Comportamento del rame solido in una soluzione di nitrato d'argento
Chimica
Classi: 2° biennio
-
Laboratorio attrezzato
Misura o verifica
2 h
Min. 3
persone
Richiede precauzioni
Riassunto / Abstract
Viene utilizzata la reazione del rame con il nitrato d'argento affinchè si possa determinare al termine dell'esperimento la massa del filo di rame consumata e la quantità di argento ottenuto in modo da studiare dal punto di vista quantitativo la reazione e bilanciarla attraverso l'uso delle moli.
Scheda sintetica delle attività
L'attività viene proposta nel percorso sulla stechiometria delle reazioni. Lo scopo è quello di bilanciare una equazione attraverso un esito sperimentale con il calcolo delle moli.
L'esperienza viene proposta secondo un percorso laboratoriale come da elenco:
introduzione al concetto di mole (es. vedi esperienza 28-Scienze "La mole: definizione e applicazioni" );
preparazione di una soluzione a molarità nota;
diluizione;
misura sperimentale del numero di Avogadro;
reazione del rame in soluzione di nitrato d'argento;
volume molare.
Risorse necessarie
Sostanze: Filo di rame, nitrato d’Argento, acqua distillata.
Materiali: Miscelatore, provetta, tappo gomma, carta filtro, spruzzetta, becher da 50mL e 250mL, pipetta da 10mL, cilindro da 10 mL, imbuto, attrezzatura per filtrazione.
Strumenti: Bilancia (s=0,001g), Stufa a secco.
Prerequisiti necessari
Competenze teoriche:
Saper individuare il problema;
saper selezionare dati e informazioni, registrarli nella sequenza corretta e con la dovuta accuratezza;
saper elaborare i dati e le informazioni utili in modo autonomo.
Competenze Pratiche:
saper usare strumentazioni di laboratorio.
Obiettivi di apprendimento
Studiare dal punto di vista qualitativo e quantitativo una reazione chimica;
saper eseguire calcoli utilizzandole moli.
Dotazioni di sicurezza
Utilizzare i guanti in modo che il nitrato d'argento non venga a contatto con la pelle. Nell'eventualità trattare la zona con tiosolfato di sodio e risciacquare con acqua.
Svolgimento
METODO
Prendere il filo di rame intrecciato (figura 1a) e misurarne esattamente la massa;
pesare un becher da 50 mL contrassegnato con il numero del gruppo e, successivamente, pesare in tale becher circa 3 g di nitrato d’argento ($AgNO_3$), chiedendo agli alunni di registrare correttamente la massa effettivamente rilevata);
mettere 10 mL di acqua distillata, misurata con una pipetta da 10 mL, nel becher contenente il nitrato d’argento. Agitare ruotando dolcemente, eventualmente utilizzando una bacchetta di vetro, fino a quando il solido non si sia sciolto completamente; ATTENZIONE: il nitrato d’argento, sia solido sia in soluzione, macchia di nero la pelle e gli indumenti!
versare la soluzione così preparata in una provetta, lavando poi il becher due volte con porzioni di circa 5 mL di acqua distillata, misurati con il cilindro da 10 mL, aggiungendo l’acqua di lavaggio nella provetta. Se è stata utilizzata la bacchetta di vetro per mescolare, risciacquarla dentro la provetta con un po’ di acqua distillata;
introdurre nella provetta il filo di rame chiudendo poi la provetta con il tappo forato in modo che una parte del filo si agganci attraverso il tappo;
osservate TUTTE le variazioni che avvengono in capo a 30 minuti (figura 1b);
determinare la massa di una carta da filtro;
predisporre l’attrezzatura per la filtrazione posizionando l'imbuto sul sostegno, la carta da filtro pesata al punto precedente (figura 1c) e utilizzando il becher da 250 mL;
togliere il tappo di gomma e scrollare i cristalli dal filo facendoli cadere sul fondo della provetta e, con l’aiuto della spruzzetta, far cadere i cristalli rimasti aderenti al filo sulla carta da filtro;
porre il filo di rame in stufa e quando questo sarà asciutto misurarne accuratamente la massa;
versare sul filtro l’intero contenuto della provetta raccogliendo la soluzione azzurra;
trasferire sul filtro, con l’aiuto di una spruzzetta, tutti i cristalli d’argento rimasti nella provetta. Lavare a fondo l’argento con l’acqua distillata;
porre la carta da filtro nel becher da 50 mL precedentemente lavato e asciugato e metterlo in stufa ad asciugare (assicurarsi che la carta sia asciutta);
quando l’argento sarà sicuramente asciutto, pesare accuratamente il becher con la carta da filtro e l’argento.
Figura 1
L'esperimento andrà condotto in tre tempi e dovrebbe richiedere circa 30 minuti della prima ora, un'intera ora successiva. In un primo tempo occorrerà pesare il filo di rame predisposto per l'esperienza, la carta da pesata e il nitrato d'argento e poi preparare la soluzione di nitrato d'argento. Successivamente si potrà immergere il rame nella soluzione del sale e lasciare reagire per 30 minuti. Per ottenere risultati soddisfacenti bisognerà evitare di lasciare il rame immerso nella soluzione per un tempo superiore. Se necessario gli studenti più lenti si limiteranno a staccare i cristalli dal filo estraendo quest'ultimo dalla soluzione e liberandolo dalle particelle di argento che vi aderiscono. Questa seconda operazione andrà fatta tenendo il filo sospeso su un becher da 50 mL e dirigendo sopra di esso il getto d'acqua della spruzzetta. La filtrazione potrà poi essere completata nell'ora successiva.
RACCOLTA DATI
1. Predisporre in tabella 1 le misure effettuate;
Tabella 1
2. Raccolta dei valori e calcolo del valore medio (tabella classe per il pto.6 di elaborazione dati);
Tabella 2
3. Fare le dovute considerazioni.
ELABORAZIONE DATI (vedi figura 4):
Di seguito la procedura da seguire per la elaborazione dei dati.
Calcolare la variazione di massa subita dal rame nel corso dell’esperimento;
calcolare la massa dell’argento ottenuto durante l’esperimento (figura 4);
calcolare il numero delle moli di rame entrate in reazione (figura 4);
calcolare il numero di moli dell’argento prodotto (figura 4);
determinare il rapporto moli di Ag/moli di Cu (figura 4);
calcolare le moli di $AgNO_3$ adoperate nell’esperimento (figura 4);
determinare il rapporto moli di Ag/moli di $AgNO_3$ (figura 4);
in base ai risultati dei calcoli 5 e 7 scrivete i coefficienti interi p, q ed r da introdurre nella relazione che segue:
1 mole di Cu (s) + p moli di AgNO3 (aq) → q moli di Ag (s) + r moli di Cu(NO3)2 (aq)
9. costruire un grafico riportando in ascissa il rapporto moli Ag/Cu e in ordinata il numero di studenti che ha riportato quel rapporto.
Figura 4: esempio di dati sperimentali misurati ed elaborati in una classe e grafico del numero di gruppi in funzione del rapporto molare Ag/Cu.
10. Quanti singoli atomi di rame metallico hanno reagito nel vostro esperimento?
11. Quanti singoli atomi di argento metallico sono stati prodotti nel vostro esperimento?
12. Calcolare il rapporto tra atomi di Ag/Cu e confrontarlo con i risultati del pt. 5;
13. Che cosa causa il colore della soluzione al compiersi della reazione?
Note e storia
Note
Fare attenzione che la carta filtro non sia umida. Contrassegnare becher e carta filtro con il n° del gruppo.
Scheda di riferimento storico
Nel 1811 il chimico italiano Amedeo Avogadro intervenne nel dibattito che si era creato tra i chimici di allora intorno alla teoria atomica di Dalton e alla legge di Gay-Lussac, che si presentavano apparentemente in disaccordo. Egli a seguito di esperimenti sui gas, formulò l’ipotesi, nota come principio di Avogadro, secondo cui:
“Volumi uguali di gas diversi nelle stesse condizioni di temperatura e di pressione contengono lo stesso numero di molecole”.
Dal suo principio consegue, attraverso un complesso ragionamento, che le molecole degli elementi gassosi non sono formate da un solo atomo ma da più atomi tra loro combinati. Gli elementi che a pressione ed a temperatura ambiente si trovano allo stato gassoso non sono sempre necessariamente monoatomici come i gas nobili, ma anche biatomici come ad esempio: idrogeno, ossigeno, azoto, fluoro e cloro.
Questa intuizione è stata importante per giungere al concetto di mole. Infatti, per misurare la massa relativa di due molecole basta confrontare le masse di due volumi uguali dei relativi gas, posti nelle medesime condizioni di pressione e temperatura.
Partendo dalla formula molecolare dell’idrogeno, poiché tale elemento è stato scelto come riferimento per i pesi atomici e molecolari relativi; si arrivò così alla definizione del concetto di mole di una sostanza come:
“la massa entro cui vi sono lo stesso numero di molecole contenute in 2 g di idrogeno moecolare ($H_2$)”
Tale numero è noto come numero di Avogadro, ed è pari a $6,02214076 \cdot 10^{23}$.
La definizione di mole riconosciuta dalla comunità scientifica fino al 2019 è stata: "la quantità di sostanza di un sistema che contiene un numero di unità interagentipari al numero degli atomi presenti in 12 grammi di $^{12}C$". Una mole è quindi associata a un numero enorme di particelle. Nel caso di un composto chimico, si può definire la mole come la quantità di sostanza numericamente uguale alla massa molecolare di ogni singola molecola. Questo concetto fu introdotto dal chimico Wilhelm Ostwald nel 1896.
Nel 2019 il Sistema Internazionale ha adottato per la costante di Avogadro un numero esatto pari a $6,02214076 \cdot 10^{23}$ e ha definito la mole come la quantità di sostanza che contiene un numero di Avogadro di unità atomiche o molecolari.
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