Il permanganato camaleonte

La reazione del permanganato camaleonte è una reazione di ossidoriduzione in cui le variazioni di colore sono dovute ai vari colori che assume il manganese al variare del suo numero di ossidazione. Grazie a questa esperienza osserveremo il comportamento di questo metallo di transizione in un processo di ossidoriduzione.

Durata: 30'

Scopo:

Osservare la variazione del numero di ossidazione del permanganato di potassio grazie al suo viraggio cromatico caratteristico.

Teoria:

La reazione chimica del camaleonte è una reazione redox che mostra la riduzione del permanganato di potassio (viola) prima a manganato di potassio (verde) e infine a biossido di manganese (marrone/giallo):

KMnO4 (viola) → K2MnO4 (verde) → MnO2 (sospensione marrone/gialla)

12 NaOH + 8 KMnO4 + C6H12O6 → 8 H2O + 8 KOH + 8 MnO2 + 6 Na2CO3

8 Mn  +7 + 24 e- →8 Mn +4

6 C 0 → 6 C +4 + 24 e-

La reazione procede in condizioni alcaline sotto l'influenza di un agente riducente: l'idrossido di sodio è utilizzato per alcalinizzare la soluzione di permanganato, mentre si utilizza uno zucchero come agente riducente.

 

Materiale:

• Glucosio
• Acqua distillata 
• KMnO4 
• NaOH 

Strumenti:

• Agitatore magnetico
• Ancoretta
• Beuta
• Cilindro graduato
• Bilancia tecnica
• Vetrini d'orologio
• Spatolina
• Cucchiaio
• Becher

Procedimento:

1. Preparare una soluzione con 4 g di Glucosio e 6,6 g di NaOH in 500 ml di H2O
2. Preparare una soluzione con 0,02 g di KMnO4 in 50 ml di H2O
3. Mettere la soluzione di glucosio e idrossido di sodio in una beuta con l'ancoretta magnetica sopra l'agitatore
4. Versare nella beuta la soluzione di permanganato di potassio
5. Osservare

Risultato:

Le soluzioni nella beuta reagiscono cambiando colore, dal viola al verde al giallo, con un processo di ossidoriduzione in cui: 

-il permanganato (ossidante) si riduce, ovvero aumenta i propri elettroni e quindi abbassa il suo numero di ossidazione, da ione permanganato +7 (viola) si riduce a ione manganato +6 (verde) e si riduce ulteriormente a ossido di manganese +4 (giallo).

-il glucosio (riducente) si ossida, ovvero cede elettroni e quindi aumenta il proprio numero di ossidazione, da carbonio 0 si ossida a carbonio +4.

Un bell’esempio di reazione chimica in cui è utilizzato il manganese che è un metallo di transizione, quindi presenta più numeri di ossidazione e ciascuna specie è caratterizzata da un diverso colore.

 

Consigli di sicurezza:

L'idrossido di sodio e il permanganato di potassio possono causare irritazioni e ustioni chimiche a contatto con la pelle o le mucose, utilizzare sempre i dpi necessari. 

Il permanganato di potassio è altamente tossico per gli organismi acquatici è quindi necessario smaltirlo in modo adeguato.

Commenti:

Bibliografia:

Camaleonte chimico - https://it.qaz.wiki/wiki/Chemical_chameleon

https://www.chimicamo.org/chimica-generale/reazione-camaleonte/

https://www.greelane.com/it/scienza-tecnologia-matematica/scienza/how-to-do-color-change-chameleon-4057571

Formula di un composto

Ogni molecola è rappresentata da una formula chimica che ne definisce la composizione: quali elementi la costituiscono e quanti atomi di ciascun elemento sono presenti.

Nelle formule chimiche gli elementi del composto sono indicati con i loro simboli chimici e un numero in basso a destra chiamato indice numerico che esprime il numero di atomi di quell'elemento presenti nella molecola del composto. 

E' possibile determinare la formula di un composto conoscendone la sua composizione in percentuale e la sua massa molecolare.

Durata: 30'

Scopo:

ricavare la formula dell’ossido di magnesio

Teoria:

L'ossido di magnesio è un composto ottenuto mediante la reazione chimica di combustione, che avviene bruciando il magnesio sulla fiamma di un Bunsen.

Un nastro di magnesio di massa nota, posto in un crogiolo di porcellana, genera l'ossido di magnesio secondo la reazione: .

Mg(s) + O2(g)  MgO(s)

Materiale:

• Nastro di magnesio

Strumenti:

• Crogiolo di porcellana con coperchio 
• Bunsen
• Bilancia con sensibilità di 0,01 g o superiore 
• Triangolo di porcellana
• Treppiede

Procedimento:

1. Pesare il crogiolo di porcellana pulito con il suo coperchio, la sua massa sarà m1;
2. Introdurre nel crogiolo il nastro di magnesio tagliato a pezzettini tale che la sua massa sia circa 0,45-0,5 g (per i diversi gruppi). La massa del crogiolo con il coperchio e il magnesio sarà m2;
3. Porre il crogiolo su un triangolo refrattario appoggiato su un treppiede e scaldare con un Bunsen prima a fiamma bassa e poi vivace;
4. Lasciare una piccola fessura fra il crogiolo e il suo coperchio per ridurre le perdite di ossido di magnesio e, nello stesso tempo, per permettere all’aria di entrare;
5. Quando il magnesio è completamente trasformato in ossido (circa 10 min.), allontanare la fiamma del Bunsen e lasciare raffreddare;
6. Pesare il crogiolo con il coperchio più l’ossido di magnesio, la sua massa sarà m3. 

Risultato:

Prima del riscaldamento
Massa del crogiolo + coperchio = 27,50 g (m1)
Massa del crogiolo + coperchio + magnesio = 27,99 g (m2)
Massa del magnesio = 0,49 g (m2 – m1)

Dopo il riscaldamento
Massa del crogiolo + coperchio + ossido di magnesio = 28,31 g (m3)
Massa dell’ossigeno combinato= 0,32 g (m3 – m2)
Poiché la massa molare del magnesio è 24,32 g/mol e quella dell’ossigeno 16,00 g/mol: 

moli di magnesio = 0,49 g = 0,02 mol     24,32 g/mol

moli di ossigeno = 0,32 g = 0,02 mol     16,00 g/mol

I valori trovati rappresentano le moli con cui il magnesio e l’ossigeno sono presenti nel composto, per cui la formula dell’ossido di magnesio è  Mg 0,02 O 0,02.
Poiché non è possibile scrivere composti con l’indice decimale, dividiamo ciascuno indice per 0,02 per cui la formula dell’ossido di magnesio diventa MgO.

Consigli di sicurezza:

Dato l'utilizzo di fiamme libere lavorare sotto cappa aspirante con vetro protettivo abbassato.

Commenti:

Bibliografia:

http://www.leviponti.gov.it/Didattica/Dispense/Chimica/ManualeEsperienzeLaboratorioChimicoBiennio.pdf

Fotosintesi clorofilliana

La cattura dell’energia solare da parte di organismi fotosintetici e la sua conversione nell’energia chimica di composti organici ridotti è la fonte di quasi tutta l’energia biologica. Gli organismi fotosintetici intrappolano l’energia solare e formano ATP e NADPH che vengono poi utilizzati come fonte di energia per la produzione di carboidrati ed altri composti organici a partire da CO2 e H2O ; contemporaneamente questi processi rilasciano O2 nell’atmosfera.

Durata: 1 ora

Scopo:

Evidenziare l'importanza di alcuni fattori (luce e CO2) nell'efficacia del processo di fotosintesi.
Verificare la produzione di ossigeno durante il processo fotosintetico.

Teoria:

La fotosintesi clorofilliana avviene nei cloroplasti delle cellule vegetali. E' un processo in base al quale anidride carbonica e acqua vengono combinate per produrre zuccheri ed amidi. Perchè questa sintesi possa avvenire, occorre dell'energia che viene fornita dalla luce del Sole. Le piante utilizzano queste sostanze e vari composti di azoto anche per produrre proteine. In questo modo, le piante sono in grado di fabbricare da sè le sostanze di cui hanno bisogno (autotrofi), mentre gli animali, per ottenerle, devono cibarsi di piante o di altri animali (eterotrofi). 

Come "scarto" del processo fotosintetico si ha ossigeno dalla reazione:

 

6 CO2 + 6 H2O + energia  =  C6H12O6  + 6 O2.

Materiale:

• Acqua
• Piantina di Elodea 

Strumenti:

• Becher
• Imbuto di vetro
• Provetta

Procedimento:

1. Mettere la piantina di Elodea in un grosso becher 
2. Porre l'imbuto rovesciato sopra la piantina
3. Riempire con acqua il becher e l'imbuto
4. Riempire d'acqua la provetta e capovolgerla infilandola sopra l'imbuto
5. Ripetere lo stesso procedimento con una seconda piantina
6. Esporre alla luce e attendere qualche minuto la prima
7. Mettere in un luogo totalmente buio la seconda

Risultato:

Dopo alcuni minuti, possiamo osservare delle bollicine di gas (ossigeno) risalire dalla prima piantina lungo l’imbuto e poi nella provetta rovesciata; il gas si accumula sul fondo rovesciato della provetta, riducendo il livello dell’acqua nella provetta stessa. Con un fiammifero possiamo dimostrare che il gas prodotto è proprio ossigeno: se avviciniamo rapidamente il fiammifero quasi spento alla provetta mentre la estraiamo dall’acqua, il gas ravviverà la fiamma.

La seconda piantina posta al buio non ha generato ossigeno perché non si è verificata la fotosintesi.

Commenti:

Bibliografia:

https://online.scuola.zanichelli.it/barbonescienzeintegrate/files/2010/03/V05_03.pdf

https://www.funsci.it/files/Esperimenti-di-educazione-ambientale.pdf

Fermentazione alcolica dei lieviti

La fermentazione è un processo metabolico che avviene in assenza di ossigeno. Nel corso delle reazioni, il glucosio viene trasformato in altri composti organici, producendo energia.

I lieviti sono organismi eterotrofi anaerobi facoltativi: in assenza di ossigeno, ottengono energia per la loro sopravvivenza dalla fermentazione dello zucchero glucosio che viene trasformato in alcol etilico e diossido di carbonio.

Durata: 1 ora

Scopo:

Dimostrare che durante la fermentazione del lievito di birra vengono prodotti anidride carbonica ed etanolo (alcol etilico). 

Teoria:

Gli acini di uva, a osservarli bene, sono ricoperti spesso da una patina biancastra. Essa contiene una certa quantità di lieviti, appartenenti alla divisione Ascomycota.

Come detto, i lieviti sono in grado di attuare sia un metabolismo aerobico che anaerobico: per tale motivo vengono anche definiti anaerobi facoltativi.

Tutti i lieviti, in presenza di ossigeno, iniziano velocemente a moltiplicarsi, producendo anidride carbonica come sottoprodotto. Quando l’ossigeno incomincia a scarseggiare, inizia la respirazione anaerobica, in cui scindono gli zuccheri semplici producendo anidride carbonica e alcool etilico.

In assenza di ossigeno, quindi, i lieviti sono in grado di trasformare il piruvato in etanolo secondo due reazioni consecutive: la prima consiste nella decarbossilazione del piruvato mentre la seconda tappa è la riduzione dell’acetaldeide in etanolo.

La reazione che siamo abituati a vedere è la seguente :

C6H12O6 ⇒ 2 CH3CH2OH + 2 CO2

glucosio ⇒ etanolo + anidride carbonica

Materiale:

• soluzione di acqua e zucchero con lievito
• blu di bromotimolo
• soluzione NaOH 10%
• reattivo di Lugol

Strumenti:

• aste di sostegno con pinza
• provette
• pipette
• tappo di gomma forato
• tubo di gomma

Procedimento:

Produzione di anidride carbonica da fermentazione:

1. Fissare in posizione verticale sulle aste di sostegno due provette mediante le pinze metalliche
2. In una provetta mettere la soluzione di acqua e zucchero con lievito 
3. Nell’altra provetta mettere la soluzione di blu di bromotimolo
4. Mettere il tappo di gomma a chiudere la provetta contenente la soluzione con il lievito
5. Collegare il tubo al tappo di gomma e immergere l’altra estremità nella soluzione di blu di bromotimolo (per velocizzare la fermentazione mettere la provetta in bagno termostato a 40-50°C
6. Eseguire lo stesso procedimento con una soluzione di acqua e lievito senza zucchero per verificare l'esperienza

Produzione di etanolo da fermentazione:

1. Con una pipetta trasferire circa 5 mL di soluzione contenente il lievito in una provetta
2. Aggiungere 2 mL di NaOH al 10% e mescolare delicatamente
3. Aggiungere circa 3 mL goccia a goccia di reattivo di Lugol e mescolare

Risultato:

Dopo qualche minuto dalla provetta contenente il lievito si vedranno salire alcune bollicine di gas che, passando attraverso il tubo di sviluppo, raggiungeranno la soluzione di blu di bromotimolo.

Dopo circa 5 minuti, sul fondo della provetta si forma un precipitato giallo,  lo iodoformio, un composto prodotto dalla reazione fra l’alcol etilico e lo iodio del reattivo di Lugol.

Commenti:

Bibliografia:

Husak_prima_Quaderno di laboratorio.pdf

https://lezioniignoranti.altervista.org/fermentazione-alcolica-esperimento/

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

n°	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:

http://www.itismajo.it/chimica/Esperimenti%20entusiasmanti/DESCRIZIONE%20ESPERIMENTI/Disidratazione%20zucchero.pdf

https://www.liceogallarate.edu.it/scienceinprogress/?ch-esperimenti=carbonificazione-dello-zucchero