• bilancia tecnica;
• piastra elettrica o forno a microonde;
• 2 matracci tarati da 500 mL;
• 2 matracci tarati da 250 mL;
• 2 becher da 500 mL;
• 2 becher da 250 mL;
• bacchette di vetro per mescolare;
• saccarosio (acquistabile al supermercato);
• fruttosio (tecnico o acquistabile al supermercato);
• glucosio;
• $HCl$ concentrato al 37%;
• acqua demineralizzata;

• 2 cilindri graduati da 50 o 100 mL (in base alle dimensioni del polarimetro in uso)
• parafilm;
• pipette Pasteur;
• metro a nastro (tipo Stanley);
• nastro adesivo;
• puntatore laser (rosso);
• acqua demineralizzata;
• bagno termostatico o becher da 2L su piastra elettrica;
• termometro, meglio se digitale;
• cronometro;
• polarimetro artigianale (esperimento 43-Scienze).

• Conoscenze di base sulla polarizzazione della luce;
• conoscenze di base sull’isomeria ottica;
• tecniche fondamentali per misurare massa e volume;
• preparazione di soluzioni ad una data concentrazione;
• calcolo dei valori di concentrazione delle soluzioni, espresse con unità di misura diverse;
• calcolo stechiometrico;
• conoscenza di base della teoria cinetica e del ruolo dei catalizzatori;
• utilizzo di un foglio di calcolo (Excel) per la raccolta e l’elaborazione dei dati.

• Fare ipotesi sulle variazioni del potere rotatorio durante la reazione;
• individuare l’effetto delle variabili (concentrazione dei reagenti, concentrazione dell’acido e temperatura) sulla velocità di reazione;
• riconoscere il ruolo del catalizzatore nel meccanismo della reazione;
• ricavare l’ordine di reazione dall’analisi dei dati sperimentali;
• valutare gli errori di misura e l’affidabilità dei dati ottenuti;
• individuare criticità e suggerire miglioramenti delle procedure e degli strumenti;
• consolidare abilità di laboratorio: manualità, precisione, organizzazione;
• collaborare nel gruppo di lavoro con l’assunzione di ruolo e responsabilità in rapporto all’obiettivo da raggiungere.

• Avvertenza: l’utilizzo di soluzioni acide concentrate rende necessari l’utilizzo di camice, guanti e occhiali di protezione (DPI). 
• Cautela nell'utilizzare sorgenti di calore. 
• Utilizzare in modo appropriato il dispositivo laser che non va assolutamente puntato negli occhi.

Preparazione dell'esperienza

• concentrazione del saccarosio: 0,8 g/mL-0,6 g/mL- 0,4 g/mL, espressa come concentrazione iniziale;
• concentrazione dell’acido cloridrico: 4,8 M-3,6 M-3M, espressa come concentrazione iniziale;
• temperatura: 20°C-36°C.

Parte sperimentale

1. Tarare un cilindro graduato per due cammini ottici determinati (0,75 dm e 1,5 dm), misurando dall'interno del recipiente con il metro a nastro e fissando esternamente le tacche di riferimento con due striscioline di carta.
2. Azzerare il polarimetro ponendolo in estinzione.
3. Diluire al 50% con acqua distillata la soluzione di saccarosio a concentrazione 0,8 g/mL. In pratica, basterà inserire la soluzione fino ad un’altezza di 0,75 dm nel cilindro di misura, quindi aggiungere acqua fino all'altezza di 1,5 dm, agitando il tutto per favorire il mescolamento. Misurare il potere rotatorio della soluzione così diluita. Questo dato rappresenterà $\alpha _0$, ossia il potere rotatorio all'inizio della reazione. Vuotare, sciacquare e asciugare il cilindro per utilizzarlo nei passaggi successivi.
4. Inserire la soluzione zuccherina più concentrata (0,8 g/mL) fino al livello di 0,75 dm.  Aggiungere l’acido concentrato (soluzione 3,6 M) fino al livello di 1,5 dm. Far partire il cronometro. Mescolare rapidamente le due soluzioni con una bacchetta, oppure sigillare l’imboccatura del cilindro con parafilm e agitare per circa mezzo minuto.  Porre il cilindro nel polarimetro, attendere che la soluzione di stabilizzi, quindi effettuare misure di potere rotatorio ai tempi prestabiliti. La prima lettura può essere effettuata allo scadere dei due minuti, quindi a intervalli regolari scelti in maniera opportuna.  Per le soluzioni più concentrate, come quella di partenza, possono andar bene intervalli di due minuti soprattutto nella fase iniziale; per soluzioni più diluite è opportuno invece distanziare maggiormente gli intervalli di lettura (vedi nota)

1. Tarare il polarimetro come al punto 1 della fase precedente.
2. Versare in un cilindro graduato la soluzione di saccarosio 0,8 g/mL per un’altezza di 0,75 dm. Preparare un secondo cilindro con la soluzione di $HCl$ 3,6 M. Inserire entrambi i cilindri nel bagnomaria e attendere che raggiungano l’equilibrio alla temperatura prestabilita. Si consiglia di non superare i 36-37 °C altrimenti la reazione sarà troppo veloce e sarà perciò difficoltoso organizzarsi per seguirla con una tempistica adeguata.
3. Aggiungere alla soluzione di saccarosio la soluzione acida fino a raggiungere un’altezza di 1,5 dm e far partire il cronometro, quindi agitare per mescolare bene, estrarre il cilindro, asciugare velocemente la base e inserirlo nel polarimetro. Le operazioni di mescolamento vanno svolte preferibilmente mantenendo il recipiente a bagnomaria. Prendere la misura di potere rotatorio al tempo prestabilito. Riporre nuovamente il cilindro nel bagnomaria, fino alla misura successiva.

1. Ripetere la procedura descritta nella prima parte, variando la concentrazione dell’acido cloridrico: si può procedere con una soluzione di saccarosio 0,8 g/mL e concentrazioni di $HCl$  pari a 4,8 M¸ 3,6 M e 3M.
2. In questa reazione l’acido cloridrico funge da catalizzatore. Tuttavia la velocità della reazione è influenzata anche dalla sua concentrazione, come si potrà ricavare dai dati ottenuti in questa terza parte. L’ordine complessivo della reazione non è però influenzato dall'acido, e lo si può capire dimostrando che la concentrazione di $HCl$ rimane costante. 
3. A questo proposito, prima di partire per la sessione di prove, è utile procedere ad una titolazione dell’acido: si prepara, a parte, un altro cilindro dove si mescolano uguali volumi di acido e di soluzione di saccarosio, si preleva un primo campione di 10 mL a inizio reazione e lo si titola immediatamente con una soluzione di $NaOH$ 0,5 M. La titolazione viene successivamente ripetuta a distanza di alcune ore, quando la reazione ha raggiunto l’equilibrio.
4. Con il procedere della reazione, si noterà un cambiamento del potere rotatorio, dovuto alla graduale trasformazione del saccarosio in glucosio e fruttosio.

A titolo di esempio, in tabella 1, si riportano alcuni risultati ottenuti nell'attività sperimentale sviluppata dal gruppo dei docenti "Scienze 2" del Convegno di Bologna-Fondazione Golinelli, 1-3 dicembre 2016, e dell'attività svolta in laboratorio dai docenti tutor.

Analisi dei dati: $1^a$ parte

• Dal momento che le specie coinvolte nella reazione sono tutte otticamente attive, è possibile, anche in via teorica, prevedere il potere rotatorio di una loro miscela, conoscendo la % dei vari zuccheri presenti; misurando con il polarimetro la variazione del potere rotatorio nel tempo possiamo quindi determinare la concentrazione degli zuccheri presenti e seguire l’avanzamento della reazione. Infatti, se indichiamo con: 

1. $\alpha_0$ il valore dell’angolo di rotazione al tempo zero;
2. $C_0$ il corrispondente valore della concentrazione iniziale di saccarosio;
3. $\alpha_{\infty}$ il valore dell’angolo di rotazione al termine della reazione;
4. $C_{\infty}$ la concentrazione corrispondente di saccarosio, che risulta nulla,

dove $K$, coefficiente angolare della retta, è dato dalla frazione:
$$K = \frac{\alpha_0 - \alpha_{\infty}}{C_0 - C_{\infty}} =  \frac{\alpha_0 - \alpha_{\infty}}{C_0}$$
Il coefficiente b è pari al valore di $\alpha$ quando la concentrazione di saccarosio è nulla e quindi: $b = \alpha_{\infty}$.
L'equazione della retta diventa quindi (figura 1):
$$ \alpha =  \frac{\alpha_0 - \alpha_{\infty}}{C_0} C + \alpha_{\infty}$$

• La misura di $\alpha_0$ si effettua diluendo la soluzione di partenza di saccarosio 1:2 con sola acqua distillata, evitando così di dare inizio alla reazione di idrolisi. La misura di  $\alpha_{\infty}$  si effettua dopo circa 2 o 3 ore, dando tempo al sistema di raggiungere l’equilibrio.
• Non è indispensabile trasformare la concentrazione espressa in g/mL in molarità M, in quanto il fattore di conversione è incorporato nel coefficiente angolare (K).

• L’analisi dei dati, fatta nei primi 20 minuti, è adeguata per determinare l’ordine di reazione rispetto al saccarosio e il valore della K di reazione. Avendo tempo a disposizione, misure protratte per circa due ore fornirebbero una analisi più completa della variazione della velocità durante tutto il periodo necessario per raggiungere l’equilibrio. Il dato sperimentale diretto è la misura dell’attività ottica in funzione del tempo, senza la necessità di trasformarlo nella corrispondente concentrazione di saccarosio.

• Poiché la dipendenza sembra di tipo esponenziale, si può discutere come trasformare i dati per ottenere una dipendenza lineare. Si arriva alla linearizzazione ponendo $ln \alpha$ in funzione del tempo. Ne risulta una funzione del tipo: $$y = -K\cdot t -m$$

dove K è la nostra costante cinetica e dove si dimostra anche che la reazione è di primo ordine rispetto al saccarosio: perciò tutte le reazioni condotte con diverse concentrazioni di saccarosio devono dare lo stesso valore di K. A questo proposito si noti in figura 3 come le rette ottenute siano tra di loro parallele e in figura 4 come i singoli valori si dispongano bene su una retta.

Analisi dei dati: $2^a$ parte

La variazione della velocità di reazione in funzione della T potrebbe essere prevista solo sulla base dei concetti della teoria cinetico-molecolare. Il modello cinetico-molecolare prevede che, al raddoppiare di T, la velocità di reazione aumenti in ragione della radice di due.
L’analisi dei dati dimostra l’insufficienza del modello cinetico, infatti la dipendenza di K da T è di tipo esponenziale come si può dedurre dal grafico che rappresenta la velocità di reazione come variazione della concentrazione in funzione del tempo.
Dal grafico si vede che, per gli esperimenti condotti alle due temperature di 20.6 e 35 °C, i coefficienti  angolari  risultino in un rapporto molto superiore a quello ipotizzato (circa 500 volte molto maggiore del 5% previsto per una variazione di circa 15 °C).

Analisi dei dati: $3^a$ parte 

• Dalla stechiometria di reazione:

• Dal meccanismo della reazione, si può dedurre che lo stadio lento è la formazione del carbocatione per distacco del fruttosio dal saccarosio protonato ($SH^+$). 

La reazione sarebbe molto più lenta se il distacco del fruttosio avvenisse sulla molecola di saccarosio neutra perché dovrebbe uscire un alcossido (il fruttosio carico negativamente su l'ossidrile con cui è legato al glucosio) che è un peggior gruppo uscente.