Questo esperimento è parte di un ampio percorso laboratoriale che aiuta gli allievi a sviluppare i concetti di acido-base partendo da materiali poveri e osservazioni della vita quotidiana. 

L'intero percorso è pensato per poter essere anche itinerante per cui è possibile creare tre scatole con il materiale necessario allo svolgimento delle varie attività. Sono quindi presenti delle schede per i docenti che riportano tutti le indicazioni relative ai vari esperimenti. L'esperimento successivo è il 13-Scienze.

La metodologia applicata ha per scopo lo studio della mineralizzazione del C organico da parte dei microorganismi del suolo attraverso il dosaggio della $CO_2$ emessa, seguendone l’evoluzione nel tempo in condizioni di laboratorio prestabilite:
$$C_{org} + O_2 \longrightarrow CO_2$$

Il metodo può essere supportato da modelli matematici e da rappresentazioni grafiche che permettono una migliore interpretazione dei risultati. Può essere applicato anche per seguire la degradazione di diversi materiali smaltiti nel terreno; possono essere stabilite differenti condizioni sperimentali di umidità e temperatura.

Con questo esperimento si permette agli allievi di osservare in concreto un utilizzo della titolazione associato a concetti di biologia ed utilizzando anche la normalità e gli equivalenti.

HCl  8.4 Protezione delle mani: Utilizzare guanti adatti. 8.5 Protezione degli occhi: Utilizzare occhiali adatti. 8.6 Misure igieniche particolari: Togliere gli abiti contaminati. Utilizzare abiti da lavoro adatti. Lavarsi le mani e il viso prima degli intervalli e alla fine del lavoro.
NaOH  8.4 Protezione delle mani: Utilizzare guanti adatti. 8.5 Protezione degli occhi: Utilizzare occhiali adatti. 8.6 Misure igieniche particolari: Togliere gli abiti contaminati. Utilizzare abiti da lavoro adatti. Lavarsi le mani e il viso prima degli intervalli e alla fine del lavoro.
BaCl2 8.4 Protezione delle mani: Utilizzare guanti adatti. 8.5 Protezione degli occhi: Utilizzare la visiera con protezione laterale. Inalazione: Assicurare l'apporto di aria fresca. Contatto con la pelle: Far bere al soggetto molta acqua. Contatto con gli occhi: Lavare con acqua corrente per alcuni minuti tenendo le palpebre ben aperte. Ingestione: Risciacquare la bocca. fare bere immediatamente acqua ( almeno 2 bicchieri).
Fenolftaleina  8.4 Protezione delle mani: Utilizzare guanti adatti. 8.5 Protezione degli occhi: Utilizzare la visiera con protezione laterale. Inalazione: Portare in zona ben areata, in caso di disturbi consultare il medico. Contatto con la pelle: Sciacquare la pelle con acqua in abbondanza per almeno 15 minuti In caso di irritazioni cutanee persistenti consultare il medico. Contatto con gli occhi: Lavare con acqua corrente per alcuni minuti tenendo le palpebre ben aperte. Ingestione: Sciacquare la bocca con acqua se il soggetto è cosciente. Non provocare il vomito, chiamare subito il medico.

In una capsula di porcellana si pongono 50 g di terreno e si aggiunge acqua sinché al taglio con la spatola di metallo questa non si raccoglie visibilmente nel solco prodotto: possiamo considerare questa la situazione corrispondente al 100% della capacità idrica massima di quel terreno.

50g di terreno secco (addizionati o meno di stabilite quantità di ammendanti diversi la cui umidità è stata determinata in precedenza) sono posti nei barattoli di vetro dove è aggiunta $H_2O$ deionizzata sino a raggiungere l'umidità desiderata (in genere corrispondente al 60% della capacità idrica massima del terreno).

Il barattolo di vetro ed il suo contenuto (terreno + $H_2O$ deionizzata) sono quindi pesati ed il dato è annotato per procedere ad eventuali reintegri di acqua in caso di evaporazione.

Sopra il terreno viene posto un becher di plastica contenente 10ml di $NaOH$ 0.5N.

Nei primi giorni, specialmente in presenza di terreni ricchi di sostanza organica o di materiali facilmente degradabili, si registrano dei picchi nella respirazione dovuti alla ripresa delle attività biologiche per cui la quantità di $NaOH$ utilizzata può eventualmente essere aumentata al fine di catturare tutta la $CO_2$ emessa. I barattoli vengono chiusi ermeticamente e posti al buio ed alla temperatura desiderata (25°C) in un incubatore termostatato.

Contemporaneamente viene effettuata una prova in bianco mediante un barattolo vuoto non contenente terreno.

La $CO_2$ prodotta viene catturata dalla soda presente nei becher (alkali-trap) secondo la reazione:
$$CO_2 + H_2O + 2NaOH \longrightarrow 2H_2O + Na_2CO_3$$

Dopo 24 ore i barattoli vengono aperti, il becher estratto tramite pinze ed il contenuto viene arieggiato per permettere il reintegro dell'ossigeno consumato. I barattoli vengono quindi pesati con il conseguente reintegro dell'umidità perduta, viene introdotto un nuovo becher con altri 10ml di $NaOH$, incubando il sistema sino alla determinazione successiva. Sul becher estratto viene determinata mediante titolazione la quantità di $NaOH$ che non ha reagito con la $CO_2$ prodotta dai microrganismi del suolo.

La prova è condotta di norma per 28 giorni. Se vi è stata aggiunta di materiali organici e se ne vuol seguire la degradazione la prova può essere portata avanti anche per tempi molto più lunghi.

Nei primi 10-15 giorni è necessario titolare giornalmente. La respirazione durante questo periodo è generalmente elevata in conseguenza della ripresa dell'attività microbica dovuta al ripristino dell'umidità e del consumo di sostanze prontamente degradabili quali zuccheri e lipidi (priming effect). In seguito la respirazione rallenta (sino a stabilizzarsi): da questo momento è possibile eseguire le titolazioni ad intervalli più ampi (2/3 giorni, 1 settimana a seconda degli andamenti). E' possibile però che anche i questo periodo si verifichino dei picchi dovuti all'attacco di sostanze a lenta degradazione (cellulosa, lignina, ecc.).

Dapprima viene titolata la soda per stabilirne l'esatta normalità. A 10 ml di $NaOH$ sono aggiunti 2ml di $BaCl_2$ 1.5M, mediante i quali si precipitano i carbonati formatisi indipendentemente dalla respirazione che interferirebbero con i valori della $CO_2$ effettivamente respirata, e fenolftaleina 1% un indicatore che, in ambiente acido, vira dal violetto al bianco. La miscela viene posta in agitazione e titolata. Dai ml di $HCl$ 0.5N utilizzati si risale con il seguente calcolo alla normalità effettiva della soda:
$$ a:10 = X : 0,5 \Longrightarrow X = \frac{0,5 \cdot a}{10}$$

dove:
a  sono i  ml di $HCl$ 0.5N utilizzati per la titolazione;
10 sono i ml di $NaOH$ 0.5N di partenza;
X  il  titolo effettivo della soda;
0.5 il  titolo esatto della soda.

Titolare con $HCl$ 0.5N (titolo esatto) per determinare i milliequivalenti di $NaOH$ in eccesso che non hanno reagito con la $CO_2$.

N.B. L'aggiunta di $BaCl_2$ determina la formazione di $BaCO_3$, una densa emulsione bianca che può interferire con il viraggio dell'indicatore. E' bene quindi titolare lentamente ed ogni tanto fermarsi per far agitare la soluzione.

Nel corso dell'esperimento è possibile che sul substrato si formino delle muffe di vario tipo, che, se presenti in quantità modesta, in genere non interferiscono con la normale respirazione.

I milliequivalenti che invece hanno reagito saranno:
$$(a-b) \cdot 3 = \frac{mg\ di\ C}{100g\ di\ terreno}$$
dove:

a sono i ml di $NaOH$ 0.5N presenti nel beckerino;
b sono i ml di $HCl$ 0.5N occorsi per titolare la soda;
3 è un coefficiente moltiplicativo che deriva dal seguente calcolo:
$$(a-b) \cdot 0,0005 \cdot 12/2 = 3 mg\ C/ml$$

Vanni Giacomo
Galfrè Silvia Giulia