Riassunto / Abstract

Il mantenimento degli ecosistemi naturali in uno stato di equilibrio dinamico più o meno costante nel tempo è garantito dall'energia proveniente dal sole e dalla circolazione dei materiali tra i vari comparti della biosfera. Il ciclo del carbonio si inserisce in tale contesto e rappresenta il passaggio di materia ed energia attraverso le componenti abiotiche e biotiche dell'ecosistema. Dallo sviluppo coordinato e integrato di tali trasformazioni dipende l'esistenza e la buona salute del nostro pianeta.

Scheda sintetica delle attività

L'attività didattica è stata strutturata nelle quattro seguenti fasi operative:

1. IL CARBONIO NELL'ACQUA: Circa l'1% dell'anidride carbonica assorbita si converte in acido carbonico, un acido debole, il quale a sua volta si dissocia in ioni idrogeno, ioni bicarbonato e ioni carbonato. Con l'aumentare della concentrazione della $CO_2$ nell'acqua, aumenta la quantità di ioni idrogeno e conseguentemente si realizza un abbassamento del pH, ovvero una acidificazione dell'acqua.

2. IL CARBONIO NELL'ARIA: Nell'aria il carbonio si trova sotto forma di anidride carbonica, è presente in quantità inferiori allo 0,1%, nell'aria esalata dopo un respiro è circa il 4,5%. L'anidride carbonica è un gas incolore e inodore.

3. IL CARBONIO IN PRESENZA DI PIANTE ACQUATICHE: Per quanto riguarda le piante, esse se esposte alla luce assorbono anidride carbonica dall'atmosfera. Se acquatiche assorbono $CO_2$ dall'acqua. Attraverso la fotosintesi clorofilliana anidride carbonica e acqua vengono convertiti in glucosio e ossigeno. In assenza di luce, ciò non avviene ed anche le piante emettono anidride carbonica in conseguenza della respirazione cellulare.

4. IL CARBONIO NELLE SOSTANZE ORGANICHE: In seguito al contatto di una roccia carbonatica, un osso o un guscio d'uovo con acido cloridrico $HCl$ diluito al 5%-10%, si sprigiona gas, la reazione di dissociazione del carbonato con sviluppo di anidride carbonica è detta effervescenza.

Risorse necessarie

Un pezzetto di marmo e un guscio d'uovo;
due ossa piatte di pollo (clavicole / ossa dell'ala) crude;
piccoli frammenti di ossa crude;
acido cloridrico al 15%;
vaso di vetro con coperchio;
contagocce;
crogiolo e pestello;
pinze di ferro;
becco bunsen;
cartina tornasole;
blu di bromotimolo;
7 provettoni da 10ml;
tappi per provettoni;
cannucce;
carta stagnola;
Elodea canadensis;
pinze di legno.

Prerequisiti necessari

Conoscere i componenti di un ecosistema;
comprendere il meccanismo che regola il flusso dell'energia dal solo alla biosfera;
conoscere i processi geochimici che regolano il trasferimento e la disponibilità della materia;
conoscere i processi biologici quali catena alimentare e reazioni metaboliche;
saper osservare, descrivere ed indagare semplici fenomeni appartenenti alla realtà naturale attraverso la didattica laboratoriale;
saper utilizzare il bunsen, soluzioni acide, materiali e strumentazione richiesti.

Obiettivi di apprendimento

Sestire adeguatamente grandezze, unità di misura, grafici e relazioni, pH, indicatori;
utilizzare un linguaggio appropriato e corretto dal punto di vista scientifico per: comunicare le informazioni, spiegare fenomeni, partecipare a discussioni;
avere la consapevolezza che le singole azioni e i comportamenti possono avere impatti negativi sull'ambiente naturale e le sue risorse;
promuovere la costruzione cooperativa del sapere (apprendimento cooperativo), in uno spazio attrezzato e gestito nel quale fare esperienze insieme ad altri;
comprendere la complessità del reale.

Dotazioni di sicurezza

Occhiali, camice, guanti.

Svolgimento

Introduzione

Il ciclo del carbonio viene suddiviso in un ciclo biologico e in un ciclo geochimico.

Il ciclo biologico riguarda il passaggio del carbonio dalle piante agli animali e all'ambiente; il ciclo geochimico il passaggio dalle rocce sedimentarie superficiali, all'atmosfera, alla biosfera e all'idrosfera.

Di fondamentale importanza in entrambi i cicli è il ruolo dell'anidride carbonica. L'anidride carbonica, presente nell'atmosfera, viene assorbita dalle rocce quando queste vengono alterate e dalle piante nel corso della fotosintesi; la fotosintesi produce tutto il carbonio organico dell'ecosfera.

Il carbonio rimane immobilizzato per tempi più o meno lunghi nelle sostanze organiche degli organismi morti e nei rivestimenti rigidi esterni, impregnati di carbonato di calcio, di molluschi o di altre specie animali.Il carbonio viene così sottratto al serbatoio atmosferico mano a mano che questi materiali si depositano sotto forma di sedimenti, che vengono a loro volta incorporati nella crosta terrestre.

Nel medesimo tempo, sostanze organiche e calcari antichi vengono erosi e alterati chimicamente dagli agenti atmosferici. Con l'ossidazione delle sostanze organiche e la dissoluzione dei carbonati l'anidride carbonica è restituita al sistema dinamico e lo mantiene in equilibrio.

L'approccio didattico è stato la lettura di un articolo di giornale sulle conseguenze dell'aumento dell'effetto serra.( innalzamento del livello dei mari, modifica dei climi della Terra , caratteristiche degli ecosistemi). La lettura ha richiamato negli studenti conoscenze quali:

la composizione e la struttura dell'atmosfera;
il flusso di energia attraverso l'atmosfera;
i rapporti viventi-ambiente;
l'inquinamento ambientale.

Gli studenti hanno affrontato un dibattito vivace sulla base delle conoscenze pregresse e condotti dall'insegnante sono giunti ad attribuire, fra le diverse cause, al biossido di carbonio un ruolo predominante rispetto agli altri gas, a loro meno noti. Come si produce, dove si accumula, come si consuma e come si ricicla sono state le domande che hanno stimolato la curiosità e l'interesse ad affrontare l'attività sperimentale. Le misconoscenze più comuni riguardano lo strato dell'ozono, viceversa in merito all'effetto serra sono ormai ben documentati. A mio parere bisogna rafforzare il concetto di equilibrio dinamico e di circolarità, concetti che in biologia ricorrono ripetutamente (ciclo cellulare, ciclo di Krebs-Calvin, mestruale, biogeochimico alcuni esempi). Il mantenimento degli ecosistemi naturali in uno stato di equilibrio dinamico più o meno costante nel tempo è garantito dall'energia solare e dalla circolazione dei materiali tra i diversi comparti della biosfera. E' il passaggio di materia ed energia che attraversa le componenti biotiche e abiotiche che è alla base di tutti i fenomeni naturali che si verificano nell'atmosfera e sulla superficie terrestre. Al termine si invitano gli studenti ad una riflessione sul fatto che soltanto comportamenti consapevoli e che consentono uno sviluppo coordinato e integrato di tali processi permetterà l'evoluzione dell'intero pianeta.

IL CARBONIO NELL'ACQUA (vedi video in allegato)

Circa l'1% dell'anidride carbonica assorbita si converte in acido carbonico, un acido debole, il quale a sua volta si dissocia in ioni idrogeno, ioni bicarbonato e ioni carbonato. Con l'aumentare della concentrazione della CO2 nell'acqua, aumenta la quantità di ioni idrogeno e conseguentemente si realizza un abbassamento del pH, ovvero una acidificazione dell'acqua.

Aggiungiamo alcune gocce di indicatore blu di bromotimolo in una serie di provettoni contenenti acqua, l'acqua si colora di giallo (acida per la presenza di acido carbonico), con l'aiuto di una pinza portiamo la provetta con la soluzione sul bunsen e lasciamo bollire fino a quando la soluzione non cambia colore e passa dal giallo all'azzurro (l'acido carbonico è evaporato sotto forma di biossido di carbonio e la soluzione ora è basica).

IL CARBONIO NELL'ARIA (vedi video in allegato)

L'anidride carbonica è un prodotto di rifiuto degli organismi animali (tutti gli animali che respirano ossigeno producono come gas di rifiuto l'anidride carbonica). Negli animali superiori, l'anidride carbonica viaggia nel sangue (in soluzione) andando dai tessuti del corpo ai polmoni, dove viene espirata (cioè viene espulsa con il respiro).

Riprendiamo la provetta utilizzata nell'esperienza precedente con la soluzione di colore azzurro e con l'aiuto di una cannuccia soffiamo con forza all'interno (l'aria espirata contiene biossido di carbonio che una volta in soluzione sposterà l'equilibrio verso la formazione dell'acido carbonico e la soluzione virerà al giallo).

IL CARBONIO NELL'ACQUA IN PRESENZA DI Elodea canadensis (vedi video in allegato)

Attraverso la fotosintesi clorofilliana anidride carbonica e acqua vengono convertiti in glucosio e ossigeno. In assenza di luce, ciò non avviene ed anche le piante emettono anidride carbonica in conseguenza della respirazione cellulare.

Prendiamo due provettoni contenenti acqua ed un rametto di elodea, copriamo uno dei due provettoni con la carta stagnola e lo riponiamo per 48 in un armadio lontano dalla luce. Passate le 48 ore scartiamo il provettone e lo appoggiamo in un porta provette assieme a quello lasciato alla luce solare, mettiamo ora alcune gocce di blu di bromotimolo in entrambe le provette ed osserviamo il colore dell'acqua: azzurra in una provetta e gialla nell'altra.

IL CARBONIO NELLE ROCCE E NELLE SOSTANZE ORGANICHE (vedi video in allegato)

In seguito al contatto di una roccia carbonatica, un osso o un guscio d'uovo con acido cloridrico $HCl$ diluito al 5%-10%, si sprigiona gas, la reazione di dissociazione del carbonato con sviluppo di anidride carbonica è detta effervescenza.

Raschia via dalle ossa del pollo i tessuti molli. Metti un osso in un vaso di vetro e coprilo con la soluzione di acido acetico o per accelerare i tempi di acido cloridrico. Chiudi il vaso e attendi almeno due giorni. Quando l'osso ti sembra diventato flessibile, toglilo dall'acido usando guanti e pinze e lavalo accuratamente con l'acqua corrente. Confronta l'osso trattato con quello non trattato. Prova a piegare l'osso trattato. Osserva cosa è successo. (l'osso ha perso la sua durezza, il carbonato di calcio ha reagito con l'acido).

Prendi ora altri pezzetti di ossa di pollo non trattati con l'acido e mettili in un crogiolo. Appoggia il crogiolo sul treppiedi. Accendi il becco bunsen e scalda ad alta temperatura. Riscalda l'osso fino a che non viene prodotto più fumo e il colore dell'osso passa a nero.(combustione delle sos. organiche quali le fibre proteiche che conferiscono elasticità e resistenza agli urti); continua il riscaldamento fino a che tutto il carbonio viene bruciato, l’osso passa dal colore nero a quello bianco, per la presenza di $CaO$. Osserva cosa è successo.

NOTA: operazione molto difficile, non si riesce a bruciare tutto il carbonio presente, bisognerebbe condurre la combustione in una muffola cosi ché la temperatura può raggiunge i 1000 ° C). In questa fase avviene una reazione chimica (reazione di calcinazione) che porta alla liberazione di anidride carbonica e alla produzione dell'ossido di calcio o calce viva: che rende l'osso fragile e poroso.

Prendi ora i pezzetti di osso così trattati e osserva con lo stereoscopio la struttura trabecolare e porosa dell'osso. Con un pestello riduci in polvere il frammento osseo, diluiscilo con acqua deionizzata e con la cartina tornasole determina il pH, a seguito della reazione avvenuta che previsione puoi fare?

Analogamente disponendo della muffola si può ripetere l'attività con un frammento di roccia calcarea, dopo la cottura i frammenti di pietra riducono il loro peso di circa il 40% a causa degli atomi di carbonio e ossigeno perduti, ed assumono una consistenza porosa. Inoltre il comune colore grigio del calcare viene perso e le pietre diventano per lo più bianche. Esse costituiscono la calce viva che commercializzata così com'è oppure ridotta in polvere, deve essere conservata in recipienti perfettamente ermetici, poiché è molto igroscopica.

Autori

Gallo Alessandra

Il ciclo del carbonio