Alcune proprietà dell aria

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1 SCIENZE La Terra L aria, come già sai, è composta sostanzialmente di gas, ed è invisibile, tanto che normalmente non ci accorgiamo della sua presenza e finiamo per considerarla qualcosa di astratto. Ma ti sei mai chiesto perché un palloncino pieno d aria tende a gonfiarsi se lo lasci al sole? E per quale motivo per spegnere un incendio i pompieri cercano di soffocare il fuoco isolandolo dall aria? Come possiamo svelare concretamente alcuni componenti dell aria? In questo laboratorio cercheremo gli indizi della presenza di vapore acqueo e di ossigeno nell aria e verificheremo anche l elasticità termica di quest ultima, vale a dire la capacità di modificare il proprio volume al variare della temperatura. Fare esperimenti LINK diagrammi di flusso 1 L elasticità termica Procurati un piatto fondo, dell acqua, un po di colorante per alimenti o della tempera, una candela e due bicchieri di vetro, uno di dimensioni normali (bicchiere 1) e uno di capacità maggiore (bicchiere 2). Prendi la candela e tagliala alla lunghezza di circa quattro centimetri, accendila e sistemala al centro del piatto fondo fissandola mediante alcune gocce di cera fusa (attenzione alle scottature). Versa ora un po d acqua nel piatto e aggiungi il colorante (per rendere il liquido più visibile). Quando la fiamma si è stabilizzata, copri la candela con il bicchiere 1 rovesciato. Prima di farlo, però, rifletti: che cosa prevedi che accadrà? Completa la tabella. Traccia una sull ipotesi che ti sembra più probabile e motiva la tua scelta. Fase 1 sistema sotto osservazione fiamma della candela sotto il bicchiere 1 fiamma della candela sotto il bicchiere 2 che cosa accadrà? non cambierà si ravviverà si spegnerà altro non cambierà si ravviverà si spegnerà altro ragioni a sostegno dell ipotesi che hai scelto Ora osserva che cosa accade e segna con un pennarello il livello raggiunto dall acqua sul vetro del bicchiere. Misurane poi l entità con un righello e annotane il valore così: h1 =.... cm A questo punto ripeti la stessa procedura, con la stessa quantità di acqua, con il bicchiere 2 che è più grande. Anche questa volta, prima di coprire la candela con il bicchiere, pensa a quello che secondo te potrebbe accadere e completa la tabella con le tue ipotesi. Prendi nota del livello raggiunto dall acqua sul vetro del bicchiere: h2 =.... cm 1

2 Ora raccogli le idee e completa il testo. Nel caso del bicchiere 1, per un po non è accaduto niente; dopo qualche minuto però la fiamma si... e, a questo punto, l acqua ha incominciato a... nel bicchiere fino al livello di... cm. Dopo qualche istante, sulle... del bicchiere si è osservata la formazione di... d acqua. Nel caso del bicchiere 2 ho assistito a un fenomeno..... anche se la fiamma della candela per... ha impiegato un tempo Il livello dell acqua nel bicchiere era di... cm. Leggi con attenzione, rifletti su quanto hai osservato e poi rispondi alle domande successive. L ossigeno è in grado di combinarsi con molti elementi chimici attraverso reazioni chiamate ossidazioni. Esse, anche quando sono molto lente, liberano sempre una certa quantità di energia sotto forma di calore. Per combustione s intende una reazione di ossidazione particolarmente rapida: essa libera in breve tempo elevate quantità di energia sotto forma di calore e radiazioni attraverso quella che noi chiamiamo fiamma. Tra i prodotti della combustione vi sono principalmente anidride carbonica (gas CO2) e vapore acqueo (H2O allo stato di vapore). La reazione di combustione non avviene spontaneamente e dunque va innescata: perché avvenga occorre infatti fornire energia dall esterno, detta energia di attivazione, come può essere quella prodotta da una scintilla o da una fonte di calore (pensa a quando usi un fiammifero per accendere il fuoco). Una volta innescata, la combustione è in grado di mantenersi da sola grazie all energia da essa stessa prodotta. In presenza di molto ossigeno,peresempiodiossigenopuro,le combustioni possono essere molto veloci e pericolose. Fortunatamente per noi, tuttavia, l aria è costituita solo in minima parte da ossigeno e in massima parte da azoto, che, essendo un gas inerte, rallenta adeguatamente i processi di combustione. Per quale motivo, secondo te, la candela si spegne dopo che l hai ricoperta con il bicchiere capovolto? 2

3 Scienze La Terra Come spieghi ciò che accade all acqua nel momento in cui la fiamma si spegne e quello che succede dopo qualche istante sulle pareti del bicchiere? Come spieghi la maggior durata della fiamma nel caso del bicchiere 2? Come spieghi il fatto che in entrambi i bicchieri il livello dell acqua sia ? Ripeti nuovamente l esperimento con il bicchiere 1 senza la candela, ma mantenendo inalterate tutte le altre condizioni di lavoro, compresa la quantità di acqua nel piatto. Per scaldare l aria all interno del bicchiere, cosa che prima avveniva per effetto della fiamma della candela, riempilo di acqua bollente (attenzione alle scottature): prima però mettici dentro un cucchiaino di metallo per evitare che il vetro si rompa per il calore. Lascia che il vetro si riscaldi per circa un minuto, poi svuota il bicchiere (proteggiti le mani con un guanto da cucina) e, come di consueto, appoggialo capovolto sul piatto osservando ciò che accade mentre il bicchiere si raffredda insieme all aria che contiene. Segna con il pennarello il livello finale dell acqua nel bicchiere (h3 =.... cm), poi confronta questo valore con quello che hai ottenuto con la candela accesa (h1 =.... cm). Fase 2 Rifletti e completa. Anche senza la candela, dopo un po il livello dell acqua colorata nel bicchiere si... raggiungendoun altezza... aquelladelcasoprecedente (h1 h3 =... cm). Ora confronta gli esiti delle due fasi dell esperimento. Ripensa ai diversi livelli raggiunti dall acqua nel bicchiere 1 nei due casi e cerca di interpretare quanto hai osservato: al variare della temperatura l aria si sgonfia o si gonfia come se fosse elastica. 3

4 Fare esperienze 1 Elasticità e temperatura Per quantificare meglio il fenomeno dell elasticità termica dell aria puoi provare a riscaldare il bicchiere a differenti temperature, variando di volta in volta il tempo di riscaldamento del bicchiere e quello di raffreddamento dell aria in esso contenuta quando è capovolto sul piatto. Questa volta aiutati con un termometro da cucina, effettuando la prova, per esempio a 20 C, a 40 C, a 60 C e a 80 C. Dopo ogni prova, misura con un righello il livello di risalita dell acqua nel bicchiere e costruisci un grafico che dimostri l entità della risalita dell acqua in funzione della temperatura iniziale. risalita cm temperatura C Contorna i punti ottenuti con un cerchietto così da metterli in evidenza, poi congiungi tra loro i punti per ottenere la curva che meglio ne rappresenta l andamento. Alla luce del grafico che otterrai e tenendo in considerazione l elasticità termica dell aria, ti sarà possibile spiegare come mai a temperature iniziali più alte corrispondono maggiori livelli di risalita dell acqua colorata nel bicchiere. Le mie conclusioni Scrivi le tue conclusioni e poi confrontale con La spiegazione che ti proponiamo. Nella prima parte dell esperimento 1 dove va a finire il gas consumato dalla combustione della candela? Motiva la tua risposta. Quali indicazioni sulla composizione dell aria puoi trarre dalla combustione e dalla formazione di goccioline di acqua sulla parete del bicchiere quando la candela si spegne? 4

5 Scienze La Terra Esiste, secondo te, una relazione tra la variazione della temperatura dell aria presente nel bicchiere e la risalita dell acqua colorata? Motiva la risposta. Pensi che sia giusto sostenere che il livello dell acqua nel bicchiere sale a causa dell ossigeno consumato nella combustione? Perché? Come spieghi la risalita dell acqua nel bicchiere senza candela in seguito al raffreddamento dell aria calda in esso contenuta? La spiegazione Una spiegazione della risalita dell acqua nel bicchiere potrebbe essere che questa venga risucchiata dal vuoto creatosi in seguito all esaurimento dell ossigeno durante la combustione. Ma questo non spiega due fatti: che il livello dell acqua entrata nel bicchiere 1 è praticamente identico nelle due fasi dell esperimento; che l acqua colorata entra nel bicchiere anche in assenza della candela accesa, dunque in assenza di combustione. Pensa invece a quello che hai letto sul processo della combustione e visualizzalo così: carbonio (dalla cera della candela) C + ossigeno (gas presente nell aria) O2 anidride carbonica (gas prodotto) CO2 Nella reazione di combustione, all ossigeno (O2) che si consuma corrisponde infatti l anidride carbonica (CO2) che si forma per combinazione con gli atomi di carbonio della candela. Quindi l esaurimento dell ossigeno non dà luogo a un vuoto, bensì a un altro gas che ne prende il posto, l anidride carbonica. Se ne può concludere che la quantità di acqua che entra nel bicchiere non dipende dalla diminuzione del numero di molecole dell ossigeno, ma dall elasticità termica dell aria: quando la temperatura s innalza l aria si dilata e occupa uno spazio più grande; quando la temperatura scende, le molecole d aria si avvicinano l una all altra, occupando uno spazio minore. Considera poi la fase 2 dell esperimento: sei partito con un bicchiere caldo e, quando la temperatura ha cominciato a scendere, l aria al suo interno si è contratta lasciando dello spazio libero all interno del bicchiere. La depressione così creata ha favorito il risucchio verso l alto dell acqua colorata. Infine, hai anche potuto osservare la condensazione sulle pareti del bicchiere del vapore acqueo presente nell aria: cioè il passaggio dell acqua dallo stato aeriforme a quello liquido. Come saprai, l aria calda (= spazi dilatati) può contenere una maggiore quantità di vapore acqueo rispetto all aria fredda (= spazi ristretti). Perciò, nel momento in cui la temperatura di una certa massa d aria si abbassa, il vapore acqueo in eccesso l abbandona, passando appunto allo stato liquido (le goccioline d acqua): si tratta di un processo molto simile a quello che permette la formazione delle nuvole e delle precipitazioni. 5

6 Ora so che... Ora puoi rispondere alle domande iniziali. Quali gas componenti dell aria hai scoperto con questo esperimento? In quale modo? Per quale motivo non si può pensare che l aria che respiriamo sia fatta solo di ossigeno? Perché un palloncino lasciato al sole tende a gonfiarsi? Per quale motivo per spegnere un incendio si cerca di soffocarlo, isolandolo dall aria dell atmosfera? LINK bussola mpetenze Verifica delle competenze Verifica delle competenz 1 2 Essere precisi Chi si occupa di ricerca scientifica non può trascurare alcun dettaglio, eppure anche a noi ne è sfuggito uno. Rileggi attentamente il testo della spiegazione qui riportato e sottolinea con un evidenziatore il dettaglio che a tuo parere, alla luce di quanto hai concluso nella fase 1 dell esperimento, non è stato adeguatamente considerato: «Una spiegazione della risalita dell acqua nel bicchiere potrebbe essere che questa venga risucchiata dal vuoto creatosi per l esaurimento dell ossigeno durante la combustione. Ma questo non spiega due fatti: che il livello dell acqua entrata nel bicchiere 1 è praticamente identico nelle due fasi dell esperimento; che l acqua colorata entra nel bicchiere anche in assenza della candela accesa, dunque in assenza di combustione.» Motiva la tua scelta LINK Per saperne di più... 6

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