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La chimica intorno a noi: per una cultura della chimica basata sui suoi principi fondanti

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(3° parte) Dall’inserto speciale “La chimica: una scienza naturale per uno sviluppo sostenibile” a cura di Caterina Vittori, Franco Rosso ed Annarita Ruberto, pubblicato sulla rivista Scuola e Didattica (n. 8, 1 dicembre 2011, anno LVII, Editrice La Scuola).
Sull’argomento “La Chimica intorno a noi”, leggi la 1° parte “La Chimica: percepirne la presenza per valorizzarne le opportunità”  |  leggi la 2° parte “La Chimica: come scienza naturale e come applicazione tecnologica. Una realtà da (ri)scorprie

formule di chimica alla lavagnaNello scenario non propriamente favorevole finora descritto, la scuola secondaria di primo grado può svolgere un ruolo delicato ed essenziale per favorire la crescita, nei ragazzi, delle coscienze e di quella forma mentis che dovrebbe auspicabilmente precedere l’acquisizione delle conoscenze disciplinari specifiche, che si concentrerà nel ciclo scolastico successivo ed eventualmente nel percorso universitario.
Le criticità, finora sollevate nell’esaminare la percezione della chimica, e relative ad una popolazione adulta o tale da collocarsi comunque al di fuori del percorso formativo di tipo scolastico, lette in negativo possono costituire una valida traccia circa gli argomenti culturali riguardanti la chimica, su cui sarebbe più opportuno soffermarsi nella delicata fase educativa di tipo preliminare.
Sembrerebbe in apparenza un’ovvietà, o per taluni, al contrario, un sovvertimento dell’ordine logico delle cose, ma risulta a questo punto essenziale riuscire a trasmettere un’idea corretta di cosa la chimica effettivamente sia, prima ancora che ne vengano trasmessi i contenuti informativi specifici.
Prima ancora che imparata, la chimica dev’essere riconosciuta e quindi accettata nella sua valenza di disciplina trasversale: un approccio questo che segna una fondamentale differenziazione rispetto alle altre discipline, pure anch’esse scientifiche o tecnologiche, di tipo settoriale. In secondo luogo dovranno essere compresi anche i confini disciplinari della chimica che, com’è noto, cede il passo alla fisica quando passa a considerare l’organizzazione più elementare, ed alla biologia (o alla geologia, o alla scienza dei materiali) quando prende in esame l’organizzazione più complessa della materia.
Il riconoscimento della connotazione chimica, o degli aspetti chimici relativi a fenomeni, pratiche ed oggetti con i quali abbiamo a che fare quotidianamente, è certamente il primo passo in direzione di un obiettivo di sensibilizzazione, ambizioso ma pure necessario. Stiamo parlando della consapevolezza del fatto che la chimica non debba essere identificata, in linea con la sua iconografia popolare più diffusa, con i suoi strumenti, le sue formule e le sue polverine composte da sostanze idealmente pure, ma rappresenti semplicemente un modo per vedere, intendere ed interpretare la realtà materiale che ci circonda e della quale facciamo parte. Un punto di osservazione privilegiato, quindi, estremamente oggettivo, coerente e sottile, che ci offre inoltre la possibilità di intervenire sulle realtà stesse esaminate, almeno entro certi limiti, al fine di modificarle e di trasformarle in modo controllabile e nel senso desiderato. La vera magia offerta dalla chimica non consiste quindi in esplosioni di effervescenze e di colori mutevoli, tanto sorprendenti quanto impermeabili ad un approccio razionale, ma piuttosto nella straordinaria possibilità di operare delle trasformazioni intenzionali e mirate della natura stessa delle sostanze e, per estensione, degli oggetti che ci circondano, dando all’uomo uno strumento razionale straordinariamente potente per migliorare il mondo in cui vive.

Entrando più nel merito dei contenuti formativi, la chimica porta con sé alcuni concetti fondanti di valore culturale imprescindibile che, indipendentemente dal percorso di studi che sarà poi seguito dallo studente, dovrebbero entrare a far parte non solo della conoscenza di base ma, per così dire, anche della coscienza scientifica di ognuno di noi.
Uno di questi è il concetto di identità chimica: due sostanze aventi la stessa struttura molecolare (quindi stessi atomi, isotopi, legami e conformazione) sono di fatto la stessa sostanza. Non sono soltanto identiche: sono proprio la stessa cosa, perfettamente permutabili l’una con l’altra senza alcuna possibilità né ragione di riconoscimento.

identità_chimica_acido_salicilico


In altre parole, in chimica la natura di sostanza, e di conseguenza se due sostanze potenzialmente differenti cose sono di fatto la stessa cosa oppure no, è data unicamente da come essa è fatta a livello microscopico. Non vi sono altre qualità da ricercare, niente di nascosto, di recondito, di più profondo su cui possa essere basata una differenza oggettiva fra due sostanze, escludendo in questo modo anche ogni possibile ingerenza da parte di valutazioni di natura filosofica o di principio. Una sostanza spontaneamente contenuta in un prodotto naturale, ad esempio una benefica vitamina che arricchisce il succo di un frutto biologico, non soltanto assomiglia o viene simulata, ma è di fatto la stessa sostanza che un chimico esperto può sintetizzare in laboratorio mettendo insieme pezzi di altre molecole e/o trasformando opportunamente sostanze chimiche anche molto diverse che potrà avere ricavato da qualsiasi altra fonte, comprese quelle (solo in apparenza) percepite come meno naturali, tra cui ad esempio il petrolio. Questo, nella sua banalità, è un concetto molto forte che risulta purtroppo ampiamente disconosciuto, almeno nella sua applicazione pratica ai casi che la vita di tutti i giorni propone, anche da persone che pure hanno avuto modo di studiare chimica per un paio d’anni nella scuola secondaria di secondo grado.

relazioni struttura-proprietà di una molecola, attraverso i descrittori molecolariUn secondo concetto fondante, conseguente anch’esso all’apprendimento dell’idea basilare di molecola, è la relazione di tipo deterministico esistente tra struttura e proprietà. Stiamo parlando di struttura molecolare ma, con opportuni adattamenti, la valutazione può essere agevolmente traslata anche su altri piani, considerando livelli di organizzazione via via più complessi della materia.
Tutte le proprietà di una sostanza, nessuna esclusa, dipendono direttamente o indirettamente da come essa è organizzata, in pratica da “come è fatta” a livello molecolare. Gli elementi chimici che la compongono, i loro rapporti relativi, la loro connettività reciproca tramite legami chimici fino ad arrivare, in taluni casi, allo specifico stato conformazionale: sono tutte caratteristiche strutturali espresse in modo univoco per ciascuna molecola tramite i cosiddetti descrittori molecolari.
Da queste caratteristiche morfologiche molecolari derivano in prima istanza le proprietà chimiche della sostanza, come ad esempio le sue modalità di reazione, quindi quelle fisiche e chimico-fisiche, come ad esempio il punto di ebollizione, la solubilità in un dato solvente ed il logP, fino ad arrivare alle proprietà di tipo biologico e tossicologico ben riassunte almeno nel contesto farmacologico dall’acronimo ADMET (Assorbimento, Distribuzione, Metabolismo, Escrezione, Tossicità).
E’ vero che sul piano operativo l’espletarsi di alcune proprietà può essere fortemente influenzato dall’ambiente chimico circostante, ovvero dalle interazioni con altre molecole e fra queste e lo strumento di misura o valutazione (es. l’assorbimento intestinale di una sostanza può essere influenzato dalla presenza di altre di tipo diverso), ma ragionando su un sistema ideale che non preveda questo tipo di influenze esterne, il principio regge a tal punto da rendere prevedibili e quantificabili queste relazioni. Esistono approcci di calcolo avanzato utilizzati per esempio nella progettazione di molecole biologicamente attive da impiegarsi nel campo farmaceutico, il cosiddetto “drug design”, dove la struttura molecolare del principio attivo è progettata proprio in funzione di un suo spettro di proprietà ADMET ideale. Queste tecniche fanno larghissimo impiego di metodi computazionali basati sulla quantificazione delle relazioni esistenti fra struttura molecolare e proprietà (o attività), le cosiddette tecniche QSAR.

Un terzo concetto fondante, che andremo ora ad esaminare, si riallaccia ancora una volta alla natura molecolare delle sostanze chimiche.  Si tratta del concetto di reazione chimica, intesa come processo che porta alla trasformazione della struttura molecolare, ovvero della trasformazione di una (o più) molecole in un’altra/e di tipo differente. Il concetto di reazione chimica si introduce solitamente in contrapposizione da un lato alle trasformazioni a carico sempre di una sostanza isolata ma che non ne comportino una modifica molecolare (es. transizioni di stato, solubilizzazione, ecc), almeno a livello di connettività interna alla molecola propriamente detta, dall’altro in contrapposizione alla semplice separazione di specie chimiche differenti, contenute in un miscuglio, al di là dello stato fisico del medesimo e della sua omogeneità, comprese le soluzioni.  Per ricongiungersi con il punto precedente, queste separazioni comunque saranno condotte si baseranno proprio sulle diverse proprietà chimico-fisiche possedute dalle diverse sostanze che compongono la miscela, in relazione appunto alla loro struttura molecolare specifica.

separazione e reazione chimica

Non sarà di certo passato inosservato il fatto che tutti i principi cosiddetti fondanti finora riportati, come del resto numerosi altri che potrebbero aggiungersi a questi, prendano le mosse proprio dall’”oggetto molecolare”.
Di fatto, è la molecola, o, per essere ancora più precisi, la “specie chimica”, nella maggioranza dei casi pluriatomica, a costituire l’oggetto essenziale di interesse del chimico. Quindi l’idea che la chimica si occupi di atomi non è in sé sbagliata, ma non centra esattamente la questione: l’atomo in sé stesso, ed ancor più la sua organizzazione interna, è infatti più dominio della fisica che non della chimica.
Prima ancora di addentrarsi nella natura subatomica della materia, esame che del resto risulterebbe frustrante senza la possibilità di utilizzare cognizioni di fisica quantistica o, in mancanza di queste, di un impianto assiomatico che potrebbe dare ai ragazzi l’impressione di avere a che fare con una scienza tutt’altro che sperimentale, è proprio la molecola e, più ingenerale, la specie chimica, a rappresentare il cuore da cui prendono origine ed intorno a cui si imperniano i principi fondanti della disciplina.

Anche a prescindere dal linguaggio utilizzato per la loro presentazione in questa sede a specialisti della didattica, i principi finora descritti sembrerebbero argomenti filosofici complessi che richiederebbero un corso di epistemologia di collocazione universitaria per essere sviluppati adeguatamente. In realtà con il tempo e la pianificazione necessari, attingendo dai numerosi esempi e similitudini disponibili nella nostra vita quotidiana, ed utilizzando infine un linguaggio adeguato al target, tutti questi argomenti di carattere culturale potranno essere agevolmente utilizzati per costruire il vero presupposto educativo, e nel senso letterale del termine “formativo”, propedeutico ai contenuti più specifici e puntuali che saranno successivamente trasmessi nella scuola secondaria di secondo grado.

integrazione scientifico-umanistica

Avendo a che fare con oggetti reali (tali sono gli atomi e le molecole) ma pure estranei al nostro immaginario abituale anche perché non direttamente percepibili con i nostri sensi, è da considerarsi un traguardo tanto ambizioso quanto irrinunciabile assicurarsi l’assimilazione profonda, quasi l’interiorizzazione empatica dei pochi concetti ritenuti fondamentali in questa fase.
Il rischio, diversamente, è quello di ingenerare fraintendimenti o dubbi di principio basati su lacune culturali che rischieranno di accompagnare lo studente fino al termine del suo percorso formativo e che, se non per la fortuita intuizione e l’ intervento di un successivo insegnante particolarmente sensibile e capace, potrebbero rendere pressoché inutilizzabili sul piano culturale i contenuti di chimica successivamente “appresi”. Gli atomi e le molecole si possono vedere al microscopio? Come faccio a sapere che una certa sostanza è fatta da certe molecole? Come si originano le sostanze chimiche che ho visto usare in laboratorio? Come faccio a trasformare una sostanza chimica in un’altra? E cos’è di fatto una “sostanza chimica” rispetto a quelle che non si possono definire tali?

La persistenza di una convinzione neo-vitalistica che porta istintivamente a differenziare le sostanze di origine naturale o biologica da quelle di origine sintetica (o per antonomasia “chimica”), indipendentemente da ogni altro fattore quali l’identità molecolare della sostanza stessa, muove interi comparti dell’economia in una suggestione che, per quanto infondata dal punto di vista scientifico, basa le sue istanze su valutazioni in ultima analisi di natura filosofica. E questo è solo “uno” degli scenari di ampia portata socio-economica che conseguono alla carenza di una cultura scientifica di base, condizione questa che precede e sovrasta l’eventuale mancanza di conoscenze ed abilità specifiche, ed è proprio per migliorare questa condizione che la scuola secondaria di primo grado potrebbe far molto.

l'approccio computazionale all'insegnamento della chimicaNell’ottica della continuità tra i cicli scolastici, sembra opportuno esplicitare inoltre la seguente riflessione riguardante il secondo ciclo di istruzione. I corsi scolastici di chimica, previsti in ogni liceo ed istituto tecnico, attribuiscono grande importanza alla possibilità di applicare procedimenti di calcolo agli oggetti introdotti dalla chimica: in particolare tutto questo trova il suo coronamento nella disciplina della stechiometria, che rischia in taluni casi di costituire quasi il corpus dell’insegnamento stesso della chimica, fino a correre il rischio di essere scambiata per essa da taluni studenti. Oltre a non risultare facilmente spendibile in un successivo scenario scolastico, e più ancora lavorativo, diverso da quello specifico della chimica, la particolare insistenza sull’esercizio stechiometrico nell’insegnamento della chimica nella scuola media superiore (escludendo gli istituti tecnici specificamente ad indirizzo chimico) sottrae tempo prezioso alla trasmissione degli aspetti più culturali relativi alla stessa disciplina chimica. Anche se può apparire sconcertante, uno studente può essere in grado di svolgere correttamente gli esercizi numerici di stechiometria, di termodinamica chimica o i bilanciamenti delle reazioni di ossidoriduzione, pur senza aver realmente compreso cosa stia effettivamente calcolando, perché lo stia facendo e addirittura cosa siano di fatto gli oggetti materiali e le grandezze che sta manipolando dal punto di vista numerico.
L’insegnante, nell’ambito della discrezionalità che gli è consentita nell’interpretazione dei programmi ministeriali al fine di convertirli in percorsi didattici concreti, non dovrebbe probabilmente lasciarsi eccessivamente sedurre dalla possibilità di una valutazione rapida, puntuale e soprattutto oggettiva offerta dalla correzione di un esercizio di calcolo. O meglio non dovrebbe farlo fino al punto di sacrificare la valutazione della comprensione effettiva di un concetto, anche qualora esso sia stato rielaborato ed espresso con locuzioni differenti, anche a causa di eventuali carenze espressive dello studente, fino a renderlo in una forma apparentemente diversa da quella nella quale era stato inizialmente somministrato.
D’altra parte favorire l’apprendimento dei concetti fondanti della chimica, come del resto accade per ogni altra disciplina, richiede da parte dello stesso insegnante una profonda padronanza della materia, spesso difficilmente raggiungibile se non con un percorso formativo specifico (e purtroppo l’insegnate di scienze nella scuola secondaria di primo grado si trova a dover insegnare “tutte” le discipline scientifiche) o con attività concreta svolta nel mondo scientifico, oltre a capacità comunicative e nello specifico divulgative che per lo più non rientrano fra i principali requisiti comunemente richiesti alla classe docente.

lezione di chimicaUna possibilità offerta agli insegnanti è quella di integrare il percorso didattico tradizionale con interventi ad hoc da parte di “ospiti” esterni, usufruendo della disponibilità, offerta ormai anche nel nostro Paese, da organizzazioni senza finalità di lucro che riuniscono specialisti e professionisti di vari settori, accomunati da un’esperienza ed una formazione specifica anche nell’ambito della divulgazione scientifica.
In cosa consiste il lavoro del chimico? In quali settori egli può trovare occupazione e quale contributo può fornire in essi? Al di là della fin troppo stressata e sostanzialmente fuorviante iconografia popolare che lo vede assorto ed estraniato dal mondo in mezzo ad ampolle fumanti sempre a rischio di esplosione e tubicini contorti pieni di liquidi colorati, come possiamo intendere la sua figura, il suo modo di ragionare e la sua operatività quotidiana? Chi meglio di un addetto ai lavori, in questo caso di un chimico professionista, può, con l’aiuto dell’insegnante che certamente conosce meglio i ragazzi e le loro dinamiche di apprendimento, trasmettere un’immagine realistica e responsabile della propria professione? Non possiamo infatti dimenticare che, percorso universitario a parte, anche la scelta della scuola secondaria di secondo grado prevede un’opzione specificatamente chimica, o meglio più di una, sempre nell’ambito degli istituti tecnici, ma i ragazzi che arrivano a questa scelta rischiano di avere un’idea pericolosamente vaga, spesso fuorviante, di cosa sia effettivamente la chimica, per non parlare addirittura di cosa potrebbero trovarsi un domani a svolgere come attività lavorativa, grazie al diploma o eventualmente alla laurea conseguita in questa disciplina.

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