School experiments E - METTLER TOLEDO · Il nostro scopo principale è quello di creare esperimenti...

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Una bilancia per comprendere la natura

FisicaChimicaBiologia

Esperimentipratici con una

bilancia

1

3

Prefazione

8

Cenni storici

Densità dei corpi solidi in base alla misura del peso e del volume 6Densità dei solidi (metodo di galleggiamento) 7Dipendenza della densità dell'acqua dalla temperatura 9Densità dell'aria 11Densità dei gas 12Il galleggiamento nei gas 13Densità dei liquidi 15Forza e forza opposta 16Forza di deflessione 17Forza di resistenza in una corrente d'aria 20Forze su un profilo aerodinamico 22Dipendenza della forza del campo magnetico di una bobina dall'intensità di corrente 25Il ferro dolce in un campo magnetico 26

Fisica

Quanto bicarbonato di sodio contieneuna pastiglia effervescente? 28Determinazione di grasso nella soia e nelle noci 29Determinazione di calcare fine in campioni del suolo e rocciosi 30Determinazione dell'acqua di cristallizzazione nei sali 31Termolisi dei sali 33Sintesi di solfuro di rame 35Determinazione della massa molare di gas liquefatto 37Velocità di evaporazione 39Catalisi omogenea: la dissociazione di H2O2 41

Chimica

Indi

ce

La traspirazione nelle piante 45Assorbimento di vapore acqueo nei licheni 47Assorbimento e perdita d'acqua nei muschi 48Contenuto d'acqua e di cenere di organi vegetali diversi 49Fermentazione alcolica 51

Biologia

Pref

azio

ne

3

Gli esperimenti pratici effettuati in laboratorio costituiscono ancora il modo migliore per com-prendere le leggi della natura. Un esperimento è spesso più facile da comprendere di formuleastratte oltre a rimanere impresso nella memoria degli allievi.

Con l’ausilio di una bilancia elettronica è possibile dimostrare facilmente fenomeni fisici,chimici e biologici in una maniera comprensibile ed intuitiva.

Il nostro scopo principale è quello di creare esperimenti facili e comprensibili con un minimodi materiale e con risorse disponibili in laboratorio. Durante l’esecuzione di un esperimento, la facilità di utilizzo della bilancia richiede minima attenzione consentendovi la massimaconcentrazione sullo svolgimento dell’esperimento.Tuttavia vi invitiamo a rispettare le avvertenze di sicurezza generali.

Vi auguriamo un buon divertimento nell’esecuzione delle prove.

Mettler-Toledo GmbHCH-8606 Greifensee

Questa brochure descrive alcuni esempi di esperimenti pratici per uso didattico. I materiali e le sostanze utilizzate, la loro quantità, la preparazione degli esperimenti sono puramente a titolo di esempio. La responsabilità degli esperimenti è unicamente della persona che lieffettua. METTLER TOLEDO declina qualsiasi responsabilità al riguardo.

Gli esperimenti devono essere eseguiti unicamente da persone qualificate o sotto la super-visione di persone qualificate ed autorizzate.

E’ necessario seguire rigorosamente le istruzioni per l’uso di tutti gli strumenti utilizzati (bilance di precisione, bruciatore Bunsen, generatore eolico…).

Alcune sostanze citate negli esperimenti sono pericolose, tossiche o esplosive.L’utilizzo di tali sostanze può essere vietato o limitato dalla legge o dal regolamento scolasti-co interno oppure sottostare a rigide norme di sicurezza. L’utilizzatore è l’unico responsabiledella manipolazione di tali sostanze ed è tenuto a rispettare strettamente le disposizioni inmateria. È obbligatorio rispettare tutte le avvertenze e le disposizioni relative alla sicurezza.

Norme di sicurezza generali

Cenn

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rici

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Un corretto equipaggiamento di misurazione non è solamente la base della ricerca scientifica,ma generalmente riveste anche un ruolo importante nella nostra vita. È importante per tutti noinella vita di tutti i giorni.Le persone che misurano lunghezza, tempo e massa accuratamente possono fidarsi. Le persone che sono autorizzate a determinare massa e peso hanno potere.

Considerando che il tempo e la misura lineare possono essere derivate biologicamente ofisicamente, l'istituzione delle unità di peso era casuale. Così gli stati, le regioni e le cittàavevano le loro unità di peso facilmente per i tempi moderni.

Era così fino alla Convenzione del Metro nel 1875, ora siglata da oltre 50 paesi, che rendonopossibile una massa standardizzata e un sistema di peso.

La nostra ben nota unità primaria di 1 kg corrispondealla massa del chilogrammo campione internazionale.Il «chilogrammo prototipo» è conservato presso il BWMa Sèvres vicino a Parigi in condizioni climatiche parti-colarmente rigide. È un cilindro alto 39 mm e aventediametro di 39 mm ed è realizzato in una lega al 90%di platino e al 10% di iridio in modo da garantire lacostanza della massa. Gli standard nazionali sonocomparati a intervalli regolari con tale chilogrammocampione ma non troppo frequentemente per evitareche venga utilizzato inutilmente.

La storia della bilancia si perde nella notte dei tempi. Resti di vecchie bilance conosciutefurono ritrovati in una tomba preistorica in Egitto: sono stati datati intorno al 5000 a.C.. Pietrecome singoli pesi sono note da molto tempo. Può essere affermato che l'uomo ha cominciatoa pesare circa 7000 anni fa.

La forma più conosciuta di una bilancia è quella a doppio piatto. Una massa campione ècomparata in proporzione 1:1 con le masse standard. Ma una bilancia monopiatto con unsolo braccio o le bilance con bracci non simmetrici con un rapporto di trasmissione si posso-no facilmente trovare nei disegni storici. Altri importanti tipi di bilance sono, per esempio, le pesaponte per veicoli, le bilance postali o le bilance dinamometriche in cui la forza pesodipendente dall'accelerazione di gravità è mostrata su una scala graduata.

La bilancia è familiare alle persone non solo perché è uno deglistrumenti più comuni, ma anche perché fino dai tempi più re-moti è considerata l'emblema di uguaglianza e di giusta valuta-zione. La bilancia occupa così una posizione equivalente siacome spada di giudizio della giustizia divina, sia come giudizioponderato. (es. 1 lira italiana)

Metrologia, l’arte della misurazione

Storia culturale

5

Un altro interessante utilizzo simbolico della bilancia coinvolge la pesaturadelle anime per gli antichi Egizi e Greci. Gli antichi cofani e papiri egizi cheaccompagnavano i morti contengono molte rappresentazioni sulla pesatadelle anime, che erano utilizzate come metodo di giudizio nel tribunale deimorti. In base al risultato, l'anima, rappresentata sulla bilancia come unpiccolo vaso, con la persona da giudicare in attesa, passa da un dio didannazione per la distruzione o da un dio di luce per la salvezza. L'animaè pesata con verità rappresentata sotto forma di una piuma (geroglifico inverità) sull'altro piatto di pesata.

Una rappresentazione simile proveniente dalla venera-zione Cristiana dei Santi è quella di San Michele comegiusto fautore nel Giudizio Finale.

Che certa luce o anche immateriale possa avere un grande peso è mostrato soprattuttoquando qualcuno riesce a stabilire una grossa decisione con una sola parola. Comunque,una parola sbagliata può anche avere brutte conseguenze, ma ciò che non perdiamo comple-tamente è il nostro senso di equilibrio che è accertato da un buon amico a cui le bilance sonorivolte a nostro favore. Egli poi ci potrà fornire il seguente avviso: «Pesa prima le cose pesan-ti». Tuttavia mentre le persone che pesano ogni parola possono essere generalmente intelli-genti, devono essere viste come pedantici contemporanei con cui sia scomodo stare.

Un certo peso nella vita di oggi

Fisi

ca

6

Questo esperimento illustra i concetti di massa e densità; serve inoltre come introduzione alletecniche di pesatura.

Calcolo del volume di corpi solidi di forma regolare partendo dalle dimensioni. La massa èdeterminata tramite la pesatura; la densità è calcolata in base al volume e alla massa.

Bilancia di precisione Mettler Toledo (risoluzione 0.01 g)Corpi cilindrici o conici, sferici, rettangolariCalibri per lunghezze, calibri scorrevoli, micrometri

Lo studente, al quale è stato dato un campione, determina le dimensioni e calcola il volume.Pesa quindi il campione (sotto la supervisione del docente) e valuta infine i risultati che haottenuto.

La densità è il rapporto tra massa e volume

ρ = unità: g/cm3, kg/m3

Negli esperimenti scolastici, i singoli campioni possono essere valutati in successione da tuttigli studenti (o da gruppi di 2).

La relativa incertezza del risultato deve essere stimata tramite un calcolo dell'errore:– Incertezze di taratura non rilevanti– Precisione della forma geometrica?– Incertezza relativa delle misurazioni della lunghezza?– Incertezza relativa della pesatura?

– Determinando la densità dello styropor, deve essere applicata una correzione per il galleg-giamento. Altrimenti si incorre in un errore relativo del 6%.

– Con fili sottili o fogli di densità nota, lo spessore deve essere determinato tramite pesatura(filo di rame, foglio di alluminio).

– Conoscendo la densità di corpi cilindrici o sferici, è possibile calcolare π.

mV

Densità dei corpi solidi in base allamisura del peso e del volume

Obiettivo

Compito

Materiale

Procedura

Valutazione

Conclusioni

Note

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Questo esperimento viene impiegato per illustrare i concetti di massa, galleggiamento e densità.

Corpi solidi di forma irregolare: determinazione del volume in base al galleggiamento dellamassa tramite pesatura. Queste due quantità vengono utilizzate per calcolare la densitàmedia del corpo.

Bilancia di precisione Mettler Toledo (risoluzione 0,01 g)Becher contenente acquaSupporto con asta e staffaFilo PerlonCestello di rete metallico sottile a maglia largaPinzetteCorpo di forma qualsiasi (es. vite, chiave, moneta)

Il cestello vuoto viene appeso a un filo Perlon e viene immerso nell'acqua senza che tocchi la parete del bicchiere.

La bilancia viene tarata. Viene determinata la massa m del corpo posto sul piatto della bilan-cia accanto al becher. Il corpo viene ora posto nel cestello usando le pinzette. Non vi deve es-sere alcuna perdita d'acqua sulle pinzette o altrove. Le bolle d'aria attorno al cestello e all'og-getto vanno rimosse. Sull'oggetto viene esercitata la forza di sollevamento (galleggiamento)FA verso l'alto che esercita a sua volta una forza opposta F di uguale grandezza, sull'acquaverso il basso. La bilancia visualizza m~. La formula FA = m~ · g è valida.

Secondo il Principio di Archimede, FA = Vcorpo · ρliq · g = m~g

Vcorpo =

e in base alla densità media ρcorpo = = = ρliq ·

Esempio: dado della ruota d'automobileTemperatura dell'acqua 20 °CMassa del dado m = 52.74 gGalleggiamento m~ = 06.74 g

ρ = 1.00 g/cm3 · = 7.83 g /cm352.74 g6.74 g

mm~

m~

ρliq

mVcorpo

m~

ρliq

Obiettivo

Compito

Materiale

Disposizione dell'esperimento

Procedura

Valutazione

Densità dei solidi (metodo di galleggiamento)

Gancio

CestelloSupporto

Fisi

ca

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A 20 °C, la densità dell'acqua è dello 0,2% inferiore a 1 g/cm3. Anche senza considerare ladipendenza della temperatura dalla densità, possono essere determinati il volume e la densitàmedia anche di monete piccole con un margine d'errore inferiore all'1%.Impiegando monete d'oro o d'argento, il valore standard può essere calcolato se si conoscela densità (media) del materiale della lega. Vale la formula seguente:

m = mx + mR

V · ρ= Vx · ρx + (V – Vx) · ρR

Vx =ρ – ρR or mx / m = …

V ρx– ρR

Conclusioni

massa volume densità media

moneta m V ρoro, argento mx Vx ρx

residuo mR ρR

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Dipendenza della densità dell'acquadalla temperatura

La densità dell'acqua varia al variare della temperatura, raggiungendo la densità massima a4 °C (anomalia dell'acqua).

La densità dell'acqua nel campo di temperatura da 0 a 50 °C viene determinata per mezzo diun picnometro e di una bilancia. I risultati dell'esperimento vanno riportati su un grafico.

Bilancia di precisione Mettler Toledo (risoluzione 0,01 g)Picnometro da 50 o 100 ml, se possibile di quarzo e con un termometro con attacco conicoBecher da 1000 mlSe possibile, termometro 0 –50 °C, graduato a 1/10 a 1/5 di gradoPiastra di riscaldamentoFoglio di styropor per isolamento termicoAsciugamanoCubetti di ghiaccio

Il foglio di styropor viene posto sul piatto della bilancia per consentire l'isolamento termico. La bilancia viene tarata con il picnometro vuoto.Questo viene riempito immergendolo nel becher contenente acqua ghiacciata, inserendo iltappo (o il termometro con attacco conico) sott'acqua. Viene misurata ϑ, la temperaturadell'acqua.Il picnometro viene quindi estratto dall'acqua, asciugato e posto sulla bilancia, annotando lamassa m dell'acqua. Il ghiaccio residuo viene rimosso dall'acqua, che viene quindi riscaldatalentamente. Nel campo da 0 a 10 °C, la misurazione di ϑ e m dviene inizialmente eseguitaogni 2 gradi circa; successivamente, ad intervalli di circa 10 gradi. Al termine di ogni misura-zione, il contenuto del picnometro viene svuotato nel bicchiere e l'acqua viene ben agitata.

Con un picnometro di vetro Jena (coefficiente di espansione lineare α = 3.2 · 10–6/K), taratoa 50 cm3 a 20 °C, si devono ottenere i valori sperimentali seguenti:

Obiettivo

Compito

Materiale

Procedura

Valutazione

Temperatura Massa Densitàϑ in ºC m in g ρ in g/cm3

0 49.991 0.999 842 49.996 0.999 944 49.997 0.999 976 49.996 0.999 948 49.992 0.999 85

10 49.984 0.999 7020 49.910 0.998 2130 49.783 0.995 6540 49.612 0.992 2250 49.405 0.988 05

Fisi

ca

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Mediante un picnometro e una bilancia, si può determinare la densità di un'ampia varietà diliquidi come per esempio esano, etanolo, cloroformio.

– In base alla tabella, nell'intervallo di temperatura 0 – 4 °C, la densità dell'acqua varia di0,00013 g/cm3, corrispondente al 0,13‰.Nello stesso intervallo, il volume del vetro Jena varia dello 0,04‰, ma quello del quarzosette volte meno. Se il picnometro non è di quarzo, è consigliabile una correzione delvolume.

– Se il picnometro viene riempito con acqua a 2 °C, durante il riscaldamento si può osservareun abbassamento del livello dell'acqua nel capillare del tappo. Se si afferra saldamentecon la mano calda il picnometro, la contrazione avviene entro pochi secondi.

– La densità dell'acqua a 20 °C deve essere misurata con particolare precisione in quantoquesta è la temperatura a cui vengono tarate le burette, le pipette e i cilindri. È di circa il2‰ inferiore a quella a 4°C.

Conclusioni

Note

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Densità dell'aria

Perfino l'aria ha massa e densità!

Si svuota una beuta e si determina la densità dell'aria in base alla massa e al volume dell'a-ria evacuata. La densità deve essere convertita a temperatura e a pressione standard.

Bilancia di precisione Mettler Toledo (risoluzione 0,01 g)Pompa a vuoto (pompa ad acqua)Beuta di vetro con 2 tappi (circa 1 l)Secchio contenente acquaCilindro di misurazione (1 l)Termometro (per temperatura dell'acqua)Termometro (per temperatura ambiente)Barometro

Per semplificare i calcoli, l'acqua deve essere a temperatura ambiente. La beuta asciutta,riempita con aria, viene tarata sulla bilancia: quindi l'aria viene fatta evacuare e la bottigliapesata, annotando la massa m dell'aria evacuata. Successivamente, la beuta viene posta nelsecchio d'acqua, si apre lentamente il tappo, facendo entrare l'acqua fino a che la pressionenella beuta non sia uguale a quella esterna. Il livello dell'acqua nella beuta è ora alla stessaaltezza di quello dell'acqua nel secchio. Il volume V dell'acqua entrata nella beuta è uguale alvolume dell'aria evacuata e può venire stabilito tramite un cilindro di misurazione o perpesata.

La densità viene determinata dal rapporto tra massa e volume

in g/dm3 o kg/m3

Massa dell'aria evacuata m in gVolume dell'aria evacuata V in dm3

Temperatura ambiente ϑ in ºCe quindi T in K

Pressione dell'aria p in mbarPer la densità a temperatura ambiente

e per la densità standard

ρo =

(valore della letteratura 1.293 kg/m3)

– Misurando il volume con un cilindro, la precisione massima ottenibile è dell'1%.– È difficile correggere per l'umidità dell'aria e per il suo contenuto in anidride carbonica;

anch'essi incidono circa dell'1%.

m ·

1013 mbar·

TV p 273.1K

ρ = mV

ρ = mV

Obiettivo

Compito

Materiale

Procedura

Valutazione

Note

Fisi

ca

12

Densità dei gas

Questo esperimento determina la densità di una sostanza gassosa.

La densità di una sostanza gassosa viene determinata in base al suo volume e alla sua mas-sa e quindi convertita alla temperatura e alla pressione standard.

Bilancia di precisione Mettler Toledo (risoluzione 0,01 g)Beuta conica (circa 1 l)Cilindro di misurazione (circa 1 l)Vasca contenente acquaCO2, He, H2 o O2 da una bombolaTermometro (per temperatura ambiente)Barometro

La beuta conica viene tarata e riempita d'aria. Il gas viene introdotto nella beuta per pochi se-condi impiegando il tubo di gomma dotato di un tubo di vetro che raggiunge il fondo dellabeuta. Quando la lettura della bilancia non varia più, il flusso di gas viene interrotto e vieneletta la massa ∆ m. Il flusso di gas viene interrotto e viene letta la massa ∆ m. Quindi si riem-pie con acqua la beuta conica e si determina il volume V mediante il cilindro. Si può ricavarecon maggiore precisione e altrettanta facilità il volume impiegando una bilancia e ponendoche la densità dell'acqua sia pari a 1.00 g/cm3.

La densità del gas è il rapporto tra la massa del gas e il suo volume. La massa del gas non èstata misurata direttamente ma è stata calcolata:

mgas = m(beuta con gas) – m(beuta con aria) + maria

= ∆m + maria

Differenza di massa tra gas e aria ∆m in gMassa dell'aria (non misurata) maria in gVolume della beuta conica V in dm3

Temperatura ambiente ϑ in ºCe quindi T in K

Pressione dell'aria p in mbar

Nelle condizioni sperimentali, la densità del gas è

Nelle condizioni standard la densità del gas è

dove ρo aria = 1.293 g/dm3

– La beuta conica deve essere completamente asciutta.– Le bombole di gas devono essere a temperatura ambiente.– I gas che sono più leggeri dell'aria (p.es. l'elio) devono essere introdotti dal basso verso

l'alto nel matraccio conico Erlenmeyer capovolto.

ρo gas = · · + ρo aria∆m 1013 mbar T

V p 273.1 K

ρGas = =mgas ∆m + maria

V V

Obiettivo

Compito

Materiale

Procedura

Valutazione

Note

13

Il galleggiamento nei gas

Pesando un corpo in aria, la forza di galleggiamento è uguale in grandezza al peso dell'ariaspostata. La stessa cosa avviene con altre sostanze liquide e gassose. Di conseguenza,determinando la massa dei corpi a basso peso specifico, deve essere eseguita una correzionedel galleggiamento.

– Determinare la spinta idrostatica tra aria ed elio di un matraccio da un litro riempito di aria.– Determinare la differenza idrostatica tra aria ed elio di un matraccio da un litro riempito di

elio.

Bilancia di precisione Mettler Toledo (risoluzione 0,01 g)1 pallone da 1 l dotato di tappo (forato nel mezzo)1 secchio piccolo (5 l)SupportoElio e/o anidride carbonica in bombola d’acciaiotubo metallico da 20 cm Β 6 mm, con base

Si inserisce il tubo nel tappo che presenta un foro apposito e lo si pone sulla bilancia. A questopunto, si unisce al tappo il pallone e si legge il peso. Capovolgere quindi il secchio sulmatraccio e lasciar entrare l'elio nel secchio dal basso, fino a raggiungere un peso costante. Il matraccio è diventato «più pesante»!Il matraccio viene ora riempito di elio e riposizionato sulla bilancia.La bilancia indica una massa inferiore, poiché la massa dell'elio nel recipiente è inferiorerispetto a quella dell'aria. Se il recipiente fosse circondato di atmosfera di elio, la bilancia indi-cherebbe la stessa massa del recipiente contenente aria e circondato da aria.

Obiettivo

Compito

Materiale

Procedura

Rischio di esplosione

Fisi

ca

1414

La massa molare media dell’aria (28,8 g/mol) è circa 7 volte maggiore rispetto a quelladell’elio. Diverse forze agiscono quindi sul recipiente da un litro:

la forza peso di circa 1,15 g dell’aria e/o quella di circa 0,16 g dell’elio.

Le forze esaminate possono essere rappresentate schematicamente nel modo seguente:

Le prove relative possono essere eseguite con anidride carbonica CO2 al posto dell’elio.Poiché il peso specifico di CO2 è maggiore di quello dell’aria, l'esperimento deve essere ese-guito capovolgendo la disposizione dei materiali:

– Il secchio si trova sul fondo.– Il pallone pende dalla bilancia e è immerso nel secchio.– La bilancia è sostenuta dal supporto o più semplicemente da uno sgabello provvisto di un

foro di sostegno.Il pallone viene sospeso al gancio posto sotto la bilancia. Per prima cosa, tuttavia, bisognacollegare la bilancia.

Il matraccio da un litro contiene circa 1,75 g di anidride carbonica. Le «differenze di peso»con CO2 sono dovute alla differenza delle masse molari:

44–28.828.8 –4

= 0.61

Valutazione

Estensione

15

Densità dei liquidi

Stabilire la densità dei liquidi dalla misura del volume e della massa.

Studio della densità di liquidi diversi come acqua, alcool, cloroformio, esano e benzina.

Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g)Cilindri graduati, palloni, pipette, picnometri, becherLiquidi diversi, vedi sopra

Gli apparecchi di vetro come il picnometro, il becher o il cilindro graduato, vengono tarati equindi riempiti con il liquido in esame. La massa viene annotata.

La densità è determinata come il rapporto tra massa e volume.

ρt = densità alla temperatura tm = massaV = volumet,ϑ = temperatura del liquido

Poiché la densità dei liquidi dipende dalla temperatura, questa deve venire specificata. Per otte-nere misurazioni molto precise, è necessario correggere il galleggiamento.

Il liquido impiegato per gli esperimenti didattici non deve essere irritante o velenoso. Non van-no utilizzati tetracloruro di carbonio, alcali e acidi concentrati.

ρt =mV

Obiettivo

Compito

Materiale

Procedura

Valutazione

Conclusioni

Nota

15

Cilindri graduati PicnometroPipettePalloni

Fisi

ca

16

Le forze si manifestano sempre in coppia – se un corpo esercita una forza su un altro corpo, il secondo agisce sul primo con unaa) grandezza ugualeb) «forza opposta» direttamente contraria, ec) lungo la medesima linea d'azione.(Legge di azione e reazione di Newton)

a) Le due bilance vengono fatte funzionare senza carico (!) conformemente alle istruzioni.b) Il corpo è sospeso alla bilancia superiore e il martinetto di laboratorio con il becher più il

liquido vengono posizionati su quella inferiore.c) Il becher può ora venire sollevato in modo che il corpo sospeso si immerga gradualmente

nel liquido.d) Come mostra la bilancia superiore, il corpo viene spinto verso l'alto dal liquido, divenendo

apparentemente più leggero. Come mostra la bilancia inferiore, il liquido (nonché il bic-chiere e il martinetto da laboratorio) viene spinto verso il basso dal corpo immerso, dive-nendo apparentemente più pesante. Entrambe le variazioni sono esattamente uguali ingrandezza.

a) NegativoL'impiego di due bilance elettroniche con display a proiezione può apparire molto singola-re, tuttavia in una scuola di media grandezza o in una grande scuola, non dovrebbe esse-re difficile reperire la seconda bilancia in un'altra sezione.

b) Positivo1) La procedura sperimentale è completamente comprensibile senza spiegazioni ulteriori.2) L'apparecchiatura è facile da usare e non presenta difficoltà «nascoste».3) La dimostrazione può essere eseguita senza perdite di tempo superflue.4) Viene mantenuto vivo l'interesse dello studente all'esperimento, in quanto il processo

di rialzamento e di abbassamento nonché la successiva ritaratura gli consentono di ri-cavare continuamente nuove coppie di valori e di confrontarne i risultati con la teoriaespressa dalla legge, talvolta anche senza svolgere operazioni aritmetiche mentali.

5) Altri esperimenti relativi ad «azione» e «reazione» sono generalmente meno illuminantie richiedono spiegazioni complesse.

16

Forza e forza opposta

Tema


Procedura

Commento critico

1 Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (Risoluzione 0,01 g)

2 Banco con foro3 Corpo sospeso4 Becher con liquido5 Supporto regolabile («Laborboy»)6 Bilancia di precisione METTLER TOLEDO

(Risoluzione 0,01 g)

1

2

3

4

5

6

17

Forza di deflessione

Per variare la direzione di un flusso, è necessaria una forza normale (perpendicolare alla direzione della velocità).

Studio della forza che fa deviare il flusso d'acqua in un tubo ad angolo retto.

Bilance di precisione Mettler Toledo (risoluzione 0,01 g)Tubo di plastica, diametro est. 12 mm, interno 8 mm, lunghezza quanto richiestoConnettore del tubo allacciato al rubinetto dell'acquaPrimo tubo-guida lungo circa 200 mm, diametro interno leggermente superiore al diametroesterno del tuboSupporto antiscivolo con morsetti per trattenere il tubo in posizione orizzontaleTanica di plastica da 5 lBilancia Mettler Toledo, range di pesata 0…6 kg o cilindro da 1000 mlCronometroSecondo tubo-guida in legno (per fissare il tubo alla bilancia), esempio:

Obiettivo

Compito

Materiale


17

1 Tubo di plastica2 Primo tubo-guida fissato al supporto3 Secondo tubo-guida in legno4 Massa per fissare il secondo tubo-guida

in legno alla bilancia5 Tanica di plastica6 Lavandino con scarico acqua

Banco da laboratorio

Spazio per la massa

Fisi

ca

18

Il primo tubo-guida viene fissato sul supporto alla stessa altezza del secondo tubo sulla bilan-cia. Il supporto del tubo non deve spostarsi sulla bilancia; allo scopo, può risultare necessarioaggiungere un ulteriore peso. Sebbene impiegando un tubo più lungo questo possa spostarsipiù facilmente, raddoppiandone la lunghezza si riduce tuttavia la portata massima di flusso dicirca la metà e la forza massima di circa un fattore 4!

In questo esperimento, è essenziale che il piatto di una bilancia di compensazione METTLERTOLEDO rimanga esattamente alla stessa altezza sopra il banco, anche con carico variabile.Ciò impedisce che il tubo di plastica si torca e che eventuali forze di deformazione influiscanosui risultati delle misurazioni. L'acqua viene fatta deviare mediante la tubazione, esercitandoconseguentemente, a destra del tubo, una forza opposta verso l'alto. La componente di forzaverticale F viene misurata mediante la bilancia e dipende dalla velocità media di flusso v– del-l'acqua. Questo valore può venire calcolato in base a ∆V nel tempo ∆ t e in base alla sezionetrasversale del tubo A:

a) L'acqua viene fatta fluire molto lentamente a una velocità appena sufficiente a impedireche bolle d'aria penetrino nel tubo attraverso l'estremità aperta; la bilancia viene tarata.

b) Il rubinetto dell'acqua viene aperto lentamente e la forza F misurata.c) La tanica vuota viene mantenuta nel flusso d'acqua per un tempo adeguato ∆ t.

Contemporaneamente, viene osservato attentamente il display della bilancia, in quanto lapressione dell'approvvigionamento idrico può mostrare fluttuazioni di breve durata.

d) Il volume dell'acqua nella tanica viene determinato tramite un cilindro graduato o – piùvelocemente e con maggiore precisione – mediante pesatura su una seconda bilancia.

e) Con altre velocità i passi da b) a d) vanno ripetuti.Tabella con F, ∆ t, ∆V, v–

In base alla regola, non rigorosa ma tuttavia semplificativa, che ogni particella d'acqua abbiala stessa velocità di spostamento

Il volume che fluisce attraverso la sezione trasversale A nel tempo δ t è dato da:La massa corrispondenteha il momento

Inizialmente, esso viene diretto orizzontalmente, ma, in seguito, verso il basso. Quindi, neltempo δ t viene prodotta una variazione verso il basso del momento dalla forza (–F

Ý) della

tubazione:

e la lettura sulla bilancia

18

Considerazioni tecniche

Procedura

Valutazione

F · δt = δp = ρ · A · v2 · δt

F = ρ · A · v2 = ρ ·(∆V/∆t )2

A

(∆m/∆t )2

ρ · AF =

m~ = Fg

(∆m/∆t )2

ρ · A · g=

(2)

(3)

v– = ∆V / ∆tA

(1)

δV = A · v · δ t.δm = ρ · δVδ p = v · δm = ρ · A · v2 · δ t.

v– = ∆V / ∆tA

v =

19

Viene tracciata una linea con pendenza 2. I punti sperimentali giacciono di fatto sulla linea ecosì confermano il rapporto quadratico tra ∆m/∆t e m~.Naturalmente, i valori della tabella sopraindicata non sono inventati, bensì effettivamentemisurati impiegando un tubo di plastica avente un diametro interno di 8 mm. In quale modopossono accordarsi con l'equazione (3)? La quinta misura, per esempio, dà con

Questo accordo è soddisfacente; tuttavia, non tutte le particelle d'acqua si spostano allastessa velocità.

L'esperimento viene eseguito in 20 minuti e consente di «ripassare» i concetti seguenti: «azione e reazione», «la variazione del momento è uguale all'impulso» e «graduazione log-log».

Conclusioni

19

∆m /∆t = 99.8 g/sρacqua = 1.00 g/cm3

A tubazione = π · (0.40 cm)2

g = 981 cm/s2 inserito in (3)

m~ calcolato = 20.2 g invece dim~ misurato = 20.0 g ±0.2 g

La relazione misurata tra ∆m/∆t e m~ I (F) viene meglio rappresentato su carta log-log.

Fisi

ca

2020

Forza di resistenza in una corrented'aria

In un fluido in movimento, un corpo subisce una forza di resistenza F, che dipende dallagrandezza (A) e dalla forma (cr) del corpo, nonché dalla densità ρ e dalla velocità relativa vdel mezzo che scorre (del fluido).

Studio della forza di resistenza mediante l'impiego di corpi diversi nella corrente d'aria prodottada un generatore d'aria.

Bilance di precisione Mettler Toledo (risoluzione 0,01 g)Generatore d'ariaSe possibile, pitometro di Prandtl con manometro per misurare la velocità dell'ariaCorpi di resistenza diversi (con aste di supporto)– con un area di flusso contro il corpo il più uniforme possibile (sezione massima); es.: di-

sco circolare, sfera, emisfero solido, emisfero concavo, corpi affusolati, piani di modello.– Della stessa forma, es.: dischi circolari grandi, medi e piccoli o piastre quadrate– Asta sola, senza corpi di resistenzaSupporto dei corpi di resistenza, es.

1) base caricata di peso con un ulteriore foro trasversale di 8,2 mm di diametro2) asta di alluminio, diametro 8 mm, lunghezza 400 mm3) foro per l'asta del corpo di resistenza4) vite M3 per impedire la torsione5) possibilmente un contrappeso

Per proteggere la bilancia dalle oscillazioni impiegare una cassetta, per esempio da600 x 600 x 400 mm, avente le seguenti caratteristiche:– libero accesso agli utenti/studenti– fissaggio al banco tramite due morsetti– apertura nella base per consentire alla bilancia di poggiare direttamente sul banco– piccola apertura laterale per l'asta di alluminio (2)

del supporto.

Impiegando un generatore d'aria potente, la cassetta di protezione è assolutamente necessaria, poiché il flusso dell'aria, quando raggiunge il soffitto, viene riflesso, colpendo la bilancia dall'alto con i vortici d'aria (controllare con la fiamma di una candela!).

1. Generatore d'aria2. Involucro3. Corpo montato sul supporto

Obiettivo

Compito

Materiale


21

wl

Procedimento

Valutazione

Conclusioni

21

pdin = · v2ρ2

F = cr · pdin · A

ρ = densità del mezzo che scorrecr = parametro di resistenza (fattore di forma)A = sezione massima (area di proiezione

del corpo su un piano verticale alladirezione del flusso)

a) Prova preliminare: viene impiegato un tubo pitostatico per determinare la regione in cui lacorrente d'aria ha una velocità costante.

b) Nota per eventuali esperimenti ulteriori; nella descrizione che segue, si desidera conoscerela forza di resistenza F (corpo) che solo il corpo subisce. Tuttavia, la corrente d'aria eser-cita una pressione sul supporto e la forza F (misura) viene visualizzata sul display dellabilancia. Di conseguenza, per determinare la forza F (asta), è necessario eseguire unaseconda misura senza il corpo, ovvero solo con l'asta. Quindi, F (corpo) è data da F (misura) – F (asta).

c) La forza di resistenza F viene misurata per ciascun corpo con velocità d'aria diverse v.Tabella con v, F (misura) e F (corpo).Se possibile, selezionare un corpo di grandezza e forme diverse e ripetere l'esperimento.

d) F (corpo) viene determinata ad una velocità di vento costante per corpi di varia grandezza(A) ma della stessa forma. Tabella con A, F (corpo) e F (corpo)/A. Se possibile, ripetere laprocedura con corpi di forma diversa.

e) F (corpo) viene determinata ad una velocità di vento costante per corpi di forma diversama con la stessa area di corrente d'aria (sezione massima) A.Tabella con schizzo della forma e F (corpo)Se possibile, ripetere la procedura con una velocità d'aria diversa.

f) La singola misura richiede da 1 a 2 minuti e varia fortemente in base alla capacità e all'esperienza dell'utente.

Per corrente turbolenta, la teoria enuncia

per la pressione dinamica

e per la forza resistente

Si presuppongono i seguenti risultati:con c) proporzionalità tra v2 e le forze resistenti [F(misura),

F(asta), F(corpo)];

con d) un rapporto costante F(corpo)/A;

con e) cw > cw l >cw • > cw

L'esperimento si presta a una dimostrazione durante la lezione, in quanto esso può venireeseguito in breve tempo.

Fisi

ca

2222

Forze su un profilo aerodinamico

Un corpo asimmetrico soggetto a un flusso d'aria subisce una componente di forza perpendi-colare alla forza di resistenza (drag) FW nella direzione del flusso. Nel caso di un profiloaerodinamico, questa forza normale è costituita dalla forza di sollevamento (portanza) FA.

Studio mediante un piatto piano e un profilo aerodinamico della dipendenza dall'angolo diincidenza α della forza di sollevamento FA, desiderata della forza di resistenza FW non desi-derata, nonché del loro quoziente.

Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g)Generatore di ventoSe possibile, tubo di Pitot Prandtl con manometro per misurare la velocità dell'ariaModello di profilo: aerodinamico, con alette molto sottili e parallele e supporto girevolePiccola tavola in legno, plastica o metalloBase di supporto antiscivolo con foro verticaleSupporto per bloccaggio orizzontale del modello, es.: un blocco di legno:

1) Asta che sostiene il modello girevole2) Blocchi di legno, 180 x100 x 30 mm3) Foro, adatto per asta 1)4) Possibilmente una vite; impedisce all'asta 1) di torcersi5) Asta, diametro 10 mm, che alloggi bene nel blocco6) Contrappeso di circa 1 kg, es.: base con peso

Per proteggere la bilancia dalle oscillazioni impiegare una cassetta, per esempio da 60 cm x 60 cm x 40 cm avente le seguenti caratteristiche:– libero accesso agli sperimentatori– fissaggio al banco tramite due morsetti– apertura nella base per consentire alla bilancia di poggiare direttamente sul banco– piccola apertura laterale per l'asta 1).

Obiettivo

Compito

Materiale

23

Per misurare la forza di sollevamento e la forza di resistenza sono necessarie disposizioni diverse:

Forza di sollevamento

Forza di resistenza

a) La distribuzione della velocità nella corrente d'aria davanti al generatore d'aria viene stu-diata tramite un tubo di Pitot Prandtl.

b) Forza di sollevamento FA: questa può venire calcolata teoricamente nel modo seguente:

Studiare la dipendenza della forza di sollevamento dalla velocità del vento.Tabella con v, FA, grafico.Ripetere, se possibile, la procedura con un profilo diverso o con un diverso angolo diincidenza.

c) Per le misure seguenti, la velocità dell'aria viene mantenuta costante; sia v * al profilo. La dipendenza della forza di sollevamento dall'angolo di incidenza α viene dapprimamisurata per la tavola piccola.


Procedimento

23

CA = parametro di sollevamento, dipendente dalla formaA = sezione massima (area della proiezione del corpo

su un piano verticale alla direzione della corrente)ρ = densità dell'ariav = velocità dell'aria

(velocità relativa dell'aria in relazione al corpo)

Impiegando un generatore d'aria potente,la cassetta protettiva è assolutamentenecessaria, in quanto la corrente d'aria,raggiungendo il soffitto, viene riflessacolpendo la bilancia dall'alto (controllarecon la fiamma di una candela).

FA = cA · A · · v 2ρ2

Fisi

ca

2424

d) Forza di resistenza Fw anche questa è proporzionale alla pressione dinamica

Se c'è tempo, questo dovrebbe essere controllato.

e) Poiché la corrente d'aria colpisce non solo il corpo prova ma anche il relativo supporto, il supporto Fw deve essere misurato tramite un esperimento preliminare senza il corpo,ovvero impiegando il supporto da solo. Le misure successive Fw (totale) vanno corrette:

f) Per le misure seguenti, la velocità dell'aria nel punto di prova del corpo viene nuovamenteregolata a v = v * come sopra. La dipendenza della forza di resistenza Fw (totale) dall'an-golo di incidenza α viene quindi misurata, sulla tavola e sul profilo aerodinamico.Tabella con α, Fw (totale), Fw (modello), grafici.

Solo per le misure a uno sperimentatore provetto sono necessari 45 minuti. Includendo lavalutazione, un gruppo scolastico, impiega da 3 a 4 ore.

È di prassi rappresentare FA e Fw del profilo aerodinamico in un diagramma polare, secondo Lilienthal. Per ulteriori interpretazioni dei risultati, consultare la documentazione specialistica, es.: documentazione sul corso per piloti di alianti.

L'apparecchiatura è semplice da usare. Tuttavia, il lavoro sperimentale, nonché la valu-tazione, richiedono una particolare attenzione. Sebbene l'esperimento presenti esigenze rigorose, i risultati sono molto facili da comprendere.

Tempo richiesto

Valutazione

Conclusioni

(pdin = · v2), quindi Fw ~ v 2.ρ2

Fw (modello) = Fw (totale) – Fw (supporto)

25

Dipendenza della forza del campo magneticodi una bobina dall'intensità di corrente

La forza del campo magnetico di una bobina è proporzionale all'intensità di corrente.

Misurazione della dipendenza della forza, subita da una piccola barra magnetica nel campomagnetico di una bobina, dall'intensità di corrente nella bobina.

Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g)Bobina ad aria (es.: lunghezza 70 mm, diametro 40 mm, 250 spire)Sorgente di CC in grado di fornire da 5 a 10 A circaResistore a filo (es.: 6 Ω), se la tensione della sorgente di CC non può essere regolataInterruttoreAmperometroCavo elettricoSupportoPiccolo magnete permanente: es.: barra cilindricaBarra non magnetica (asta di alluminio, di legno), lunghezza circa 150 mm, posta su di unabase leggera

Il magnete viene posto sulla faccia superiore della barra con un po' di grasso. La bobinaviene posizionata in modo da sfiorare con l'estremità inferiore il magnete.

Viene eseguita una prova iniziale atta a stabilire se il campo magnetico della bobina provochiuna variazione della lettura della bilancia quando viene data la corrente. Si osserverà che lebilance Mettler Toledo sono praticamente insensibili ai campi magnetici esterni!Inoltre, deve essere osservato che, eseguendo la serie di misurazioni, il magnete non va spo-stato rispetto alla bobina in quanto il campo della stessa non è omogeneo. In relazione aquesto aspetto, non si incontrano difficoltà impiegando una bilancia che funzioni in base alprincipio di compensazione: il piatto rimane alla stessa altezza, sopra al banco, indipenden-temente dal carico.Dopo aver tarato la bilancia, l'intensità di corrente l viene aumentata per gradi. I valori asso-ciati di l e F (per la forza) vengono tabulati per essere poi tracciati graficamente. Si rileva chela forza è strettamente proporzionale all'intensità di corrente. Di conseguenza, la forza delcampo magnetico è anch'essa proporzionale all'intensità di corrente.

Obiettivo

Compito

Materiale


Procedimento

25

M MagneteS CavoF Supporto

Q Fonte di correnteSCH InterruttoreR Resistore a filoA Amperometro

Fisi

ca

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Il ferro dolce in un campo magnetico

Il ferro dolce viene magnetizzato in un campo magnetico esterno, subendo una forza d'attra-zione quando il campo non è omogeneo.

Misurazione della dipendenza della forza, subita da un pezzo di ferro dolce, nel campomagnetico di una bobina, dall'intensità di corrente nella bobina.

Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g)Bobina ad aria (es.: lunghezza 70 mm, diametro 40 mm, 250 spire)Sorgente di CC in grado di fornire da 5 a 10 A circaResistore a filo (es.: 6 Ω), se la tensione della sorgente di CC non può essere regolataInterruttoreAmperometroCavo elettricoSupportoPiccolo magnete permanente: es.: barra cilindricaBarra non magnetica (asta di alluminio, di legno), lunghezza circa 150 mm, posta su di unabase leggera

Il magnete viene posto sulla faccia superiore della barra con un po' di grasso. La bobinaviene posizionata in modo da sfiorare con l'estremità inferiore il magnete.

Il procedimento di misurazione corrisponde esattamente a quello seguito per l'esperimentodescritto a pag. 25. Tuttavia, la relazione tra I e m (per F) non è affatto lineare.

Obiettivo

Compito

Materiale


Procedimento e valutazione

M MagneteS CavoF Supporto

Q Fonte di correnteSCH InterruttoreR Resistore a filoA Amperometro

Esempio di misurazione tramite chiave Allen M8, lunghezza 25 mm:

Conclusioni

Le forze per 3A e 6A implicano una relazionequadratica:

Il suddetto valore può venire controllato nelmodo più semplice mediante un graficotracciato su carta log-log.

m~ = k · l 2

La linea tracciata ha una pendenza esatta di 2. Poiché i punti sperimentali coincidonoperfettamente con la linea, viene confermatale regola F ~ l 2

Nell'esperimento descritto a pag. 25, un ma-gnete permanente in un campo magneticoesterno subisce una forza proporzionale all'in-tensità di corrente. In questo esperimento, tut-tavia, il pezzo di ferro dolce viene dapprimamagnetizzato dal campo magnetico per subi-re successivamente la forza corrispondente F,che, da un lato, dipende dalla forza del cam-po magnetico H del campo della bobina edall'altro, dalla magnetizzazione J del pezzodi ferro.Le proporzionalità F~H •J e H ~ l e F ~ l 2,consentono la conclusione J ~ l, ovvero, nelcampo di valori di forza del campo esaminati,la magnetizzazione del pezzo di ferro è pro-porzionale all'intensità del campo elettrico.

27

Chim

ica

28

Quanto bicarbonato di sodio contiene una pastiglia effervescente?

Le pastiglie effervescenti (pastiglie vitaminiche, ecc.) contengono zucchero, agenti coloranti earomatizzanti, come pure acido tartarico e bicarbonato di sodio, oltre all'effettiva sostanzaattiva. Quando una pastiglia è messa in acqua, il bicarbonato di sodio reagisce con l'acidotartarico per formare il tartrato di sodio, molto solubile, anidride carbonica e acqua. L'anidride carbonica si sviluppa come gas e la pastiglia si scioglie. Equazione della reazione

Il contenuto di bicarbonato di sodio può essere ottenuto in base alla quantità di anidride carbo-nica che si è sviluppata.

Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g), beuta conica a collo ampio da300 ml, bacchetta di vetro, pastiglie effervescenti, calcolatrice tascabile, bicchieri di carta,tovaglioli, secchio per rifiuti

1. Versare nella beuta conica circa 2 dl di acqua di rubinetto, asciugare bene la parte esterna,porla sulla bilancia e tarare.

2. Porre una pastiglia effervescente sul piatto della bilancia accanto alla beuta, determinarneil peso e annotare il risultato.

3. Tarare nuovamente con la pastiglia4. Mettere attentamente la pastiglia in acqua (avendo cura di evitare spruzzi), attendere il

termine della reazione, agitare bene con la bacchetta di vetro e determinare la massa dianidride carbonica che si è sviluppata. Annotare il risultato.

5. Se lo desiderate, potete versare la soluzione in un bicchiere e berla. Altrimenti, versatela nelsecchio.

6. Risciacquare a fondo la beuta e asciugare bene la parte esterna. Essa è ora pronta perl'esperimento successivo.

Teoria

Materiale

Procedimento dell'esperimento

Risultati e valutazione

Esempio numerico

27

Il seguente valore è stato ricavato eseguendo un esperimento:Massa della pastiglia: a = 4.38 g; massa di CO2 : b = 0.23 g

La percentuale di NaHCO3 nella pastiglia è

1.91 · 0.23 · 1004.38

% = 10.03% ~ 10%

Massa della pastiglia: a = …g; massa di CO2:b = …g

1 g di anidride carbonica sviluppata corrisponde a un contenuto di 1.91 g di NaHCO3

b g di anidride carbonica sviluppata corrisponde a un contenuto di 1.91 g · b g di NaHCO3

La percentuale di NaHCO3 nella pastiglia è: 1.91 · b · 100a %

H H H H

2 NaHCO3 + HOOC C C COOH → NaOOC C C COO Na + 2 CO2 + 2 H2O

CH CH O HO Hbicarbonato acido tartarico tartrato di sodio anidride carbonicadi sodio

2928

Determinazione di grasso nella soia e nelle noci

Molti alimenti vegetali come la soia, le arachidi, le mandorle e i semi di girasole contengonograssi vegetali, che possono venire recuperati con relativa facilità per estrazione mediante unsolvente lipofilo. Questi alimenti hanno importanza notevole nella produzione di oli commestibili e di grassi.Per determinare il contenuto di grasso, le noci, i semi o i fagioli finemente macinati, vengonoseparati mediante etere di petrolio, esano o sostanze simili; viene aggiunto del solfato dimagnesio anidro per agglutinare l'eventuale acqua presente. Dalla filtrazione della soluzionee dall'evaporazione del solvente si ottiene il grasso puro, che viene poi pesato.

Bilancia di precisione Mettler Toledo (risoluzione 0,01 g)Beuta conica da 100 ml con tappo conico o cilindro di misurazione adattoEtere di petrolio o esanoSolfato di magnesio anidroImbutoCarta da filtro o cotone idrofiloBecher da 100 mlPipetta da 10 mlSoia, mandorle o farina di arachidi

1. Vengono pesati esattamente circa 3 g di soia, di mandorle o di farina di arachidi.2. Viene aggiunta farina nella beuta o nel cilindro, poi si versano 40 ml di etere di petrolio o

di esano e 5 g di solfato di magnesio anidro. Quindi il recipiente deve essere ben agitato ditanto in tanto in un arco di tempo di 5 minuti, aprendo brevemente il tappo prima e dopol'operazione per eguagliare la pressione.

3. Una parte della sospensione ottenuta viene fatta filtrare, attraverso la carta o il cotoneidrofilo, in un recipiente asciutto che può venire chiuso (es. beuta con tappo o becher concoperchio di vetro). La chiusura del recipiente impedisce che il solvente evapori.

4. Con la pipetta, vengono ora immessi in un becher piccolo, pesato, 10 ml esatti dellasoluzione filtrata e il campione viene fatto evaporare nella credenza per laboratorio sotto unbagno d'acqua fino a che l'odore del solvente non sia completamente svanito.

5. Il campione viene lasciato raffreddare e quindi ripesato.

Il contenuto di grasso può venire determinato in base al peso dell'alimento (a = …g) e allamassa del residuo (b = …g), che consiste di grasso puro

Da una pesatura di 3.00 g (= a) di farina di mandorle, è stato ricavato, dopo l'evaporazionedi 10.0 ml di estratto filtrato, un residuo di 0.52 g (= b), che corrisponde a un contenuto digrasso del 70% circa.

Teoria

Materiale



Esempio numerico

Contenuto di grasso = %100 · 4 · ba

Chim

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Determinazione di calcare fine in campioni del suolo e rocciosi

In campioni del suolo o rocciosi, il calcare può essere determinato tramite la reazione delcarbonato di calcio con l'acido cloridrico. Il carbonato di calcio reagisce per formare clorurodi calcio, acqua e anidride carbonica. La quantità di quest'ultima sviluppatasi mediante lareazione viene pesata:

CaCO3 + 2 HCI Õ Ca2+ + 2 Cl- + H2O + CO2

Il suddetto esperimento costituisce un metodo di determinazione semplice e preciso.

Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g), beuta conica da 100 ml, HClconcentrato, acqua distillata, soffiatore di gomma, pietra calcarea (circa 1 g)

1. Nella beuta vengono aggiunti circa 8 ml di HCl concentrato e circa 10 ml di acqua distillata.2. La beuta contenente l'acido cloridrico viene posta sulla bilancia e tarata.3. La pietra calcarea viene posta accanto alla beuta sul piatto della bilancia, se ne determina

la massa e il tutto viene ritarato.4. Quindi la pietra calcarea viene aggiunta alla soluzione. Subito dopo, avviene una violenta

reazione tramite la quale si sviluppa l'anidride carbonica.5. Al termine della reazione, con l'ausilio del soffiatore in gomma e di una pipetta per espellere

eventuali quantità di CO2 presenti, nello spazio gassoso della beuta viene soffiata unapiccola quantità d'aria.

6. La beuta viene quindi ripesata e viene determinata la perdita di CO2.

Disposizione dell'esperimentoBeuta conica contenente l'acido cloridrico e la pietra calcarea

1.58 g di pietra calcarea sviluppano 0.386 g di CO2. In base all'equazione di reazione e allacomposizione stechiometrica corrispondente, si presume di ottenere:

Tuttavia, poiché da 0,695 g, si sono sviluppati solo 0.386 g di CO2, ovvero il 55.54%, ilcontenuto di carbonato di calcio del campione di calcare esaminato è del 55.54%.

La precisione del metodo può venire controllata con CaCO3 puro.

Teoria

Materiale



Nota

29

CaCO3 + 2 HCI Ý Ca2+ + 2Cl- + H2O + CO2

100 g/mol 44 g/mol1.58 g x g

da 1.58 g di CaCO3 puro x = = x = 0.695 g CO21.58 g · 44 g /mol

100 g /mol

3130

Determinazione dell'acqua di cristallizzazione nei sali

La forma cristallina di molti sali contiene acqua legata, la quale può venire espulsa tramiteriscaldamento. Le molecole d'acqua vengono separate dal sale idratato e, evaporando,lasciano il sale anidro:

sale idratato calore sale anidro + acqua

Determinando mediante pesatura l'esatta perdita d'acqua, si può calcolare il numero di mole-cole d'acqua contenute nella cosiddetta «acqua di cristallizzazione».Nota: in caso di riscaldamento prolungato o troppo potente, può avere luogo una reazionesecondaria. Se per esempio si stabilisce il contenuto di acqua di cristallizzazione del solfatodi rame, con la separazione di triossido di zolfo al sale anidro si può formare ossido di rame(II). Ciò può venire rilevato dall'oscuramento del prodotto bianco:

CuSO4 (anidro) calore CuO + SO3

Questa reazione secondaria comporta una diminuzione della massa del prodotto di reazione,ovvero una perdita di peso apparentemente maggiore che, a sua volta, induce a calcolare unvalore d'acqua di cristallizzazione superiore a quello effettivo.

Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g), crogiolo di porcellana con co-perchio, treppiede, bruciatore, triangolo d'argilla (adatto per il crogiolo), tenaglia per crogiolo,bacchetta di vetro, sale cristallino come solfato di rame, allume, gesso, …

1. Si pesano il crogiolo vuoto e il coperchio.2. Si aggiunge nel crogiolo sale cristallino (circa 1 g) e si pesa esattamente.3. A questo punto, si riscalda il crogiolo a fiamma bassa, non luminosa. Il crogiolo aperto è

mantenuto con la tenaglia, e si agita il contenuto con la bacchetta di vetro.4. Quando il sale si è disidratato, il che si può rilevare sia dalla variazione di colore, es. con

solfato di rame, sia dal completamento della reazione (nessun sviluppo di vapore acqueo,nessuna formazione di «cratere»), si copre il crogiolo e lo si lascia raffreddare a tempera-tura ambiente.

5. Quando si è raffreddato, lo si ripesa.6. Si ripete l'esperimento con pesature di 2, 3 e 4 g.


1. Per ciascuno esperimento, la perdita d'acqua viene calcolata in g in base alla pesaturaesatta e alla massa del residuo.

2. Si tracciano graficamente i valori relativi alle perdite d'acqua in rapporto ai pesi iniziali.Entro certi limiti, i punti sperimentali devono giacere su una linea retta che passa per l'origine delle coordinate. Ciò funge da controllo ulteriore sulla precisione di indicazione.

Teoria

Materiale



Chim

ica

32

3. In base all'equazione di reazione e alla composizione stechiometrica corrispondente

Sale idratato Õ sale anidro + acquaa = …g b = …g c = …g(pesatura) (residuo) (perdita d'acqua)

il numero x di molecole di acqua di cristallizzazione legata è dato da:

dove MMSale rappresenta la massa molare del sale anidro.

4. Il valore di x viene calcolato per ciascun singolo esperimento, onde essere comparato con i valori della letteratura.

Da un esperimento con solfato di rame (II) cristallino, sono stati ricavati i valori seguenti:

Peso del sale: a = 2.48g; residuo: b = 1.57gPerdita d'acqua: c = (a–b) g = 0.91 g

Quindi il solfato di rame si cristallizza con 5 molecole di acqua di cristallizzazione.Formula: CuSO4 · 5 H2O.

Esempio numerico

31

x = =c · MMSale

(a–c) · 18

(a–b) · MMSale

b · 18

x = = 5.140.91 · 159.5

1.57 · 18

3332

Termolisi dei sali

Per termolisi si intende la degradazione di una sostanza con l'ausilio di calore («decomposi-zione termica»). Le termolisi possono a volte verificarsi in modo violento e incontrollabile;oppure, alle temperature relativamente alte che queste necessitano, provocare delle reazionisecondarie o parallele, che complicano o anche precludono una valutazione stechiometricadei risultati di pesatura. Le sostanze che, sottoposte a riscaldamento moderato, si decompon-gono quantitativamente, sono particolarmente adatte per ricerche stechiometriche. Le direzionisperimentali seguenti sono state controllate impiegando le due sostanze modello: bicarbonatodi sodio e carbonato di magnesio. L'esperimento «storico», che comporta la termolisi diossido di mercurio (II), non è stato eseguito per ragioni di sicurezza tecnica e per motivi dicarattere ecologico.

Nella termolisi di bicarbonato di sodio, il carbonato di sodio («soda») si forma per depura-zione di vapore acqueo e di anidride carbonica.

Questo processo riveste carattere d'importanza nella fabbricazione tecnica della soda (produzione della «soda calcinata»).Nella termolisi di carbonato di magnesio, si separa anidride carbonica:

Questa reazione procede in modo analogo alla fabbricazione di calce viva da carbonato dicalcio:

La termolisi di carbonato di magnesio è quindi una reazione molto importante dal punto divista tecnico per la calcinazione di pietra calcare nella fabbricazione di cemento. Tuttavia, la decomposizione di MgCO3 nell'ossido procede a una temperatura inferiore, di modo chequesta reazione è maggiormente indicata per svolgere ricerche di laboratorio o per scopidimostrativi.

Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0.01 g), crogiolo di porcellana (molti, se possibile), treppiede, bruciatore, triangolo d'argilla, tenaglia per crogiolo, carbonato dimagnesio, bicarbonato di sodio (anidro)

1. Il crogiolo vuoto viene pesato, vi si aggiungono 0.5 g circa di carbonato di magnesio o dibicarbonato di sodio. Quindi il crogiolo viene ripesato.

2. Il crogiolo viene ora riscaldato con cura impiegando una fiamma non luminosa. Il vaporeacqueo e l'anidride carbonica vengono separati e fuoriescono dalla mistura di reazione.Questo fenomeno può venire osservato nella «formazione di cratere». All'inizio della proce-dura, il campione deve essere riscaldato attentamente onde impedire che la formazione digas causi perdita di materiale dal crogiolo per spruzzi.

3. Quando la diminuzione dell'evoluzione di gas indica che la reazione è prossima al com-pletamento, viene applicato un potente riscaldamento, fino al calor rosso. Quindi, quandol'evoluzione di gas non è più visibile, il riscaldamento viene interrotto.

4. Il crogiolo viene lasciato raffreddare a temperatura ambiente, quindi pesato con il prodottodi reazione formatosi.

5. L'esperimento viene ripetuto impiegando 1 g, 1.5 g, 2 g, e 2.5 g

Teoria

Materiale


2 NaHCO3 Na2CO3 + H2O + CO2∆T

MgCO3 MgO + CO2∆T

CaCO3 CaO + CO2∆T

Chim

ica

34


1. La dipendenza delle masse di residuo dalle pesature viene tracciata graficamente. I puntidell'esperimento giacciono su una linea retta che attraversa l'origine delle coordinate.

2. Sulla base dell'equazione di reazione e della stechiometria corrispondente, viene calcolatoil valore teorico relativo a una particolare pesatura, es. 1,000 g di bicarbonato di sodio:

Da 1.00 g di bicarbonato di sodio, si formano teoricamente

Per il carbonato di magnesio, vale la seguente formula:

dalla quale si ricava che da 1.000 g di carbonato di magnesio si ottengono

3. I valori ricavati dall'esperimento vengono posti a confronto con quelli calcolati teorica-mente.


33

2 NaHCO3 Na2CO3 + CO2 + H2O2 · 84 g/mole 106 g /mole

∆T

g = 0.631 g di carbonato di sodio106168

MgCO3 MgO +CO2

84.31 g/mole 40.31 g /mole

∆T

g = 0.478 g di ossido di magnesio 40.3184.31

3534

Sintesi di solfuro di rame

Quando un metallo, es. il rame, si combina con un non-metallo, es. lo zolfo, si forma unsale. Il rapporto tra la quantità di metallo e il non-metallo legati chimicamente rimane costan-te, indipendentemente dalla quantità di rame impiegata (legge delle proporzioni costanti). L'esperimento seguente, che riesce al meglio se viene eseguito più volte nel corso dell'eserci-tazione dallo studente, viene effettuato per confermare la legge suddetta e per determinare laformula empirica del composto che si forma. La legge delle proporzioni costanti è applicabilesolo quando il prodotto che si forma è omogeneo, ovvero quando esso presenti, per esempio,la stessa forma cristallina. Non è tale il caso di questo esperimento (il solfuro di rame è uncomposto non daltonide), ma l'esperimento risulta tuttavia interessante per ragioni didattiche.Per la sintesi il rame è usato come metallo e lo zolfo come non metallo per formare solfuro di rame:

rame + zolfo Õ solfuro di rameCu + S Õ CuS

La sintesi viene eseguita con una quantità esattamente conosciuta di rame e con una quantitàin eccesso di zolfo al fine di garantire che tutto il rame reagisca con lo zolfo. Sciogliendosi, lo zolfo reagisce immediatamente con il rame presente. Lo zolfo eccedente si sublima e incombustione dà SO2, che viene sviluppato come gas.

zolfo + ossigeno Õ diossido di zolfoS + O2 Õ SO2

Poiché il diossido di zolfo è velenoso, l'esperimento va eseguito in una cappa da laboratorio,impiegando per la reazione un crogiolo di porcellana. Una volta pesato il residuo, vengonodeterminati il rapporto della quantità di rame apportato alla quantità di zolfo legato, la percen-tuale degli elementi nel composto e la formula empirica.Viene effettuato un minimo di tre esperimenti, effettuandone eventualmente altri separati. Si otterrà una valutazione più precisa tracciando un grafico.

Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0.01 g), crogiolo di porcellana con co-perchio, treppiede, bruciatore Bunsen, triangolo d'argilla, tenaglia per crogiolo, foglio di rame,zolfo in polvere

1. Da un foglio di rame vengono tagliati pezzi da 0.5 g, 1.5 g e 2 g circa. Quindi vengonopesati con approssimazione al mg.

2. Si taglia un particolare pezzo di rame in pezzetti da 15 x15 mm, che vengono poi aggiuntinel crogiolo vuoto (precedentemente pesato insieme al coperchio), ricoperti con una mo-desta quantità in eccesso di zolfo in polvere e quindi riscaldati su un treppiede posto nellacredenza per laboratorio, impiegando una fiamma bassa, non luminosa.

3. Quando lo zolfo in eccesso si è completamente volatilizzato, il che si può rilevare dall'as-senza di fiamma o di vapore sulfureo marroncino-giallo, il crogiolo viene chiuso con ilcoperchio e riscaldato fortemente per 2 minuti.

4. Il bruciatore viene ora spento, il crogiolo raffreddato a temperatura ambiente (raffredda-mento ad aria) e quindi pesato.

Teoria

Materiale


Chim

ica

36


Da un esperimento didattico, sono stati ricavati i seguenti valori:

Da questi risultati, si può chiaramente desumere che il rapporto tra la massa di rame e quelladi zolfo è costante, indipendentemente dalla quantità iniziale impiegata. Inoltre, la serie diesperimenti dimostra che, nonostante una certa diffusione nelle misurazioni singole, essa, nelsuo complesso, non presenta ambiguità. I punti sperimentali giacciono su una linea retta cheinterseca l'origine.

Per calcolare la formula empirica, viene impiegata la composizione seguente:


35

Misurazione a g Rame b g Zolfo % Rame % Zolfo a : b(legato)

1 1.162 0.282 80.47 19.53 4.122 1.450 0.370 79.67 20.33 3.923 0.745 0.203 78.58 21.45 3.674 1.715 0.436 79.73 20.27 3.935 1.631 0.441 78.72 21.28 3.706 0.585 0.166 77.90 22.10 3.527 1.408 0.343 80.41 19.59 4.10

1.242 0.320 79.51 20.49 3.88

Cu: 79.51% : 63.54g/mol Õ 1.251 Õ 2S: 20.49% : 32.06g/mol Õ 0.629 Õ 1 formula empirica: Cu2S

Crogiolo senza coperchioSituazione iniziale e durantela reazione

Crogiolo con coperchio al terminedella reazione di riscaldamento/raffreddamento e pesata

3736

Determinazione della massa molaredi gas liquefatto

La determinazione della massa molare di un gas viene effettuata evacuando da un recipienteun volume noto, es.: da una beuta a fondo sferico da 1 l dotata di un rubinetto di arrestolaterale, riempita con il gas in oggetto onde determinare la massa del relativo volume. La conversione del volume ottenuto in base a condizioni standard (condizioni standard TPS:temperatura T = 273°K, pressione p = 1013 mbar) dà la quantità di gas misurata in basealle condizioni standard TPS. In base alla legge generale dei gas, occupa un volume di 22,4 dm3. Ciò consente di ottenere la derivazione semplice della massa molare. Gli esperi-menti seguenti non vengono eseguiti con lo scopo di determinare la massa molare dei gasgenerale, bensì di stabilire quella di un particolare tipo di gas, ovvero di un gas liquefatto. Per raggiungere questo obiettivo, viene impiegato il butano, che viene fornito per il riempimentodi accendini a gas è reperibile in bombolette presso qualsiasi tabaccheria. L'esperimento, da una parte dimostra il metodo di determinazione della massa molare e, dall'altra, è adattocome introduzione alla stechiometria e alle leggi dei gas.

Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g), trogolo pneumatico con cilindroda 1 l quale recipiente di raccolta, pezzetto sottile di tubazione di ammissione, tubo di am-missione, siringa da 100 o 200 ml, supporto morsetto, barometro, termometro, bombolettadi gas liquefatto

Misurazioni con il trogolo pneumatico1. Il recipiente di raccolta è costituito da un cilindro da 1 l, il quale viene riempito con acqua,

chiuso con un tappo di gomma e quindi immerso capovolto, nell'acqua contenuta neltrogolo pneumatico.

2. Il cilindro di misurazione viene ora aperto sott'acqua. In esso, non deve entrare aria.3. Il cilindro di misurazione viene quindi fissato con un morsetto al supporto in modo tale che

tra il bordo del cilindro e il fondo del trogolo vi siano 10 mm circa.4. La bomboletta di gas liquefatto viene pesata.5. Il gas (800–900 ml circa) viene introdotto nel cilindro attraverso il tubo di ammissione,

che è collegato alla bomboletta di gas tramite il pezzetto di tubazione sottile.6. Il gas, nel lasciare il cilindro, si espande e si raffredda, per riscaldarsi quindi fino a

raggiungere la temperatura ambiente. Prima di leggere il volume del gas lasciare passare 5 minuti.

7. Nel contempo, la bomboletta di gas liquido viene ripesata.8. Quindi viene calcolata la quantità di gas che è penetrata nel cilindro.

Teoria

Materiale


Cilindro di misurazione

Tubo (corto)

Bomboletta di gas

Tubo di immissione

Trogolo pneumatico con acqua

Chim

ica

38

In un esperimento condotto mediante il metodo a trogolo pneumatico, vennero introdotti 1.908 g di gas. Il volume misurato fu di 830 ml a 20.5 °C, con una pressione di 998 mbar.

Il volume calcolato in base alle condizioni standard (TPS) è il seguente:

In 753 ml = 0,753 dm3, sono presenti 1.908 g del gas in oggetto.

Quindi, un volume di 22.4 dm3 contiene g = 56.8 g

Il valore sperimentale della massa molare del gas è quindi 56.8 g/mol. Il volume calcolatorelativo al butano (C4H10) è di 58 g/mol. Tenendo presente che si potrebbero calcolare ancheil volume della tubazione e quello del tubo di ammissione, la misurazione offre eccellentirisultati, che vanno oltre le aspettative. Tuttavia, nella valutazione non si è tenuto conto delfatto che il volume del gas è stato misurato «umido», ovvero sopra un'atmosfera di vaporeacqueo. La valutazione dei risultati sperimentali ottenuti mediante la siringa viene eseguita inmodo analogo. La misurazione così ottenuta è anch'essa piuttosto precisa: sono stati ricavativalori di 60.5 e di 60.9 g/mol. La pressione dello stantuffo di vetro sul gas non viene consi-derata.


37

Vo =Vesp. · pesp. · To

po · Tesp.

830 ml · 988 mbar · 273 K1013 mbar · 293.5 K

= 753 ml=

1.908 · 22.40.753

Misurazioni mediante la siringa1. Al supporto viene fissata una siringa da 100 o

da 200 ml in modo tale da consentire unaagevole introduzione del gas nella stessa dallabomboletta.

2. La bomboletta viene pesata, vengono introdotti100 o 200 ml di gas e viene immediatamenteletto il volume (eventuali perdite nella siringainfluiscono sui risultati in modo maggiormentenegativo di quanto non faccia il piccolo erroreche si verifica quando il gas si raffredda fuoriu-scendo dalla bomboletta).

3. Viene ora ripesata la bomboletta e viene calco-lata la quantità di gas che è stata introdotta.

Siringa

Bomboletta di gas

3938

Velocità di evaporazione

L'evaporazione di liquidi o di solidi volatili è un fenomeno associato al moto delle particelle,ovvero alla energia cinetica delle molecole. La velocità di evaporazione dipende da fattoridiversi ma principalmente dalla temperatura istantanea, dalla pressione e dalle forze intermo-lecolari tra le molecole singole e, in parte, dalla massa molare e dalla forma molecolare che,a sua volta, influisce sulle forze intermolecolari. È possibile seguire facilmente l'evaporazionee la sua velocità misurando con una bilancia.

Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g)Recipiente di Petri grande (diametro 80 –120 mm)Liquidi diversi come acetone, etanolo, esano, …

Nel recipiente di Petri, posto sulla bilancia, viene aggiunto il liquido adatto fino a una altezzadi circa 5 mm; quindi, il tutto viene tarato e la massa della quantità evaporata letta ogni 15 s.le misurazioni vengono interrotte dopo 3 minuti. Importante: per tutte le misurazioni, va impiegato lo stesso recipiente di Petri onde assicura-rae un'area di evaporazione costante.

1. I valori misurati vengono tracciati su carta grafica, confrontando il valore della quantità diliquido evaporato con quello del tempo. Da un esperimento condotto a una temperatura di21 °C, impiegando un recipiente di Petri da 90 mm di diametro, si ricavano i valoriseguenti relativi all'acetone:

Teoria

Materiale



Tempo 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 s

Quantità 0 4 8 12 15 19 22 26 30 33 37 mg

Recipiente di Petri con liquido

Bilancia di precisione METTLER TOLEDO

Chim

ica

40

Le velocità di evaporazione dell'etanolo, dell'acetato etilico e dell'acetato butilico sono statedeterminate nello stesso modo.I valori ricavati sono stati i seguenti:

Acetone: 15.0 mg al minuto b.p. 56 °CEtanolo: 3.7 mg al minuto b.p. 78 °CAcetato etilico 6.5 mg al minuto b.p. 77 °CAcetato butilico 1.7 mg al minuto b.p. 126 °C

È difficile interpretare i valori suddetti, in quanto i diversi fattori menzionati nella sezioneteorica concorrono ciascuno in modo e in misura alla formazione dell'insieme. Si tenterà,tuttavia, di giungere a una interpretazione.

1. L'acetone ha la massima velocità di evaporazione. Ovviamente, le forze intermolecolarisono relativamente deboli e ciò trova riscontro nel basso punto di ebollizione dello stessoacetone. Comunque, queste forze risultano inferiori con l'acetone che non con l'etanolo, in quanto quest'ultimo è in grado di formare legami idrogeno intermolecolari che ritardanol'evaporazione.

2. L'evaporazione dell'etanolo si verifica più lentamente che non quella dell'acetato etilico, per quanto la massa molare del primo sia inferiore e i punti di ebollizione siano gli stessi.Nuovamente, la più lenta evaporazione dell'etanolo è probabilmente causata dai legamiidrogeno che si formano sulla sua superficie, che «trattengono» le molecole di evaporazio-ne. Questo fatto non si verifica con l'acetato etilico, in cui operano solo le forze di Van derWaals più deboli.

3. La velocità di evaporazione dell'acetato etilico è maggiore di quella dell'acetato butilico.Questo fatto è correlato con i punti di ebollizione e con le masse molari, nonché con ladimensione molecolare. Nel caso dell'acetato butilico, la sua minore velocità di evapora-zione è probabilmente causata dalle forze di Van der Waals maggiori.

Interpretazione

39

41

Teoria

40

Catalisi omogenea: la dissociazione di H202

Un catalizzatore è una sostanza che inizia o accelera una reazione senza subire variazioni.L'accelerazione della reazione provocata dal catalizzatore è dovuta all'abbassamento dell'energia di attivazione della reazione relativa. La catalisi eterogenea si verifica quando ilcatalizzatore è presente in una fase diversa da quella in cui le sostanze partecipano allareazione, mentre quando il catalizzatore è presente in questa stessa fase, si verifica la catalisiomogenea.La dissociazione di H2O2 è rappresentata dalla equazione:

e può venire catalizzata sia in modo omogeneo che eterogeneo. Come catalizzatori etero-genei, vengono impiegate sostanze quali l'argento, l'ossido di manganese (IV) (MnO2, «piro-lusite»), mentre esempi di catalizzatori omogenei sono la soluzione di ioduro di potassio ouna soluzione di catalisi enzimatica.Negli esperimenti seguenti, vengono esaminati la catalisi omogenea della reazione con lasoluzione di ioduro di potassio e la dipendenza dell'ossigeno sviluppato dal tempo misurato.Variando la quantità del catalizzatore, si è in grado di stabilirne l'influenza sulla reazione,nonché di dedurre il modo in cui la reazione stessa procede. Quindi, se il processo si verificain una singola fase, in base allo schema generale:

R (reagenti) Õ P (prodotti)

la formazione di ossigeno si verifica immediatamente dopo l'aggiunta del catalizzatore. Tuttavia, se il processo viene continuato in due fasi impiegando un composto intermedio, in base allo schema:

R (reagenti) Õ I (composto intermedio) Õ P (prodotti)

l'ossigeno si forma solo dopo che sia trascorso un certo periodo di tempo, il cosiddetto«periodo di induzione».Questa differenza tra i due modelli di reazione può anche venire rilevata in base alla pendenzadella curva dell'esperimento, ottenuta tracciando la relazione tra la massa di ossigenosviluppato e il tempo relativo.

In questi esperimenti, la bilancia non costituisce un mero strumento di pesatura, ma assumela funzione di strumento di misurazione al fine di osservare il processo che si verifica durantela reazione. Naturalmente, i valori sperimentali che si sono ricavati possono anche venirevalutati tramite computer. Nel caso sia disponibile un display ausiliario METTLER TOLEDO, la serie di esperimenti può venire effettuata durante una dimostrazione onde essere quindi util-mente valutata e interpretata con gli studenti.

2 H2O2 2H2O + O2catalizzatore

Chim

ica

42

Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g, con display ausiliario per ladimostrazione),becher da 250 ml, siringa o pipetta graduata 0 –10 ml, bacchetta di vetro,soluzione 1% di H2O2 da 500 ml preparata da poco, soluzione Kl satura, cronometro contempi parziali, carta grafica per la valutazione.

1. Il becher viene tarato sulla bilancia.2. Vengono ora aggiunti 100 g di soluzione 1% di H2O2.3. Tramite una pipetta o una siringa, vengono aggiunti (2.0 ml) di soluzione Kl satura, agitando

quindi brevemente la soluzione con la bacchetta di vetro. Quindi, l'insieme viene ritarato.4. Viene letta ogni 15 s la massa persa di ossigeno sviluppato e vengono annotati i valori

sperimentali. Dopo 5–6 minuti, le misurazioni possono venire interrotte.5. Viene eseguita una ulteriore serie di misurazioni con soluzione Kl da 4.0 ml e da 8.0 ml,

effettuandone eventualmente altre con soluzione Kl da 3.0 ml e da 9.0 ml. Non si devonoimpiegare quantità maggiori di catalizzatore, in quanto l'aumento del volume totale dellasoluzione di reazione produrrebbe un effetto di diluizione. Questo effetto deve esserecompensato quando si eseguono i calcoli, mentre con le concentrazioni di catalizzatoresopraindicate non è necessario effettuare una successiva riconciliazione.

6. Vengono tracciati graficamente i valori di massa ricavati in relazione al tempo.

Nota: se il tempo è insufficiente (per esempio quando le misurazioni vengono eseguite comeesperimento dimostrativo) e richiede una reazione rapida, l'intera serie di esperimenti puòanche venire effettuata con 50 ml 3% H2O2 impiegando, come catalizzatore, soluzioni Kl da0.75 ml, da 1.5 ml e da 3.0 ml. Pur essendo soggetti a un certo margine d'errore, poiché lesoluzioni vengono leggermente scaldate dal processo esotermico, i valori sperimentali risul-tano tuttavia abbastanza precisi per eseguire una valutazione.

In una serie di esperimenti in cui sono stati impiegati 100 ml di H2O2 all'1%, da poco prepa-rato, con un catalizzatore costituito da soluzioni Kl sature da 2.0 ml, da 4.0 ml o da 8.0 ml,a una temperatura T = 21°C, sono stati ricavati i valori seguenti:

Materiale



41

4342

Dai presenti risultati sperimentali e dal grafico, si possono trarre le seguenti deduzioni:1. La reazione in esame non si verifica in una, bensì in due fasi, in base allo schema:

R (reagenti) Õ I (composto intermedio) Õ P (prodotti)

2. Le velocità di reazione ottenute quando le pendenze delle linee L1, L2 e L3 vengono stabiliteai punti di flesso delle rispettive curve sono proporzionali alla quantità di catalizzatore.

Pendenza L1: velocità di reazione v1 ≈ 40 mg O2 per minutoPendenza L2: velocità di reazione v2 ≈ 80 mg O2 per minutoPendenza L3: velocità di reazione v3 ≈ 120 mg O2 per minuto

Nelle reazioni enzimatiche, viene spesso osservato un comportamento simile. La presente reazione può servire come modello per tali reazioni.

3. Diminuendo la concentrazione del catalizzatore, non solo viene ridotto il tempo di reazione,ma viene anche ritardato l'inizio dell'emissione dell'ossigeno. Il tempo di induzione dellareazione è chiaramente maggiore.

Interpretazione

mg O2

100

400

300

200

60 120 180 240 s

60 s

60 s

60 s

160 mg

80 mg

40 mg

G3

G2

G1

Chim

ica

44

Tramite il profilo della reazione, è possibile spiegare i fatti seguenti: nella prima fase di reazione, gli ioni iodio e di H2O2 reagiscono per formare ioni ipoiodosi.

i quali reagiscono ulteriormente, con una seconda molecola di HO2, ad acqua, ossigeno eioni di ioduro:

I diodi di ioduro formati nella seconda fase di reazione sono disponibili per la prima fase.Poiché entrambe le fasi della singola reazione procedono molto più rapidamente della rea-zione complessiva senza l'aggiunta di ioduro, gli ioni di ioduro sviluppano un effetto cataliz-zatore sulla formazione di IO– intermedio (ipoiodato), diminuendo l'energia di attivazionedella dissociazione di H2O2 in acqua e in ossigeno.

Subito dopo l'aggiunta di iodio, si verifica una seconda reazione, parallela alla reazionesopramenzionata, la quale raggiunge rapidamente l'equilibrio e quindi cessa. A questo punto,l'ossigeno che si è formato ossida lo ioduro, portandolo allo stadio di iodio elementare:

La formazione di colore giallo nella mistura di reazione indica che la formazione di iodioelementare è avvenuta. Dall'acqua si sviluppano gli ioni H30+:

Poiché nella formazione di ioduro gli ioni H30+ vengono consumati, la loro concentrazioneviene diminuita rapidamente, ponendo termine alla formazione di iodio una volta raggiunta laconcentrazione di equilibrio. Questa reazione parallela non influisce in alcun modo sullavalutazione dei presenti risultati sperimentali.

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I– + H2O2 Õ IO– + H2O,

IO–+ H2O2 Õ I– + H2O + O2.

2 H3O+ + 2 I– + [O] 3 H2O + I2ÕÕ

2 H2O H3O+ + OH–ÕÕNota

45

Biol

ogia La traspirazione nelle piante

– Rilevamento della perdita d'acqua attraverso la foglia della pianta– Dipendenza della traspirazione dall'ecotipo di pianta e dalle condizioni ambientali– Dipendenza della traspirazione dall'ampiezza e dall'espansione degli apparati stomatici

Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g)Beute coniche con collo stretto, 100 o 200 mlTappi con foroCotone idrofiloOlio di paraffina (possibilmente colorato con colorante lipofilo)Lampada da tavoloAsciugacapelliImpiegando bilance sensibili e desiderando intervalli di misurazione brevi, si consiglia dicostruire un tunnel frangivento di plexiglass (reperibile già tagliato in base alla dimensionedesiderata e facilmente incollabile mediante un collante adatto)Materiale vegetale: durante il periodo estivo, vi sono varie possibilità. Tuttavia, il minimo indi-spensabile consiste in un ramo di pianta proveniente da luogo asciutto e caldo e in un altroramo di pianta proveniente da luogo umido. I tipi seguenti sono facilmente reperibili tutto l'anno:– tasso (sono adatte anche altre conifere)– specie viburno sempreverde (Viburnum rhytidophyllum, V. fragrans)– specie salice sempreverde (se., Cotoneaster salicifolius)– alloro (Prunus laurocerasus, estremamente adatto per la preparazione di sezioni sottili per

l'esame al microscopio– agrifoglio– oleandro

Riempire la beuta con acqua, quindi inserire il ramo tagliato di recente. Mediante una pipetta,aggiungere sulla superficie dell'acqua un po' d'olio di paraffina (per impedire evaporazionediretta); per mantenere il ramo in una posizione diritta, non obbligata, impiegare un tappocon foro o cotone idrofilo oppure una combinazione di questi.

A intervalli di tempo appropriati (in base alla sensibilità della bilancia e alla dimensione e altipo del ramo) pesare il ramo condizionato e quindi preparare una tabella dei valori.

La perdita in peso dipende principalmente dall'area della foglia impiegata, dal tempo edall'umidità atmosferica relativi. Risulta quindi utile calcolare la quantità d'acqua traspirataper ogni cm2 di area di foglia al minuto. Rimane ora da determinare l'area della foglia nelmodo seguente:– porre le foglie su un foglio di carta fisso– tracciarne il contorno con una matita– ritagliare lungo lo stesso e determinarne il pesoViene determinato anche il peso di un'area campione, ad esempio di 100 cm2.

Obiettivi

Materiale



Valutazione

Biol

ogia

4646

Esempio:Ramo di pelargonio Tempo Peso con ramo Differenza

e acqua peso

0 min 108.187 g –5 min 108.135 g 52 mg

65 min 107.585 g 550 mg

Peso dell'area della foglia di carta: 2.927 gPeso dell'area campione di carta: 1.172 g (100 cm2)

Traspirazione specifica = perdita peso per cm2/minuto

= 0.0370 mg/cm–2/min–1

La procedura viene semplificata rapportando la perdita d'acqua alla massa vegetale (quantitàtraspirata per g di peso fresco al minuto). Tramite questo procedimento, è possibile compararepiù rapidamente piante diverse l'una con l'altra.

I rami mantenuti in un luogo buio vengono pesati rapidamente sulla bilancia. Quando gliapparati stomatici si aprono, si verifica un aumento della traspirazione.Viene determinata la traspirazione specifica di piante diverse e, a questa operazione, è possibile abbinare sezioni di foglia microscopiche.Impiegando le medesime piante, le condizioni ambientali possono venire variate:– aria umida (mediante campana di vetro foderata con carta assorbente o coprendo il tunnel

frangivento sopramenzionato)– aria secca (ambiente)– aria calda (mediante lampada di riscaldamento)– aria mobile (mediante asciugacapelli)

Subito dopo essere stati tagliati, i rami vanno immersi in acqua e possibilmente intagliatinuovamente sott'acqua. I rami vanno raccolti quando la pianta è ben rifornita d'acqua,altrimenti essi assorbiranno acqua ma, all'inizio dell'esperimento, quando gli apparati stoma-tici sono chiusi, non traspireranno e, di conseguenza, la perdita in peso risulterà minima.Questo inconveniente può essere evitato preparando le piante alcune ore prima di iniziarel'esperimento.

Estensione dell'esperimento

Osservazioni conclusive

Area foglia in cm2: · 100 = 250 cm2

perdita pesotempo · area foglia

60265 · 250

= =

peso area foglia di cartapeso area campione

47

Assorbimento di vapore acqueo nei licheni

Questo esperimento può venire effettuato per mostrare in che modo le piante assorbanoacqua da aria umida e perché gli alberi, in luoghi soggetti a nebbie fitte e nei quali l'aria (non inquinata, possibilmente!) sia umida, registrino una forte crescita di licheni.

Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g)Recipiente di Petri (a parete alta), diametro 120 mmRecipiente di Petri o coperchio di plastica di circa 60 mm di diametroFiltro di cartaLicheni fruttosi o frondosi essiccati all'aria (es., specie Pseudoevernia furfuracea, cetraria estereocaulon)

Viene preparata la camera umida in base al disegno.

A questo punto, si pesa accuratamente un tallo liche-nico di dimensioni adatte, essiccato all'aria e quindi losi pone nella camera umida, ben chiusa. Dopo 30 mi-nuti, lo si ripesa (rapidamente!) e lo si ripone nellacamera umida stessa.Inizialmente, le pesature vanno ripetute ogni 30 minutie quindi continuate a intervalli di tempo più lunghi finoa che non si verifichi alcuna variazione di peso.

Le linee del grafico seguente indicano la dipendenza dell'assorbimento d'acqua dal tempo:

Nella camera umida, sul tallo lichenico, si forma una condensazione d'acqua, che viene,nella fase iniziale, rapidamente assorbita nei vuoti pieni d'aria presenti nel tallo lichenicosecco (aumento ripido nella curva). Susseguentemente, le pareti del filamento fungoso siingrossano fino a che non siano completamente sature d'acqua (debole aumento nellacurva). Il tallo lichenico, inizialmente fragile e friabile, assorbendo acqua diventa soffice eelastico.

Obiettivi

Materiale


Valutazione

47

Biol

ogia

4848

Assorbimento e perdita d'acqua nei muschi

L'assorbimento d'acqua dal suolo da parte dei muschi è insignificante. Principalmente, essiassorbono l'acqua da pioggia, da rugiada, da nebbia e da vapore acqueo. Gli esperimenti,oltre a fungere da introduzione ai problemi fisiologici e anatomici che si incontrano con imuschi, indicano le quantità d'acqua significative assorbite dagli stessi e chiariscono perchéqueste piante rivestano in tal modo notevole importanza nei diversi ecosistemi. In questosenso, è illuminante il raffronto tra fabbisogno idrico dei muschi e piante vascolifere.

Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g)Bacinelle di vetroCarta assorbenteMuschi diversi (es., Polytrichum, Leucobryum, Sphagnum)

Si pesa un cuscino di muschio essiccato all'aria; lo si immerge poi completamente in unabacinella di vetro riempita d'acqua. Lo si estrae dall'acqua, dapprima a intervalli di tempobrevi e quindi progressivamente più lunghi, e lo si libera, scuotendolo brevemente, da even-tuale acqua che vi aderisca. Quindi, lo si asciuga, premendolo leggermente sulla carta assor-bente e infine lo si pesa. Il massimo assorbimento d'acqua viene raggiunto quando cessanole variazioni di peso.

Questa valutazione può essere eseguita in base allo schema seguente:

In condizioni di laboratorio, si riscontrano valori estremi. Nell'habitat naturale, la massimaritenzione d'acqua viene raggiunta solo momentaneamente durante forti precipitazioni.A questo punto, non si dovrebbe perdere l'occasione di mostrare al microscopio le celluled'acqua dello Sphagnum e del Leucobryum. A questo proposito, confrontare con STEINECKE e AUGE (1963).

I muschi saturi d'acqua possono inoltre venire utilizzati per misurare la perdita d'acqua. Sipone il cuscino di muschio su un supporto asciutto, quindi, in un arco di tempo di parecchieore (molti giorni) lo si esamina ad intervalli. Gli autori summenzionati descrivono inoltreesperimenti sulla conduzione idrica dei muschi.Per scopi comparativi, si possono compiere ricerche, seguendo lo stesso metodo, sull'assor-bimento e sulla perdita d'acqua da parte di funghi e licheni.

Obiettivi

Materiale


Valutazione

Estensione dell'esperimento

49

Contenuto d'acqua e di cenere di organi vegetali diversi

Gli esperimenti sono adatti per l'istruzione di gruppo e per il raggiungimento degli obiettivididattici seguenti:– osservazioni dell'interno della composizione materiale del corpo vegetale– familiarizzazione con metodi analitici– illustrazione dei concetti di peso fresco, peso secco, contenuto d'acqua, sostanze organi-

che e inorganiche e contenuto di ceneriGli studenti devono avere acquisito familiarità con gli argomenti seguenti: assorbimento disale minerale e d'acqua, fotosintesi, nonché conoscere la chimica di base.

Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g)Recipiente di Petri o becherBacinelle di porcellanaArmadio di essicazioneBruciatore Bunsen con treppiede, triangolo di porcellana, bacchetta di vetro o di magnesia,possibilmente un forno a muffolaMateriale vegetale come foglie, bulbi o tuberi, radici, frutta

La procedura tecnica viene discussa in base allo schema seguente:

Il materiale vegetale, che deve essere il più fresco possibile, viene pesato e quindi posto rapi-damente nell'armadietto di essiccazione, dove viene fatto essiccare, prima per 10 minuti auna temperatura di 105°C (distruzione rapida del tessuto per evitare perdite di respirazione) equindi fino a 80°C fino a raggiungere il peso costante (1–2 g). Non si è utilizzato il metododella temperatura di essiccazione costante di 105 °C principalmente perché, a questa tempe-ratura, le sostanze vegetali diverse (es.: le essenze) si volatilizzano o subiscono una decom-posizione termica. Viene ora eseguita la determinazione del peso secco.Se è disponibile un forno a muffola, il materiale vegetale essiccato viene ridotto in cenere acirca 500°C. Se non è disponibile, questa operazione viene eseguita tramite una bacinella diporcellana posta sotto il bruciatore bunsen, incominciando con una fiamma leggera, perriscaldare in seguito con una fiamma potente, e agitando di tanto in tanto il materiale di car-bonizzazione. Al termine di questa fase, per rimuovere gruppi di particelle di carbone, il mate-riale viene lasciato raffreddare e poi inumidito con alcune gocce d'alcool. Quindi i gruppi diparticelle vengono polverizzati e infine il tutto viene riscaldato.La cenere residua viene pesata.

Obiettivi, precondizioni

Materiale


49

Biol

ogia

5050

Il contenuto d'acqua viene determinato in base alla formula: contenuto d'acqua = peso fresco – peso secco.

Il contenuto di ceneri viene espresso in % di peso fresco e di peso secco. La tabella seguentepuò servire come base:

Eseguendo l'esperimento durante un corso pratico, deve essere compresa una discussionesulle eventuali fonti d'errore nella valutazione.

– Analisi qualitativa della cenere– Ricerca su tipi di foglia diversi (verde estivo, sempreverde, succulente)– Foglie all'ombra e al sole, ad altezze diverse, esposte al vento o protette dallo stesso

di una medesima specie di pianta.

Valutazione

Possibilità ulteriori

51

Fermentazione alcolica

Durante la fermentazione alcolica, si sviluppa anidride carbonica. Il substrato di fermentazionediventa più leggero e questo fatto è facilmente rilevabile con una bilancia. Mantenendocostanti le condizioni esterne, lo sviluppo di anidride carbonica per unità di tempo corrispondea una misura dell'attività metabolica del fungo di lievito. Modificando l'esperimento di base, si possono ricercare gli effetti dei diversi fattori esterni sull'attività di fermentazione. Il problemaessenziale è sempre lo stesso: determinare tramite la pesatura la dipendenza del peso daltempo.Livello di conoscenza richiesto agli studenti: respirazione e fermentazione: evoluzione, signifi-cato e eventi chimici nel campo delle formule empiriche. Eseguendo gli esperimenti in uncorso pratico, gli studenti stessi possono programmare le serie diverse e quindi eseguirle.Nell'istruzione in aula, durante una lezione di 45 minuti, è possibile, impiegando una primabeuta in aula, una seconda nel forno di essiccazione e una terza nel frigorifero, dimostrare ladipendenza dalla temperatura. Non è possibile, tuttavia, ottenere una curva di fermentazionecompleta.

Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g)Lievito pressatoGlucosioBeuta conica da 100 ml dotata di tappo con un foro traforato e riempita con cotone idrofilodisposto in modo irregolareForno di essiccazione e frigorifero. Se necessario, bagno d'acqua o termolampade

Nella beuta conica vengono aggiunti acqua di rubinetto (90 ml) e 10 g di lievito pressato.Questo entra in sospensione mescolando e agitando. Subito prima di iniziare l'esperimento edopo che la sospensione abbia raggiunto la temperatura di reazione desiderata, vengonoaggiunti 5 g di glucosio. Viene quindi eseguita la prima pesatura (con tappo), dopo 10 minutila seconda, dopo 20 minuti la terza, ecc.. Dopo ogni pesatura, la sospensione va agitataaccuratamente. Se durante una doppia lezio-ne sono necessarie curve di fermentazionetipiche, è essenziale operare alla temperaturaottimale di 35 °C.È importante che la sospensione vengaagitata uniformemente e almeno dopo ognipesatura.Se l'esperimento viene condotto a tempera-tura ambiente, è consigliabile l'impiego di unmescolatore magnetico.

La valutazione è effettuata usando il metodomostrato nell'esempio sotto. I valori sonostati ricavati a temperatura ambiente (19 °C).si mostra così cosa si può fare nel campodell'attività di fermentazione con apparec-chiature molto semplici.

Obiettivi e formulazione del problema

Materiale


Valutazione

51

Biol

ogia

5252

Dopo un inizio lento (fase di induzione), la reazione si accelera per procedere quindi a unavelocità costante, che diminuisce proporzionalmente alla riduzione del contenuto di zucchero.La reazione completa richiede parecchie ore.A 35 °C, è possibile ottenere una curva leggermente a «S» entro 90 minuti.Il rendimento di CO2, ottenuto impiegando una determinata quantità di zucchero, viene calco-lato stechiometricamente (48.8%). Di conseguenza, nel nostro esperimento, si dovrebberosviluppare 2.44 g di anidride carbonica (va tenuto presente, tuttavia, che una parte del mate-riale di lievito pressato consiste di sostanze fermentabili).

È possibile stabilire la dipendenza dell'attività di fermentazione dai seguenti fattori:– dalla temperatura

es.: nel campo 0 – 60 °C, con determinazione della temperatura ottimale. A questo punto,viene dimostrata anche la regola che governa la dipendenza della velocità di reazione dallatemperatura.

– dalla quantità di cellule di lievito o dalla quantità di enzimiEsperimenti con quantità diverse di lievito, per esempio, da 2 a 20 g

– dalla quantità di zuccheroPer esempio, esperimenti con 2,5, 5, 10 e 20 g di zucchero

– dal tipo di zucchero– dal valore di pH

Da fosfato di sodio e da fosfato diidrogenato di sodio vengono preparate soluzioni tamponediverse e viene rilevato il valore di pH relativo. Il valore ottimale si trova nel campo di deboleacidità.

– dall'agitazioneIn quale misura un'agitazione o miscelazione accurata promuove l'attività di fermentazione?

– da nutrientiEffetto dell'estratto di carne, di solfato di ammonio e di fosfato diidrogenato di potassio nelsubstrato.

– da conservanti e disinfettantiPer esempio, si può controllare l'acido sorbico conservante, aggiunto sotto forma di sorbatodi potassio in quantità varie (100, 250, 500, 1000 e 2000 mg).

Per ottenere dei risultati comparabili, vanno osservate le seguenti regole:– In tutti gli esperimenti, va impiegato lo stesso tipo di lievito e questo deve essere fresco.– Per evitare urti che potrebbero influire negativamente sui risultati sperimentali, le beute

coniche vanno sempre raccolte, trasportate e disposte attentamente.– Conducendo gli esperimenti a temperature diverse, le pesature vanno eseguite il più rapida-

mente possibile al fine di mantenere il raffreddamento o il riscaldamento entro limitiaccettabili.

Possibilità ulteriori

Osservazioni conclusive

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