La meccanica quantistica nella scuola.
Uno degli argomenti trattati nel curriculo di chimica nella scuola secondaria superiore che è affrontato con un discutibile approccio didattico è quello degli orbitali atomici e molecolari. Completano la trattazione gli orbitali ibridi. In un articolo coraggioso, dal punto di vista didattico, pubblicato nella rivista La chimica nella scuola della Società chimica italiana, dal titolo emblematico “ Gli orbitali vietati ai minori “ il compianto Prof. Mirone metteva in luce le difficoltà e i rischi di una trattazione riservata agli studenti della scuola secondaria superiore. La tesi di fondo era che non si giustificava a livello didattico l’introduzione del modello quantomeccanico nella trattazione del legame chimico e della geometria molecolare. L’invito a un critico approccio suggerito da Mirone è stato completamente ignorato. In tutti i libri di testo di chimica di base è difficile non trovare almeno un capitolo dedicato alla trattazione quantomeccanica, nella sua versione ondulatoria, del legame chimico e della geometria molecolare.
Strade alternative alla meccanica quantistica
Personalmente quando insegnavo chimica, fino a qualche anno fa, ho di proposito messo da parte la meccanica quantistica e affrontato il legame chimico secondo un approccio storico che ricostruiva la nascita del concetto di legame covalente a coppia di elettroni secondo Lewis , e utilizzava il modello semplice e versatile del VSEPR ( Valence-Schell Electron-Pair Repulsion) per definire la geometria delle molecole. La scienza chimica ci offre una affascinante storia che ha nel concetto di legame chimico e geometria molecolare due capisaldi fondamentali della sua costruzione e identità disciplinare. Affrontare poi nella didattica della chimica di base i percorsi epistemologici che hanno portato alla tetravalenza dell’atomo di carbonio, alla struttura del benzene e alla geometria tetraedrica dell’atomo di carbonio fornisce un arricchimento culturale e una visione della struttura interna della disciplina che è essenziale per una valida didattica. Il ricorso alla meccanica ondulatoria, quasi sempre alternativa a queste impostazioni, rende non solo incomprensibili i risultati che offre, ma contribuisce allo spegnimento di qualsiasi entusiasmo verso questa scienza.
Vedi anche :
https://www.robertopoetichimica.it/anno-1865-si-svela-lenigma-della-molecola-del-benzene/
https://www.robertopoetichimica.it/saggio-g-lewis-atomi-molecole-lingua-italiana/
https://www.robertopoetichimica.it/la-nascita-della-stereochimica/
Una presentazione più appropiata della meccanica quantistica
È molto difficile a questo punto invertire la tendenza nei testi di chimica di base. Un laureato in chimica, trattando di meccanica ondulatoria, si trova in un terreno irto di ostacoli. Quello che viene proposto è molto spesso infarcito di grossolane approssimazioni e non di rado di inesattezze. Ritengo molto utile per questo fornire all’insegnante strumenti di conoscenza non complessi e non banali dei fondamenti della meccanica ondulatoria applicata al legame chimico e alla geometria delle molecole.
Il testo “CHIMICA “ di J.Gillespie
Ronald James Gillespie (1924-2021)
Ronald James Gillespie (1924 – 2021) , che insieme a Ronald Sydney Nyholm (1917 – 1971) ha sviluppato il modello VSEPR, è l’autore di un ottimo testo di chimica generale. Un capitolo del libro “Meccanica quantistica e legame chimico “ ci offre una presentazione della problematica che è rigorosa e nello stesso tempo essenziale. L’equazione di Schrödinger è resa comprensibile in modo magistrale paragonando la funzione d’onda orbitale al modello della vibrazione di alcuni sistemi meccanici dal quale ottiene i numeri quantici n e l . Un altro merito del capitolo è la descrizione della funzione orbitale atomica e molecolare di cui sono evidenziate proprietà e caratteristiche quasi sempre assenti nei libri di testo. Ma forse la parte più significativa è quella dedicata agli orbitali ibridi di cui sottolinea la costruzione in generale e la scelta di quelli specifici che è fatta per corrispondere a quelli che sono dati chimici osservabili, cioè la geometria molecolare e l’equivalenza dei legami. Così si esprime :
« Talvolta si dice, non correttamente, che gli orbitali ibridi forniscono una spiegazione della geometria molecolare . In realtà, la geometria molecolare è determinata dall’effetto del principio di esclusione di Pauli. Gli orbitali ibridi sono costruiti in modo da accordarsi con la geometria osservata sperimentalmente; da soli non spiegano la geometria molecolare.»
Il primato della chimica
Sul piano di una didattica corretta prima si informa gli studenti su come la scienza chimica è arrivata a concepire una struttura molecolare e ricavarne la sua forma , almeno per alcune molecole fondamentali, poi si può a ragion veduta parlare di funzioni d’onda orbitale. Prima viene il primato di una scienza che fonda le sue basi su metodo sperimentale.
Di seguito riporto in PDF il capitolo “ Meccanica quantistica e legame chimico”
