INTRODUZIONE AL CONCETTO DI MOLE USANDO RONDELLE CON MASSA DIVERSA

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1 INTRODUZIONE AL CONCETTO DI MOLE USANDO RONDELLE CON MASSA DIVERSA Importante: Tutti i sacchetti usati contengono lo stesso numero di rondelle; le rondelle di ogni sacchetto sono uguali fra di loro. Tara: [g] ; Massa lorda del sacchetto di rondelle in dotazione: [g] ; Rondella di riferimento: Rapporto tra la Massa relativa di massa netta delle una singola rondella Numero di rondelle in (massa di una Massa di una rondelle in una Massa (netta) delle dotazione e quella rondella in dotazione rispetto a una (da determinare mole di rondelle mole rondelle delle rondelle di riferimento rondella di con la bilancia) riferimento) Tipi di rondelle disponibili. Evidenziare il tipo di rondella esaminato. RONDELLE D 7 RONDELLE D 10 RONDELLE D 14 RONDELLE D 17 RONDELLE D 18 RONDELLE D 22 RONDELLE D 23 RONDELLE D24 Numero di rondelle del sacchetto NOTA BENE: Ciascun gruppo dovrà riempire la propria tabella con i dati di tutti gli altri gruppi. INTRODUZIONE ALL ESPERIMENTO Mole_con_rondelle.doc 1

2 In una reazione chimica può essere necessario far reagire un numero conosciuto di atomi di due elementi diversi. Le dimensioni atomiche però, sono talmente piccole da impedire di contare uno a uno gli atomi occorrenti ed allora è stata introdotta nel S.I. una nuova grandezza, la MOLE, che rende possibile prelevare un numero di atomi conosciuto con precisione per mezzo di una semplice misura di massa, eseguibile con una bilancia in modo tale da conoscere il numero di atomi o molecole conoscendo la massa di sostanza prelevata (la precisione del numero di atomi prelevati è correlata alla sua precisione). La sua proprietà più importante è la seguente: Le moli di qualsiasi elemento contengono lo stesso numero di atomi: 6,02*10 23 (numero di Avogadro). Una definizione della Mole può essere: la quantità in grammi di un elemento, numericamente uguale alla massa atomica relativa dell elemento stesso, cioè al numero che esprime la massa di 6,02*10 23 atomi di quell elemento. (È sbagliato definire la mole come peso atomico espresso in grammi, perché così indicheremmo che un singolo atomo di qualsiasi sostanza, avrebbe un peso in grammi uguale al numero che esprime il suo peso atomico. Poiché i pesi atomici vanno da 1 per l idrogeno a 238 per l uranio, questo significherebbe che un atomo di ossigeno ad esempio, con u.m.a. uguale a 16, peserebbe 16 grammi e non un valore dell ordine di g. L uso della Mole è stato reso possibile dalla conoscenza delle masse atomiche (e molecolari) degli elementi. Queste non esprimono la massa in valore assoluto (in grammi o in una qualsiasi altra unità di misura) di un atomo di un certo elemento, ma esprimono il rapporto fra la massa di un atomo di un qualsiasi elemento e la massa unitaria di uno di essi presa come riferimento; così è possibile ordinare gli elementi secondo la loro unità di massa atomica u.m.a. e conoscere facilmente anche il rapporto fra le masse di due o più elementi comunque scelti. La prima unità di massa atomica usata è stata quella dell idrogeno, l elemento più leggero; attualmente si fa riferimento a 1/12 della massa di un atomo dell isotopo 12 C del carbonio. In questa esperienza si ripercorrono le tappe che hanno portato i chimici a definire la Mole di atomi ; solo che invece di arrivare alla mole di atomi, si arriverà alla Mole di rondelle. PROCEDURA E OSSERVAZIONI 1. In questa prova si usano le rondelle al posto degli atomi; sono elementi enormemente grandi rispetto alle particelle elementari che costituiscono la materia, ma che come quelle, mantengono una propria individualità e uguaglianza fra gli elementi di uno stesso tipo (anche se ciò è vero solo approssimativamente). In più offrono il vantaggio di poterle osservare, contare, pesare etc. etc. 2. Si preparano 8 tipi diversi di rondelle, uno per ogni gruppo di studenti. Ogni tipo di rondella viene messo in un sacchetto trasparente, di quelli usati per la congelazione. I sacchetti usati come contenitori devono essere tutti uguali. In ogni sacchetto vengono messe 100 rondelle. Prima di iniziare la prova agli studenti viene detto che i sacchetti contengono tutti lo stesso numero di rondelle, ma non quante ne contengono. Il numero di rondelle verrà determinato dagli studenti alla fine della prova. 3. Alla fine dell esperimento i gruppi si scambieranno i risultati, in modo che ciascun gruppo abbia i valori di tutti gli altri. Discussione sul contenuto delle colonne della tabella NOTA: È importante evidenziare e insistere sul fatto che: i sacchetti contengono lo stesso numero di rondelle, che queste, come gli atomi, sono uguali fra di loro (anche se per le rondelle questo è vero solo in maniera approssimativa). Mole_con_rondelle.doc 2

3 La prima operazione da fare è la determinazione della massa relativa delle rondelle, equivalente all U.m.a. degli atomi; si inizia con il trovare la massa netta delle rondelle, ma per evitare di toglierle dai sacchetti, visto che questi sono tutti uguali, se ne pesa uno identico vuoto e in seguito si toglie la sua massa dal peso rondelle più + sacchetto letto sulla bilancia. È opportuno che tutta la classe usi la stessa bilancia. Il valore della tara e la massa lorda delle rondelle si riportano negli spazi appositi sopra la tabella; di seguito a questi si riporterà anche la rondella scelta come rondella di riferimento. 1. Colonna 1: Contiene l elenco delle rondelle utilizzate. 2. Colonna 2: Si riporta la massa netta delle rondelle, ossia la massa del sacchetto letta sulla bilancia meno la tara. Accanto al numero va messa l U.di M. 3. Colonna 3: Prima di poter riempire la colonna occorre scegliere le rondelle di riferimento. Gli studenti saranno guidati a scegliere quelle più leggere, le D7. Nella colonna va scritto il rapporto fra la massa di tutte le rondelle contenute nel sacchetto in dotazione e quella delle D7. Il gruppo che ha il sacchetto delle D7 scriverà il valore 1. Essendo rapporti fra masse, non si scrive alcuna u.d.m. 4. Colonna 4: Si chiede il valore del rapporto fra la massa di una singola rondella in dotazione e la massa di una del tipo D7 scelta come riferimento: è il medesimo valore della colonna 3 e per farlo capire si possono fare degli esempi pratici con dei pesi a due ganci da 20g e da 10g. Se ne prendono 4 o 5 di ogni tipo e si mostra che se manteniamo uguale il numero di componenti dei due gruppi di pesi, il rapporto fra le loro masse rimane uguale a 2, qualunque sia il numero di pesi considerato, anche 1 per ogni gruppo; e questo è vero finché i due tipi di pesi sono presi in numero uguale e finché i due tipi di pesi sono tutti uguali fra di loro; è sufficiente variare il numero dei pesi di un gruppo rispetto all altro, o sostituire uno dei pesetti di un tipo con un altro di massa diversa, perché cambi il rapporto fra le masse. Ma come specificato all inizio della prova, tutti i sacchetti contengono lo stesso numero di rondelle e le rondelle di ogni sacchetto sono uguali fra di loro, per cui il rapporto di una singola rondella in dotazione e una di quelle di riferimento è uguale al rapporto fra la massa netta di tutte le rondelle in dotazione e quella di tutte le rondelle di riferimento: nelle celle della colonna si ricopiano pertanto i valori della colonna 3. Mettiamo in evidenza l analogia fra l U.d.m. e i valori della colonna 4: così come l U.m.a. è il rapporto fra la massa di un atomo e quella dell atomo scelto come riferimento, i valori della colonna 4 sono i rapporti fra la massa di una rondella e quella di una delle rondelle prese come riferimento, ne consegue che i valori riportati nella colonna 4 equivalgono all U.m.a. atomica; si può dire che sono l U.m.r. ossia l unità di massa rondellica, il loro P.A.. L unità di misura è quella corrispondente all U.m.a.; si può usare U. 5. Colonna 5: Per riempire la colonna 5, gli studenti devono sapere cos è la mole, o almeno dir loro che la mole è la quantità in grammi numericamente uguale al peso atomico o molecolare della sostanza. In base alle considerazioni precedenti anche questa volta ricopieremo i valori della colonna 4, ma metteremo l u.di m. della massa, g perché ora non stiamo più considerando dei rapporti fra grandezze omogenee ma stiamo considerando delle masse. 6. Colonna 6: Ogni gruppo metterà sul piatto della bilancia delle rondelle, fino ad ottenere una massa numericamente uguale (o più vicino possibile) al valore della mole di quelle rondelle. Il numero di rondelle trovato rappresenta il numero di Avogadro della mole di rondelle e verrà inserito nella tabella in colonna 6. Prima però di eseguire la pesatura, conviene chiedere alla classe se l aspettativa è quella di trovare sempre lo stesso numero di rondelle oppure diverso di volta in volta. NB: Abbiamo già visto nella discussione per i valori da inserire nella colonna 4, che per mantenere costante il rapporto fra le masse, è necessario che rimanga uguale il numero dei pesetti costituenti i due gruppi. Quindi se si fa in modo che rimanga costante il rapporto fra le masse, rimane uguale anche il numero dei pesetti dei due gruppi. Ricordiamo che le moli sono numericamente uguali alle masse relative, quindi se la mole delle rondelle D22 = 32 g e quella delle D7 = 1 g, significa che anche la massa di ogni rondella D22 è 32 volte più grande di una rondella D7. Mole_con_rondelle.doc 3

4 1 rond. D22 2 rond. D22 3 rond. D22 nrond. D22 n moli D22 R 32 1 rond. D7 2 rond. D7 3 rond. D7 nrond. D7 nmoli D7 Ma allora, poiché le rondelle D22 sono tutte uguali fra di loro così come lo sono le rondelle D7, sapendo che sia il rapporto in massa fra una singola rondella D22 e di una singola rondella D7 = 32 sia il rapporto in massa fra le moli (massa in grammi corrispondente alle masse relative) = 32, ne consegue che i due gruppi sono formati dallo stesso numero di elementi. Per chiarire meglio il concetto si possono usare i soliti pesetti a due ganci da 50g e da 25g e mostrare che se il rapporto in massa di due singoli pesetti è 2, ogni volta che il rapporto in massa fra gruppi di pesetti è 2, i due gruppi di pesetti contengono lo stesso numero di elementi. È quello che facciamo con le moli, infatti per ogni tipo di mole prendiamo una quantità di rondelle che ha il medesimo rapporto di massa con quelle di riferimento che è lo stesso di quello della colonna 4, ovvero uguale al rapporto fra le masse relative delle rondelle (tutti i gruppi sono costituiti dallo stesso numero di rondelle). Consideriamo l ossigeno e l idrogeno che hanno rispettivamente P.A. O = 16 e P.A. H = 1; il rapporto fra le moli, 16, è lo stesso del rapporto fra i P.A. dei due elementi; quindi, prese due quantità delle due sostanze che stanno fra loro nel rapporto di 16:1 (una quantità di ossigeno 16 volte maggiore della quantità di idrogeno), sappiamo da quanto detto in precedenza, che quelle due quantità conterranno lo stesso numero di particelle. Così quando prendiamo una mole di O 2, 16 g, e una mole di H 2, 1 g, prendiamo lo stesso numero di molecole dei due elementi. Generalizzando possiamo affermare che se utilizziamo due gruppi di oggetti diversi ma ciascun gruppo è formato da oggetti uguali fra di loro e ne prendiamo quantità in modo tale che il loro rapporto sia uguale al rapporto fra le loro masse, prenderemo lo stesso numero di elementi: è quello che stiamo facendo con le rondelle, ed è quello che accade con le moli di atomi, molecole, ioni Finalmente possiamo pesare le rondelle per trovare il numero che occorre per averne una mole; le mettiamo sulla bilancia fino ad avvicinare il più possibile il valore della mole. Si ricorda che mentre gli atomi di ciascun elemento sono tutti uguali fra di loro, ciò non accade per le rondelle con le quali stiamo lavorando. Questo può determinare che, quando andiamo a contare le rondelle contenute nella mole, il loro numero possa non essere sempre lo stesso, perché se pesiamo rondelle più grosse della media, raggiungiamo il valore stabilito con meno rondelle, il contrario quando usiamo rondelle più piccole. Nel caso delle moli degli atomi invece, essendo gli atomi di uno stesso elemento tutti uguali fra di loro, le moli contengono sempre lo stesso numero di atomi. 7. Colonna 7: Gli allievi contano il numero di rondelle dei loro sacchetti, per verificare l affermazione iniziale, secondo la quale i sacchetti contenevano lo stesso numero di rondelle (il gruppo che ha le D7 conviene che faccia la conta usando una vaschetta di plastica per diminuire il rischio di perderle). La massa teorica delle rondelle di ciascun tipo, una volta accertato che ogni sacchetto ne contiene 100, si può calcolare nel modo seguente: massa della mole inoggetto 8 Mole_con_rondelle.doc 4

5 MATERIALE OCCORRENTE: 1. 1 sacchetto di rondelle/gruppo 2. 1 sacchetto vuoto 3. 1 bilancia con s = 0,1g 4. pesetti a due ganci da 10 g 5. pesetti a due ganci da 20 g 6. pesetti a due ganci da 50 g Mole_con_rondelle.doc 5