I.I.S. G. Silva M. Ricci Classe 5 A chimica a.s. 2011/2012. Festival di maggio 2012 Legnago

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2 I QUATTRO ELEMENTI Miscuglio è l aria, non già composto, come credevasi fosse piuttosto. A tal proposito, anzi, vi dico che pretendevano nel tempo antico che solo fossero quattro elementi del mondo gli unici costituenti: la terra, l aria, l acqua ed il fuoco: se la cavavano con molto poco! tratto da H 2 O di Alberto Cavaliere. Empedocle di Agrigento ( a.c.) individuava in 4 principi l origine di tutte le cose: la terra, l acqua, l aria e il fuoco. Platone ( a.c.) associava i 4 elementi di Empedocle a 4 solidi regolari (solidi platonici) che si distinguono per il fatto di avere angoli uguali fra loro e facce equivalenti per forma e superficie. Le facce del tetraedro sono 4 triangoli equilateri, quelle dell ottaedro 8 e quelle dell icosaedro 20; le facce del cubo sono 6 quadrati. I solidi platonici sono cinque. Al quinto, il dodecaedro, associava l armonia dell Universo. Nel 1772 Daniel Rutherford e Henry Cavendish scoprirono che l aria non è un elemento ma un miscuglio di vari componenti, tra i quali riuscirono a individuare l azoto. Nello stesso anno, lo svedese Scheele scoprì, sempre nell aria, l ossigeno, che chiamò aria-fuoco per la sua proprietà di consentire la combustione. La sua scoperta fu confermata due anni dopo dal reverendo inglese John Priestley. Fu però il chimico francese Antoine Lavoisier (XVIII secolo) che diede a questo gas il suo nome attuale. Egli riuscì ad isolarlo e ne dimostrò il ruolo svolto nella respirazione degli organismi viventi e nelle combustioni. Successivamente sono stati scoperti nell aria altri gas (gas nobili) ancora meno reattivi dell azoto. 1

3 L ATMOSFERA L atmosfera è l involucro gassoso che circonda la Terra, trattenuto dalla forza di gravità. Essa svolge tre funzioni importantissime: 1. contiene i gas essenziali per la vita 2. ci protegge dalle radiazioni UV emesse dal Sole 3. mantiene la temperatura ottimale per la vita La porzione esterna dell atmosfera è a parecchie centinaia di km sopra di noi ma la maggior parte dei gas è compresa entro una fascia chiamata troposfera. Quando la Terra era giovane, la composizione dell aria era molto diversa da quella attuale. Abbondavano gas leggeri come idrogeno ed elio e si trovavano metano e ammoniaca oltre all azoto. Nel corso di miliardi di anni, è stata lentamente modificata. Scomparsi i gas leggeri, l ossigeno si è accresciuto per azione della fotosintesi clorofilliana. Senza le piante, non avrebbe mai raggiunto nell atmosfera le proporzioni ideali per lo sviluppo della vita animale così come la conosciamo. Attualmente, l aria è composta da azoto (N 2, 78%), ossigeno (O 2, 21%) e altri gas (1%): argon (Ar), biossido di carbonio (CO 2 ), idrogeno (H 2 ), ozono (O 3 ), elio (He), metano (CH 4 ), neon (Ne) e vapore acqueo (H 2 O) che varia sul pianeta secondo le stagioni e i luoghi. Appena lo 0,001 % dell acqua è nell atmosfera dove è presente anche in forma di vapore. In una nuvola possono coesistere goccioline di acqua, vapore e minuscoli cristalli di ghiaccio. Le soffici nubi che vediamo in cielo sono in realtà una massa di goccioline e cristalli di ghiaccio sospesi nell atmosfera. Ogni gas ha caratteristiche proprie. Poiché non esistono procedimenti semplici per separare i componenti di una miscela gassosa, la separazione industriale dei gas atmosferici si basa sul metodo della distillazione frazionata. L aria, raffreddata al punto da diventare liquida, viene sottoposta a ebollizione in modo che i suoi componenti possano evaporare e poi condensare separatamente secondo il loro punto di ebollizione. ONDE SONORE Non possiamo vedere le onde sonore. Ogni suono che udiamo è prodotto da qualcosa che vibra. Le onde sonore sono longitudinali cioè si muovono comprimendosi e rarefacendosi alternativamente, come una molla. Quando viene prodotto un suono, la fonte del suono vibra avanti e indietro e ciò costringe le molecole d aria attorno a essa a vibrare allo stesso modo avanti e indietro. Queste, a loro volta, fanno vibrare le molecole circostanti, così il suono è trasmesso attraverso l aria fino alle nostre orecchie in piccole vibrazioni, o onde sonore. Se colpite una teglia, dopo il colpo il metallo continua a vibrare per una frazione di secondo. Mentre vibra, anche l aria circostante vibra. Queste piccole vibrazioni (le onde sonore) si diffondono rapidamente nell aria in tutte le direzioni. Le onde sonore che raggiungono il nostro orecchio ci fanno sentire il colpo. 2

4 Le onde sonore possono viaggiare attraverso solidi e liquidi così come attraverso l aria. Anzi, il suono si propaga più velocemente nei solidi e nei liquidi che non nell aria, perché le molecole sono molto più vicine l una all altra. Il suono nell aria si propaga a 340 m/s, nell acqua a 1500 m/s e nel ferro a 5000 m/s. Per questo motivo gli indiani mettevano l orecchio sul binario del treno. Si mettono sotto una campana di vetro una torcia accesa e una sveglia puntata. Si estrae l aria dalla campana: si vede ancora la luce della torcia ma non si ode più il suono della sveglia. Ciò costituisce la prova che il suono non si propaga nel vuoto, a differenza della luce che giunge fino a noi da ogni angolo dell Universo. Nel vuoto vi è il silenzio perché il suono non può propagarsi senza molecole. ORCHESTRA DI BOTTIGLIE Sistema delle bottiglie in fila e riempile con una quantità decrescente di acqua. Soffia in ciascuna per far vibrare la colonna d acqua all interno. Ascolta il suono che ognuna di esse produce. Più corta è la colonna d aria, più alto è il suono, così la bottiglia con più acqua darà la nota più alta. Maggiore è la lunghezza della colonna d aria più grave è il suono. Ciò che rende diversi i suoni è la frequenza delle onde sonore. Se le vibrazioni si susseguono lentamente, il suono tende a essere basso; se invece le vibrazioni sono in rapida successione, il suono sarà alto. La frequenza viene misurata in Hz (Hertz) cioè cicli al secondo. Le nostre orecchie possono udire suoni bassi di circa 20 Hz e alti fino a circa Hz. Suono più alti di 20 khz sono detti ultrasuoni e possono essere percepiti da pipistrelli e delfini. LA PRESSIONE DELL ARIA L aria ha una pressione anche se non la percepiamo. Anzi, la pressione atmosferica a livello del mare è enorme e ci schiaccerebbe se i fluidi del nostro corpo non esercitassero dall interno una pressione analoga a quella dell aria circostante. Sotto la campana l acqua bolle a temperatura ambiente mentre nella pentola a pressione bolle a 180 C. In montagna l acqua bolle a pressione minore di 1 atm (a 80 C sul Monte Bianco). Gli spaghetti sono preparati per essere cotti a 100 C e quindi sia in montagna che nella pentola a pressione non cuociono bene. 3

5 La pressione dell aria diminuisce gradualmente salendo. La troposfera contiene aria sufficiente per respirare ma, verso l alto, l aria diventa troppo rarefatta ed è la ragione per cui gli scalatori dell Everest hanno bisogno di respiratori. L aria calda e umida ha una pressione inferiore a quella dell aria fredda e secca. Il loro scontro può dar luogo a fenomeni spettacolari e devastanti come i cicloni. LEGGE DI BOYLE Le leggi dei gas permettono di prevedere il comportamento di un gas al variare di temperatura, volume e pressione. Queste leggi valgono per i gas ideali, ma possono essere applicate anche a gas reali come, per esempio, l aria che respiriamo. Come si modifica il volume di un gas agendo sulla pressione è descritto dalla legge isoterma di Boyle. Legge di Boyle: p V = costante 1. Si gonfia un palloncino e lo si chiude 2. Si pone il palloncino sotto una campana di vetro 3. Si collega la pompa a vuoto alla campana e la si accende 4. Al diminuire della pressione all interno del recipiente, il palloncino si gonfia poiché la pressione al suo interno è maggiore di quella esterna. 5. Ritornando a pressione ambiente, il volume del palloncino diminuisce. Un palloncino gonfio d aria se viene portato in alta quota può scoppiare. Se si mette sotto la campana un bicchiere con schiuma da barba o con panna montata, che contengono minuscole bollicine di aria, si dilatano. Facendo rientrare l aria si sgonfiano. LEGGE DI CHARLES Il volume di un gas si modifica agendo sulla temperatura. Il comportamento dei gas in questo caso è descritto dalla legge isobara di Charles. Legge di Charles: V/T = costante 1. Si monta un palloncino sul collo di una beuta 2. Si pone la beuta su una piastra riscaldante 3. Riscaldando, si vede che il palloncino si gonfia perché l aria si espande 4. Si toglie la beuta dalla piastra e la si mette in un becher contenente del ghiaccio 5. Il palloncino si sgonfia fino a entrare nella beuta perché, abbassando la temperatura, il volume dell aria si contrae 4

6 MONGOLFIERE E PALLONI Il primo volo libero fu l ascensione in pallone aerostatico alla periferia di Parigi nel Ai fratelli Montgolfier era capitato di osservare che un involucro di carta gonfiato dal fumo di un fuoco si alzava in aria. In un pallone ad aria calda progettato da loro, due passeggeri rimasero in volo per 25 minuti, atterrando a 8 km di distanza. Negli anni successivi vennero effettuati in tutta Europa molti voli in mongolfiera che permisero di raccogliere dati sulla temperatura e sulla pressione atmosferica. Nelle mongolfiere, si scalda l aria all interno dell involucro: l aria calda si espande, diventa meno densa di quella circostante e fa sollevare il pallone aerostatico. Quando l aria si raffredda, il pallone scende. Azoto e ossigeno sono elementi biatomici cioè ogni molecola è fatta di due atomi. I palloncini e i palloni meteorologici contengono un gas, l'elio, meno denso dell aria. L elio esiste come atomi singoli cioè è monoatomico. Poiché negli strati alti dell atmosfera la pressione scende notevolmente, per non far scoppiare i palloni meteorologici, usati per trasportare in quota gli strumenti di misura che servono per i rilevamenti, è necessario che l involucro sia lasciato sufficientemente sgonfio. Se in quota la pressione fosse di 0,1 atm e il gas subisse una trasformazione isoterma (descritta dalla legge di Boyle) il suo volume aumenterebbe di 10 volte. Invece, se la temperatura è di -30 C, il volume finale supera quello iniziale solo di 8 volte, perché la diminuzione di temperatura ha l effetto di limitare l espansione del gas. Affinché in quota il pallone non scoppi, deve essere riempito per circa un ottavo del massimo volume che può contenere. IL GRIDO DELL IDROGENO L idrogeno è un gas costituito da molecole biatomiche (H 2 ), leggerissimo. Già nel 1782 Lichtenberg tentò di fare con l idrogeno delle bolle di sapone: esse salivano a una tale velocità che spesso si staccavano dalla cannuccia prima di aver raggiunto le dimensioni che volevo dargli. 5

7 In passato, per la sua leggerezza, veniva usato per gonfiare i dirigibili ma i pericoli dovuti all alta infiammabilità hanno portato ad abbandonare quest impiego. Ci fu una serie di incidenti, proprio nel periodo in cui i dirigibili contendevano agli aerei la supremazia nel trasporto di passeggeri. Famosa è la tragedia del dirigibile tedesco Hindenburg: era il gigante dei dirigibili, impiegato prima della seconda guerra mondiale per la rotta Berlino-New York. Il 7 maggio del 1937, al termine di una trasvolata atlantica, al momento dell attracco nei pressi di New York, in seguito ad un incendio, probabilmente causato da una scintilla, l enorme dirigibile, gonfio di idrogeno, fu distrutto da un incendio causando la morte di 36 persone. Produzione di gas tonante L idrogeno, mescolato con l ossigeno, prende il nome di gas tonante per la forza dirompente con cui esplode se innescato da una fonte di calore. Introduci in una beuta alcuni granuli di zinco e 3-4 ml di acido cloridrico: si sviluppano numerose bollicine di gas. Si tratta di idrogeno generato dalla reazione tra l acido e lo zinco: 2 HCl (aq) + Zn (s) ZnCl 2 (aq) + H 2 (g) Poni sopra la beuta una provetta con l apertura rivolta verso il basso: l idrogeno essendo molto più leggero dell aria si raccoglie in questa seconda provetta. Dopo alcuni minuti allontana la provetta, capovolgila e avvicina all imboccatura un fiammifero acceso: si sentirà un leggero scoppio mentre lo spostamento d aria dello scoppio spegnerà il fiammifero. L idrogeno ha reagito con l ossigeno dell aria producendo vapore acqueo: H 2 (g) + O 2 (g) H 2 O (g) Il suono prodotto dallo scoppio varia a seconda delle dimensioni della provetta, in alcuni casi farà l effetto di un gridolino acuto. Per usi industriali grandi quantità di idrogeno vengono prodotte mediante elettrolisi dell acqua. La combustione dell idrogeno, che produce acqua, è una fonte di energia pulita. BOLLE DI SAPONE Le bolle di sapone hanno spesso colpito la fantasia degli artisti, che ne hanno fatto soggetto dei loro dipinti come il settecentesco Chardin o l' impressionista Manet. Nei dipinti e nelle incisioni sino alla fine del Seicento il ragazzo che fa le bolle di sapone soffia con una cannuccia in un piattino, alle volte a forma di conchiglia, mentre in quadri successivi la tecnica impiegata per realizzare le bolle consiste nel soffiare nella cannuccia dopo averla immersa in acqua saponata e poi far staccare la bolla. E molto probabile che le tecniche del gioco e gli strumenti usati dai ragazzi si venissero modificando influenzando così anche le opere degli artisti. Quadro Bubbles (1790) di William Hamilton ( ) 6

8 Un altro metodo per fare le bolle consiste nel soffiare su piccoli telaietti di varie forme dopo averli immersi nell acqua saponata. Per fare bolle più grandi, passare un filo dentro due cannucce e legarlo come se fosse una collana. Intingere il telaio nell acqua saponata tenendo in mano le due cannucce e tirarlo su. Si forma una lamina saponata rettangolare che, sfruttando il movimento del braccio e della mano, si gonfierà e darà bolle sorprendenti. Non si sono sottratti al fascino delle bolle di sapone neppure letterati e poeti, da Gabriele D'Annunzio a Gianni Rodari. La bolla di sapone Gabriele D'Annunzio La bolla spunta a poco a poco dalla cannuccia, si arrotonda, cresce, si colora. Poi riflette la finestra, i vasi di fiori in cielo. E il bimbo, prima di lanciarla al vento, ci si specchia dentro. La fa dondolare lievemente, poi la stacca. La bolla s'innalza, brilla un istante al sole e sparisce. Lo studio delle bolle di sapone ha sempre affascinato anche gli scienziati. Esse nascondono alcuni importanti concetti di fisica. Una volta libera nell aria, la bolla di sapone è soggetta all azione contrastante della forza di gravità e della spinta di Archimede, che tende a sollevarla. Poiché è leggermente più pesante dell aria, in assenza di correnti scende lentamente verso il suolo. Lo scoppio è quasi sempre provocato dal progressivo assottigliarsi della pellicola di sapone alla sommità, a causa dello scorrimento verso il basso di materia fluida sotto l azione della gravità. Isaac Newton, nel 1704, descrisse in dettaglio i fenomeni che si osservano sulla superficie delle bolle di sapone. La superficie della bolla si va via via assottigliando e quando lo spessore è paragonabile alla lunghezza d onda della luce visibile, compaiono su di essa tutti i colori dell arcobaleno. L iridescenza è dovuta alla rifrazione che subisce la luce bianca quando entra nella parete, che ha un indice di rifrazione superiore a quello dell aria. Le componenti di diversa lunghezza d onda (cioè di diverso colore) vengono deviate con angoli diversi e, dopo essere state riflesse dalla superficie interna della sottilissima parete, riemergono in direzioni differenti. Il fenomeno dell interferenza contribuisce poi a rinforzare l intensità in particolari direzioni, così che la bolla appare con i colori dell arcobaleno. La tensione superficiale rappresenta la forza con cui le molecole sulla superficie di un liquido sono attratte verso l interno, facendo sì che lo strato superficiale si comporti come una sottile pellicola elastica. Alla tensione superficiale è dovuto il fatto che le goccioline d acqua tendono sempre a essere sferiche. Le molecole dell acqua si attraggono l una con l altra (legame a idrogeno). Al 7

9 centro di una goccia, le molecole esercitano una forza di attrazione in tutte le direzioni, mentre in superficie vengono attratte solo verso l interno, perché non vi sono altre molecole esterne ad attirarle. Così l acqua tira la superficie strettamente attorno a sé, come una pelle ben tesa. La tensione superficiale è forte a sufficienza per mantenere sferiche le goccioline. Anche la bolla di sapone è tenuta insieme dalla tensione superficiale, una forza che in ogni punto è diretta verso il suo centro e che va a sommarsi all azione dell aria esterna. Perché la bolla non si rompa è necessario che la pressione dell aria al suo interno sia leggermente più alta che fuori. Contrariamente a quanto avviene con un dito asciutto, se lo si bagna si può "attraversare" la bolla senza romperla; in questo modo è anche possibile sentire sulla pelle l effetto della tensione superficiale. È anche possibile disporre su un bicchiere, bagnato con l acqua saponata, una bolla e realizzare bolle innestate, ovvero bolle di sapone all'interno di altre bolle di sapone (è possibile perforare una bolla di sapone senza romperla ad esempio con una cannuccia bagnata). Il sapone allenta la tensione superficiale e rende la superficie dell acqua molto elastica. Dal punto di vista della matematica la pietra miliare nella storia delle bolle di sapone è il lavoro del fisico belga Plateau nella seconda metà del XIX secolo. La geometria delle bolle di sapone rispetta delle regole molto precise. La bolla è trasparente, colorata ed è sempre sferica indipendentemente dalla forma del telaietto con cui si è fatta la lamina di sapone. Le bolle sono sferiche perché la sfera è la figura geometrica che consente il più piccolo rapporto superficie/volume. Proprietà isoperimetrica: a parità di lunghezza di perimetro esterno, se si vuole racchiudere la maggiore area possibile all interno, quale figura piana bisogna scegliere a contorno? Oppure, formulando il problema in modo analogo: se è assegnata una data area e si vuole ottenere il contorno di minore lunghezza possibile, quale figura si deve scegliere? La risposta è la circonferenza che tra le figure piane possiede la proprietà isoperimetrica cioè di tutte le curve chiuse di uguale lunghezza la circonferenza racchiude l area maggiore. Un architetto che nel Medioevo volesse costruire una città cinta di mura risparmiando il più possibile sulla lunghezza delle mura esterne, doveva costruire la città in forma circolare. Così come il cerchio possiede la proprietà isoperimetrica nel piano, la sfera la possiede nello spazio, cioè a parità di superficie esterna il solido che contiene il maggior volume è la sfera; ovvero assegnato un volume da contenere, la sfera è il solido che contiene quel volume con la minore superficie esterna, possiede cioè la minima area di superficie esterna. Quando soffiamo per generare una bolla non facciamo altro che fissare un determinato volume di aria (quello da noi soffiato) ed il liquido saponato, formando la sfera che circonda il volume di aria, costruisce la superficie minima. Chissà se gli eschimesi, quando costruiscono uno dei loro igloo, sanno che in questo modo risolvono un problema di tipo isoperimetrico: avere cioè all interno della costruzione che poggia su di un piano il maggior volume possibile a parità di superficie esterna. Dal punto di vista matematico il problema ha un vincolo in più rispetto a quello di soffiare una bolla. Si chiede alla bolla di posare su un piano. La soluzione è la semisfera, l igloo appunto, che si appoggia al piano, come si può verificare con una bolla di sapone. 8

10 AZOTO L azoto è un gas incolore, inodore, meno solubile in acqua dell ossigeno, poco reattivo, che non permette la combustione. L azoto è il principale componente dell aria (78% in volume) ma la maggior parte degli organismi viventi non è in grado di assimilarlo direttamente per formare le proteine. La fissazione dell azoto atmosferico è attuata dai batteri azotofissatori che vivono in simbiosi con le radici delle leguminose, alle quali si deve la maggior parte dell apporto di azoto nel terreno. Qui l azoto ammoniacale (NH 4 + ), per mezzo dei batteri nitrosanti e nitrificanti, viene trasformato in azoto nitroso (NO 2 - ) e nitrico (NO 3 - ). La maggior parte delle piante assorbe l azoto solo se presente in questa forma. In assenza di ossigeno, i batteri denitrificanti presenti nel terreno, in trasformano l azoto nitrico in N 2 O e in N 2 che ritorna nell atmosfera. L azoto atmosferico viene anche fissato da scariche elettriche e processi industriali (sintesi NH 3 ). FOTOSINTESI La fotosintesi clorofilliana che avviene nei cloroplasti, in forma semplificata, può essere scritta come: 6 CO 2 (g) + 6 H 2 O (l) C 6 H 12 O 6 (aq) + 6 O 2 (g) La luce solare, assorbita dalle molecole del pigmento verde delle piante (la clorofilla), attiva la reazione tra biossido di carbonio e acqua. L ossigeno (del biossido di carbonio presente nell aria e dell acqua assorbita dal terreno) viene ossidato a ossigeno elementare. Il glucosio prodotto viene poi trasformato in cellulosa e utilizzato per l accrescimento della pianta. Durante la respirazione che avviene nei mitocondri, la pianta decompone gli zuccheri in acqua e CO 2 in quantità non elevata. La fotosintesi è quindi un processo di purificazione dell aria in grado di sottrarre CO 2 e produrre ossigeno. Senza le piante, gli uomini e gli animali sulla Terra soffocherebbero poiché respirano l ossigeno che le piante producono. OSSIGENO L ossigeno è un gas incolore, inodore, poco solubile in acqua (in cui però si scioglie in quantità sufficiente per consentire la respirazione degli organismi che vi abitano), di densità simile a quella dell aria, che favorisce la combustione. L ossigeno è il componente attivo dell aria. È un comburente e alimenta tutte le reazioni dei combustibili per la produzione di energia. 9

11 L ossigeno nell aria Questo esperimento dimostra che un quinto dell aria è costituito da ossigeno. Sottraendo ossigeno all aria ne lasciamo la parte inerte, in prevalenza azoto (cioè incapace di alimentare la vita). Fissa una candela sul fondo di una bacinella. Versa acqua nella bacinella. Aggiungi alcune gocce di colorante. Accendi lo stoppino. Copri la candela con il pallone di vetro. Mentre la candela brucia, l acqua nel pallone sale prendendo il posto dell ossigeno consumato mentre uno dei prodotti della combustione, gassoso anch esso, il diossido di carbonio, si scioglie nell acqua. Quando tutto l ossigeno presente nel pallone è stato trasformato dalla reazione chimica, la fiamma si spegne. Si vede che il livello dell acqua si è alzato, indicando che l ossigeno occupava circa un quinto dell aria di partenza. Produzione di ossigeno da MnO 2 e H 2 O 2 Metti nella beuta perossido di idrogeno al 10%. La decomposizione dell acqua ossigenata è lenta a temperatura ambiente in quanto l energia di attivazione è elevata (la reazione non può essere percepita a occhio nudo). L aggiunta di un catalizzatore (MnO 2 in polvere) abbassa in modo rilevante l energia di attivazione e consente alla reazione di procedere rapidamente a temperatura ambiente con sviluppo tumultuoso di bollicine di ossigeno. Il biossido di manganese catalizza la dismutazione di H 2 O 2 in acqua e ossigeno: 2 H 2 O 2 (aq) 2 H 2 O (l) + O 2 (g) e al termine della reazione si ritrova inalterato sul fondo della beuta. La reazione è esotermica e il calore prodotto causa l evaporazione dell acqua. La presenza dell ossigeno così formatosi viene dimostrata mediante uno stecchino acceso. CO 2 L anidride carbonica (diossido di carbonio, nella nomenclatura IUPAC) è un componente naturale dell atmosfera. Non è velenosa ma non è idonea alla respirazione; se fossimo in presenza di un ambiente saturo di CO 2, non potremmo respirare e la morte avverrebbe per asfissia. E un gas inodore, incolore, moderatamente solubile in acqua, lievemente acido, non brucia né favorisce le combustioni. Essendo più densa dell aria può scacciarla impedendo all ossigeno di alimentare una combustione. È quindi ideale per spegnere incendi che non possono essere estinti con l acqua: la CO 2 liberata dagli estintori avvolge la fiamma sostituendosi all ossigeno e bloccando la reazione. 10

12 RESPIRAZIONE L ossigeno è assorbito dai polmoni o dalle branchie nella respirazione e di qui, attraverso il sangue, giunge alle cellule in cui serve per bruciare le sostanze provenienti dalla digestione degli alimenti ricavandone l energia necessaria sia al compimento delle varie attività sia al mantenimento della temperatura corporea. La reazione di ossidazione che avviene nelle cellule all atto della respirazione è paragonabile alla combustione. Ogni minuto, in condizioni di riposo, nei polmoni di un adulto passano da 6 a 9 litri d aria che diventano 60 durante un attività fisica moderata e 130 durante un attività fisica intensa. L aria, passando attraverso la respirazione umana, cambia la sua composizione. Resta fermo il valore dell azoto (78%) ma l ossigeno diminuisce passando dal 21 al 16%, la CO 2 aumenta passando dallo 0,03% al 5%, risulta notevolmente più elevato il contenuto in vapore acqueo. Riconoscimento CO 2 I carbonati sono composti chimici nei quali un metallo è combinato con carbonio e ossigeno. Quando degli acidi li attaccano si nota un effervescenza dovuta a sviluppo di CO 2. La stessa reazione spiega perché un acido scioglie le incrostazioni calcaree. CaCO 3 (s) + 2 HCl (aq) CaCl 2 (aq) + H 2 O (l) + CO 2 (g) In un pallone a fondo tondo introduci del carbonato di calcio in polvere e fa gocciolare una soluzione di HCl dall imbuto. Il biossido di carbonio che si sviluppa reagisce con la soluzione acquosa di idrossido di calcio, Ca(OH) 2, contenuta nella beuta. Si formano molti minuscoli cristalli di carbonato di calcio, insolubile, che rendono torbida la soluzione. Ca(OH) 2 (aq) + CO 2 (g) CaCO 3 (s) + H 2 O (l) Test del respiro Riempi a metà la beuta con l acqua di calce ed espira attraverso la cannuccia. La soluzione diventa via via più torbida per la formazione di un precipitato bianco di CaCO 3. Ciò dimostra che l aria espirata contiene CO 2. LIEVITI Il diossido di carbonio si forma, oltre che nella combustione di tutte le sostanze organiche e nella respirazione degli esseri viventi, anche nelle fermentazioni. La fermentazione è la degradazione di una sostanza organica in assenza di ossigeno. I lieviti sono funghi capaci di effettuare la fermentazione. Durante questo processo le singole cellule che costituiscono il lievito si nutrono di zuccheri, trasformandoli in CO 2 e alcool. Ogni cellula, quando si nutre, si divide rapidamente (gemmazione). Osservando al microscopio i lieviti incubati, si può comprendere questo fenomeno. 11

13 Introduci in una beuta una soluzione satura di glucosio in acqua a circa 46 C e aggiungi un po di lievito di birra, che contiene gli enzimi necessari alla reazione. Mescola, tappa la beuta con un palloncino e scaldala su una piastra riscaldante. Dopo circa 30 si nota la produzione di CO 2, evidenziata dal rigonfiamento del palloncino, e di etanolo dovuta alla fermentazione alcolica: C 6 H 12 O 6 (aq) 2 C 2 H 5 OH (aq) + 2 CO 2 (g) Togli il palloncino e infila un fiammifero acceso nella beuta. Il fiammifero si spegne perché la beuta è piena di CO 2. Annusando il contenuto della provetta è possibile verificare la presenza di etanolo. Estintore a CO 2 1. Fissa tre candele di diversa altezza sul fondo di un becher 2. Chiudi il pallone con il tappo in cui è inserito il tubo a squadra 3. Fa arrivare il tubo a squadra quasi sul fondo del becher con le candele 4. Accendi le candele 5. Produci la CO 2 facendo reagire CaCO 3 e HCl come sopra La CO 2 prodotta dalla reazione riempie il pallone e scorre nel tubo a squadra arrivando nel becher. Le candele si spengono una a una a partire dalla più bassa. Poiché alla combustione è necessario l ossigeno contenuto nell aria, il fatto che le candele si spengano successivamente, mostra che la CO 2 raggiunge prima quella più bassa e poi le più alte. Infatti, essendo più densa dell aria, si stratifica sul fondo del becher man mano che viene prodotta, sospingendo l aria verso l alto e sostituendosi ad essa. Quando raggiunge uno stoppino, la combustione si arresta. L INQUINAMENTO Da quando l uomo ha impiegato per la prima volta il fuoco ha iniziato a inquinare l aria ma è dalla prima rivoluzione industriale che l immissione di inquinanti è talmente cresciuta da diventare incompatibile con la capacità dell atmosfera di assorbirle. Secondo l Organizzazione Mondiale della Sanità siamo in presenza di inquinamento atmosferico quando l atmosfera contiene sostanze in concentrazioni dannose per l uomo o per l ambiente. La composizione dell aria che respiriamo non è costante in quanto contiene sempre inquinanti (CO 2, NO x, SO 2, O 3, polveri, ). L inquinamento atmosferico sfugge ai nostri sensi e la percezione del rischio non è immediata. È un problema globale, poiché gli inquinanti possono essere trasportati dal vento anche a grandi distanze, ma lo è in particolare per alcune zone. La pianura Padana è una delle zone europee con i livelli di inquinamento atmosferico più elevato. Oltre all elevata concentrazione di sorgenti inquinanti, la pianura Padana è un bacino chiuso dalla Alpi e ciò limita la dispersione degli inquinanti. 12

14 L annerimento degli oggetti di argento è dovuto al solfuro d argento (Ag 2 S) che si forma per ossidazione dell argento da parte di composti contenenti zolfo presenti nell aria. Il rame che forma le lastre che ricoprono questi tetti ha reagito con l anidride carbonica e il vapore acqueo presenti nell aria formando un sottile strato di carbonato di rame idrato, di colore verde. La qualità dell aria nelle città italiane è pessima e continua a peggiorare. Lo confermano i dati del dossier Mal aria, lo studio annuale di Legambiente sull inquinamento atmosferico. I principali imputati sono le polveri sottili: nel 2011, il 67% dei capoluoghi di provincia monitorati non ha rispettato il limite consentito di superamento della soglia di PM10. Verona è la città più inquinata del Veneto ed è la terza in Italia, dopo Torino e Milano. E in leggera crescita anche il numero di città che non rispettano i limiti degli ossidi di azoto. In generale, le attività che risultano essere maggiormente inquinanti sono: - la produzione e l utilizzo di combustibili fossili e carburanti - i processi industriali e l incenerimento di rifiuti - l estrazione di minerali - l attività agricola (concimi e prodotti fitosanitari) e l allevamento L EFFETTO SERRA I raggi solari riscaldano la superficie della Terra, la quale a sua volta riemette energia verso la spazio sotto forma di calore, ovvero radiazione infrarossa. I gas serra naturali intrappolano parte di questa energia riemessa, come i pannelli di una serra. Senza questo effetto serra naturale, la temperatura media sarebbe di -18 C, contro gli effettivi + 15 C. Il diossido di carbonio di origine naturale è prodotto dalle eruzioni vulcaniche e dalla combustione dei materiali contenenti carbonio, oltre che dalla respirazione degli esseri viventi. L emissione in atmosfera di grandi quantità di gas serra, dovuta alle attività umane sta generando un effetto serra aggiuntivo a quello naturale, che rende la Terra più calda. L Osservatorio di Mauna Loa nelle Hawaii, che registra dagli anni 50 il livello di concentrazione di CO 2 nell atmosfera, ha registrato il dato del dicembre 2011: 391,80 ppm (parti per milione in volume: cm 3 di CO 2 in 1 m 3 di aria); da quando si è iniziato a registrarlo, questo dato è sempre in crescita. Nel dicembre 2010 era 389,68 ppm. Nel 1750, all inizio della Rivoluzione industriale, era di 278 ppm. Il carbone è la fonte fossile a maggiore emissione specifica di CO 2. In Italia ci sono 13 centrali a carbone più altri 6 siti che rischiano di aggiungersi tra cui la centrale a olio combustibile di Porto Tolle, nel mezzo del Parco del Delta del Po, che è in attesa di essere riconvertita. Inoltre. anche con filtri di ultima generazione le emissioni di PM10 di una centrale a carbone sono nettamente superiori a quelle di una centrale a turbo-gas e le polveri emesse in atmosfera, che viaggiano anche per 50 km, contengono metalli pesanti (Ni, Cd, Pb, Hg, Cr, ) e si producono ossidi di azoto e ossidi di zolfo che, combinandosi con il vapore acqueo, provocano le piogge acide. 13

15 Dati AzzeroCO 2 : Esistono altri gas serra quali il metano (CH 4 ), il vapore acqueo (H 2 O), l ossido di diazoto (N 2 O), i clorofluorocarburi (CFC). Le molecole di questi gas presentano moti vibrazionali con frequenza simile a quella delle radiazioni infrarosse (λ = 5-30 µm) e quindi assorbono tali radiazioni. Dall inizio della rivoluzione industriale la concentrazione di CH 4 è più che duplicata. Contribuiscono all effetto serra l allevamento, la gestione dei rifiuti, alcune produzioni industriali, l agricoltura. L allevamento ha un impatto sul riscaldamento climatico, soprattutto per la produzione di metano prodotto dalla digestione dei ruminanti. Il metano (CH 4 ) è un gas serra più potente del biossido di carbonio. La produzione di latte in fattoria è la fase che più incide sull impatto ambientale in termini di produzione di gas che contribuiscono all effetto serra. Il trasporto e le confezioni rappresentano una percentuale di gran lunga inferiore. Per il latte bio, l impatto è un po superiore, in quanto si usa un innovativo trattamento di pastorizzazione a elevata temperatura. LA COMBUSTIONE Il fuoco, la più importante invenzione nella storia dell'uomo, è stato scoperto grazie alla combustione accidentale del legno. L'invenzione della macchina a vapore ha consentito, poi, di ottenere energia meccanica dalla combustione del legno. Con la Rivoluzione Industriale, la risorsa legno cominciò a scarseggiare a causa delle massicce deforestazioni realizzate per produrre energia. L'uomo ha dovuto cercare fonti d'energia alternative, trovandole nel carbone e nel petrolio, un tempo abbondanti, ma non rinnovabili. Le reazioni di combustione sono quelle ossidazioni nelle quali una sostanza, detta combustibile, reagisce rapidamente in presenza di ossigeno, detto comburente. Il combustibile può essere solido, liquido o gassoso (per es. legno, cera, benzina, metano). 14

16 La combustione di benzina, gasolio, metano, carbone, legna e la distruzione delle foreste per ottenere terreni agricoli fanno aumentare la concentrazione di CO 2 nell atmosfera. Perché si origini una fiamma sono indispensabili tre elementi: il calore, il comburente e il combustibile. Il fiammifero, ad esempio, prende fuoco quando lo sfregamento della testa di zolfo con una superficie ruvida produce, grazie al forte attrito, il calore necessario perché l ossigeno dell aria bruci lo zolfo. La fiamma si alimenta con l ossigeno presente nell aria e in questo rapido processo rilascia luce e una grande quantità di calore. Questo calore fa aumentare la temperatura dell aria circostante. Le fiamme hanno forma allungata perché l aria calda, meno densa di quella fredda, sale verso l alto. La luce emessa è dovuta alle molecole dei prodotti della combustione, ancora eccitate, che emettono l'energia in eccesso sotto forma di luce visibile. A seconda della percentuale di ossigeno cambiano il colore e la temperatura della fiamma di un fornello. La temperatura di una fiamma gialla è di circa 1000 C mentre quella di una fiamma azzurra è di circa 1400 C. Se la miscela è ricca di ossigeno, la combustione del metano è completa e si formano acqua e CO 2 e non si produce fuliggine. Una miscela combustibile/comburente povera di ossigeno, dà una fiamma gialla, resta del carbonio incombusto e si forma CO. La fuliggine (nerofumo) è una finissima polvere di carbonio che si forma nella parte più interna della fiamma, dove non giunge l ossigeno. Rende luminosa la fiamma e si deposita su una superficie fredda. Che cosa c è nella fiamma di una candela? La cera della candela è costituita da idrocarburi (composti che contengono esclusivamente atomi di carbonio e di idrogeno) a massa molare elevata. Il calore della fiamma scioglie la cera che viene attratta verso l alto dallo stoppino; l ulteriore calore fa evaporare la cera dallo stoppino e il vapore brucia formando CO 2 e H 2 O. L effetto incandescente della candela deriva dalla presenza nelle parti luminose della fiamma di particelle solide incandescenti, costituite in prevalenza da carbonio, che possono essere raccolte portando sulla fiamma la lamina di una spatola. L ossidazione della cellulosa di un foglio di carta è lentissima ma diventa una reazione di combustione rapidissima se viene attivata dalla fiamma. Banconota che non brucia Si può incendiare una banconota senza che questa venga danneggiata. Immergi brevemente una banconota falsa nell alcool, lascia cadere l'eccesso di alcool e quindi, tenendo la banconota con le pinze di acciaio, avvicina una fiamma. La banconota brucerà fino a incenerirsi completamente. Ripeti l'esperimento con una banconota autentica ma stavolta utilizza una soluzione acquosa di etanolo al 50%. Aggiungi un po di sale (NaCl) per conferire il colore giallo alla fiamma rendendola più visibile. Il pubblico non deve accorgersi che si sono usate due soluzioni differenti per le due 15

17 diverse banconote, quindi è opportuno nascondere i recipienti contenenti le soluzioni dietro uno schermo. Immergi la banconota completamente nella soluzione acquosa. Estrai la banconota con una pinza di acciaio e dalle fuoco: brucia solo l alcool. Spiegazione: Quando la banconota viene immersa nella soluzione acquosa di etanolo, l'acqua impregna la carta filigranata mentre l'alcool viene confinato alla superficie; quando la banconota viene incendiata, sarà l'alcool a bruciare lasciando la banconota intatta. GLI INCENDI Le foreste sono i polmoni verdi del pianeta che depurano l aria e immagazzinano CO 2 contribuendo a combattere l aumento dell effetto serra. La deforestazione di aree sempre più vaste rischia di mettere in serio pericolo l equilibrio del nostro ecosistema. Si calcola che incida tra il 20 e il 25% sull aumento della CO 2 nell atmosfera. Invertire la deforestazione, in particolare la sparizione delle foreste tropicali, che fungono da pozzi di carbonio che assorbono la CO 2, è un punto fondamentale nella lotta contro i cambiamenti climatici. Dopo l immensa foresta amazzonica, le verdi foreste del Bacino del Congo rappresentano il secondo serbatoio di assorbimento del carbonio al mondo ma la distruzione forestale sa distruggendo anche il cuore verde dell Africa. Tra i molteplici fattori che minacciano le foreste il fuoco è potenzialmente il più distruttivo. Oltre un terzo d Italia è coperto di boschi, foreste e macchia mediterranea che sono continuamente minacciati dagli incendi. Le regioni che maggiormente vivono il problema degli incendi boschivi sono Calabria, Campania, Puglia, Sicilia, Sardegna. Non scherzate col fuoco è la campagna nazionale di Legambiente e Dipartimento della Protezione Civile di monitoraggio, prevenzione e informazione per la mitigazione del rischio incendi. Se i fattori predisponenti (vento, temperatura, vegetazione secca, ) possono favorire gli incendi boschivi, le cause determinanti (colpose e dolose) sono quelle che li scatenano. Senza la scintilla provocata dagli inneschi l incendio non ha inizio. Gli incendi boschivi vengono appiccati per interessi precisi da incendiari e, in alcuni casi, da piromani (persone con disturbi psichici e della personalità). La maggior parte degli incendi (98%) è causata dall uomo per imprudenza o mancato rispetto delle norme (mozziconi di sigaretta o fiammiferi ancora accesi gettati da treni, auto o camminando, falò o fuochi accesi nei boschi durante le scampagnate, auto parcheggiata a contatto con l erba secca che si può incendiare a contatto con il tubo di scappamento caldo, ) e, soprattutto, per speculazioni legate alla ricerca di un illecito profitto, in molti casi per fare spazio alla cementificazione. Solo il 2% è dovuto a cause naturali o accidentali. 16

18 Il NIAB (Nucleo Investigativo Antincendio Boschivi) del Corpo forestale dello Stato è stato istituito nel 2000 a seguito dell emanazione della legge quadro sugli incendi boschivi (L 21 novembre 2000, n. 353) che ha introdotto il reato specifico di incendio boschivo come un delitto contro la pubblica incolumità e che vieta, sulle aree percorse dal fuoco, per 10 anni il pascolo e la caccia e per 15 anni la possibilità di costruire. Un incendio significa anche immettere nell atmosfera grandi quantità di CO 2 prodotta dalla combustione. LE BARRIERE CORALLINE La concentrazione di CO 2 nell aria è ridotta, oltre che dalle grandi foreste, anche attraverso l assorbimento da parte degli oceani. Questi sono i polmoni blu della Terra. Il fitoplancton, costituito da alghe monocellulari che si trovano nelle acque di superficie, svolge la stessa funzione delle foreste: trattiene CO 2 e produce l ossigeno e la biomassa necessari per la vita degli esseri viventi degli ambienti marini. Il mare in condizioni ottimali assorbe fino a un terzo della CO 2 prodotta dalle attività antropiche del pianeta ed emessa in aria. Il ph dell acqua marina, in condizioni naturali, è circa 8,2. L aumento della concentrazione di CO 2 in atmosfera sta provocando l acidificazione dei mari, con effetti devastanti sulle barriere coralline. Infatti, l acidificazione contrasta la formazione degli scheletri calcarei (cioè fatti di CaCO 3 ) dei coralli e questo potrebbe produrre una catena di effetti negativi su tutti gli organismi che vivono nell ambiente di scogliera. I coralli forniscono la base per l insediamento di altri organismi, favorendo la biodiversità e sostenendo la catena alimentare marina. Le imponenti strutture coralline, che a volte formano intere isole abitate da migliaia di persone, contribuiscono anche a proteggere le coste dall erosione. L ambiente pieno di colori e forme di vita è un importante attrattiva per i turisti, che generano gran parte del reddito di molti Paesi tropicali in via di sviluppo. Per questo, preservare l ambiente corallino riveste una grande importanza ecologica, strutturale, sociale ed economica. Acidificazione acqua Prepara un pallone tarato con acqua e qualche goccia di indicatore acido-base (blu di bromotimolo, indicatore che vira a ph=7). Facendo gorgogliare CO 2 nell acqua avviene la reazione: Man mano che arriva la CO 2, l acqua diventa sempre più acida, il ph diminuisce e l indicatore cambia colore da azzurro a giallo. La diminuzione di ph si può verificare anche utilizzando un phmetro. CO 2 (g) + H 2 O (l) HCO 3 - (aq) + H 3 O + (aq) 17

19 LE PIOGGE ACIDE L acqua piovana, in atmosfera non inquinata, ha un ph intorno a 5,7 dovuto alla CO 2 presente nell aria che, reagendo con l acqua, forma una soluzione leggermente acida, come visto sopra. Il ph delle piogge può però scendere anche a valori inferiori a 5,5. Un elevata concentrazione di CO 2 non giustifica però valori così bassi di ph. Responsabili dell acidità delle piogge in ambienti inquinati sono altri due ossidi, SO 2 e NO 2. Le reazioni sono: S (s) + O 2 (g) SO 2 (g) SO 2 (g) + O 2 (g) SO 3 (g) SO 3 (g) + H 2 O (l) H 2 SO 4 (aq) N 2 (g) + O 2 (g) 2 NO (g) 2 NO(g) + O 2 (g) 2 NO 2 (g) 2 NO 2 (g) + H 2 O (l) HNO 2 (aq) + HNO 3 (aq) NO x, ossidi di azoto Il monossido di azoto (NO) si forma in qualsiasi combustione ad elevata temperatura e viene emesso in grandi quantità nei processi di combustione civili e industriali e dai tubi di scarico dei mezzi di trasporto su gomma. Il biossido di azoto (NO 2 ) è quattro volte più tossico del monossido; procura irritazione alle mucose degli occhi e del naso. L esposizione delle piante al biossido di azoto induce la comparsa di macchie sulle foglie mentre il monossido rallenta il processo di fotosintesi clorofilliana. Inoltre, i fulmini forniscono l energia necessaria perché abbia luogo una reazione di ossidoriduzione nella quale ossigeno e azoto reagiscono per formare NO. È stato calcolato che ogni anno più di 40 milioni di tonnellate di N 2 vengono ossidate a NO dai fulmini. SO 2, diossido di zolfo o anidride solforosa Proviene da eruzioni vulcaniche e dalla combustione di combustibili (in particolare carbone, gasolio per autotrazione e per riscaldamento e olio combustibile) contenenti piccole quantità di zolfo. Quando vengono bruciati, lo zolfo viene ossidato con formazione di biossido di zolfo, SO 2, un gas incolore che, a contatto con l ossigeno dell aria, si ossida a SO 3 (triossido di zolfo o anidride solforica) che con l umidità dell aria forma acido solforico, H 2 SO 4. La reazione è molto lenta ma viene accelerata, con un processo di catalisi eterogenea, dalla presenza nell aria di materiale particolato. Come si formano le piogge acide Introduci in una beuta acqua distillata ed aggiungi qualche goccia di indicatore (blu di bromo timolo). Sagoma un filo di ferro ad un estremità per reggere un pezzetto di zolfo. Accendi lo zolfo, che brucerà con una fiammella azzurra, e introduci il filo con lo zolfo acceso nella beuta senza immergerlo nell acqua. Tappa la beuta. Dopo qualche istante lo zolfo si spegne. Agita la beuta. L indicatore cambia colore da azzurro a giallo dimostrando che l acqua è diventata acida. 18

20 Danni dovuti alle piogge acide L impiego di combustibili fossili provoca l emissione di diversi gas che, pur non essendo gas ad effetto serra, hanno effetti negativi sull ambiente. Infatti, sottoprodotti tipici delle centrali termoelettriche, di alcune attività industriali, degli scarichi dei motori delle auto e degli impianti di riscaldamento domestico, sono il biossido di zolfo (SO 2 ) e gli ossidi di azoto (NO x ). Questi ossidi reagiscono nell aria dando acido solforico, H 2 SO 4, e acido nitrico, HNO 3, che vengono portati a terra dalle precipitazioni. Queste piogge acide causano gravi danni alla vegetazione, inacidiscono le acque dei laghi e dei fiumi con gravi conseguenza anche per la fauna. Lo sviluppo degli embrioni di alcune specie viene bloccato già a valori di ph minori di 6 mentre a valori inferiori a 5 cominciano a scomparire varie specie di pesci, a cominciare dai salmoni e dalle trote. Esse tendono anche a dissolvere i minerali presenti nel terreno che vengono così trascinati via dall acqua. La maggior parte delle piante preferisce un ph del terreno neutro o lievemente acido (6,5). In condizioni di maggiore acidità, assorbono le sostanze nutritive, come le basi di scambio (calcio, magnesio, potassio e sodio), con maggiore difficoltà e, invece, in maggiore quantità metalli, quali l alluminio e il manganese, che possono risultare tossici. Per riportare un terreno soggetto a piogge acide al valore normale di ph, si può aggiungere Ca(OH) 2. Gli ioni OH - reagiscono con gli ioni H 3 O + presenti nel terreno. I raccolti maturati in questi terreni impoveriti danno pochi e scadenti prodotti. Attaccano marmi e calcari; non il granito e la selce. Il CaCO 3 in presenza dell H 2 SO 4 delle piogge acide si trasforma in solfato di calcio (gesso): CaCO 3 (s) + H 2 SO 4 (aq) CaSO 4 (s) + H 2 O (l) + CO 2 (g) polverulento che le acque piovane dilavano facilmente esponendo nuove superficie all aggressione. Per di più, la pioggia acida corrode la pietra lasciandovi minuscole crepe. Quando l acqua penetra in queste crepe e ghiaccia, l espansione del suo volume fa sì che la pietra si incrini e si spezzi. È stato stimato che l inquinamento atmosferico abbia degradato l Acropoli di Atene in 25 anni come l erosione naturale in 25 secoli. Trattare le statue con sostanze conservanti e i laghi con composti basici, come la calce, non è la risposta giusta a questi problemi. È preferibile eliminare gli ossidi nocivi dai gas di scarico oppure usare fonti di energia pulite. 19

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