Realizzazione di un semplice rivelatore per il biossido di carbonio ($CO_2$) con una soluzione di acqua di calce. Può essere utilizzato per rivelare la $CO_2$ prodotta dai saccaromiceti durante la fermentazione, dai viventi durante la respirazione, in una combustione o in qualunque altro processo in cui si sviluppi $CO_2$.
Scheda sintetica delle attività
Si costruisce un semplice rivelatore per il biossido di carbonio ($CO_2$) utilizzando una soluzione satura di acqua di calce.
La soluzione si prepara utilizzando calce spenta, o idrossido di calcio $Ca(OH)_2$, reperibile presso negozi di ferramenta e materiali per l'edilizia.
Facendo flussare gas contenente $CO_2$ nella soluzione questa, da trasparente, diventa opaca.
Risorse necessarie
Per le osservazioni qualitative:
bottiglia alta a collo largo (quelle in vetro della salsa di pomodoro vanno benissimo);
calce spenta [Nota 1]. Si compra (o si chiede un po’ in regalo da un sacco aperto, visto il costo irrisorio) da chi vende materiali per costruzione o da una ferramenta ben fornita;
becker o bicchieri, anche di plastica, purché trasparenti;
cannucce;
siringa grande (> 10 cc se possibile).
Per realizzare un apparato per misure quantitative (vedi Figura 2 dello svolgimento):
beuta con acqua di calce;
tappo di gomma con due fori;
tubicino a gomito con terminazione capillare;
tubicino dritto;
tubicino in gomma;
pinza per il bloccaggio del tubo di gomma;
scala graduata;
cronometro.
Note
La calce spenta o grassello di calce è idrossido di calcio $Ca(OH)_2$. È una polvere bianca prodotta per idratazione a secco dell'ossido di calcio (denominato anche calce o calce viva). ATTENZIONE, la calce viva è fortemente irritante, non va confusa con la calce spenta e non va utilizzata in questo esperimento.
Prerequisiti necessari
Rudimenti sulle reazioni chimiche.
Obiettivi di apprendimento
Analizzare i processi che avvengono durante la respirazione nei viventi (biologia);
rivelare la CO2prodotta dai saccaromiceti durante la fermentazione;
analizzare i gas prodotti da reazioni chimiche opportunamente scelte (previsione in base alle formule di reazione, verifica);
determinare la quantità di CO2 prodotta in una reazione chimica;
analizzare un processo di combustione.
Dotazioni di sicurezza
Nessuna
Svolgimento
Preparazione dell’acqua di calce
L’acqua di calce non la si compra (è al 99,83% acqua!), ma la si prepara unendo ad un litro d’acqua demineralizzata circa 50 grammi di calce spenta (grassello di calce) Ca(OH)2. Dopo vigorosa agitazione si lascia decantare la soluzione, finché essa diventa limpida con un corpo di fondo. Durante tutta la procedura è meglio che il contenitore rimanga chiuso, per evitare che si verifichi la carbonatazione dell’idrossido.
E' opportuno preparare la soluzione il giorno precedente a quello del suo utilizzo, in modo che la polvere di calce abbia il tempo di depositarsi completamente. In questo modo la soluzione risulterà perfettamente limpida. Facendo attenzione durante il travaso a non intorbidire la soluzione, si preparano diversi bicchieri contenenti l’acqua di calce. Uno di essi viene tenuto come riferimento.
Cosa succede nell’acqua di calce in presenza di CO2 : L'idrossido di calcio è un composto con formula chimica $Ca(OH)_2$ . La reazione tra acqua di calce e anidride carbonica è: $$Ca(OH)_2 + CO_2 \longrightarrow CaCO_3 + H_2O$$ Nella soluzione si forma quindi una sospensione di particelle di carbonato di calcio e la soluzione, da limpida, diventa torbida. La stessa cosa si può fare con $$CBa(OH)_2 + CO_2 \longrightarrow BaCO_3 + H_2O$$
Osservazioni Rivelare la CO2 prodotta durante la nostra respirazione:
in un bicchiere si fa gorgogliare aria con una siringa grande → non succede nulla;
In un altro si soffia “aria” dalla bocca con una cannuccia → la soluzione dopo un po’ diventa torbida.
Rivelare la CO2 prodotta dai saccaromiceti nel processo di fermentazione (vedi esperimento BIO-47 “fermentazione e lievitazione”):
Si prende uno (o più) dei palloncini gonfiati dalla fermentazione. Avendo cura di non far entrare aria nel palloncino, si svuota il gas nell’acqua di calce → la soluzione diventa torbida.
Rivelare la CO2 prodotta durante una combustione:
Su suggerimento di uno degli studenti, abbiamo usato l’acqua di calce per evidenziare la produzione di $CO_2$ durante una combustione: l’apparato, semplicissimo, è mostrato nella figura 1: si fissa una candela al centro di una scodella o di un piattino che contiene l’acqua di calce. Si capovolge poi un barattolo di vetro sopra la scodella. La candela brucia ancora per qualche secondo producendo $CO_2$, e l’acqua di calce nella scodella si intorbida. Può essere necessario ripetere più volte la procedura per osservare un intorbidimento della soluzione se la candela tende a spegnersi troppo velocemente.Figura 1: rivelazione della prodotta durante una combustione.
Realizzazione di un apparato per misure quantitative.
In figura 2 si mostra la realizzazione di un possibile apparato per misure quantitative (vedi la sezione strumenti e attrezzature). Il gas $CO_2$ (per esempio quello prodotto durante la fermentazione) può essere immesso nella beuta contenente acqua di calce tramite il tubicino di sinistra, che può essere bloccato dalla pinza per poter misurare con precisione il tempo di immissione. Il capillare di destra è chiuso da una goccia di liquido, di cui si registra la posizione iniziale $S_0$. Quando l'esperimento inizia, si consente il flusso di gas dal tubicino di sinistra rimuovendo la pinza di blocco e facendo partire il cronometro. La goccia di liquido inizierà a spostarsi verso destra. Il volume di gas immesso in un intervallo di tempo Δt sarà quindi proporzionale al volume $\Omega = (S-S_0) \dot \pi r^2$, dove $S$ è la posizione raggiunta dalla goccia nel tempo $\Delta t$ e $r$ è il diametro interno del capillare. La velocità con cui il gas è stato prodotto può essere valutata dal rapporto $\frac{\Omega}{\Delta t}$.
Figura 2: apparato per la rivelazione e la misura della $CO_2$.
Nota bene: Il gas che entra nella beuta si combina in parte con l'acqua di calce secondo le reazioni indicate in precedenza, quindi il volume misurato non è uguale ma proporzionale a quello del gas realmente prodotto. Il vantaggio di questa configurazione è che si può visualizzare contemporaneamente l'aumento di volume e l'intorbidimento dell'acqua di calce. Consente comunque di effettuare misure comparative fra due reazioni che producono quantità di $CO_2$ differenti nello stesso intervallo di tempo, per esempio valutando l'effetto della temperatura o del tipo di nutriente durante la fermentazione.
Note e storia
NOTE STORICHE
L’acqua di calce fino a un secolo fa o poco più è stata il principale protagonista del consolidamento delle strutture lapidee [4]. Non si deve confondere questa soluzione, limpida e stabile, con il latte di calce, ovvero una dispersione lattescente del solito idrossido di calcio, che tende da un lato a separare, e, se applicata sulle superfici, a depositare una patina bianca di carbonato di calcio. La reazione è la carbonatazione che anche noi utilizziamo per costruire il rivelatore: $$Ca(OH)_2 + CO_2 \longrightarrow CaCO_3 + H_2O$$
Il carbonato di calcio prodotto si lega alla struttura sottostante. E proprio su questa si basa la forza del metodo: depositare lo stesso materiale che costituisce il legante delle pietre carbonatiche e delle malte storiche, in analogia all’azione del silicato sulle pietre di tipo siliceo. Quindi la totale compatibilità.
L’avvento di altri tipi di consolidanti ha ridotto l’impiego dell’acqua di calce a pochi sporadici casi, ma l’interesse sull’argomento è indubbiamente ancora vivo [Fontanini et al.].
Bibliografia
I. Marini “Riscoprire uno storico enzima: l’amilasi”, CnS - La chimica nella scuola, (Aprile-giugno 2007), 69-77;
I. Marini “Discovery an accessible enzyme: salivary alpha-amylase” Biochemistry and Molecular Biology Education 33 (2005), 112-116;
Fontanini A., Ghezzi V., Rancilio D., Sala L., Scala B., “Ancora sull’acqua di calce: il restauro della Cappella Cavalcabò nella chiesa di S.Agostino in Cremona a dieci anni dall’intervento” XXIII Convegno Scienza e Beni Culturali, Bressanone (2007), 497-507.
