Reazioni endotermiche ed esotermiche

Le reazioni chimiche sono trasformazioni della materia in cui avvengono modificazioni della struttura e della composizione delle specie chimiche prese in esame dette reagenti, generando quindi altre specie chimiche dette prodotti. Durante l'avvenimento di una reazione chimica, alcuni legami si rompono assorbendo una certa quantità di energia, mentre altri si creano rilasciando energia. Tuttavia, una volta avvenuta la reazione, una certa quantità di quell'energia viene conservata dalle specie prodotte, e può essere maggiore o minore rispetto all'energia iniziale delle specie reagenti. Se l'energia dei prodotti è minore dell'energia dei reagenti significa che è stata rilasciata verso l'ambiente possibilmente sotto forma di calore, se invece l'energia dei prodotti è maggiore di quella dei reagenti vorrà dire che è stata assorbita dall'ambiente sottraendo quindi calore.

Durata: 45'

Scopo:

Confrontare l’effetto termico di 0,1 moli di diverse sostanze ioniche solide quando vengono sciolte in una stessa quantità di acqua. 

Materiale:

• Acqua distillata
• Cloruro di sodio
• Idrossido di sodio
• Cloruro di ammonio
• Nitrato di potassio
• Cloruro di calcio

Strumenti:

• Vetrini d'orologio
• Becher
• Cilindri graduati
• Termometro con sensibilità di un decimo di grado
• Bacchetta di vetro

Procedimento:

1. Pesare separatamente 0,1 moli di ciascun composto ionico solido, rispettivamente: 4,00 g di NaOH, 5,85 g di NaCl, 5,35 g di NH4Cl, 10,11 g di KNO3, 11,10 g di CaCl
2. Prendere quattro becher e versare in ognuno 100 ml di acqua distillata utilizzando un cilindro graduato
3. Immergendo il termometro misurare e annotare la temperatura in °C dell'acqua come T iniziale
4. Versare rapidamente nel primo becher l'idrossido di sodio pesato
5. Mescolare con la bacchetta di vetro fino a completo scioglimento
6. A completo sciogliemtno misurare ed annotare la temperatura finale (T finale)
7. Ripetere i passaggi dal punto 3 al punto 6 per ogni composto pesato precedentemente
8. Costruire una tabella dove si inseriranno le T iniziali e T finali in relazione ai composti utilizzati e calcolare il ∆T

Risultato:

Osservando le varie misurazioni delle temperature annotate si conclude che alcune soluzioni rilasciano un calore evidente sia allo strumento di misurazione che al tatto (toccare in becher non la soluzione!!), mentre altre si raffreddano solo di qualche grado o anche drasticamente. La differenza di temperatura (∆T) tra la misurazione iniziale e finale sarà differente in relazione alle specie chimiche utilizzate.

Ossidoriduzioni

Le reazioni di ossidoriduzione, dette anche redox, sono reazioni in cui si assiste ad una variazione dei numeri di ossidazione degli ioni o degli atomi. Tra le specie chimiche che intervengono alla reazione quella che si ossida, chiamata riducente, cede elettroni e quindi aumenta il suo numero di ossidazione, viceversa quella che si riduce, chiamata ossidante, acquista elettroni ed il suo numero di ossidazione diminuisce.

Durata: 45'

Scopo:

Osservare lo scambio di elettroni tra metalli e soluzioni in reazioni spontanee di ossidoriduzione

Teoria:

Alcune reazioni proposte in questa esperienza non avvengono a causa della minima tendenza delle specie chimiche a reagire o per la natura stessa del reagente, di seguito sono riportate le reazioni in forma molecolare ed in forma ionica delle ossidoriduzioni svolte:

2AgNO₃ + Cu → Cu(NO₃)₂ + 2Ag

Cu → Cu²⁺ + 2e^- (riducente, si ossida)

2Ag⁺ + 2e^- → 2Ag (ossidante, si riduce)

Cu + 2Ag⁺ → Cu²⁺ + 2Ag

L'argento formerà grossi cristalli sulla lamina di rame

2AgNO₃ + Pb → Pb(NO₃)₂ + 2Ag

Pb → Pb²⁺ + 2e^-

2Ag⁺ + 2e^- → 2Ag

Pb + 2Ag⁺ → Pb²⁺ + 2Ag

L'argento formerà grossi cristalli sulla lamina di piombo

2AgNO₃ + Zn → Zn(NO₃)₂ + 2Ag

Zn → Zn²⁺ + 2e^-

2Ag⁺ + 2e^- → 2Ag

Zn + 2Ag₊ → Zn₂₊ + 2Ag

L'argento formerà grossi cristalli sulla lamina di zinco

Cu(NO₃)₂ + Pb → Pb(NO₃)₂ + Cu

Pb → Pb²⁺ + 2e^-

Cu²⁺ + 2e^- → Cu

Pb + Cu₂₊ → Pb₂₊ + Cu

Il rame formerà cristalli sulla lamina di piombo

Cu(NO₃)₂ + Zn → Zn(NO₃)₂ + Cu

Zn → Zn²⁺ + 2e^-

Cu²⁺ + 2e^- → Cu

Zn + Cu₂₊ → Zn₂₊ + Cu

Il rame formerà cristalli sulla lamina di zinco

Pb(NO₃)₂ + Zn → Zn(NO₃)₂ + Pb

Zn → Zn²⁺ + 2e^-

Pb²⁺ + 2e^- → Pb

Zn + Pb₂₊ → Zn₂₊ + Pb

Il piombo formerà cristalli sulla lamina di zinco

Materiale:

• Lastrine metalliche di rame
• Lastrine metalliche di argento
• Lastrine metalliche di zinco
• Lastrine metalliche di piombo
• Soluzione 0,1M di AgNO₃
• Soluzione 0,1 M di Cu(NO₃)₂
• Soluzione 0,1 M di Pb(NO₃)₂
• Soluzione 0,1 M di Zn(NO₃)₂
• HCl 37%

Strumenti:

• Becher
• Provette
• Portaprovette
• Gorgogliatore

Procedimento:

1. Preparare ed etichettare 16 provette in cui si è versato: in 4 AgNO₃, 4 con Cu(NO₃)₂, 4 con Pb(NO₃)₂, 4 con Zn(NO₃)₂
2. Inserire rispettivamente una lamina metallica per ogni tipo (rame, argento, zinco e piombo) in ogni provetta di AgNO₃ e osservare
3. Inserire rispettivamente una lamina metallica per ogni tipo (rame, argento, zinco e piombo) in ogni provetta di Cu(NO₃)₂ e osservare
4. Inserire rispettivamente una lamina metallica per ogni tipo (rame, argento, zinco e piombo) in ogni provetta di Pb(NO₃)₂ e osservare
5. Inserire rispettivamente una lamina metallica per ogni tipo (rame, argento, zinco e piombo) in ogni provetta di Zn(NO₃)₂ e osservare
6. Infine prendere le provette contenenti Ag⁺ e Zn⁺ e fare gorgogliare H₂ all'interno, si potrà notare la precipitazione rispettivamente di Ag e Zn ridotti a polvere metallica.

Risultato:

Osservando le varie preparazioni nelle provette saranno ben visibili le formazioni di cristalli:

il nitrato d'argento con rame, piombo e zinco formerà cristalli di Ag;

il nitrato di rame con piombo e zinco formerà cristalli di Cu;

il nitrato di piombo formerà cristalli di piombo su Zn

Di conseguenza sarà possibile costruire una tabella come la seguente:

	Ag	Cu	Pb	Zn
Ag+
Cu2+
Pb2+
Zn2+

In cui si renderà evidente la tendenza ad ossidarsi dei metalli presi in esame:

l'argento nelle varie provette si riduce sempre ma non ossida mai;

il rame si ossida a confronto con l'argento e si riduce con lo zinco e il piombo;

il piombo si ossida con il rame e si riduce con lo zinco;

lo zinco è l'elemento che si ossida sempre e non si riduce mai.

Avremo quindi una scala di tendenza all'ossidazione:

Zn > Pb > H₂ > Cu > Ag

E una scala di tendenza alla riduzione:

Zn²⁺ < Pb²⁺ < H⁺ < Cu²⁺ < Ag⁺

Utilizzando infine il potere di H₂ ottenuto dalla reazione tra Zn e HCl sarà possibile osservare la precipitazione di Ag o Zn facendolo gorgogliare in una delle provette disponibili ed ottenendo una polvere metallica sul fondo della provetta.

Coltura di alghe dal suolo e osservazione al microscopio della microflora tellurica

La microflora tellurica costituisce la parte più cospicua della biomassa del terreno, comprende infatti al suo interno diversi regni come i batteri, i funghi, gli attinomiceti, i virus e le alghe. In un solo grammo di terreno sono presenti da un milione a 10 e più miliardi di microrganismi singoli o raggruppati in colonie. La macroflora invece è rappresentata essenzialmente dalle radici delle piante superiori e dai licheni, importanti soprattutto nei terreni in formazione o poco evoluti. Le alghe sono organismi autotrofi, possono essere costituiti da una o più cellule, e vivono principalmente in acqua, ma sono presenti anche su materiali ricchi di umidità e quindi nel suolo. Nel terreno le alghe si trovano in piccole quantità rispetto alla biomassa totale, crescono infatti quasi esclusivamente a livello superficiale, dove possono essere raggiunte più facilmente dalla radiazione solare.

Durata: 45' (+ 1 giorno di preparazione)

Scopo:

Osservare al microscopio ed imparare a classificare le alghe che vivono nel terreno

Teoria:

Le alghe presenti nella superficie del suolo trasferite nell'apposito terreno con agar nutritivo cresceranno trovandosi nelle condizioni ottimali alla loro vita creando colonie che potranno essere prelevate in piccole quantità ed osservate al microscopio, potendone così identificare la famiglia e la specie.

Materiale:

• Agar nutritivo 
• Terriccio 
• Nitrato di calcio 
• Idrogenofosfato di potassio 
• Solfato di magnesio 
• Cloruro di sodio 
• Solfato ferrico

Strumenti:

• Microscopio ottico 
• Capsule petri 
• Spatolina

Procedimento:

1. Sospendere 10 g di Agar in 100 ml di acqua distillata e aggiungere: 1 g di nitrato di calcio, 0,2 g di idrogenofosfato di potassio, 0,2 g di solfato di magnesio, 0,1 g di cloruro di sodio, 0,05 g di solfato ferrico 
2. Portare il liquido a 1000 ml e sterilizzare con ebollizione 
3. Versare il liquido nelle capsule Petri sterili e lasciare solidificare 
4. Prelevare piccoli campioni di terriccio e disporli sull'agar solidificato 
5. Chiudere e capovolgere le capsule 
6. Conservare in una zona con luce diffusa ma non esposte direttamente alla luce solare e al riparo dalla polvere 
7. Se nel terreno erano presenti alghe, compariranno sulla superficie dell'agar alcune chiazze colorate di giallo, verde o azzurro 
8. Asportare piccoli frammenti di coltura e montarle in acqua su un vetrino da microscopio 
9. Osservare al microscopio ottico

Risultato:

Le alghe al microscopio si presentano come piccole cellule verdi, unicellulari o coloniali, dalla forma più disparata, è possibile identificarne le specie osservandone le strutture caratteristiche ed utilizzando il supporto di un manuale di riconoscimento.

Determinazione della percentuale di ossigeno nell'aria

L'aria che respiriamo è una miscela gassosa composta da vari elementi: l'azoto e l'ossigeno, rispettivamente pari al 78% e al 20,95% in volume, sono i due componenti principali dell'atmosfera. L'azoto è un gas incolore, inodore e inerte, in quanto non partecipa ai processi vitali, a differenza dell'ossigeno, necessario per la respirazione degli esseri viventi. L'ossigeno presente nell'aria è quasi interamente di origine biologica, in quanto viene prodotto dagli organismi autotrofi grazie alla fotosintesi clorofilliana. Il restante 1% è costituito da argon, anidride carbonica, altri gas quali neon, kripton, xenon, idrogeno ed altri ancora. L'elemento dell'aria che più ci riguarda è l'ossigeno che prende posto in uno dei processi fondamentali alla vita, la respirazione.

Durata: 45'

Scopo:

Verificare sperimentalmente la percentuale di ossigeno presente nell'aria.

Teoria:

L'ossigeno presente all'interno del pallone di vetro reagisce con l'alcol etilico durante la combustione secondo la seguente reazione:

C₂H₅OH + 3O₂ + 12N₂ → 2CO₂ +3H₂O + 12N₂

L'ossigeno consumato nella prima parte di reazione lascia uno "spazio vuoto" all'interno del pallone che sarà quindi occupato dalla risalita dell'acqua colorata lungo il tubicino e poi nel pallone. Il volume del liquido risalito sarà quindi equivalente al volume di ossigeno consumato e facilmente misurabile mediante un cilindro graduato.

Materiale:

• Cotone 
• Alcol etilico 
• Acqua colorata

Strumenti:

• Pallone di vetro da 500 ml 
• Cilindro graduato 
• Beuta da 250 ml 
• Pinza di Mohr 
• Tappi di gomma forati 
• Tubicini di vetro 
• Raccordo in gomma 
• Fiammiferi

Procedimento:

1. Determinare il volume del pallone misurando con il cilindro graduato la quantità d’acqua che può contenere. 
2. Asciugare perfettamente l’interno del pallone (se possibile con un getto d’aria compressa). 
3. Montare il pallone sulla beuta contenente l'acqua colorata utilizzando due tappi di gomma forati connessi da due tubicini di vetro uniti nel mezzo dal tubicino in gomma dove andrà posizionata la pinza di Mohr 
4. Togliere il pallone per posizionare un batuffolo di cotone imbevuto d’alcol all'estremità del tubicino di vetro. 
5. Riposizionare il pallone e chiudere la pinza di Mohr 
6. Accendere il cotone imbevuto di alcol con un fiammifero e posizionare immediatamente in modo ermetico il pallone di vetro 
7. Attendere lo spegnimento della fiamma 
8. Aprire la pinza di Mohr permettendo la risalita dell'acqua colorata lungo il tubo e nel pallone 
9. Quando il liquido non salirà più dalla beuta al pallone richiudere la pinza 
10. Smontare con cautela il pallone senza versare il liquido 
11. Determinare il volume di acqua colorata salita nel pallone utilizzando il cilindro graduato 
12. Ripetere la prova almeno una volta per avere una maggiore precisione

Risultato:

Il volume di liquido colorato che salirà per differenza di pressione all'interno del pallone sarà equivalente al volume di ossigeno consumato durante la combustione e quindi dell'ossigeno totale presente nell'aria inizialmente contenuta nel pallone. Si può costruire una tabella per confrontare le diverse prove effettuate e la differenza di volume misurata, calcolando così la percentuale di ossigeno nell'aria.

Il moto degli ioni in soluzione elettrolitica attraversata da corrente elettrica

La corrente elettrica così come la conosciamo circola generalmente all'interno di un metallo, esempio lampante sono i cavi in rame che forniscono elettricità ad una abitazione; questo flusso avviene grazie agli elettroni liberi contenuti nel metallo che hanno la possibilità di migrare verso punti a potenziale più alto generando una corrente. Quando però il mezzo non è un metallo ma una soluzione elettrolitica cambiano gli elementi in gioco, non sono più gli elettroni a costituire il passaggio di elettricità bensì gli ioni della soluzione.

Durata: 45'

Scopo:

Osservare la corsa elettrolitica degli ioni  Pb⁺⁺ e I^-.

Teoria:

Gli ioni possono essere carichi positivamente o negativamente e migrare così in direzioni opposte: quando ad una soluzione elettrolitica si applica una differenza di potenziale, i cationi (ioni positivi) sono attratti dal catodo (elettrodo negativo), mentre gli anioni (ioni negativi) sono attratti dall'anodo (elettrodo positivo). Applicando una differenza di potenziale ad una soluzione di Pb(NO₃)₂ posta vicino all'anodo e di KI vicino al catodo si otterrà una migrazione degli ioni positivi verso il catodo essendo attratti dalla carica negativa dell'elettrodo e uno spostamento degli ioni negativi verso l'anodo essendo attratti dalla carica positiva.

2KI + Pb(NO₃)₂ → PbI₂ + 2KNO₃

Gli ioni che entreranno in gioco in questa reazione sono Pb⁺⁺ e I^-.

Materiale:

• Carta da filtro spessa
• Soluzione di KNO₃ 0,1 M
• Soluzione di KI 1 M
• Soluzione di Pb(NO₃)₂ 1 M

Strumenti:

• Generatore di tensione continua a 20 V 
• Amperometro 
• Cavetti elettrici con morsetti a coccodrillo 
• Contagocce 
• Vetrini da microscopio

Procedimento:

1. Tagliare due strisce di carta da filtro della stessa dimensione del vetrino da microscopio che servirà da supporto
2. Preparare il circuito elettrico con il generatore, l'amperometro e i cavi con morsetti collegati ai due estremi di un vetrino con carta filtro
3. Accendere il generatore e verificare mediante l'amperometro il non passaggio di corrente
4. Imbibire la striscia di carta con KNO₃ mantenendola sopra al vetrino
5. Pree 2-3 gocce di soluzione di ioduro di potassio nei pressi del catodo e 2-3 gocce di Pb(NO₃)₂ vicino all'anodo
6. Attendere circa 20 minuti per osservare la migrazione di PbI₂ evidente come banda di colore giallo
7. Montare sul circuito il secondo vetrino con la striscia di carta imbevuta di KNO₃
8. Porre 2-3 gocce di KI vicino all'anodo e 2-3 gocce di Pb(NO₃)₂ vicino al catodo
9. Osservare

Risultato:

Applicando la differenza di potenziale al circuito con la carta asciutta si nota che non vi è passaggio di corrente grazie alla misurazione con l'amperometro, questo perchè non si ha nè passaggio di ioni, ne passaggio di elettroni non avendo metalli che collegano i due morsetti.

Imbevendo di soluzione elettrolitica la prima striscia di carta di osserva il passaggio di corrente che diviene molto evidente quando si ha il completamento della reazione: gli ioni I^-, migrando verso l'elettrodo positivo (anodo), hanno incontrato gli ioni Pb⁺⁺ in migrazione verso l'elettrodo negativo (catodo), generando nel punto dell'incontro il precipitato giallo PbI₂. La banda gialla che si nota sulla striscia di carta non si troverà al centro ma bensì spostata verso l'anodo, questo perchè lo ione ioduro è più leggero di Pb⁺⁺ e si muoverà più velocemente all'interno della striscia raggiungendo prima il catione che si troverà ancora all'inizio della sua corsa.

Montando il secondo vetrino con la striscia di carta imbevuta in soluzione elettrolitica ma con alcune gocce di ioduro di potassio vicino all'anodo e gocce di piombo nitrato vicino al catodo, si osserva che non vi è alcuna corsa degli ioni che si trovano già nei pressi degli elettrodi da cui ricevono l'attrazione e non avverrà quindi la reazione di precipitazione; si osserva però una reazione di ossidazione degli ioni ioduro a I₂ che formano una soluzione bruna vicino all'anodo, e una riduzione degli ioni Pb⁺⁺ che subiscono riduzione formando piombo metallico visibile nei pressi del catodo.

Bibliografia:

Scienze a scuola - progetto Liceo scientifico Galileo Galilei di Ancona

Ricerca della Vitamina C

La vitamina C o acido L-ascorbico è un composto organico che prende il nome dalla capacità di curare lo scorbuto, malattia che in passato colpiva i marinai che per molto tempo non riuscivano ad assumere frutta e verdura fresca. La vitamina C è un composto essenziale per il nostro organismo ma che è necessario assumere con l'alimentazione, il nostro corpo infatti non è in grado di produrla autonomamente se non in piccole quantità. Le funzioni di questa vitamina sono molteplici all'interno dei principali processi metabolici come l'assorbimento del ferro, le proprietà antiossidanti, la stimolazione delle difese immunitarie.

Durata: 45'

Scopo:

Rilevare la presenza di vitamina C in bevande come succhi di frutta, bevande gasate e simili.

Teoria:

La quantità di vitamina C (acido ascorbico) in diverse sostanze è facilmente rilevabile attraverso l'utilizzo del reattivo di Lugol che agisce secondo la seguente reazione:

C₆H₈O₆ + I₂ → C₆H₆O₆ + 2HI

L'acido ascorbico ha un forte potere riducente e quindi tende a ossidarsi formando l'acido deidroascorbico, mentre lo iodio si trasforma in acido iodidrico. L'evidenza di questo saggio è data dal viraggio cromatico dello iodio, inizialmente viola, ad acido iodidrico, che è incolore.

Materiale:

• Amido 
• Reattivo di Lugol 
• Acqua 
• Succhi di frutta, bevande gasate, ecc.

Strumenti:

• Provette 
• Becher 
• Bacchetta di vetro 
• Bilancia 
• Vertino d'orologio

Procedimento:

1. Misurare 100 ml di acqua e sciogliervi 200-250 mg di amido 
2. Versare in due provette 5 ml di soluzione con l'amido 
3. Aggiungere alle provette 1-2 gocce di soluzione di Lugol, donerà un colore violetto 
4. Aggiungere a una delle due provette una piccola quantità del liquido in esame (succo di frutta, bibite gasate, ecc.) 
5. Nella seconda provetta aggiungere una piccola quantità di un liquido in cui non vi è presenza di acido ascorbico

Risultato:

In presenza di acido ascorbico si dovrebbe osservare un viraggio della preparazione all'interno della provetta da viola a incolore, mentre non si osserva aclun cambiamento (la soluzione rimane viola) per i liquidi senza vitamina C presi in esame.

La circolazione termoalina

L'acqua degli oceani è in continuo movimento, si inabissa nelle zone polari, percorrendo i fondali degli oceani di tutta la terra, per poi risalire nelle zone tropicali, e di nuovo viaggiare in superficie fino alle zone polari, chiudendo il ciclo.
Cosa muove questo immenso meccanismo? La causa è la presenza di masse d'acqua a densità diversa, dovuta a diversa temperatura e salinità. In questo esperimento vedremo un esempio di questo fenomeno.