Progetto Science Under 17 attività promossa dall'associazione per l Insegnamento della Fisica con la collaborazione del Dipartimento di Biologia dell'università di Padova valida per la partecipazione alle Olimpiadi Europee delle Discipline Scientifiche riconosciuta per la certificazione delle eccellenze dal Ministero dell'istruzione, Università e Ricerca prova di istituto quarta edizione 28 novembre 2014 tempo: 4 ore consecutive ISTRUZIONI GENERALI In laboratorio indossa sempre un camice e ricorda che è proibito bere o mangiare. Dovrai avere i guanti quando maneggi sostanze chimiche e dovrai indossare gli occhiali se ti viene richiesto. Alla fine dell esperimento consegna tutti i fogli che hai usato anche quelli di brutta copia. Riporta tutti i risultati sui fogli risposta. Se hai fatto dei grafici non dimenticare di consegnarli insieme ai fogli risposta. Sarà valutato solo ciò che è scritto sui fogli risposta con i grafici allegati. Scrivi il codice del tuo gruppo su tutti i fogli che consegni. LAVORO DI GRUPPO Nel gruppo potete organizzare il lavoro come vi sembra più opportuno e svolgere i diversi temi nell ordine che preferite. Tenete conto del tempo di cui disponete e dividetevi i compiti con la mira di concludere entro il termine. PUNTEGGIO MASSIMO PER CIASCUN TEMA 40 PUNTI BUON LAVORO!
TEMA N 1: LIEVITI E ALCOL Questa prova di Biologia è incentrata sulle proprietà di Saccharomyces cerevisiae, il famoso lievito della birra e del pane. Sfrutta al meglio il tempo a disposizione, per completare tutte le attività. Nota: ti suggeriamo di preparare subito la soluzione di zucchero e lieviti seguendo il protocollo del primo esperimento fino al punto 4). Dovrai attendere molto tempo prima che il palloncino si gonfi: nel frattempo puoi leggere attentamente tutto il testo della prova e intraprendere altre attività. I LIEVITI I lieviti sono dei Funghi, ma diversamente da altri organismi di questo gruppo vivono in forma unicellulare. Il lievito più famoso, S. cerevisiae, è impiegato da migliaia di anni per la panificazione e la produzione di birra e vino, come documentano testimonianze sumeriche ed egizie risalenti a più di 4000 anni fa. Le cellule di S. cerevisiae hanno forma circolare-ellissoidale e un diametro di circa 5-10 micrometri. Come in tutti gli organismi eucarioti, è presente un nucleo e una complessa struttura interna contenente numerosi organelli (es. mitocondri, vacuolo). S. cerevisiae si moltiplica attraverso un processo di gemmazione: quando la cellula madre è matura, produce una piccola gemma che cresce un po alla volta fino a separarsi dal genitore (figura a lato). Se i lieviti sono in fase di crescita attiva, si possono osservare numerose cellule con le gemme. I terreni per coltivare i lieviti sono economici e semplici da realizzare; l intero ciclo cellulare si completa in circa un ora e mezza. S. cerevisiae è dichiarato organismo GRAS (Generally Recognized As Safe): ciò significa che i suoi prodotti sono privi di pericolo per l uso umano. 1.1 LA FERMENTAZIONE Come gli animali, i lieviti sono eterotrofi e quindi per crescere hanno bisogno di mangiare, assumendo energia dai composti organici. Gli zuccheri sono fonti di carbonio molto comuni: glucosio e fruttosio sono gli zuccheri più semplici (monosaccaridi), saccarosio e maltosio sono zuccheri più complessi (disaccaridi). Il processo biologico nel quale gli zuccheri sono convertiti in energia cellulare si chiama fermentazione (dal latino fervere = ribollire). Nell attività seguente dovrai cercare di stabilire quale gas si libera durante la fermentazione, quando i lieviti mangiano il comune zucchero da cucina (saccarosio). MATERIALI Becher da 500 ml Bottiglia da 500 ml Zucchero da cucina (saccarosio) Lievito di birra in cubetti da 25 g Palloncino di plastica Bilancia, cucchiaio di metallo Candela trasportabile, accendino 2 vasetti di dimensioni identiche Righello Bagnomaria impostato a 30 32 C, termometro Fonte di acqua tiepida Nota: in questo esperimento e nel prossimo devi controllare sempre che la temperatura dell acqua in cui mantieni i lieviti (bagnomaria, cilindro) non scenda mai sotto i 30 C. Gara di Istituto del 28 novembre 2014 pagina 2 di 15
ESPERIMENTO 1. Nel becher da 500 ml pesa 25 g di zucchero e 25 g di lievito. Aggiungi un po d acqua tiepida (circa 30 C ) e mescola con il cucchiaio finché zucchero e lievito sono completamente sciolti. 2. Aggiungi acqua tiepida fino a raggiungere il volume finale di 500 ml. Nel foglio risposte [1.1.1] calcola la concentrazione di zucchero nella soluzione che hai preparato. 3. Versa tutta la soluzione nella bottiglia. Inserisci il palloncino sul collo della bottiglia, facendo attenzione che sia ben fissato in modo da non staccarsi. Se il palloncino si rompe durante questa operazione ne puoi chiedere uno nuovo. Se richiedi un terzo palloncino, riceverai una penalità. 4. Scalda la bottiglia con il palloncino a bagnomaria e attendi che il palloncino si gonfi fino a raggiungere un diametro di almeno 7 8 cm. Nota: più gas c è nel pallone e più facile sarà riempire il vasetto al successivo punto 7. 5. Controlla che la temperatura dell acqua non scenda mai sotto i 30 C per tutta la durata di questo esperimento (se ciò accade, aggiungi acqua tiepida): nel foglio risposte [1.1.2] spiega per quale motivo è importante compiere questa verifica. 6. Quando il palloncino ha raggiunto le dimensioni richieste, chiama il docente che assiste alla prova perché segua da vicino i prossimi passaggi (firmerà il foglio risposte 1.1.3). Attenzione! Verifica che tutti i contenitori con sostanze infiammabili siano ben chiusi e lontani dalla fiamma accesa mentre esegui le prossime operazioni (punti 7 9). 7. Stacca il palloncino dal collo della bottiglia senza disperdere il gas che si è formato (ti puoi far aiutare da un compagno), poi svuota lentamente tutto il gas presente nel palloncino dentro il vasetto n.2; non muovere più questo recipiente, altrimenti il gas si può disperdere! 8. Trasporta la candela accesa con la fiamma rivolta verso l alto, facendo attenzione a non scottarti le mani. Introduci la candela prima nel vasetto n.1 (pieno d aria) e poi in quello n.2, che contiene il gas prodotto dalla fermentazione dei lieviti. 9. Ripeti il punto precedente, per verificare che il tuo risultato sia ben riproducibile. Nota: riporta la bottiglia a bagnomaria, perché ti servirà ancora per il prossimo esperimento. 10. Descrivi le proprietà del gas incognito compilando la tabella 1.1.3 nel foglio risposte. 11. In base alle tue osservazioni e alle tue conoscenze, riesci a ipotizzare quale gas si è prodotto con la fermentazione? Scrivilo nel foglio risposte [1.1.4]. 1.2 TOLLERANZA ALL ETANOLO La produzione di bevande alcoliche (vietate ai minori!) si basa sulla fermentazione degli zuccheri naturali presenti nelle piante: per vino e brandy si sfruttano gli zuccheri dell uva; il rum si ottiene dalla canna da zucchero, birra e whisky dal malto. Inoltre, le biotecnologie sfruttano la capacità del lievito di convertire lo zucchero in alcol (etanolo), per produrre grandi quantità di combustibile di origine biologica. La produzione di bioetanolo su scala industriale, però, è conveniente solo se si ottengono alte concentrazioni di alcol. Molte varietà di lievito presenti in natura muoiono a concentrazioni di etanolo superiori al 5%, a causa della tossicità dell alcol. S. cerevisiae, invece, ha una maggior tolleranza all etanolo, cioè resiste anche quando i livelli di alcol crescono sopra il 10%. Il suo metabolismo è però modificato in queste condizioni. Gara di Istituto del 28 novembre 2014 pagina 3 di 15
Lo scopo di quest attività è valutare che effetto ha l etanolo sulla fermentazione. MATERIALI Bottiglia da 500 ml con soluzione di zucchero e lievito (la stessa dell attività precedente) Acqua distillata Etanolo Siringa da 50 ml, filo di ferro, peso Tubo in PVC diametro 4 x 6 mm Cilindro da 500 ml o altro contenitore verticale 2 tubi Falcon in plastica da 50 ml Pipette graduate (5 10 ml) Vasetto in vetro trasparente Bagnomaria impostato a 30 32 C, termometro Orologio, cronometro Carta millimetrata, matita, righello ESPERIMENTO F1: fermentazione naturale. 1. Mantieni la bottiglia con la soluzione di zucchero e lievito a bagnomaria in acqua tiepida. 2. Con la pipetta versa 5 ml di acqua distillata nel tubo Falcon marcato con la sigla F1. 3. Aggiungendo la soluzione di zucchero e lievito, riempi il tubo fino alla tacca da 50 ml, poi chiudi con il tappo e mescola bene invertendo più volte il tubo. 4. Con la siringa, aspira almeno 40 ml di soluzione dal tubo F1. 5. Lavorando sopra un lavandino, tieni la siringa in posizione verticale (becco in alto) ed espelli tutta l aria e la soluzione in eccesso, in modo da lasciare esattamente 40 ml. 6. Sempre con la siringa verticale, ora porta lo stantuffo sulla tacca da 50 ml per creare una camera d aria nella parte superiore. 7. Inserisci il tubo in PVC nel becco della siringa, facendo attenzione che la soluzione non penetri all interno del tubo. Se ciò accade, estrai il tubo e soffia forte per espellerla. 8. Lega il filo con un peso all estremità inferiore dello stantuffo della siringa. 9. Inserisci la siringa nel cilindro e depositala sul fondo. Riempi il cilindro di acqua tiepida, fino al livello del becco in cui hai inserito il tubo. 10. Riempi un vasetto di acqua, poi inserisci l estremità libera del tubo in PVC all interno di questo vasetto in modo che si mantenga ferma e stabile. 11. Attendi circa un paio di minuti, che le bolle di gas escano dal tubo in modo regolare. Annota la temperatura dell acqua nel cilindro e l orario d inizio della prima prova nella tabella 1.2.1 del foglio risposte. Esegui le tre prove in successione e cerca di far trascorrere sempre lo stesso intervallo di tempo tra un conteggio e il seguente (es. 1 minuto). Controlla che la temperatura dell acqua nel cilindro non scenda sotto i 30 C (se ciò si verifica, aggiungi acqua tiepida). 12. Conta il numero di bolle di gas che escono dal tubo in 2 minuti e riporta questo numero nella tabella 1.2.2 del foglio risposte, prova n.1. Gara di Istituto del 28 novembre 2014 pagina 4 di 15
13. Ripeti il conteggio delle bolle per altri 2 minuti e riportalo nella tabella 1.2.2, prova n.2 14. Ripeti ancora il conteggio delle bolle per altri 2 minuti e riportalo nella tabella 1.2.2, prova n.3. 15. Calcola il tempo totale impiegato per le tre prove e riportalo nella tabella 1.2.1. F2: fermentazione con 10% etanolo. Se aggiungiamo etanolo ai lieviti in fermentazione, si forma lo stesso numero di bolle? 1. Mantieni la bottiglia con la soluzione di zucchero e lievito a bagnomaria in acqua tiepida. 2. Con la pipetta versa 5 ml di etanolo in un nuovo tubo Falcon marcato con la sigla F2. 3. Aggiungendo la soluzione di zucchero e lievito, riempi il tubo fino alla tacca da 50 ml, poi chiudi con il tappo e mescola bene invertendo più volte il tubo. 4. Con la siringa, aspira almeno 40 ml di soluzione dal tubo F2. Nota: ripeti il punto 4) per tre volte, versando di nuovo la soluzione aspirata nel tubo F2 o in un vasetto pulito. Così facendo si elimina il gas in eccesso, prodotto dai lieviti prima di aggiungere l etanolo. Segui i punti da 5) in poi come nell esperimento precedente. Quando sei pronto per iniziare le prove (punto 11), annota temperatura e orario in tabella 1.2.1 e segui gli stessi suggerimenti di prima. Conta per tre volte il numero di bolle di gas che escono dal tubo in 2 minuti (punti 12 14). Riporta i numeri ottenuti nelle prove n.1, n.2, n.3 di questo esperimento nella seconda riga di tabella 1.2.2. In tabella 1.2.1 scrivi il tempo che hai impiegato in totale per queste tre prove. OSSERVAZIONI E DEDUZIONI In fisica, robotica e biologia si usa il termine retroazione per indicare la capacità di un sistema dinamico di modificare le caratteristiche del sistema stesso in base ai risultati prodotti, secondo lo schema della figura a fianco. In biologia molte vie metaboliche sono controllate da meccanismi retroattivi. Nella "retroazione positiva" i prodotti finali aumentano l'efficienza del sistema potenziando i risultati in uscita. Se invece i prodotti finali delle reazioni inibiscono i reagenti o gli enzimi che si trovano all inizio della via si ha una "retroazione negativa", che tende ad attenuare i risultati in uscita favorendo alla lunga una maggior stabilità del sistema stesso. Descrivi e spiega nel foglio risposte le differenze osservate nel numero di bolle rilasciate dal tubo in due minuti con i campioni F1 e F2 [domanda 1.2.3]. Riconosci un controllo di tipo retroattivo nel sistema biologico che hai appena studiato? Se si, di che retroazione si tratta? [1.2.4]. Suggerisci un metodo alternativo di lavoro, usando le stesse soluzioni F1 e F2, per misurare con più precisione la differenza di gas che si sviluppa senza e con aggiunta di etanolo [Tab. 1.2.5]. Ragionando sui risultati ottenuti nelle attività precedenti, puoi ora ricostruire i processi chimici richiesti dalla fermentazione alcolica. Ci sono due fasi: nella prima il lievito scinde, tramite l'enzima invertasi, zuccheri complessi come il saccarosio negli zuccheri più semplici che lo formano (glucosio e fruttosio); nella seconda gli zuccheri semplici sono demoliti (glicolisi) per formare l etanolo. Saccarosio, glucosio, fruttosio ed etanolo (alcol etilico) sono tutti composti organici, che contengono un numero tipico di atomi di carbonio. Se la conosci, scrivi la formula chimica generale che descrive la formazione di etanolo a partire dal glucosio, bilanciando reagenti e prodotti [Foglio risposte, 1.2.6]. Il lievito si usa anche per produrre il pane. In questo caso, prima sono demoliti zuccheri ancora più complessi del saccarosio (amido), ma alla fine i prodotti della fermentazione sono gli stessi della Gara di Istituto del 28 novembre 2014 pagina 5 di 15
reazione chimica richiesta al punto precedente. Rispondi alle domande di Tabella 1.2.7 nel foglio risposte. CURVA DI CRESCITA La seguente tabella 1.2 riporta il numero di cellule di S. cerevisiae che riescono a sopravvivere durante la crescita in un terreno contenente etanolo al 15%. Il ceppo A è un normale lievito isolato in natura; il ceppo B è stato creato in laboratorio, attraverso un processo di selezione genetica. Nota: puoi elaborare questi dati come fossero numeri razionali, anche se si riferiscono a valori logaritmici (7 corrisponde a 10 7 = 10 milioni di cellule). Con i numeri della tabella 1.2 traccia su carta millimetrata un grafico, che mostra come varia il numero di cellule (ordinata) in funzione del tempo (ascissa) nei ceppi di lievito A e B [1.2.8]. Interpolando i dati del grafico, stima dopo quante ore il numero di cellule vive è calato a metà delle cellule iniziali in ciascuno dei due ceppi [1.2.9]. Ragionando sui dati del grafico, indica quale ceppo di S. cerevisiae secondo te sarebbe più adatto per produrre bioetanolo in scala industriale, motivando la tua scelta nel foglio risposte [1.2.10]. 1.3 CONFRONTO TRA CELLULE Come dimostrato per la prima volta dal grande chimico e microbiologo francese Louis Pasteur, i lieviti alcolici presenti nei recipienti, forniscono gli enzimi necessari per le reazioni chimiche della glicolisi. Il tuo compito consiste ora nell osservare e descrivere le cellule di lievito al microscopio. Per identificare bene le cellule in divisione (vedi figura iniziale), è necessario diluire la coltura con il lievito in fermentazione che hai utilizzato per le attività precedenti. Nota: all'inizio il numero di cellule gemmanti è molto basso. Più tempo trascorre da quando hai preparato la soluzione di zucchero e lieviti più facile sarà trovare cellule in divisione. MATERIALI Microscopio, vetrini porta-oggetto e copri-oggetto Acqua distillata, provetta Eppendorf da 1.5 ml, pipette Pasteur Blu di metilene (o altro colorante vitale) ESPERIMENTO 1. Con una pipetta Pasteur aspira un po di soluzione con il lievito e deponi una goccia nella provetta Eppendorf. Diluisci la coltura aggiungendo alla stessa provetta 15 20 gocce di acqua distillata. Mescola bene il contenuto con la pipetta Pasteur. 2. Deponi sul vetrino una goccia della coltura diluita che hai appena preparato, aggiungi una goccia di colorante e poi stendi un vetrino coprioggetto. Gara di Istituto del 28 novembre 2014 pagina 6 di 15
3. Esamina al microscopio le cellule di lievito, cercando d individuare quelle in fase di divisione attiva: le puoi riconoscere per la presenza di una piccola gemma. Se le cellule sono troppo vicine ripeti il punto 1 finché ottieni una concentrazione ottimale. 4. Inquadra la regione con una cellula gemmante ben isolata e metti a fuoco con calma il preparato. Usa dapprima una lente con ingrandimento 10X e passa poi all obiettivo 40X. Quando pensi di essere pronto chiama il docente che assiste alla prova perché certifichi che hai completato da solo l attività (firmerà il foglio risposte 1.3.1). Nota: Se chiedi aiuto al docente assistente per la messa a fuoco sarai penalizzato nell attribuzione del punteggio finale. 5. Esegui uno schizzo il più possibile accurato delle cellule di lievito in divisione (madre e figlia), dopo averle osservate attentamente al microscopio [Foglio risposte 1.3.2]. Diversamente dagli animali e dai funghi, le piante sono organismi autotrofi, sono in grado cioè di produrre gli zuccheri di cui hanno bisogno (glucosio), sfruttando l energia della luce solare. Come sai la fotosintesi richiede clorofilla, una sostanza presente nelle parti verdi delle piante. Animali, funghi e piante sono tutti organismi eucarioti, con un nucleo interno ben definito e isolato dal resto della cellula. Inoltre, le cellule eucariotiche al loro interno contengono numerosi organuli, che si sono specializzati per svolgere funzioni specifiche. Osserva la seguente figura 1.3, per confrontare le caratteristiche di una cellula di lievito e di una cellula vegetale, e poi compila la tabella 1.3.3 nel foglio risposte. Figura 1.3 Cellula di lievito Cellula vegetale FINE DEL TEMA 1! Gara di Istituto del 28 novembre 2014 pagina 7 di 15
TEMA N 2: QUANTIFICAZIONE DELL ACIDO CITRICO NEL SUCCO DI LIMONE LE TITOLAZIONI In Chimica Analitica, le titolazioni sono i metodi più classici per determinare la concentrazione di diverse sostanze in soluzione mediante la reazione con specifiche soluzioni di concentrazione (detta anche titolo) nota. Nella configurazione più semplice, la soluzione a titolo noto (il titolante) è posta in una buretta, un cilindro graduato stretto e lungo con un rubinetto in fondo. Il titolante viene quindi fatto gocciolare poco alla volta nella soluzione di concentrazione incognita posta in un recipiente al di sotto finché non viene consumato tutto il reagente da determinare. Il punto finale di questa reazione può essere evidenziato dalla variazione di colore di una particolare sostanza aggiunta alla soluzione (un indicatore), oppure dalla variazione repentina di alcune proprietà fisiche (ad esempio il ph) misurabili con specifici strumenti, ma in alcuni casi è sufficiente anche sfruttare le variazioni di colore dei reagenti stessi. La concentrazione da determinare sarà quindi proporzionale al volume di titolante necessario a raggiungere il punto finale e alla sua concentrazione. ACIDI E BASI Secondo le definizioni più semplici, un acido è una sostanza in grado di cedere ioni idrogeno (H+), mentre una base è una sostanza in grado di liberare ioni idrossido (OH-) o, in alternativa, di catturare ioni idrogeno. Lo ione idrossido è in grado, a sua volta, di catturare lo ione idrogeno formando acqua, per cui le due definizioni sono equivalenti: OH - + H + H 2 O. Quando un acido reagisce con una quantità di base tale da bilanciare perfettamente il numero di ioni idrogeno da esso liberati, si ha una reazione di neutralizzazione e il prodotto è solitamente un sale più acqua. L esempio classico è la reazione di neutralizzazione dell acido cloridrico con l idrossido di sodio (soda caustica) a dare cloruro di sodio e acqua: HCl + NaOH H + + Cl - + Na + + OH - NaCl + H 2 O. Se ciascuna molecola di un acido è in grado di liberare un solo ione idrogeno (protone), esso si dice monoprotico. HCl ne è un esempio, come anche l acido acetico (vedi formula e reazione qui sotto). Se invece ciascuna molecola può liberare più ioni idrogeno, esso si dice poliprotico o, nello specifico, diprotico se ne può liberare due, triprotico se ne libera tre, e così via. L acido solforico H 2 SO 4 è un classico esempio di acido diprotico. Il numero di atomi di idrogeno liberabili determina la proticità dell acido. Acidi e basi organiche Le molecole organiche (ovvero contenenti legami carbonio-carbonio) possono essere acide, basiche, neutre, o possedere caratteristiche sia acide che basiche in base ai gruppi di atomi che le compongono. Limitandoci per semplicità alle molecole contenenti solo atomi di C, H, N e O, un atomo di idrogeno può facilmente dissociarsi dalla molecola sotto forma di H +, e quindi risultare acido in soluzione acquosa, se sono verificate tutte le seguenti ipotesi: 1) H è legato direttamente ad un atomo di ossigeno 2) questo ossigeno è legato ad un atomo di carbonio 3) tale atomo di carbonio lega un secondo atomo di ossigeno mediante doppio legame Gara di Istituto del 28 novembre 2014 pagina 8 di 15
Il gruppo di quattro atomi che possiede tali caratteristiche è detto gruppo carbossilico (-COOH). Per questo l etanolo (formula al centro) è neutro, mentre l acido acetico (a sinistra) è acido. L etano (a destra) è ugualmente neutro in quanto gli idrogeni legati ad atomi di carbonio non si dissociano. Le più comuni basi di natura organica sono invece caratterizzate dalla presenza di atomi di azoto legati mediante legame singolo con atomi di carbonio (almeno uno) o di idrogeno. Ciascun atomo di azoto di questo tipo è in grado di accogliere uno ione idrogeno e dunque è basico. Le molecole di questo tipo sono dette ammine, e qui sotto vi sono alcuni esempi molto semplici (da sinistra a destra: etilammina, dietilammina, trietilammina, piperidina). Naturalmente, una molecola organica può possedere sia gruppi acidi che basici. Un esempio è dato dagli amminoacidi (alcuni esempi qui sotto). Da sinistra: glicina (globalmente neutro), lisina (globalmente basico) e acido glutammico (globalmente acido). L ESPERIMENTO L esperimento di oggi ruota intorno all acido citrico, una molecola organica dal comportamento globalmente acido, presente in gran quantità nel succo degli agrumi, ma che viene prodotta naturalmente anche nelle nostre cellule durante il metabolismo degli zuccheri. Mediante una prima titolazione con una soluzione di soda caustica determinerai innanzitutto la proticità dell acido citrico. Grazie a tale informazione, sarai quindi in grado di scegliere la formula di struttura molecolare corretta tra tutte quelle proposte. Infine, mediante ulteriori titolazioni, determinerai la quantità di acido citrico presente nel succo di limone. La reazione di neutralizzazione è la seguente: Acido citrico + nnaoh Citrato di sodio + nh 2 O Laddove ti dovessero servire, utilizza le seguenti informazioni: Peso molecolare dell acido citrico: 192 g/mol Pesi atomici: A r (H) = 1 A r (C) = 12 A r (N) = 14 A r (O) = 16 A r (Na) = 23 Gara di Istituto del 28 novembre 2014 pagina 9 di 15
ATTENZIONE! La soda caustica solida e le sue soluzioni sono estremamente corrosive e non devono assolutamente entrare in contatto con la pelle e, soprattutto, gli occhi. Utilizza sempre gli occhiali, il camice e i guanti per proteggerti. In caso di schizzi negli occhi lavali immediatamente con abbondante acqua. Qualora dovessi far cadere poca soda caustica solida o spanderne la soluzione, raccogli i solidi con una spatolina e gettali nell apposito contenitore, asciuga tutto con della carta e infine lava la superficie con della carta bagnata; lavati i guanti sotto l acqua corrente. In caso di dubbi, prima di procedere chiedi sempre assistenza al tuo insegnante. MATERIALI 2 matracci tarati da 100 ml 1 matraccio tarato da 500 ml o da 1 L 1 buretta da 50 ml con supporto 1 imbutino 1 beuta da 250 ml 1 becher da 250 ml 1 bacchetta di vetro per mescolare 1 pipetta volumetrica da 10 ml 1 spatolina 1 provetta contenente acido citrico 1 recipiente contenente succo di limone commerciale Soluzione di indicatore (Timolftaleina o Fenolftaleina) Spruzzetta contenente acqua deionizzata (in comune) soda caustica in perle (e cucchiaio di plastica) (in comune) bilancia di precisione (in comune) rotolo di alluminio Pennarello indelebile Becher per i rifiuti 2.1 PREPARAZIONE DELLA SOLUZIONE DI NaOH Dovrai preparare una soluzione di soda caustica di concentrazione ca. 0.2 M (0.2 mol/l). 2.1.1 A seconda del volume del matraccio tarato più grande (500 ml o 1 L) calcola la massa di NaOH che dovrai inserire nel matraccio per ottenere, una volta riempito con acqua fino al segno, una soluzione 0.2 M. Riporta il calcolo sul foglio risposte. 2.1.2 Pesa una massa di NaOH vicina a quella da te calcolata ma non necessariamente identica (non serve cercare di rompere le perle di soda caustica pur di ottenere il peso esatto!), segna il peso sul foglio risposte e ponila nel becher. N.B.: Pesa rapidamente la soda, altrimenti comincia ad assorbire umidità dall aria alterando il peso. Per la stessa ragione, chiudi il barattolo subito dopo la pesata. FAI MOLTA ATTENZIONE QUANDO MANEGGI LA SODA CAUSTICA E LE SUE SOLUZIONI! 2.1.3 Sciogli la soda nel becher, in 100-150 ml d acqua, mescolando con cautela aiutandoti con la bacchetta di vetro. Versa il tutto nel matraccio. Lava l interno del becher con piccole porzioni di acqua, versandole sempre nel matraccio. Dopo ogni aggiunta, tappa il matraccio e agitalo leggermente per uniformare la soluzione. Quando sei pronto, riempilo con acqua fino al segno. Tappalo e agitalo bene capovolgendolo (tieni sempre un dito sul tappo!) alcune volte. ATTENZIONE! la dissoluzione di NaOH provoca un sensibile riscaldamento della soluzione. Una soluzione calda di NaOH è ancora più corrosiva, quindi in questa fase procedi con la massima cautela! Gara di Istituto del 28 novembre 2014 pagina 10 di 15
2.1.4 A partire dal peso reale di NaOH, determina la concentrazione che ti aspetti di trovare nel pallone assumendola pura al 100%. Riporta i calcoli sul foglio risposte. 2.2 TITOLAZIONI PER LA DETERMINAZIONE DELLA PROTICITÀ DELL ACIDO CITRICO ATTENZIONE! La buretta è uno strumento fragile. Se usata con scarsa attenzione può rompersi in schegge taglienti. Non sforzare il rubinetto: se dovesse essere troppo duro da ruotare, avverti il tuo insegnante. Per qualsiasi dubbio su come maneggiarla, chiedi aiuto al tuo insegnante. 2.2.1 Pesa circa 2.7 g di acido citrico su un pezzo di foglio di alluminio. Segnati il peso esatto sul foglio risposte e calcola la concentrazione finale che otterrai in 100 ml. Trasferisci tutto l acido citrico in un matraccio tarato da 100 ml, scioglilo in acqua e porta a volume riempiendolo fino al segno. Ricordati di mescolarlo! 2.2.2 Utilizzando la pipetta volumetrica, trasferisci 20.0 ml della soluzione di acido citrico nella beuta, aggiungi 2-3 gocce di soluzione di indicatore e diluisci con circa 100 ml di acqua. 2.2.3 Assicurati che il rubinetto della buretta sia chiuso. Aiutandoti con l imbutino, riempi la buretta con la soluzione di soda caustica. Ponendo sotto al beccuccio il becher dei rifiuti, apri di colpo il rubinetto e mantienilo aperto per circa un secondo in modo da far fluire rapidamente la soluzione. Ciò dovrebbe aiutare a rimuovere le bolle rimaste nel beccuccio al di sotto del rubinetto. Se dovessero rimanere ancora bolle, ripeti questa operazione ancora qualche volta, ma non svuotare completamente la buretta! Riempi nuovamente la buretta e fa scendere il menisco del liquido fino all inizio (in alto) della scala graduata. Ora sei pronto per iniziare la prima titolazione! 2.2.4 Procedi con la titolazione facendo gocciolare lentamente nella beuta la soluzione di soda caustica. Ogni tanto agita la soluzione muovendo la beuta. Quando vicino al punto in cui cade la goccia comincia ad apparire il colore dell indicatore (rosa o blu) vuol dire che stai per raggiungere il punto finale. A questo punto agita la soluzione dopo ogni aggiunta. Nel momento in cui il colore dell indicatore persiste indefinitamente vuol dire che hai raggiunto il punto finale. La soda caustica ha neutralizzato tutti gli idrogeni acidi dell acido citrico. 2.2.5 A partire dal risultato della prima titolazione, dovresti essere già in grado di determinare la proticità dell acido citrico e scegliere la struttura molecolare corretta. Svolgi i calcoli e rispondi sul foglio risposte. 2.2.6 Ripeti altre 2 volte la titolazione, o ancora altre se i risultati dovessero essere molto diversi tra loro. Se lo ritieni opportuno, alla luce dei nuovi risultati correggi la risposta al punto 2.2.5. 2.2.7 Tenendo presente che la proticità è un numero intero, a partire dalla media dei risultati, assumendo l acido citrico puro al 100%, dovresti essere in grado di migliorare la precisione del valore della concentrazione della soluzione di soda caustica da te inizialmente preparata (data l igroscopicità, è normale che vi sia un errore nella pesata della soda). Riporta i calcoli e il risultato sul foglio risposte. 2.3 DETERMINAZIONE DELLA CONCENTRAZIONE DELL ACIDO CITRICO NEL SUCCO DI LIMONE 2.3.1 Utilizzando la pipetta, trasferisci nella beuta (lavata) 10.0 ml di succo di limone. Aggiungi 2-3 gocce di soluzione di indicatore e diluisci con circa 100 ml di acqua. 2.3.2 Titola con la solita soluzione di NaOH. Segna sul foglio risposte il volume necessario a neutralizzare il succo di limone. 2.3.3 Ripeti la titolazione per un totale di almeno tre volte. Gara di Istituto del 28 novembre 2014 pagina 11 di 15
2.3.4 Determina la concentrazione di acido citrico nel succo di limone, riportando sul foglio risposte i calcoli e il risultato. Assumi che tutto l acido presente nel succo sia acido citrico. 2.3.5 (sempre più difficile!) Ora ripeti il calcolo tenendo presente che la vitamina C (acido ascorbico, C 6 H 8 O 6, un acido monoprotico) è mediamente presente nel succo con una concentrazione di 600 mg/100 ml ed ha anch esso contribuito a consumare NaOH durante la titolazione. Segui le richieste sul foglio risposte, e riporta calcoli e risultati. FINE DEL TEMA 2! Gara di Istituto del 28 novembre 2014 pagina 12 di 15
TEMA N 3: SCURO COME L'INCHIOSTRO In questa attività misurerai come cambia la tensione elettrica misurata ai capi di una cella fotovoltaica quando la luce che la colpisce viene fatta passare attraverso uno strato d'acqua che contiene dell'inchiostro nero. Esplorerai quello che succede quando varia l'altezza dello strato di liquido attraversato dalla luce. INFORMAZIONI SUL TEMA, IN POCHE RIGHE. Per condurre l'esperimento non è necessario conoscere già quanto esposto nel seguente paragrafo. Attenuazione della luce Forse ti è capitato di nuotare sott'acqua e guardare in su verso la superficie: la luce sembra più fioca tanto di più quanto più alta è l'acqua sopra di te. Anche se guardi una lampadina attraverso un bicchiere di limonata la luce sembra più fioca. Si dice in questi casi che la luce è attenuata. Si chiama attenuazione la graduale riduzione dell'intensità subita da un fascio di luce quando attraversa un mezzo. Quando la radiazione luminosa raggiunge la superficie dell'acqua e si propaga al suo interno l'intensità della luce decresce. La decrescita in genere è esponenziale, diminuisce sempre di più con l'aumentare della distanza percorsa dalla luce. Questo fatto costituisce la legge di Beer-Lambert e si può esprimere con la seguente equazione: ln I = ln I 0 k λ l dove I è l'intensità della luce che ha attraversato uno strato di liquido, entrando nel liquido, l è il tratto percorso del fascio di luce dentro al liquido e dalla capacità più o meno grande che quel liquido ha di attenuare la luce; d'onda della luce. è l'intensità che la luce aveva è una costante che dipende dipende anche dalla lunghezza MATERIALI E OPERAZIONI PRELIMINARI Sul banco trovi l'apparecchiatura descritta nella figura a lato. La cella solare e il tubo cilindrico sono fissati al tavolo, il becher è protetto da una copertura di cartoncino nero: non dovrai spostare nessuno dei componenti. I due cavetti terminali della cella solare fuoriescono dal tubo e sono collegati ad uno strumento con cui misurerai la tensione elettrica; lo strumento è già predisposto per la misura, tu dovrai solamente accenderlo e spegnerlo. Assicurati che la lampada che hai in dotazione sia spenta, accendi lo strumento e leggi la tensione ai capi della cella quando è illuminata solo dalla luce di fondo V fondo. Riporta questo valore sul foglio risposte. Controlla che la lampada possa essere accesa e spenta azionando un interruttore sul cavo di alimentazione, senza toccare la lampada rischiando di spostarla. Disponi la lampada in modo che la lampadina sia coassiale con il becher, accendila, aspetta 20 secondi perché la cella si stabilizzi e poi leggi la tensione ai suoi capi. Regola la distanza della lampadina dalla cella Gara di Istituto del 28 novembre 2014 pagina 13 di 15
in modo da leggere con buona approssimazione 0.5 Volt. Quando pensi di avere ottenuto un valore accettabile riporta sul foglio risposte il valore letto,. Se il voltmetro non si stabilizza del tutto riporta il valore medio delle tue letture. Spegni la lampada e il voltmetro dopo effettuata la misura. Fai molta attenzione a non spostare anche di poco il portalampada. Da ora in poi, durante tutto l'esperimento, non dovrai muovere la lampadina dalla sua posizione. PROCEDIMENTO Sul banco di lavoro trovi un recipiente che contiene circa 500 cm 3 di una soluzione in acqua di inchiostro nero e due siringhe graduate con portata e precisione differenti. Misura con una siringa una quantità di circa 100 cm 3 di soluzione. Prendi nota del volume di liquido nella siringa e trasferiscilo, con attenzione, nel becher. Non devi spostare in alcun modo il becher o la lampada. Riporta nella tabella che trovi sul foglio risposte il valore Q del volume di liquido che ora si trova nel becher. Accendi la lampada e il voltmetro, aspetta 20 secondi e riporta il valore di V nella tabella del foglio risposte (eventualmente la media dei valori letti dopo 20 secondi). Mescola bene la soluzione prima di ogni prelievo. Misura ora con una siringa una quantità di 25 cm 3 di soluzione e versala con attenzione nel becher. Riporta nella tabella che trovi sul foglio risposte il valore Q del volume di liquido che si trova ora nel becher. Riporta il corrispondente valore di V nella tabella del foglio risposte (eventualmente la media dei valori letti). Ripeti le operazioni descritte nel paragrafo precedente fino a che nel becher si trovino circa 250 cm 3 di soluzione. Continua a versare soluzione nel becher, ma ora con incrementi di circa 50 cm 3. Per ogni incremento riporta il valore Q del volume di liquido presente nel becher e il corrisposndente valore della tensione elettrica V nella tabella del foglio risposte. Prosegui finché tutta la soluzione è trasferita nel becher. ELABORAZIONE DEI VALORI MISURATI Quando la cella risponde linearmente alle variazioni di luminosità la tensione misurata ai capi della cella decresce allo stesso modo di come decresce l'intensità della luce che arriva al fondo del becher. In questo caso vale la seguente relazione ln V = B AQ (1) dove B ed A sono parametri che dipendono dalle proprietà del sistema in esame. La cella fotovoltaica ha una risposta lineare solamente in un certo intervallo di intensità luminosa, e quindi solo in un certo intervallo di valori del volume di liquido scuro versato nel becher. Ti si chiede di controllare in quale intervallo di valori di Q sia valida la legge contrassegnata con (1). Calcolerai anzitutto i valori del ln (V) per ciascuno dei valori della tensione V che hai misurato. Usa la calcolatrice per trovare ln (V) e riporta i valori nell'apposita colonna della tabella del foglio risposte; puoi scrivere questi valori con tre cifre significative. Riporta in un diagramma cartesiano su un foglio di carta millimetrata il grafico di ln(v) in funzione di Q. Gara di Istituto del 28 novembre 2014 pagina 14 di 15
A partire da Q = 100 cm 3, fino a quale valore di Q diresti che i punti del grafico possono essere approssimati con una retta? Rispondi sul foglio risposte. Disegna la retta che ti pare approssimi meglio i punti nell'intervallo selezionato. Scrivi l'equazione della retta nella forma (1) dopo aver determinato dal grafico il valore delle costanti A e B. Mostra chiaramente sul foglio dove hai disegnato il grafico come hai operato per determinare il valore delle costanti. Potresti dare un significato fisico alla costante B? Come puoi controllare la tua ipotesi? NOTE SULLE PROCEDURE SPERIMENTALI E ALTRE APPLICAZIONI Rispondi alle domande dalla 3.7 alla 3.11.2 che trovi sul foglio risposte. FINE DEL TEMA 3! Gara di Istituto del 28 novembre 2014 pagina 15 di 15