame chimico", Piccin.  

 

 

 

 


INDIRIZZO  DI  APERTURA  DELLA  CONFERENZA NAZIONALE
SULL’INSEGNAMENTO  DELLA  CHIMICA

Giacomo Costa
Presidente della Divisione di Didattica della Società Chimica Italiana

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Non è fuori luogo, all’apertura di questa conferenza, un’”istantanea” sul panorama delle azioni della Divisione di Didattica Chimica della Società Chimica Italiana nelle situazioni concrete che essa deve affrontare. Si tratta, evidentemente, da un lato dell’azione della Divisione per utilizzare le eventuali opportunità offerte dal quadro normativo che va  configurandosi con la riforma per la didattica chimica e dall’altro dell’azione della Divisione per l’adeguamento della didattica chimica allo sviluppo delle scienze chimiche ed alle attuali esigenze della società.  I contatti con il Ministero si sono avuti su due piani distinti: 1) il piano di più ampio respiro riguarda il progetto del Portale “Le scienze a scuola”, iniziativa congiunta delle tre Associazioni
( DIDI, AIF e ANISN) e i colloqui a livello politico con la segreteria del Ministero Moratti. 2) il piano dei contatti con il Ministero dell’Istruzione della Università e della Ricerca: la Direzione generale degli ordinamenti e la Direzione generale per la formazione. Il Portale rappresenta la concreta applicazione della strategia dell’integrazione dei contenuti della tre discipline di base : Fisica, Chimica e Scienze Naturali per una equilibrata formazione culturale e informazione tecnologica del cittadino medio. Proprio in vista della realizzazione del Portale abbiamo  ottenuto 3 “assegnazioni” di docenti delle scuole secondarie (una assegnazione a ciascuna associazione su indicazione della Associazione stessa). Ad AIF e ANISN sono stati assegnati i Presidenti; a noi è stata assegnata la vicepresidente Aquilini. Il progetto del portale, invece, evolve per il momento in senso riduttivo. Si tratta di rendere compatibile questa iniziativa con le risorse finanziarie disponibili. Il risultato che ritengo possibile è l’inserimento del progetto nell’attività di INDIRE (l’Istituto Nazionale di Documentazione per l’Innovazione e la Ricerca Educativa). La convenienza della realizzazione, per le Associazioni, dipende a questo punto dall’autonomia e dalla visibilità che sarà assicurata al nostro contributo di idee e di lavoro.

 

I contatti con le Direzioni Generali del  MIUR, dopo l’inserimento della Divisione nell’elenco definitivo dei soggetti qualificati per la formazione del personale della scuola, sono tenuti su due strumenti operativi: a) l’attività di formazione  attraverso il Forum organizzato da  INDIRE per l’e-learning degli oltre 60.000 neo assunti. Noi abbiamo contribuito con 4 esperti  Le Prof.sse Massidda, e Del Favero, i Proff. Pera e Riani. Nell’incontro organizzato da INDIRE il 4 settembre a Firenze sono stati presentati i risultati dell’iniziativa e abbiamo sentito che si pensa di organizzare altre analoghe iniziative di formazione con la collaborazione di tutte le associazioni. Un più diretto strumento di contatto è costituito dal protocollo d’intesa stipulato fra la Divisione e il Ministero .In un apposito Comitato paritetico si discute l’eventuale finanziamento delle nostre proposte. Le due proposte che abbiamo già inviato (riguardano un seminario per l’avvio di una rete di referenti, e un convegno sull’inglese come lingua veicolare per la chimica). Altre potranno essere precisate in seguito.

 

La validità delle nostre proposte è fuori questione, ma , ancora una volta, sono le risorse finanziarie a dettare i limiti.  Fino al momento in cui scrivo non si è ancora aperto un canale per gli interventi delle Associazioni nella formulazione degli “Indirizzi Nazionali ..” sul modello degli “Indirizzi Nazionali per i Piani Personalizzati delle Attività Educative nelle scuole dell’infanzia” già reso pubblico. L’indirizzo ministeriale sembra prevedere l’eventuale intervento delle Associazioni a valle dei programmi ministeriali per una loro “validazione”. E’ auspicabile che, nelle scienze sperimentali di base si possa intervenire per armonizzare il perseguimento di obiettivi di un’economia tecnologica con la necessità di ottimizzazione gli strumenti didattici onde trasmettere una più profonda consapevolezza della natura e degli obiettivi della scienza come aspirazione al continuo avvicinamento a verità condivise sulla base della ragione.

 

Sul fronte della ricerca didattica, strettamente legata all’attività di formazione, abbiamo ricostituito la Commissione Curricoli, affidandola alla vicepresidente Eleonora Aquilini, che agirà in stretto e continuo contatto con il Direttivo. Speriamo di riuscire a costituire una rete di referenti, un altro modo di allargare i contatti del Direttivo ad una platea assai più vasta di quella che raggiungiamo ora. Vi è infine, non ultimo di importanza, il nostro impegno per un’immagine della chimica che non sia di pura difesa ma, al contrario, metta in evidenza la funzione delle scienze chimiche sia come base indispensabile per la comprensione dei fenomeni biologici che come supporto teorico e sperimentale per  la individuazione e per la tecnologia di nuovi materiali. Intendiamo quindi agire sulla formazione dei docenti in modo da prepararli ad inserire la chimica in un insegnamento integrato accanto alla fisica, alla biologia ed alle scienze della terra per  configurare un unico orizzonte culturale e una unica coerente coscienza tecnologica interdisciplinare per il cittadino medio. Nello stesso tempo credo non si debba dimenticare la necessità di  raccordare la  didattica della chimica nelle scuole secondarie, così profondamente legata alle differenti esigenze dell’apprendimento alle varie età, con la didattica della chimica universitaria, così profondamente legata alle problematiche teoriche e sperimentali sulle frontiere delle scienze chimiche.

 

Dobbiamo quindi agire anche in stretto contatto con le SSIS strumento potenzialmente efficace per realizzare questo raccordo coinvolgendo e responsabilizzando docenti universitari nella formazione dei futuri docenti delle scuole secondarie.

 

Abbiamo sperimentato con successo anche un’altra via: organizzare  brevi periodi di frequentazione degli studenti degli ultimi anni della scuola secondaria, accompagnati dai loro docenti nei laboratori universitari. Il passaggio dall’aula e dalle nozioni scolastiche al laboratorio, dove queste nozioni formano la base per la progettazione e l’esecuzione di ricerche di frontiera, risveglia interesse dell’alunno per le situazioni concrete del laboratorio e gli suggerisce nuove riflessioni sull’importanza della chimica nello sviluppo scientifico e tecnologico. L’esperimento condotto a Trieste ha visto, il quasi raddoppio del numero di matricole di chimica rispetto  a quello dell’anno scorso.

 

Si tratta, speriamo, di un segnale dell’inversione della tendenza al calo delle vocazioni in chimica favorita dall’attenzione risvegliata sui problemi di didattica chimica non solo dalla  nostra Divisione, come testimoniano diverse relazioni e una intera sezione di questa conferenza, ma anche di tutte le Divisioni disciplinari della Società Chimica Italiana.