Classroom Experiments

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Classroom Experiments
Esperimenti
pratici con una
bilancia
Fisica
Chimica
Biologia
Una bilancia per
comprendere la natura
Indice
Prefazione
3
Cenni storici
8
Fisica
Densità dei corpi solidi in base alla misura del peso e del volume 6
Densità dei solidi (metodo di galleggiamento)
7
Dipendenza della densità dell'acqua dalla temperatura
9
Densità dell'aria
11
Densità dei gas
12
Il galleggiamento nei gas
13
Densità dei liquidi
15
Forza e forza opposta
16
Forza di deflessione
17
Forza di resistenza in una corrente d'aria
20
Forze su un profilo aerodinamico
22
Dipendenza della forza del campo magnetico
di una bobina dall'intensità di corrente
25
Il ferro dolce in un campo magnetico
26
Chimica
Quanto bicarbonato di sodio contiene
una pastiglia effervescente?
Determinazione di grasso nella soia e nelle noci
Determinazione di calcare fine in campioni del suolo e rocciosi
Determinazione dell'acqua di cristallizzazione nei sali
Termolisi dei sali
Sintesi di solfuro di rame
Determinazione della massa molare di gas liquefatto
Velocità di evaporazione
Catalisi omogenea: la dissociazione di H2O2
28
29
30
31
33
35
37
39
41
Biologia
La traspirazione nelle piante
Assorbimento di vapore acqueo nei licheni
Assorbimento e perdita d'acqua nei muschi
Contenuto d'acqua e di cenere di organi vegetali diversi
Fermentazione alcolica
45
47
48
49
51
1
Prefazione
Gli esperimenti pratici effettuati in laboratorio costituiscono ancora il modo migliore per comprendere le leggi della natura. Un esperimento è spesso più facile da comprendere di formule
astratte oltre a rimanere impresso nella memoria degli allievi.
Con l’ausilio di una bilancia elettronica è possibile dimostrare facilmente fenomeni fisici,
chimici e biologici in una maniera comprensibile ed intuitiva.
Il nostro scopo principale è quello di creare esperimenti facili e comprensibili con un minimo
di materiale e con risorse disponibili in laboratorio. Durante l’esecuzione di un esperimento,
la facilità di utilizzo della bilancia richiede minima attenzione consentendovi la massima
concentrazione sullo svolgimento dell’esperimento.
Tuttavia vi invitiamo a rispettare le avvertenze di sicurezza generali.
Vi auguriamo un buon divertimento nell’esecuzione delle prove.
Mettler-Toledo GmbH
CH-8606 Greifensee
Norme di sicurezza generali
Questa brochure descrive alcuni esempi di esperimenti pratici per uso didattico. I materiali
e le sostanze utilizzate, la loro quantità, la preparazione degli esperimenti sono puramente
a titolo di esempio. La responsabilità degli esperimenti è unicamente della persona che li
effettua. METTLER TOLEDO declina qualsiasi responsabilità al riguardo.
Gli esperimenti devono essere eseguiti unicamente da persone qualificate o sotto la supervisione di persone qualificate ed autorizzate.
E’ necessario seguire rigorosamente le istruzioni per l’uso di tutti gli strumenti utilizzati
(bilance di precisione, bruciatore Bunsen, generatore eolico…).
Alcune sostanze citate negli esperimenti sono pericolose, tossiche o esplosive.
L’utilizzo di tali sostanze può essere vietato o limitato dalla legge o dal regolamento scolastico interno oppure sottostare a rigide norme di sicurezza. L’utilizzatore è l’unico responsabile
della manipolazione di tali sostanze ed è tenuto a rispettare strettamente le disposizioni in
materia. È obbligatorio rispettare tutte le avvertenze e le disposizioni relative alla sicurezza.
3
Cenni storici
Metrologia,
l’arte della misurazione
Un corretto equipaggiamento di misurazione non è solamente la base della ricerca scientifica,
ma generalmente riveste anche un ruolo importante nella nostra vita. È importante per tutti noi
nella vita di tutti i giorni.
Le persone che misurano lunghezza, tempo e massa accuratamente possono fidarsi.
Le persone che sono autorizzate a determinare massa e peso hanno potere.
Considerando che il tempo e la misura lineare possono essere derivate biologicamente o
fisicamente, l'istituzione delle unità di peso era casuale. Così gli stati, le regioni e le città
avevano le loro unità di peso facilmente per i tempi moderni.
Era così fino alla Convenzione del Metro nel 1875, ora siglata da oltre 50 paesi, che rendono
possibile una massa standardizzata e un sistema di peso.
La nostra ben nota unità primaria di 1 kg corrisponde
alla massa del chilogrammo campione internazionale.
Il «chilogrammo prototipo» è conservato presso il BWM
a Sèvres vicino a Parigi in condizioni climatiche particolarmente rigide. È un cilindro alto 39 mm e avente
diametro di 39 mm ed è realizzato in una lega al 90%
di platino e al 10% di iridio in modo da garantire la
costanza della massa. Gli standard nazionali sono
comparati a intervalli regolari con tale chilogrammo
campione ma non troppo frequentemente per evitare
che venga utilizzato inutilmente.
La storia della bilancia si perde nella notte dei tempi. Resti di vecchie bilance conosciute
furono ritrovati in una tomba preistorica in Egitto: sono stati datati intorno al 5000 a.C.. Pietre
come singoli pesi sono note da molto tempo. Può essere affermato che l'uomo ha cominciato
a pesare circa 7000 anni fa.
Storia culturale
La forma più conosciuta di una bilancia è quella a doppio piatto. Una massa campione è
comparata in proporzione 1:1 con le masse standard. Ma una bilancia monopiatto con un
solo braccio o le bilance con bracci non simmetrici con un rapporto di trasmissione si possono facilmente trovare nei disegni storici. Altri importanti tipi di bilance sono, per esempio,
le pesaponte per veicoli, le bilance postali o le bilance dinamometriche in cui la forza peso
dipendente dall'accelerazione di gravità è mostrata su una scala graduata.
La bilancia è familiare alle persone non solo perché è uno degli
strumenti più comuni, ma anche perché fino dai tempi più remoti è considerata l'emblema di uguaglianza e di giusta valutazione. La bilancia occupa così una posizione equivalente sia
come spada di giudizio della giustizia divina, sia come giudizio
ponderato. (es. 1 lira italiana)
4
Un altro interessante utilizzo simbolico della bilancia coinvolge la pesatura
delle anime per gli antichi Egizi e Greci. Gli antichi cofani e papiri egizi che
accompagnavano i morti contengono molte rappresentazioni sulla pesata
delle anime, che erano utilizzate come metodo di giudizio nel tribunale dei
morti. In base al risultato, l'anima, rappresentata sulla bilancia come un
piccolo vaso, con la persona da giudicare in attesa, passa da un dio di
dannazione per la distruzione o da un dio di luce per la salvezza. L'anima
è pesata con verità rappresentata sotto forma di una piuma (geroglifico in
verità) sull'altro piatto di pesata.
Una rappresentazione simile proveniente dalla venerazione Cristiana dei Santi è quella di San Michele come
giusto fautore nel Giudizio Finale.
Un certo peso nella vita di oggi
Che certa luce o anche immateriale possa avere un grande peso è mostrato soprattutto
quando qualcuno riesce a stabilire una grossa decisione con una sola parola. Comunque,
una parola sbagliata può anche avere brutte conseguenze, ma ciò che non perdiamo completamente è il nostro senso di equilibrio che è accertato da un buon amico a cui le bilance sono
rivolte a nostro favore. Egli poi ci potrà fornire il seguente avviso: «Pesa prima le cose pesanti». Tuttavia mentre le persone che pesano ogni parola possono essere generalmente intelligenti, devono essere viste come pedantici contemporanei con cui sia scomodo stare.
5
Fisica
Densità dei corpi solidi in base alla
misura del peso e del volume
Obiettivo
Questo esperimento illustra i concetti di massa e densità; serve inoltre come introduzione alle
tecniche di pesatura.
Compito
Calcolo del volume di corpi solidi di forma regolare partendo dalle dimensioni. La massa è
determinata tramite la pesatura; la densità è calcolata in base al volume e alla massa.
Materiale
Bilancia di precisione Mettler Toledo (risoluzione 0.01 g)
Corpi cilindrici o conici, sferici, rettangolari
Calibri per lunghezze, calibri scorrevoli, micrometri
Procedura
Lo studente, al quale è stato dato un campione, determina le dimensioni e calcola il volume.
Pesa quindi il campione (sotto la supervisione del docente) e valuta infine i risultati che ha
ottenuto.
Valutazione
La densità è il rapporto tra massa e volume
m
ρ = V unità: g/cm3, kg/m3
Negli esperimenti scolastici, i singoli campioni possono essere valutati in successione da tutti
gli studenti (o da gruppi di 2).
Conclusioni
Note
6
La relativa incertezza del risultato deve essere stimata tramite un calcolo dell'errore:
– Incertezze di taratura non rilevanti
– Precisione della forma geometrica?
– Incertezza relativa delle misurazioni della lunghezza?
– Incertezza relativa della pesatura?
– Determinando la densità dello styropor, deve essere applicata una correzione per il galleggiamento. Altrimenti si incorre in un errore relativo del 6%.
– Con fili sottili o fogli di densità nota, lo spessore deve essere determinato tramite pesatura
(filo di rame, foglio di alluminio).
– Conoscendo la densità di corpi cilindrici o sferici, è possibile calcolare π.
Densità dei solidi
(metodo di galleggiamento)
Obiettivo
Questo esperimento viene impiegato per illustrare i concetti di massa, galleggiamento e densità.
Compito
Corpi solidi di forma irregolare: determinazione del volume in base al galleggiamento della
massa tramite pesatura. Queste due quantità vengono utilizzate per calcolare la densità
media del corpo.
Materiale
Disposizione dell'esperimento
Bilancia di precisione Mettler Toledo (risoluzione 0,01 g)
Becher contenente acqua
Supporto con asta e staffa
Filo Perlon
Cestello di rete metallico sottile a maglia larga
Pinzette
Corpo di forma qualsiasi (es. vite, chiave, moneta)
Il cestello vuoto viene appeso
a un filo Perlon e viene immerso
nell'acqua senza che tocchi
la parete del bicchiere.
Gancio
Cestello
Supporto
Procedura
Valutazione
La bilancia viene tarata. Viene determinata la massa m del corpo posto sul piatto della bilancia accanto al becher. Il corpo viene ora posto nel cestello usando le pinzette. Non vi deve essere alcuna perdita d'acqua sulle pinzette o altrove. Le bolle d'aria attorno al cestello e all'oggetto vanno rimosse. Sull'oggetto viene esercitata la forza di sollevamento (galleggiamento)
FA verso l'alto che esercita a sua volta una forza opposta F di uguale grandezza, sull'acqua
~. La formula F = m
~ · g è valida.
verso il basso. La bilancia visualizza m
A
~g
Secondo il Principio di Archimede, FA = Vcorpo · ρliq · g = m
~
m
Vcorpo =
ρliq
e in base alla densità media
ρcorpo =
m
Vcorpo
=
~
m
m
= ρliq · ~
m
ρliq
Esempio: dado della ruota d'automobile
Temperatura dell'acqua 20 °C
Massa del dado m = 52.74 g
~ = 06.74 g
Galleggiamento m
ρ = 1.00 g/cm3 ·
52.74 g
= 7.83 g / cm3
6.74 g
7
Fisica
Conclusioni
A 20 °C, la densità dell'acqua è dello 0,2% inferiore a 1 g/cm3. Anche senza considerare la
dipendenza della temperatura dalla densità, possono essere determinati il volume e la densità
media anche di monete piccole con un margine d'errore inferiore all'1%.
Impiegando monete d'oro o d'argento, il valore standard può essere calcolato se si conosce
la densità (media) del materiale della lega. Vale la formula seguente:
moneta
oro, argento
residuo
massa
volume
densità media
m
mx
mR
V
Vx
ρ
ρx
ρR
m = mx + mR
V · ρ = V x · ρ x + (V – Vx ) · ρ R
Vx ρ – ρ R
=
V
ρx – ρR
8
or m x / m = …
Dipendenza della densità dell'acqua
dalla temperatura
Obiettivo
La densità dell'acqua varia al variare della temperatura, raggiungendo la densità massima a
4 °C (anomalia dell'acqua).
Compito
La densità dell'acqua nel campo di temperatura da 0 a 50 °C viene determinata per mezzo di
un picnometro e di una bilancia. I risultati dell'esperimento vanno riportati su un grafico.
Materiale
Picnometro da 50 o 100 ml, se possibile di quarzo e con un termometro con attacco conico
Becher da 1000 ml
Se possibile, termometro 0 – 50 °C, graduato a 1/10 a 1/5 di grado
Piastra di riscaldamento
Foglio di styropor per isolamento termico
Asciugamano
Cubetti di ghiaccio
Procedura
Il foglio di styropor viene posto sul piatto della bilancia per consentire l'isolamento termico.
La bilancia viene tarata con il picnometro vuoto.
Questo viene riempito immergendolo nel becher contenente acqua ghiacciata, inserendo il
tappo (o il termometro con attacco conico) sott'acqua. Viene misurata ϑ, la temperatura
dell'acqua.
Il picnometro viene quindi estratto dall'acqua, asciugato e posto sulla bilancia, annotando la
massa m dell'acqua. Il ghiaccio residuo viene rimosso dall'acqua, che viene quindi riscaldata
lentamente. Nel campo da 0 a 10 °C, la misurazione di ϑ e m dviene inizialmente eseguita
ogni 2 gradi circa; successivamente, ad intervalli di circa 10 gradi. Al termine di ogni misurazione, il contenuto del picnometro viene svuotato nel bicchiere e l'acqua viene ben agitata.
Valutazione
Con un picnometro di vetro Jena (coefficiente di espansione lineare α = 3.2 · 10 –6/K), tarato
a 50 cm3 a 20 °C, si devono ottenere i valori sperimentali seguenti:
Temperatura
ϑ in ºC
0
2
4
6
8
10
20
30
40
50
Massa
m in g
Densità
ρ in g/cm3
49.991
49.996
49.997
49.996
49.992
49.984
49.910
49.783
49.612
49.405
0.999 84
0.999 94
0.999 97
0.999 94
0.999 85
0.999 70
0.998 21
0.995 65
0.992 22
0.988 05
9
Fisica
Conclusioni
Note
10
Mediante un picnometro e una bilancia, si può determinare la densità di un'ampia varietà di
liquidi come per esempio esano, etanolo, cloroformio.
– In base alla tabella, nell'intervallo di temperatura 0 – 4 °C, la densità dell'acqua varia di
0,00013 g/cm3, corrispondente al 0,13‰.
Nello stesso intervallo, il volume del vetro Jena varia dello 0,04‰, ma quello del quarzo
sette volte meno. Se il picnometro non è di quarzo, è consigliabile una correzione del
volume.
– Se il picnometro viene riempito con acqua a 2 °C, durante il riscaldamento si può osservare
un abbassamento del livello dell'acqua nel capillare del tappo. Se si afferra saldamente
con la mano calda il picnometro, la contrazione avviene entro pochi secondi.
– La densità dell'acqua a 20 °C deve essere misurata con particolare precisione in quanto
questa è la temperatura a cui vengono tarate le burette, le pipette e i cilindri. È di circa il
2‰ inferiore a quella a 4°C.
Densità dell'aria
Obiettivo
Perfino l'aria ha massa e densità!
Compito
Si svuota una beuta e si determina la densità dell'aria in base alla massa e al volume dell'aria evacuata. La densità deve essere convertita a temperatura e a pressione standard.
Materiale
Pompa a vuoto (pompa ad acqua)
Beuta di vetro con 2 tappi (circa 1 l)
Secchio contenente acqua
Cilindro di misurazione (1 l)
Termometro (per temperatura dell'acqua)
Termometro (per temperatura ambiente)
Barometro
Procedura
Per semplificare i calcoli, l'acqua deve essere a temperatura ambiente. La beuta asciutta,
riempita con aria, viene tarata sulla bilancia: quindi l'aria viene fatta evacuare e la bottiglia
pesata, annotando la massa m dell'aria evacuata. Successivamente, la beuta viene posta nel
secchio d'acqua, si apre lentamente il tappo, facendo entrare l'acqua fino a che la pressione
nella beuta non sia uguale a quella esterna. Il livello dell'acqua nella beuta è ora alla stessa
altezza di quello dell'acqua nel secchio. Il volume V dell'acqua entrata nella beuta è uguale al
volume dell'aria evacuata e può venire stabilito tramite un cilindro di misurazione o per
pesata.
Valutazione
La densità viene determinata dal rapporto tra massa e volume
ρ= m
V
in g/dm3 o kg/m3
Massa dell'aria evacuata
Volume dell'aria evacuata
Temperatura ambiente
m in g
in dm3
ϑ in ºC
T in K
p in mbar
V
e quindi
Pressione dell'aria
Per la densità a temperatura ambiente
ρ= m
V
e per la densità standard
ρo =
m
V
·
1013 mbar
p
·
T
273.1K
(valore della letteratura 1.293 kg/m3)
Note
– Misurando il volume con un cilindro, la precisione massima ottenibile è dell'1%.
– È difficile correggere per l'umidità dell'aria e per il suo contenuto in anidride carbonica;
anch'essi incidono circa dell'1%.
11
Fisica
Densità dei gas
Obiettivo
Questo esperimento determina la densità di una sostanza gassosa.
Compito
La densità di una sostanza gassosa viene determinata in base al suo volume e alla sua massa e quindi convertita alla temperatura e alla pressione standard.
Materiale
Beuta conica (circa 1 l)
Cilindro di misurazione (circa 1 l)
Vasca contenente acqua
CO2, He, H2 o O2 da una bombola
Termometro (per temperatura ambiente)
Barometro
Procedura
La beuta conica viene tarata e riempita d'aria. Il gas viene introdotto nella beuta per pochi secondi impiegando il tubo di gomma dotato di un tubo di vetro che raggiunge il fondo della
beuta. Quando la lettura della bilancia non varia più, il flusso di gas viene interrotto e viene
letta la massa ∆ m. Il flusso di gas viene interrotto e viene letta la massa ∆ m. Quindi si riempie con acqua la beuta conica e si determina il volume V mediante il cilindro. Si può ricavare
con maggiore precisione e altrettanta facilità il volume impiegando una bilancia e ponendo
che la densità dell'acqua sia pari a 1.00 g/cm3.
Valutazione
La densità del gas è il rapporto tra la massa del gas e il suo volume. La massa del gas non è
stata misurata direttamente ma è stata calcolata:
m gas = m (beuta con gas) – m (beuta con aria) + m aria
= ∆m + m aria
∆m
m aria
V
ϑ
T
p
Differenza di massa tra gas e aria
Massa dell'aria (non misurata)
Volume della beuta conica
Temperatura ambiente
e quindi
Pressione dell'aria
Nelle condizioni sperimentali, la densità del gas è ρ Gas
in g
in g
in dm3
in ºC
in K
in mbar
=
m gas
V
=
∆m + m aria
V
Nelle condizioni standard la densità del gas è
ρo gas = ∆m
V
·
1013 mbar
p
·
T
273.1 K
+
ρo aria
dove ρo aria = 1.293 g/dm3
Note
12
– La beuta conica deve essere completamente asciutta.
– Le bombole di gas devono essere a temperatura ambiente.
– I gas che sono più leggeri dell'aria (p.es. l'elio) devono essere introdotti dal basso verso
l'alto nel matraccio conico Erlenmeyer capovolto.
Il galleggiamento nei gas
Obiettivo
Pesando un corpo in aria, la forza di galleggiamento è uguale in grandezza al peso dell'aria
spostata. La stessa cosa avviene con altre sostanze liquide e gassose. Di conseguenza,
determinando la massa dei corpi a basso peso specifico, deve essere eseguita una correzione
del galleggiamento.
Compito
– Determinare la spinta idrostatica tra aria ed elio di un matraccio da un litro riempito di aria.
– Determinare la differenza idrostatica tra aria ed elio di un matraccio da un litro riempito di
elio.
Materiale
1 pallone da 1 l dotato di tappo (forato nel mezzo)
1 secchio piccolo (5 l)
Supporto
Elio e/o anidride carbonica in bombola d’acciaio
tubo metallico da 20 cm Β 6 mm, con base
Rischio di esplosione
Procedura
Si inserisce il tubo nel tappo che presenta un foro apposito e lo si pone sulla bilancia. A questo
punto, si unisce al tappo il pallone e si legge il peso. Capovolgere quindi il secchio sul
matraccio e lasciar entrare l'elio nel secchio dal basso, fino a raggiungere un peso costante.
Il matraccio è diventato «più pesante»!
Il matraccio viene ora riempito di elio e riposizionato sulla bilancia.
La bilancia indica una massa inferiore, poiché la massa dell'elio nel recipiente è inferiore
rispetto a quella dell'aria. Se il recipiente fosse circondato di atmosfera di elio, la bilancia indicherebbe la stessa massa del recipiente contenente aria e circondato da aria.
13
Fisica
Valutazione
La massa molare media dell’aria (28,8 g/mol) è circa 7 volte maggiore rispetto a quella
dell’elio. Diverse forze agiscono quindi sul recipiente da un litro:
la forza peso di circa 1,15 g dell’aria e/o quella di circa 0,16 g dell’elio.
Le forze esaminate possono essere rappresentate schematicamente nel modo seguente:
Estensione
Le prove relative possono essere eseguite con anidride carbonica CO2 al posto dell’elio.
Poiché il peso specifico di CO2 è maggiore di quello dell’aria, l'esperimento deve essere eseguito capovolgendo la disposizione dei materiali:
– Il secchio si trova sul fondo.
– Il pallone pende dalla bilancia e è immerso nel secchio.
– La bilancia è sostenuta dal supporto o più semplicemente da uno sgabello provvisto di un
foro di sostegno.
Il pallone viene sospeso al gancio posto sotto la bilancia. Per prima cosa, tuttavia, bisogna
collegare la bilancia.
Il matraccio da un litro contiene circa 1,75 g di anidride carbonica. Le «differenze di peso»
con CO2 sono dovute alla differenza delle masse molari:
44 – 28.8
28.8 – 4
= 0.61
14
14
Densità dei liquidi
Obiettivo
Stabilire la densità dei liquidi dalla misura del volume e della massa.
Compito
Studio della densità di liquidi diversi come acqua, alcool, cloroformio, esano e benzina.
Materiale
Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g)
Cilindri graduati, palloni, pipette, picnometri, becher
Liquidi diversi, vedi sopra
Cilindri graduati
Procedura
Valutazione
Palloni
Pipette
Picnometro
Gli apparecchi di vetro come il picnometro, il becher o il cilindro graduato, vengono tarati e
quindi riempiti con il liquido in esame. La massa viene annotata.
La densità è determinata come il rapporto tra massa e volume.
ρt =
ρt
m
V
t, ϑ
=
=
=
=
m
V
densità alla temperatura t
massa
volume
temperatura del liquido
Conclusioni
Poiché la densità dei liquidi dipende dalla temperatura, questa deve venire specificata. Per ottenere misurazioni molto precise, è necessario correggere il galleggiamento.
Nota
Il liquido impiegato per gli esperimenti didattici non deve essere irritante o velenoso. Non vanno utilizzati tetracloruro di carbonio, alcali e acidi concentrati.
15
15
Fisica
Forza e forza opposta
Tema
Le forze si manifestano sempre in coppia – se un corpo esercita una forza su un altro corpo,
il secondo agisce sul primo con una
a) grandezza uguale
b) «forza opposta» direttamente contraria, e
1
c) lungo la medesima linea d'azione.
2
(Legge di azione e reazione di Newton)
1 Bilancia di precisione METTLER TOLEDO
(Risoluzione 0,01 g)
2 Banco con foro
3 Corpo sospeso
4 Becher con liquido
5 Supporto regolabile («Laborboy»)
6 Bilancia di precisione METTLER TOLEDO
(Risoluzione 0,01 g)
3
4
5
6
Procedura
a) Le due bilance vengono fatte funzionare senza carico (!) conformemente alle istruzioni.
b) Il corpo è sospeso alla bilancia superiore e il martinetto di laboratorio con il becher più il
liquido vengono posizionati su quella inferiore.
c) Il becher può ora venire sollevato in modo che il corpo sospeso si immerga gradualmente
nel liquido.
d) Come mostra la bilancia superiore, il corpo viene spinto verso l'alto dal liquido, divenendo
apparentemente più leggero. Come mostra la bilancia inferiore, il liquido (nonché il bicchiere e il martinetto da laboratorio) viene spinto verso il basso dal corpo immerso, divenendo apparentemente più pesante. Entrambe le variazioni sono esattamente uguali in
grandezza.
Commento critico
a) Negativo
L'impiego di due bilance elettroniche con display a proiezione può apparire molto singolare, tuttavia in una scuola di media grandezza o in una grande scuola, non dovrebbe essere difficile reperire la seconda bilancia in un'altra sezione.
b) Positivo
1) La procedura sperimentale è completamente comprensibile senza spiegazioni ulteriori.
2) L'apparecchiatura è facile da usare e non presenta difficoltà «nascoste».
3) La dimostrazione può essere eseguita senza perdite di tempo superflue.
4) Viene mantenuto vivo l'interesse dello studente all'esperimento, in quanto il processo
di rialzamento e di abbassamento nonché la successiva ritaratura gli consentono di ricavare continuamente nuove coppie di valori e di confrontarne i risultati con la teoria
espressa dalla legge, talvolta anche senza svolgere operazioni aritmetiche mentali.
5) Altri esperimenti relativi ad «azione» e «reazione» sono generalmente meno illuminanti
e richiedono spiegazioni complesse.
16
16
Forza di deflessione
Obiettivo
Per variare la direzione di un flusso,
è necessaria una forza normale
(perpendicolare alla direzione della velocità).
Compito
Studio della forza che fa deviare
il flusso d'acqua in un tubo ad
angolo retto.
Materiale
Bilance di precisione Mettler Toledo (risoluzione 0,01 g)
Tubo di plastica, diametro est. 12 mm, interno 8 mm, lunghezza quanto richiesto
Connettore del tubo allacciato al rubinetto dell'acqua
Primo tubo-guida lungo circa 200 mm, diametro interno leggermente superiore al diametro
esterno del tubo
Supporto antiscivolo con morsetti per trattenere il tubo in posizione orizzontale
Tanica di plastica da 5 l
Bilancia Mettler Toledo, range di pesata 0…6 kg o cilindro da 1000 ml
Cronometro
Secondo tubo-guida in legno (per fissare il tubo alla bilancia), esempio:
Spazio per la massa
1
2
3
4
Tubo di plastica
Primo tubo-guida fissato al supporto
Secondo tubo-guida in legno
Massa per fissare il secondo tubo-guida
in legno alla bilancia
5 Tanica di plastica
6 Lavandino con scarico acqua
Banco da laboratorio
17
17
Fisica
Il primo tubo-guida viene fissato sul supporto alla stessa altezza del secondo tubo sulla bilancia. Il supporto del tubo non deve spostarsi sulla bilancia; allo scopo, può risultare necessario
aggiungere un ulteriore peso. Sebbene impiegando un tubo più lungo questo possa spostarsi
più facilmente, raddoppiandone la lunghezza si riduce tuttavia la portata massima di flusso di
circa la metà e la forza massima di circa un fattore 4!
Considerazioni tecniche
In questo esperimento, è essenziale che il piatto di una bilancia di compensazione METTLER
TOLEDO rimanga esattamente alla stessa altezza sopra il banco, anche con carico variabile.
Ciò impedisce che il tubo di plastica si torca e che eventuali forze di deformazione influiscano
sui risultati delle misurazioni. L'acqua viene fatta deviare mediante la tubazione, esercitando
conseguentemente, a destra del tubo, una forza opposta verso l'alto. La componente di forza
verticale F viene misurata mediante la bilancia e dipende dalla velocità media di flusso v– dell'acqua. Questo valore può venire calcolato in base a ∆V nel tempo ∆ t e in base alla sezione
trasversale del tubo A:
v– =
Procedura
Valutazione
∆V / ∆t
A
a) L'acqua viene fatta fluire molto lentamente a una velocità appena sufficiente a impedire
che bolle d'aria penetrino nel tubo attraverso l'estremità aperta; la bilancia viene tarata.
b) Il rubinetto dell'acqua viene aperto lentamente e la forza F misurata.
c) La tanica vuota viene mantenuta nel flusso d'acqua per un tempo adeguato ∆ t.
Contemporaneamente, viene osservato attentamente il display della bilancia, in quanto la
pressione dell'approvvigionamento idrico può mostrare fluttuazioni di breve durata.
d) Il volume dell'acqua nella tanica viene determinato tramite un cilindro graduato o – più
velocemente e con maggiore precisione – mediante pesatura su una seconda bilancia.
e) Con altre velocità i passi da b) a d) vanno ripetuti.
Tabella con F, ∆ t, ∆ V, v–
In base alla regola, non rigorosa ma tuttavia semplificativa, che ogni particella d'acqua abbia
la stessa velocità di spostamento
∆V / ∆t
v = v– =
(1)
A
Il volume che fluisce attraverso la sezione trasversale A nel tempo δ t è dato da:
La massa corrispondente
δ V = A · v · δt.
ha il momento
δm = ρ · δV
δ p = v · δm = ρ · A · v 2 · δt.
Inizialmente, esso viene diretto orizzontalmente, ma, in seguito, verso il basso. Quindi, nel
Ý
tempo δt viene prodotta una variazione verso il basso del momento dalla forza (–F ) della
tubazione:
F · δt = δp = ρ · A · v 2 · δt
F = ρ · A · v2= ρ ·
18
e la lettura sulla bilancia
(∆V / ∆t )2
A
F=
(∆m /∆t )2
ρ·A
(2)
~=
m
F
g
(3)
=
(∆m /∆t )2
ρ·A·g
18
~ I (F)
La relazione misurata tra ∆m /∆t e m
viene meglio rappresentato su carta log-log.
Viene tracciata una linea con pendenza 2. I punti sperimentali giacciono di fatto sulla linea e
~.
così confermano il rapporto quadratico tra ∆m /∆t e m
Naturalmente, i valori della tabella sopraindicata non sono inventati, bensì effettivamente
misurati impiegando un tubo di plastica avente un diametro interno di 8 mm. In quale modo
possono accordarsi con l'equazione (3)? La quinta misura, per esempio, dà con
∆m /∆ t
ρ acqua
A tubazione
g
=
=
=
=
99.8 g/s
1.00 g/cm3
π · (0.40 cm)2
981 cm/s 2
}
inserito in (3)
~
m
calcolato = 20.2 g invece di
~
m misurato = 20.0 g ±0.2 g
Questo accordo è soddisfacente; tuttavia, non tutte le particelle d'acqua si spostano alla
stessa velocità.
Conclusioni
L'esperimento viene eseguito in 20 minuti e consente di «ripassare» i concetti seguenti:
«azione e reazione», «la variazione del momento è uguale all'impulso» e «graduazione
log-log».
19
19
Fisica
Forza di resistenza in una corrente
d'aria
Obiettivo
In un fluido in movimento, un corpo subisce una forza di resistenza F, che dipende dalla
grandezza (A) e dalla forma (cr) del corpo, nonché dalla densità ρ e dalla velocità relativa v
del mezzo che scorre (del fluido).
Compito
Studio della forza di resistenza mediante l'impiego di corpi diversi nella corrente d'aria prodotta
da un generatore d'aria.
Materiale
Bilance di precisione Mettler Toledo (risoluzione 0,01 g)
Generatore d'aria
Se possibile, pitometro di Prandtl con manometro per misurare la velocità dell'aria
Corpi di resistenza diversi (con aste di supporto)
– con un area di flusso contro il corpo il più uniforme possibile (sezione massima); es.: disco circolare, sfera, emisfero solido, emisfero concavo, corpi affusolati, piani di modello.
– Della stessa forma, es.: dischi circolari grandi, medi e piccoli o piastre quadrate
– Asta sola, senza corpi di resistenza
Supporto dei corpi di resistenza, es.
1)
2)
3)
4)
5)
base caricata di peso con un ulteriore foro trasversale di 8,2 mm di diametro
asta di alluminio, diametro 8 mm, lunghezza 400 mm
foro per l'asta del corpo di resistenza
vite M3 per impedire la torsione
possibilmente un contrappeso
Per proteggere la bilancia dalle oscillazioni impiegare una cassetta, per esempio da
600 x 600 x 400 mm, avente le seguenti caratteristiche:
– libero accesso agli utenti/studenti
– fissaggio al banco tramite due morsetti
– apertura nella base per consentire alla bilancia di poggiare direttamente sul banco
– piccola apertura laterale per l'asta di alluminio (2)
del supporto.
Impiegando un generatore d'aria potente, la cassetta
di protezione è assolutamente necessaria, poiché
il flusso dell'aria, quando raggiunge il soffitto, viene
riflesso, colpendo la bilancia dall'alto con i vortici
d'aria (controllare con la fiamma di una candela!).
1. Generatore d'aria
2. Involucro
3. Corpo montato sul supporto
20
20
Procedimento a) Prova preliminare: viene impiegato un tubo pitostatico per determinare la regione in cui la
corrente d'aria ha una velocità costante.
b) Nota per eventuali esperimenti ulteriori; nella descrizione che segue, si desidera conoscere
la forza di resistenza F (corpo) che solo il corpo subisce. Tuttavia, la corrente d'aria esercita una pressione sul supporto e la forza F (misura) viene visualizzata sul display della
bilancia. Di conseguenza, per determinare la forza F (asta), è necessario eseguire una
seconda misura senza il corpo, ovvero solo con l'asta. Quindi, F (corpo) è data da
F (misura) – F (asta).
c) La forza di resistenza F viene misurata per ciascun corpo con velocità d'aria diverse v.
Tabella con v, F (misura) e F (corpo).
Se possibile, selezionare un corpo di grandezza e forme diverse e ripetere l'esperimento.
d) F (corpo) viene determinata ad una velocità di vento costante per corpi di varia grandezza
(A) ma della stessa forma. Tabella con A, F (corpo) e F (corpo)/A. Se possibile, ripetere la
procedura con corpi di forma diversa.
e) F (corpo) viene determinata ad una velocità di vento costante per corpi di forma diversa
ma con la stessa area di corrente d'aria (sezione massima) A.
Tabella con schizzo della forma e F (corpo)
Se possibile, ripetere la procedura con una velocità d'aria diversa.
f) La singola misura richiede da 1 a 2 minuti e varia fortemente in base alla capacità e
all'esperienza dell'utente.
Valutazione Per corrente turbolenta, la teoria enuncia
per la pressione dinamica p din =
e per la forza resistente
ρ
2
· v2
F = cr · p din · A
ρ = densità del mezzo che scorre
c r = parametro di resistenza (fattore di forma)
A = sezione massima (area di proiezione
del corpo su un piano verticale alla
direzione del flusso)
Si presuppongono i seguenti risultati:
con c) proporzionalità tra v 2 e le forze resistenti [F (misura),
F (asta), F (corpo)];
con
d) un rapporto costante F (corpo)/A;
con
e) cwl
w > cw
l
>cw
•
> cw
Conclusioni L'esperimento si presta a una dimostrazione durante la lezione, in quanto esso può venire
eseguito in breve tempo.
21
21
Fisica
Forze su un profilo aerodinamico
Obiettivo
Un corpo asimmetrico soggetto a un flusso d'aria subisce una componente di forza perpendicolare alla forza di resistenza (drag) F W nella direzione del flusso. Nel caso di un profilo
aerodinamico, questa forza normale è costituita dalla forza di sollevamento (portanza) F A.
Compito
Studio mediante un piatto piano e un profilo aerodinamico della dipendenza dall'angolo di
incidenza α della forza di sollevamento F A, desiderata della forza di resistenza F W non desiderata, nonché del loro quoziente.
Materiale
Generatore di vento
Se possibile, tubo di Pitot Prandtl con manometro per misurare la velocità dell'aria
Modello di profilo: aerodinamico, con alette molto sottili e parallele e supporto girevole
Piccola tavola in legno, plastica o metallo
Base di supporto antiscivolo con foro verticale
Supporto per bloccaggio orizzontale del modello, es.: un blocco di legno:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Asta che sostiene il modello girevole
Blocchi di legno, 180 x 100 x 30 mm
Foro, adatto per asta 1)
Possibilmente una vite; impedisce all'asta 1) di torcersi
Asta, diametro 10 mm, che alloggi bene nel blocco
Contrappeso di circa 1 kg, es.: base con peso
Per proteggere la bilancia dalle oscillazioni impiegare una cassetta, per esempio da
60 cm x 60 cm x 40 cm avente le seguenti caratteristiche:
– libero accesso agli sperimentatori
– fissaggio al banco tramite due morsetti
– apertura nella base per consentire alla bilancia di poggiare direttamente sul banco
– piccola apertura laterale per l'asta 1).
22
22
Per misurare la forza di sollevamento
e la forza di resistenza sono
necessarie disposizioni diverse:
Forza di sollevamento
Forza di resistenza
Impiegando un generatore d'aria potente,
la cassetta protettiva è assolutamente
necessaria, in quanto la corrente d'aria,
raggiungendo il soffitto, viene riflessa
colpendo la bilancia dall'alto (controllare
con la fiamma di una candela).
Procedimento
a) La distribuzione della velocità nella corrente d'aria davanti al generatore d'aria viene studiata tramite un tubo di Pitot Prandtl.
b) Forza di sollevamento FA: questa può venire calcolata teoricamente nel modo seguente:
CA
FA = cA · A · ρ · v 2
2
= parametro di sollevamento, dipendente dalla forma
A = sezione massima (area della proiezione del corpo
su un piano verticale alla direzione della corrente)
ρ = densità dell'aria
v = velocità dell'aria
(velocità relativa dell'aria in relazione al corpo)
Studiare la dipendenza della forza di sollevamento dalla velocità del vento.
Tabella con v, FA, grafico.
Ripetere, se possibile, la procedura con un profilo diverso o con un diverso angolo di
incidenza.
c) Per le misure seguenti, la velocità dell'aria viene mantenuta costante; sia v * al profilo.
La dipendenza della forza di sollevamento dall'angolo di incidenza α viene dapprima
misurata per la tavola piccola.
23
23
Fisica
d) Forza di resistenza Fw anche questa è proporzionale alla pressione dinamica
(p din =
ρ
· v 2), quindi Fw ~ v 2.
2
Se c'è tempo, questo dovrebbe essere controllato.
e) Poiché la corrente d'aria colpisce non solo il corpo prova ma anche il relativo supporto,
il supporto Fw deve essere misurato tramite un esperimento preliminare senza il corpo,
ovvero impiegando il supporto da solo. Le misure successive Fw (totale) vanno corrette:
Fw (modello) = Fw (totale) – Fw (supporto)
f) Per le misure seguenti, la velocità dell'aria nel punto di prova del corpo viene nuovamente
regolata a v = v * come sopra. La dipendenza della forza di resistenza Fw (totale) dall'angolo di incidenza α viene quindi misurata, sulla tavola e sul profilo aerodinamico.
Tabella con α, Fw (totale), Fw (modello), grafici.
Tempo richiesto
Solo per le misure a uno sperimentatore provetto sono necessari 45 minuti. Includendo la
valutazione, un gruppo scolastico, impiega da 3 a 4 ore.
Valutazione
È di prassi rappresentare FA e Fw del profilo
aerodinamico in un diagramma polare, secondo
Lilienthal. Per ulteriori interpretazioni dei risultati,
consultare la documentazione specialistica, es.:
documentazione sul corso per piloti di alianti.
Conclusioni
L'apparecchiatura è semplice da usare.
Tuttavia, il lavoro sperimentale, nonché la valutazione, richiedono una particolare attenzione.
Sebbene l'esperimento presenti esigenze rigorose,
i risultati sono molto facili da comprendere.
24
24
Dipendenza della forza del campo magnetico
di una bobina dall'intensità di corrente
Obiettivo
La forza del campo magnetico di una bobina è proporzionale all'intensità di corrente.
Compito
Misurazione della dipendenza della forza, subita da una piccola barra magnetica nel campo
magnetico di una bobina, dall'intensità di corrente nella bobina.
Materiale
Bobina ad aria (es.: lunghezza 70 mm, diametro 40 mm, 250 spire)
Sorgente di CC in grado di fornire da 5 a 10 A circa
Resistore a filo (es.: 6 Ω), se la tensione della sorgente di CC non può essere regolata
Interruttore
Amperometro
Cavo elettrico
Supporto
Piccolo magnete permanente: es.: barra cilindrica
Barra non magnetica (asta di alluminio, di legno), lunghezza circa 150 mm, posta su di una
base leggera
M Magnete
S Cavo
F Supporto
Q
SCH
R
A
Fonte di corrente
Interruttore
Resistore a filo
Amperometro
Il magnete viene posto sulla faccia superiore della barra con un po' di grasso. La bobina
viene posizionata in modo da sfiorare con l'estremità inferiore il magnete.
Procedimento
Viene eseguita una prova iniziale atta a stabilire se il campo magnetico della bobina provochi
una variazione della lettura della bilancia quando viene data la corrente. Si osserverà che le
bilance Mettler Toledo sono praticamente insensibili ai campi magnetici esterni!
Inoltre, deve essere osservato che, eseguendo la serie di misurazioni, il magnete non va spostato rispetto alla bobina in quanto il campo della stessa non è omogeneo. In relazione a
questo aspetto, non si incontrano difficoltà impiegando una bilancia che funzioni in base al
principio di compensazione: il piatto rimane alla stessa altezza, sopra al banco, indipendentemente dal carico.
Dopo aver tarato la bilancia, l'intensità di corrente l viene aumentata per gradi. I valori associati di l e F (per la forza) vengono tabulati per essere poi tracciati graficamente. Si rileva che
la forza è strettamente proporzionale all'intensità di corrente. Di conseguenza, la forza del
campo magnetico è anch'essa proporzionale all'intensità di corrente.
25
25
Fisica
Il ferro dolce in un campo magnetico
Obiettivo
Il ferro dolce viene magnetizzato in un campo magnetico esterno, subendo una forza d'attrazione quando il campo non è omogeneo.
Compito
Misurazione della dipendenza della forza, subita da un pezzo di ferro dolce, nel campo
magnetico di una bobina, dall'intensità di corrente nella bobina.
Materiale
Bobina ad aria (es.: lunghezza 70 mm, diametro 40 mm, 250 spire)
Sorgente di CC in grado di fornire da 5 a 10 A circa
Resistore a filo (es.: 6 Ω), se la tensione della sorgente di CC non può essere regolata
Interruttore
Amperometro
Cavo elettrico
Supporto
Piccolo magnete permanente: es.: barra cilindrica
Barra non magnetica (asta di alluminio, di legno), lunghezza circa 150 mm, posta su di una
base leggera
M Magnete
S Cavo
F Supporto
Q
SCH
R
A
Fonte di corrente
Interruttore
Resistore a filo
Amperometro
Il magnete viene posto sulla faccia superiore della barra con un po' di grasso. La bobina
viene posizionata in modo da sfiorare con l'estremità inferiore il magnete.
Procedimento e valutazione
26
Il procedimento di misurazione corrisponde esattamente a quello seguito per l'esperimento
descritto a pag. 25. Tuttavia, la relazione tra I e m (per F) non è affatto lineare.
Esempio di misurazione tramite chiave Allen M8, lunghezza 25 mm:
Le forze per 3A e 6A implicano una relazione
quadratica:
~ = k · l2
m
Il suddetto valore può venire controllato nel
modo più semplice mediante un grafico
tracciato su carta log-log.
La linea tracciata ha una pendenza esatta
di 2. Poiché i punti sperimentali coincidono
perfettamente con la linea, viene confermata
le regola F ~ l 2
Conclusioni
Nell'esperimento descritto a pag. 25, un magnete permanente in un campo magnetico
esterno subisce una forza proporzionale all'intensità di corrente. In questo esperimento, tuttavia, il pezzo di ferro dolce viene dapprima
magnetizzato dal campo magnetico per subire successivamente la forza corrispondente F,
che, da un lato, dipende dalla forza del campo magnetico H del campo della bobina e
dall'altro, dalla magnetizzazione J del pezzo
di ferro.
Le proporzionalità F ~ H •J e H ~ l e F ~ l 2,
consentono la conclusione J ~ l, ovvero, nel
campo di valori di forza del campo esaminati,
la magnetizzazione del pezzo di ferro è proporzionale all'intensità del campo elettrico.
27
Chimica
Quanto bicarbonato di sodio
contiene una pastiglia effervescente?
Teoria
Le pastiglie effervescenti (pastiglie vitaminiche, ecc.) contengono zucchero, agenti coloranti e
aromatizzanti, come pure acido tartarico e bicarbonato di sodio, oltre all'effettiva sostanza
attiva. Quando una pastiglia è messa in acqua, il bicarbonato di sodio reagisce con l'acido
tartarico per formare il tartrato di sodio, molto solubile, anidride carbonica e acqua.
L'anidride carbonica si sviluppa come gas e la pastiglia si scioglie. Equazione della reazione
2 NaHCO3 + HOOC
bicarbonato
di sodio
H
H
C
C
COOH → NaOOC
CH CH
acido tartarico
H
H
C
C
COO Na + 2 CO2 + 2 H2O
O HO H
tartrato di sodio
anidride carbonica
Il contenuto di bicarbonato di sodio può essere ottenuto in base alla quantità di anidride carbonica che si è sviluppata.
Materiale
Procedimento
dell'esperimento
Risultati e valutazione
Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g), beuta conica a collo ampio da
300 ml, bacchetta di vetro, pastiglie effervescenti, calcolatrice tascabile, bicchieri di carta,
tovaglioli, secchio per rifiuti
1. Versare nella beuta conica circa 2 dl di acqua di rubinetto, asciugare bene la parte esterna,
porla sulla bilancia e tarare.
2. Porre una pastiglia effervescente sul piatto della bilancia accanto alla beuta, determinarne
il peso e annotare il risultato.
3. Tarare nuovamente con la pastiglia
4. Mettere attentamente la pastiglia in acqua (avendo cura di evitare spruzzi), attendere il
termine della reazione, agitare bene con la bacchetta di vetro e determinare la massa di
anidride carbonica che si è sviluppata. Annotare il risultato.
5. Se lo desiderate, potete versare la soluzione in un bicchiere e berla. Altrimenti, versatela nel
secchio.
6. Risciacquare a fondo la beuta e asciugare bene la parte esterna. Essa è ora pronta per
l'esperimento successivo.
Massa della pastiglia: a = …g; massa di CO2 : b = …g
1 g di anidride carbonica sviluppata corrisponde a un contenuto di 1.91 g di NaHCO3
b g di anidride carbonica sviluppata corrisponde a un contenuto di 1.91 g · b g di NaHCO3
La percentuale di NaHCO3 nella pastiglia è:
Esempio numerico
Il seguente valore è stato ricavato eseguendo un esperimento:
Massa della pastiglia: a = 4.38 g; massa di CO2 : b = 0.23 g
La percentuale di NaHCO3 nella pastiglia è
1.91 · 0.23 · 100 % = 10.03 % ~ 10%
4.38
27
28
1.91 · b · 100
%
a
Determinazione di grasso
nella soia e nelle noci
Teoria
Materiale
Procedimento dell'esperimento
Molti alimenti vegetali come la soia, le arachidi, le mandorle e i semi di girasole contengono
grassi vegetali, che possono venire recuperati con relativa facilità per estrazione mediante un
solvente lipofilo.
Questi alimenti hanno importanza notevole nella produzione di oli commestibili e di grassi.
Per determinare il contenuto di grasso, le noci, i semi o i fagioli finemente macinati, vengono
separati mediante etere di petrolio, esano o sostanze simili; viene aggiunto del solfato di
magnesio anidro per agglutinare l'eventuale acqua presente. Dalla filtrazione della soluzione
e dall'evaporazione del solvente si ottiene il grasso puro, che viene poi pesato.
Beuta conica da 100 ml con tappo conico o cilindro di misurazione adatto
Etere di petrolio o esano
Solfato di magnesio anidro
Imbuto
Carta da filtro o cotone idrofilo
Becher da 100 ml
Pipetta da 10 ml
Soia, mandorle o farina di arachidi
1. Vengono pesati esattamente circa 3 g di soia, di mandorle o di farina di arachidi.
2. Viene aggiunta farina nella beuta o nel cilindro, poi si versano 40 ml di etere di petrolio o
di esano e 5 g di solfato di magnesio anidro. Quindi il recipiente deve essere ben agitato di
tanto in tanto in un arco di tempo di 5 minuti, aprendo brevemente il tappo prima e dopo
l'operazione per eguagliare la pressione.
3. Una parte della sospensione ottenuta viene fatta filtrare, attraverso la carta o il cotone
idrofilo, in un recipiente asciutto che può venire chiuso (es. beuta con tappo o becher con
coperchio di vetro). La chiusura del recipiente impedisce che il solvente evapori.
4. Con la pipetta, vengono ora immessi in un becher piccolo, pesato, 10 ml esatti della
soluzione filtrata e il campione viene fatto evaporare nella credenza per laboratorio sotto un
bagno d'acqua fino a che l'odore del solvente non sia completamente svanito.
5. Il campione viene lasciato raffreddare e quindi ripesato.
Il contenuto di grasso può venire determinato in base al peso dell'alimento (a = … g) e alla
massa del residuo (b = … g), che consiste di grasso puro
Contenuto di grasso = 100 · 4 · b %
a
Esempio numerico
Da una pesatura di 3.00 g (= a) di farina di mandorle, è stato ricavato, dopo l'evaporazione
di 10.0 ml di estratto filtrato, un residuo di 0.52 g (= b), che corrisponde a un contenuto di
grasso del 70% circa.
28
29
Chimica
Determinazione di calcare fine
in campioni del suolo e rocciosi
Teoria
In campioni del suolo o rocciosi, il calcare può essere determinato tramite la reazione del
carbonato di calcio con l'acido cloridrico. Il carbonato di calcio reagisce per formare cloruro
di calcio, acqua e anidride carbonica. La quantità di quest'ultima sviluppatasi mediante la
reazione viene pesata:
CaCO3 + 2 HCI Õ Ca2+ + 2 Cl- + H2O + CO2
Il suddetto esperimento costituisce un metodo di determinazione semplice e preciso.
Materiale
Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g), beuta conica da 100 ml, HCl
concentrato, acqua distillata, soffiatore di gomma, pietra calcarea (circa 1 g)
1. Nella beuta vengono aggiunti circa 8 ml di HCl concentrato e circa 10 ml di acqua distillata.
2. La beuta contenente l'acido cloridrico viene posta sulla bilancia e tarata.
3. La pietra calcarea viene posta accanto alla beuta sul piatto della bilancia, se ne determina
la massa e il tutto viene ritarato.
4. Quindi la pietra calcarea viene aggiunta alla soluzione. Subito dopo, avviene una violenta
reazione tramite la quale si sviluppa l'anidride carbonica.
5. Al termine della reazione, con l'ausilio del soffiatore in gomma e di una pipetta per espellere
eventuali quantità di CO2 presenti, nello spazio gassoso della beuta viene soffiata una
piccola quantità d'aria.
6. La beuta viene quindi ripesata e viene determinata la perdita di CO2.
Beuta conica
contenente l'acido cloridrico
e la pietra calcarea
1.58 g di pietra calcarea sviluppano 0.386 g di CO2. In base all'equazione di reazione e alla
composizione stechiometrica corrispondente, si presume di ottenere:
CaCO3 + 2 HCI Ý Ca2+ + 2Cl- + H2O + CO2
100 g/mol
44 g/mol
xg
1.58 g
da 1.58 g di CaCO3 puro x =
1.58 g · 44 g / mol
100 g / mol
= x = 0.695 g CO2
Tuttavia, poiché da 0,695 g, si sono sviluppati solo 0.386 g di CO2, ovvero il 55.54%, il
contenuto di carbonato di calcio del campione di calcare esaminato è del 55.54%.
Nota
29
30
La precisione del metodo può venire controllata con CaCO3 puro.
Determinazione dell'acqua
di cristallizzazione nei sali
Teoria
La forma cristallina di molti sali contiene acqua legata, la quale può venire espulsa tramite
riscaldamento. Le molecole d'acqua vengono separate dal sale idratato e, evaporando,
lasciano il sale anidro:
sale idratato
calore
sale anidro + acqua
Determinando mediante pesatura l'esatta perdita d'acqua, si può calcolare il numero di molecole d'acqua contenute nella cosiddetta «acqua di cristallizzazione».
Nota: in caso di riscaldamento prolungato o troppo potente, può avere luogo una reazione
secondaria. Se per esempio si stabilisce il contenuto di acqua di cristallizzazione del solfato
di rame, con la separazione di triossido di zolfo al sale anidro si può formare ossido di rame
(II). Ciò può venire rilevato dall'oscuramento del prodotto bianco:
CuSO4 (anidro)
calore
CuO + SO3
Questa reazione secondaria comporta una diminuzione della massa del prodotto di reazione,
ovvero una perdita di peso apparentemente maggiore che, a sua volta, induce a calcolare un
valore d'acqua di cristallizzazione superiore a quello effettivo.
Materiale
Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g), crogiolo di porcellana con coperchio, treppiede, bruciatore, triangolo d'argilla (adatto per il crogiolo), tenaglia per crogiolo,
bacchetta di vetro, sale cristallino come solfato di rame, allume, gesso, …
1. Si pesano il crogiolo vuoto e il coperchio.
2. Si aggiunge nel crogiolo sale cristallino (circa 1 g) e si pesa esattamente.
3. A questo punto, si riscalda il crogiolo a fiamma bassa, non luminosa. Il crogiolo aperto è
mantenuto con la tenaglia, e si agita il contenuto con la bacchetta di vetro.
4. Quando il sale si è disidratato, il che si può rilevare sia dalla variazione di colore, es. con
solfato di rame, sia dal completamento della reazione (nessun sviluppo di vapore acqueo,
nessuna formazione di «cratere»), si copre il crogiolo e lo si lascia raffreddare a temperatura ambiente.
5. Quando si è raffreddato, lo si ripesa.
6. Si ripete l'esperimento con pesature di 2, 3 e 4 g.
1. Per ciascuno esperimento, la perdita d'acqua viene calcolata in g in base alla pesatura
esatta e alla massa del residuo.
2. Si tracciano graficamente i valori relativi alle perdite d'acqua in rapporto ai pesi iniziali.
Entro certi limiti, i punti sperimentali devono giacere su una linea retta che passa per
l'origine delle coordinate. Ciò funge da controllo ulteriore sulla precisione di indicazione.
30
31
Chimica
3. In base all'equazione di reazione e alla composizione stechiometrica corrispondente
Sale idratato Õ
a = …g
(pesatura)
sale anidro +
b = …g
(residuo)
acqua
c = …g
(perdita d'acqua)
il numero x di molecole di acqua di cristallizzazione legata è dato da:
x=
c · MMSale
=
(a–c) · 18
(a– b) · MMSale
b · 18
dove MM Sale rappresenta la massa molare del sale anidro.
4. Il valore di x viene calcolato per ciascun singolo esperimento, onde essere comparato con
i valori della letteratura.
Esempio numerico
Da un esperimento con solfato di rame (II) cristallino, sono stati ricavati i valori seguenti:
Peso del sale: a = 2.48 g; residuo: b = 1.57 g
Perdita d'acqua: c = (a–b) g = 0.91 g
x=
0.91 · 159.5
1.57 · 18
= 5.14
Quindi il solfato di rame si cristallizza con 5 molecole di acqua di cristallizzazione.
Formula: CuSO4 · 5 H2O.
31
32
Termolisi dei sali
Teoria
Per termolisi si intende la degradazione di una sostanza con l'ausilio di calore («decomposizione termica»). Le termolisi possono a volte verificarsi in modo violento e incontrollabile;
oppure, alle temperature relativamente alte che queste necessitano, provocare delle reazioni
secondarie o parallele, che complicano o anche precludono una valutazione stechiometrica
dei risultati di pesatura. Le sostanze che, sottoposte a riscaldamento moderato, si decompongono quantitativamente, sono particolarmente adatte per ricerche stechiometriche. Le direzioni
sperimentali seguenti sono state controllate impiegando le due sostanze modello: bicarbonato
di sodio e carbonato di magnesio. L'esperimento «storico», che comporta la termolisi di
ossido di mercurio (II), non è stato eseguito per ragioni di sicurezza tecnica e per motivi di
carattere ecologico.
Nella termolisi di bicarbonato di sodio, il carbonato di sodio («soda») si forma per depurazione di vapore acqueo e di anidride carbonica.
2 NaHCO3
∆T
Na2CO3 + H2O + CO2
Questo processo riveste carattere d'importanza nella fabbricazione tecnica della soda
(produzione della «soda calcinata»).
Nella termolisi di carbonato di magnesio, si separa anidride carbonica:
MgCO3
∆T
MgO + CO2
Questa reazione procede in modo analogo alla fabbricazione di calce viva da carbonato di
calcio:
∆T
CaCO3
CaO + CO2
La termolisi di carbonato di magnesio è quindi una reazione molto importante dal punto di
vista tecnico per la calcinazione di pietra calcare nella fabbricazione di cemento. Tuttavia,
la decomposizione di MgCO3 nell'ossido procede a una temperatura inferiore, di modo che
questa reazione è maggiormente indicata per svolgere ricerche di laboratorio o per scopi
dimostrativi.
Materiale
Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0.01 g), crogiolo di porcellana (molti,
se possibile), treppiede, bruciatore, triangolo d'argilla, tenaglia per crogiolo, carbonato di
magnesio, bicarbonato di sodio (anidro)
1. Il crogiolo vuoto viene pesato, vi si aggiungono 0.5 g circa di carbonato di magnesio o di
bicarbonato di sodio. Quindi il crogiolo viene ripesato.
2. Il crogiolo viene ora riscaldato con cura impiegando una fiamma non luminosa. Il vapore
acqueo e l'anidride carbonica vengono separati e fuoriescono dalla mistura di reazione.
Questo fenomeno può venire osservato nella «formazione di cratere». All'inizio della procedura, il campione deve essere riscaldato attentamente onde impedire che la formazione di
gas causi perdita di materiale dal crogiolo per spruzzi.
3. Quando la diminuzione dell'evoluzione di gas indica che la reazione è prossima al completamento, viene applicato un potente riscaldamento, fino al calor rosso. Quindi, quando
l'evoluzione di gas non è più visibile, il riscaldamento viene interrotto.
4. Il crogiolo viene lasciato raffreddare a temperatura ambiente, quindi pesato con il prodotto
di reazione formatosi.
5. L'esperimento viene ripetuto impiegando 1 g, 1.5 g, 2 g, e 2.5 g
32
33
Chimica
Disposizione
dell'esperimento
1. La dipendenza delle masse di residuo dalle pesature viene tracciata graficamente. I punti
dell'esperimento giacciono su una linea retta che attraversa l'origine delle coordinate.
2. Sulla base dell'equazione di reazione e della stechiometria corrispondente, viene calcolato
il valore teorico relativo a una particolare pesatura, es. 1,000 g di bicarbonato di sodio:
2 NaHCO3
2 · 84 g/mole
∆T
Na2CO3 + CO2 + H2O
106 g / mole
Da 1.00 g di bicarbonato di sodio, si formano teoricamente
106
g = 0.631 g di carbonato di sodio
168
Per il carbonato di magnesio, vale la seguente formula:
∆T
MgCO3
84.31 g/mole
MgO
+CO2
40.31 g / mole
dalla quale si ricava che da 1.000 g di carbonato di magnesio si ottengono
40.31
g = 0.478 g di ossido di magnesio
84.31
3. I valori ricavati dall'esperimento vengono posti a confronto con quelli calcolati teoricamente.
33
34
Sintesi di solfuro di rame
Teoria
Quando un metallo, es. il rame, si combina con un non-metallo, es. lo zolfo, si forma un
sale. Il rapporto tra la quantità di metallo e il non-metallo legati chimicamente rimane costante, indipendentemente dalla quantità di rame impiegata (legge delle proporzioni costanti).
L'esperimento seguente, che riesce al meglio se viene eseguito più volte nel corso dell'esercitazione dallo studente, viene effettuato per confermare la legge suddetta e per determinare la
formula empirica del composto che si forma. La legge delle proporzioni costanti è applicabile
solo quando il prodotto che si forma è omogeneo, ovvero quando esso presenti, per esempio,
la stessa forma cristallina. Non è tale il caso di questo esperimento (il solfuro di rame è un
composto non daltonide), ma l'esperimento risulta tuttavia interessante per ragioni didattiche.
Per la sintesi il rame è usato come metallo e lo zolfo come non metallo per formare solfuro
di rame:
rame + zolfo Õ solfuro di rame
Cu +
S Õ
CuS
La sintesi viene eseguita con una quantità esattamente conosciuta di rame e con una quantità
in eccesso di zolfo al fine di garantire che tutto il rame reagisca con lo zolfo. Sciogliendosi,
lo zolfo reagisce immediatamente con il rame presente. Lo zolfo eccedente si sublima e in
combustione dà SO2, che viene sviluppato come gas.
zolfo + ossigeno Õ diossido di zolfo
S +
O2
Õ
SO2
Poiché il diossido di zolfo è velenoso, l'esperimento va eseguito in una cappa da laboratorio,
impiegando per la reazione un crogiolo di porcellana. Una volta pesato il residuo, vengono
determinati il rapporto della quantità di rame apportato alla quantità di zolfo legato, la percentuale degli elementi nel composto e la formula empirica.
Viene effettuato un minimo di tre esperimenti, effettuandone eventualmente altri separati.
Si otterrà una valutazione più precisa tracciando un grafico.
Materiale
Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0.01 g), crogiolo di porcellana con coperchio, treppiede, bruciatore Bunsen, triangolo d'argilla, tenaglia per crogiolo, foglio di rame,
zolfo in polvere
1. Da un foglio di rame vengono tagliati pezzi da 0.5 g, 1.5 g e 2 g circa. Quindi vengono
pesati con approssimazione al mg.
2. Si taglia un particolare pezzo di rame in pezzetti da 15 x 15 mm, che vengono poi aggiunti
nel crogiolo vuoto (precedentemente pesato insieme al coperchio), ricoperti con una modesta quantità in eccesso di zolfo in polvere e quindi riscaldati su un treppiede posto nella
credenza per laboratorio, impiegando una fiamma bassa, non luminosa.
3. Quando lo zolfo in eccesso si è completamente volatilizzato, il che si può rilevare dall'assenza di fiamma o di vapore sulfureo marroncino-giallo, il crogiolo viene chiuso con il
coperchio e riscaldato fortemente per 2 minuti.
4. Il bruciatore viene ora spento, il crogiolo raffreddato a temperatura ambiente (raffreddamento ad aria) e quindi pesato.
34
35
Chimica
Disposizione
dell'esperimento
Crogiolo senza coperchio
Situazione iniziale e durante
la reazione
Crogiolo con coperchio al termine
della reazione di riscaldamento/
raffreddamento e pesata
Da un esperimento didattico, sono stati ricavati i seguenti valori:
Misurazione
a g Rame
b g Zolfo
(legato)
% Rame
% Zolfo
a:b
1
2
3
4
5
6
7
1.162
1.450
0.745
1.715
1.631
0.585
1.408
0.282
0.370
0.203
0.436
0.441
0.166
0.343
80.47
79.67
78.58
79.73
78.72
77.90
80.41
19.53
20.33
21.45
20.27
21.28
22.10
19.59
4.12
3.92
3.67
3.93
3.70
3.52
4.10
1.242
0.320
79.51
20.49
3.88
Da questi risultati, si può chiaramente desumere che il rapporto tra la massa di rame e quella
di zolfo è costante, indipendentemente dalla quantità iniziale impiegata. Inoltre, la serie di
esperimenti dimostra che, nonostante una certa diffusione nelle misurazioni singole, essa, nel
suo complesso, non presenta ambiguità. I punti sperimentali giacciono su una linea retta che
interseca l'origine.
Per calcolare la formula empirica, viene impiegata la composizione seguente:
Cu: 79.51 % : 63.54 g/mol Õ 1.251 Õ 2
S: 20.49 % : 32.06 g/mol Õ 0.629 Õ 1
35
36
}
formula empirica: Cu2S
Determinazione della massa molare
di gas liquefatto
Teoria
La determinazione della massa molare di un gas viene effettuata evacuando da un recipiente
un volume noto, es.: da una beuta a fondo sferico da 1 l dotata di un rubinetto di arresto
laterale, riempita con il gas in oggetto onde determinare la massa del relativo volume.
La conversione del volume ottenuto in base a condizioni standard (condizioni standard TPS:
temperatura T = 273 °K, pressione p = 1013 mbar) dà la quantità di gas misurata in base
alle condizioni standard TPS. In base alla legge generale dei gas, occupa un volume di
22,4 dm3. Ciò consente di ottenere la derivazione semplice della massa molare. Gli esperimenti seguenti non vengono eseguiti con lo scopo di determinare la massa molare dei gas
generale, bensì di stabilire quella di un particolare tipo di gas, ovvero di un gas liquefatto.
Per raggiungere questo obiettivo, viene impiegato il butano, che viene fornito per il riempimento
di accendini a gas è reperibile in bombolette presso qualsiasi tabaccheria. L'esperimento,
da una parte dimostra il metodo di determinazione della massa molare e, dall'altra, è adatto
come introduzione alla stechiometria e alle leggi dei gas.
Materiale
Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g), trogolo pneumatico con cilindro
da 1 l quale recipiente di raccolta, pezzetto sottile di tubazione di ammissione, tubo di ammissione, siringa da 100 o 200 ml, supporto morsetto, barometro, termometro, bomboletta
di gas liquefatto
Misurazioni con il trogolo pneumatico
1. Il recipiente di raccolta è costituito da un cilindro da 1 l, il quale viene riempito con acqua,
chiuso con un tappo di gomma e quindi immerso capovolto, nell'acqua contenuta nel
trogolo pneumatico.
2. Il cilindro di misurazione viene ora aperto sott'acqua. In esso, non deve entrare aria.
3. Il cilindro di misurazione viene quindi fissato con un morsetto al supporto in modo tale che
tra il bordo del cilindro e il fondo del trogolo vi siano 10 mm circa.
4. La bomboletta di gas liquefatto viene pesata.
5. Il gas (800 –900 ml circa) viene introdotto nel cilindro attraverso il tubo di ammissione,
che è collegato alla bomboletta di gas tramite il pezzetto di tubazione sottile.
6. Il gas, nel lasciare il cilindro, si espande e si raffredda, per riscaldarsi quindi fino a
raggiungere la temperatura ambiente. Prima di leggere il volume del gas lasciare passare
5 minuti.
7. Nel contempo, la bomboletta di gas liquido viene ripesata.
8. Quindi viene calcolata la quantità di gas che è penetrata nel cilindro.
Cilindro di misurazione
Tubo (corto)
Bomboletta di gas
Tubo di immissione
Trogolo pneumatico
con acqua
36
37
Chimica
Misurazioni mediante la siringa
1. Al supporto viene fissata una siringa da 100 o
da 200 ml in modo tale da consentire una
agevole introduzione del gas nella stessa dalla
bomboletta.
2. La bomboletta viene pesata, vengono introdotti
100 o 200 ml di gas e viene immediatamente
letto il volume (eventuali perdite nella siringa
influiscono sui risultati in modo maggiormente
negativo di quanto non faccia il piccolo errore
che si verifica quando il gas si raffredda fuoriuscendo dalla bomboletta).
3. Viene ora ripesata la bomboletta e viene calcolata la quantità di gas che è stata introdotta.
Siringa
Bomboletta di gas
In un esperimento condotto mediante il metodo a trogolo pneumatico, vennero introdotti
1.908 g di gas. Il volume misurato fu di 830 ml a 20.5 °C, con una pressione di 998 mbar.
Il volume calcolato in base alle condizioni standard (TPS) è il seguente:
Vo =
Vesp. · pesp. · To
po · Tesp.
= 830 ml · 988 mbar · 273 K = 753 ml
1013 mbar · 293.5 K
= 0,753 dm3, sono presenti 1.908 g del gas in oggetto.
In 753 ml ^
Quindi, un volume di 22.4 dm3 contiene
1.908 · 22.4
g = 56.8 g
0.753
Il valore sperimentale della massa molare del gas è quindi 56.8 g/mol. Il volume calcolato
relativo al butano (C4H10) è di 58 g/mol. Tenendo presente che si potrebbero calcolare anche
il volume della tubazione e quello del tubo di ammissione, la misurazione offre eccellenti
risultati, che vanno oltre le aspettative. Tuttavia, nella valutazione non si è tenuto conto del
fatto che il volume del gas è stato misurato «umido», ovvero sopra un'atmosfera di vapore
acqueo. La valutazione dei risultati sperimentali ottenuti mediante la siringa viene eseguita in
modo analogo. La misurazione così ottenuta è anch'essa piuttosto precisa: sono stati ricavati
valori di 60.5 e di 60.9 g/mol. La pressione dello stantuffo di vetro sul gas non viene considerata.
37
38
Velocità di evaporazione
Teoria
Materiale
L'evaporazione di liquidi o di solidi volatili è un fenomeno associato al moto delle particelle,
ovvero alla energia cinetica delle molecole. La velocità di evaporazione dipende da fattori
diversi ma principalmente dalla temperatura istantanea, dalla pressione e dalle forze intermolecolari tra le molecole singole e, in parte, dalla massa molare e dalla forma molecolare che,
a sua volta, influisce sulle forze intermolecolari. È possibile seguire facilmente l'evaporazione
e la sua velocità misurando con una bilancia.
Recipiente di Petri grande (diametro 80 –120 mm)
Liquidi diversi come acetone, etanolo, esano, …
Nel recipiente di Petri, posto sulla bilancia, viene aggiunto il liquido adatto fino a una altezza
di circa 5 mm; quindi, il tutto viene tarato e la massa della quantità evaporata letta ogni 15 s.
le misurazioni vengono interrotte dopo 3 minuti.
Importante: per tutte le misurazioni, va impiegato lo stesso recipiente di Petri onde assicurarae un'area di evaporazione costante.
Recipiente di Petri
con liquido
Bilancia di precisione
METTLER TOLEDO
1. I valori misurati vengono tracciati su carta grafica, confrontando il valore della quantità di
liquido evaporato con quello del tempo. Da un esperimento condotto a una temperatura di
21 °C, impiegando un recipiente di Petri da 90 mm di diametro, si ricavano i valori
seguenti relativi all'acetone:
Tempo
0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
Quantità
0
4
8
12
15
19
22
26
30
33
150 s
37 mg
38
39
Chimica
Le velocità di evaporazione dell'etanolo, dell'acetato etilico e dell'acetato butilico sono state
determinate nello stesso modo.
I valori ricavati sono stati i seguenti:
Acetone:
Etanolo:
Acetato etilico
Acetato butilico
Interpretazione
15.0 mg al minuto
3.7 mg al minuto
6.5 mg al minuto
1.7 mg al minuto
b.p. 56 °C
b.p. 78 °C
b.p. 77 °C
b.p. 126 °C
È difficile interpretare i valori suddetti, in quanto i diversi fattori menzionati nella sezione
teorica concorrono ciascuno in modo e in misura alla formazione dell'insieme. Si tenterà,
tuttavia, di giungere a una interpretazione.
1. L'acetone ha la massima velocità di evaporazione. Ovviamente, le forze intermolecolari
sono relativamente deboli e ciò trova riscontro nel basso punto di ebollizione dello stesso
acetone. Comunque, queste forze risultano inferiori con l'acetone che non con l'etanolo,
in quanto quest'ultimo è in grado di formare legami idrogeno intermolecolari che ritardano
l'evaporazione.
2. L'evaporazione dell'etanolo si verifica più lentamente che non quella dell'acetato etilico,
per quanto la massa molare del primo sia inferiore e i punti di ebollizione siano gli stessi.
Nuovamente, la più lenta evaporazione dell'etanolo è probabilmente causata dai legami
idrogeno che si formano sulla sua superficie, che «trattengono» le molecole di evaporazione. Questo fatto non si verifica con l'acetato etilico, in cui operano solo le forze di Van der
Waals più deboli.
3. La velocità di evaporazione dell'acetato etilico è maggiore di quella dell'acetato butilico.
Questo fatto è correlato con i punti di ebollizione e con le masse molari, nonché con la
dimensione molecolare. Nel caso dell'acetato butilico, la sua minore velocità di evaporazione è probabilmente causata dalle forze di Van der Waals maggiori.
39
40
Catalisi omogenea:
la dissociazione di H202
Teoria
Un catalizzatore è una sostanza che inizia o accelera una reazione senza subire variazioni.
L'accelerazione della reazione provocata dal catalizzatore è dovuta all'abbassamento
dell'energia di attivazione della reazione relativa. La catalisi eterogenea si verifica quando il
catalizzatore è presente in una fase diversa da quella in cui le sostanze partecipano alla
reazione, mentre quando il catalizzatore è presente in questa stessa fase, si verifica la catalisi
omogenea.
La dissociazione di H2O2 è rappresentata dalla equazione:
2 H2O2
catalizzatore
2 H2O + O2
e può venire catalizzata sia in modo omogeneo che eterogeneo. Come catalizzatori eterogenei, vengono impiegate sostanze quali l'argento, l'ossido di manganese (IV) (MnO2, «pirolusite»), mentre esempi di catalizzatori omogenei sono la soluzione di ioduro di potassio o
una soluzione di catalisi enzimatica.
Negli esperimenti seguenti, vengono esaminati la catalisi omogenea della reazione con la
soluzione di ioduro di potassio e la dipendenza dell'ossigeno sviluppato dal tempo misurato.
Variando la quantità del catalizzatore, si è in grado di stabilirne l'influenza sulla reazione,
nonché di dedurre il modo in cui la reazione stessa procede. Quindi, se il processo si verifica
in una singola fase, in base allo schema generale:
R (reagenti) Õ P (prodotti)
la formazione di ossigeno si verifica immediatamente dopo l'aggiunta del catalizzatore.
Tuttavia, se il processo viene continuato in due fasi impiegando un composto intermedio,
in base allo schema:
R (reagenti) Õ I (composto intermedio) Õ P (prodotti)
l'ossigeno si forma solo dopo che sia trascorso un certo periodo di tempo, il cosiddetto
«periodo di induzione».
Questa differenza tra i due modelli di reazione può anche venire rilevata in base alla pendenza
della curva dell'esperimento, ottenuta tracciando la relazione tra la massa di ossigeno
sviluppato e il tempo relativo.
In questi esperimenti, la bilancia non costituisce un mero strumento di pesatura, ma assume
la funzione di strumento di misurazione al fine di osservare il processo che si verifica durante
la reazione. Naturalmente, i valori sperimentali che si sono ricavati possono anche venire
valutati tramite computer. Nel caso sia disponibile un display ausiliario METTLER TOLEDO,
la serie di esperimenti può venire effettuata durante una dimostrazione onde essere quindi utilmente valutata e interpretata con gli studenti.
40
41
Chimica
Materiale
Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g, con display ausiliario per la
dimostrazione),becher da 250 ml, siringa o pipetta graduata 0 –10 ml, bacchetta di vetro,
soluzione 1% di H2O2 da 500 ml preparata da poco, soluzione Kl satura, cronometro con
tempi parziali, carta grafica per la valutazione.
1. Il becher viene tarato sulla bilancia.
2. Vengono ora aggiunti 100 g di soluzione 1% di H2O2.
3. Tramite una pipetta o una siringa, vengono aggiunti (2.0 ml) di soluzione Kl satura, agitando
quindi brevemente la soluzione con la bacchetta di vetro. Quindi, l'insieme viene ritarato.
4. Viene letta ogni 15 s la massa persa di ossigeno sviluppato e vengono annotati i valori
sperimentali. Dopo 5 – 6 minuti, le misurazioni possono venire interrotte.
5. Viene eseguita una ulteriore serie di misurazioni con soluzione Kl da 4.0 ml e da 8.0 ml,
effettuandone eventualmente altre con soluzione Kl da 3.0 ml e da 9.0 ml. Non si devono
impiegare quantità maggiori di catalizzatore, in quanto l'aumento del volume totale della
soluzione di reazione produrrebbe un effetto di diluizione. Questo effetto deve essere
compensato quando si eseguono i calcoli, mentre con le concentrazioni di catalizzatore
sopraindicate non è necessario effettuare una successiva riconciliazione.
6. Vengono tracciati graficamente i valori di massa ricavati in relazione al tempo.
Nota: se il tempo è insufficiente (per esempio quando le misurazioni vengono eseguite come
esperimento dimostrativo) e richiede una reazione rapida, l'intera serie di esperimenti può
anche venire effettuata con 50 ml 3% H2O2 impiegando, come catalizzatore, soluzioni Kl da
0.75 ml, da 1.5 ml e da 3.0 ml. Pur essendo soggetti a un certo margine d'errore, poiché le
soluzioni vengono leggermente scaldate dal processo esotermico, i valori sperimentali risultano tuttavia abbastanza precisi per eseguire una valutazione.
41
42
In una serie di esperimenti in cui sono stati impiegati 100 ml di H2O2 all'1%, da poco preparato, con un catalizzatore costituito da soluzioni Kl sature da 2.0 ml, da 4.0 ml o da 8.0 ml,
a una temperatura T = 21 °C, sono stati ricavati i valori seguenti:
G3
mg O2
60 s
400
160 mg
300
G2
200
80 mg
G1
100
40 mg
60 s
60 s
60
Interpretazione
120
180
240
s
Dai presenti risultati sperimentali e dal grafico, si possono trarre le seguenti deduzioni:
1. La reazione in esame non si verifica in una, bensì in due fasi, in base allo schema:
R (reagenti) Õ I (composto intermedio) Õ P (prodotti)
2. Le velocità di reazione ottenute quando le pendenze delle linee L1, L2 e L3 vengono stabilite
ai punti di flesso delle rispettive curve sono proporzionali alla quantità di catalizzatore.
Pendenza L1: velocità di reazione v1 ≈ 40 mg O2 per minuto
Nelle reazioni enzimatiche, viene spesso osservato un comportamento simile.
La presente reazione può servire come modello per tali reazioni.
3. Diminuendo la concentrazione del catalizzatore, non solo viene ridotto il tempo di reazione,
ma viene anche ritardato l'inizio dell'emissione dell'ossigeno. Il tempo di induzione della
reazione è chiaramente maggiore.
42
43
Chimica
Tramite il profilo della reazione, è possibile spiegare i fatti seguenti:
nella prima fase di reazione, gli ioni iodio e di H2O2 reagiscono per formare ioni ipoiodosi.
I– + H2O2 Õ IO– + H2O,
i quali reagiscono ulteriormente, con una seconda molecola di HO2, ad acqua, ossigeno e
ioni di ioduro:
IO–+ H2O2 Õ I– + H2O + O2.
I diodi di ioduro formati nella seconda fase di reazione sono disponibili per la prima fase.
Poiché entrambe le fasi della singola reazione procedono molto più rapidamente della reazione complessiva senza l'aggiunta di ioduro, gli ioni di ioduro sviluppano un effetto catalizzatore sulla formazione di IO– intermedio (ipoiodato), diminuendo l'energia di attivazione
della dissociazione di H2O2 in acqua e in ossigeno.
Subito dopo l'aggiunta di iodio, si verifica una seconda reazione, parallela alla reazione
sopramenzionata, la quale raggiunge rapidamente l'equilibrio e quindi cessa. A questo punto,
l'ossigeno che si è formato ossida lo ioduro, portandolo allo stadio di iodio elementare:
2 H3O+ + 2 I– + [O]
Õ 3 H2O + I2
Õ
Nota
La formazione di colore giallo nella mistura di reazione indica che la formazione di iodio
elementare è avvenuta. Dall'acqua si sviluppano gli ioni H30+:
2 H2O Õ H3O+ + OH–
Õ
Poiché nella formazione di ioduro gli ioni H30+ vengono consumati, la loro concentrazione
viene diminuita rapidamente, ponendo termine alla formazione di iodio una volta raggiunta la
concentrazione di equilibrio. Questa reazione parallela non influisce in alcun modo sulla
valutazione dei presenti risultati sperimentali.
43
44
Biologia
La traspirazione nelle piante
Obiettivi
– Rilevamento della perdita d'acqua attraverso la foglia della pianta
– Dipendenza della traspirazione dall'ecotipo di pianta e dalle condizioni ambientali
– Dipendenza della traspirazione dall'ampiezza e dall'espansione degli apparati stomatici
Materiale
Beute coniche con collo stretto, 100 o 200 ml
Tappi con foro
Cotone idrofilo
Olio di paraffina (possibilmente colorato con colorante lipofilo)
Lampada da tavolo
Asciugacapelli
Impiegando bilance sensibili e desiderando intervalli di misurazione brevi, si consiglia di
costruire un tunnel frangivento di plexiglass (reperibile già tagliato in base alla dimensione
desiderata e facilmente incollabile mediante un collante adatto)
Materiale vegetale: durante il periodo estivo, vi sono varie possibilità. Tuttavia, il minimo indispensabile consiste in un ramo di pianta proveniente da luogo asciutto e caldo e in un altro
ramo di pianta proveniente da luogo umido. I tipi seguenti sono facilmente reperibili tutto l'anno:
– tasso (sono adatte anche altre conifere)
– specie viburno sempreverde (Viburnum rhytidophyllum, V. fragrans)
– specie salice sempreverde (se., Cotoneaster salicifolius)
– alloro (Prunus laurocerasus, estremamente adatto per la preparazione di sezioni sottili per
l'esame al microscopio
– agrifoglio
– oleandro
Riempire la beuta con acqua, quindi inserire il ramo tagliato di recente. Mediante una pipetta,
aggiungere sulla superficie dell'acqua un po' d'olio di paraffina (per impedire evaporazione
diretta); per mantenere il ramo in una posizione diritta, non obbligata, impiegare un tappo
con foro o cotone idrofilo oppure una combinazione di questi.
A intervalli di tempo appropriati (in base alla sensibilità della bilancia e alla dimensione e al
tipo del ramo) pesare il ramo condizionato e quindi preparare una tabella dei valori.
Valutazione
La perdita in peso dipende principalmente dall'area della foglia impiegata, dal tempo e
dall'umidità atmosferica relativi. Risulta quindi utile calcolare la quantità d'acqua traspirata
per ogni cm2 di area di foglia al minuto. Rimane ora da determinare l'area della foglia nel
modo seguente:
– porre le foglie su un foglio di carta fisso
– tracciarne il contorno con una matita
– ritagliare lungo lo stesso e determinarne il peso
Viene determinato anche il peso di un'area campione, ad esempio di 100 cm2.
45
Biologia
Esempio:
Ramo di pelargonio
Tempo
Peso con ramo
e acqua
0 min
5 min
65 min
108.187 g
108.135 g
107.585 g
Differenza
peso
–
52 mg
550 mg
Peso dell'area della foglia di carta: 2.927 g
Peso dell'area campione di carta: 1.172 g (100 cm2)
Area foglia in cm2:
peso area foglia di carta
· 100 = 250 cm 2
peso area campione
Traspirazione specifica = perdita peso per cm2/minuto
=
perdita peso
tempo · area foglia
=
602
65 · 250
= 0.0370 mg/cm–2/min–1
La procedura viene semplificata rapportando la perdita d'acqua alla massa vegetale (quantità
traspirata per g di peso fresco al minuto). Tramite questo procedimento, è possibile comparare
più rapidamente piante diverse l'una con l'altra.
Estensione dell'esperimento
Osservazioni conclusive
I rami mantenuti in un luogo buio vengono pesati rapidamente sulla bilancia. Quando gli
apparati stomatici si aprono, si verifica un aumento della traspirazione.
Viene determinata la traspirazione specifica di piante diverse e, a questa operazione,
è possibile abbinare sezioni di foglia microscopiche.
Impiegando le medesime piante, le condizioni ambientali possono venire variate:
– aria umida (mediante campana di vetro foderata con carta assorbente o coprendo il tunnel
frangivento sopramenzionato)
– aria secca (ambiente)
– aria calda (mediante lampada di riscaldamento)
– aria mobile (mediante asciugacapelli)
Subito dopo essere stati tagliati, i rami vanno immersi in acqua e possibilmente intagliati
nuovamente sott'acqua. I rami vanno raccolti quando la pianta è ben rifornita d'acqua,
altrimenti essi assorbiranno acqua ma, all'inizio dell'esperimento, quando gli apparati stomatici sono chiusi, non traspireranno e, di conseguenza, la perdita in peso risulterà minima.
Questo inconveniente può essere evitato preparando le piante alcune ore prima di iniziare
l'esperimento.
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46
Assorbimento di vapore acqueo
nei licheni
Obiettivi
Materiale
Questo esperimento può venire effettuato per mostrare in che modo le piante assorbano
acqua da aria umida e perché gli alberi, in luoghi soggetti a nebbie fitte e nei quali l'aria
(non inquinata, possibilmente!) sia umida, registrino una forte crescita di licheni.
Recipiente di Petri (a parete alta), diametro 120 mm
Recipiente di Petri o coperchio di plastica di circa 60 mm di diametro
Filtro di carta
Licheni fruttosi o frondosi essiccati all'aria (es., specie Pseudoevernia furfuracea, cetraria e
stereocaulon)
Viene preparata la camera umida in base al disegno.
A questo punto, si pesa accuratamente un tallo lichenico di dimensioni adatte, essiccato all'aria e quindi lo
si pone nella camera umida, ben chiusa. Dopo 30 minuti, lo si ripesa (rapidamente!) e lo si ripone nella
camera umida stessa.
Inizialmente, le pesature vanno ripetute ogni 30 minuti
e quindi continuate a intervalli di tempo più lunghi fino
a che non si verifichi alcuna variazione di peso.
Valutazione
Le linee del grafico seguente indicano la dipendenza dell'assorbimento d'acqua dal tempo:
Nella camera umida, sul tallo lichenico, si forma una condensazione d'acqua, che viene,
nella fase iniziale, rapidamente assorbita nei vuoti pieni d'aria presenti nel tallo lichenico
secco (aumento ripido nella curva). Susseguentemente, le pareti del filamento fungoso si
ingrossano fino a che non siano completamente sature d'acqua (debole aumento nella
curva). Il tallo lichenico, inizialmente fragile e friabile, assorbendo acqua diventa soffice e
elastico.
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Biologia
Assorbimento e perdita d'acqua
nei muschi
Obiettivi
Materiale
Valutazione
L'assorbimento d'acqua dal suolo da parte dei muschi è insignificante. Principalmente, essi
assorbono l'acqua da pioggia, da rugiada, da nebbia e da vapore acqueo. Gli esperimenti,
oltre a fungere da introduzione ai problemi fisiologici e anatomici che si incontrano con i
muschi, indicano le quantità d'acqua significative assorbite dagli stessi e chiariscono perché
queste piante rivestano in tal modo notevole importanza nei diversi ecosistemi. In questo
senso, è illuminante il raffronto tra fabbisogno idrico dei muschi e piante vascolifere.
Bacinelle di vetro
Carta assorbente
Muschi diversi (es., Polytrichum, Leucobryum, Sphagnum)
Si pesa un cuscino di muschio essiccato all'aria; lo si immerge poi completamente in una
bacinella di vetro riempita d'acqua. Lo si estrae dall'acqua, dapprima a intervalli di tempo
brevi e quindi progressivamente più lunghi, e lo si libera, scuotendolo brevemente, da eventuale acqua che vi aderisca. Quindi, lo si asciuga, premendolo leggermente sulla carta assorbente e infine lo si pesa. Il massimo assorbimento d'acqua viene raggiunto quando cessano
le variazioni di peso.
Questa valutazione può essere eseguita in base allo schema seguente:
In condizioni di laboratorio, si riscontrano valori estremi. Nell'habitat naturale, la massima
ritenzione d'acqua viene raggiunta solo momentaneamente durante forti precipitazioni.
A questo punto, non si dovrebbe perdere l'occasione di mostrare al microscopio le cellule
d'acqua dello Sphagnum e del Leucobryum. A questo proposito, confrontare con STEINECKE
e AUGE (1963).
Estensione dell'esperimento
I muschi saturi d'acqua possono inoltre venire utilizzati per misurare la perdita d'acqua. Si
pone il cuscino di muschio su un supporto asciutto, quindi, in un arco di tempo di parecchie
ore (molti giorni) lo si esamina ad intervalli. Gli autori summenzionati descrivono inoltre
esperimenti sulla conduzione idrica dei muschi.
Per scopi comparativi, si possono compiere ricerche, seguendo lo stesso metodo, sull'assorbimento e sulla perdita d'acqua da parte di funghi e licheni.
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Contenuto d'acqua e di cenere
di organi vegetali diversi
Obiettivi, precondizioni
Materiale
Gli esperimenti sono adatti per l'istruzione di gruppo e per il raggiungimento degli obiettivi
didattici seguenti:
– osservazioni dell'interno della composizione materiale del corpo vegetale
– familiarizzazione con metodi analitici
– illustrazione dei concetti di peso fresco, peso secco, contenuto d'acqua, sostanze organiche e inorganiche e contenuto di ceneri
Gli studenti devono avere acquisito familiarità con gli argomenti seguenti: assorbimento di
sale minerale e d'acqua, fotosintesi, nonché conoscere la chimica di base.
Recipiente di Petri o becher
Bacinelle di porcellana
Armadio di essicazione
Bruciatore Bunsen con treppiede, triangolo di porcellana, bacchetta di vetro o di magnesia,
possibilmente un forno a muffola
Materiale vegetale come foglie, bulbi o tuberi, radici, frutta
La procedura tecnica viene discussa in base allo schema seguente:
Il materiale vegetale, che deve essere il più fresco possibile, viene pesato e quindi posto rapidamente nell'armadietto di essiccazione, dove viene fatto essiccare, prima per 10 minuti a
una temperatura di 105°C (distruzione rapida del tessuto per evitare perdite di respirazione) e
quindi fino a 80°C fino a raggiungere il peso costante (1– 2 g). Non si è utilizzato il metodo
della temperatura di essiccazione costante di 105 °C principalmente perché, a questa temperatura, le sostanze vegetali diverse (es.: le essenze) si volatilizzano o subiscono una decomposizione termica. Viene ora eseguita la determinazione del peso secco.
Se è disponibile un forno a muffola, il materiale vegetale essiccato viene ridotto in cenere a
circa 500°C. Se non è disponibile, questa operazione viene eseguita tramite una bacinella di
porcellana posta sotto il bruciatore bunsen, incominciando con una fiamma leggera, per
riscaldare in seguito con una fiamma potente, e agitando di tanto in tanto il materiale di carbonizzazione. Al termine di questa fase, per rimuovere gruppi di particelle di carbone, il materiale viene lasciato raffreddare e poi inumidito con alcune gocce d'alcool. Quindi i gruppi di
particelle vengono polverizzati e infine il tutto viene riscaldato.
La cenere residua viene pesata.
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49
Biologia
Valutazione
Il contenuto d'acqua viene determinato in base alla formula:
contenuto d'acqua = peso fresco – peso secco.
Il contenuto di ceneri viene espresso in % di peso fresco e di peso secco. La tabella seguente
può servire come base:
Eseguendo l'esperimento durante un corso pratico, deve essere compresa una discussione
sulle eventuali fonti d'errore nella valutazione.
Possibilità ulteriori
– Analisi qualitativa della cenere
– Ricerca su tipi di foglia diversi (verde estivo, sempreverde, succulente)
– Foglie all'ombra e al sole, ad altezze diverse, esposte al vento o protette dallo stesso
di una medesima specie di pianta.
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50
Fermentazione alcolica
Obiettivi
e formulazione del problema
Materiale
Valutazione
Durante la fermentazione alcolica, si sviluppa anidride carbonica. Il substrato di fermentazione
diventa più leggero e questo fatto è facilmente rilevabile con una bilancia. Mantenendo
costanti le condizioni esterne, lo sviluppo di anidride carbonica per unità di tempo corrisponde
a una misura dell'attività metabolica del fungo di lievito. Modificando l'esperimento di base,
si possono ricercare gli effetti dei diversi fattori esterni sull'attività di fermentazione. Il problema
essenziale è sempre lo stesso: determinare tramite la pesatura la dipendenza del peso dal
tempo.
Livello di conoscenza richiesto agli studenti: respirazione e fermentazione: evoluzione, significato e eventi chimici nel campo delle formule empiriche. Eseguendo gli esperimenti in un
corso pratico, gli studenti stessi possono programmare le serie diverse e quindi eseguirle.
Nell'istruzione in aula, durante una lezione di 45 minuti, è possibile, impiegando una prima
beuta in aula, una seconda nel forno di essiccazione e una terza nel frigorifero, dimostrare la
dipendenza dalla temperatura. Non è possibile, tuttavia, ottenere una curva di fermentazione
completa.
Lievito pressato
Glucosio
Beuta conica da 100 ml dotata di tappo con un foro traforato e riempita con cotone idrofilo
disposto in modo irregolare
Forno di essiccazione e frigorifero. Se necessario, bagno d'acqua o termolampade
Nella beuta conica vengono aggiunti acqua di rubinetto (90 ml) e 10 g di lievito pressato.
Questo entra in sospensione mescolando e agitando. Subito prima di iniziare l'esperimento e
dopo che la sospensione abbia raggiunto la temperatura di reazione desiderata, vengono
aggiunti 5 g di glucosio. Viene quindi eseguita la prima pesatura (con tappo), dopo 10 minuti
la seconda, dopo 20 minuti la terza, ecc.. Dopo ogni pesatura, la sospensione va agitata
accuratamente. Se durante una doppia lezione sono necessarie curve di fermentazione
tipiche, è essenziale operare alla temperatura
ottimale di 35 °C.
È importante che la sospensione venga
agitata uniformemente e almeno dopo ogni
pesatura.
Se l'esperimento viene condotto a temperatura ambiente, è consigliabile l'impiego di un
mescolatore magnetico.
La valutazione è effettuata usando il metodo
mostrato nell'esempio sotto. I valori sono
stati ricavati a temperatura ambiente (19 °C).
si mostra così cosa si può fare nel campo
dell'attività di fermentazione con apparecchiature molto semplici.
51
51
Biologia
Dopo un inizio lento (fase di induzione), la reazione si accelera per procedere quindi a una
velocità costante, che diminuisce proporzionalmente alla riduzione del contenuto di zucchero.
La reazione completa richiede parecchie ore.
A 35 °C, è possibile ottenere una curva leggermente a «S» entro 90 minuti.
Il rendimento di CO2, ottenuto impiegando una determinata quantità di zucchero, viene calcolato stechiometricamente (48.8%). Di conseguenza, nel nostro esperimento, si dovrebbero
sviluppare 2.44 g di anidride carbonica (va tenuto presente, tuttavia, che una parte del materiale di lievito pressato consiste di sostanze fermentabili).
Possibilità ulteriori
È possibile stabilire la dipendenza dell'attività di fermentazione dai seguenti fattori:
– dalla temperatura
es.: nel campo 0 – 60 °C, con determinazione della temperatura ottimale. A questo punto,
viene dimostrata anche la regola che governa la dipendenza della velocità di reazione dalla
temperatura.
– dalla quantità di cellule di lievito o dalla quantità di enzimi
Esperimenti con quantità diverse di lievito, per esempio, da 2 a 20 g
– dalla quantità di zucchero
Per esempio, esperimenti con 2,5, 5, 10 e 20 g di zucchero
– dal tipo di zucchero
– dal valore di pH
Da fosfato di sodio e da fosfato diidrogenato di sodio vengono preparate soluzioni tampone
diverse e viene rilevato il valore di pH relativo. Il valore ottimale si trova nel campo di debole
acidità.
– dall'agitazione
In quale misura un'agitazione o miscelazione accurata promuove l'attività di fermentazione?
– da nutrienti
Effetto dell'estratto di carne, di solfato di ammonio e di fosfato diidrogenato di potassio nel
substrato.
– da conservanti e disinfettanti
Per esempio, si può controllare l'acido sorbico conservante, aggiunto sotto forma di sorbato
di potassio in quantità varie (100, 250, 500, 1000 e 2000 mg).
Osservazioni conclusive
Per ottenere dei risultati comparabili, vanno osservate le seguenti regole:
– In tutti gli esperimenti, va impiegato lo stesso tipo di lievito e questo deve essere fresco.
– Per evitare urti che potrebbero influire negativamente sui risultati sperimentali, le beute
coniche vanno sempre raccolte, trasportate e disposte attentamente.
– Conducendo gli esperimenti a temperature diverse, le pesature vanno eseguite il più rapidamente possibile al fine di mantenere il raffreddamento o il riscaldamento entro limiti
accettabili.
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