Ossidi acidi e basici

Bruciando lo zolfo (che è naturalmente presente nei combustibili fossili come il carbone e il petrolio) si formano ossidi di zolfo, gas che si disperdono in atmosfera, dove si sciolgono nelle goccioline d'acqua delle nubi per formare acido solforico, e provocano così le piogge acide.
Viceversa, quando i metalli si ossidano si formano ossidi e idrossidi che, in acqua, impartiscono un carattere basico alla soluzione.
In questa esperienza ricreeremo questi fenomeni in laboratorio, per mostrare come dai metalli si ottengano ossidi basici, mentre dai non metalli si ottengano ossidi acidi.

Reazioni chimiche e trasformazioni fisiche

Le trasformazioni fisiche della materia sono trasformazioni reversibili nelle quali non si ha la formazione di nuove sostanze. Se per esempio sottoponiamo a ebollizione un campione di acqua, o a fusione un pezzo di ferro, o modelliamo dell'alluminio, stiamo effettuando delle trasformazioni fisiche.

Le reazioni chimiche modificano le sostanze trasformandole, non influenzano i suoi costituenti fondamentali (gli atomi) ma solo la maniera in cui sono legati tra loro generando degli effetti anche visibili: cambiamento di colore, formazione di precipitato, liberazione di gas, ecc.

Durata: 1 ora

Scopo:

Comprendere la differenza tra una trasformazione fisica e una reazione chimica

Teoria:

Le trasformazioni fisiche producono una modificazione fisica della materia e non producono nuove sostanze anche se le proprietà della materia possono cambiare (es. ghiaccio che fonde)

Le reazioni chimiche sono modificazioni che comportano una variazione della composizione chimica delle sostanze con formazione di nuove sostanze o la scomparsa di sostanze presenti in precedenza.

Nelle trasformazioni chimiche le sostanze originarie si dicono reagenti, le nuove sostanze prendono il nome di prodotti.

Per rappresentare una reazione chimica si scrivono a sinistra i reagenti e a destra i prodotti, collegati da una freccia:

REAGENTI → PRODOTTI

Non sempre è facile riconoscere a vista se una trasformazione è chimica o fisica.

Per riconoscere la natura della trasformazione si deve far ricorso all’analisi chimica, che permette di determinare con notevole sicurezza la composizione dei reagenti e dei prodotti.


Materiale:
  • Aceto
  • Bicarbonato di sodio
  • NaCl
  • AgNO3
  • Acqua distillata
  • Acqua di rubinetto
  • Candela
  • Accendino
  • Idrolitina o brioschi
  • Idrossido di calcio
  • Blu di bromotimolo
  • Colorante verde alimentare
  • Aceto rinforzato
  • Conchiglia
  • Granito
  • Acqua ossigenata 30%
  • Lievito di birra
  • Detersivo per piatti

Strumenti:

  • portaprovette
  • provette
  • cannucce
  • spatoline
  • contagocce
  • tappo provetta con tubo in silicone
  • vaschetta
  • cilindro graduato

Procedimento:

  1. effettuare le seguenti trasformazioni dall'1 all'8 nelle provette a disposizione
  2. utilizzare la vaschetta e il cilindro graduato per la trasformazione 10
  3. costruire una tabella in cui si definiscono quali sono le trasformazioni fisiche e quali le reazioni chimiche in relazione alle osservazioni

titolo

reazione chimica

reazione fisica

materiali e metodo x 1 prova

1

formazione bollicine

Aceto più bicarbonato

aceto + sale

aceto, bicarbonato, 2 provette, cucchiaino, sale

2

precipitato bianco

AgNO3 vs H2O + NaCl

AgNO3 vs H2Odist

nitrato argento (contagocce), sale, acqua distillata, 2 provette, cucchiaino

3

effervescenza

acqua +Idrolitina 

acqua e bicarbonato

idrolitina, bicarbonato, 2 provette, , cucchiaino

4

fiamma

Lumino che brucia con porcellana sopra

lumino che fonde

2 lumini, fiammiferi, capsula di porcellana, piastra riscaldante, 1 vaso di alluminio, pinza di legno

5

soffio bianco

Soffiare nell’acqua di calce

Soffiare nell'acqua del rubinet.

acqua di calce, 2 pipette da soffiare, 2 provette e, acqua rubinetto

6

soffio giallo

Soffiare in una soluzione di acqua oligominerale con blu di bromo timolo

Soffiare in una soluzione di acqua oligominerale con color. Alimentare verde

2 cannucce, blu di bromotimolo, 2 provette, colorante alimentare verde, acqua distillata

7

doppia trasformazione

idrolitina + acqua e raccogliere CO2 nell'acqua di calce

idrolitina + acqua e raccogliere CO2 nell'acqua

4 provette, 2 sistemi composti da tappo, tubo rigido e tubo silicone (vedi foto sotto), acqua di calce, idrolitina, acqua

8

doppia trasformazione 2

idrolitina + acqua e raccogliere CO2 in H2O dist + blu di bromotimolo

idrolitina + acqua e raccogliere CO2 nell'acqua distillata 

4 provette, 2 sistemi composti da tappo, tubo rigido e tubo silicone (vedi foto sotto), latte di calce, bludi bromotimolo, acqua

9

aceto rinforzato

aceto rinforzato (in contagocce) su pezzo di calcare (per es conchiglia

aceto rinforzato (in contagocce) su pezzo di granito

aceto rinforzato in contagocce, conchiglie, granito, 2 piastre petri

10

Dentifricio dell'elefante

Acqua ossigenata detersivo e lievito di birra

Acqua ossigenata, detersivo  e sale 

Si libera ossigeno molecolare


 

 

 


Risultato:

Le reazioni chimiche mostrano sempre un cambiamento sostanziale, come la formazione di un precipitato, il cambiamento di colore o la liberazione di un gas, quindi i prodotti sono diversi dai reagenti utilizzati.

Consigli di sicurezza:

Utilizzare sempre tutti i dpi disponibili (camice, guanti e occhiali), fare attenzione in particolar modo:
-al AgNO3 per le sue proprietà corrosive, smaltirlo in modo idoneo per la sua tossicità ambientale.
-al Perossido d'idrogeno concentrato per le sue capacità altamente corrosive, utilizzare sempre i DPI.

Commenti:

Bibliografia:

Disidratazione dello zucchero


Durata: 30'

Scopo:

Osservare la reazione della disidratazione dello zucchero da parte dell'acido solforico.

Teoria:

L'acido solforico è un acido forte che ha una grande affinità con l'acqua. Se messo a contatto con lo zucchero quindi lo disidrata completamente attraendo a se le molecole di acqua. 

C12H22O11+H2SO4 → 12H2O+12C +SO3

Lo zucchero viene disidratato:
C12H22O11 → 12C (grafite) + 11H2O

L'acido solforico viene idratato:
H2SO4 x nH2O + mH2O → H2SO4 x n1H2O + calore
(n=0.11 moli, m=11x2.0 moli saccarosio=2.2 moli, n1=2.3 moli)


La reazione è fortemente esotermica perché l'energia necessaria alla formazione dei legami acqua-anidride solforica è minore rispetto a quella liberata dalla rottura dei legami del saccarosio e dell'acido solforico.
Il calore liberato durante la reazione fa evaporare l'acqua che "gonfia" il carbonio in una massa scura e alveolata.

Materiale:

  • Zucchero granulare
  • Acido solforico concentrato

Strumenti:

  • Cilindro graduato da 300 ml
  • Bacchetta
  • Carta assorbente
  • Bacinella di plastica
  • Becher da 100 ml
  • Spatola

Procedimento:

  1. Pesare 70 g di zucchero granulare e metterlo nel cilindro
  2. Porre il cilindro nella bacinella di plastica sotto cappa aspirante
  3. Misurare 70 ml di Acido solforico e versarlo nel cilindro
  4. Allontanarsi e osservare la reazione

Risultato:

Nel cilindro dovrebbe formarsi una colonna di carbone che cresce al procedere della reazione.
In conclusione si possono evidenziare tutte le caratteristiche tipiche delle reazioni chimiche: la formazione di precipitato (carbonio), il cambiamento di colore, la formazione di effervescenza e fumo, lo scambio di energia.

Consigli di sicurezza:

L'acido solforico è un acido fortemente corrosivo, indossare sempre guanti e occhiali. Durante la reazione si generano vapori molto caldi e irritanti, lavorare sotto cappa aspirante.

Commenti:


Bibliografia:

Peli urticanti al microscopio

Nel loro eccezionale processo evolutivo, non potendosi muovere, o potendolo fare in maniera relativamente lenta, le piante hanno dovuto sviluppare molteplici meccanismi di difesa contro i naturali predatori o contro le avversità climatiche e atmosferiche.
Tra i meccanismi di difesa troviamo particolari estroflessioni delle cellule epidermiche dette tricomi, o peli.
I peli possono svolgere differenti funzioni. Per esempio, i peli radicali, oltre ad essere vivi, cercano e assorbono l'acqua contenuta nel terreno. I peli che rivestono la parte aerea possono assorbire l'umidità dell'aria, oppure possono proteggere la pianta contro l'eccessiva perdita di umidità per evapotraspirazione, oppure ancora possono proteggere la pianta dall'eccessiva irradiazione solare. Sempre i peli della parte aerea possono proteggere la pianta dagli attacchi di parassiti. I peli svolgono le stesse funzioni che in altre piante sono svolte dalle spine (fusti o foglie trasformate), dagli aculei (emergenze dell'epidermide che coinvolgono anche i tessuti profondi, come gli aculei delle rose, chiamati anche spine), dai rivestimenti cerosi.
I peli possono essere unicellulari o pluricellulari, semplici o ramificati, con forme di stella, scudetto, uncino, piuma, ecc.

Tra i peli ve ne sono alcuni tipi detti ghiandolari poiché contengono particolari sostanze. I peli ghiandolari sono costituiti da cellule vive e le sostanze che contengono possono servire a scopo di difesa (peli urticanti), a richiamare insetti impollinatori (peli contenenti sostanze aromatiche e zuccherine),  a "sentire" la presenza di insetti (peli sensitivi di alcune piante carnivore), a eliminare l'eccesso di sali (ghiandole saline delle piante alofite), a digerire gli insetti catturati (peli digestivi di alcune piante carnivore), eccetera.


Durata: 30 min


Scopo:

Osservare la struttura dei peli urticanti delle ortiche al microscopio

Teoria:

Le ortiche sono notoriamente ricoperte di peli urticanti (Ortica da urere = bruciare), sono peli ghiandolari vivi che si sono evoluti per iniettare nel predatore acido formico, acetilcolina e istamina. 
Il pelo presenta alla base un rigonfiamento a bulbo, contenente il nucleo, e una punta chiusa da un bottone sferico(ben visibile al microscopio). Il bulbo è contenuto in una struttura basale a forma di calice, formata da cellule epidermiche, anch'esse ben visibili al microscopio. Verso la punta le pareti del pelo sono ricche di silicati che la rendono fragile come il vetro; invece verso la parte bassa sono ricche di carbonato di calcio. In questo modo il pelo risulta rigido ma fragile. Al contrario, il bulbo non possiede incrostazioni e, quindi, ha una parete elastica che si può comprimere. Il bottone apicale non è centrato all'estremità del pelo ma fissato in modo obliquo, in corrispondenza di una rientranza.
Quando viene toccata la punta , l'intero pelo si piega, il bulbo si comprime e il bottone apicale si rompe distaccandosi dalla punta. Poiché il bottone è fissato obliquamente, quando si stacca rimane una punta silicea obliqua, simile alla punta di un ago ipodermico. Il bulbo, compresso, spinge il liquido urticante verso la punta che, essendo sottilissima (microscopica) e affilatissima, penetra facilmente nel corpo del predatore, iniettandovi il liquido.

Materiale:

  • Pianta di ortica

Strumenti:

  • forbici;
  • pinzetta;
  • ago da dissezione;
  • bisturi;
  • lente d'ingrandimento;
  • microscopio;
  • vetrini portaoggetto;
  • vaschetta;

Procedimento:

  1. Recidere con le forbici un rametto da una pianta di ortica
  2. Con una pinzetta riporre il campione su un piattino
  3. Utilizzando la lente d'ingrandimento, staccare diverse piccole parti della pianta con l'aiuto di forbici e pinzette; 
  4. Prelevare parti di foglia, picciolo, fusticino utilizzando il bisturi e l'ago da dissezione
  5. Porre i campioni su vetrini portaoggetti 
  6. Osservare al microscopio

Risultato:

E' possibile osservare al microscopio tutta la struttura dei peli urticanti distinguendo le cellule dell'epidermide sul bulbo dalle pareti silicate e il bottone apicale obliquo.

Consigli di sicurezza:

Si consiglia di utilizzare guanti per la manipolazione delle foglie di ortica e prestare attenzione nell'utilizzo del bisturi

Commenti:


Bibliografia:

https://www.stelledegliiblei.it/ortica_peli_urticanti.html
https://www.stelledegliiblei.it/ortica_peli_urticanti_bis.html

Esterificazione

Gli esteri hanno formula generale RCOOR e possono essere ottenuti della reazione di condensazione tra un acido carbossilico e un alcol. Sono generalmente poco solubili in acqua e hanno punti di ebollizione debolmente più alti rispetto agli idrocarburi di uguale peso molecolare. Sono più volatili dei corrispondenti acidi non essendo presenti legami a idrogeno. Gli esteri volatili hanno un odore caratteristico di frutta, insieme ai chetoni, sono responsabili della fragranza di molti frutti e fiori usati come sapori artificiali.


Durata: 1 ora

Scopo:

Produrre alcuni esteri dal caratteristico odore fruttato mediante la reazione di esterificazione.

Teoria:

L'esterificazione è la reazione di preparazione di un estere a partire da un alcol ed un acido; spesso l'acido è un acido carbossilico, ma anche gli acidi inorganici (acido solforico, acido fosforoso e fosforico per esempio) possono essere esterificati.

L'acido è fatto reagire in eccesso di alcool (o con sottrazione successiva di acqua), in presenza di un catalizzatore acido. Il risultato sono un estere e acqua.

Esterificazione





Trattandosi di una reazione di equilibrio, la sottrazione di acqua e l'eccesso di alcol servono a spostare l'equilibrio di reazione verso i prodotti finali (Principio di Le Châtelier).
Il processo inverso dell'esterificazione è l'idrolisi che, se effettuata in ambiente basico, prende il nome di saponificazione.

Materiale:

  • 1-pentanolo
  • acido acetico
  • acido fosforico
  • acido butirrico
  • acido solforico concentrato
  • etanolo

Strumenti:

  • provette
  • portaprovette
  • piastra riscaldante
  • becco Bunsen
  • distillatore
  • piastra riscaldante
  • beuta
  • pipette
  • refrigerante a bolle

Procedimento

1.  Riscaldare all’ebollizione in una provetta una miscela composta da:

1 ml di alcool amilico (1-pentanolo)

1 ml di acido acetico

1 ml di acido fosforico

Si ottiene un composto che odora di pera.

 

 2.  Riscalda in un distillatore a temperatura media: 

5 ml di etanolo 

25 ml di acido butirrico 

5 ml di acido solforico concentrato 

Il distillato emana odore di ananas


3.  Si mettono in provetta: 

1 g di acido benzoico 

5 ml di etanolo 

4 gocce di acido solforico concentrato 

Si riscalda e dopo 10 minuti si percepisce un odore di menta (benzoato di etile).


4.  Riscaldiamo per 5 minuti su piastra elettrica in una beuta: 

12 ml di etanolo 

12 ml di acido acetico 

1 ml di acido solforico concentrato 

Inserendo un refrigerante, il distillato ottenuto emana un piacevole odore di frutta.


Risultato:

Con la prima esterificazione si ottiene un composto che odora di pera.
La seconda reazione produce un distillato che odora di ananas.
La terza produce il benzoato di etile che odora di menta.
Con la quarta esterificazione si ottiene un distillato che emana odore di frutta.

Consigli di sicurezza:

Indossare sempre tutti i dpi necessari.
L'acido solforico concentrato va manipolato con cautela indossando guanti e occhiali sotto cappa, è corrosivo e provoca gravi ustioni cutanee.


Bibliografia:

Il calore sulla Terra

Tra i fattori che determinano il riscaldamento dell’atmosfera, sicuramente la natura della superficie terrestre occupa un posto rilevante. Si sa che la troposfera, lo strato più vicino alla superficie, viene riscaldata e raffreddata dal basso dalle radiazioni solari che vengono in parte riflesse oppure rilasciate in vari modalità dopo essere state assorbite. La nostra Terra ha una superficie eterogenea molto complessa, ma si può, con una certa approssimazione, ridurre in due zone: terre emerse e acque.

Durata: 30'


Scopo:

Verificare e quantificare le modalità di assorbimento di energia al variare dei materiali.


Teoria:

Il calore specifico è la misura della quantità di energia necessaria per modificare la temperatura di un materiale. Acqua, aria e terra hanno diversi valori di calore specifico: l’acqua ad esempio richiede un’energia molto superiore rispetto all’aria e alla terra, ma il Sole riscalda tutti i materiali presenti sulla Terra allo stesso modo. Verifichiamo come questi materiali si riscaldano in modo differente.


Materiale:

  • acqua
  • sabbia
  • terra


Strumenti:

  • becher da 250 ml
  • lampada a incandescenza
  • cronometro
  • termometri


Procedimento:

  1. Riempire per metà i tre becher rispettivamente con acqua, terra e sabbia
  2. Inserire all'interno dei materiali i termometri
  3. Porre i becher sotto la lampada a incandescenza e far partire il cronometro
  4. Segnare le temperature dei termometri ogni minuto per 10 minuti
  5. Ripetere la prova con altri due becher con terra e sabbia inumiditi
  6. Raccogliere i dati in tabella e costruire un grafico temperatura/minuti

Risultato:

Osservando il grafico appare evidente che la sabbia asciutta sia il materiale che si riscalda più rapidamente, infatti la retta relativa presenta una pendenza maggiore: la sua temperatura è quella che aumenta più velocemente a parità di tempo. L’acqua, al contrario, si comporta in maniera tale da minimizzare l’effetto del riscaldamento: il suo calore specifico è più elevato, quindi è ovvio che si riscaldi più lentamente. Una sorpresa viene riservata dalla sabbia umida: sembra che si comporti addirittura peggio dell’acqua, è il materiale con la minore inclinazione della retta nel grafico.
Sebbene l’oceano assorba quasi tutto il calore del sole (ha un albedo basso), la sua temperatura è quasi invariata a causa del suo alto calore specifico. Se il pianeta non fosse coperto da acqua per il 75% che rilascia il calore accumulato durante il giorno le notti sarebbero molto fredde.


Bibliografia:

Saggio di Tollens

Le aldeidi e i chetoni sono due classi di composti organici caratterizzati dallo stesso gruppo funzionale, il carbonile, cioè un atomo di ossigeno legato con un doppio legame ad un atomo di carbonio. La differenza sta nella posizione: se il gruppo carbonile è terminale (o primario), cioè se l'atomo di carbonio carbonilico è legato almeno ad un atomo di idrogeno, il composto è un'aldeide; se il gruppo carbonile è secondario (in mezzo alla catena), cioè se l'atomo di carbonio carbonilico è legato ad altri due atomi di carbonio, il composto è un chetone.
Perché assegnare due nomi diversi a composti distinti da una differenza tanto piccola?
Il motivo è che questa piccola differenza causa una grande differenza nelle reazioni che questi composti possono subire: il legame carbonio - idrogeno, presente sull'atomo di carbonio carbonilico delle aldeidi, si può rompere con più facilità rispetto al legame carbonio - carbonio presente sull'atomo di carbonio carbonilico dei chetoni. Per questo le aldeidi possono essere facilmente ossidate ad acidi carbossilici, mentre per ossidare i chetoni bisogna ricorrere a condizioni molto più estreme (bruciarli, ad esempio), e difficilmente il prodotto sarà un acido carbossilico.

Durata: 1 ora


Scopo: 

Individuare la presenza di zuccheri riducenti, o distinguere aldeidi da chetoni, mediante il saggio di Tollens che si basa su questa reazione: se si aggiunge il reattivo (il quale è costituito da una soluzione diluita di ossido di argento in ammoniaca acquosa) ad una piccola quantità di aldeide, posta precedentemente in una provetta, l'interno della provetta si rivestirà di un lucente specchio di argento metallico. Per questo motivo questo test spesso viene anche conosciuto con il nome di "saggio dello specchio d'argento". L'agente ossidante nel reattivo è Ag+, ridotto ad argento metallico.

Teoria:

Il reattivo di Tollens viene preparato facendo reagire il nitrato di argento AgNO3 con idrossido di sodio NaOH con formazione di ossido di argento secondo la reazione:

2 AgNO3 + 2 NaOH → 2 NaNO3 + Ag2O + H2O

L’ossido di argento viene solubilizzato con aggiunta di ammoniaca in eccesso con formazione dello ione diamminoargento [Ag(NH3)2]+ secondo la reazione:

Ag2O + 4 NH3 + H2O → 2 [Ag(NH3)2]+ + 2 OH–

Le aldeidi riducono lo ione diamminoargento ad argento metallico e, stante l’ambiente basico della soluzione, le aldeidi si ossidano al sale dell’acido carbossilico.

La semireazione di riduzione dello ione diamminoargento è:

[Ag(NH3)2]+ + 1 e– → Ag + 2 NH3

La semireazione di ossidazione di un’aldeide in condizioni basiche è:
RCHO + 3 OH–→ RCOO– + 2 H2O + 2 e–

La reazione che avviene complessivamente è:

2 [Ag(NH3)2]+ + RCHO + 3 OH–→ RCOO– + 2 Ag + 4 NH3 + 2 H2O

Dalla soluzione incolore si ottiene un precipitato grigio di argento metallico.

I chetoni non reagiscono con il reattivo di Tollens.

Materiale:

  • Soluzione di glucosio 1%
  • Soluzione di fruttosio 1% 
  • Soluzione di saccarosio 1%
  • Nitrato d'argento AgNO3  1N
  • Idrossido di sodio NaOH 2M
  • Idrossido di ammonio NH4OH 10%

Strumenti:

  • Piastra riscaldante
  • Becher
  • Pipette
  • Provette
  • Vortex

Procedimento:

  1. Si prepara il reattivo di Tollens mescolando 1 ml di soluzione di nitrato di argento AgNO3 (circa 20 gocce) e 1 ml di soluzione di idrossido di sodio NaOH 
  2. Si formerà un precipitato tipico dell'ossido di Argento. 
  3. Si aggiunge al miscuglio una soluzione di idrossido di ammonio fino a totale solubilizzazione del precipitato.
  4. In tre provette si pongono aliquote di reattivo di Tollens e si introducono al loro interno rispettivamente circa 3 gocce di soluzioni all’1% di glucosio, fruttosio e saccarosio.
  5. Agitare con il vortex le provette e porre nel bagno termostatico in un becher con acqua su piastra riscaldante per qualche minuto.

Risultato:


La formazione di uno specchio di argento al fondo della provetta è prova dell’avvenuta reazione.
Si osserverà la formazione dello specchio di argento nelle provette contenenti il glucosio, il fruttosio e lo zucchero invertito perché sono zuccheri riducenti; nella provetta contenente il saccarosio ciò non accadrà poiché non è uno zucchero riducente.

I carboidrati come fruttosio e glucosio si comportano come se fossero delle aldeidi (R-CHO) e danno la reazione di Tollens:

R–CHO + 2[Ag(NH3)2]+ + 3OH– → RCOO– + 2Ag↓+ 4NH3 + 2H2

Il saccarosio non è uno zucchero riducente e non sviluppa la reazione di Tollens.

Consigli di sicurezza:

Utilizzare sempre guanti e protezioni per gli occhi per le proprietà caustiche dell'idrossido di ammonio e la tossicità del nitrato d'argento. 
Preparare sempre al momento il reattivo di Tollens e non conservarlo a lungo perché potrebbe sviluppare composti altamente esplosivi.

Bibliografia: