Solvatazione di Sali, colloidi e germi cristallini
Chimica
Classi: 1° biennio e 2° biennio
-
Strumentazione di base
Percorso didattico
6 h
Min. 4
persone
Richiede precauzioni
Riassunto / Abstract
L’insieme di un soluto e di un solvente forma una soluzione. Molto spesso si tende a considerar le soluzioni omogenee ed eterogenee; risulta stimolante mostrare le proprietà di SISTEMI OMOGENEI (tratteremo solo le soluzioni acquose per semplicità) e SISTEMI ETEROGENEI detti colloidi e sospensioni, che costituiscono delle situazioni intermedie e per questo molto interessanti da esaminare.
Useremo il sistema IBSE (Inquiry Based Science Education). Dopo una prima fase di raccolta di “idee ingenue” e di modi di fare apparentemente banali come mescolare o agitare, si invitano i ragazzi a rispondere a domande chiave, attuando una strategia sperimentale da loro stessi pianificata, cercando di fare attenzione anche alla stesura di una relazione tecnica di procedura.
Partiremo con la previsione di cosa si può sciogliere in acqua e di COME tale sostanza si scioglie, per analizzare quali fattori possano incidere sulla solubilità (quantità di soluto, agitazione, tipo di soluto, mescolanza di soluzioni, temperatura del sistema) e analizzare alcune perturbazione del sistema nel corso del tempo: evaporazione, urto, penetrazione da parte di un raggio laser).
Scheda sintetica delle attività
Formazione di soluzioni insature, sature, sovrasature.
Valutazione del rapporto tra grammi e volume della soluzione.
Valutazione dell’effetto della temperatura sia durante il riscaldamento sia durante il raffreddamento.
Valutazione dell’effetto fornito dall’ambiente esterno sulla soluzione o sul colloide che si manifesta con l’uso di un laser, con l’insufflazione di aria espirata, con il tocco (urto) sulla superficie.
sostanze comuni: trielina, polvere di gesso, sale da cucina, aceto, zucchero, olio, alcool etilico, latte;
prodotti chimici: acqua distillata, allume di rocca, $NaOH,\ HCl,\ NaCl,\ KCl, Pb(NO_3)_2,\ KI, Ba(OH)_2$, $Ca(OH)_2,\ K_2SO_4,\ CuSO_4,\ KAl(SO_4)_2,\ CH_3COONa$.
Prerequisiti necessari
Concetto di miscuglio: eterogeneo, omogeneo e colloidale;
tecniche per separare i componenti di una miscela;
tecniche per recuperare il soluto;
passaggi di stato ed equilibrio tra fasi diverse.
Obiettivi di apprendimento
Concetto di concentrazione e solubilità;
capacità di "seriare" e classificare oggetti in base alle loro proprietà;
capacità di valutare il fenomeno della solvatazione;
valutazione delle caratteristiche delle miscele in risposta a fenomeni esterni al sistema;
uso corretto della vetreria e delle apparecchiature di precisione (in particolare bilancia, micropipette).
Dotazioni di sicurezza
Usare dispositivi di sicurezza individuali: camice, guanti, occhiali; attenzione all'uso di acido cloridrico e idrossido di sodio comunque diluiti; attenzione durante il riscaldamento di soluzioni: per le schede di rischio in ordine alfabetico vedere il sito seguente http://www.zetalab.it/schede/schedeA.html.
Svolgimento
FASI DEL METODO IBSE
Il metodo suggerisce di iniziare a parlare di un certo argomento, favorendo la manifestazione delle conoscenze “ingenue” degli studenti (5 minuti).
L’insegnante fa UNA domanda o UNA osservazione problematica.
Ogni studente su un foglio o sul quaderno IPOTIZZA una risposta (N:B. non deve essere solo quella che risponde alla domanda, ma deve essere una risposta dimostrabile sperimentalmente) dimostrabile con una certa azione o attività. (5 minuti).
I ragazzi si dispongono in gruppi già preparati e discutono con gli altri la procedura SCEGLIENDO E DEFINENDO poi una attività condivisa da tutti anche se a maggioranza [cercare di isolare le variabili] (5 minuti).
Si procede alla “prova” l’insegnante osserva e aiuta ( 20-30 minuti), non suggerisce ma può intervenire: ti ricordi cosa si voleva dimostrare? Come hai deciso di…? Come mai il risultato è diverso dall’atteso? Pensi di aver fatto tutto per bene?
I gruppi mostrano ed espongono (anche per scritto) agli altri, che intervengono e controllano (10 minuti).
Commenti (anche a casa): quale attività ha risposto al meglio? Cosa ho imparato? Gli altri hanno fatto meglio di noi? Abbiamo scelto la via migliore tra le proposte del nostro gruppo?
Il tempo totale necessario è di 6 ore compresa attività, raccolta ed analisi dati I concetti chiave: osservare la proprietà di solvatazione da parte del solvente, valutazione del sistema che si forma e si modifica in base alle nostre azioni
Esperienza 1
(Tempo 1 ora)
Definiamo una soluzione
I ragazzi mescolano varie sostanze solide e liquide con acqua: solfato di rame, trielina, polvere di gesso, sale da cucina, aceto, zucchero, olio, alcool etilico. Osservano e descrivono, quello che succede mescolando, si raccolgono i dati delle osservazioni in una tabella per arrivare a concludere che ogni miscuglio presenta caratteristiche diverse e che esistono sostanze solubili e insolubili in acqua (figura 1).
Figura 1: osservazione e descrizione di miscele varie
Discussione
D. Perché ci è sembrato normale agitare con una bacchetta la soluzione?
R. Per farla sciogliere più velocemente.
D. L’agitazione sostituisce il riscaldamento?
R. Sì per sostanze che comunque si sciolgono facilmente.
D. Che cosa è la mescolanza di acqua e olio?
R. E’ una stratificazione perché non si mescolano neppure se agitiamo, perché l’olio è più “leggero”
D. Quindi non è una soluzione come possiamo definirla?
R. E’ una sospensione, un galleggiamento
Illustrare che durante lo scioglimento si genera il seguente sistema: $$MX \longrightarrow M^+ + X^- - Q$$ avviene quindi una reazione endotermica in seguito alla rottura dell’edificio solido più o meno cristallino. Inoltre durante la solvatazione avviene la reazione esotermica: $$M^+ + X^-\ in\ H_2O \longrightarrow M^+_{acq} + X^-_{acq} + Q$$ Di solito la solubilità cresce al crescere della temperatura, ma in alcuni casi come $Li_2CO_3$ e $Ce_2(SO_4)_3$ diminuisce al crescere di T.
Conclusioni
Anche in questo esempio la termochimica dei sistemi genera un equilibrio tra Entalpia ed Entropia, sarà la combinazione tra queste due variazioni che determinerà se si formerà una soluzione. Da considerare che il calore di idratazione è sempre esotermico, ma viene coinvolta anche l’energia reticolare del soluto solido che si disperde per cui durante la formazione di una soluzione si possono avere variazioni di calore.
Non solo l’entropia è direttamente collegata al numero di moli che si sciolgono, quindi ai gradi di libertà delle particelle, e tende sempre ad aumentare nella mescolanza soluto solvente. Per concludere una sostanza con entalpia di soluzione >0 si scioglie solo se l’entropia è sufficientemente grande.
Si possono distinguere due tipi di materiali: quelli che si sciolgono in acqua e quelli che rimangono in sospensione ovvero formano delle emulsioni. Una sostanza è solubile in acqua quando, dopo averla mescolata con acqua, non è più visibile perché si è completamente sciolta: il miscuglio che si ottiene è limpido e trasparente e prende il nome di soluzione. In una soluzione il solvente (il componente presente in maggiore quantità) e il soluto (il componente presente in quantità minore, che si scioglie).
Sempre comunque ” il simile scioglie il simile”
Esperienza 2
(Tempo 1 – 2 ore)
Quanto sale si scioglie nell’acqua? Concentrazione di una soluzione e formazione di un precipitato.
Parte a
Iniziare utilizzando sostanze colorate solfato di rame, la differenza di concentrazione viene evidenziata dalla differenza dell’ intensità del colore.
Discussione
D. Osservate questi becker contenenti soluzione di solfato di rame, perché la soluzione ha un colore diverso?
R. perché in uno c’è più soluto e nell’altro di meno.
D. ma se la soluzione fosse trasparente?
R. Bisogna sapere quanto materiale è stato pesato e poi sciolto, oppure bisogna allontanare l’acqua per evaporazione e recuperare e pesare dopo il soluto.
Parte b
Procedere a mescolare sempre maggiori quantità anche di normale NaCl finché non si scioglie più (saturazione).
Discussione
D. Se la soluzione iniziale viene lasciata all’aria senza riscaldare cosa potrebbe succedere?
R. l’acqua evapora e il sale solidifica come succede al mare.
Figura 2: preparazione di soluzioni colorate
Parte c
In seguito facciamo riferimento a soluzioni di sostanze incolori. Mescoliamo adesso $Pb(NO_3)_2$ e $KI$ (questa attività è anche la dimostrazione della legge di Lavoisier). E mescoliamo anche $NaCl$ con $AgNO_3$.
Figura 3: colorazione a partire da sostanze incolori.
Parte d
In seguito possiamo provare a insufflare aria (espirata $CO_2$) in una soluzione di $Ba(OH)_2$ o $Ca(OH)_2$ (preparate a caldo facendo poi raffreddare e filtrando per farle diventare trasparenti). Appena aggiungiamo $CO_2$ reagiscono formano un carbonato insolubile che precipita manifestando una colorazione bianco lattescente.
Conclusioni
Infine si discute sulla solubilità di varie sostanze solide in relazione alla temperatura (figura 4).
Figura 4: solubilità di sostanze varie in funzione della temperatura.
La conclusione corretta sarà che il colore visibile dipende in alcuni casi dalla quantità di soluto messo nell’acqua e la verifica dovrebbe avvenire facendo evaporare l’acqua e pesando il soluto che rimane nel bicchiere, altre volte dalla comparsa di sostanze molto meno solubili che tendono a precipitare.
Alla fine il docente formalizzerà che una soluzione può definirsi diluita, o più o meno concentrata in base alla quantità di soluto presente nell’acqua. O ancora satura, in presenza di corpo di fondo.
Esperienza 3
(Tempo 1 ora)
Preparazione di soluzioni a titolo noto
Questa parte è solo di calcolo e di manualità nell’uso della vetreria e delle micropipette
Attenzione alle norme di sicurezza in laboratorio: anche se diluiti gli acidi e le basi possono essere corrosivi e caustici.
Materiale: soluzione di NaOH 1 M e soluzione di HCl 0,1 M
Procedimento:
preparare 25 ml di soluzione di NaOH 0,03 M;
preparare 35 ml di soluzione di NaOH 0,05 M;
preparare 15 ml di soluzione di HCl 0,025 M;
preparare 30 ml di soluzione di HCl 5. 10-3 M;
compilare la tabella 1.
Tabella 1
Discussione : Rispondi alle seguenti domande:
Come si usa la micropipetta graduata?
Quali errori pensi di avere commesso?
Quale è stato il volume finale più difficile da prelevare?
A che cosa serve il doppio scatto nella micropipetta?
Che cosa potrebbe succedere mescolando la soluzione n. 4 con la soluzione n. 2?
Esperienza 4
(Tempo 1 ora)
Ghiaccio caldo
Discussione
D. Oggi fa freddo mi sono portata lo scaldamani, sapete che cos’è?
R. E’ una cosa che si compra in una bustina è liquida ma poi si spinge un dischetto e si indurisce e scalda?
D. Ma si usa un volta sola?
R. No si usa tante volte basta metterlo sul termosifone o in acqua bollente e ridiventa liquido. Ma la cosa che è nel sacchetto si può fare in laboratorio?
Materiale : Acetato di sodio 16 g in 100 ml acqua distillata; alternativamente:
460 ml di acqua;
40 ml di ac acetico glaciale;
56 g di $NaHCO_3$.
Figura 5: ghiaccio caldo Procedimento:
Sciogliere in acqua l'acetato di sodio, portando all’ebollizione mescolando continuamente, quando si è completamente sciolto, versare la soluzione in un becker. Attenzione a non versare della polvere non disciolta.
Raffreddare il becker con la soluzione nel frigorifero per un'ora o trenta minuti. In questa fase del procedimento stai portando la temperatura sotto quella alla quale la soluzione è satura. Normalmente i cristalli disciolti cristallizzano di nuovo dopo essere stati raffreddati, ma in questo caso, poiché l'acetato di sodio è in una soluzione supersatura, potrà "superaffreddarsi", raggiungendo una temperatura inferiore a quella di normale cristallizzazione senza cristallizzarsi.
Versare la soluzione in un becker. Fare attenzione a non versarla, e assicurarsi che la soluzione non entri in contatto con dell'acetato di sodio solido.
Toccare la soluzione con dell'acetato di sodio solido su uno stuzzicadenti. La soluzione dovrebbe diventare solida appena la toccherai. Introducendo un "seme" di cristallo, hai appena creato un centro di nucleazione, scatenando il processo di solidificazione. Metti le mani vicino all'esterno del contenitore. Dovrebbe irradiare calore (il solido sarà a 54°C) perché la formazione dei cristalli rilascia energia. È per questo motivo che l'acetato di sodio viene usato nei cuscinetti termici e negli scaldamani.
Conclusioni
Siamo di nuovo di fronte ad un sistema in cui Entalpia ed Entropia giocano un ruolo altalenante che assorbe ed emette energia, un modo divertente per familiarizzare con il concetto si sistema e di ambiente di reazione.
Esperienza 5
(Tempo 1 ora) L'effetto Tyndall è quell'effetto ottico che rende visibile la luce.
I ruoli si invertono i ragazzi domandano e l’insegnante risponde.
Discussione
D. Qualcuno potrebbe dire: Ma come, la luce non è visibile di per sé? R. No. I fotoni sono totalmente invisibili, a meno che non interagiscano con particelle solide che ne mettano in evidenza la presenza. Nel vuoto assoluto c'è il buio assoluto. Così nei filmati Nasa che mostrano le missioni spaziali lo spazio appare buio.
D. E dove finiscono i fotoni provenienti dal Sole? R. Da nessuna parte! Ci passano davanti, ma noi non li vediamo, perché essi non interagiscono con nulla e quindi, non entrando nel nostro occhio, non producono alcun effetto visivo. Ben diverso è, invece, quanto accade la mattina quando apriamo la finestra e facciamo le pulizie spolverando: i raggi del Sole che entrano dalla finestra diventano visibili. In realtà i fotoni che arrivano dal Sole colpiscono i granelli di polvere, che altrimenti sarebbero quasi invisibili, e vengono diffusi verso i nostri occhi. Questo fenomeno, studiato da Tyndall, si chiama light scattering.
Procedere a riempire le cuvette da colorimetria con acqua e quantità di gocce di latte successive (figura 6)
Figura 6: scattering della luce laser
In questa serie di foto si può notare che nella situazione iniziale l'acqua è completamene trasparente ad un raggio laser. Ma via via che si aggiunge il latte la soluzione si intorbida per effetto dell'aggiunta di particelle in sospensione (in questo caso di latte), il raggio luminoso diviene sempre più visibile all'interno della soluzione, mostrando il suo percorso. La luce diventa visibile per interazione con la materia colpita nel suo percorso.
Conclusioni
D. Allora anche la nebbia si vede per effetto Tyndall.
R. Certo. Semplificando molto possiamo dire che l'effetto si ha soltanto con i sistemi colloidali, cioè sistemi che sono "un po' in una terra di mezzo" fra le soluzioni e le sospensioni. Sono sistemi dati da almeno due sostanze pure, di cui una in quantità maggiore e l'altra in quantità minore, come le soluzioni (in tal caso però si parla di fase disperdente e fase dispersa) ma sono eterogenei come le sospensioni.
Dimensione media delle particelle < 2 nm: soluzione, omogenea; Dimensione media delle particelle ~ 10 \ 1000 nm: colloide, eterogeneo (effetto Tyndall); Dimensione media delle particelle > 1000 nm: sospensione, eterogenea.
Esperienza 6 (facoltativa)
(Tempo: vari giorni)
Cristallizzazione allume di rocca
Figura 7: allume di rocca
Concorso "il miglior cristallo" organizzato in occasione dell' "anno internazionale della cristallografia 2014" dall'università di Firenze
Primo giorno Preparare una soluzione sovra satura 20 grammi /100 ml di allume di potassio scaldare un po’ (non far bollire, portare a circa 60°C) e raffreddare in ambiente riparato.
Secondo giorno Si formano cristallini piccoli, filtrare scegliere allo stereoscopio i più simmetrici, attaccarne uno a un filo con superattack e sospenderlo immerso in un becker contenente una soluzione 10 grami/100 ml, in modo che non tocchi il fondo; porlo in ambiente riparato.
Terzo giorno e successivi
Asciugare con carta da filtro mai toccare per non lasciare impurità, preparare di nuovo la soluzione e appendere di nuovo il cristallo.
ATTENZIONE agli sbalzi termici e anche a non muovere! Tempo circa 15 giorni.
Il cristallo deve essere ben simmetrico, non ci sono limiti di grandezza, e più trasparente possibile
Si riassumono nella tabella 2 le attività svolte, le osservazioni principali fatte e le competenze acquisite con la realizzazione degli esperimenti.
Tabella 2: riepilogo delle attività e competenze
Note e storia
Alla base di tutta l’attività c’è la tradizione sperimentale della nostra scuola che dal 1972 ha avuto 5 percorsi diversi (di cui due scientifici uno più orientato verso la fisica-matematica ed uno più verso la biologia-chimica) dell’allora definita “maxisperimentazione” all’interno di una struttura liceale, con influenze storico umanistiche importanti che hanno inserito la storia e la filosofia della scienza come filone guida delle nostre attività sperimentali. Tali esperienze si traducono in un’attività stimolante e volta ad interessare i nostri allievi e a sollecitare la loro curiosità che poi viene affinata nella ricerca dei dati sperimentali integrando le conoscenze informatiche più moderne.
Poi recentemente c’è stato il corso di Nanolab 2013 organizzato a settembre 2013 dall’Università di Modena a cui ha partecipato la Prof.ssa Paola Burani, in tale corso è stato possibile affinare e mescolare conoscenze di Biologia tipicamente nanometriche con conoscenze di Chimica e Fisica, nonché provare le attività in modo pratico e provare l’uso di software e di strumenti adatti a tali tipi di osservazioni. Inoltre il liceo Cecioni partecipa al progetto SID sul metodo IBSE applicato a quasi tutte le attività scientifiche dei nostri alunni.
Bibliografia
M.S. Silberberg Chimica. La natura molecolare della materia e delle sue trasformazioni ed. Mc Graw-Hill;
