Riassunto / Abstract

L’esperienza propone l’osservazione di alcune proprietà caratteristiche del biossido di carbonio. Questo gas, facilmente ottenibile  per reazione tra bicarbonato di sodio ed aceto, ha la proprietà di non essere comburente né combustibile e quindi soffoca le fiamme. Inoltre, la sua densità è superiore a quella dell’aria e dunque si stratifica sempre in basso, al punto tale che può essere “versata” in un bicchiere per spegnere una fiamma (come un estintore).

Scheda sintetica delle attività

• Si mette a reagire una certa quantità di bicarbonato di sodio con l’aceto e si fa raccogliere l’anidride carbonica prodotta in un palloncino.
• Si trasferisce l’anidride carbonica raccolta dal palloncino in un bicchiere.
• Si utilizza l’anidride carbonica nel bicchiere come un estintore, per spegnere una candela.
• Si stimola una discussione per spiegare i fenomeni osservati.

Risorse necessarie

• Aceto;
• bicarbonato;
• due becher (o bicchieri di vetro);
• un palloncino di gomma;
• una spatolina;
• una piccola beuta (o una bottiglietta);
• una candela.

Prerequisiti necessari

• Modello particellare della materia (per interpretare il comportamento dei gas);
• concetto di densità (per interpretare correttamente la stratificazione dei corpi fluidi non turbolenti);
• saper decodificare il linguaggio formale di un’equazione chimica (per comprendere l’origine dello sviluppo di \(CO_2\)   e  per comprendere formalmente il decorso tipico di una reazione di combustione).

Obiettivi di apprendimento

• Capacità di interpretare fenomeni della realtà individuando relazioni di causa – effetto;
• osservare gli effetti di una reazione con sviluppo di gas;
• verificare le proprietà non comburenti del biossido di carbonio;
• verificare che la densità del biossido di carbonio è maggiore di quella dell’aria.

Dotazioni di sicurezza

Si utilizza una candela del tipo tea-light, che presuppone comunque una fiamma libera anche se di modesta energia: adottare le opportune precauzioni.

Svolgimento

RACCOLTA DELL’ANIDRIDE CARBONICA

1. Versare l’aceto nella bottiglietta;
2. introdurre il bicarbonato nel palloncino;
3. agganciare il palloncino su collo della bottiglietta;
4. far cadere il bicarbonato sollevando il palloncino;
5. aspettare il termine della reazione.

TRAVASO DELL’ANIDRIDE CARBONICA

1. Accendere la candela in un bicchiere;
2. togliere il palloncino, facendo attenzione a non far uscire il gas raccolto al suo interno;
3. svuotare lentamente il contenuto del palloncino nell’altro bicchiere (vuoto), coprendone con una mano l’imboccatura al fine di evitare turbolenze d’aria durante il travaso.                                                                                                                                                                                    Figura 1: travaso dell’anidride carbonica.                                                                                                                                 

ESTINTORE IN AZIONE 

Il becher che contiene la \(CO_2\) travasata può anche essere “lasciato” per qualche minuto senza copertura della mano o di altri ripari (in questo modo gli studenti subiranno con maggior efficacia l’inganno che nel becher non ci sia nulla da contenere).
Nel frattempo è opportuno dimostrare  che nessun bicchiere realmente “vuoto” (ovvero pieno soltanto di aria) sarebbe mai capace di agire da “estintore” : si esegue la prova “versando” il contenuto di aria di un becher vuoto sulla candela accesa (ovviamente la fiamma non si spegne). Questa prova costituisce una sorta di “bianco”, rispetto al quale valutare il comportamento del becher in cui invece è stato svuotato il contenuto del palloncino.

Versare a questo punto il contenuto gassoso del becher-estintore sulla candela ed osservare quanto avviene: la fiamma si spegne istantaneamente appena si rovescia l’anidride carbonica (figura 2).

DISCUSSIONE/INTERPRETAZIONE DEL FENOMENO

L’anidride carbonica si sviluppa istantaneamente dal contatto tra i reagenti (bicarbonato di sodio ed acido acetico) secondo l’equazione:

\[NaHCO_3\ (s) + CH_3COOH\ (aq) \longleftrightarrow  CH_3COONa\ (aq) + H_2O\ (liq) + CO_2\ (g)\]
Si tratta di reazione tra un acido debole e una base debole in un sistema chiuso in cui l’elasticità del palloncino permette una certa espansione del gas che si forma.

Le proprietà elastiche del materiale polimerico del palloncino influenzano notevolmente la capacità del sistema di mantenersi a pressione costante (pressione interna = pressione esterna) e in ultima analisi la pressione interna è sempre un po’ maggiore di quella esterna a causa della resistenza del materiale alla dilatazione.

La densità di un gas è ovviamente funzione della pressione e della temperatura.
In condizioni normali (T= 0°C, P= 1013,25 mbar o 760 Torr) si ha:
d(CO2) = 1,9768 g/l (44 g per 22,263 litri)
d(aria) = 1,2929 g/l (in media, con variazioni fra 1,2927 e 1,2933)
questo giustifica la spiccata tendenza della \(CO_2\) a diffondere verso il basso e, in assenza di turbolenze, a stratificarsi sotto la miscela “aria” che farà da “tappo”.
Al punto tale che, una volta versata in un bicchiere, la \(CO_2\) difficilmente ne uscirà specialmente se si evita ventilazione; durante il travaso sopra la candela, la \(CO_2\) vi cade per gravità e impedisce all’ossigeno di fluire liberamente allo stoppino acceso. In mancanza di comburente, la reazione di combustione della paraffina (cera) si interrompe e la fiamma si spegne.

La \(CO_2\) è infatti incapace di comportarsi da comburente in quanto è molto stabile e l’ossigeno è fortemente legato al carbonio (con doppio legame); non può neanche comportarsi da combustibile in quanto il carbonio è già al suo massimo numero di ossidazione.

L’esperienza permette con una certa efficacia di dimostrare che anche la materia che è invisibile è caratterizzata da proprietà chimico-fisiche che possono comunque rivelarsi nelle interazioni con altri sistemi materiali.

Autori

Storti Roberta

Specifiche esperimento Materia Chimica Classi a cui è rivolto 1° biennio Tipologia di laboratorio Povero Reperibilità del materiale Uso quotidiano, negozi specializzati, siti web Materiale specifico Aceto, bicarbonato, bicchieri di vetro, palloncino di gomma, candela Durata esperimento in classe 1 h Capacità di bricolage/assemblaggio No Necessità lavorazioni meccaniche/elettroniche No Necessità PC per acqusizione/analisi dati No Necessità di uno smartphone No Parole chiave Chimica Reattività delle molecole Acidi e basi Combustione