Riassunto / Abstract

Questa attività di laboratorio permette di determinare la densità di un gas, ed in particolare del biossido di carbonio ($CO_2$), costruendo un semplice gasometro.

Scheda sintetica delle attività

All'interno di una beuta chiusa si fa sciogliere una pastiglia di Alkaeffer: l'anidride carbonica prodotta si trasferisce, mediante un tubicino collegato al tappo, in un cilindro graduato colmo di acqua e precedentemente immerso, capovolto, in una bacinella. Il gas farà diminuire il volume dell'acqua all'interno del cilindro di una quantità corrispondente al volume del gas prodotto.

La massa dell'anidride carbonica si calcola dalla differenza delle masse della beuta prima e dopo la reazione.

I valori ottenuti di massa e volume, ci permettono di calcolare la densità dell'anidride carbonica. I diversi gruppi di lavoro confronteranno i dati ottenuti dopo averli inseriti in una tabella riassuntiva

Lo svolgimetno della prova permette inotre di osservare altri fenomeni chimici e fisici che verranno interpretati e discussi con gli alunni.

Risorse necessarie

Bilancia con sensibilità almeno 0,01g;
cilindro graduato da 500 ml;
sostegno con pinza;
tubo di plastica;
beuta;
tappo forato con tubicino di vetro che si adatta alla beuta;
acqua;
vaschetta;
compressa di Alkaeffer.

Prerequisiti necessari

Conoscenza del concetto di densità;
concetto generale di reazione chimica;
conoscenza del principio della conservazione della massa (Legge di Lavoisier);
utilizzo corretto della bilancia;
misura del volume utilizzando un cilindro graduato.

Obiettivi di apprendimento

Comprendere che le sostanze gassose possiedono le proprietà della materia (massa, volume);
introduzione alla comprensione delle proprietà dei gas:
acquisire maggior manualità attraverso l'allestimento dell'esperienza.

Dotazioni di sicurezza

Nessuna

Svolgimento

Realizzazione delle misure

Riempire la vaschetta di acqua fino a metà della sua altezza.
Riempire il cilindro graduato di acqua fino all'orlo.
Tappare il cilindro con le dita della mano e inserirlo capovolto nella vaschetta, facendo attenzione che rimanga pieno di acqua e non si formino bolle.
Fissare il cilindro al sostegno mediante la pinza.
Riempire la beuta con 100 ml di acqua.
Pesare: la beuta con l'acqua, il tappo con il tubicino di vetro, la compressa nella sua confezione (figura 2); annotare il valore misurato nella tabella dati (in corrispondenza della colonna "prima pesata" $m_1$).

Collegare il tubo di plastica con il tappo forato ed inserire l'estremità libera del tubo nel cilindro spingendola in alto per alcuni centimetri (figura 3)

Figura 3: estremità del tubo di plastica inserita nel cilindro

Introdurre nella beuta la compressa di Alkaeffer e rapidamente chiudetela con il tappo.
Attendere che tutta la pastiglia si sciolga e, se necessario, muovere la beuta per facilitare il completamento della reazione chimica.
Terminata la reazione leggere la posizione del menisco dell'acqua nel cilindro graduato (figura 4) e annotare il valore (in $cm^3$) nella tabella dati (in corrispondenza della colonna: volume di $CO_2$).

Figura 4: lettura della posizione del menisco

Pesare nuovamente la beuta, il tappo con il tubicino e l'involucro della compressa (figura 5), annotando il valore nella tabella dati (nella colonna seconda pesata $m_2$).

Figura 5: materiale da pesare dopo lo scioglimento completo della compressa

Utilizzando i dati raccolti calcolare la massa del gas prodotto nella reazione ($m_{CO_2}= m_1 - m_2$) e la densità del gas ( d= massa/volume) inserendoli nelle colonne corrispondenti della tabella dati (tabella 1).

Si riportano i calcoli relativi al primo caso proposto:
$$ massa_{CO_2} = m_1 - m_2 = 294,32 - 293.99 = 0,33\ g$$
$$densità_{CO_2} = \frac{massa_{CO_2}}{volume_{CO_2}} = \frac{0,33}{180} = 0,001833$$

Discussione

Lo svolgimento della prova è di facile esecuzione, ma è importante che il docente inviti gli alunni ad annotare qualsiasi variazione che avviene durante l'attività laboratoriale: ciò è indispensabile per stimolare la loro capacità di osservazione e, in una seconda fase, per coinvolgerli in una discussione che sia di aiuto per meglio interpretare e comprendere i fenomeni osservati.

I dati di densità ottenuti possono differire anche di molto dal valore standard ($0,00198 g/cm^3$) e tra i vari gruppi di lavoro; questo è dovuto in parte all'incidenza degli errori di misura e in parte alla facilità con cui si può perdere massa in vari modi; ad esempio perdendo pezzettini di pastiglia che spesso si frantuma, o acqua che durante l'agitazione manuale della beuta può fuoriuscire dal tubicino di vetro passando in quello di gomma. Proprio per questo motivo è meglio evitare di aumentare il volume dell'acqua nella beuta, in quanto questo aumenta la possibilità di fuoriuscite di acqua. Non è quindi un'esperienza adatta ad una rigorosa trattazione dell'errore, tuttavia il suo svolgimento attrae gli studenti ed è base per numerose osservazioni comuni e spunti di riflessione.

La discussione potrà prendere spunto dalle seguenti considerazioni:

Lo sviluppo di "bolle" all'interno del cilindro graduato è una prova che nella beuta è avvenuta una reazione chimica con produzione di un gas ( anidride carbonica);
man mano che la reazione procede si nota che il contenuto dell'acqua nel cilindro graduato diminuisce: la sostanza gassosa, non percepibile visivamente , è in grado di spostare l'acqua verso il basso che fuoriesce gradualmente nella vaschetta
La lettura del volume di gas raccolto all'interno del cilindro a reazione ultimata (quando non si osserva più lo sviluppo di "bolle) corrisponde al volume del gas prodotto: questo valore si ottiene leggendo la posizione del menisco dell'acqua nel cilindro graduato.
la massa totale che si ottiene nella seconda pesata è minore rispetto a quella misurata prima dell'introduzione della pastiglia nella beuta: questa differenza ci fa capire che non è stata rispettata la conservazione della massa in quanto la reazione chimica non è avvenuta in un sistema chiuso, condizione necessaria perché sia soddisfatta la Legge di Lavoisier.
La differenza tra ll valore della prima e la seconda pesata corrisponde alla massa dell'anidride carbonica prodotta durante la reazione chimica.
la densità dell'anidride carbonica viene calcolata attraverso il rapporto tra il valore della sua massa e il volume misurato precedentemente: si possono confrontare i dati ottenuti dai diversi gruppi di lavoro, discutere sulle eventuali differenze prendendo come riferimento il valore della densità misurata in condizioni standard (alla temperatura di 25 ° C e a una pressione di 1 atm) pari a 0,00198 $g/cm^3$.

Note e storia

NOTA: all’inizio dell’esperimento nella beuta c’è solo aria. Alla fine l’aria è passata nel cilindro ed è stata sostituita nella beuta dalla $CO_2$, che ha densità circa 1.5 volte quella dell’aria e quindi tende a rimanere dentro, almeno per qualche tempo, soprattutto se la beuta non viene “stappata”. All’ingrosso, supponendo un volume libero di 50 $cm^3$ nella beuta (r=2cm, h=4cm), la differenza di massa (rispetto alla beuta con l’aria) che si può registrare se è ancora completamente piena di $CO_2$ è dell'ordine di 0.03 g, comparabile con la sensibilità richiesta nella misura.

Bibliografia

Tabella delle densità di alcune sostanze;
Amaldi Ugo - L'Amaldi 2.0, pag. 15;
Valitutti, Tifi, Gentile - Le idee della chimica, pag. 86, 87.

Autori

Paganelli Mariangela

Schede / Allegati

Misura della densità di un gas

Misura della densità dell’anidride carbonica