Piano di Lezione | Metodologia Attiva | Termochimica: Entalpia

Premesse: Questo Piano di Lezione Attivo presume: una lezione della durata di 100 minuti, lo studio preliminare degli studenti sia con il Libro che con l'inizio dello sviluppo del Progetto, e che una sola attività (tra le tre proposte) sarà scelta per essere svolta durante la lezione, poiché ogni attività è pensata per occupare gran parte del tempo disponibile.

Obiettivo

Durata: (5 - 10 minuti)

Questa fase del piano di lezione è fondamentale per costruire una base teorica robusta sul tema dell'entalpia. Definendo in modo chiaro gli obiettivi, l'insegnante orienta gli studenti sugli obiettivi da raggiungere entro la fine della lezione, stimolando uno studio preventivo e guidando le discussioni in classe verso applicazioni pratiche per eliminare ogni dubbio residuo.

Obiettivo Utama:

1. Fornire agli studenti una solida comprensione del concetto di entalpia e delle modalità per calcolarla, considerando il trasferimento di calore a pressione costante.

2. Differenziare e identificare i principali tipi di entalpia (di formazione, di reazione e di combustione) e riconoscerne i valori caratteristici.

3. Sviluppare la capacità di valutare se una reazione sia esotermica o endotermica attraverso l'analisi dell'entalpia.

Obiettivo Tambahan:

1. Favorire la partecipazione attiva degli studenti nelle discussioni di gruppo e nelle attività di problem solving, sviluppando capacità comunicative e di lavoro in team.

Introduzione

Durata: (20 - 25 minuti)

L'introduzione ha lo scopo di catturare l'attenzione degli studenti, facendo leva sui concetti già studiati e proponendo situazioni reali e stimolanti che facilitano l'applicazione diretta dei principi dell'entalpia. In questo modo si evidenzia la rilevanza pratica e teorica dell'argomento, collegandolo a situazioni di vita quotidiana che stimolano curiosità e interesse.

Situazione Problema

1. Considera la combustione di 1 mole di carbonio (C) in presenza di ossigeno (O₂) per formare anidride carbonica (CO₂) a pressione costante. Se l'entalpia di formazione della CO₂ è -393,5 kJ/mol e quella del carbonio è 0, qual è la variazione di entalpia per questa reazione?

2. Uno studente ha cercato di ottenere acqua a partire dai suoi elementi costitutivi, idrogeno e ossigeno, entrambi in stato gassoso a condizioni standard (STP). Sapendo che l'entalpia di formazione dell'H₂O è -285,8 kJ/mol e che quella di H₂ e O₂ è uguale a 0, calcola l'entalpia della reazione.

Contestualizzazione

L'entalpia è una grandezza termodinamica essenziale in ogni processo chimico, dalla combustione dei carburanti alla sintesi in laboratorio. Per esempio, conoscere l'entalpia di combustione di un carburante consente di stimarne l'efficienza e l'impatto ambientale. Allo stesso modo, l'entalpia di formazione è cruciale per quantificare l'energia necessaria a sintetizzare una sostanza a partire dai suoi elementi, informazioni utili per l'innovazione dei materiali e dei processi industriali.

Sviluppo

Durata: (65 - 75 minuti)

La fase di sviluppo è pensata per trasformare in pratica i concetti teorici sull'entalpia attraverso attività interattive e coinvolgenti. Queste attività permettono agli studenti di manipolare reazioni chimiche, facilitando la comprensione e il consolidamento delle nozioni, e rafforzando al contempo le competenze nel lavoro di gruppo e nella risoluzione di problemi complessi.

Suggerimenti per le Attività

Si consiglia di svolgere solo una delle attività proposte

Attività 1 - Avventura in Cucina: Calcolare l'Entalpia dei Piatti

> Durata: (60 - 70 minuti)

- Obiettivo: Applicare il concetto di entalpia di formazione a contesti concreti, sviluppando al contempo abilità analitiche e di calcolo nelle reazioni chimiche.

- Descrizione: In questa attività, gli studenti vestono i panni di 'chef chimici' e devono calcolare l'entalpia coinvolta nella preparazione di tre piatti: torta di carote, frittata e succo d'arancia. Ogni gruppo riceve una ricetta dettagliata e i valori di entalpia di formazione dei principali ingredienti, e dovrà determinare la variazione complessiva di entalpia per ogni ricetta.

- Istruzioni:

• Dividere la classe in gruppi di massimo 5 studenti.

• Distribuire le ricette e i dati relativi alle entalpie dei singoli ingredienti.

• Calcolare l'entalpia complessiva per ciascun piatto sommando i contributi degli ingredienti utilizzati.

• Presentare i calcoli e discutere le differenze di entalpia tra i vari piatti.

• Redigere una breve giustificazione per classificare le reazioni come endotermiche o esotermiche.

Attività 2 - Sfida del Combustibile: Investigare l'Entalpia di Combustione

> Durata: (60 - 70 minuti)

- Obiettivo: Comprendere e determinare sperimentalmente l'entalpia di combustione di vari materiali, integrando i concetti di calorimetria e termochimica.

- Descrizione: Gli studenti, organizzati in gruppi, ricevono campioni di diversi combustibili (come alcol, benzina e carbone) e misurano sperimentalmente l'entalpia di combustione di ciascuno. Utilizzando un calorimetro semplice, conducono una combustione controllata e monitorano la variazione della temperatura dell'acqua circostante per calcolare il valore dell'entalpia.

- Istruzioni:

• Allestire diverse postazioni in aula, ognuna dotata di un tipo di combustibile e di un calorimetro.

• Istruire gli studenti sul corretto e sicuro utilizzo del calorimetro e sulla manipolazione dei combustibili.

• Registrare la massa iniziale del combustibile e dell'acqua, nonché la temperatura iniziale dell'acqua.

• Eseguire la combustione e annotare le variazioni di temperatura dell'acqua.

• Calcolare l'entalpia di combustione usando l'equazione q = mcΔT con i dati raccolti.

Attività 3 - Cinema Chimico: Analisi delle Reazioni Endotermiche ed Esotermiche

> Durata: (60 - 70 minuti)

- Obiettivo: Affinare le capacità di osservazione e di analisi critica, applicando concretamente il concetto di entalpia a situazioni reali.

- Descrizione: Gli studenti visionano una serie di video che mostrano reazioni chimiche, selezionati in anticipo dal docente, e devono identificare se le reazioni siano endotermiche o esotermiche in base al rilascio o all'assorbimento di calore. Successivamente, utilizzando i dati forniti, eseguono i calcoli per determinarne l'entalpia.

- Istruzioni:

• Preparare un ambiente adeguato per la proiezione dei video.

• Distribuire schede di osservazione per annotare le analisi personali.

• Guardare i video e discutere le osservazioni in piccoli gruppi.

• Calcolare l'entalpia delle reazioni osservate sfruttando i dati presentati.

• Presentare i risultati ottenuti e motivare la classificazione delle reazioni.

Feedback

Durata: (15 - 20 minuti)

Questa fase mira a consolidare l'apprendimento permettendo agli studenti di articolare e condividere le conoscenze acquisite durante le attività pratiche. Il confronto tra le diverse esperienze favorisce l'approfondimento dei concetti e la correzione di eventuali incomprensioni, arricchendo il percorso formativo.

Discussione di Gruppo

Al termine delle attività, riunire l'intera classe per una discussione collettiva. Iniziare con una breve introduzione sull'importanza di condividere scoperte e apprendimenti, chiedendo poi ad ogni gruppo di sintetizzare il lavoro svolto e le conclusioni raggiunte. Stimolare il confronto sulle differenze e similitudini tra i risultati ottenuti e discutere come questi possano essere interpretati in termini di entalpia, rinforzando così i concetti fondamentali e chiarendo eventuali dubbi.

Domande Chiave

1. Quali sono state le principali difficoltà incontrate nel calcolare l'entalpia durante le diverse attività?

2. In che modo avete utilizzato i concetti di entalpia per distinguere tra reazioni endotermiche ed esotermiche?

3. Come hanno contribuito le attività pratiche a consolidare la vostra comprensione teorica dell'energia coinvolta nelle reazioni chimiche?

Conclusione

Durata: (10 - 15 minuti)

La fase conclusiva serve a rafforzare e consolidare le conoscenze acquisite, assicurandosi che gli studenti abbiano assimilato i concetti chiave dell'entalpia e possano collegare la teoria alla pratica, riconoscendone l'importanza e le applicazioni future.

Sommario

Per concludere, ripassare i punti essenziali della lezione: la definizione di entalpia, i diversi tipi (di formazione, di reazione e di combustione) e il procedimento di calcolo. È fondamentale ricordare le differenze tra reazioni esotermiche ed endotermiche e come queste si manifestino in termini di variazione energetica.

Connessione con la Teoria

Collegare la teoria alla pratica spiegando come attività come 'Avventura in Cucina' e 'Sfida del Combustibile' abbiano mostrato concretamente l'applicazione dei concetti teorici, evidenziando l'utilità dei calcoli sperimentali.

Chiusura

Infine, sottolineare l'importanza dello studio dell'entalpia non solo in ambito accademico, ma anche per le sue applicazioni nei processi industriali, ambientali e nella vita di tutti i giorni. Comprendere questi principi aiuta a prevedere e controllare le reazioni chimiche, stimolando lo sviluppo di nuovi materiali e metodi più efficienti.