“Osservare" la chimica in 5 reazioni

“Osservare" la chimica in 5 reazioni

Nel 1938 Roy Plunkett stava lavorando a dei sostituti non tossici per gas frigoriferi quando si accorse che il gas tetrafluoroetilene $\text{C}$$_2\text{F}$$_4$, che aveva prodotto e stoccato nelle bombole, non si era conservato come gas ma si era trasformato in un solido ceroso. Dopo un’attenta analisi del fenomeno, si capì che quella sostanza solida era politetrafluoroetilene, poi resa nota con il nome commerciale di Teflon, uno dei polimeri più venduti al mondo.
“La serendipità”, o felice sfortuna, è la capacità di cogliere e interpretare correttamente un fatto rilevante che si presenti in modo inatteso e casuale ed ha avuto risvolti sensazionali nelle scoperte in campo chimico. Ora, non tutte le attente osservazioni in ambito scientifico potranno portare a risultati eccezionali come quelli di Plunkett, ma l’osservazione è una pratica fondamentale per chiunque approcci questa disciplina.
Ecco allora cinque semplici esperimenti che possono aiutare allieve e allievi a comprendere su quali aspetti concentrare la loro attenzione, a capire come e che cosa osservare, dal momento che anche l’osservazione è una competenza che va sviluppata ed esercitata.

N. B. Per motivi di sicurezza, di alcuni esperimenti si suggerisce la sola visione del video

Attività 1: La durata di una reazione

Esperimento: Reazione acido-base: L’uovo soffice
Materiali: un uovo; aceto di vino; bicchiere di vetro.
Procedura:
1. Inserire l’uovo nel bicchiere
2. Riempire il bicchiere con l’aceto ed esaminare dopo 12h (reazione lenta)
Risultato:
Il guscio dell’uovo risulta quasi interamente disciolto rendendo l’uovo soffice e gommoso.

La reazione dell’uovo soffice, nella quale l’aceto scioglie il bicarbonato di calcio contenuto nel guscio d’uovo, è molto lenta (12h) ma aiuta, attraverso un’osservazione periodica dell’esperimento, a comprendere il processo che sta avvenendo.
Che cosa osservare? L’aceto è una sostanza acida, quindi è in grado di dissolvere (dissociare, decomporre) diverse sostanze, come il carbonato di calcio contenuto nel guscio d’uovo che è invece basico. La decomposizione produce anidride carbonica e si formano bolle nel bicchiere:

$\text{CaCO}$$_3+2\text{CH}$$_3\text{COOH}$$\rightarrow$$\text{Ca(CH}$$_3\text{COO)}$$_2+\text{CO}$$_2\text{(gas)}+\text{H}$$_2\text{O}$

Attività 2: I fenomeni si osservano solo con gli occhi?

La combustione è una reazione che coinvolge molti sensi: vista (il colore della fiamma e del prodotto di reazione), olfatto (l’odore prodotto), tatto (il calore della reazione e la consistenza del prodotto di reazione). Proviamo a osservare che cosa succede a un coltello posto al centro di una fiamma di una candela.

Esperimento: Combustione: fuliggine
Materiali: una candela; un accendino; un coltello
Procedura:
Accendere la candela.
Porre la lama del coltello al centro della fiamma per qualche secondo.
Risultato:
La lama diventa nera.

La reazione in questo caso è molto veloce, ma il risultato non necessariamente ovvio! Da dove viene quella polvere nera? Utilizziamo tutte le percezioni sensoriali: la lama si annerisce a causa della fiamma (vista); la combustione produce un odore tipico della cera ma il prodotto sulla lama sembra emanare un odore simile alla cenere (olfatto); toccando il prodotto depositato sulla lama ci accorgiamo avere una consistenza “polverosa” (tatto). Le piccolissime particelle di carbonio, formatesi a causa della combustione incompleta della paraffina di cui è fatta la candela, ricoprono gradualmente la lama, annerendola. Quindi l’osservazione del processo attraverso diversi sensi permette di identificare il prodotto, in questo caso fuliggine.

$2\text{C}$$_{18}\text{H}$$_{38}\left(\text{paraffina}\right)+55\text{O}$$_2\rightarrow 36\text{CO}$$_2+38\text{H}$$_2\text{O}$

Attività 3: Analizzare la formazione di prodotti di reazione dal cambiamento di colore (esclusivamente digitale)

In moltissime reazioni chimiche i colori e i cambiamenti di colore giocano un ruolo fondamentale. Se si pone una monetina di rame (meglio se un po’ ossidata, osservando bene la differenza) in ammoniaca liquida, la moneta cambia colore. La patina presente sulle monete di rame è costituita infatti da ossidi formati per reazione con l’ossigeno nell’aria. Questi ossidi a contatto con l’ammoniaca formano un composto complesso di colore blu, a causa della presenza di ioni rame liberi.

$2\text{Cu}+8\text{NH}$$_3+2\text{H}$$_2\text{O}+\text{O}$$_2\rightarrow2$$\text{[Cu(NH}$$_3\text{)}$$_4\text{](OH)}$$_2$

Esperimento: Chimica colorata delle monetine: rame blu
Materiali: ammoniaca liquida (prodotto per la pulizia del bagno, da far usare a un adulto); una moneta di rame.
Procedura:
Prendere la moneta di rame (più imbrunita è meglio è) e immergerla nell’ammoniaca liquida.
Risultato:
La soluzione diventa di colore blu all’istante o dopo qualche minuto, in base all’opacità della moneta.

Attività 4: Reazioni che danno prodotti gassosi sono “osservabili”

Anche osservare reazioni che non sviluppano un prodotto “visibile” o “tangibile” possono essere utili per comprendere per esempio le proprietà dei gas. Mischiando del bicarbonato di sodio con aceto, si ottiene l’acido carbonico, poco stabile, che immediatamente decompone in acqua e anidride carbonica che, in contatto con un fiammifero acceso, riduce la quantità di ossigeno richiesto per la combustione, spegnendolo.

$\text{NaHCO}$$_3+\text{CH}$$_3\text{COOH}\rightarrow \text{CH}$$_3\text{COONa}+\text{H}$$_2\text{O}+\text{CO}$$_2\left( \text{gas}\right)$

Esperimento: Rilascio di anidride carbonica
Materiali: bicarbonato di sodio; aceto; acqua; bicchiere di vetro; fiammifero;
Procedura:
1. Riempire il bicchiere per 1/3 di acqua.
2. Aggiungere un cucchiaio di bicarbonato e un po’ di aceto.
3. Accendere il fiammifero e lentamente inserirlo nel bicchiere, senza toccare la miscela.
Risultato:
Il fiammifero si spegne.

Attività 5: Una reazione può coinvolgere diversi stadi (esclusivamente digitale)

Ogni reazione chimica che si rispetti deve avere qualcosa di spettacolare! A volte ciò che sembra essere basato su un solo tipo di trasformazione (combustione), può coinvolgere diverse reazioni concomitanti o in successione, che contribuiscono al processo globale.
Si può imparare a identificare i vari stadi di reazione grazie al “serpente di zucchero”. La reazione del serpente di zucchero è data dalla combustione del bicarbonato di sodio e dello zucchero, e produce anidride carbonica, vapore acqueo e carbonato di sodio. La pressione creata dall’anidride carbonica spinge il carbonato di sodio, creando un “serpente di carbonio”. Questa reazione è un esempio di disidratazione di uno zucchero.

1) $2\text{NaHCO}$$_3\rightarrow \text{Na}$$_2\text{CO}$$_3+\text{H}$$_2\text{O}\left( \text{gas}\right)+\text{CO}$$_2\left( \text{gas}\right)$

2) $\text{C}$$_{12}\text{H}$$_{22}\text{O}$$_{11}+12\text{O}$$_2\left(\text{gas}\right)\rightarrow 12\text{CO}$$_2\left( \text{gas}\right)+11\text{H}$$_2\text{O}\left(\text{gas}\right)$

3) $\text{C}$$_{12}\text{H}$$_{22}\text{O}$$_{11}\rightarrow12\text{C}+11\text{H}$$_2\text{O}\left( \text{gas}\right)$

Quindi la combustione del bicarbonato di sodio (1) (osservabile: effervescenza, formazione di $\text{CO}$$_2$) e la combustione dello zucchero (2) (osservabile: formazione ed espansione del “serpente” di carbone) insieme contribuiscono al processo globale, la disidratazione dello zucchero (3).

Esperimento: Serpente di zucchero (serpente nero)
Materiali:
– 40 g di zucchero;
– 10 g di bicarbonato di sodio;
– Liquido per accendini;
– Accendino
– Piccolo contenitore non in plastica;
– Sabbia;
Procedura:
1. Prendere della sabbia e disporla nel contenitore.
2. Bagnare la sabbia con il liquido per accendini.
3. Disporre la miscela di zucchero e bicarbonato di sodio sulla sabbia.
4. Accendere la miscela (preferibilmente con un accendino lungo).
Risultato:
La combustione produce un “serpente di zucchero” che fuoriesce dalla sabbia

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