Lo scopo di questo esperimento è acquisire una metodologia per effettuare praticamente le operazioni di separazione dei miscugli, in particolare di un miscuglio eterogeneo. Nei miscugli eterogenei le componenti si possono individuare ad occhio nudo o al microscopio, e la loro separazione può essere effettuata con un metodo di tipo fisico, quale distillazione, filtrazione, cromatografia, decantazione.
Nell'esperimento scelto si prepara un miscuglio di solfato di rame pentaidrato e sabbia. Successivamente, si separano le singole componenti mediante separazione della filtrazione. L'obiettivo è separare il solfato di rame puro in cristalli mediante una successiva cristallizzazione; l'esperimento risulta di solito molto accattivante e coinvolgente per l'intensa colorazione turchese dei cristalli di solfato di rame. Per tale motivo è consigliato per le classi prime.
Scheda sintetica delle attività
Suddividere la classe in gruppi di lavoro da quattro alunni per gruppo;
assegnare ad ogni gruppo un becker con una modesta quantità di miscuglio di solfato di rame pentaidrato e sabbia;
aggiungere acqua per formare una soluzione;
procedere alla filtrazione;
raccogliere il filtrato;
effettuare la cristallizzazione.
Risorse necessarie
Becker di vetro;
imbuto di vetro;
asta semplice di supporto da laboratorio;
anello di supporto per imbuto in metallo;
filtro in carta;
bacchetta in vetro;
acqua distillata;
porta provette;
cristallizzatore;
piastra riscaldante o bunsen;
solfato di rame pentaidrato;
sabbia.
Prerequisiti necessari
Conoscenza dei concetti di miscuglio omogeneo ed eterogeneo;
concetto di cristallo;
concetto di cristallizzazione;
concetto di densità;
concetto di soluzione;
manualità minima di laboratorio nel maneggiare vetreria, pipette, filtri, bunsen;
concetto di filtrazione.
Obiettivi di apprendimento
Acquisizione dei concetti di :
filtrazione;
cristallizzazione;
separazione di componenti di un miscuglio;
miscibilità delle sostanze.
Dotazioni di sicurezza
Maneggiare la vetreria con cautela;
indossare guanti e camice.
Svolgimento
Premessa
Molti corpi sono formati da un insieme di più materiali. In tale insieme le sostanze mantengono comunque intatte le loro caratteristiche, e sono sempre separabili con metodi fisici. E' possibile, cioè, ritornare alle componenti di partenza separandole con l'opportuno metodo fisico. I composti invece, si formano in seguito a una reazione chimica, che da origine a una sostanza completamente nuova, diversa, per caratteristiche e proprietà, da quelle di partenza. I miscugli si dividono in omogenei ed eterogenei. Nei miscugli omogenei i componenti di partenza si mescolano così bene da non essere più distinguibili, né ad occhio nudo, né al microscopio, come ad esempio le soluzioni. Nei miscugli eterogenei, invece, le componenti si possono individuare ad occhio nudo o al microscopio.
Per introdurre l'argomento si è stimolata la riflessione e il brain-storming tra i ragazzi, esponendo concetti tratti dalla teoria e facendo alcuni esempi concreti di miscugli eterogenei, tratti dalla vita quotidiana, quali acqua e olio, acqua e sabbia, zolfo e limatura di ferro, sale e pepe macinato.
Realizzazione
Prima di iniziare è stato chiesto ai ragazzi quale metodo avrebbero suggerito per effettuare la separazione. Si sono valutati i vantaggi e svantaggi dei principali metodi. Al termine della discussione si è scelto il metodo della filtrazione, dopo aver portato in soluzione il solfato di rame diluendolo in acqua. La filtrazione consiste nella separazione delle due fasi attraversa una carta da filtro, che lascia passare il liquido, ma trattiene le parti solide. Oltre alla gravità, si sfrutta la porosità del filtro, grazie alla quale le particelle di liquido possono passare, mentre quelle più grosse vengono trattenute.
Alla fine per riottenere i cristalli di solfato di rame puro, si deve sfruttare anche il metodo della cristallizzazione, che consiste nel separare sotto forma cristallina un solido da una sua soluzione resa satura dall’evaporazione del solvente. Si generano cristalli tanto più grandi quanto più lenta è l’evaporazione del solvente.
La classe è stata divisa in gruppi da quattro studenti ciascuno e ad ogni gruppo è stato consegnato un becker con una certa quantità di solfato di rame ed un recipiente con la sabbia. Ogni gruppo ha mescolato in uguali proporzioni sabbia e solfato di rame (figura 1).
Figura 1: miscuglio di sabbia e solfato di rame
Si porta quindi in soluzione il solfato di rame con acqua distillata. Nel caso in cui il solfato rameico avesse difficoltà a disciogliersi nell'acqua, si fa ricorso alla piastra riscaldante come mezzo per scaldare la soluzione, così da favorire ulteriormente il fenomeno, e all’agitazione meccanica con la bacchetta di vetro. Il risultato si presenta come un soluzione acquosa di solfato rameico, mista a granuli di sabbia, i quali manterranno il loro stato originale (figura 2). Essi non subiranno alcuna variazione causata dalla dissoluzione; si ottiene quindi una sospensione della sabbia nella soluzione, finché il solido non si depositerà sul fondo del contenitore, a causa della sua maggiore densità.
Figura 2: riscaldamento della soluzione e prodotto finale
Successivamente, si ricorrerà alla tecnica della filtrazione, usufruendo dell'imbuto e del filtro in carta. Si monta sull’asta di supporto l’anello di sostegno, su cui si appoggia l’imbuto di vetro. Si costruisce un filtro con la carta, piegandola più volte. Il filtro deve essere imbevuto con qualche goccia d’acqua per farlo aderire perfettamente all’imbuto (figura 3)
Figura 3: montaggio dell'imbuto e realizzazione del filtro
Si versa la soluzione mista a sabbia nell’imbuto e, ponendo l'altro becher vuoto al di sotto della struttura, si potrà raccogliere il filtrato: la componente solida, la sabbia, sarà trattenuta dal filtro, mentre la soluzione acquosa lo oltrepassa (figura 4). Come risultato, si noterà una netta separazione tra gli elementi del miscuglio eterogeneo, e si otterrà una soluzione di solfato di rame in acqua di un bel colore azzurro intenso.
Figura 4: raccolta del filtrato
Tale soluzione verrà poi versata in un cristallizzatore: un contenitore di vetro nel quale grazie alla base molto ampia aumenta la superficie di contatto della soluzione con l'aria e quindi favorisce il processo di evaporazione (figura 5a). Si è quindi sottoposta a cristallizzazione, riottenendo il solfato rameico allo stato di solido cristallino, sostanza pura omogenea. E’ possibile accelerare il processo riscaldando la soluzione con una piastra o con il bunsen (figura 5b).
Figura 5: la cristallizzazione
Il risultato, osservato dopo una settimana, è quello atteso: sul fondo del cristallizzatore si sono ottenuti i cristalli puri di solfato di rame (figura 6).
Figura 6: i cristalli ottenuti
E’ importante dedicare molta attenzione e delicatezza a ogni operazione, anche se apparentemente semplice. Durante la filtrazione, infine, in un gruppo di lavoro il filtro si è bucato accidentalmente, annullando tutto il lavoro eseguito in precedenza.
Sono emerse diverse piccole osservazioni e scoperte durante la realizzazione dell'esperimento: per esempio, la constatazione che la soluzione acquosa di solfato rameico è endotermica, dato che la dissoluzione delle parti di massa maggiore del minerale è stata evidentemente favorita dal calore prodotto dalla piastra riscaldante. Un’altra osservazione è che la soluzione passa in modo estremamente lento attraverso il filtro, che presenta quindi pori molto piccoli.
Inoltre, più volte si piega il filtro, meglio esso aderirà alle pareti dell'imbuto; per evitare che il liquido filtrato schizzi sul bancone quando arriva nel becker, è utile far aderire l'estremità dell'imbuto con il bordo del recipiente.
Infine abbiamo verificato che con questo metodo si possono separare i miscugli eterogenei ma non quelli omogenei, infatti il miscuglio di acqua e solfato ci è passato attraverso con facilità.
Note e storia
I miscugli presentano molti agganci concreti alla vita quotidiana, in quanto moltissime sostanze di uso comune sono miscugli omogenei o eterogenei. Fin dall’antichità infatti si sono mescolate diverse sostanze per ottenere miscugli utili, quali ad esempio i saponi (miscugli di cenere e grasso animale), le farine con acqua a scopo alimentare, sostanze estratte dalle erbe mescolate a sostanze grasse per formare coloranti, farmaci e per migliorare l’igiene personale.
Il solfato di rame inoltre viene usato in soluzione come anticrittogamico e fungicida in agricoltura. Ha proprietà biocida nei confronti di funghi, alghe e batteri. Usato a partire all'incirca dalla seconda metà del XIX secolo, ha una forte azione fitotossica, perciò i formulati commerciali contengono additivi che hanno lo scopo di correggere il pH e ridurre la tossicità nei confronti dei vegetali, soprattutto in frutticoltura e viticoltura. Viene impiegato anche come geodisinfestante, impiegato per la disinfestazione dei substrati di semina in orticoltura. Viene utilizzato in minor misura anche come concime, e per curare infezioni di parassiti in pesci d'acquario.
Bibliografia
Bagatti Corradi Descoropa - La chimica intorno a noi (LM) Dalla materia al legame – Zanichelli;
Valitutti Falasca – Chimica concetti e modelli.blu Dalla materia all’atomo – Zanichelli;
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