La Chimica nella Scuola - Le due Scuole della Divisione Bogusława Jeżowska-Trzebiatowska
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La Chimica nella Scuola
n. 2 anno 2021
∠ Le due Scuole della Divisione
di Didattica: l’edizione 2020
∠ Bogusława Jeżowska-Trzebiatowska
(1908-1991): la storia di una chimica
tutta da scoprire
∠ A che punto è la transizione “verde”
in Italia?
SOMMARIO
EDITORIALE 31 UNI@HOME: sondaggio sulla didattica a distanza
3 Un nuovo CnS Renato Lombardo e Antonella Maggio
Margherita Venturi, Eleonora Aquilini e Giovanni Villani 32 Emergenza coronavirus come occasione per un
DIDATTICA A TUTTO TONDO ripensamento critico della didattica
Scuola di Didattica e Ricerca Educativa Maria Antonella Galanti
“Ulderico Segre” 33 Fare design didattico: il Conversational Framework
Legami fra atomi e interazioni fra molecole: di Diana Laurillard
Concetti e didattica Pier Cesare Rivoltella
4 Introduzione 34 DAD-Spectroscopy: attività laboratoriale a distanza
Margherita Venturi di introduzione alla spettroscopia
6 Uno sguardo epistemologico sul concetto di legame Sandro Jurinovic e Valentina Domenici
chimico 36 Luce e colore: un laboratorio a distanza per Scienze
Elena Ghibaudi e Federica Branchini della Formazione Primaria
8 Struttura atomica e legame chimico secondo Lewis Marianna Marchini e Margherita Venturi
Eleonora Aquilini e Antonio Testoni 38 “Giallo” e dintorni: proposte di percorsi didattici
10 A ‘compound’ of learning impediments: alternative differenziati
conceptions of the chemical bond Maria Funicello e Anna Maria Madaio
Keith S. Taber 40 Acidi, basi e sali: un percorso didattico laboratoriale
12 L’acqua: una molecola, due legami, tre atomi. e multimediale
Quattro modi per descriverla Eleonora Aquilini e Ugo Cosentino
Donato Monti PAGINE DI STORIA
14 La natura del legame covalente e i moderni metodi 42 Bogusława Jeżowska-Trzebiatowska (1908-1991)
computazionali Rinaldo Cervellati
Michele Antonio Floriano, Mariano Venanzi, Giovanni Villani
PILLOLE DI SAGGEZZA
15 Oltre la molecola: le forze intermolecolari da van der
Waals alla doppia elica del DNA 46 A che punto è la transizione “verde” in Italia e la
Luigi Fabbrizzi sostenibilità del nostro sviluppo?
Fabio Olmi
17 Struttura e forma molecolare
Giovanni Villani DARE VOCE AGLI STUDENTI
19 Restituzione dei Gruppi di Lavoro 53 Quattro chiacchiere con Keith S. Taber
A cura dei coordinatori e dei componenti dei rispettivi gruppi Claudio Dutto
DIDATTICA A TUTTO TONDO NEWS
Scuola di Didattica della Chimica 55 Qualche notizia
“Giuseppe Del Re” a cura di Antonella Russo e Silvano Fuso
La didattica a distanza (dad) e la chimica
UN PO’ DI PUBBLICITÀ
28 Introduzione
57 Labster - La tecnologia come supporto
Margherita Venturi
30 DAD: questioni aperte sulla didattica e la valutazione
Ira Vannini
DIRETTORE ONORARIO
Gaetano Guerra
COMITATO EDITORIALE
Direttore: Margherita Venturi • Vice-direttori: Eleonora Aquilini, Giovanni Villani
COMITATO DI REDAZIONE
Eleonora Aquilini, Luigi Campanella, Giorgio Cevasco, Marco Ciardi, Valentina
Domenici, Antonio Floriano, Maria Funicello, Silvano Fuso, Elena Ghibaudi, Elena
Lenci, Anna Maria Madaio, Raffaele Riccio, Antonella Rossi, Antonio Testoni, Francesca
Turco, Margherita Venturi, Giovanni Villani, Roberto Zingales
COMITATO SCIENTIFICO
Presidente: Luigi Campanella • Vincenzo Balzani, Agostino Casapullo, Carlo Fiorentini
ISSN: 0392-8942
REGISTRAZIONE: 03/05/1996 n. 219 presso il Tribunale di Roma.
PERIODICITÀ: Bimestrale
2 Chimica nella Scuola 2 – 2021
Editoriale
Margherita Venturi, Eleonora Aquilini e Giovanni Villani
Un nuovo CnS
C are/i lettrici/lettori, è con malcelato orgoglio che
annunciamo la “nascita” del nuovo CnS.
È cambiata la grafica, che speriamo vi piaccia e per
Sono anche benvenute comunicazioni brevi e lettere
alla redazione che potranno sicuramente arricchire
il dibattito e la riflessione sui temi proposti dalla ri-
la quale dobbiamo ringraziare la CLUEB, la casa edi- vista.
trice che d’ora in poi se ne farà carico, ma sono cam- Per le informazioni relative alla preparazione dei
biate anche altre cose. contributi da inviare, a chi inviarli e per altri dettagli
Prima di tutto la rivista sarà totalmente a libero ac- consultare Istruzioni per gli Autori al seguente link:
cesso: chiunque, iscritto o no alla SCI e/o alla Divi- https://www.soc.chim.it/it/riviste/cns/catalogo.
sione di Didattica, potrà accedere e scaricare gli ar- È doveroso a questo punto fare i dovuti ringrazia-
ticoli e le rubriche di interesse. Questo, a nostro menti.
avviso, è molto importante dal momento che le Un grazie ai componenti del nuovo Comitato Scien-
scuole, docenti e studenti, potranno usufruire ap- tifico, formato da Luigi Campanella (Presidente), Vin-
pieno dei contributi formativi e culturali che da sem- cenzo Balzani, Agostino Casapullo e Carlo Fiorentini,
pre la rivista pubblica. Ricordiamo inoltre che presto che hanno accettato con entusiasmo l’incarico; un
sarà realizzata un’applicazione per smartphone di- grazie particolare al Comitato di Redazione, formato
sponibile sulle principali piattaforme distributive dai curatori delle rubriche, a cui spetta forse il lavoro
(IOS e Android). più gravoso perché, oltre a raccogliere i contributi,
Altra novità riguarda il fatto che la rivista prevede avranno anche il compito di farli valutare da oppor-
numerose rubriche, ovviamente non tutte per ogni tuni referee; un grazie speciale, infine, al Presidente
numero, che coprono i vari aspetti della didattica e della Società Chimica Italiana, Gaetano Guerra, che
della chimica, non dimenticando gli insegnanti di non solo ci ha appoggiato nell’opera di rinnovamen-
scuola primaria e gli studenti dei quali vogliamo sen- to della rivista, ma che ne farà anche parte come Di-
tire idee e opinioni. Come potete vedere c’è solo l’im- rettore Onorario.
barazzo della scelta: Ovviamente non possiamo dimenticare di ringrazia-
• Percorsi didattici con approccio storico epistemo- re chi ha duramente lavorato per mantenere in vita
logico per la scuola superiore - a cura di Eleonora il CnS: il passato Comitato Scientifico, quello di Re-
Aquilini e Antonio Testoni dazione e, in particolare, Luigi Campanella e Pasqua-
• Percorsi laboratoriali - a cura di Maria Funicello e le Fetto, perché senza la loro dedizione non sarem-
Anna Maria Madaio mo arrivati a questo punto.
• Percorsi didattici per la scuola primaria - a cura di Ora non ci resta che concludere e lo vogliamo fare
Valentina Domenici e Francesca Turco con un impegno e una speranza: noi cercheremo di
• La Chimica nei musei scientifici - a cura di Valen- non deludervi, impegnandoci al massimo, ma la vo-
tina Domenici e Luigi Campanella stra collaborazione, non solo per quanto riguarda
• Metodologie didattiche per l’università - a cura di l’invio di contributi, ma anche nel divulgare queste
Elena Ghibaudi e Antonio Floriano informazioni, è fondamentale per far sì che il CnS di-
• Diffusione della cultura chimica/eventi importanti venti sempre più attraente per i giovani e importante
- a cura di Silvano Fuso, Elena Lenci e Antonella
Il Comitato Editoriale
Rossi
• Storia della chimica - a cura di Marco Ciardi e Ro-
berto Zingales
• Dare voce agli studenti per conoscere le loro opi-
nioni sulla chimica e sull’insegnamento della chi-
mica - a cura di Giorgio Cevasco e Raffaele Riccio
• Le “keyword” della Chimica - a cura di Giovanni
Villani
• Pillole di saggezza - a cura di Margherita Venturi
dal punto di vista didattico
Direttore e culturale. Speriamo di
Vice-Direttori
Margherita
essere Venturi di contributi
sommersi Eleonora Aquilini e Giovanni Villani
da pubblicare!
Chimica nella Scuola 2 – 2021 3
Didattica a tutto tondo – Scuola di Didattica e Ricerca Educativa “Ulderico Segre”
Resoconto dell’edizione 2020 della Scuola di Didattica
e Ricerca Educativa “Ulderico Segre”
Legami fra atomi e interazioni
fra molecole: Concetti e didattica
A cura del Comitato Esecutivo della Scuola
Eleonora Aquilini, Vice-Presidente della Divisione di Didattica della SCI; Liceo Artistico “F. Russoli” di Pisa
Anna Caronia, Consiglio Direttivo della Divisione di Didattica della SCI
Michele A. Floriano, Dipartimento di Scienze e Tecnologie Biologiche Chimiche e Farmaceutiche, Università di Palermo
Elena Ghibaudi, Dipartimento di Chimica - Università di Torino
Antonio Testoni, Divisione di Didattica della SCI
Mariano Venanzi, Dipartimento di Scienze e Tecnologie Chimiche, Università di Roma “Tor Vergata”
Giovanni Villani, Past President della Divisione di Didattica della SCI; Istituto di Chimica dei Composti OrganoMetallici -
CNR, Pisa
Margherita Venturi Torracca, Mariano Venanzi) con lo scopo di istituire
Presidente della Divisione di Didattica una scuola destinata a giovani laureati presenti
nell’ambito universitario, con il serio obiettivo di in-
Introduzione crementare la ricerca in didattica chimica.
È nata così nel 2009 la Scuola di Didattica Chimica e
di Ricerca Educativa che è stata dedicata a Ulderico
La Scuola: un po’ di storia Segre, in segno di riconoscimento del lavoro da lui
Negli ultimi venti anni, l’università italiana ha preso svolto per migliorare l’insegnamento della Chimica.
sempre più coscienza della necessità di avere un ruo- In base ai suoi principi promotori questa Scuola si
lo attivo nel processo di miglioramento dell’insegna- propone, quindi, di stimolare l’interesse verso la ri-
mento delle discipline scientifiche tenuto anche con- cerca educativa come strumento per:
to del fatto che la nostra attuale società si basa • affrontare in modo efficace i problemi di insegna-
fortemente sullo sviluppo scientifico-tecnologico. mento/apprendimento a livello universitario;
Allo stesso tempo, i profondi cambiamenti strutturali • sensibilizzare i docenti, attuali e futuri, alle pro-
che hanno interessato l’organizzazione dei corsi uni- blematiche relative al processo di insegnamen-
versitari per adeguarli alle indicazioni derivanti dal to/apprendimento della Chimica nella scuola e
“processo di Bologna” e la conseguente introduzione nell’università;
del “3+2” hanno promosso una serie di riflessioni sul- • proporre strategie didattiche che favoriscano il
l’efficacia dell’attuale didattica universitaria spesso re- coinvolgimento attivo degli studenti.
legata a un ruolo marginale e, quasi sempre, lasciata
all’improvvisazione e alla buona volontà dei docenti. Negli ultimissimi anni, poi, questi obiettivi hanno as-
È, invece, del tutto evidente che in altri paesi la Didattica sunto rilevanza ancora maggiore per via dell’intro-
riveste un ruolo di ben altro rilievo e che nella lettera- duzione a livello nazionale di corsi di Didattica nei
tura internazionale si discute sulle più idonee, signifi- piani di studio universitari. La Scuola è pertanto ri-
cative e consolidate esperienze di ricerca in didattica, volta a docenti universitari, particolarmente quelli
esattamente come si verifica per la ricerca scientifica. coinvolti nei nuovi corsi di Didattica Chimica; inoltre,
La Divisione di Didattica ha recepito queste necessità allo scopo di mettere in risalto la continuità didattica
e ha costituito un gruppo di lavoro (Aldo Borsese, Li- fra scuola e università, è incoraggiata anche la par-
berato Cardellini, Marilena Carnasciali, Michele A. tecipazione di un numero limitato di docenti della
Floriano, Antonella Rossi, Silvana Saiello, Eugenio scuola secondaria particolarmente motivati.
4 Chimica nella Scuola 2 – 2021
Introduzione
Edizione 2020 della Scuola • Struttura e forma molecolare, Giovanni Villani (IC-
Nel 2020 l’organizzazione della Scuola, arrivata alla COM-CNR, Pisa).
sua XII edizione, è stata affidata ad un Comitato Ese-
cutivo, formato da Eleonora Aquilini, Anna Caronia, Gioco forza quest’anno si è dovuta adottare la mo-
Michele A. Floriano, Elena Ghibaudi, Antonio Testoni, dalità on-line, ma si è cercato di salvaguardare al
Mariano Venanzi e Giovanni Villani, che ha scelto massimo il “concetto di scuola” limitando, come nel
come tema “Legami fra atomi e interazioni fra mole- caso delle edizioni svolte in presenza, il numero de-
cole: Concetti e didattica”. gli iscritti a 30 e riservando ampi spazi per la discus-
Una tale scelta si basa sulla considerazione che il le- sione. Infatti, in accordo con il consueto modo di
game chimico è un concetto fondante della Chimica, procedere della Scuola, i partecipanti sono stati di-
nel senso pieno del termine. Infatti, come è stato visi in quattro gruppi di lavoro che, prendendo spun-
messo bene in evidenza durante la Scuola, da un to dalle relazioni degli esperti, hanno esaminato il
punto di vista storico ed epistemologico, assieme a concetto del legame chimico e delle interazioni fra
quello puramente contenutistico, la distinzione tra le molecole dai seguenti punti di vista:
atomo e molecola costituisce un passaggio fonda- • la prospettiva storico-epistemologica
mentale e alla base della definizione di molecola c’è • la continuità didattica e concettuale tra scuola e
il concetto del legame chimico, la “colla” che tiene università (requisiti)
insieme gli atomi, gli elementi indivisibili della ma- • il sapere disciplinare
teria secondo Dalton, e che restano tali fino a quando • le problematiche didattiche
ci muoviamo all’interno di una scala di energie “chi-
miche”. Il concetto, che trae le sue origini da quelli di Ciascun gruppo di lavoro ha elaborato le proprie ri-
affinità e di valenza, trova una più precisa definizione flessioni privilegiando una di queste prospettive, ri-
con la proposizione di Lewis della condivisione di flessioni che sono poi state condivise fra tutti.
coppie di elettroni e rivela la sua natura puramente Nelle pagine che seguono sono riportati i riassunti
quantistica con l’introduzione formale dei modelli delle relazioni tenute dagli esperti, con il link ai video
Valence Bond e Molecular Orbitals. In un orizzonte dell’intera relazione, e un’accurata analisi delle con-
più ampio, anche la trattazione delle interazioni in- siderazioni emerse dalla discussione dei gruppi.
termolecolari rientra a pieno titolo in questo scenario Concludo questa breve introduzione dicendo che
e, presentando notevoli implicazioni sul piano didat- l’edizione 2020 della Scuola si è aperta con una bel-
tico, è stata parte integrante della Scuola. lissima sorpresa; è intervenuto per salutare i parte-
Gli aspetti concettuali, didattici, epistemologici e cipanti Andrea Segre, regista del film Molecole, pre-
storici sopra delineati sono stati affrontati nelle se- sentato alla Mostra Internazionale del Cinema di
guenti relazioni tenute da esperti del settore. Venezia, e figlio di Ulderico Segre. Si è trattato di un
• Uno sguardo epistemologico sul concetto di lega- intervento non solo appropriato, dal momento che
me chimico, Elena Ghibaudi e Federica Branchini il titolo del film riprendeva il tema della Scuola, ma
(Università degli Studi di Torino); anche e soprattutto molto coinvolgente e toccante
• Teoria elettronica della valenza e natura del le- perché Andrea
game chimico secondo Lewis, Eleonora Aquilini ha mostrato al-
e Antonio Testoni (DDSCI); cuni spezzoni del
• A ‘compound’ of learning impediments: alterna- suo film in cui
tive conceptions of the chemical bond, Keith Ta- l’atmosfera di Ve-
ber (University of Cambridge, UK); nezia durante il
• L’acqua: una molecola, due legami, tre atomi. lockdown fa da
Quattro modi per descriverla, Donato Monti (Uni- cornice ai ricordi
versità La Sapienza, Roma); dell’infanzia tra-
• La natura del legame covalente e approcci com- scorsa accanto al
putazionali, Michele A. Floriano (Università degli padre.
Studi Palermo), Mariano Venanzi (Università de-
gli Studi Tor Vergata, Roma), Giovanni Villani (IC-
COM-CNR, Pisa);
• Oltre la molecola, Luigi Fabbrizzi (Università de-
gli Studi di Pavia);
Chimica nella Scuola 2 – 2021 5
Didattica a tutto tondo – Scuola di Didattica e Ricerca Educativa “Ulderico Segre”
Elena Ghibaudi e Federica Branchini
Dipartimento di Chimica - Università degli Studi di Torino
elena.ghibaudi@unito.it
Uno sguardo epistemologico
sul concetto di legame chimico
L’ epistemologia disciplinare (p.es. quella della
chimica) è la riflessione critica sul sapere pro-
dotto da una disciplina, sui suoi concetti fondanti,
acting between them are such as to lead to the for-
mation of an aggregate with sufficient stability to
make it convenient for the chemist to consider it as
sulle teorie di riferimento, sulla sua struttura logica an independent molecular species” [2]. Le parole di
e le sue pratiche conoscitive. Essa è dunque essen- Pauling sollevano una questione rilevante: ricono-
ziale per definire l’identità stessa della disciplina ed sciamo come legame chimico solo quello tipico del-
intrattiene un rapporto bidirezionale con la didatti- le specie molecolari (ossia un legame direzionale)?
ca: l’epistemologia informa la didattica; d’altra parte, Tale sembra essere la posizione di Del Re [3] che
è la stessa trasposizione didattica a suscitare inter- propone anche un criterio di tipo energetico: “Il
rogativi ai quali l’epistemologia è chiamata a rispon- nome legame dovrebbe essere riservato ad una mo-
dere. Di qui l’importanza di curare il rapporto tra dalità di associazione chimica caratterizzata da ener-
questi due aspetti della chimica. gie dell’ordine delle centinaia di kJ/mol (1-10 eV), e
Il concetto di legame chimico è un concetto fondan- corrispondente ad una interazione fortemente dire-
te della chimica e contribuisce a strutturare la di- zionale fra gli atomi di una coppia […] Questa limi-
sciplina correlandosi ad altri concetti, quali quello tazione esclude, per una ragione o per l’altra, non
di molecola, di struttura (molecolare), di valenza. solo il legame di van der Waals, ma anche il legame
La storia del concetto di legame evidenzia come il ionico e il legame metallico; anche il legame idroge-
suo campo di riferimento teorico sia variato nel no è piuttosto debole e andrebbe chiamato piutto-
tempo, influenzando la definizione e la modellizza- sto ponte idrogeno”. Del Re qui afferma (giustamen-
zione del legame. Tuttavia, sin dalle prime defini- te) la centralità del concetto di molecola, ma si
zioni, si è tenuto a sottolinearne il carattere imma- spinge anche oltre, suggerendo implicitamente una
teriale: un legame non è un ente materiale, posizione preminente della chimica organica sulla
l’ontologia del legame è di tipo relazionale. Fran- chimica inorganica. Tale posizione (piuttosto radi-
kland [1] ce lo ricorda, affermando che “By the term cale) non è tuttavia condivisa da tutti. Ad esempio,
bond, I intend merely to give a more concrete ex- Paoloni [4] dapprima sottolinea il nesso tra legame
pression to what has received various names from e topologia e poi sostiene la prospettiva unificante
different chemists, such as an atomicity, an atomic della meccanica quantistica nei confronti di tutti i
power, and an equivalence. [...] By this term I do not tipi di interazioni interatomiche: “Nelle formule mo-
intend to convey the idea of any material connection lecolari strutturali di Couper e Kekulé la nozione di
between the elements of a compound”. Vari decenni legame implicò quella di adiacenza tra atomi legati
più tardi, Pauling [2] si spinge oltre, sottolineandone e poi, quando venne accettata l’ipotesi di Van’t Hoff
il carattere astratto: “Bonds are theoretical con- e di Le Bel, anche la nozione di direzione relativa dei
structs, idealizations, which have aided chemists legami dentro la molecola. Per molti anni, legami
during the past one hundred years in developing covalenti, ionici, dativi, metallici, a un elettrone, a
the convenient and extremely valuable classical tre elettroni, a ponte, donatore-accettore, chelati,
structure theory of organic chemistry”. Il concetto coordinati, legami a idrogeno, sono stati concetti
di legame è dunque uno strumento interpretativo usati separatamente. La meccanica quantistica ha
teorico che serve a identificare una relazione privi- reso inutile questa frammentazione concettuale la
legiata tra atomi ed intrattiene una relazione circo- cui perpetuazione didattica è dannosa perché tende
lare con il concetto di struttura e quello di molecola: a mantenere una dicotomia metodologica tra chi-
“We shall say that there is a chemical bond between mica e fisica che non ha più alcuna giustificazione”.
two atoms or groups of atoms in case that the forces
6 Chimica nella Scuola 2 – 2021
Uno sguardo epistemologico sul concetto di legame chimico
Fig. 1. Alcune
dicotomie pertinenti il
concetto di legame
Il confronto tra le posizioni di Del Re [3] e di Paoloni tized unit of bonding, which gave the clue to the
[4] evidenzia un aspetto delle interazioni interato- nature of the atomic combination” [6].
miche (usiamo deliberatamente una terminologia Queste poche righe, per nulla esaustive, sono tutta-
onnicomprensiva) che spesso viene trascurato in via sufficienti a mostrare le molte ambiguità e zone
didattica: la doppia prospettiva, strutturale ed d’ombra che - sul piano epistemologico - caratteriz-
energetica, sul legame. Robin Hendry [5] ci ricorda zano un concetto chimico centrale e apparentemen-
che la visione strutturale del legame mira a ritenere te consolidato come quello di legame. Nell’impos-
“the explanatory insights afforded by classical sibilità di una discussione più ampia, ci limiteremo
structural formulas”. Il legame qui è inteso come ad elencare alcune dicotomie che caratterizzano il
relazione localizzata e direzionale tra atomi. La vi- concetto di legame e che abbiamo riassunto grafi-
sione energetica invece si focalizza sulle stabilizza- camente in Figura 1, proponendo qualche interro-
zioni energetiche che giustificano la formazione di gativo che lasciamo alla riflessione del lettore.
interazioni interatomiche. Non vi è necessità di di- • Visione fisica vs. visione chimica del legame: il
rezionalità né di localizzazione del legame. Secon- chimico parla di legami ponendosi nella prospet-
do Hendry, la visione energetica è “more general tiva della reattività delle sostanze; il fisico si pone
and agnostic than the structural view”. Di fatto, in una prospettiva energetica e differenzia le in-
questa duplicità di punti di vista evidenzia il fatto terazioni sulla base di scale di energia. Come con-
che il concetto di legame ha sia un significato chi- ciliare le due visioni nell’insegnamento della chi-
mico sia un significato fisico. Il primo è incentrato mica?
sulla reattività delle sostanze: “chemical reactions • Legami intramolecolari vs. intermolecolari: pur
are understood in terms of the breaking and ma- trattandosi in entrambi i casi di interazioni inte-
king of bonds” [5]. Il secondo considera i legami ratomiche che originano da una stessa base fisi-
come interazioni di natura fisica e le differenzia ca, per la chimica hanno significati molto diversi
solo sulla base dell’entità dell’energia di legame rispetto alla fisica. Meritano entrambi la qualifica
coinvolta (giustificando così la maggiore o minore di legami? ‘Derubrichiamo’ i secondi a interazioni?
stabilità degli addotti o aggregati che si vengono a La chimica supramolecolare può suggerirci qual-
formare). Quindi, il legame - pur poggiando su basi cosa?
fisiche - non è riducibile ad esse: ha un profondo • Direzionalità vs. adirezionalità: in chimica orga-
significato chimico, in quanto i chimici lo utilizzano nica, dove la molecola è centrale, il legame desi-
per ragionare sulle trasformazioni delle sostanze e gna un’interazione direzionale. In chimica inor-
per giustificarne le loro proprietà chimico-fisiche. ganica, ove si trattano sostanze ioniche e
La sola prospettiva fisica non avrebbe mai condotto metalliche, non è così. Un terzo caso è dato dai
alla elaborazione di modelli di legame come quello complessi metallici. Se il concetto di legame ‘in-
di Lewis: “Lewis did not try to understand the ‘‘for- forma’ quello di molecola, come qualifichiamo le
ces’’; instead, he let himself be guided by his chemi- forze che tengono insieme le sostanze ioniche e
cal overview to hypothesize the pairing as a quan- metalliche?
Chimica nella Scuola 2 – 2021 7
Didattica a tutto tondo – Scuola di Didattica e Ricerca Educativa “Ulderico Segre”
• La questione lessicale: c’è differenza tra legame o la denaturazione di una proteina? Deve prevale-
(chimico) e interazione (interatomica)? Un fisico re una prospettiva microscopica (focalizzata sui
troverebbe la domanda insensata, laddove per il legami) o una macroscopica (focalizzata sulla per-
chimico è cruciale. D‘altra parte, la letteratura di- sistenza o meno delle sostanze)?
dattica denuncia la problematicità di questa di-
stinzione lessicale [7]. Quale opzione adottare per Nella maggior parte dei casi, le domande qui propo-
l’ambito didattico? ste non contemplano una risposta univoca: questa
• Descrizione del legame secondo la prospettiva dipende da scelte di natura epistemologica. Di qui
classica vs. quella quantistica. Questa dicotomia l’importanza, per chi insegna, di chiarire la propria
è frutto di una evoluzione storica che porta ad posizione epistemologica rispetto alle questioni che
una modifica radicale della descrizione del lega- affronta in aula.
me chimico: nella descrizione classica, l’elettrone
viene trattato come particella carica e le intera- Bibliografia
zioni di legame vengono trattate riferendosi alle [1] E. Frankland, J. Chem. Soc., 1878, 19, 372.
leggi dell’elettrostatica e dell’elettromagnetismo [2] L. Pauling, La natura del legame chimico, Cornell
(lasciando vari problemi irrisolti). Nella descrizio- University Press, Ithaca, 1960.
ne quantistica l’elettrone viene trattato come [3] G. Del Re, Chimica nella Scuola, 1996, 5, 155.
onda e il legame diventa una figura di interferen- [4] L. Paoloni, La chimica e l’industria, 1977, 49, 37.
za tra onde. Ciò risolve vari problemi, ma ne apre [5] R. Hendry, Philosophy of Science, 2008, 75, 909.
altri (ad es. riguardo al rapporto tra legame e [6] S. Shaik, J. Comput. Chem., 2007, 28, 51.
struttura molecolare). Quale opzione adottare per [7] T. Levy Nahum, R. Mamlok-Naaman, A. Hofstein, K. S.
ciascun livello di apprendimento? Taber, Studies in Science Education, 2010, 46(2), 179,
• Classificazione delle trasformazioni: le trasfor- DOI: 10.1080/03057267.2010.504548.
mazioni fisiche vengono spesso descritte come
processi che implicano la rottura di legami inter- Video
molecolari, mentre quelle chimiche implichereb- Per il video della relazione completa, clicca il
bero la rottura di legami intramolecolari. Se il le- seguente link: https://youtu.be/aGGN_yiKjaI
game chimico riguarda un aggregato di atomi che
sia stabile rispetto alle trasformazioni fisiche,
come classificare la vaporizzazione di un metallo
Eleonora Aquilini a,b e Antonio Testoni a
a) Divisione di Didattica della SCI; b) Liceo Artistico “F. Russoli” di Pisa
ele.aquilini6@gmail.com; ajteston@tin.it
Struttura atomica e legame
chimico secondo Lewis
Q uello che andremo a presentare rappresenta il
tentativo di ricostruire il contesto storico e con-
cettuale all’interno del quale è maturato il
tale: com’è stato possibile, nei primi anni del ‘900,
avere una visione così particolareggiata della strut-
tura atomica, tale da poter definire il numero di elet-
modello/teoria di Lewis, per capirne la sua portata troni presenti nei vari strati/gusci all’interno dell’ato-
e valutarne una “trasposizione didattica sensata”, mo? Questa non è una questione che attiene
cioè una narrazione che sia, per quanto possibile, unicamente alla storia della chimica, ma anche e so-
aderente a ciò che è effettivamente avvenuto. Ra- prattutto alla didattica, per almeno due buone ra-
gion per cui va affrontata una questione fondamen- gioni:
8 Chimica nella Scuola 2 – 2021
Struttura atomica e legame chimico secondo Lewis
a. perché il modello di Lewis è innanzitutto un mo- il Lewis del 1916 è dovuto principalmente al fatto
dello di atomo, di struttura atomica prima ancora che proprio in quest’opera si può apprezzare non
che di legame. solo l’originalità e la genialità del suo approccio ad
b. perché l’idea e la determinazione della configu- una problematica così complessa, ma soprattutto la
razione elettronica, intesa come disposizione de- sua versatilità dal punto di vista didattico per un pri-
gli elettroni a strati/gusci all’interno dell’atomo, mo approccio al legame chimico e alla struttura ato-
è antecedente alla quantomeccanica ed ai nume- mica.
ri quantici ed è un’intuizione che fa leva su argo- L’obiettivo che Lewis si pone, in “The atom and the
mentazioni prettamente chimiche. molecule” è chiaro e puramente modellistico “trova-
re al di fuori di ogni considerazione a priori, quale
Infatti, nei primi anni del ‘900 le conoscenze di fisica struttura atomica può spiegare al meglio i fatti chi-
sia teoriche che sperimentali non erano tali per poter mici noti”.
risalire alla configurazione elettronica degli atomi, I fatti chimici noti e ancora privi di interpretazione
per cui furono cruciali argomentazioni chimiche e il erano:
sistema periodico degli elementi è stato probabil- • La polarità e la non polarità delle sostanze
mente il più importante tra i fenomeni chimici che • L’effetto del mezzo (del solvente) sulla polarità
influenzarono maggiormente la teoria atomica. Per- delle sostanze
tanto, lo schema di classificazione di Mendeleev • La struttura molecolare di molte sostanze
svolse un ruolo euristico nelle prime visioni della
struttura atomica, nel senso che all’inizio del ‘900 si In particolare, le differenze fra sostanze polari e non
ipotizzò che gli elettroni fossero disposti a gusci/stra- polari vengono discusse in modo approfondito,
ti all’interno degli atomi e che questa stratificazione prendendo in esame la teoria atomica, di cui Lewis
rispecchiasse la distribuzione periodica degli ele- enuncia sei postulati:
menti. La struttura atomica e il legame chimico sono 1. Ogni atomo contiene un nocciolo che rimane
quindi due aspetti inscindibili del modello di Lewis inalterato nelle ordinarie trasformazioni chimiche
che poggia, per buona parte, su conoscenze chimi- e che possiede un eccesso di cariche positive cor-
che. rispondente al numero del gruppo della tavola
Abbiamo preso in esame quello che è considerato periodica al quale appartiene.
uno degli articoli più importanti della storia del le- 2. L’atomo è formato dal nocciolo e da una parte
game chimico, cioè “The atom and the molecule” di esterna o guscio che, nell’atomo neutro, contiene
Gilbert Newton Lewis del 1916, fermo restando il fat- un numero di elettroni pari all’eccesso di carica
to che l’opera più matura e più completa è quella del positiva contenuta nel nocciolo, ma il numero di
1923 (“Valenza e struttura degli atomi e delle mole- elettroni nel guscio può variare a 0 a 8 nelle tra-
cole”). Il motivo per cui abbiamo scelto di presentare sformazioni chimiche.
Gilbert Newton Lewis e la sua rappresentazione degli atomi.
Chimica nella Scuola 2 – 2021 9
Didattica a tutto tondo – Scuola di Didattica e Ricerca Educativa “Ulderico Segre”
3. L’atomo tende a trattenere nel guscio un numero Questi postulati vengono a costituire l’impianto teo-
pari di elettroni, di preferenza 8, che sono disposti rico per una definizione del concetto di legame che
simmetricamente agli otto spigoli di un cubo. è di fondamentale importanza non solo nella scuola
4. Due gusci atomici sono mutuamente compene- pre-universitaria ma, in generale, per un’acquisizione
trabili. corretta e significativa dello sviluppo di questo aspet-
5. Gli elettroni possono passare con facilità da una to fondamentale della chimica.
posizione a un’altra nel guscio. Tuttavia, essi sono
mantenuti in posizione da vincoli più o meno for- Video
ti, e sia la posizione che la forza del vincolo sono Per il video della relazione completa di
determinate dalla natura dell’atomo stesso e di Testoni, clicca il seguente link:
quelli con cui è combinato. https://youtu.be/e8ow-p4xjHE
6. Le forze elettriche agenti tra le particelle che si
Per il video della relazione completa di
trovano a distanze molto piccole non obbedisco-
Aquilini, clicca il seguente link:
no alla semplice legge del quadrato della distanza
https://youtu.be/8nlY2PMP5po
che vale per grandi distanze.
Keith S. Taber
Emeritus Professor of Science Education, University of Cambridge
kst24@cam.ac.uk
A ‘compound’ of learning
impediments: alternative
conceptions of the chemical bond
T he lecture discussed student thinking about
chemical bonding, and, in particular, how a ran-
ge of alternative conceptions commonly exhibited
nomena observed at the bench are both (i) redescri-
bed in a theoretical conceptual language; and (ii) ex-
plained in terms of unseen, conjectured entities
by students can be understood to be linked into a (‘quanticles’) at a submicroscopic scale; and (iii) re-
general conceptual framework for understanding presented in a specialised symbolic language, part
chemistry - a framework that is inconsistent with ca- of which is shared by (and so can bridge) the macro-
nonical science. scopic and quanticle level descriptions [2]. Chemical
As background, the lecture briefly discussed the si- bonding is commonly discussed as if a property of
gnificance for teaching of learners’ alternative ways actual substances, but strictly belongs to the quan-
of thinking (‘misconceptions’) in terms of how lear- ticle level descriptions.
ning is an interpretive, incremental and iterative pro- A common way of thinking about ionic bonding was
cess [1]; and how ‘teaching-learning’ needs to be un- described, and it was explained how this amounts
derstood as a system where teaching is informed by to a conceptual framework (a ‘molecular’ frame-
assumptions about what a person already knows work) based on several common alternative concep-
and understands, and how they will interpret new tions that collectively offer a coherent account, al-
subject content. Such a system is susceptible to sy- beit one at odds with curriculum science. This was
stem ‘bugs’ or learning impediments. A particular linked to a ubiquitous type of image (see Figure 1),
challenge in chemistry teaching concerns what is so- often seen on websites and in textbooks, which inap-
metimes known as the chemist’s triplet: how phe- propriately associates ionic bonding (for example,
10 Chimica nella Scuola 2 – 2021A ‘compound’ of learning impediments: alternative conceptions of the chemical bond
Fig. 1 A common type of
representation of ionic bond
formation that is based on an
assumption of sodium and
chlorine existing as discrete
atoms that somehow seek to
obtain octets/full outer shells
of electrons despite the
process illustrated being
energetically non-viable.
in NaCl) with an unlikely and energetically non-via- to allow atoms to obtain full outer shells or octets
ble electron transfer event involving isolated atoms of electrons. Students readily adopt this principle
of sodium and chlorine. even though most reactions they learn about in in-
This example reflects two misleading principles that troductory chemistry have reactants in forms alrea-
students very commonly adopt in chemistry. One of dy having these ‘desirable’ configurations. Yet this
these is the assumption of initial atomicity, which in- is not obvious to students if they imagine reactants
volves thinking about chemical reactions as starting in the form of discrete atoms rather than molecules,
with atoms - despite very few substances being ato- ions, or metallic lattices. This is often an anthropo-
mic under common conditions, and those that are morphic form of explanation: that reactions happen
(e.g., He, Ne, Ar) tending to be largely chemically inert. because atoms ‘want’ or ‘need’ to donate, share, or
The other tenet is the full outer shell explanatory accept, electrons to obtain octets or full outer shells.
principle which explains chemistry in teleological Indeed, these alternative conceptions tend to form
terms, seeing the purpose of chemical processes as an extensive conceptual framework [3] - that is, a
Fig. 2 Unlike isolated alternative conceptions that may be individually challenged by teaching, the links
that ‘compound’ an alternative conceptual framework are mutually reinforcing, making it more difficult for
learners to shift their thinking.
Chimica nella Scuola 2 – 2021 11Didattica a tutto tondo – Scuola di Didattica e Ricerca Educativa “Ulderico Segre”
‘compound’ of connected (‘bonded’) alternative con- Being a ‘compound’ of linked and mutually reinfor-
ceptions, rather than just an assortment of discrete cing conceptions [4], these alternative ideas are
ideas - that is applied widely (see Figure 2). It leads especially insidious, and so are often retained de-
to seeing ionic and covalent bonding as a dichotomy spite teaching.
that makes learning about bond polarity difficult,
and which may suggest that hydrogen bonding is References
covalent, and that metallic bonding, solvation for- [1] K. S. Taber, Student Thinking and Learning in Science:
ces, and intermolecular interactions, must be some- Perspectives on the nature and development of
thing other than chemical bonding. learners’ ideas, Routledge, New York, 2014.
This ‘octet’ conceptual framework (which subsumes [2] K. S. Taber, Chemistry Education Research and Practice,
the molecular framework for ionic bonding) leads 2013, 14(2), 156-168; doi:10.1039/C3RP00012E
to students making incorrect, and sometimes extre- [3] K. S. Taber, International Journal of Science Education,
me, predictions of ionic stability (so Na7- is often con- 1998, 20(5), 597-608.
sidered chemically stable as it has an outer shell oc- [4] K. S. Taber, in Concepts of Matter in Science Education
tet - despite being a highly charged metallic anion). (Eds. G. Tsaparlis, H. Sevian), pp. 391-418, Springer,
It is also applied in explaining patterns in ionisation Dordrecht, 2013.
enthalpies: so, for example, explaining that Ne and
Ar have the highest ionisation energies in their pe- Video
riods because of some mystical special stability of Per il video della relazione completa, clicca il
their octet structures (despite these elements fitting seguente link: https://science-education-
with the general ‘trends’ of increasing first ionisation research.com/publications/miscellaneous
energy with increasing core charge). /alternative-conceptions-of-the-chemical-
bond
Donato Monti
Dipartimento di Chimica – Università degli Studi La Sapienza di Roma
donato.monti@uniroma1.it
L’acqua: una molecola, due
legami, tre atomi. Quattro modi
per descriverla
L a molecola dell’acqua è essenziale per la vita sul
nostro pianeta, almeno per come la conosciamo.
Per questo nella mia lezione ho voluto prendere spun-
ovvero del legame formato per condivisione di una
coppia di elettroni; 2) teoria di Gillespie (VSEPR), ba-
sata sulla minima energia di repulsione delle coppie
to da questa molecola per ripercorrere brevemente elettroniche esistenti sulla molecola in seguito alla
l’approccio che generalmente seguo per introdurre i formazione dei legami; 3) ibridazione (teoria del le-
concetti di legame covalente e struttura molecolare game di valenza, L. Pauling); 4) teoria degli orbitali
nelle mie lezioni di Chimica Generale per gli studenti molecolari (MO). Vedremo che i primi due modelli,
del primo anno del Corso di Laurea in Chimica. I testi sebbene offrano un utilissimo strumento per la de-
di riferimento di livello universitario trattano gli argo- terminazione della struttura generale (numero dei
menti presentati in maniera sostanzialmente equiva- legami e loro disposizione spaziale tridimensionale),
lente, anche se con accenti diversi [1]. si fermano ad un piano di descrizione puramente
Per la determinazione della struttura molecolare uti- qualitativo, senza fornire previsioni relative a distan-
lizzo a livelli successivi di complessità di descrizione ze ed energie di legame, fattori chiave per l’interpre-
del legame chimico: 1) formule (o strutture) di Lewis,
12 Chimica nella Scuola 2 – 2021L’acqua: una molecola, due legami, tre atomi. Quattro modi per descriverla
tazione e la previsione della stabilità e della reattività rezionali (minimizzazione delle energie di repulsione
“chimica” di una molecola. elettronica).
Un punto su cui occorre prestare molta attenzione
1) Determinazione delle formule di Lewis durante la lezione è la descrizione del processo di
Il modello di Lewis richiede: a) la valutazione del nu- ibridazione come “promozione” di uno degli elettro-
mero degli elettroni di valenza totali, al quale con- ni 2s al livello 2p (ad es. nell’atomo di C il passaggio
tribuiscono tutti gli atomi che costituiscono la mo- dalla configurazione 2s22p2 alla configurazione
lecola; b) l’impiego di una coppia di elettroni per la 2s12p3). Questo approccio rischia di diventare fuor-
formazione di ogni legame, perfettamente condivisi viante; infatti, per l’atomo di O si tratterebbe di una
nel caso di legame covalente puro; c) la disposizione promozione da 2s22p4 a 2s12p5, che non darebbe luo-
degli elettroni restanti, a coppie sull’atomo più elet- go ad un aumento del numero degli elettroni spaiati,
tronegativo, fino, se possibile, al raggiungimento e quindi dei legami.
dell’ottetto elettronico. È chiaro che, a questo primo
livello di trattazione, non vi è nessuna indicazione 4) Trattazione della struttura mediante la
energetica sulle possibili disposizioni degli atomi Teoria degli Orbitali Molecolari
che compongono la molecola, cioè disposizione li- La trattazione della struttura dell’acqua mediante la
neare o ortogonale dei legami O–H nella molecola teoria MO non può essere affrontata in una lezione
di acqua: rivolta agli studenti del primo anno. Alcuni concetti,
H •• O •• H O •• H che saranno introdotti nelle lezioni successive in una
trattazione qualitativa della teoria, potranno però
•• essere richiamati per offrire agli studenti un quadro
H più ampio del legame chimico e per focalizzare la
loro attenzione sul fatto che non è sufficiente un solo
2) Previsione della geometria tridimensionale approccio, un solo modello, ma tutti insieme siner-
mediante la Teoria VSEPR gicamente concorrono alla rappresentazione e pre-
La teoria VSEPR (acronimo per Valence Shell Elec- visione della struttura molecolare.
tron-Pair Repulsion) è basata sulla minimizzazione Nel quadro della teoria MO il processo di ibridazione
dell’energia di repulsione tra le coppie elettroniche è il prodotto naturale della costruzione di un orbitale
presenti nella molecola (coppie solitarie e coppie di ibrido a partire dalla combinazione lineare di orbitali
legame). In realtà il testo originale di Gillespie [2] atomici. Nel caso dell’atomo di ossigeno, a causa de-
mette in risalto anche l’importanza del Principio di gli effetti di schermo, si ha una differenza di energia
Esclusione di Pauli, che offre una spiegazione razio- tra gli orbitali 2s e 2p di circa 1580 kJ/mol. Questo
nale del coinvolgimento di “coppie di elettroni” nella porterà nella formazione dell’ibrido sp3 ad un mino-
formazione dei legami. Nel nostro caso, i due legami re contributo della funzione 2s rispetto a quella a
O–H e i due lone pair localizzati sull’atomo di ossi- maggiore energia 2p. Nel caso dell’acqua (θ =
geno danno luogo ad un “assetto tetraedrico” delle 104.5°), gli orbitali ibridi coinvolti nel legame hanno
densità elettroniche, prevedendo un angolo di lega- un 20 % di carattere s e un 80 % di carattere p.
me H–O–H di 109.5°. La maggiore densità elettronica
dei lone pair provocherà un maggiore effetto repul- Bibliografia
sivo causando un restringimento dell’angolo di le- [1] P. Atkins, L. Jones, Principi di Chimica, Ed. Zanichelli,
game H–O–H, al valore di 104.5°. Bologna, 2006; P. Silvestroni, Fondamenti di Chimica, XI
edizione, CEA, Bologna, 2020; D. W. Oxtoby, H. P. Gills,
3) Teoria del Legame di Valenza; Ibridazione A. Champion, Chimica Moderna, EdiSES, Napoli, 2013.
Il concetto di ibridazione (o ibridizzazione) fu svilup- [2] R. J. Gillespie, P. L. A. Popelier, Chemical Bonding and
pato da Linus Pauling nell’alveo della Teoria del Le- Molecular Geometry, Oxford University Press, 2001.
game di Valenza (VB) [3]. Questo concetto offre una [3] L. Pauling. The Nature of the Chemical Bond, Cornell
conveniente interpretazione delle strutture moleco- University Press., 1960.
lari, in termini di geometria, distanze ed angoli di le-
game, energie di legame. Il processo di formazione Video
di orbitali ibridi porta ad un consistente aumento di Per il video della relazione completa, clicca il
energia (dell’ordine delle centinaia di kJ/mol), che seguente link:
però viene ampiamente ripagato dalla formazione https://youtu.be/uZKBfgqQwkU
di legami più forti (sovrapposizione ottimale) e di-
Chimica nella Scuola 2 – 2021 13Didattica a tutto tondo – Scuola di Didattica e Ricerca Educativa “Ulderico Segre”
Michele Antonio Floriano a, Mariano Venanzi b, Giovanni Villani c
a) Dipartimento di Scienze e Tecnologie Biologiche Chimiche e Farmaceutiche, Università degli Studi
Palermo;
b) Dipartimento di Scienze e Tecnologie Chimiche, Università degli Studi di Roma “Tor Vergata”;
c) Istituto di Chimica dei Composti OrganoMetallici - CNR, Pisa
michele.floriano@unipa.it; venanzi@uniroma2.it; villani@pi.iccom.cnr.it
La natura del legame
covalente e i moderni metodi
computazionali
I l concetto di legame chimico, e di quello covalente
in particolare, nasce nell’Ottocento e, quindi, prima
della formulazione della Meccanica Quantistica. Esso,
su due semplici sistemi, H2+ e H2. Il primo è il più sem-
plice sistema molecolare, con una stabilizzazione di
circa 40 kcal/mol rispetto ai due atomi separati. La
tuttavia, è stato notevolmente modificato dall’intro- soluzione quantistica di questo sistema è analitica,
duzione di questa teoria fisica e collegato principal- e permette di quantizzare separatamente le coordi-
mente alla componente elettronica della molecola. nate spaziali, associando ad ogni coordinata un nu-
Nello studio teorico degli stati elettronici molecolari, mero quantico. Dalla soluzione di questa equazione
generalmente le componenti nucleari ed elettroniche a singola particella si ottengono autofunzioni (orbi-
del moto vengono separate. Alla base di questa sepa- tali molecolari) e autovalori (energie molecolari). La
razione, nota come Approssimazione di Born-Oppen- molecola di H2, un sistema a due elettroni, permette
heimer, c’è la semplice considerazione fisica che la di introdurre i concetti fondamentali della energia
massa nucleare è circa 2000 volte più grande della di correlazione elettronica (responsabile della sta-
massa di un elettrone. Il moto degli elettroni, in que- bilizzazione del legame chimico) e di spin-orbitale
sta approssimazione, è risolto tramite un’equazione (principio di Pauli). Questi due sistemi, pur nella loro
di Schrödinger, in cui i nuclei sono considerati fermi. semplicità, permettono quindi di affrontare e chia-
È possibile in questo modo generare una superficie rire i termini fondamentali della origine fisica del le-
di energia potenziale costituita dalle energie elettro- game chimico e la sua natura puramente quantisti-
niche calcolate per ogni possibile posizione dei nuclei, ca. Questi temi potrebbero essere affrontati in un
considerati in posizione fissata. Questa energia po- corso universitario successivo all’insegnamento di
tenziale è poi impiegata nella equazione di Schrödin- Chimica Generale, ma comunque erogato nei primi
ger che descrive il moto nucleare. È questo passaggio anni del corso di studio (secondo o terzo semestre).
che lega il concetto di legame chimico (densità elet-
tronica) alla struttura molecolare (posi-
zione dei nuclei all’equilibrio). Dato che
il calcolo quantistico della densità elet-
tronica di molecole complesse non è ri-
solubile analiticamente, e che anche la
soluzione numerica richiede tempi di
calcolo proibitivi, la Chimica Quantistica
ha introdotto approcci differenti a livelli
diversi di approssimazione.
In questa Scuola, dopo una breve intro-
duzione generale di Antonio Floriano,
gli aspetti essenziali del legame chimico
sono stati mostrati da Mariano Venanzi
14 Chimica nella Scuola 2 – 2021La natura del legame covalente e i moderni metodi computazionali
La relazione di Giovanni Villani, che è seguita, ha trat- collegamento tra la densità elettronica e il potenzia-
tato gli aspetti più generali del legame chimico nella le globale del sistema (DFT) per evitare di utilizzare
moderna Chimica Quantistica. In particolare, dopo gli orbitali atomici nella descrizione della parte elet-
aver identificato i principali aspetti quantistici (l’in- tronica della molecola.
distinguibilità degli elettroni, per esempio) e alcune
modellizzazioni (come la scelta di una funzione ma- Video
tematica per ogni elettrone o il modello idrogenoi- Per il video del contributo completo di
de), ha esaminato la definizione di spin-orbitale e Venanzi, clicca il seguente link:
ad alcune sue concezioni difformi: lo spin-orbitale è https://youtu.be/Ch30be532AA
stato definito come lo stato quantistico di un elet-
trone nel modello idrogenoide. Si sono considerate,
Per il video del contributo completo di
infine, le tre principali teorie per studiare i legami
Villani, clicca il seguente link:
chimici, mostrandone i rispettivi punti di forza e di
https://youtu.be/9t9RyGlnq7Q
debolezza: quella del Valence Bond (VB), quella
dell’orbitale molecolare (MO) e quella che utilizza il
Luigi Fabbrizzi
Professore emerito del Dipartimento di Chimica, Università degli Studi di Pavia
luigi.fabbrizzi@unipv.it
Oltre la molecola: le forze
intermolecolari da van der Waals
alla doppia elica del DNA
L ’interesse per le interazioni intermolecolari si
sviluppò nei primi decenni del XIX secolo con gli
studi sulla liquefazione dei gas. Si dovette però ar-
Nell’equazione (1) la costante a corregge la pressio-
ne, sperimentalmente determinata, per l’attrazione
tra le molecole, mentre la costante b corregge il vo-
rivare al 1869 perché Thomas Andrews, chimico lume del recipiente per la parte effettivamente oc-
nord-irlandese, con accurate e ingegnose indagini cupata dalle molecole, intese come sfere dure.
sperimentali, chiarisse quantitativamente la dipen-
denza dello stato dei fluidi dalla pressione, la tem-
peratura e il volume, definendo in particolare la tem-
peratura critica Tc: sotto Tc il vapore sottoposto a un
aumento di pressione diviene liquido, sopra Tc il gas
rimane gas, quale che sia la pressione imposta.
Nella parte a della figura 1 sono riportate le isoterme
di Andrews per la CO2. L’isoterma a 31 °C identifica la Le isoterme p vs V calcolate attraverso l’equazione
temperatura critica, alla quale non esiste disconti- (2) non interpretano completamente quelle di An-
nuità tra vapore e liquido e sotto la quale invece li- drews (parte b della figura 1). In particolare, non pre-
quido e vapore saturo coesistono in fasi separate. Nel sentano sotto TC la discontinuità (segmento piatto)
1873 Johannes Diderik van der Waals, nella sua tesi che corrisponde alla coesistenza liquido-vapore sa-
di dottorato in Fisica presso l’Università di Leiden, ri- turo. Tale discontinuità, tuttavia, può essere empi-
cavò un’equazione di stato personalizzata per cia- ricamente ottenuta tracciando un segmento a un va-
scun gas attraverso le costanti a e b. lore di pressione tale che le aree sottese dagli archi
Chimica nella Scuola 2 – 2021 15Didattica a tutto tondo – Scuola di Didattica e Ricerca Educativa “Ulderico Segre”
Fig. 1 Isoterme
di Andrews per il
diossido di carbonio.
di curva, concavo e convesso, siano uguali (vedi par- l’energia corrispondente EL, nella cui espressione
te b della figura 1). compaiono la polarizzazione α e l’energia di ioniz-
Solo nelle prime due decadi del XX secolo sono state zazione I delle molecole A e B (atomi, se gas nobili).
formulate teorie capaci di giustificare l’attrazione in- In termini semplici, nella molecola A si stabilisce un
termolecolare su una base elettrostatica: (i) dal fisico temporaneo spiazzamento di cariche e questo indu-
olandese Willem Hendrik Keesom, che descrisse l’in- ce un dipolo in una molecola adiacente B e così via
terazione tra due molecole polari (dipoli permanen- propagandosi (forze di dispersione o di London).
ti) A e B, con momento μA e μB, separati da una di- Le forze intermolecolari sopra descritte sono definite
stanza r; si noti che l’energia corrispondente EK tutte insieme forze di van der Waals. Nelle varie teo-
decresce con la temperatura; (ii) dall’altro fisico olan- rie, tutte formulate da fisici, le molecole sono con-
dese, poi naturalizzato americano, Petrus Debije (Pe- siderate sfere dure e non gruppi di atomi tenuti in-
ter Debye), che trattò l’interazione tra una molecola sieme da legami chimici, con una loro struttura
polare A (dipolo permanente, con momento μA) e definita. Quasi contemporaneamente, nel decennio
un’adiacente molecola apolare B, nella quale viene 1920-30 a Berkeley, presso il College of Chemistry
indotto un dipolo. L’energia dell’interazione ED di- fondato e diretto da G. N. Lewis, veniva scoperto e
pende linearmente da αB, polarizzabilità, grandezza caratterizzato un nuovo tipo di interazione intermo-
che esprime la tendenza della nuvola elettronica di lecolare: il legame di idrogeno che, per semplifica-
B a lasciarsi distorcere dal campo elettrico. zione didattica, viene oggi classificato come un caso
Restava ancora da spiegare la natura dell’interazione particolare di interazione tra dipoli permanenti (Kee-
attrattiva tra molecole apolari e giustificare per som). Questa interazione, inizialmente considerata
esempio il fatto che, nel gruppo degli alogeni, F2 e come una derivazione (o meglio, un’eccezione) del
Cl2 sono gassosi, Br2 liquido e I2 solido, a temperatura legame a coppia di elettroni di Lewis, venne intro-
ambiente. Ci pensò Fritz London, fisico tedesco, che dotta per spiegare una varietà di evidenze sperimen-
applicò l’equazione di Schrödinger a un sistema di tali: l’anomalia dei punti di fusione e di ebollizione
due dipoli fluttuanti A e B e ne ricavò le soluzioni e di NH3, H2O e HF in confronto ai corrispondenti com-
posti con l’idrogeno dei rispettivi gruppi; la struttura
ai raggi-X del ghiaccio e di K[HF2]. Il legame di idro-
geno è tradizionalmente indicato dalla formula
X–H•••Y (X = Y = N, O, F), dove il frammento X–H è il
donatore e Y l’accettore. Il donatore N–H (ammidico,
amminico) e gli accettori N(sp2, sp3) e O(sp2, sp3) sono
ubiqui nelle molecole della biologia e tutti i processi
vitali dai più semplici ai più complessi implicano la
formazione-rottura di legami di idrogeno. La carat-
teristica di questo legame, che può raggiungere
16 Chimica nella Scuola 2 – 2021Puoi anche leggere
