Il riscaldamento è acceso: riscaldare cibi e bevande con l energia chimica Teach article

Tradotto da Massimo Presti. Avete mai desiderato una bevanda calda o un pasto, ma non avevate del fuoco o un fornello a portata di mano? Marlene Rau presenta due attività dal portale Lebensnaher Chemieunterricht che utilizzano reazioni chimiche per riscaldare i cibi - e illustra il tema delle…

Pasti “auto-riscaldanti”

Piatti auto-riscaldanti – originariamente sviluppati per usi militari – sono piatti già pronti dotati di auto-riscaldamento. Il riscaldamento del piatto può essere attivato in molti modi – premendo un pulsante sulla confezione, scartando e scuotendo il pacco, o versando il contenuto di un sacchetto in un altro, con un’attesa di qualche minuto – tutti metodi che usano reazioni chimiche esotermiche. I pasti possono essere usati per motivare gli studenti a studiare tali reazioni, in un modo relativamente sicuro e senza l’uso di un fornello. Inoltre, c’è il valore aggiunto di poter discutere degli aspetti ecologici negativi dei pasti usa e getta.
Per l’esperimento che segue, si usa il sistema per riscaldare il pasto “Crosse & Blackwell”, che si basa sulla reazione tra magnesio e acqua salata per produrre idrogeno:

Mg (s) + 2H₂O (l) -> Mg²⁺ (aq) + H² (g) ↑ + 2OH^– (aq)

s: solido; l: liquido; g: gas; aq: in soluzione; the freccia verticale indica il rilascio di gas.

Questa reazione è molto lenta, a causa di “passivazione”, per cui, per accelerarla, si aggiungono ferro e sale. La passivazione è il processo mediante il quale un materiale è reso meno reattivo, di solito tramite la deposizione di uno strato di ossido sulla sua superficie: se si inserisce una striscia di magnesio in acqua fredda, la sua superficie si ossida a idrossido di magnesio (Mg(OH)₂), e questo rivestimento prevenire ulteriori reazioni.

Perciò, nel pasto auto-riscaldante, del ferro viene aggiunto al magnesio, il che porta alla produzione di una cella locale – corrosione su piccola scala che accade quando due metalli di diversa reattività sono in contatto in presenza di acqua – la quale accelera la reazione esotermica. Poiché il potenziale degli elettroni di magnesio è inferiore a quello del ferro (il metallo meno reattivo), gli elettroni passeranno dal magnesio al ferro, e solo da lì poi in acqua. Anche se cationi di magnesio (Mg²⁺) e anioni idrossido (OH-) continuano ad essere formati, essi sono separati dal ferro e non si combinano per formare idrossido di magnesio. Come risultato, il magnesio non diventa “passivato” da un rivestimento di idrossido di magnesio, che abbasserebbe la reattività.

Poiché magnesio e ioni idrossido sono mobile a causa della diversa carica, in acqua pura formerebbero idrossido di magnesio, la carica sarebbe equilibrata e la reazione rallenterebbe di nuovo. Per evitare tutto questo, viene aggiunto all’acqua cloruro di sodio, in modo che ioni sodio (Na⁺) e cloruro (Cl^–) del sale possano passare al posto degli ioni di magnesio e idrossido, equilibrando la carica.

L’esperimento può essere utilizzato per presentare e discutere i temi del trasferimento di elettroni, cella locale, passivazione, anodi sacrificabili, di corrosione e composizione dell’acqua (legami covalenti, polarità e numeri di ossidazione). Ci vogliono circa 45 minuti più il tempo per la discussione, e si è testato il tutto con successo per studiare le reazioni di trasferimento di elettroni e la corrosione, con alunni di 14 anni di età, studenti più grandi che lavorano sull’elettrochimica.

Materiali

Materiali dimostrativi

• Striscia di magnesio
• Soluzione di cloruro di sodio (acqua salata) fredda, non riscaldata
• Soluzione di fenolftaleina
• Un confezione di cibo autoriscaldante Crosse & Blackwell, disponibile da diversi fornitori^w1
• Un recipiente resistente al calore
• Termometro da laboratorio

Materiali di gruppo

• Un sacchetto da te vuoto
• Una piccola quantità (pochi grani, cioè la punta di una spatula) della miscela di polvere di ferro/magnesio presa da una confezione Crosse & Blackwell. Mescolare per conto proprio la polvere di magnesio e ferro tende a non funzionare, dal momento che è già parzialmente ossidata. La miscela di polveri in confezioni pasto è sottovuoto.

• Una siringa da 50 ml
• 10 ml di soluzione satura di cloruro di sodio
• Una siringa da 20 ml
• Una valvola a tre vie
• Un piccolo becker
• Un tubo di plastica adatto alle valvola a tre vie (lungo circa 10 cm)
• Una bacinella d’acqua
• Una candela
• Una provetta
• Soluzione di fenolftaleina <1%, in peso

I materiali plastici necessari per l’esperimento possono essere ordinati come parte del kit ChemZ^w2 sviluppato in collaborazione con il progetto Chemieunterricht Lebensnaher (LNCU)^w3 ma sono disponibili anche presso i fornitori di laboratori medici e chimici.

Procedimento

1. Mostrare un film-un video sul pasto autoriscaldante^w4.
2. Mostrare il pasto autoriscaldante agli studenti.
3. Versare il contenuto della confezione in un bicchiere resistente al calore con un termometro e osservare la reazione – si riscalda e sono prodotte bolle.
   Nota: se si utilizza solo il contenuto di due dei quattro pacchetti di miscela di ferro/magnesio, è possibile salvare il contenuto degli altri due per gli esperimenti degli studenti – saranno sufficiente per gruppi di 20 studenti. Anche con solo due dei pacchetti per la dimostrazione, il pasto raggiunge una temperatura di 100 °C dopo circa un minuto.
4. Discussione: perché avviene questo? Cosa sta succedendo? Che tipo di gas viene prodotto?
5. Spiegare la reazione del magnesio – ignorare il ferro e il sale per il momento.
6. Dimostrare come una striscia di magnesio mostri una debole reazione a freddo con soluzione satura di sale (che è ciò che viene aggiunto nel pasto autoriscaldante): alcune di bolle di gas sono visibili, e aggiungendo una goccia di soluzione di fenolftaleina si ottiene un colore rosa chiaro.
7. Prima di iniziare, dimostrare come eseguire il test dell’idrossido: tenere la parte superiore di una provetta vicino ad una fiamma, per consentire la combustione del gas nella povetta. Ci sono due possibili risultati positivi:
   1. Se il tubo contiene idrogeno e l’ossigeno, la combustione di idrogeno avverrà con un “pop” stridulo. In condizioni normali di laboratorio, questo è il risultato di consueto, poichè il tubo conterrà anche l’ossigeno presente nell’aria.
   2. Se il tubo è completamente riempito di idrogeno, non ci sarà alcun suono, ma il gas brucerà con fiamma incolore e l’acqua risultante annebbierà l’interno della provetta. Inoltre, la reazione esotermica scalderà la provetta del tubo. Gli studenti spesso scamnìbiano questo per un risultato negativo (assenza di idrogeno).
8. Posizionare gli studenti in gruppi di tre per eseguire l’esperimento di riscaldamento-pasto. La reazione accelera a causa del calore prodotto, quindi dovrebbe essere eseguita solo su piccola scala (come suggerito).
   Nella cella viene prodotto idrossido di magnesio. Se lo si desidera, questo può essere rilevato utilizzando fenolftaleina (vedi sotto).
9. Distribuire il foglio di lavoro (vedi sotto o scaricalo dal qui), che descrive come effettuare l’esperimento. Gli studenti saranno ora pronto a iniziare.

Foglio di lavoro degli studenti

Nota di sicurezza: indossare occhiali di sicurezza. La reazione genera gas altamente infiammabile – prestare attenzione. Si veda anche la nota di sicurezza generale.

1. Mettete la miscela di polveri di metallo in una bustina di tè vuota e inserirla in una siringa da 50 ml (senza la bustina di tè, la polvere potrebbe bloccare la siringa). Far uscire l’aria.
2. Riempire la siringa da 20 ml con acqua salata e collegarla alla siringa più grande utilizzando la valvola a tre vie.
3. Girare il rubinetto della valvola a lasciare che i due materiali confluiscono nel sistema chiuso.
   Al procedure della reazione si formerà del gas in una delle siringhe.
4. Appena formatisi più di 25 ml di, aprire il rubinetto e lasciare che l’ acqua salata esca, raccogliendola in un bicchiere.
   Safety note: because of the resulting heat, the reaction speeds up (chain reaction). Keep a careful eye on it, to make sure you let the water out of the syringe before the gas that is produced pushes the piston out of the syringe.
5. Una volta lasciata uscire l’acqua, chiudere la valvola per mantenere il gas nella siringa, e collegare il tubo di plastica alla valvola. Se il gas continua ad essere prodotto, lasciare il rubinetto aperto.

6. Premere il pistoncino della siringa per spingere il gas in una provetta, con un trogolo pneumatico (utilizzare il tubo di plastica, la ciotola di acqua e la provetta, come in figura).
7. Eseguire il test per l’idrogeno tenendo la bocca della provetta in fiamma (vedi schema a destra), facendo attenzione a tenere la parte superiore del tubo abbastanza vicino alla fiamma. Il test dovrebbe essere positivo.

Facoltativo: aggiungete una goccia di soluzione di fenolftaleina all’acqua che avete raccolto nel bicchiere. Che cosa succede? Perché?

Nota di salute e sicurezza: i liquidi residui possono essere smaltiti nel lavandino. Pulire i materiali di plastica con acqua e lasciarli asciugare.

Discussione

Altre reazioni comunemente utilizzate nei pasti autoriscaldanti includono l’ossidazione del ferro, la reazione del cloruro di calcio anidro con acqua (vedi sotto) o, per il raffreddamento, la reazione di fertilizzante (nitrato di ammonio) con l’acqua.

Ulteriori esperimenti, come la creazione del vostro pacco caldo o freddo, o la determinazione del contenuto di ossigeno nell’aria con la reazione di ossidazione del ferro utilizzata in confezioni autoriscaldanti, sono descritte nel sito web LNCU^w3.

Questa attività può anche divenire parte di una lezione in cui sono gli studenti a sviluppare una sceneggiatura per un programma scientifico TV, per rispondere alla domanda di uno spettatore ipotetico sulla funzione dei pasti autoriscaldanti. La versione Italiana di questo foglio di lavoro è disponibile sul sito Science in School^w5, quella tedesca nel sito LNCU^w3.

Una tazza di caffè caldo

In questa attività, gli studenti scaldano il caffè con cloruro di calcio anidro e acqua. L’attività viene bene come parte di una unità didattica sulla dissoluzione dei sali in acqua, per introdurre gli aspetti energetici di questo processo. Gli studenti dovrebbero già avere familiarità con legami ionici e covalenti. L’attività funziona con gruppi di tre studenti di 14 anni o più.

Una possibilità è quella di discutere di energia reticolare, utilizzando come esempio dalla vita quotidiana “impacchi freddi” che si basano su una reazione endotermica innescata dal piegare una lastra di metallo. L’attività seguente può quindi essere utilizzata per introdurre la nozione di energia di idratazione e per dimostrare che la reazione con la quale alcuni sali si sciolgono è una reazione esotermica.

L’attività è relativamente sicura – l’aspetto più pericoloso è la possibilità di rompere il vetro, se non viene maneggiato con cura.

Materiali di gruppo

• Circa 10 g di cloruro di calcio anidro
• Dei becker di diverse dimensioni
• Acqua
• Polistirolo (pezzi abbastanza grandi in quanto se troppo piccolo si caricano elettrostaticamente e si attaccano dovunque)
• Due termometri da laboratorio
• Polvere di caffè solubiloe
• Altri oggetti per risvegliare l’immaginazione degli studenti, come elastici, fogli di plastica trasparente, batterie, ecc.

Potenziali approcci

Gli studenti devono spesso affrontare due problemi: l’aggiunta di troppo poco cloruro di calcio all’acqua (più ne utilizzano, più calore verrà prodotto), e dimenticare di isolare i loro becker.

Una soluzione comune è quella di “improvvisare” una piccola vasca d’acqua mettendo acqua e cloruro di calcio in un grande becker, e fissare polistirolo intorno al becker con del nastro adesivo. Il caffè può essere poi riscaldato in un recipiente più piccolo, nella vasca d’acqua improvvisata.

Il miglior risultato nel contesto del progetto LNCU (vedi riquadro) è stato raggiunto riempiendo un piccolo becker con acqua e mettendolo in un bicchiere più grande, con uno strato di polistirolo nel mezzo come isolante. Gli studenti hanno poi messo il cloruro di calcio, a cui avevano aggiunto poca acqua, in un contenitore piccolo. Collegando ad esso un laccio e una pietra come peso, lo hanno fatto pendere in acqua. La temperatura di 50 ml di caffè è cambiata da 20 a 44 °C in meno di un minuto.

Discussione

Discutete l’apparente contraddizione tra il comportamento di pacchi freddi nei precedenti esperimenti e l’esperimento che si è appena eseguito – in questo caso, il processo di soluzione non è endotermico. Nel pacchi freddi, più energia è necessaria per distruggere reticolo molecolare del sale (energia di legame) rispetto a quell ache viene rilasciata quando le molecole di acqua circondano gli ioni (energia di idratazione). L’energia occorrente viene prelevata dall’ambiente circostante, per cui la soluzione si raffredda. Nell’esperimento col caffè, al contrario, l’energia di idratazione è superiore all’energia reticolare, per cui il processo nel suo insieme è esotermico. Idratazione ed energia reticolare sono caratteristiche proprie di un sale.

Esperimenti successivi

Per continuare, gli studenti potrebbero tentare di raggiungere la temperatura più bassa possibile, usando il cloruro di calcio anidro, cloruro di sodio e il ghiaccio. Potrebbero restare sorpresi nello scoprire che l’aggiunta di cloruro di calcio anidro in ghiaccio (anziché acqua) non aumenta la temperatura. Questo perché i legami di idrogeno nei cristalli di ghiaccio prima devono essere rotti, il che richiede energia, per cui l’intero processo è endotermico.