Esperimenti e attività

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1 Liliana Mammino Esperimenti e attività Casa editrice G. D Anna Messina-Firenze

2 Caro studente, questo manuale ti accompagnerà per tutta la durata del corso di chimica, facendoti vedere quegli aspetti sperimentali che sono stati parte integrante della chimica fin dalle sue prime origini. La chimica è stata la prima scienza a servirsi sistematicamente di un laboratorio. Già gli alchimisti (gli «antenati» dei chimici) lavoravano instancabilmente nei loro laboratori. Essi idearono diversi apparecchi, da quello per la distillazione a quello per il riscaldamento a bagnomaria. Attraverso i secoli, generazioni successive di chimici ne hanno aggiunti di nuovi e perfezionato quelli già in uso, fino ad arrivare alla strumentazione sofisticata dei laboratori attuali. Oltre agli apparecchi, gli alchimisti da una parte e gli artigiani dall altra misero a punto numerosi procedimenti per estrarre sostanze da vari materiali, per purificarle, o per farle reagire l una con l altra producendone di nuove. Tutte queste conoscenze pratiche costituiscono una componente essenziale del patrimonio della chimica, e si legano strettamente alle conoscenze teoriche. Teorie e modelli nascono dall interpretazione delle informazioni sperimentali, e questo è vero per tutte le scienze. La chimica è imprescindibile dal laboratorio proprio per la sua natura di scienza delle sostanze. Le sostanze sono tantissime (alcuni milioni). Ciascuna di esse ha le sue proprietà, che possono essere determinate solo sperimentalmente. Inoltre, ciascuna di esse può reagire con molte delle altre sostanze esistenti e, anche se in parecchi casi siamo in grado di prevedere che cosa si formerà, è l esperimento che conferma le previsioni, o che ci fornisce le informazioni quando le nostre previsioni sono incerte o risulta difficile (o impossibile) farle. Attraverso le attività di laboratorio potrai renderti conto direttamente del modo di procedere della chimica come scienza delle sostanze e, ancor piú in generale, della maniera in cui l attività sperimentale e la riflessione concettuale sono in continua interazione e si alimentano reciprocamente. È questa la caratteristica fondamentale del metodo scientifico di matrice galileiana, che è il metodo dell indagine scientifica moderna. Il laboratorio di chimica è un laboratorio che può essere pericoloso. Perché non lo sia, per poter operare senza rischi, bisogna adottare scrupolosamente tutte le precauzioni necessarie. Ci sono esperimenti semplici, con sostanze che usiamo nella vita quotidiana e che non comportano rischi di sorta. Ci sono anche esperimenti per i quali bisogna maneggiare sostanze che richiedono particolari cautele (ad esempio, l acido solforico) o sostanze che sviluppano vapori che bisogna assolutamente evitare di respirare. Nel manuale, questi esperimenti sono segnalati con un pallino rosso. Sono esperimenti che potrai effettuare in pratica soltanto se il tuo insegnante riterrà che ci siano condizioni adeguate (in termini di attrezzature e di una varietà di altri aspetti) per poterli effettuare senza rischi. A questo punto diviene naturale una domanda. A che cosa ti può servire il vedere (nel manuale) la descrizione di esperimenti che forse non potrai effettuare in pratica? Intanto, la cosa piú importante è proprio il fatto che tu possa leggerne la descrizione. cioè che tu venga a sapere che quegli esperimenti esistono, fanno parte del mondo della chimica. Ciò ti darà un quadro piú completo della parte sperimentale della chimica, della varietà di procedimenti effettuabili e di fenomeni osservabili, della grande varietà di comportamento delle sostanze. Vedrai anche che certe sostanze sono di ampio uso. Ad esempio, potrai constatare che molti esperimenti segnalati col pallino rosso comportano l uso di acido solforico concentrato. Questo ti darà un idea della molteplicità di impieghi dell acido solforico, del suo ruolo fondamentale nella pratica chimica (compresa l industria chimica). Poi, ci sono molte altre cose che si possono fare con un esperimento di cui si abbia la descrizione, dal discuterlo in classe, per cercare di prevederne il decorso, all andare in biblioteca e cercare sui libri informazioni che ti consentano di prevedere quello stesso decorso e di capire perché l esperimento si sviluppa cosí e non in un modo diverso. Infine, sarai meglio in grado di discutere gli aspetti sperimentali che si associano ai concetti e alle descrizioni che incontri studiando la teoria. Piú ti riuscirà di riconoscere e apprezzare i collegamenti fra parte teorica e parte sperimentale, piú diventerà completa l immagine che ti formerai della chimica.

3 Liliana Mammino LABORATORIO Esperimenti e attività Casa editrice G. D Anna Messina-Firenze

4 Copyright 2003 G. D Anna Casa editrice S.p.A. - via Dante da Castiglione, Firenze tel fax internet - [email protected] Proprietà letteraria riservata Commessa 1104 Il Sistema Qualità della G. D Anna Casa editrice S.p.A. è certificato, secondo le norme UNI EN ISO 9001, da Cermet (n. 1791) Prima edizione marzo 2003 Ristampe Progetto grafico e copertina Videoimpaginazione Disegni e grafici Redazione Contributi alla redazione Rilettura del testo Coordinamento delle fasi di stampa e confezione Stampa Legatura Ruth Kroeber, Alberto Baragli Salviati S.r.l. - Milano Barbara Vicini, Antonio La Capra, Graffito S.r.l. Salviati S.r.l. - Milano Edoarda Mola Sonia Sala Cristina Bonciani Tipolitografia STIAV S.r.l. - Firenze Legatoria industriale S.r.l. - Firenze Ringraziamenti Un particolare ringraziamento ai miei colleghi di vari paesi, che sono stati disponibili a discutere con me diversi punti di questo libro (ognuno nel proprio campo di specializzazione) mentre lavoravamo tutti insieme all Università dello Zambia: prof. Patrick Flash, docente di chimica organica, prof. H. W. Dias, docente di chimica inorganica, dr. Thomas Holme, docente di chimica teorica, dr. Andrew Opoku, docente di biochimica, prof. Enos Kiremire, docente di chimica inorganica, dr. David Thompson, docente di fisica, dr. Alain Stroobants, ricercatore sugli stati condensati della materia; a mio fratello, ing. Armando Mammino, che ha letto con grande attenzione l intero manoscritto per verificare la chiarezza e la comprensibilità del testo; al Capo Dipartimento della Facoltà Mineraria dell Università dello Zambia, al prof. Floriano Graziati, preside del Liceo Scientifico «Leonardo da Vinci» di Treviso, al prof. Salvatore Pantano, preside dell ITIS «Enrico Fermi» di Treviso, al prof. Bruno Coassin, al prof. Renzo Biasin, al prof. Curzio Cipriani, direttore dell Istituto di Mineralogia dell Università di Firenze, al dr. Giorgio Cazzaro, specialista di malattie del sangue e allergiche, al geom. Mauro Martin per assistenza e consigli; e infine alle redazioni della Salviati e della Casa editrice per la professionalità con cui hanno lavorato alla realizzazione di questo libro. La G. D Anna Casa editrice S.p.A., esperite le pratiche per acquisire i diritti di riproduzione delle illustrazioni prescelte, rimane a disposizione di quanti avessero comunque a vantare ragioni in proposito. Fotocopie per uso personale possono essere effettuate nei limiti del 15% di ciascun volume dietro pagamento alla SIAE del compenso previsto dall art. 68, comma 4, della legge 22 aprile 1941 n. 633, ovvero dall accordo stipulato tra SIAE - AIE - SNS e CNA - CONFARTIGIANATO - CASA - CLAAI - CONFCOMMERCIO - CONFESERCENTI il 18 dicembre Le riproduzioni ad uso differente da quello personale potranno avvenire, per un numero di pagine non superiore al 15% del presente volume, solo a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da AIDRO - via delle Erbe, Milano - [email protected]

5 III Sommario Il laboratorio chimico 1. Il ruolo del laboratorio 1 2. Materiale di uso comune in laboratorio 1 3. Come operare in laboratorio L esperimento Le misure di sicurezza 7 4. Le operazioni di misura Che cosa significa fare una misura Le unità di misura La precisione delle misure Gli strumenti di misura del tuo laboratorio Familiarizzarsi con gli strumenti Misure di massa Misure di volume 15 Esperimenti e attività Misure di massa Misure di volume 16 I primi concetti L aria è materia? Le proprietà delle sostanze 19 Determinazione della densità Le caratteristiche di alcune sostanze La struttura delle molecole e l uso dei modellini 21 L analisi chimica 22 Riconoscimento di alcuni metalli mediante l analisi alla fiamma Riconoscimento di alcune sostanze all odore 22 8 Riconoscimento dello ione ammonio 23 9 Riconoscimento dello ione acetato Riconoscimento dello ione solfuro 23 Il colore delle soluzioni Soluzioni contenenti lo ione permanganato Soluzioni contenenti lo ione del rame Informazioni quantitative dall intensità del colore 23 La comparsa di colorazioni particolari Riconoscimento dell acqua 24 Riconoscimento dello iodio 24 La formazione di precipitati caratteristici Riconoscimento dell argento Riconoscimento dello ione cloruro Riconoscimento del bario Riconoscimento dello ione solfato Riconoscimento dell alluminio Riconoscimento del ferro Riconoscimento del cadmio L analisi di una miscela contenente più metalli Un esempio di analisi quantitativa 26 Anche i gas si possono analizzare Riconoscimento dell anidride carbonica 28 La cromatografia Una prova molto semplice Un esempio di cromatografia su carta Un esempio di cromatografia su colonna 29 Miscugli e composti Gli stati di aggregazione della materia La temperatura La temperatura non è una grandezza estensiva 33 Lo stato solido Lo stato gassoso La velocità di diffusione dei gas 34 I passaggi di stato 34 La fusione Determinazione del punto di fusione del paradiclorobenzolo Determinazione del calore di fusione della cera 35 L evaporazione L evaporazione è un processo che assorbe calore Un confronto Influenza della ventilazione sulla velocità con cui il liquido evapora Influenza della temperatura sulla velocità con cui il liquido evapora Confronto della tendenza a evaporare di liquidi diversi 36 L ebollizione Determinazione del punto di ebollizione dell alcol etilico 37

6 IV Sommario 41 Come far bollire l acqua a temperatura ambiente 37 Determinazione della curva di riscaldamento dell acqua La sublimazione Le reazioni chimiche Un esempio di combustione: la combustione di una candela Individuiamo i reagenti Individuiamo i prodotti 40 Reazioni chimiche provocate dal calore Le leggi ponderali La conservazione della massa La conservazione della massa La conservazione della massa. Le proporzioni definite Determinazione dei rapporti di combinazione Il sistema periodico Rappresentazioni alternative della periodicità 43 Andamenti periodici 43 Il legame chimico Dalle proprietà macroscopiche alle informazioni sul legame Interazioni fra un «filo» sottile di liquido e una bacchettina elettricamente carica La tendenza delle sostanze a evaporare 44 Modelli e strutture Modelli di molecole La struttura cristallina dei composti ionici La struttura del diamante La struttura del ghiaccio 44 Principali tipi di composti Reazioni di ossido-riduzione Una reazione di ossido-riduzione decisamente «vivace» I vari stati di ossidazione del manganese Un esempio di dismutazione Un altro esempio di dismutazione 46 Termochimica Reazioni chimiche e calore Determinazione del calore di combustione della stearina La legge di Hess La legge di Hess 49 La chemiluminescenza Una reazione che produce luce Un altra reazione che produce luce 51 Le soluzioni Il calore di soluzione Determinazioni qualitative Determinazioni quantitative Da quali fattori dipende la quantità di calore che accompagna un processo di soluzione? Una riprova con un altro soluto 53 La solubilità delle sostanze Quali liquidi possono mescolarsi fra di loro? 53 Quali solidi si sciolgono in un dato solvente 53 Determinazione della solubilità di una sostanza in acqua Effetto della temperatura sulla solubilità di una sostanza Determinazione della solubilità del clorato di potassio a varie temperature Il volume della soluzione quando un solido si scioglie in un liquido Il volume della soluzione quando si mescolano due liquidi Il gas disciolto nell acqua minerale 55 Le soluzioni elettrolitiche Elettroliti e non elettroliti Conducibilità elettrica e concentrazione della soluzione Elettroliti forti ed elettroliti deboli 56 Preparazione di soluzioni a concentrazione nota Preparazione di 200 ml di soluzione 0,3 M di cloruro di potassio Preparazione di 400 ml di acido cloridrico 0,50 M a partire da acido cloridrico concentrato 6,00 M 57 Le proprietà colligative 57 L innalzamento ebullioscopico L abbassamento crioscopico

7 Sommario V La pressione osmotica Fenomeni di osmosi negli organismi viventi Come separare i componenti di una soluzione La distillazione La cristallizzazione Cristallizzazione di due soluti dalla stessa soluzione Una cristallizzazione «particolare» 61 I colloidi Un emulsione 61 Un sol 61 Un altro sol 61 Una gelatina 61 L effetto Tyndall 62 Cinetica chimica La velocità delle reazioni chimiche 63 Effetto della suddivisione dei reagenti sulla velocità di reazione Effetto della concentrazione dei reagenti sulla velocità di reazione Effetto della temperatura sulla velocità di reazione Effetto della presenza di un catalizzatore sulla velocità di reazione Un esempio di autocatalisi 66 L equilibrio chimico Il principio di Le Châtelier Equilibri chimici nelle soluzioni acquose Acidi e basi Determinazione del ph di una soluzione mediante l uso di vari indicatori Indicatori «casalinghi» Come usare il piaccametro Entità della dissociazione degli elettroliti deboli e diluizione delle soluzioni Una reazione di neutralizzazione Titolazioni acido-base Determinazione della curva completa di titolazione La curva di titolazione di un acido poliprotico Titoliamo l aceto Il ph delle soluzioni di sali Potere tampone delle soluzioni acide Potere tampone delle soluzioni basiche L effetto della diluizione sul ph Determinazione della costante di dissociazione dell acido acetico 73 Equilibri di solubilità dei composti ionici Quali soluzioni danno origine a un precipitato se vengono mescolate? Precipitazione degli ioni Cl e I da una stessa soluzione Determinazione del prodotto di solubilità dell ossalato di calcio 75 Elettrochimica La tendenza degli elementi ad essere in uno stato ossidato Confrontiamo alcuni metalli Tendenza a ossidarsi degli elementi del VII gruppo 77 Le celle galvaniche Costruzione di una cella Daniell Determinazione dei potenziali standard di alcuni elementi 78 L elettrolisi Elettrolisi di una soluzione acquosa di solfato di rame Elettrolisi di altre soluzioni acquose Elettrolisi di una soluzione acquosa di cloruro di sodio L elettrolisi dell acqua Un aspetto quantitativo dell elettrolisi Un altro aspetto quantitativo dell elettrolisi Un esempio di nichelatura 80 Chimica inorganica Il I gruppo «Tenerezza» del sodio Una caratteristica dei composti dei metalli alcalini Solubilità in acqua dei composti dei metalli alcalini 81

8 VI Sommario 146 Confronto fra una soluzione di carbonato di sodio e una di bicarbonato di sodio Decomposizione termica del bicarbonato di sodio La reazione fra perossido di sodio e acqua 81 Il II gruppo Analisi quantitativa degli elementi del II gruppo La reazione del magnesio con l acqua Gli idrossidi dei metalli del II gruppo Il carbonato e il bicarbonato di calcio Determinazione della durezza di un acqua Determinazione della durezza dovuta al calcio Le acque dure e il sapone Come eliminare la durezza delle acque: precipitazione del calcio 84 Il III gruppo Preparazione dell acido borico L acido borico e il colore della fiamma Le soluzioni di acido borico L idrolisi del borace La perla al borace Comportamento anfotero dell alluminio Comportamento anfotero dell idrossido di alluminio Effetto dell acido nitrico sull alluminio 85 Il IV gruppo Le forme allotropiche del carbonio Il carbonio negli organismi viventi Proprietà adsorbenti del carbonio Adsorbimento di ioni su carbone attivo Proprietà riducenti del carbonio Un «giardino di silice» Proprietà riducenti dei composti stannosi Precipitazione dei sali di piombo 86 Il V gruppo La costante basica dell ammoniaca Spostamento della situazione di equilibrio in una soluzione acquosa di ammoniaca Proprietà ossidanti e riducenti dei nitriti Precipitazione del fosfato monoacido di calcio 87 Il VI gruppo La molecola dello zolfo Solfuri insolubili dei metalli Proprietà riducenti del tiosolfato di sodio 87 Il VII gruppo Prepariamo l ipoclorito di sodio 88 Confronto delle proprietà ossidanti degli ioni ipoclorito, clorato e perclorato 88 La solubilità del bromo e dello iodio in solventi organici 88 Lo iodio nelle alghe 88 I metalli di transizione Confronto dell azione corrosiva di alcune sostanze nei confronti del ferro Il ruolo dell aria e dell acqua nell arrugginimento del ferro L idrossido ferrico Il contenuto di rame in un campione di ottone Gli alogenuri di argento Come si stampano le foto in bianco e nero Cromo o nichel? Un complesso dello zinco Riduzione dello ione rameico Un complesso del rame Un inchiostro simpatico Il riconoscimento del nichel Il colore dei cromati L acido metavanadico Dallo ione metavanadato allo ione decavanadato 93 Chimica organica Le reazioni organiche L ossidazione degli idrocarburi Reazione degli idrocarburi con bromo Ossidazione dell alcol etilico con permanganato Ossidazione dell alcol etilico con bicromato La formazione di esteri 95 Analisi chimica dei composti organici Determinazione del grado alcolico della birra Il saggio dello iodoformio Un saggio per i composti carbonilici Un saggio per i fenoli Verifica la purezza dell aspirina 97 Prepariamo alcune sostanze La preparazione dell alcol etilico 98 La preparazione dell aspirina 98 Prova a preparare un sapone 99 Dal sapone alle candele 99 Prova a fabbricare un filo di nylon 100 Biochimica I carboidrati Riconoscimento dei carboidrati. Il saggio di Molisch I gruppi funzionali degli zuccheri Riconoscimento degli amidi L idrolisi degli amidi 103

9 Sommario VII 218 Come le mele acerbe differiscono da quelle mature L idrolisi della cellulosa 104 Le proteine La reazione di Buret per il riconoscimento delle proteine Un altro saggio per il riconoscimento delle proteine Le proteine che contengono zolfo Prova a separare le proteine del latte La coagulazione delle proteine Come preparare una colla dal latte 105 Le vitamine Come determinare il contenuto di vitamina C nella frutta 105 La chimica e l industria La separazione delle sostanze Separazione dell olio da un emulsione Estrazione della clorofilla da una foglia Estrazione dell olio dalle noci La decantazione La ricristallizzazione La sublimazione come tecnica di purificazione delle sostanze 109 Alcuni processi tecnologici Come ricavare il piombo da un suo minerale 109 Il processo Solvay 110 Prova a preparare il superfosfato (un fertilizzante) 111 La chimica e l ambiente Le sostanze presenti nell acqua Come determinare la quantità totale di solidi sospesi in un campione di acqua Determinazione della quantità totale di solidi disciolti in un campione di acqua, mediante evaporazione dell acqua Determinazione della quantità totale di solidi disciolti in un campione di acqua, mediante misure di conducibilità L alcalinità dell acqua Come determinare la quantità di ossigeno disciolto nell acqua Il ph dell acqua I cloruri presenti nell acqua La presenza di sostanze organiche 115 Il trattamento delle acque La filtrazione attraverso sabbia La flocculazione dei colloidi 116 Il suolo Come determinare il grado di acidità del suolo Determinazione della materia organica presente nel terreno 117 Valori delle costanti fondamentali 120 Conversione da altre unità di misura al Sistema Internazionale (S.I.) 120

10 Classi e simboli di pericolosità per l uso Simbolo Sigla Tipo di pericolo Precauzioni E Esplosivo Evitare calore, colpi, frizioni, fuoco, scintille, urti. F+ F Altamente infiammabile Facilmente infiammabile Tenere lontano da fonti di calore, in particolare scintille e fiamme. Evitare il contatto con sostanze infiammabili. O Comburente Grave pericolo di combustione, possibili scoppi di incendi, per altro non estinguibili. Evitare contatti con il corpo, che possono provocare T+ Molto tossico azione cancerogena, alterazione genetica T Tossico e sterilizzazione. Pericolo di sensibilizzazione. Xn Nocivo Evitare contatti con il corpo, e inalazioni di vapori. Alcune sostanze hanno effetti cancerogeni, di sterilità e alterazione genetica. Non usare impropriamente. C Corrosivo Evitare, con particolari precauzioni, il contatto con pelle, occhi e indumenti. Non inalare i vapori. Xi Irritante Evitare il contatto con occhi e pelle. Non inalare i vapori. N Pericoloso per l ambiente Non disperdere nel suolo e nell aria. Eliminare il prodotto negli appositi punti di raccolta. Nel manuale gli esperimenti che possono essere pericolosi sono segnalati con un pallino rosso. Sono esperimenti che potrai effettuare in pratica soltanto se il tuo insegnante riterrà che ci siano condizioni adeguate (in termini di attrezzature e di una varietà di altri aspetti) per poterli effettuare senza rischi. Fai bene attenzione: i passaggi e le operazioni piú a rischio, cosí come i suggerimenti e gli avvertimenti per lavorare in sicurezza, sono stati scritti in rosso.

11 1 Il laboratorio chimico Visto che molti strumenti sono tarati in millilitri, e che è tuttora uso nella pratica parlare in termini di millilitri, nella descrizione delle esperienze si sono usati i millilitri come unità di misura del volume. 1. Il ruolo del laboratorio La chimica è una scienza sperimentale. Gli esperimenti vengono effettuati in laboratorio. Anche tutte le altre scienze sperimentali si servono di un laboratorio. Gli esperimenti, però, sono diversi a seconda degli oggetti o dei fenomeni che si vogliono studiare. Quindi, scienze diverse si servono di esperimenti e di apparecchiature diverse. La chimica studia le proprietà e le trasformazioni delle sostanze. Ricordiamo che, per determinare le proprietà chimiche, si ricorre comunque a esperimenti che possono provocare delle trasformazioni di sostanza. Quindi, il laboratorio chimico è, in generale, un laboratorio in cui avvengono trasformazioni di sostanze in altre. Questo aspetto richiede precauzioni particolari perché, quando si forma una sostanza nuova, non sempre si può prevedere quali saranno le sue proprietà. Man mano che studieremo aspetti nuovi della chimica, vedremo anche alcuni esperimenti che permettono di capirne meglio il significato. Tali esperimenti verranno presentati nell ambito dei vari capitoli ai cui temi si riferiscono. In questo capitolo, invece, faremo la conoscenza dei tre aspetti di base piú importanti per poter operare in laboratorio in modo corretto, e precisamente: impareremo a conoscere gli oggetti e gli strumenti di uso piú comune; considereremo le regole che è necessario seguire per lavorare in condizioni di sicurezza; discuteremo il problema della misura. Impareremo a valutare il grado di precisione delle singole misure, e vedremo come si tiene conto di questo grado di precisione nei calcoli che utilizzano valori ottenuti mediante misure. 2. Materiale di uso comune in laboratorio Per prima cosa, ci conviene imparare i nomi degli oggetti di uso piú comune in laboratorio. Li elenchiamo qui di seguito, assieme a una illustrazione schematica e, dove è il caso, una rapida descrizione e alcune informazioni sull uso. Le figure non sono in scala e, quindi, non forniscono un idea delle dimensioni reciproche dei vari oggetti, ma soltanto della loro forma. In molti casi uno stesso oggetto viene prodotto in varie misure. Cosí, ad esempio, troveremo becher da 25 ml, da 50 ml, da 100 ml, etc.; volta per volta si dovrà scegliere quello con la misura piú adatta all esperimento che interessa.

12 2 Il laboratorio chimico provetta (o tubo da saggio) tubo di vetro (di vetro normale o di vetro resistente al calore) becher bicchiere di vetro resistente al calore. È fornito di un beccuccio che permette di versare i liquidi piú facilmente. Presenta sempre una tacca che indica il livello a cui arriva la quantità di liquido corrispondente alla «misura» del becher. A volte i becher presentano anche tacche intermedie, che indicano il volume di liquido a vari livelli di riempimento. Il nome è mutuato dal termine tedesco Becher, che significa «bicchiere» portaprovette supporto con ripiani, entro i cui fori si inseriscono le provette. Ce ne sono di legno, di plastica e di metallo cilindro graduato contenitore di vetro a forma cilindrica, con tacche che indicano il volume corrispondente a vari livelli di riempimento. Usato per misurare il volume dei liquidi buretta è un lungo tubo di vetro (in genere oltre i 50 cm di lunghezza), graduato e fornito di rubinetto. Serve per prelevare le quantità volute di liquido soprattutto quando servono parecchi prelevamenti successivi (anche goccia a goccia). Deve essere fissata a un sostegno beuta recipiente di vetro resistente al calore. Ha forma tronco-conica, col collo allungato palloncino e matraccio recipienti di vetro resistente al calore. Hanno forma sferica, o con fondo appiattito, e collo piuttosto lungo sostegno costituito da un asta di ferro inserita in un basamento pesante. Ad esso si possono fissare (mediante apposite pinze) burette, provette, matracci, termometri, etc., a seconda delle esigenze

13 Materiale di uso comune in laboratorio 3 bacchettina di vetro serve per mescolare vetro da orologio è un vetro concavo a forma rotonda. È usato soprattutto per mettervi piccole quantità di solidi in polvere o in grani, ma anche per coprire becher contenenti liquidi che evaporano facilmente, o per altri scopi imbuto è usato soprattutto per filtrare liquidi contenenti particelle sospese (si fa aderire la carta da filtro alle pareti dell imbuto) pinze portaburette servono per fissare le burette o altri oggetti sottili (termometri, etc.) all asta del sostegno. Ne esistono di vari modelli, sia in metallo che in plastica anelli si fissano al sostegno facendo passare l asta del sostegno nel foro piccolo e fermandoli nella posizione voluta mediante la vite. Nel foro grande si appoggiano imbuti o, a volte, palloncini pipette servono per prelevare liquidi dai recipienti che li contengono (boccettine, becher, etc.). Possono essere fornite di una tettarella di gomma (come i comuni contagocce) o di uno stantuffo. A volte sono graduate spruzzetta è un recipiente di plastica, con inserita una cannuccia che termina in un beccuccio molto sottile. Viene riempito di acqua distillata, e serve per aggiungere quantità limitate di acqua distillata anello girevole per regolare l afflusso dell aria base bassa temperatura alta temperatura bassa temperatura zona fredda (gas incombusti) foro per l aria tubo di gomma che lo collega al rubinetto del gas ingresso del gas becco di Bunsen (o semplicemente bunsen) è un fornello che funziona a gas. Un anello girevole vicino alla base permette di regolare l afflusso dell aria per ottenere fiamme con caratteristiche diverse. Zone diverse della fiamma hanno temperatura diversa, e possono essere usate per scopi diversi spatola strumento di acciaio che serve per prelevare sostanze in polvere o in grani

14 4 Il laboratorio chimico pinze quelle del tipo mostrato in figura servono per prendere o sostenere oggetti che scottano senza toccarli. Ne esistono sia in metallo che in legno treppiede supporto di metallo. Serve per sostenere contenitori che devono essere riscaldati. Sotto di esso, in posizione centrale, si pone un bunsen crogiolo contenitore di porcellana resistente al calore. Ne esistono anche di nichel o di platino. Viene tenuto direttamente sulla fiamma del bunsen, mediante pinze, oppure inserito in un treppiede. Usato per operazioni in cui si richiede una temperatura piú alta che per le operazioni normalmente effettuate nelle capsule. In particolare lo si usa per riscaldare solidi fino a farli calcinare o fondere capsula contenitore di porcellana resistente al calore. Ne esistono anche di nichel o di platino. Viene tenuta direttamente sulla fiamma del bunsen mediante pinze, o inserita in un triangolo posato su un treppiede. Può anche essere posta all interno di una stufa. La si usa per «portare a secchezza» qualcosa: far evaporare l acqua da una soluzione, oppure riscaldare un solido fino a eliminare l acqua inglobata nel cristallo (acqua di cristallizzazione) retina metallica è una reticella di metallo con all interno un disco di materiale ceramico. Viene posta sul treppiede, e ha la funzione di distribuire in modo uniforme il calore della fiamma. Su di essa si pone il contenitore (becher, beuta, etc.) con il materiale da riscaldare triangolo refrattario è costituito da una struttura di filo metallico ricoperta da cilindri di ceramica resistente al calore. Viene posto sul treppiede, e al suo interno vengono inseriti crogioli o capsule

15 Materiale di uso comune in laboratorio 5 Varietà di bruciatori Gli apparecchi in uso nel laboratorio chimico sono oggetto di continui miglioramenti tecnologici, che li rendono adatti ai diversi scopi. Qui vediamo alcune versioni del bruciatore (o lampada), e precisamente, da sinistra: un bunsen tradizionale. Caratteristiche: due fori opposti per permettere l ingresso dell aria, una ghiera girevole per regolare l afflusso dell aria, il camino con sezione costante e aperto in alto; bunsen in cui l afflusso dell aria viene regolato con il sistema teclu: un disco ruota, e ruotando si avvicina o si allontana dalla base del cono; lampada teclu. L afflusso dell aria viene regolato come nel caso precedente. Il camino ha una sezione non costante: il fatto che in alto ci sia una parte piú ampia permette di raggiungere temperature piú alte. In alto c è un apertura centrale circondata da una serie di forellini spartifiamma (che servono ad ampliare la sezione della fiamma); lampada mecker modificata teclu: ha le stesse caratteristiche della precedente, con la differenza che nell apertura è inserita una retina spargifiamma. La fiamma: tipi diversi ed effetti diversi Fiamme diverse prodotte da uno stesso bruciatore (una lampada teclu) con diversa regolazione dell afflusso d aria. A sinistra: la combustione avviene in eccesso di aria (e quindi in eccesso di ossigeno). La fiamma è blu. Viene chiamata fiamma ossidante, con riferimento alla sua azione. A destra: la combustione avviene in difetto di aria. La fiamma ha colore giallo, ed è luminosa per la presenza di particelle carboniose accese sospese (se si mette un fondo di bicchiere sopra la fiamma con cautela si vede che si annerisce perché su di esso si deposita il «nerofumo», cioè le particelle carboniose accese). Viene chiamata fiamma riducente, con riferimento alla sua azione.

16 6 Il laboratorio chimico 3. Come operare in laboratorio 3.1. L esperimento Un esperimento comporta una serie di operazioni. Ciascuna di esse ha un ruolo specifico nell ambito dell intero esperimento. È importante sia sapere condurre ogni operazione in modo corretto, sia capire a che cosa serve e qual è il suo ruolo. È anche importante saper collegare l esperimento, e i suoi risultati, alla teoria che ad essi si associa. Per poter realizzare tutto questo nel modo piú facile e piú efficace, ti conviene seguire i consigli espressi qui sotto. Prima dell esperimento Leggi con cura la descrizione dell esperimento, e assicurati di aver capito bene tutti i particolari. Se la descrizione fa riferimento a nozioni teoriche che non ricordi bene, cercale nel tuo libro di testo, in modo da capire a fondo il significato dell esperimento. Ascolta attentamente la spiegazione preliminare dell insegnante. Mentre fai l esperimento Esegui l esperimento assegnato con grande cura, seguendo attentamente le istruzioni date. Tieni sempre il posto di lavoro pulito e ordinato, e non mettere sul banco oggetti che siano estranei all esperimento in corso. Se devi registrare osservazioni, metti il blocco per appunti in una posizione conveniente, cioè una posizione che ti consenta di scrivere senza cessare di osservare quello che succede e senza disturbare il lavoro dei tuoi compagni. Se devi registrare valori numerici nel corso dell esperimento, ti conviene preparare in anticipo uno schema (ad esempio, in forma di tabella), che ti renda piú facile e piú rapido il lavoro e, allo stesso tempo, garantisca che, quando rileggerai i valori, saprai chiaramente a che cosa è riferito ciascuno di essi. Al termine dell esperimento, segui le istruzioni dell insegnante riguardo a come comportarti con le sostanze che non servono piú. Alcune sostanze possono essere raccolte per essere utilizzate in situazioni diverse. Altre sostanze non sono piú utilizzabili, e allora bisogna «disfarsene» in modo appropriato. Ci sono sostanze che possono essere versate nel lavandino, dopo di che si fa scorrere acqua in abbondanza. Molte sostanze, però, non devono essere disperse nell ambiente e, quindi, vanno raccolte nei contenitori che l insegnante ti indicherà, in modo che poi il personale specializzato possa provvedere alla loro eliminazione secondo le regole del caso. Infine, pulisci accuratamente tutti i recipienti e gli apparecchi usati. Dopo l esperimento Prepara una relazione sull esperimento effettuato. La relazione può essere organizzata in vari modi. È consigliabile che essa comprenda sempre i seguenti punti: a) titolo dell esperimento: metti a punto un titolo che ti sembra appropriato rispetto all esperimento ed efficace a comunicarne la natura; b) obiettivo: specifica qual è lo scopo dell esperimento. Ricorda che lo scopo non va confuso con le conclusioni, che potrai trarre soltanto alla fine dell esperimento. All inizio puoi soltanto porti l obiettivo di studiare o di determinare qualcosa (ad esempio, determinare i valori di certe grandezze o la presenza di certe caratteristiche, oppure studiare come varia l andamento di un fenomeno se fai variare alcune delle condizioni in cui esso avviene). Alla fine dell esperimento potrai dare una risposta alle domande che avevi formulato all inizio; c) materiale necessario: fai un elenco di tutto il materiale usato nell esperimento. Per le sostanze, indica anche quale quantità hai usato; d) procedimento: descrivi con ordine e dettagliatamente il procedimento seguito e le operazioni effettuate;

17 Come operare in laboratorio 7 e) dati o osservazioni: riporta in modo ordinato i dati numerici che hai ottenuto (quando possibile, sotto forma di tabella), e descrivi i fenomeni che hai osservato durante l esperimento (un cambiamento di colore, un intorbidamento, la formazione di un precipitato, etc.). Non dimenticare di precisare in quale momento e a seguito di quali operazioni hai notato ciascuno di questi fenomeni; f) calcoli (trattamento dei risultati): a volte i dati ottenuti dall esperimento sono la base di partenza per effettuare calcoli che permettono di arrivare ad altri risultati. In questo caso, organizza il procedimento di calcolo in modo da evidenziare tutti i passaggi significativi, la loro sequenza logica, e il significato dei valori numerici che ottieni man mano; g) problemi incontrati: se hai incontrato difficoltà nel corso dell esperimento, descrivile, e cerca di individuarne le cause; h) discussione dei risultati: spiega quali sono, secondo te, i «fatti» importanti che l esperimento ha messo in evidenza, e le conclusioni che puoi trarne. A seconda della natura dell esperimento, questa parte può richiedere poche parole, oppure una trattazione piú estesa. Cerca sempre di valutare se i tuoi risultati sono in accordo con le teorie e con le leggi che hai studiato; se non lo sono, cerca di scoprire quali fattori possono aver causato la discrepanza. Puoi anche includere suggerimenti su come, secondo te, si può migliorare la conduzione dell esperimento o renderla piú efficace Le misure di sicurezza Come abbiamo già detto, nel laboratorio chimico si utilizzano vari tipi di sostanze, e quasi sempre se ne ottengono di nuove nel corso dell esperimento. Le sostanze non hanno tutte le stesse caratteristiche. Molte sono innocue, ma parecchie altre possono avere alcune caratteristiche pericolose: ad esempio, essere caustiche, o sviluppare vapori irritanti. Ciò non significa che del laboratorio chimico si debba aver paura. Significa che in laboratorio è indispensabile osservare sempre le misure di sicurezza. Queste sono state messe a punto proprio per evitare che diventi pericoloso. Qui di seguito riportiamo le misure piú importanti. Seguile sempre, senza eccezioni. Non tentare mai esperimenti non autorizzati, seguendo l impulso del momento o il desiderio di scherzare. Potrebbe essere molto pericoloso; non usare quantità di sostanze maggiori di quelle consigliate dalle istruzioni. Ricorda che certe sostanze possono essere pericolose in quantità considerevoli, mentre non lo sono nelle quantità indicate per il dato esperimento; non toccare nessuna sostanza con le mani. Usa gli strumenti appositi; usa sempre le pinze per maneggiare oggetti caldi. In particolare, ricorda che un oggetto di vetro che sia stato riscaldato si raffredda lentamente e, quindi, non toccarlo finché non sei sicuro che si sia raffreddato. Non mettere un oggetto di vetro caldo su una superficie fredda, perché potrebbe rompersi; tieni le sostanze infiammabili lontano dal bunsen acceso o da qualsiasi altra fiamma libera; non dirigere mai verso di te, o verso un tuo compagno, l imboccatura di una provetta che viene riscaldata, o in cui sta avvenendo una reazione: potrebbero uscirne schizzi; non assaggiare nessuna sostanza, a meno che non ti si dica espressamente di farlo; non mettere il naso direttamente su un recipiente da cui si sviluppa un vapore. Se vuoi sentirne l odore, dirigi verso di te, delicatamente, con la mano, un po del vapore; se per sbaglio versi acido o altre sostanze corrosive sul banco o sul pavimento, avverti immediatamente l insegnante; se per sbaglio la tua pelle viene a contatto con qualche sostanza (una goccia d acido sulle mani, ad esempio), lava immediatamente e abbondantemente sotto il rubinetto. Avverti l insegnante; non aggiungere mai acqua a un acido concentrato, ma fai l operazione inversa, cioè aggiungi l acido all acqua, un po alla volta e con cautela. Questo è particolarmente importante nel caso

18 8 Il laboratorio chimico dell acido solforico (che va fatto scorrere lentamente, poco alla volta, lungo le pareti del becher o della provetta non si devono mai aggiungere gocce di acido solforico direttamente alla superficie dell acqua); maneggia con cura gli oggetti di vetro, per evitare di romperli. Non dimenticare che il vetro è fragile e che un oggetto di vetro rotto è pericoloso, perché i bordi delle parti dove si è rotto sono molto taglienti. Se ne rompi qualcuno, raccogli i frammenti di vetro e mettili nel luogo che ti sarà indicato dall insegnante; usa sempre gli occhiali da laboratorio, come previsto dalle norme di antiinfortunistica. Se ti arriva uno schizzo di qualche sostanza negli occhi, lava immediatamente con abbondante acqua o, meglio ancora, con l apposito apparecchio per il «lavaggio oculare». Avverti l insegnante; usa sempre l abbigliamento adatto. Innanzitutto indossa il camice, che ha una funzione protettiva e, inoltre, ha il vantaggio di poter essere tolto rapidamente nell eventualità che ti versi addosso qualche sostanza corrosiva. È anche consigliabile portare scarpe chiuse, che proteggono il piede da gocce di sostanze che dovessero eventualmente cadere a terra. Se hai i capelli lunghi ti conviene raccoglierli; per certi esperimenti può essere consigliabile l uso di guanti che permettano una buona sensibilità nel movimento delle mani, e che siano compatibili con le sostanze usate (ad esempio, che non ne vengano sciolti); quando sai (dalla descrizione che leggi in anticipo) che da un esperimento si svilupperanno vapori, effettua quell esperimento sotto la cappa aspirante. 4. Le operazioni di misura 4.1. Che cosa significa fare una misura In molte esperienze ti si chiederà di fare delle misure. Quindi è importante imparare fin da ora tutto quello che riguarda le operazioni di misura. Si chiama grandezza tutto ciò che può essere misurato. Sono grandezze: la lunghezza, il volume, la temperatura, la massa, il tempo, etc. Misurare una grandezza significa confrontarla con un termine di riferimento, che viene chiamato unità di misura. In altre parole, significa vedere quante volte l unità di misura è contenuta nella grandezza da misurare. Per effettuare tale operazione si utilizza uno strumento di misura. Cosí, ad esempio, se vogliamo misurare la lunghezza del tavolo della nostra cucina, o del banco del laboratorio, prendiamo una stecca di legno lunga un metro e vediamo quante volte la lunghezza della stecca è contenuta nella dimensione piú lunga del tavolo o del banco. Come tutti sappiamo, il metro è l unità di misura della lunghezza. La stecca di legno serve come strumento di misura. Un discorso analogo vale per la misura di tutte le altre grandezze Le unità di misura Unità fondamentali e unità derivate Le unità di misura non esistono in natura, ma vengono scelte per convenzione 1. In varie epoche e in luoghi diversi si sono spesso usate unità di misura differenti per una stessa grandezza. Ad esempio, 1. In epoca moderna, vengono scelte per accordo internazionale. Le unità di misura attualmente in uso sono state scelte in appositi convegni. La scelta può essere sempre modificata da nuovi accordi, se una modifica dovesse rivelarsi opportuna.

19 Le operazioni di misura 9 grandezza unità di misura simbolo lunghezza metro m massa chilogrammo kg tempo secondo s intensità di corrente elettrica ampère A temperatura kelvin K quantità di sostanza mole mol intensità luminosa candela cd TAB. 1. Unità di misura fondamentali nel Sistema Internazionale. in diversi paesi di lingua inglese si usano tuttora i pollici, i piedi e le miglia come unità di lunghezza. Oggi si tende a unificare le unità di misura su scala mondiale, per rendere piú facile la comunicazione. Tale unificazione è particolarmente importante nell ambito delle scienze, perché le misure sono parte integrante dell attività scientifica. Il sistema di unità di misura utilizzato nella comunità scientifica e raccomandato anche per tutte le altre attività viene chiamato Sistema Internazionale (S.I.). È un sistema basato sui criteri del sistema metrico decimale, che è stato introdotto in Francia ai tempi della rivoluzione francese e che si è rivelato il piú conveniente ai fini pratici. L unità di misura deve essere della stessa natura della grandezza da misurare. Ad esempio, l unità di misura della massa è una massa (precisamente, la massa di un dm 3 di acqua distillata, che viene chiamata chilogrammo); l unità di misura della lunghezza è una lunghezza di valore specificato, che viene chiamata metro; etc. Molte grandezze vengono definite attraverso altre grandezze. Ad esempio, la velocità di un oggetto che si muove viene definita come rapporto fra una lunghezza (la distanza percorsa) e un tempo (il tempo impiegato). Per alcune grandezze, ciò non è possibile. Gli specialisti hanno individuato il numero minimo di grandezze indipendenti, cioè grandezze che non possono essere definite attraverso altre. Per ciascuna di queste grandezze è necessario scegliere un unità di misura in modo autonomo. Nel Sistema Internazionale sono state scelte sette grandezze indipendenti: la lunghezza, la massa, il tempo, l intensità di corrente elettrica, la temperatura, la quantità di sostanza e l intensità luminosa. Le loro unità di misura vengono chiamate unità di misura fondamentali (tab. 1.). Le unità di misura delle altre grandezze sono unità derivate, perché vengono espresse, attraverso le unità fondamentali, in base alla definizione della grandezza considerata. Ad esempio, abbiamo appena visto che la velocità viene definita come il rapporto fra lo spazio percorso da un oggetto che si muove e il tempo impiegato a percorrerlo. Quindi, l unità di misura della velocità è il rapporto fra l unità di misura della lunghezza e l unità di misura del tempo (metri al secondo, m s 1 ). La tabella 2. riporta le unità di misura derivate che potremo incontrare piú frequentemente Multipli e sottomultipli delle unità di misura Una stessa grandezza può avere «entità» molto diverse in casi diversi. Ad esempio, la distanza tra due città, la lunghezza di un tavolo, il diametro di un atomo, sono tutte lunghezze, ma la loro entità è molto diversa. Se vogliamo esprimerle tutte in termini di metri, possiamo avere a che fare con valori del tipo: distanza fra Treviso e Padova = m (o m) lunghezza del tavolo = 1,5 m diametro dell atomo di idrogeno = 0, m (o m)

20 10 Il laboratorio chimico relazione grandezza unità di misura simbolo con le unità fondamentali accelerazione metro al secondo quadrato m s 2 carica elettrica coulomb C 1 C = 1 A s densità chilogrammo al metro cubo kg m 3 energia joule J 1 J = 1 N m forza newton N 1 N = 1 kg m s 2 frequenza hertz Hz 1 Hz = 1 s 1 lavoro joule J 1 J = 1 N m potenza watt W 1 W = 1 J s 1 potenziale elettrico volt V 1 V = 1 W A 1 pressione pascal Pa 1 Pa = 1 N m 2 resistenza elettrica ohm Ω 1 Ω = 1 V A 1 superficie metro quadro m 2 velocità metro al secondo m s 1 volume metro cubo m 3 TAB. 2. Alcune unità di misura derivate nel Sistema Internazionale. Fra questi valori, l unico espresso da un numero «comodo» è quello della lunghezza del tavolo. Gli altri valori sono espressi da numeri molto grandi (come ) o molto piccoli (come ), il che rende difficile una valutazione «intuitiva» e immediata dell entità della misura che essi esprimono. Per ovviare a questo inconveniente, si sono introdotti i multipli e i sottomultipli delle unità di misura. I multipli sono dati dalle unità di misura moltiplicate per 10, 100, 1000 e per le altre potenze del 10 con esponente positivo. I sottomultipli sono dati dall unità di misura moltiplicata per potenze del 10 con esponente negativo (o, il che è lo stesso, divisa per 10, 100, 1000 e le altre potenze del 10). Multipli e sottomultipli vengono distinti con prefissi speciali, a seconda della potenza del 10 per cui è stata moltiplicata l unità di misura. Ad esempio, il prefisso chilo segnala che l unità di misura è stata moltiplicata per 1000 (e quindi «chilometro» significa 1000 metri, «chilojoule» significa 1000 joule, etc.) 2 ; il prefisso nano segnala che l unità di misura è stata moltiplicata per 10 9, e cosí via. Ad ogni prefisso corrisponde un simbolo, che viene premesso al simbolo dell unità di misura. Ad esempio, il prefisso chilo viene denotato con il simbolo k; quindi, il simbolo del chilometro è km. La tabella 3. riporta i prefissi e il loro significato. Ora possiamo esprimere le misure considerate prima utilizzando multipli e sottomultipli convenienti: distanza fra Treviso e Padova = 50 km lunghezza del tavolo = 1,5 m diametro dell atomo di idrogeno = 10 nm Alcuni multipli e sottomultipli hanno nomi particolari, entrati da tempo nell uso. Ad esempio, la massa di 100 kg viene chiamata quintale, la massa di 1000 kg viene chiamata tonnellata, etc. 2. «Chilogrammo» significa «1000 grammi», perché un tempo l unità di misura della massa era il grammo. In seguito il chilogrammo è stato scelto come unità fondamentale; il suo nome non è cambiato, ma ora è l unità di misura e non un suo multiplo.

21 Le operazioni di misura 11 multipli prefisso simbolo fattore per cui è moltiplicata l unità di misura tera T giga G 10 9 mega M 10 6 chilo k 10 3 etto h 10 2 deca da 10 1 sottomultipli prefisso simbolo fattore per cui è moltiplicata l unità di misura deci d 10 1 centi c 10 2 milli m 10 3 micro μ 10 6 nano n 10 9 pico p TAB. 3. Prefissi, simboli e fattori di moltiplicazione dei multipli e dei sottomultipli delle unità di misura. Conosciamo queste unità dall esperienza comune. La lunghezza di m viene chiamata angstrom (Å), ed è spesso usata per le misure di lunghezza relative al mondo microscopico (raggio degli atomi, lunghezza dei legami chimici, etc.). Quanto detto finora è valido per i multipli e i sottomultipli delle grandezze a cui è associato un sistema di misura decimale, cioè un sistema in cui multipli e sottomultipli si ottengono dalla grandezza considerata mediante moltiplicazione per una potenza del 10. Le misure di tempo non sono di questo tipo. I sottomultipli del secondo sono il decimo di secondo, il centesimo di secondo, etc. e, quindi, seguono un criterio decimale. Ma i multipli del secondo sono diversi: il minuto (1 minuto = 60 secondi), l ora (un ora = 60 minuti = 3600 secondi), il giorno, il mese e l anno La precisione delle misure Quanto deve essere precisa una misura? La precisione necessaria o desiderabile in una misura varia da caso a caso. Ad esempio, quando facciamo il pieno di benzina, la pompa misura i litri e i decimi di litro, non certo i millesimi o i decimillesimi di litro: un millilitro in piú o in meno, rispetto a un pieno di 40 litri, è un fattore assolutamente trascurabile. Invece un medico che decide le dosi di una medicina, o un tecnico che la prepara, devono operare con una precisione molto maggiore: in questo caso anche una quantità molto piccola in piú o in meno può provocare conseguenze indesiderabili. Per fare una misura, dobbiamo utilizzare degli strumenti di misura. Essi sono diversi a seconda della grandezza da misurare: il metro (cioè una stecca lunga un metro) per la lunghezza, la bilancia per la massa, il termometro per la temperatura, il cronometro per il tempo, etc. Gli strumenti di misura sono tarati, cioè portano indicazioni corrispondenti ai valori che è possibile misurare. Essi sono tarati in modo diverso a seconda dell uso a cui sono destinati e della precisione richiesta. Ad esempio, la «pesa» per i camion determina tonnellate, quintali e frazioni di quintali; la bilancia pesa-persone permette di pesare fino a 120 chili, e la sua scala contiene una tacca in corrispondenza di ogni mezzo chilo; la bilancia del macellaio permette di pesare fino a 5-10 chili, e di determinare etti e frazioni di etto; le bilance del tuo laboratorio di chimica permettono di determinare milligrammi, o anche frazioni di milligrammo Le cifre significative Il risultato di un operazione di misura viene espresso da un numero seguito dal simbolo dell unità di misura usata. È importante imparare a scrivere correttamente questi numeri, a seconda della

22 12 Il laboratorio chimico precisione che viene permessa dallo strumento impiegato. Per capire questo discorso, dobbiamo innanzitutto tenere presente che in un numero che esprime una misura ogni cifra ha un significato ben preciso. La cifra immediatamente prima della virgola corrisponde all unità scelta. Le cifre alla sua sinistra corrispondono ai multipli, di ordine progressivamente maggiore man mano che ci si sposta verso sinistra. Le cifre dopo la virgola corrispondono ai sottomultipli, di ordine progressivamente minore man mano che ci si sposta verso destra. Ad esempio, la scrittura «53,842 cm» significa «5 decimetri, 3 centimetri, 8 millimetri, 4 decimi di millimetro, 2 centesimi di millimetro». Il numero che esprime una misura fornisce indicazioni sulla precisione con cui la misura è stata effettuata. Tutte le cifre del numero devono corrispondere a quantità determinate esattamente, salvo l ultima, che può essere valutata in modo approssimato, «a occhio». Consideriamo come esempio alcuni numeri che esprimono misure di massa e analizziamo il loro significato: 3,5 g significa che si sono determinati esattamente i grammi, che sono risultati 3, e si sono valutati in modo approssimato i decigrammi, che sono risultati 5; 3,52 g significa che si sono determinati esattamente i grammi, che sono risultati 3, e i decigrammi, che sono risultati 5, e si sono valutati in modo approssimato i centigrammi, che sono risultati 2; 3,520 g significa che si sono determinati esattamente i grammi, che sono risultati 3, i decigrammi, che sono risultati 5, e i centigrammi, che sono risultati 2, e si sono valutati in modo approssimato i milligrammi, che sono risultati 0; 3,5200 g significa che si sono determinati esattamente i grammi, che sono risultati 3, i decigrammi, che sono risultati 5, i centigrammi, che sono risultati 2, e i milligrammi, che sono risultati 0, e si sono valutati in modo approssimato i decimi di milligrammo, che sono risultati 0. Gli ultimi due valori ci mostrano chiaramente che gli zeri in fondo a un numero decimale che esprime una misura sono importanti e non vanno trascurati, perché forniscono indicazioni sul grado di precisione della misura stessa. Il numero di cifre che hanno significato in una misura (cifre significative) è determinato dallo strumento che utilizziamo. Ad esempio, se una bilancia è tarata in grammi possiamo determinare esattamente la cifra dei grammi e valutare in modo approssimato quella dei decigrammi; non possiamo dare nessuna valutazione sui centigrammi, o i milligrammi. Se una bilancia è tarata anche in decigrammi, possiamo determinare esattamente la cifra dei grammi e quella dei decigrammi, e valutare in modo approssimato quella dei centigrammi; e cosí via. Quando si eseguono calcoli con numeri che esprimono misure, è importante non conservare piú cifre decimali di quelle presenti nella misura di partenza, perché eventuali cifre in piú sarebbero prive di significato. Ad esempio, se il raggio di un cerchio misura 4,53 cm, l espressione per il calcolo della lunghezza della circonferenza è (4,53 cm) π. Se usiamo una calcolatrice, questa ci mostra il risultato 14, Però le cifre corrispondenti ai decimi di millimetro, centesimi di millimetro, etc. non hanno significato: non possiamo conoscere i decimi e i centesimi di millimetro per la circonferenza, se non li avevamo determinati per il raggio. Quindi diremo che la lunghezza della circonferenza è 14,23 cm. In effetti, questa è una regola approssimata. Il risultato di un calcolo, o di una serie di calcoli, ha spesso un grado di precisione minore del valore di partenza, per cui il numero di cifre decimali accettabili nel risultato può essere minore del numero di cifre decimali presenti nella misura di partenza. Non è questa la sede per studiare in dettaglio come il grado di precisione possa diminuire attraverso una serie di operazioni di calcolo (o, in termini tecnici, come «si propagano» gli errori). La regola approssimata appena vista è piú che sufficiente per i calcoli che ci interessano L indeterminazione nelle misure Abbiamo visto che la sensibilità dello strumento di misura determina il grado di precisione della misura stessa. Nessuna misura può essere considerata «esatta». Ogni misura è accompagnata da una indeterminazione. Maggiore è l indeterminazione, minore è la precisione.

23 Le operazioni di misura 13 È possibile valutare l entità dell indeterminazione in base alla sensibilità dello strumento. Per comprendere meglio come si procede, consideriamo un esempio pratico. Supponiamo di voler misurare la lunghezza di questo segmento: Se abbiamo a disposizione un regolo (cioè un righello graduato) sul quale siano segnati soltanto i centimetri, siamo in grado di valutare in modo esatto i centimetri e in modo approssimato i millimetri. Non avrebbe senso aggiungere cifre corrispondenti a decimi di millimetro o altri sottomultipli di ordine minore, perché sarebbero prive di significato. Scriveremo quindi la misura come 8,7 cm. Siccome solo l ultima cifra esprime una valutazione approssimata, l indeterminazione sulla misura è minore di un centimetro: si dice che «la misura è approssimata a meno di un centimetro». Sappiamo anche che l indeterminazione è maggiore di un millimetro. Se abbiamo a disposizione un regolo graduato anche in millimetri, siamo in grado di valutare in modo esatto sia i centimetri sia i millimetri. Valuteremo allora in modo approssimato i decimi di millimetro, e scriveremo la misura del segmento come «8,74 cm». In questo caso, le cifre 8 e 7 sono determinate in modo esatto e la cifra 4 esprime una valutazione approssimata. L indeterminazione sulla misura è quindi minore di un millimetro, e maggiore di un decimo di millimetro. In molti casi, nel riportare i dati si danno informazioni anche sull entità dell indeterminazione. Ad esempio, la scrittura «mg 5,4 ± 0,2» informa che l operatore ha determinato esattamente i milligrammi, che sono 5, e in modo approssimato i decimi di milligrammo, che sono 4. L indeterminazione nella valutazione di questi ultimi in un senso o nell altro 3 può essere al massimo 0,2 mg. Quindi, sappiamo che il valore della misura non è sicuramente inferiore a 5,2 mg (perché 5,4 0,2 = 5,2) e non è sicuramente superiore a 5,6 mg (perché 5,4 + 0,2 = 5,6). La quantità 0,2 mg è l indeterminazione sulla misura Errori sulla misura Oltre all indeterminazione legata alla sensibilità dello strumento, possono esserci altri fattori che influenzano la precisione di una misura. Diciamo che questi fattori generano errori. Alcuni errori sono dovuti a cause oggettive. Ad esempio, uno strumento può essere leggermente difettoso, e indicare sempre un valore maggiore (o minore) di quello vero. Questo è un errore che avviene sempre nello stesso senso e con la stessa entità. Viene chiamato errore sistematico. Per eliminarne le conseguenze, se ne valuta l entità misurando con quello strumento una grandezza di valore noto; in questo modo, si sa quale correzione apportare ai valori che si ottengono da misure effettuate con quello strumento. Ad esempio, se si sospetta che una bilancia sia difettosa, si misura una massa di valore noto. Supponiamo che, in questo modo, si scopra che la bilancia indica un valore che supera di 2 g il valore noto. Allora, nelle misure successive con quella stessa bilancia, si avrà cura di sottrarre 2 g dal valore volta a volta indicato dalla bilancia. Altri errori possono essere dovuti a variazioni delle condizioni ambientali. Ad esempio, uno strumento può essere sensibile alle variazioni di temperatura o di umidità dell aria. Quando è importante che la misura abbia un alto grado di precisione, si apportano correzioni opportune che tengano conto di questi fattori. Ci sono infine gli errori soggettivi, che dipendono da chi effettua la misura. Ad esempio, una lettura può essere fatta da una posizione non esattamente frontale rispetto all ago o all indice che segna il valore sullo strumento, oppure essere fatta in modo affrettato. Inoltre, teniamo presente che la valutazione della cifra approssimata (l ultima cifra significativa del numero che esprime la misura) è sempre parzialmente soggettiva. Questi errori variano in modo casuale, non hanno né un entità né un senso costanti. 3. L errore può avvenire in due sensi; cioè il valore trovato può essere minore del valore vero, oppure maggiore del valore vero.

24 14 Il laboratorio chimico È ovvio che, nel fare misure, si cerca di minimizzare l incidenza degli errori. Uno degli accorgimenti piú frequenti per ridurre l effetto degli errori che dipendono da cause soggettive o ambientali è quello di ripetere piú volte una stessa misura e poi calcolare la media aritmetica dei valori ottenuti 4. Il valore che si ottiene, o valor medio, viene considerato il piú vicino al valore vero. A questo punto si può anche valutare quanto ogni misura si discosta dal valor medio; tale valutazione è espressa dallo scarto assoluto: valore della scarto assoluto ) ) = valore medio ) [1] (data misura Per poter utilizzare in modo appropriato il valore ottenuto da una misura, è importante conoscere l entità dell errore complessivo su quella misura. Per farlo, si cerca di stabilire in qualche modo qual è il valore piú vicino al vero (ad esempio, un valore determinato con uno strumento ad alta sensibilità). Si considera questo valore come valore accettato, cioè il valore che verrà utilizzato nei calcoli o in altre forme di trattamento dei risultati. Lo si utilizza anche come riferimento per valutare l errore su altre misure (ad esempio, misure della stessa grandezza effettuate con altri strumenti). L errore può essere espresso in due modi: come errore assoluto o come errore relativo. Vengono definiti rispettivamente dalle seguenti equazioni: errore assoluto = valore ottenuto valore ( ) ( ) [2] in una misura (accettato) valore ottenuto in una misura errore relativo = 100 [3] valore accettato ( ( ) L errore relativo permette di dire che la data misura è accompagnata da un errore del %. ( 5. Gli strumenti di misura del tuo laboratorio 5.1. Familiarizzarsi con gli strumenti Nel tuo laboratorio ci sono vari strumenti di misura, tra i quali sicuramente: bilance, cioè strumenti per misurare la massa; contenitori graduati (cilindri, becher, burette), per misurare il volume; termometri, per misurare la temperatura. Conviene imparare a conoscere e utilizzare questi strumenti in modo appropriato fin da ora. I seguenti aspetti sono particolarmente importanti: sapere in quali intervalli di valori ciascuno strumento permette di fare misure. Ad esempio, un termometro può essere tarato da 10 a + 50 C, un altro da + 10 a C, etc. Inoltre, conviene vedere il grado di precisione consentito da ciascuno strumento. In tal modo, sarà facile scegliere lo strumento piú adatto a seconda delle esigenze di ogni esperimento; sapere come effettuare l operazione di misura in modo corretto. 4. La media aritmetica fra due o piú valori si calcola sommando tutti i valori e dividendo la somma per il numero dei valori stessi.

25 Gli strumenti di misura del tuo laboratorio Misure di massa Lo strumento di misura della massa è la bilancia. Questo è uno strumento delicato (e piú è preciso piú è delicato). Va quindi maneggiato con grande cura. Ad esempio, bisogna prendere adeguate precauzioni per non sporcare né i piatti né i pesi (quando ci sono). L operazione di pesata va fatta seguendo alcune regole importanti. Prima di pesare qualcosa, assicurati che l ago della bilancia indichi zero. Se non lo indica, riportalo sullo zero con le manovre adatte. L insegnante ti mostrerà come maneggiare i pesi e come regolare gli aghi indicatori, o compiere altri tipi di operazioni di taratura, a seconda del tipo di bilancia che hai a disposizione. Se la bilancia è ad ago, si deve aspettare che l ago abbia smesso di oscillare prima di leggere il valore. Esegui poi la lettura tenendoti esattamente di fronte all ago. Per comprendere meglio l importanza di questo consiglio prova un semplice esperimento. Dopo aver fatto una lettura stando di fronte all ago, prova a fare delle letture spostandoti a destra o a sinistra: vedrai che piú ti sposti, piú leggerai valori diversi da quello effettivamente indicato Misure di volume Usare i recipienti graduati per misurare il volume di un liquido è semplice: basta versare il liquido nel recipiente, e poi leggere l indicazione sulla tacca corrispondente al livello a cui arriva il liquido. Per eseguire bene questa lettura, devi tenere presenti due accorgimenti: 1) portare gli occhi all altezza del livello a cui arriva il liquido (quindi chinarti leggermente, oppure salire su uno sgabellino, se necessario); 2) tenere conto dell effetto del menisco. L acqua, e tutti gli altri liquidi «che bagnano», tendono ad «arrampicarsi» sulle pareti del recipiente che li contiene. Questo fenomeno è particolarmente evidente nei recipienti piuttosto stretti, come i cilindri graduati e le burette. Se ti metti all altezza del livello del liquido, vedrai che la superficie del liquido non è piana, ma ha forma concava: questa forma è detta «a menisco» (fig. 1.). Per la lettura, a rigore, si dovrebbe scegliere il livello mediano. In pratica, si preferisce fare la lettura considerando il livello della parte bassa del menisco per i liquidi non colorati e il livello della parte alta per i liquidi colorati. Nelle burette è in genere presente un accorgimento che facilita la lettura: una riga blu tracciata nella parte posteriore che, a livello del menisco, dà l illusione ottica di una punta blu che viene verso di noi. Questa punta indica il livello a cui si deve fare la lettura. I liquidi «che non bagnano», come il mercurio, tendono invece ad allontanarsi dalle pareti del recipiente: il loro menisco presenta la parte piú alta verso il centro, e quella piú bassa vicino alle pareti. livello superiore del menisco livello mediano livello inferiore del menisco FIG. 1. Il menisco. Si considera il caso di un liquido che bagna.

26 16 Il laboratorio chimico Esperimenti e attività 1. Misure di massa Per esercitarti nell uso della bilancia, puoi pesare alcuni oggetti del laboratorio: un becher da 50 ml, una beuta da 25 ml, un crogiolo, un vetro da orologio, un tappo di gomma, secondo le indicazioni dell insegnante. È meglio pesare ogni oggetto due volte, togliendolo dalla bilancia e poi rimettendovelo. Se i valori ottenuti nelle due pesate sono diversi, fai la media fra i due per trovare un valore che abbia maggiore probabilità di essere accurato. Se la disponibilità di tempo lo consente, vale la pena fare varie pesate di uno stesso oggetto, e poi calcolare la media aritmetica dei valori ottenuti. Gli oggetti elencati sopra sono solidi, ed è facile pesarli. Come si pesa un liquido? Puoi fare subito una prova. Pesa un becher da 50 ml vuoto; poi metti in quel becher una certa quantità di acqua e pesalo di nuovo. La differenza fra i due valori è la massa dell acqua. Nella relazione, spiega il procedimento seguito. Per gli oggetti per cui hai fatto piú misure, riporta i valori di tutte le misure, e poi il calcolo della media aritmetica. Esprimi le tue considerazioni sull accuratezza delle misure e sulle cause che possono diminuirne la precisione. 2. Misure di volume Conviene imparare fin da ora a prelevare quantità volute di liquido. Prova a misurare le seguenti quantità di acqua del rubinetto, scegliendo volta per volta i recipienti graduati opportuni fra quelli che l insegnante ha messo a disposizione: 0,2 ml 0,5 ml 1 ml 3 ml 5 ml 10 ml 20 ml 50 ml 100 ml 123 ml 235 ml 500 ml Tieni presente che quando il volume di acqua non è molto piccolo, conviene riempire un recipiente graduato, un poco al di sotto del livello voluto, direttamente sotto il rubinetto oppure versando l acqua da un becher, e poi, con una spruzzetta o con una pipetta, aggiungere pian piano la quantità di acqua mancante, stando attenti a non superare il livello voluto. Se per caso lo superi, utilizza una pipetta per togliere il liquido in eccesso. Nella relazione indica quale recipiente hai impiegato per ciascuna di queste misure e spiega le ragioni della scelta. Prova ad aggiungere una valutazione della precisione di ciascuna misura, ad esempio indicando l indeterminazione. L indeterminazione sulle misure Per questo esperimento servono due stecche di legno lunghe un metro e un metro di legno di quello in uso nei negozi di stoffe, graduato sia in decimetri che in centimetri 5. Una delle stecche va lasciata come è, mentre sull altra si segnano delle tacche a indicare la suddivisione in decimetri. In questo modo, si hanno a disposizione tre strumenti per la misura della lunghezza con sensibilità diversa. Misura la lunghezza di un bancone del tuo laboratorio 6 : a) con la stecca di legno non tarata; b) con la stecca tarata in decimetri; c) con la stecca tarata in decimetri e in centimetri. 5. Basta procurare un esemplare di ognuno di questi oggetti per tutta la classe, o anche per un gruppo di classi. 6. Se la scuola non è fornita di banconi da laboratorio, si può misurare qualsiasi altro oggetto abbastanza lungo come, ad esempio, la lunghezza di una parete.

27 Esperimenti e attività 17 In ognuno di questi casi registra il valore della misura con il numero appropriato di cifre decimali. A fianco indica il limite superiore dell errore in base alla precisione dello strumento usato («l errore è senz altro minore di...»). Nella relazione, nella parte di trattamento dei dati, considera che il valore ottenuto nella misura (c) sia il valore piú vicino al vero e, quindi, il valore che conviene accettare (valore accettato). Utilizzalo per calcolare l errore assoluto e l errore relativo per la misura (a) e per la misura (b). Per le misure dei casi (a) e (b), cioè per quelle in cui si utilizzano strumenti meno sensibili, conviene fare una seconda serie di prove, per arrivare a una valutazione migliore. Ognuno di voi effettua la misura e scrive il valore su un foglietto, senza comunicarlo ai compagni per non influenzarli. Quando avete terminato tutti, calcolate la media aritmetica 7 dei valori ottenuti per la serie (a), e quella dei valori ottenuti per la serie (b). Quando piú operatori fanno una stessa misura, non è probabile che gli errori siano tutti nello stesso senso. Quindi, ci si aspetta che l effetto dei vari errori si compensi statisticamente e che il valore ottenuto dalla media sia piú vicino al valore vero della misura del tavolo. Nel calcolare il valor medio si prende una precauzione aggiuntiva, per evitare che qualche misura decisamente sbagliata faccia diminuire la precisione del risultato. Se qualcuno dei valori è troppo diverso dagli altri, non viene incluso nel calcolo del valor medio. Ad esempio, se le misure sono del tipo 3,4 m; 3,6 m; 3,5 m; 3,7 m e qualcuno ha misurato 2,3 m, quest ultimo valore non va preso in considerazione, perché deformerebbe il risultato. Nella relazione, nell ambito del trattamento dei dati, calcola lo scarto assoluto della tua misura sia per il caso (a) che per il caso (b). Nell ambito della discussione, confronta il valor medio ottenuto nella seconda serie di prove con il valore accettato scelto nella prima serie di prove, ed esprimi le tue considerazioni. 7. Come già detto alla nota 4, per fare la media aritmetica si sommano tutti i valori, e poi si divide la somma per il numero di valori. È il procedimento che utilizzi normalmente quando calcoli la media dei voti che hai preso nei compiti.

28 18 I primi concetti L aria è materia? Si definisce materia tutto ciò che occupa spazio e che ha una massa. È immediato capire che solidi e liquidi rispondono alla definizione di materia. E l aria? Questa domanda venne già formulata dagli antichi Greci: fu appunto un filosofo greco a ideare le linee generali dell esperimento. 1 Prendi una vaschetta di vetro piuttosto profonda e riempila di acqua. Prendi una beuta vuota, capovolgila e, tenendola in posizione verticale (non inclinata), immergila nell acqua. L acqua entra nella beuta? Se vuoi fare una controprova, fa aderire un po di cotone idrofilo al fondo interno della beuta (aiutandoti con del nastro adesivo), immergi la beuta nell acqua come appena descritto, estraila (sempre tenendola in posizione verticale) e verifica se il cotone idrofilo è bagnato oppure no. Che cosa puoi concludere a proposito dell aria? Ha mostrato una proprietà tipica della materia? Quale? 2 Una camera d aria vuota ha lo stesso peso di una camera d aria ben gonfia oppure no? Che cosa ti aspetti? Perché? Puoi fare una verifica con un palloncino di gomma. Svuotalo completamente dell aria, e pesalo insieme a un elastico che poi ti servirà per chiuderlo. Poi gonfia il palloncino, chiudilo e pesalo di nuovo. In questo caso devi tener conto anche della spinta verso l alto (spinta di Archimede) che il palloncino riceve dall aria circostante 8 e che fa sí che la bilancia segnali un valore minore di quello vero. Per trovare il valore vero devi aggiungere al peso indicato dalla bilancia il peso di un volume di aria uguale a quello del palloncino. Puoi calcolarlo utilizzando i dati della tabella 4., che riporta la densità dell aria secca per valori di temperatura e pressione vicini a quelli che ci saranno probabilmente nel laboratorio (puoi leggere la temperatura su un termometro da parete, e la pressione su un barometro). Questo esperimento mostra che l aria ha un altra proprietà tipica della materia: quale? La materia è capace di esercitare azioni meccaniche. Sapresti citare qualche fenomeno che metta in evidenza che l aria è in grado di esercitare azioni meccaniche? 8. Tutti i corpi immersi in un fluido (liquido o gas) ricevono questa spinta. Non ne teniamo conto quando pesiamo liquidi o solidi, perché la correzione da fare sarebbe di circa 1/20000 del valore che la bilancia registra e, quindi, è del tutto trascurabile. Per i gas, invece, tale correzione è importante perché il loro peso è molto minore di quello dei liquidi e dei solidi.

29 Le proprietà delle sostanze 19 pressione (mm Hg) temperatura ( C) ,18 1,19 1,21 1, ,16 1,17 1,19 1, ,14 1,15 1,17 1,19 TAB. 4. Densità dell aria a vari valori di temperatura e pressione. La densità è espressa in g cm -3. Le proprietà delle sostanze Determinazione della densità La densità di una sostanza è definita come il rapporto fra la massa e il volume: massa densità = volume Nella normale pratica del laboratorio chimico la massa è abitualmente espressa in grammi e il volume in centimetri cubi. Per i gas si preferisce esprimere la massa in grammi e il volume in decimetri cubi. Per determinare la densità di una sostanza dobbiamo quindi prendere un campione di quella sostanza e misurare due grandezze: la massa e il volume. 3 Prova a determinare la densità dell acqua. Prendi un becher da 50 ml, pesalo, e registrane la massa 9. Con un cilindro graduato, o con una buretta, misura 20 ml di acqua distillata, e poi trasferisci l acqua nel becher, con cura, in modo da non perderne nemmeno una goccia. Puoi aiutarti con una bacchettina di vetro (fig. 2.). Pesa il becher con l acqua. Calcola la massa dell acqua per differenza: massa dell acqua massa del becher = ( ) ( ) massa del + acqua becher vuoto Calcola poi la densità dell acqua, esprimendola sia in g cm 3 sia con le unità del Sistema Internazionale kg m 3. Se vuoi trovare un valore piú preciso, ripeti la determinazione ancora due o tre volte (partendo ogni volta dall inizio del procedimento, e scegliendo eventualmente volumi diversi di acqua) e poi fai la media aritmetica dei valori di densità ottenuti. Puoi determinare la densità di altri liquidi (ad esempio alcol etilico, olio d oliva, benzina, etc.) sempre con il procedimento appena descritto. Per i liquidi che evaporano facilmente, conviene usare una beuta col tappo al posto del becher: pesa prima la beuta vuota (ma tappata) e poi la beuta con il liquido (sempre tappata). 9. La bilancia misura la massa di un oggetto. Nel linguaggio comune, il valore che leggiamo sulla bilancia viene chiamato «peso». FIG. 2. Come si versa un liquido in modo accurato. Quando si devono versare dei liquidi da un recipiente a un altro, spesso conviene far scorrere il liquido lungo una bacchettina di vetro.

30 20 I primi concetti 4 La densità dei solidi si determina in modo analogo. Prova a determinare la densità del ferro. Pesa un vetro da orologio vuoto, e registra il valore trovato. Poi metti sul vetro una certa quantità di limatura di ferro, o di trucioli di ferro, e pesa di nuovo. Calcola la massa del ferro per differenza. Per determinare il volume, prendi un cilindro graduato da 50 ml, riempilo di acqua fino a 25 ml, e poi versavi dentro la limatura o i trucioli di ferro. Il livello dell acqua si alzerà. La differenza fra il volume che leggi ora sul cilindro graduato e i 25 ml iniziali è uguale al volume occupato dal ferro. A questo punto hai tutti i dati necessari per calcolare la densità del ferro. Con lo stesso procedimento puoi determinare la densità di altre sostanze solide: rame (usando trucioli di rame), piombo (usando pallini di piombo), etc. Useresti questo metodo per determinare la densità del sale da cucina? Perché? Quale accorgimento suggerisci per determinare il volume di una certa quantità di sale? Le caratteristiche di alcune sostanze 5 Il lavoro proposto in questo caso comporta alcune determinazioni sperimentali (quelle che possono essere effettuate facilmente e in condizioni di sicurezza con il materiale disponibile nel laboratorio) e la ricerca di altre informazioni nella «letteratura», cioè in libri e riviste disponibili in biblioteca. Complessivamente, queste informazioni ti consentiranno di conoscere una serie di caratteristiche di alcune sostanze. A titolo di esempio vengono qui suggerite sette sostanze, e precisamente: acqua, alcol etilico, ferro, rame, sale da cucina, zolfo, zucchero. Per ciascuna di queste sostanze, prepara e compila una scheda come quella mostrata in tabella 5. Nel farla, tieni presenti le indicazioni e i suggerimenti che seguono. Odore. Una sostanza non va mai annusata troppo da vicino, a meno che non si sia sicuri che non emette vapori pericolosi. Colore. La determinazione è immediata. Sostanza considerata:... CARATTERISTICHE FISICHE odore:... colore:... sapore:... densità:... temperatura a cui la sostanza fonde (temperatura di fusione):... temperatura a cui la sostanza bolle (temperatura di ebollizione):... è capace di condurre la corrente elettrica?... è attratta da un magnete?... CARATTERISTICHE CHIMICHE è un elemento o un composto?... composizione: è capace di bruciare?... si scioglie in acqua?... si scioglie in alcol etilico?... si scioglie in acido cloridrico diluito?... si scioglie in solfuro di carbonio?... TAB. 5. Modello di scheda su cui riportare le caratteristiche delle sostanze considerate nell esperimento 5.

31 La struttura delle molecole e l uso dei modellini 21 Sapore. Si possono assaggiare soltanto quelle sostanze per le quali si è sicuri che non siano né velenose né corrosive. Non è un problema determinare il sapore dell acqua, o del sale da cucina, o dello zucchero (e sono sapori che già conosci). Non è il caso di assaggiare le altre sostanze dell elenco proposto (nemmeno l alcol etilico!), per cui, nella scheda corrispondente, eliminerai la voce «sapore». Densità. Hai già appreso come determinare la densità di una sostanza (esperienza 3). Temperatura di fusione e temperatura di ebollizione. Puoi trovarle nelle apposite tabelle. Capacità di condurre la corrente elettrica. Ti sarà piú facile rispondere quando sarai piú avanti con lo studio della chimica. Lascia la risposta in sospeso fino ad allora. È attratta da un magnete? Verificarlo solo per le sostanze solide. Prendi un po di limatura o granelli della data sostanza e avvicina una calamita. È un elemento o un composto? Consulta la tabella degli elementi. Se la sostanza vi compare è un elemento, altrimenti si tratta di un composto. Composizione. Se hai appurato che la sostanza è un elemento, conosci immediatamente la sua composizione. Se si tratta di un composto, chiedi la formula al tuo insegnante, e poi calcola la composizione percentuale della sostanza in base alla formula, non appena avrai imparato a farlo. È capace di bruciare? Per alcune sostanze (come l acqua) conosci già la risposta dall esperienza quotidiana. Per le altre, potrai rispondere man mano che le tue conoscenze di chimica aumenteranno, oppure puoi cercare la risposta in qualche libro. Tieni presente che non si può determinare la capacità di bruciare semplicemente avvicinando un fiammifero alla sostanza perché se la sostanza è infiammabile una cosa del genere sarebbe estremamente pericolosa. Si scioglie in un dato liquido? Per trovare la risposta, dovrai fare un esperimento per ogni singolo caso (eccettuati i casi per i quali conosci già la risposta dalla vita quotidiana; ad esempio, dalla pratica di cucina sai che il sale si scioglie in acqua). Per questi esperimenti, metti in una provetta 2-3 ml del liquido considerato, aggiungi una piccola quantità di sostanza (circa 0,5 g) e mescola. Devi prendere una nuova porzione di liquido per ogni nuovo esperimento; non aggiungere una seconda sostanza a una porzione di liquido nella quale hai già sciolto, o tentato di sciogliere, una sostanza diversa. Segui attentamente i consigli del tuo insegnante sulle eventuali precauzioni da prendere. La struttura delle molecole e l uso dei modellini È utile fare ampio uso dei modellini fin dall inizio del corso, per acquistare familiarità con la struttura delle molecole e la disposizione reciproca degli atomi che le costituiscono. In seguito questo ti sarà di aiuto nella comprensione di molti fenomeni, come, ad esempio, il fatto che le reazioni chimiche comportano la rottura dei legami fra alcuni atomi e la formazione di nuovi aggregati di atomi. Se a scuola hai a disposizione dei modellini, cerca di trarre il massimo vantaggio dal loro uso. Sarebbe opportuno che ne avessi anche a casa, per utilizzarli nello studio individuale. Puoi costruire facilmente dei modellini per uso «domestico» usando del materiale per modellare 10 per le sferette che rappresentano gli atomi, e degli stuzzicadenti per i bastoncini che rappresentano i legami (eventualmente accorciandoli un po se ti sembrano troppo lunghi rispetto alle dimensioni delle sfere). È bene che le sferette siano di vari colori, in modo da poter far corrispondere ai diversi elementi sferette di colore diverso. Ogni sferetta dovrebbe avere quattro fori dove inserire i bastoncini. È conveniente che questi fori siano disposti secondo i vertici di un tetraedro idealmente inscritto nella sfera. 10. Oppure delle sferette di polistirolo già preparate, se riesci a reperirle.

32 22 I primi concetti L analisi chimica L analisi delle sostanze è uno dei compiti fondamentali della chimica. Sono state messe a punto molte tecniche di analisi. Qui passeremo in rassegna alcune tecniche dell analisi qualitativa. Questa ha lo scopo di individuare da quali elementi è costituito un composto, oppure quali sostanze sono presenti in una miscela. Per individuarli, si utilizzano dei fenomeni che permettono di riconoscere la presenza di un dato elemento o di una data sostanza. In quasi tutti gli esperimenti che seguono, tu saprai già quali sono le sostanze di partenza. Gli esperimenti, quindi, servono a farti conoscere il fenomeno che permette di individuarne la presenza. Quando si analizza una sostanza (o una miscela) sconosciuta, la comparsa dell uno o dell altro di questi fenomeni fornisce informazioni sulla composizione di quella sostanza (o di quella miscela). Riconoscimento di alcuni metalli mediante l analisi alla fiamma Alcuni metalli impartiscono un colore particolare alla fiamma. Metalli diversi impartiscono colori diversi, e ciò permette di riconoscerne la presenza. In questi esperimenti imparerai a conoscere la colorazione tipica impartita da vari metalli. 6 Prendi un pezzetto di filo di nichel-cromo, lungo circa cm. È importante pulire bene l estremità che userai, in modo che sulla sua superficie non vi siano tracce di sostanze estranee. A questo scopo immergi l estremità in una piccola quantità di una soluzione 12 M di acido cloridrico 11 (attento a non inalarne i vapori), e poi mettila sulla fiamma del bunsen. Ripeti l operazione fino a quando il colore della fiamma non subisce nessuna alterazione a contatto con il filo. Metti una piccola quantità di cloruro di potassio (o di un altro sale di potassio) in un vetro da orologio. Bagna l estremità del filo nell acido cloridrico, e poi immergila nel cloruro di potassio: alcuni granellini di quest ultimo verranno bagnati dall acido presente sul filo e si attaccheranno al filo stesso. Porta il filo sulla fiamma: vedrai che per alcuni istanti essa diventa violetta. La comparsa di questa colorazione segnala la presenza del potassio. Pulisci di nuovo accuratamente il filo come avevi fatto all inizio. Ripeti la prova con altre sostanze: sale da cucina (cloruro di sodio), un sale di calcio, uno di stronzio, uno di bario, uno di litio, uno di rame (l insegnante ti indicherà quali scegliere fra quelli a disposizione nel tuo laboratorio). 7 In un vetro da orologio mescola del cloruro di sodio e del cloruro di potassio. Esegui la prova alla fiamma usando questa miscela. Vedrai soltanto la colorazione gialla intensa del sodio. Ripeti la prova avendo cura di guardare la fiamma, fin dall inizio, attraverso un vetro al cobalto: per alcuni momenti vedrai la colorazione violetta dovuta al potassio. Quando non la vedrai piú, guarda pure direttamente la fiamma, e vedrai che il colore giallo del sodio persiste a lungo (tanto a lungo che in genere è difficile pulire bene il filo dopo aver esaminato alla fiamma una sostanza contenente sodio, e conviene semplicemente tagliare via l estremità). Qual è, secondo te, la funzione del vetro al cobalto? A questo punto, il tuo insegnante può darti un sale senza dirtene il nome e chiederti di riconoscere, mediante l esame alla fiamma, qual è il metallo presente in esso. Riconoscimento di alcune sostanze all odore L odore è una delle caratteristiche delle sostanze che siamo in grado di percepire con i nostri sensi. Alcune sostanze hanno un odore cosí tipico che possiamo utilizzarlo per riconoscere la loro presenza. 11. Il valore «12 M» dà informazioni sulla concentrazione della soluzione. Una scrittura di questo tipo (un numero seguito da una M maiuscola) indica quante moli di soluto sono presenti in un litro di soluzione. Una soluzione 12 M di acido cloridrico è quindi una soluzione di HCl in acqua contenente 12 moli di HCl per ogni litro di soluzione.

33 L analisi chimica 23 8 Riconoscimento dello ione ammonio. Metti su un vetro da orologio una piccola quantità di cloruro di ammonio. Aggiungi alcune gocce di acqua distillata. + Strofina energicamente (in questo caso puoi anche usare il dito) e poi annusa. L odore che sentirai è quello tipico dell ammoniaca. La sua comparsa segnala la presenza, nel campione in esame, dello ione ammonio (NH + 4 ), costituito da un atomo di azoto e quattro di idrogeno e avente una carica positiva. La figura ione ammonio a fianco ne mostra la struttura. Ripeti l esperimento utilizzando qualche altro sale di ammonio presente fra i reagenti del tuo laboratorio e che l insegnante ti indicherà. Vedrai che sviluppano tutti lo stesso odore. 9 Riconoscimento dello ione acetato. Fai una serie analoga di prove con dell acetato di sodio, e con altri acetati che l insegnante ti indicherà. In questo caso, sentirai odore di aceto. Esso segnala la presenza dello ione acetato (C 2 H 3 O 2 ) il raggruppamento di atomi schematizzato nella figura a fianco. Il raggruppamento ha una carica negativa distribuita fra i due atomi di ossigeno. 10 Riconoscimento dello ione solfuro. Esegui un altra serie di esperimenti analoghi usando delle sostanze chiamate «solfuri» (solfuro ferroso, solfuro di sodio, etc.). Questa volta sentirai un odore tipico di uova marce. Esso segnala la presenza dello ione solfuro (S 2 ), un atomo di zolfo che ha su di sé due cariche negative. Il colore delle soluzioni ione acetato Alcune soluzioni hanno un colore tipico, che immediatamente indica la presenza, in esse, di un determinato elemento, o di un determinato raggruppamento di atomi. Impariamo a riconoscerne alcune. 11 Soluzioni contenenti lo ione permanganato (MnO 4 ). Questo ione (il cui modellino è disegnato qui a fianco) è costituito da un atomo di manganese e quattro atomi di ossigeno e ha su di sé una carica negativa. La sua presenza impartisce alle soluzioni un tipico colore violetto. Per imparare a conoscerlo, sciogli in acqua una piccola quantità di permanganato di potassio. Soluzioni contenenti lo ione del rame (Cu 2+ ione permanganato 12 ). Il rame conferisce spesso alle soluzioni una tipica colorazione azzurra. Per imparare a conoscerla, prepara una soluzione di solfato di rame. Spesso si fa la seguente ulteriore prova per confermare la presenza del rame. Aggiungi lentamente dell ammoniaca alla soluzione. Inizialmente la soluzione si intorbida, ma poi, se si continua ad aggiungere ammoniaca, acquista un bel colore blu intenso. Questo colore compare soltanto se il rame è presente. 13 Informazioni quantitative dall intensità del colore. Prendi quattro becher da 50 ml, e metti in ciascuno di essi 40 ml di acqua distillata. Nel primo sciogli una piccola quantità di permanganato di potassio, nel secondo una quantità doppia, nel terzo una quantità tripla e nel quarto una quantità quadrupla. Disponi i becher uno vicino all altro, nell ordine dal primo al quarto. Osserva l intensità del colore delle soluzioni. Ti sembra che ci sia una relazione fra la quantità di sostanza che hai sciolto e l intensità del colore 12? Prova a dare una risposta elaborata che descriva tutte le tue osservazioni e cerchi di fornirne un interpretazione. 12. Questo fatto viene utilizzato nell analisi quantitativa. Esiste anche uno strumento apposito, il colorimetro, che determina l intensità del colore in modo molto piú accurato di quanto possa fare il nostro occhio.