GAIALAB:INCONTRIAMO L AMBIENTE IN LABORATORIO

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1 LABORATORIO DI CHIMICA Le magie della chimica: l acqua scioglie e le sostanze reagiscono Il lavoro che vi proponiamo è una breve presentazione di alcune reazioni chimiche alcune di queste anche spettacolari tanto da sembrare delle Magie. Vogliamo porre la vostra attenzione sul fatto che, anche se apparentemente, un fenomeno può sembrare ai nostri occhi sovrannaturale, in realtà dietro il fenomeno osservato c è sempre una spiegazione scientifica. Quindi bando alle magie e cominciamo. 1

2 L acqua è il solvente per eccellenza in natura: riesce a sciogliere molte sostanze, pensiamo ad esempio ai sali sciolti nell acqua del mare. Non è però l unico solvente, ne esistono molti altri: l alcol etilico, l etere, l olio di paraffina ed altri oli di origine vegetale, ad esempio. Nel primo esperimento vengono esaminate tre sostanze : acqua, olio di ricino e olio di paraffina. Solfato di rame Cocktail molto diversi Olio di paraffina Olio di ricino In provetta valutiamo la solubilità dello iodio in acqua e in olio di paraffina, e la solubilità del solfato rameico (sale fortemente colorato in azzurro) in acqua e in olio di paraffina. Possiamo osservare che il solfato rameico si scioglie bene in acqua ma non nell olio di paraffina, mentre lo iodio è solubile nell olio di paraffina e si scioglie poco e a fatica in acqua. 2

3 Con il cilindro graduato preleviamo 30 ml di soluzione acquosa di solfato rameico (soluzione azzurra già preparata), 30 ml di olio di ricino (giallo) e li versiamo nel cilindro graduato con il tappo. Preleviamo poi 30 ml di olio di paraffina e sciogliamo qualche cristallo di iodio. Osserviamo la colorazione intensa, fucsia. Versiamo anche quest ultima soluzione nel cilindro graduato con il tappo. Si può notare che acqua, olio di paraffina e olio di ricino sono immiscibili tra loro e e formano tre strati ben separati. Capovolgendo il cilindro osserviamo sempre lo stesso ordine degli strati (acqua, olio di ricino e olio di paraffina) determinato dalla loro densità. Olio di paraffina con iodio Olio di ricino Solfato di rame 3

4 Spiegazione Lo iodio si scioglie molto bene nell'olio di paraffina, un solvente apolare, e con il suo caratteristico colore viola definisce la fase superiore. Nello strato intermedio si trova l'olio di ricino, giallino pallido, che, essendo un estere dell'acido ricinoleico, è in grado di disciogliere piccolissime quantità di iodio, determinando una colorazione gialla. La solu zione azzurra di solfato di rame va a costituire lo strato inferiore a causa della sua maggiore densità. Smaltimento e trattamento Le prime due fasi vengono raccolte nel contenitore di stoccaggio per sostanze organiche contenenti alogeni, la soluzione acquosa di solfato di rame va versata nel contenitore per metalli pesanti. Iodio 4

5 Come si riconosce una reazione chimica? Passiamo ora ad esaminare come si riconosce una reazione chimica. Preleviamo in due becher diversi 30 ml di soluzione acquosa di nitrato di piombo (sale) e 30 ml di soluzione acquosa di ioduro di potassio (sale). Le due soluzioni sono limpide e incolori. Unendo le due soluzioni si verifica un fenomeno imprevisto e sorprendente: la soluzione si intorbida e diventa gialla. Osservando con attenzione si possono osservare finissimi granuli gialli sulle pareti del becher. Lasciando decantare si osserva che i granuli si depositano sul fondo e che la soluzione si schiarisce fino a diventare limpida. Precipitazione dello ioduro di piombo 5

6 E avvenuta una reazione chimica: le sostanze iniziali si sono trasformate e hanno dato origine a sostanze nuove che prima non c erano, con caratteristiche proprie ben evidenti; una di queste sostanze è gialla, insolubile in acqua (ioduro di piombo). La nuova sostanza insolubile dà origine a un corpo di fondo detto precipitato: le reazioni di questo tipo sono dette precipitazioni. Formazione di gas mettiamo sul vetrino di orologio il carbonato di sodio (un altro sale) e osserviamolo: esso è formato da minuti cristallini bianchi, aspetto che ricorda il sale fine da cucina. Con una pipetta versiamo qualche goccia di acido cloridrico (dil 1:1) e osserviamo la formazione di bolle di gas (anidride carbonica). Poniamo in due diverse provette un aliquota di ferro metallico e di zinco metallico, aggiungiamo qualche goccia di HCl 1:1 e osserviamo: si forma del gas (idrogeno). Carbonato di calcio Reazione del carbonato di calcio con acido cloridrico 6

7 Fulmini in provetta Si versa in una provetta 1-2 ml di H 2 SO 4 concentrato senza bagnarne l'orlo superiore. Con molta cautela, si pipetta sulla superficie dell'acido solforico qualche ml di alcool etilico o alcol propilico, in ogni caso si deve assolutamente evitare che i due liquidi si mescolino con rapido surriscaldamento. Se a questo punto si introduce un piccolo cristallo (lungo 3 mm ca.) dì KMnO 4, dopo breve tempo a livello della superficie di separazione dei liquidi si osservano scintille gialle, simili a fulmini, che si sviluppano crepitando. Si ha l'impressione che questi fulmini si originino "sott acqua". Gradualmente la miscela di reazione si colora di verde e parzialmente di marrone. I lampi luminosi sono il risultato di un processo di ossi-doriduzione. L'esperimento può durare fino a 15 minuti, durante il quale la frequenza di comparsa dei lampi rimane del tutto imprevedibile Piccole scintille compaiono tra l interfaccia acido - alcol 7

8 Nuovi colori nuove sostanze Anche il cambiamento di colore può indicare la formazione di nuove sostanze. Preleviamo in due provette alcuni ml di soluzione di cloruro ferrico (soluzione di colore giallo - arancio). Aggiungiamo alla prima qualche goccia di un reattivo chiamato ferrocianuro di potassio. Questa soluzione giallo chiaro, aggiunta alla soluzione di cloruro ferrico determina un evidente cambiamento di colore: il contenuto della provetta diventa blu(detto anche Blu di Prussia) a causa della formazione di una nuova sostanza (il ferrocianuro ferrico). Cloruro ferrico FeCl3 + K 4 [Fe(CN) 6 ] 3H 2 O ferrocianuro ferrico Fe 4 [Fe(CN) 6 ] 3 8

9 Alla seconda provetta aggiungiamo qualche goccia di tiocianato di potassio (soluzione incolore) e osserviamo che la soluzione diventa rosso scura anche se non si forma precipitato: la nuova sostanza rossa che si è formata è solubile in acqua. Cloruro ferrico FeCl 3 + KSCN Tiocianato ferrico FeSCN 3 9

10 Non sempre mescolando sostanze diverse avviene una reazione chimica. Se si mescolano a freddo ferro e zolfo non otteniamo alcuna sostanza nuova e diversa, otteniamo semplicemente un miscuglio i cui componenti possono essere separati con l ausilio di una calamita. Per far reagire il ferro e lo zolfo bisognerebbe scaldare la miscela. La temperatura gioca sempre un ruolo molto importante nelle reazioni chimiche: reazioni impossibili a temperatura ambiente possono avvenire a temperature più alte. Inoltre aumentando la temperatura aumenta sempre la velocità di reazione. 10

11 La temperatura: un bell aiuto Alcune reazioni chimiche sono molto più veloci se la temperatura è più elevata. Questo esperimento ne è una prova. In una provetta mettiamo a reagire 3,5 ml di soluzione di acido ossalico, 1 ml di acido solforico conc. e (dopo aver lasciato raffreddare questa miscela) aggiungiamo 3 ml di soluzione di permanganato di potassio. Dopo alcuni minuti la colorazione viola del permanganato scompare. Se ripetiamo la prova scaldando a circa 60 C, osserviamo che la reazione è istantanea. Le fasi di decolorazione del permanganato 11

12 Le reazioni reversibili Alcune reazioni chimiche hanno la caratteristica di essere reversibili, cioè posso essere indirizzate verso i prodotti della reazione o verso i reagenti. Quella che vi proponiamo è proprio una di queste Se aggiungiamo alla soluzione di cloruro di cobalto (soluzione rosa) alcune gocce di HCl concentrato si forma un prodotto di colore azzurro. La colorazione azzurra diventa più intensa se scaldiamo la provetta a bagnomaria, mentre ritorna rosa si immergiamo la provetta in un bagno di ghiaccio. L'equilibrio per le soluzioni del complesso di cobalto(ii) viene espresso dalla segue te equazione [Co(H 2 O) 6 ] Cl - rosa [CoCl 4 ] H 2 O blu 12

13 Un bel rompicapo Reazione glucosio blu di metilene Questo esperimento prevede che una soluzione incolore contenente blu di metilene, contenuto in un recipiente aperto, in seguito ad agitazione vigorosa, assuma una intensa colorazione blu entrando a contatto con l ossigeno atmosferico. Materiale e reattivi: Un matraccio da 1 litro con tappo a smeriglio, soluzione KOH (13g KOH in 500 ml di acqua), glucosio solido, soluzione acquosa 0,1% di blu di metilene. Un ora prima della dimostrazione si sciolgono 10g di glucosio nella soluzione di KOH, aggiungendo 8ml della soluzione di blu di metilene. Si agita il tutto omogeneizzando la soluzione che avrà una colorazione blu che verrà messa sul banco da lavoro senza toccarla di nuovo. Entro 10 minuti l indicatore si trasformerà nella forma ridotta. Quando viene effettuato l esperimento mettere la soluzione in un contenitore aperto in modo da far entrare aria e quindi ossigeno ed agitare vigorosamente, la soluzione ridiventerà blu. 13

14 Beuta dopo agitazione Beuta con blu di metilene Spiegazione Tramite una reazione di riduzione il glucosio rende incolore il blu di metilene e il glucosio si ossida ad acido gluconico, che in ambiente alcalino si trasforma nella soluzione acquosa del gluconato di sodio. Lo scuotimento del matraccio sferico attiva l'ossigeno dell'aria, che converte il blu di metilene da incolore a colorato; quanto più frequentemente si agita, tanto più a lungo sì mantiene la colorazione blu. Bibliografìa W Contributo della Ditta Hoechst AG, DiagonaL, Rivista dell'università GH Siegen, 1992, 2,

15 Il bicchiere magico Materiale necessario Un bicchiere di plastica. Dell'acqua. Un accendino. Procedimento Riempire d'acqua il bicchiere fino all'orlo e, con somma cautela, accendere un accendino posizionando la fiamma sul fondo del bicchiere. Spiegazione Una persona di buon senso si aspetterebbe che la plastica del bicchiere fonda per il calore trasmessole dall accendino, facendo dopo breve tempo rovesciare l'acqua. Quel che avviene invece è che l'acqua contenuta nel bicchiere assorbe, per lo più per conduzione attraverso la plastica del bicchiere, il calore proveniente dalla fiamma fino a raggiungere i circa 100 C della sua temperatura di ebollizione. A questo punto inizia la fase di cambiamento di stato dell'acqua liquida in vapore acqueo, durante la quale la temperatura delle pareti interne del bicchiere sarà costretta a rimanere costante fino a che tutta l'acqua non sarà evaporata. 15

16 Il calore della fiamma viene cioè assorbito dall'acqua che bolle ed utilizzato come calore di evaporazione. L'esperimento dimostra tangibilmente l'efficacia dell'acqua come fluido refrigerante. Il bicchiere di plastica non fonde 16