Ossidazione del ferro

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1 Le Trasformazioni Ossidazione del ferro Scuola secondaria di II grado IPSIA E Maiorana - Indirizzo chimico e biologico Bari Classe seconda Docente: Maria Massaro Tutor moderatore: Miralma Serio

2 Scopo: comprendere quali sono i fattori che determinano la corrosione del ferro e come è possibile prevenirla.

3 Viene seguito un percorso che si articola in più fasi sperimentali aperte all esperienza, ognuna delle quali indaga su un aspetto specifico del fenomeno che si vuole studiare

4 Prima fase: Allestimento di provette contenenti oggetti di ferro in forme diverse (chiodi, fili, paglietta, palline, limatura, polvere) sottoposti a diverse condizioni ambientali: acqua, acqua distillata, olio, acido, base, soluzione salina, sostanza igroscopica.

5 Scelta dell ambiente di reazione Scelta del campione

6 Osservazioni Fattori ambientali che causano la corrosione: acqua e aria. Fattori che accelerano il processo: acidi, sale. Fattori che inibiscono la corrosione: NaOH, olio, CaCl 2.

7 Seconda fase: Esperienza di Lavoisier Nella corrosione del ferro viene consumato ossigeno!

8 Terza fase: quali sono i prodotti dell ossidazione del ferro? ANALISI IN PIASTRA DI AGAR IN PRESENZA DI INDICATORI

9 i prodotti dell ossidazione del ferro ioni Fe 2+ :la loro presenza è rivelata dal colore blu di prussia assunto dall indicatore Ferricianuro di potassio ioni OH - :la loro presenza è rivelata dalla colorazione fucsia assunta dall indicatore Fenolftaleina Le semireazioni sono: Fe Fe e - Ox ½ O 2 + H 2 O + 2e - 2 OH - Red

10 Quarta fase: come si può proteggere il ferro dalla corrosione? Zn Mg La presenza di metalli come zinco o magnesio può impedire l ossidazione del ferro!

11 DIARIO DI BORDO IPSIA E. Majorana BARI - Classe seconda Docente: Maria Massaro Tutor moderatore: Miralma Serio Tematica: LE TRASFORMAZIONI Nucleo concettuale preso in considerazione: REAZIONI DI OSSIDORIDUZIONE Percorso attraverso : OSSIDAZIONE DEL FERRO Intervallo di tempo: aprile-maggio / 25 ore

12 PUNTO DI PARTENZA: introduzione all argomento con osservazione del fenomeno ruggine e corrosione dei metalli nel contesto del quotidiano (gli alunni vengono stimolati a portare esempi); introduzione teorica ( il docente parla del fenomeno sugli spunti offerti dagli alunni); brain storming su: trasformazione fisica e chimica, ioni, ossidazione, numero di ossidazione, ruggine, oggetti che arrugginiscono, metalli che non arrugginiscono, fattori che favoriscono e impediscono la formazione di ruggine (il docente scrive le domande alla lavagna; ogni ragazzo riceve dei foglietti sui quali scrive le risposte; si leggono le risposte date, raggruppando quelle simili); si elaborano definizioni condivise per allestire un glossario di partenza; l insegnante offre supporto nella discussione stimolata/scaturita.

13 PERCORSO SPERIMENTALE: Dall ESPERIMENTO all ESPERIENZA Sulla base delle osservazioni emerse nel brain storming viene progettato, con il coinvolgimento degli alunni sotto la guida del docente teorico della classe, dell insegnante tecnico pratico e del tutor moderatore del presidio, un percorso laboratoriale articolato in 4 fasi per indagare su diversi aspetti del fenomeno. Ogni fase viene aperta con una DOMANDA STIMOLO allo scopo di innescare un processo di apprendimento costruttivo mediante formulazione di ipotesi e progettazioni sperimentali che vedono la partecipazione attiva degli studenti.. Gli allievi, opportunamente guidati, vengono coinvolti nella scelta dei campioni, nella scelta dell ambiente di reazione, nella scelta della tempistica.

14 PRIMA FASE Domanda stimolo: QUALI FATTORI CAUSANO LA FORMAZIONE RUGGINE e PROVOCANO LA CORROSIONE DEL FERRO? ESPERIMENTO/ESPERIENZA Alcuni oggetti di ferro scelti tra i materiali disponibili in laboratorio, suggeriti da alunni e insegnanti chiodi, fili, paglietta, limatura, polvere vengono posti in provette in diversi ambienti acqua, acqua distillata, sale, acido, base, disidratante e si osserva cosa accade dopo 1 ora, 1 giorno, 1 settimana, 2 settimane. Domanda stimolo: IN QUALI CONDIZIONI PREVEDI CHE AVVENGA PIU FACILMENTE L OSSIDAZIONE DEL FERRO?

15 OSSERVAZIONI SPERIMENTALI in acqua distillata : la formazione di ruggine si osserva dopo 2 settimane in acqua di rubinetto: la formazione di ruggine si osserva dopo 1 settimana in acqua e sale ( NaCl ): la formazione di ruggine si osserva dopo 1 giorno in acqua e HCl: si ha sviluppo di gas e la formazione di ruggine si osserva dopo 1 ora in acqua e aceto: si ha sviluppo di gas e la formazione di ruggine si osserva dopo 1 ora in acqua e NaOH: non si osserva formazione di ruggine in acqua e olio: non si osserva formazione di ruggine in acqua e Na2CO3: non si osserva formazione di ruggine con disidratante ( cloruro di calcio CaCl2 ) : non si osserva formazione di ruggine

16 Analisi del fenomeno: raccolta e tabulazione delle osservazioni confronto tra osservazioni iniziali e finali individuazione delle condizioni più favorevoli

17 CONCLUSIONI ESPLICITAZIONE DEI PERCHE le condizioni necessarie per la formazione di ruggine sono: presenza di acqua e aria (ossigeno) La reazione che avviene è la seguente: Fe + ½ O2 + H2O Fe OH- Poiché si tratta di fenomeni reversibili (equilibri), la presenza di uno dei prodotti ( OH- ) inibisce il processo, spostando a sinistra l equilibrio. Questo spiega la mancata formazione di ruggine in ambiente basico ( con NaOH e Na2CO3 ). In presenza di acido ( HCl, aceto ) l ossidazione del ferro avviene ad opera dell idrogeno ( H+ ) invece che dell ossigeno: Fe + 2 HCl ----> Fe 2+ + H2 + 2 Cl- La reazione è veloce e si osserva lo sviluppo di bollicine di gas (H2 ) Il cloruro di calcio ( CaCl2 ) impedisce l ossidazione del ferro poiché assorbe l umidità dall ambiente circostante. La presenza di olio, invece, impedisce il contatto con l aria e quindi con l ossigeno, ostacolando così la formazione di ruggine. La presenza di sale ( NaCl ) nell acqua rende più veloce la formazione di ruggine perché favorisce il movimento degli ioni in soluzione.

18 SECONDA FASE Domanda stimolo: COME SI PUO DIMOSTRARE SPERIMENTALMENTE CHE NELLA FORMAZIONE DELLA RUGGINE SI CONSUMA OSSIGENO? RIEVOCAZIONE STORICA Lettura di un testo relativo alla vita di Lavoisier, con dialoghi, per rievocare il contesto storico-culturale in cui lo scienziato ha analizzato alcuni aspetti del fenomeno dell ossidazione e dimostrato che il ferro arrugginisce perché si combina con l ossigeno.

19 Esperienza di Lavoisier Viene posta una paglietta di ferro, bagnata, sul fondo di una provetta. Questa viene chiusa con un tappo attraverso il quale passa un tubicino, e viene fissata, capovolta, ad un sostegno, facendo in modo che l estremità inferiore del tubicino peschi in un becher contenente acqua ( all acqua è stato aggiunto un colorante, blu di metilene, allo scopo di rendere il tutto più visibile ). Dopo una settimana si osserva che l acqua è risalita attraverso il tubicino, sin dentro la provetta. Dopo due settimane si osserva una ulteriore risalita di acqua nella provetta, sino a raggiungere un livello che si mantiene stabile nel tempo. La risalita di acqua dimostra che all interno della provetta si è creata una depressione dovuta al consumo di ossigeno che ha reagito con il ferro. L ossidazione del ferro si è arrestata quando tutto l ossigeno che si trovava all interno della provetta è stato consumato.

20 TERZA FASE Domanda stimolo: QUALI SONO I PRODOTTI DELL OSSIDAZIONE DEL FERRO? ANALISI IN PIASTRA DI AGAR CON INDICATORI Si osserva cosa accade ad un chiodo di ferro bagnato immerso per 24 ore piastra di agar (gelatina) contenente due indicatori: il ferricianuro di potassio (diventa blu in presenza di ioni Fe 2+) e la fenolftaleina (diventa rosa in ambiente basico). La gelatina serve a limitare la mobilità degli ioni in modo che la colorazione risulti localizzata.

21 ELABORAZIONE DEI RISULTATI Si osservano dopo 24 ore attorno al chiodo delle zone colorate in blu e delle zone colorate in rosa La colorazione BLU segnala la presenza di ioni Fe 2+ che si formano in seguito all OSSIDAZIONE del ferro Fe Fe e - semireazione di ossidazione del ferro La colorazione ROSA segnala la presenza di ioni OH- che si formano in seguito alla RIDUZIONE dell ossigeno ½ O2 + H2O + 2 e- 2 OH- semireazione di riduzione dell ossigeno Le zone del chiodo da cui prende avvio l ossidazione sono quelle in cui la superficie del metallo presenta delle lesioni (es. graffi, fratture ) o vicino alle punte, poiché in queste zone gli atomi del metallo sono più reattivi e quindi si ossidano più velocemente.

22 I prodotti dell ossidazione del ferro La corrosione del ferro è un processo di ossido-riduzione in cui sono coinvolti sia l ossigeno che l umidità. L ossidazione di una sostanza (il ferro cede e-) è sempre accompagnata dalla riduzione di un altra sostanza (l ossigeno acquista e-) La corrosione avviene perchè gli ioni Fe2+ ( derivanti dall ossidazione del ferro) migrano attraverso la soluzione acquosa, fino ad incontrare gli ioni OH- La combinazione dei due ioni forma idrossido di ferro (II) : Fe (OH)2, che viene poi ossidato dall ossigeno dell aria secondo l equazione: Fe (OH)2 + ½ O2 Fe2 O 3 * 2 H2O ( rosso-bruno ) L ossido di ferro (III) con l acqua di cristallizzazione costituisce la ruggine.

23 Modellizzazione: equazione chimica Conclusioni: le condizioni necessarie per la formazione di ruggine sono: presenza di acqua e ossigeno. Si prova ad esprimere il fenomeno osservato in linguaggio specifico (equazione chimica) SEMIREAZIONI Fe Fe e - (ossidazione del ferro) ½ O2 + H2O + 2 e- 2 OH - (riduzione dell ossigeno) REAZIONE REDOX Fe + ½ O2 + H2O -----> Fe OH - Fe (OH)2 + ½ O2 Fe2 O3 * 2 H2O RUGGINE

24 QUARTA FASE Domanda stimolo: E POSSIBILE PROTEGGERE IL FERRO DALLA CORROSIONE? ANALISI IN PIASTRA DI AGAR CON INDICATORI IN PRESENZA DI ALTRI METALLI Si ripete l esperienza in piastra di agar analizzando 3 chiodi avvolti rispettivamente con un filo di ZINCO, un nastro di MAGNESIO e un filo di RAME

25 ELABORAZIONE DEI RISULTATI PIASTRA CON CHIODO RICOPERTO DI ZINCO: si osservano attorno al chiodo zone debolmente colorate in rosa e zone in cui la trasparenza della gelatina è diminuita con formazione di un precipitato biancastro. Si tratta di idrossido di zinco (insolubile) Zn (OH)2. Non si osservano zone colorate in blu. PIASTRA CON CHIODO RICOPERTO DI MAGNESIO: si osserva attorno al chiodo una colorazione in rosa. Si forma di idrossido di magnesio (solubile) Mg (OH)2. Non si osservano zone colorate in blu. PIASTRA CON CHIODO RICOPERTO DI RAME: si osservano zone colorate in blu (presenza di ioni Fe2+) e zone colorate in rosa. DEDUZIONI: Lo zinco e il magnesio impediscono la corrosione del ferro. Il rame non protegge il ferro dalla corrosione.

26 Protezione del ferro dalla corrosione. Si è osservato che la presenza di alcuni metalli, come zinco e magnesio, ha un effetto protettivo nei confronti del ferro, impedendone l ossidazione. Questo perché tali metalli hanno una tendenza ad ossidarsi maggiore rispetto al ferro, e pertanto in presenza di un ossidante ( in questo caso l ossigeno ) saranno questi a cedere elettroni, piuttosto che il ferro. Le reazioni che si verificano sono le seguenti: Zn -----> Zn e- ossidazione Mg -----> Mg e- ossidazione ½ O2 + H2O + 2 e > 2 OH- riduzione Si nota in ogni caso la formazione di ioni OH- : la loro presenza è rivelata dall indicatore ( fenolftaleina ), che assume una colorazione rosa in ambiente basico. Nel caso della reazione con lo zinco si forma idrossido di zinco Zn(OH)2, che essendo insolubile in acqua si evidenzia sottoforma di un precipitato bianco, e non si osserva in modo evidente il viraggio dell indicatore (colorazione fucsia ) perché gli ioni OH- non si trovano liberi in soluzione, ma bloccati dal precipitato. Con il magnesio si forma invece idrossido di magnesio Mg(OH)2 che è solubile in acqua e pertanto la presenza degli ioni OH- in soluzione determina il viraggio dell indicatore.

27 I POTENZIALI DI RIDUZIONE Domanda stimolo: E POSSIBILE PREVEDERE IL COMPORTAMENTO DI UN METALLO NEI CONFRONTI DELL OSSIDAZIONE? SI,utilizzando la tavola dei potenziali standard di riduzione: i valori riportati in questa tabella rappresentano infatti la tendenza che ogni specie chimica ha verso la riduzione. Leggendo la tabella, le specie che si trovano più in alto ( potenziale maggiore ) hanno maggiore tendenza a ridursi e quindi si comportano come ossidanti, mentre le specie che si trovano più in basso (potenziale minore ) hanno maggiore tendenza ad ossidarsi ( nel caso dei metalli: si corrodono più facilmente ). Si può ora comprendere perché il rame non ha lo stesso effetto protettivo di Zn e Mg per il ferro: il rame ha infatti un potenziale di riduzione maggiore del ferro, quindi è il ferro che si ossida più facilmente del rame!

28 Estrapolazione ad altri contesti di senso Uso dei prodotti antiruggine antiossidanti Il ferro zincato e cromato e stagnato (lamiera delle automobili serbatoi, tubature interrate, scafi delle navi, latte) Le leghe (acciaio inossidabile) L alluminio, il rame l argento e l ossidazione

29 Fase di rielaborazione Discussione guidata al termine del percorso Rivisitazione del glossario di partenza alla luce delle osservazioni sperimentali e degli approfondimenti teorici Realizzazione di mappe concettuali e schemi operativi CONCLUSIONI CONDIVISE

30 VERIFICHE Verifiche orali per la concettualizzazione Verbalizzazione del percorso sperimentale con mappe concettuali e schemi operativi (in itinere) Relazioni di laboratorio su esperiementi/esperienze Verifiche scritte semistrutturate (finali) Prove pratiche per la valutazione delle abilità operative

31 CONOSCENZE e COMPETENZE Conoscere il fenomeno della corrosione Comprendere che la corrosione è dovuta ad un processo di ossidazione del metallo Comprendere che è possibile proteggere il ferro dalla corrosione Saper individuare i fattori che favoriscono e impediscono la corrosione Saper riconoscere una reazione di ossidoriduzione Saper utilizzare la scala dei potenziali di riduzione per prevedere il comportamento di un metallo nell ossidazione Saper scrivere ed interpretare un equazione chimica come linguaggio specifico e modello di un fenomeno Acquisire autonomia operativa nella pratica laboratoriale Saper estrapolare i concetti acquisiti a differenti contesti di senso (importanza economica della protezione dei metalli dalla corrosione