10. Discutere un esperimento

L'ossigeno dell'aria: l'esperimento della candela

Questa è un esperimento molto 'gettonato', addirittura nella scuola primaria (dove il concetto di ossigeno è ovviamente "marziano"). Di solito, poi, da questa esperienza si vogliono ricavare troppe cose, e addirittura trarne delle indicazioni quantitative, con l'acqua che risale per "circa un quinto" nel barattolo e - guarda caso - l'ossigeno rappresenta proprio il 20% dell'aria...

In realtà, questo esperimento è un esempio di come  sia difficile scegliere esperienze significative per i ragazzi, alla portata delle loro strutture cognitive, e nello stesso tempo "oneste", che non diano cioè per scontate cose che i ragazzi non sanno ancora.

In questo filmato (Facciamo Scienze, Zanichelli Editore) si spiega il fenomeno dello spegnimento della candela sotto il bicchiere in questo modo: la combustione consuma l'ossigeno, quando l'ossigeno è insufficiente la candela si spegne. Per osservare questo, servono solo la candela ed un bicchiere.

E allora? Se uno stesso fenomeno avviene in due situazioni diverse (ambiente chiuso e aperto) e la spiegazione nel primo caso non va bene o non è sufficiente per il secondo, è possibile che la spiegazione sia sbagliata? O che occorrano due spiegazioni diverse? O che ci siano altri fenomeni di cui non abbiamo tenuto conto (produzione di CO2, movimenti convettivi dell'aria possibili o meno, ...)? In ogni caso, la situazione non è semplice come ce la presentano i libri di scuola.

E' comunque evidente che la conclusione che la candela si spegne perché l'ossigeno si è consumato NON DERIVA DALL'OSSERVAZIONE DEL FENOMENO "COMBUSTIONE DELLA CANDELA SOTTO IL BARATTOLO". Ai ragazzi glielo dite voi, che sapete per altre vie che l'ossigeno è un (il) comburente, oppure i ragazzi stessi lo dicono perché hanno in precedenza "registrato" delle parole, delle verità scolastiche, indipendentemente dalla loro effettiva comprensione di un concetto. Non possono ricavarlo dalla loro attività di osservazione, quindi per certi versi questa conclusione è "un dogma" travestito da esperimento scientifico. Oltre a questo problema (che non è da poco), altre conclusioni relative all'esperimento che si leggono su alcuni libri di testo o in rete (ma non nel video Zanichelli) sono proprio errate. Per esempio, che la risalita dell'acqua nel bicchiere sia dovuta alla depressione dovuta al consumo dell'ossigeno.

Nel filmato di "Facciamo scienze" appena visto, si introduce il fenomeno più complesso (l'acqua che risale nel bicchiere) anticipando che si tratta di un fenomeno più difficile da capire e da interpretare. Si fornisce, però, un indizio: l'acqua comincia a risalire quando la fiamma si sta spegnendo, NON durante tutta la combustione... Se si trattasse effettivamente dello "spazio vuoto" lasciato dall'ossigeno che si consuma nella combustione, l'acqua dovrebbe risalire gradualmente quando la candela è ancora accesa (e questo senza tenere conto della contemporanea formazione di CO2 e di H2O, prodotti della combustione...).

Se i ragazzi hanno fatto in precedenza (come è auspicabile in un percorso ben strutturato sull'aria) alcune osservazioni sul fatto che l'aria calda si espande, e l'aria fredda si contrae, possono essi stessi intuire qual è la ragione principale della risalita dell'acqua nel recipiente.

Ma... e gli esperimenti di Lavoisier? 

Nel 177* Lavoisier in alcuni esperimenti di combustione del fosforo, posto sotto una campana di vetro capovolta nell’acqua, osservò che non tutto il fosforo bruciava e che soltanto una parte dell’aria, circa 1/5 era in grado di mantenere la combustione. Intuì quindi che solo una frazione dell'aria era attivamente coinvolta nella combustione, e che l'aria era quindi una miscela di gas.

Attenzione però: (1) Lavoisier innescò la combustione dall'esterno di un recipiente sigillato (senza introdurre all'interno del recipiente aria calda, come facciamo noi con il bicchiere e la candela) e (2) nel suo esperimento tra i prodotti della combustione non compaiono gas (v. qui). Quindi il SUO esperimento era effettivamente geniale, e le conclusioni che ne ha tratto hanno aperto la strada alla chimica quantitativa. 

Si veda anche l'articolo

Vera F., Rivera R., Nun˜ez C. (2011): Burning a Candle in a Vessel, a Simple Experiment with a Long History. Science & Education 20, 881–893. pdf

Fiorentini C. et al. (2007): Leggere il mondo oltre le apparenze. Per una didattica dei concetti fondamentali della chimica. Armando Editore, pag. 157-170. pdf

P.S. 

C'è un'esperienza simile a quella della candela e dell'acqua, ma in cui l'effettivo consumo di ossigeno non è mascherato dall'effetto del riscaldamento e raffreddamento dell'aria, né dalla produzione di altri gas. Si tratta della reazione di ossidazione del ferro, con formazione della "ruggine". La reazione è più lenta della combustione della candela, ma se si ha pazienza si potrà osservare la risalita dell'acqua nel bicchiere all'interno del quale abbiamo incastrato un paio di spugnette di acciaio (non inossidabile!) inumidite. 

Vedi filmato:

P.P.S. A proposito della capacità di osservare un fenomeno

Esercizio: Fermate il video precedente nei seguenti punti:

Tra 14 e 18 secondi: è l'intervallo di tempo in cui si consuma ossigeno e NON si osserva la risalita di acqua.

Tra intorno ai 26-27 secondi: l'acqua risale nel barattolo.

36 secondi: testo con le conclusioni:"....l'acqua viene spinta all'interno del bicchiere per compensare il calo di pressione che si verifica in seguito al consumo dell'ossigeno dell'aria, dal momento che la pressione dipende dal numero di molecole di aria presenti e quindi diminuisce man mano che l'ossigeno viene consumato dalla fiamma. In un secondo momento, quando la fiamma si spegne, interviene anche il raffreddamento dell'aria che causa una ulteriore diminuzione della pressione. Questa diminuzione provoca quindi un'ulteriore salita dell'acqua nel bicchiere" 

Le riprese del fenomeno sono molto chiare, tecnicamente direi perfette. Le conclusioni però sono in contraddizione con quanto mostrato nel filmato perché NON si basano sull'osservazione ma su "altro".

Teniamolo sempre presente: scegliere esperimenti didatticamente significativi è uno degli aspetti più difficili dell'insegnamento delle scienze.

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P.S. 3 

Alcune modifiche all'esperimento per ovviare ai problemi visti sopra sono presentate in questo sito: La candela è (di nuovo) sotto il barattolo.

L'interpretazione del risultato richiede di conoscere molte cose sui gas, su pressione e temperatura. Si conferma insomma che l'esperimento è più complesso di quanto appaia a prima vista, e che non dovrebbe trovarsi nei libri di scuola media.