Riassunto / Abstract

L’attività verifica alcuni aspetti della reazione fotosintetica (produzione di ossigeno e consumo di diossido di carbonio) utilizzando una piantina acquatica (Elodea canadensis) facilmente reperibile. Gli studenti si renderanno conto che le piante acquatiche, per la fotosintesi, hanno bisogno di prendere dall'ambiente esterno il biossido di carbonio, sia usando un indicatore di acidità sia sfruttando reazioni che arricchiscono o impoveriscono l'acqua di tale gas. Essi osserveranno la produzione di gas (sviluppo di bollicine), lo raccoglieranno in provette graduate verificando che si tratta di ossigeno. Le conclusioni sulla fotosintesi nelle piante acquatiche possono poi essere estese alle piante aeree. L'attività si svolge in gruppi che possono allestire in momenti successivi le due fasi previste oppure suddividersi i compiti e poi comunicarsi i risultati.

Scheda sintetica delle attività

L'attività prevede due fasi.

Fase 1:produzione di ossigeno da parte di una pianta (in questo caso Elodea canadensis)

Viene posta l'Elodea in situazioni differenti (es. con acqua naturale, con acqua di calce per sottrarre CO2 al sistema oppure con bicarbonato di sodio per arricchire di CO2 il sistema) e si valuta in quali condizioni avviene la produzione di ossigeno.
Si osserverà la produzione di ossigeno con acqua naturale e con acqua con bicarbonato di sodio, non si vedrà sviluppo di gas nel becher in cui è stata aggiunta acqua di calce.

Fase 2: consumo di CO2 da parte di una pianta (in questo caso Elodea canadensis).

Viene posta l'Elodea in situazioni differenti (es. in una soluzione arricchita di CO2, alla luce o al buio) e si valuta in quali condizioni viene consumata CO2 mediante l'uso dell'indicatore blu di bromotimolo che è azzurro in ambiente neutro o basico e giallo in ambiente acido (per presenza di biossido di carbonio).
La pianta alla luce immersa in una soluzione con l'indicatore virato al giallo userà CO2 facendola ritornare azzurra; non si osserveranno cambiamenti di colore nella provetta tenuta al buio.

L'attività si inserisce in un percorso didattico che prevede altre attività sperimentali:

cromatografia dei pigmenti fogliari;
osservazione al microscopio della sezione trasversale di una foglia di dicotiledone;
apertura e chiusura stomi;
fotosintesi e produzione di amido;
fotosintesi e colori della luce.

Risorse necessarie

Fase 1:

Elodea canadensis ( reperibile presso i negozi che vendono acquari) o altra pianta acquatica;
4 becher da 500 mL;
4 imbuti con diametro minore della base del becher;
4 provette (per valutare il volume di ossigeno prodotto si possono usare provette graduate);
acqua naturale;
acqua di calce Ca(OH)2 (soluzione satura);
carbonato monoacido di sodio NaHCO3 (5 g/ 100mL);
lampada alogena da 100 W o qualsiasi altra lampada, va bene anche la luce solare. Quello che varia è la velocità della reazione.

Fase 2:

Elodea canadensis;
60 mL di Blu di bromotimolo (preparazione soluzione: 0,1g bromotimolo + 16 mL di NaOH 0,01M + 234 mL di H2O distillata);
4 provette con tappi di gomma;
pellicola di alluminio;
lampada da 100 W;
cannuccia;
becher da 50 mL;
cilindro graduato o pipetta graduata.

Prerequisiti necessari

Saper usare strumenti di misura di volume;
uso degli indicatori: il blu di bromotimolo è un indicatore sensibile a piccole variazioni di pH. E' infatti blu a pH 7,6 e vira al giallo a pH 6 ( per esempio in presenza di anidride carbonica );
reazione dell’acqua di calce con il CO2;
produzione di CO2 a partire dal bicarbonato.

Obiettivi di apprendimento

Esprimere i concetti acquisiti con lessico e simbolismo appropriato;
Iidividuare gli elementi e gli aspetti rilevanti di un fenomeno;
saper interpretare i fenomeni quotidiani alla luce delle conoscenze scientifiche acquisite;
saper organizzare l'attività di laboratorio;
saper applicare le conoscenze apprese in situazioni nuove: interpretare dati sperimentali sulla fotosintesi;
saper correlare struttura e funzione nei viventi;
localizzare correttamente a livello cellulare i processi di respirazione e fotosintesi;
correlare le diverse strutture di una foglia con le loro funzioni;
confrontare i due processi di respirazione cellulare e fotosintesi clorofilliana;
saper collocare le informazioni nel contesto di riferimento.

Dotazioni di sicurezza

Nessuna

Svolgimento

Fase 1

Riempire di acqua 4 becher, il primo (A) con acqua naturale, il secondo (B) con dell'acqua di calce insieme all'acqua naturale, il terzo (C) e il quarto (D) con aggiunta di un po' di bicarbonato di sodio.
Depositare sul fondo di ogni becher la piantina acquatica e ricoprirla con l’imbuto capovolto.
Riempire una provetta con l’acqua e capovolgerla sull’imbuto.
Esporre i becher A, B e C alla luce e mettere il becher D al buio, esaminando l'andamento del fenomeno nella mezz'ora successiva.
Controllare dopo 24 ore quanto gas si è raccolto nelle provette. Si possono usare anche provette graduate per valutare quantitativamente il volume di gas che si sviluppa.
Nelle provette, dove si è formato il gas, far uscire l'acqua senza capovolgerle e introdurre un fiammifero appena spento (ancora incandescente) per verificare la presenza dell'ossigeno.

Nell'allestimento occorre porre attenzione al fatto che all'inizio non vi siano bolle di aria in cima alle provette capovolte.

Vi sarà produzione di gas nel becher A e nel C. In quest'ultimo sarà maggiore perché il bicarbonato di sodio arricchirà la soluzione di biossido di carbonio.

Quando si introduce il fiammifero occorre stare attenti a non toccare le pareti bagnate della provetta. Può essere più efficace utilizzare un bastoncino lungo, tipo quelli che si usano per gli spiedini.

Fase 2

Figura 2: preparazione ed esposizione delle provette alla luce

Versare in un becher 45 mL di blu di bromotimolo in soluzione acquosa e soffiare con una cannuccia in modo che viri al giallo.
Introdurre in tre provette un rametto di piantina acquatica, aggiungendo nella prima 15 mL di blu di bromotimolo virato al giallo, nella seconda 15 mL di blu di bromotimolo virato al giallo e ricoprendola con carta stagnola per tenerla al buio, nella terza 15 mL di blu di bromotimolo non virato.
Preparare una quarta provetta con 15 mL di blu di bromotimolo virato al giallo.
Tappare le provette e tenerle per circa un’ora esposte alla luce di una lampada. E' necessario tappare le provette perché il bromotimolo è molto sensibile alle variazioni di pH e la liberazione di biossido di carbonio dalla soluzione o quello che viene emesso con la respirazione degli sperimentatori può alterarne la colorazione.

Rielaborazione e discussione

Dopo la parte strettamente sperimentale la rielaborazione e la discussione sui dati sperimentali viene introdotta da una serie di domande a cui devono rispondere i ragazzi singolarmente o in piccoli gruppi per introdurre la discussione collettiva con la classe e infine arrivare alla stesura individuale della relazione di laboratorio.

Domande fase 1:

Cosa è cambiato negli allestimenti?

Nel becher A e nel C si nota la presenza di un gas che si è raccolto sul fondo della provetta capovolta. Nel becher C la quantità è maggiore. Nei becher B e D non è successo nulla.

2. Come mai?
La fotosintesi svolta dalla pianta è avvenuta in condizioni normali (A); è risultata più veloce nel becher (C) arricchito di CO2. Negli altri becher (B e D) la carenza di CO2 dovuta all'acqua di calce e l'assenza di luce hanno impedito la reazione.

3. Quali fattori hanno reso possibile la produzione di gas?
Luce e biossido di carbonio. L'acqua in questo caso è abbondante per essere un fattore limitante, anche se è un reagente del processo. Si veda la scheda sui fattori limitanti allegata.

4. In quale modo è possibile verificare che il gas prodotto è costituto da ossigeno?
La combustione che si ravviva con il fiammifero dimostra che il gas è ossigeno.

5. A cosa servono gli altri allestimenti?
Il becher C dimostra la necessità di CO2 e il becher D quella della luce affinché il processo avvenga.

Domande fase 2:

1. Cosa è cambiato nelle provette?

Nella prima provetta il bromotimolo è tornato blu; nella seconda, al buio, è rimasto giallo; nella terza e nella quarta tutto è rimasto invariato.

2. Come mai?
Solo in presenza di luce la pianta svolge la fotosintesi e consuma CO2 per cui il bromotimolo vira al blu.

3. Quali fattori hanno reso possibile il cambiamento?
La luce e il biossido di carbonio.

4. In base al comportamento del bromotimolo quando vi avete immesso l’aria dei vostri polmoni, è possibile ipotizzare quale gas ne sia responsabile?
Il biossido di carbonio.

5. A cosa servono gli altri allestimenti?
Servono come controllo dell'esperimento (o bianco): nella terza il colore blu del bromotimolo potrebbe diventare pià intenso a causa di un po' di CO2 disciolta all'inizio nell'acqua, la quarta provetta dimostra che il bromotimolo non cambia spontaneamente colore con il passare del tempo.

6. Se si volesse far virare al giallo il bromotimolo nella provetta n.3, senza aprirla, cosa dovremmo fare?
E’ necessario lasciarla al buio per un giorno.
Questa domanda introduce il percorso sulla respirazione. Ai ragazzi non è ben chiaro che le piante respirano e che lo fanno anche di giorno. Alla fine della discussione si giunge a concludere che anche le piante respirano sia al buio che alla luce, ma la velocità di tale processo è inferiore a quella della fotosintesi per cui alla luce prevale quest’ultima. Appare inoltre chiaro come le piante tramite la fotosintesi possano sostenere la produzione di ossigeno, e non solo, per tutti gli esseri viventi aerobi.

Note e storia

Il biossido di carbonio in acqua dà luogo a questa reazione:
$$ CO_2 + H_2O \longrightarrow H_2CO_3$$ L'acido carbonico, pur essendo debole, determina il viraggio in campo acido del bromotimolo.

Reazione dell'acqua di calce con il biossido di carbonio:
$$Ca(OH)_2 + CO_2 \longrightarrow CaCO_3 + H_2O$$ Il carbonato di calcio (CaCO3) che si forma precipita sul fondo e l'acqua risulta impoverita di CO2

Il bicarbonato di sodio si trasforma in carbonato di sodio arricchendo l'acqua di CO2 secondo la reazione:
$$2NaHCO_3 \longrightarrow Na_2CO_3 + CO_2 +H_2O$$
Un ulteriore approfondimento può essere introdotto dalla scheda di lavoro allegata "La legge dei fattori limitanti".

Bibliografia

Nuffield BIOLOGIA Quaderno di attività Zanichelli
S.Michelagnoli, A. Pellegrini, M.Oria BIOLOGIA Strutture e funzioni di un organismo Edizioni scolastiche Bruno Mondadori
Guidi, Vallini Biologia osservazione sperimentazione - Edizione McGraw-Hill

Per approfondimenti:

Autori

Giovanelli Carmen

Vignati Attilia

Schede / Allegati

La legge dei fattori limitanti

Prove di verifica

Verifica fotosintesi

Fotosintesi e scambi gassosi