Chimica su microscala: esperimenti per le scuole Teach article

Author(s): Elias Kalogirou, Eleni Nicas

Tradotto da Daniela Caleppa. Elias Kalogirou e Eleni Nicas introducono una selezione di esperimenti in scala estremamente ridotta, per le scuole.

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Secondo gli standard industriali, tutta la chimica per la scuola è su piccola scala – 50 ml qua, un gr là. Durante gli ultimi tre anni, però, abbiamo provato ad eseguire a scuola esperimenti di chimica su microscala, usando una o due gocce di ogni reagente.

Lavorare su questa scala ha parecchi vantaggi. L’utilizzo di quantità minori di reagenti riduce il tempo, il costo e gli scarti, oltre ad incoraggiare gli studenti a riflettere sulla salvaguardia dell’ambiente. Sebbene le precauzioni di sicurezza siano ancora necessarie, i rischi sono minori con i volumi ridotti – e gli studenti non hanno difficoltà a manipolare quantità così piccole. Su questa scala, gli esperimenti non necessitano di normale vetreria da laboratorio, ma possono essere svolti usando semplici materiali domestici, come pacchetti di gomme da masticare; essi sono economici, possono essere riutilizzati diverse volte e occupano poco spazio.

Di seguito si troveranno le istruzioni per alcuni esperimenti su microscala, che noi svolgiamo con studenti tra i 14 ed i 15 anni. I nostri studenti eseguono gli esperimenti in gruppi di quattro. In alternativa, l’insegnante può mostrare l’esperimento, ponendo la strumentazione su un video proiettore.

I nostri contenitori di
reazione: un pacchetto di
gomme da masticare
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concessa da Elias Kalogirou
and Eleni Nicas

Le reazioni sono parte del consueto programma scolastico greco per studenti di quest’età, ma sarebbero normalmente studiati su scala maggiore. ​

Esperimenti

Piuttosto che utilizzare la normale attrezzatura di laboratorio, questi esperimenti sono eseguiti con confezioni blister di gomme da masticare, da cui sono state rimosse le stagnole e le gomme (si veda l’immagine). Possono essere usate anche le confezioni contenenti pastiglie, a patto che risultino grandi abbastanza. Ogni esperimento viene svolto in un diverso pozzetto della confezione.

 

Norme di sicurezza:

  • L’acido cloridrico e l’idrossido di sodio, necessari alla maggior parte degli esperimenti descritti in quest’articolo, devono essere utilizzati soltanto dopo aver indossato guanti ed occhiali di protezione.
  • Con quantità così ridotte e basse concentrazioni, ogni reagente rimasto può essere semplicemente eliminato nello scarico del lavandino.

 

Le tabelle (con procedure e risultati) di tutti gli esperimenti possono essere scaricate in formato Word® dal sito internet di Science in Schoolw1.

Preparazione

Cavolo rosso
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Per preparare l’indicatore al cavolo rosso, coprire 10 g di foglie di cavolo rosso, fresche e tagliate a pezzetti, con 200 ml di acqua distillata e portare all’ebollizione. Bollire fino a quando il liquido non diventa di color violetto chiaro. Lasciar raffreddare e filtrare il liquido, che sarà la soluzione dell’indicatore.

Per preparare la soluzione di idrossido di sodio (NaOH), dissolvere 0,4 g di idrossido di sodio in 100 ml di acqua.

Per preparare l’acqua di calce (soluzione satura di idrossido di calcio), prendere un beaker da 500 ml con 200 ml di acqua distillata ed aggiungere circa un terzo di beaker da 500 ml di idrossido di calcio [Ca(OH)2]. Al termine, aggiungere acqua distillata, fino ad ottenere un volume di 400 ml. Mescolare bene il composto e lasciar riposare la sospensione risultante per alcune ore. La soluzione, incolore e satura (acqua di calce), dev’essere versata in una bottiglia con chiusura a contagocce, facendo attenzione a non trasferire il deposito.

La soluzione di acido cloridrico (15% p/p) in alcuni Paesi può essere acquistata nei supermercati. In alternativa, preparare una soluzione circa 1 M in laboratorio.

(Si noti che la soluzione di acido cloridrico utilizzata è più concentrata della soluzione di idrossido di sodio, per assicurare che le reazioni acide possano essere osservate ad occhio nudo, senza sprecare reagenti in quelle basiche.)

Per gli esperimenti, ogni soluzione deve essere messa in una bottiglia con chiusura a contagocce.

Scopi

L’esperimento 1 si propone di mostrare agli studenti che sia gli acidi, che le basi cambiano il colore degli indicatori di pH e che questo cambiamento di colore è differente per acidi e basi.

Compresse di aspirina
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Nell’esperimento 2, gli studenti osservano come gli acidi reagiscano con i metalli. Si osserverà la produzione di bolle (effervescenza), ed inoltre si constaterà come il magnesio reagisca con maggior potenza (producendo più calore e bolle) del ferro, sebbene si utilizzi meno acido. Si spiegherà agli studenti che il gas prodotto è idrogeno.

Nell’esperimento 3, gli studenti osservano come gli acidi reagiscano con i carbonati. Si vedrà la produzione di bolle (effervescenza). Si spiegherà che il gas nelle bolle è biossido di carbonio.

L’esperimento 4 fornisce agli studenti l’opportunità di far pratica con gli indicatori di pH. Essi impareranno che il pH di una soluzione può essere determinato tramite indicatori di pH e che la soluzione può essere classificata come acida o basica.

Nell’esperimento 5, gli studenti esaminano la conduttività dell’acqua distillata, della soluzione di acido cloridrico e di quella di idrossido di sodio. Essi impareranno che, a differenza dell’acqua distillata, sia le soluzioni acide, che quelle basiche conducono elettricità.

Experiment 1: Colour change of indicators

Tagliare la cannuccia da
bibita in diagonale, in modo
che possa essere utilizzata
per dosare piccole quantità di
polvere
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concessa da Elias Kalogirou
and Eleni Nicas

Strumenti

  • Confezione blister di gomme da masticare (si veda immagine in alto)
  • Cannucce da bibita tagliate in diagonale (si veda immagine a sinistra)
  • Forbici
  • Guanti usa e getta
  • Occhiali di protezione

Materiali

  • Soluzione di acido cloridrico (15% p/p o 1 M)
  • Prodotto per la casa contenente ammoniaca (ad esempio il detersivo per vetri Ajax®)
  • Soluzione di idrossido di sodio (1 M – per la preparazione, si legga sopra)
  • Acqua di calce
  • Indicatore al cavolo rosso
  • Soluzione tornasole
  • Soluzione indicatrice di fenolftaleina
  • Succo di limone
  • Un’aspirina frantumata
  • Acqua distillata

Metodo

  1. Con riferimento alla Tabella 1, aggiungere una soluzione con pH incognito (es. succo di limone) ed un indicatore di pH (es. soluzione tornasole) ad ogni unità.
Tabella 1: Procedura per l’esperimento 1

Pozzetto 1

  • 10 gocce di succo di limone
  • 2 gocce di indicatore al cavolo rosso

Pozzetto 2

  • 10 gocce di acqua di calce
  • 2 gocce di indicatore al cavolo rosso

Pozzetto 3

  • 1 punta di cannuccia da bibita di polvere di aspirina (si veda l’immagine in alto)
  • 10 gocce d’acqua
  • 2 gocce di soluzione tornasole

Mescolare il composto

Pozzetto 4

  • 10 gocce di prodotto per la casa a base di ammoniaca
  • 2 gocce di soluzione tornasole

Pozzetto 5

  • 10 gocce di soluzione di acido cloridrico
  • 2 gocce di fenolftaleina

Pozzetto 6

  • 10 gocce di soluzione di idrossido di sodio
  • 1 goccia di fenolftaleina

2. Usando la Tabella 2, riporta i cambiamenti di colore osservati.

3. Cosa puoi concludere dai tuoi risultati?

IIndicatore Colore originale dell’indicatore Colore dopo l’aggiunta dell’acido Colore dopo l’aggiunta della base
Tabella 2: Risultati dell’Esperimento 1
Cavolo Rosso   Pozzetto 1: Pozzetto 2:
Soluzione tornasole   Pozzetto 3: Pozzetto 4:
Fenolftaleina   Pozzetto 5: Pozzetto 6:

Esperimento 2: Effetto degli acidi sui metalli

La punta di una cannuccia da
bibita di polvere di ferro
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concessa da Elias Kalogirou
and Eleni Nicas

Strumenti

  • Confezione a blister di gomme da masticare
  • Cannucce da bibita, tagliate in diagonale
  • Forbici
  • Guanti usa e getta
  • Occhiali di protezione

Materiali

  • Polvere di ferro (Fe)
  • Polvere di magnesio (Mg)
  • Soluzione di acido cloridrico (15% p/p o 1 M)

Metodo

  1. Con riferimento alla Tabella 3, aggiungere una polvere metallica (es. ferro) e una soluzione acida (acido cloridrico) ad ogni pozzetto.
Table 3: Procedure for Experiment  2

Pozzetto 1

  • 1 punta di cannuccia da bibita di polvere di ferro
  • 10 gocce di soluzione di acido cloridrico

Pozzetto 2

  • 1 punta di cannuccia da bibita di polvere di magnesio
  • 2 gocce di soluzione di acido cloridrico
  1. Cosa osservi quando aggiungi l’acido cloridrico alla polvere di ferro?
  2. Puoi spiegare il motivo di questa differenza?
  3. Come quest’ultimo si differenzia dall’effetto dell’acido sul magnesio?
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Esperimento 3: Effetto degli acidi sui carbonati

Strumenti

  • Confezione a blister di gomme da masticare
  • Cannucce da bibita, tagliate in diagonale
  • Forbici
  • Guanti usa e getta
  • Occhiali di protezione

Materiali

  • Gesso in polvere (CaCO3)
  • Bicarbonato di sodio (NaHCO3)
  • Soluzione di acido cloridrico (15% p/p o 1 M)

Metodo

  1. Con riferimento alla Tabella 4, aggiungere un carbonato (es. polvere di gesso) ed una soluzione acida (acido cloridrico) ad ogni pozzetto.
Tabella 4: Procedura per l’Esperimento 3

Pozzetto 1

  • 1 punta di cannuccia da bibita di polvere di gesso
  • 5 gocce di soluzione di acido cloridrico

Pozzetto 2

  • 1 punta di cannuccia da bibita di bicarbonato di sodio
  • 5 gocce di soluzione di acido cloridrico
  1. Cosa osservi quando si aggiunge l’acido al carbonato?

Esperimento 4: Usando cartine indicatrici di pH

Strumenti

  • Asciugamani di carta
  • Foglio di carta bianca formato A4
  • Forbici
  • Guanti usa e getta
  • Occhiali di protezione
  • Cartina indicatrice di pH o strisce indicatrici universali

Materiali

  • Aceto
  • Soluzione di acido cloridrico (15% p/p o 1 M)
  • Prodotto per la casa contenente ammoniaca (ad esempio il detersivo per vetri Ajax®)
  • Acqua di calce
  • Acqua distillata
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Metodo

  1. Posizionare uno strato di asciugamani di carta sul tavolo ed appoggiare su di essi un foglio di carta formato A4.
  2. Tagliare cinque strisce di 4 cm di cantine indicatrici di pH ed appoggiarle, ben distanziate, sul foglio bianco. (In alternativa, usare 5 strisce indicatrici universali.)
  3. Versare due gocce di una soluzione con pH incognito (es. aceto o acqua di calce) su ogni striscia.
  4. Quando le strisce hanno cambiato colore, compararlo con la tabella di riferimento dell’indicatore e determinare il pH.
  5. Usando la tabella 5, registrare il pH di ogni soluzione e decidere se è acida o basica.
Tabella 5 : Risultati dell’ Esperimento 4
Soluzione Aceto Acido cloridrico Ammoniaca Acqua di calce Acqua distillata
pH          
Acido o basico          

Esperimento 5: Conduttività dell’acqua distillata, delle soluzioni acide e basiche

Strumenti

  • Confezione a blister di gomme da masticare
  • Forbici
  • Guanti usa e getta
  • Occhiali di protezione
  • Occhiali di protezione
  • Tre cavi di connessione con morsetto coccodrillo
  • Nastro adesivo
  • Batterie da 4.5 V
  • LED (diam. 5 mm)

Materiali

  • Acqua distillata
  • Soluzione di acido cloridrico (15% p/p o 1 M)
  • Soluzione di idrossido di sodio (1 M – preparato come sopra)

Metodo

Attaccare gli elettrodi
 
  1. Tagliare quattro strisce di foglio di alluminio, ciascuna di 6 cm x 0,5 cm.
  2. Per costruire gli elettrodi, piegare due strisce di foglio di alluminio nel Pozzetto 1 del blister, poi attaccare le strisce al tavolo con il nastro adesivo, per evitare che si muovano (a sinistra).

Il prossimo passo è costruire il circuito elettrico (a sinistra).

  1. Usando uno dei cavi, connettere il polo positivo della batteria (P) all’anodo del LED (A). Con un secondo cavo, connettere il catodo del LED (B) ad una delle strisce di foglio di alluminio (C). Con un terzo cavo, connettere l’altra striscia di foglio di alluminio (D) al polo negativo della batteria (N).
  2. Riempire per metà il Pozzetto 1 con acqua distillata. Ciò completa il circuito.
Assemblare il circuito
elettrico
Per gentile concessione di Elias
Kalogirou and Eleni Nicas

Il LED si accende?

Cosa puoi concludere? L’acqua distillata conduce elettricità?

  1. Aggiungere tre gocce di acido cloridrico nel Pozzetto 1.

Il LED si accende ora?

Cosa puoi concludere? La soluzione di acido cloridrico conduce elettricità?

  1. Disconnettere i cavi dalle due strisce.
  2. Porre due nuove strisce piegate nel Pozzetto 2 ed attaccarle al tavolo (come nel passaggio 2).
  3. Connettere i cavi alle estremità delle nuove strisce (F e G).
  4. Goccia a goccia, aggiungere la soluzione di idrossido di sodio al Pozzetto 2, fino a coprire le estremità delle strisce di alluminio (noi abbiamo utilizzato sei gocce).

Il LED si accende?

Cosa puoi concludere? La soluzione di idrossido di sodio conduce elettricità?

Ringraziamenti

Gli autori ringraziano Penelope Galanopoulou, insegnante di inglese al Terzo Liceo di Pyrgos Pierre de Coubertin, per la traduzione di questo articolo dal greco all’inglese.

Web References

  • w1 – Le tabelle (con procedure sperimentali e risultati) di tutti gli esperimenti possono essere scaricate qui come documento Word.

Resources

  • Williams KL, Little JG (1997) Microscale Experiments for General Chemistry. Boston, MA, USA: Houghton Mifflin. ISBN: 9780669416060
  • Zubrick JW (2003) The Organic Chem Lab Survival Manual: A Student’s Guide to Techniques 6th edition. New York, NY, USA: John Wiley & Sons. ISBN: 9780471215202
  • Skinner J (1998) Microscale Chemistry: Experiments in Miniature. Cambridge, UK: Royal Society of Chemistry. ISBN: 9781870343497
  • Chi conosce il greco, può trovare utile il seguente libro:
    • Κ. Γιούρη – Τσοχατζή (2003) Σχολικά Πειράματα Χημείας, Από τη Μακρο- στη Μικροκλίμακα. Θεσσαλονίκη , Ελλάδα : Εκδόσεις Ζήτη . ΙSBN: 9604318608
  • Per altre attività in cui viene utilizzato l’indicatore al cavolo rosso, si consulti:

Author(s)

Elias Kalogirou insegna scienze alle scuole superiori. Egli è responsabile del Laboratory Centre of Physical Sciences, che collabora con insegnanti di scienze delle scuole superiori, per promuovere il lavoro sperimentale nell’insegnamento delle scienze. In particolare, egli incoraggia la pratica di esperimenti su microscala nelle scuole.

Eleni Nicas è biologa, negli ultimi 6 anni ha insegnato biologia, chimica e fisica alla scuola media (13-15 anni) ed ora alla Quarta Junior High School di Pyrgos. Durante gli ultimi tre anni, ha eseguito esperimenti su microscala nelle sue lezioni di chimica, in collaborazione con il Laboratory Centre of Physical Sciences regionale. Al momento, sta studiando per ottenere un diploma post-laurea per l’insegnamento della fisica.

Review

E’ importante, per il docente di scienze, insegnare non soltanto la teoria scientifica, ma anche le abilità sperimentali . Per questa ragione, il tradizionale lavoro pratico non può e non dovrebbe essere sostituito. Comunque, anche considerazioni quali fattori economici, coscienza e protezione ambientale, sono preziose, in questi anni di “chimica verde”. Integrare il tradizionale lavoro pratico di laboratorio con esperimenti di chimica su micro scala potrebbe aiutare a sviluppare queste idee. Inoltre, lavorare con quantità ridotte è più adatto ai ragazzi più giovani.

Marie Walsh, Irlanda

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