Con questa esperienza si vuole dimostrare che ad un gradiente di concentrazione corrisponde anche un gradiente di densità. Il fenomeno può essere sfruttato per ottenere la stratificazione di porzioni di liquidi colorati a densità decrescente in una provetta, con un effetto multicolor (“arcobaleno”). La capacità di correlazione tra concentrazione, densità e stratificazione consente poi di mettere gli studenti alla prova in un’attività di problem solving: stimare la concentrazione incognita di una soluzione per progettare un nuovo “arcobaleno” in provetta.
L’esperienza offre l’occasione per introdurre o approfondire il concetto di densità e quindi può essere proposta sia in una classe seconda sia una classe terza.
Questo esperimento è presente anche per la scuola secondaria di II grado: Arcobaleno in provetta
Scheda esperimento
| Classi | 2° anno/3° anno |
| Tipologia | Strumentazione semplice |
| Durata | 3 h |
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Scheda sintetica delle attività
Il lavoro richiede la collaborazione di almeno cinque gruppi di lavoro e si divide in tre parti.
Prima parte: preparazione delle soluzioni a concentrazione nota
Si preparano volumi uguali di soluzioni a diversa concentrazione di cloruro di sodio (NaCl). Ogni gruppo prepara una soluzione. Le soluzioni vengono etichettate e colorate con qualche goccia di colorante alimentare. Si misura la loro densità, utilizzando la bilancia e un recipiente graduato.
Seconda parte: realizzazione di un arcobaleno in provetta
Si verifica che è possibile far stratificare le soluzioni colorate in una provetta in ordine di densità decrescente.
Terza parte: attività di problem solving
L’insegnante consegna un campione di soluzione di NaCl a concentrazione incognita. Ogni gruppo deve risalire alla sua densità/concentrazione avendo a disposizione soltanto le soluzioni preparate nella prima parte. Non è possibile far evaporare la soluzione, né utilizzare la bilancia.
Risorse
- Acqua distillata
- Cloruro di sodio (NaCl)
- Coloranti alimentari (5 colori diversi)
- 5 becher, cilindri graduati o palloni da 100 ml (anche di plastica, purché trasparenti)
- Pipette
- Bacchette per agitare
- Cucchiaino
- Provette e porta provette
- Bilancia tecnica e vaschetta pesa solidi
Allegati
- Allegato 1: Scheda studente
Prerequisiti
Prerequisiti teorici:
- concetto di soluzione e di concentrazione;
- concetto di massa: definizione, unità di misura, strumenti di misura;
- concetto di volume: definizione, unità di misura, strumenti di misura;
- concetto di densità.
Prerequisiti operativi:
- effettuare pesate con una bilancia tecnica;
- leggere il volume come spostamento di liquido;
- utilizzare una pipetta del tipo Pasteur o un contagocce.
Obiettivi di apprendimento
- Comprendere il concetto di densità
- Calcolare la densità di un liquido
- Verificare l’esistenza di una dipendenza lineare tra densità e concentrazione di una soluzione
- Verificare che la densità influenza la stratificazione dei liquidi ma non la loro miscibilità
- Saper effettuare previsioni relative a fenomeni reali sulla base di dati e comportamenti noti
- Promuovere il pensiero critico e il problem solving
- Consolidare la capacità di acquisire, trattare e interpretare dati sperimentali
Dotazioni di sicurezza
Si utilizzano sostanze sicure (acqua, sale e coloranti alimentari).
Svolgimento
Prima parte: preparazione delle soluzioni a concentrazione nota
Ad ogni gruppo viene assegnata una delle cinque soluzioni da preparare composte da 0, 5, 10, 15 o 20 g di NaCl sciolti in 100 ml di acqua distillata. Se ci sono abbastanza gruppi è meglio assegnare la preparazione di ogni soluzione a due gruppi diversi, per evitare il più possibile errori durante l’esperienza.
Per preparare le soluzioni ogni gruppo procede nel modo che segue.
- Pesa il becher/pallone da 100 ml vuoto, annota tale peso (peso1).
- Pesa la quantità di NaCl assegnata sulla vaschetta pesa solido e lo introduce nel becher precedentemente pesato, porta a volume fino a 100 ml con acqua possibilmente distillata (figura 1 e 2).
- Mescola la soluzione; nel caso si scelgano i cilindri graduati, occorre usare delle lunghe bacchette e avere l’accortezza di non disperdere la soluzione (figura 3) .
- Pesa nuovamente il recipiente contenente la soluzione acqua-sale, annota tale peso (peso2).
- Determina la massa della soluzione per differenza tra le due pesate (peso1 – peso2).
- Introduce alcune gocce di colorante alimentare all’interno della soluzione (figura 4).
- Calcola la densità della soluzione eseguendo il rapporto M/V.
- Compila la tabella 1.
Si noti che le densità variano poco da una soluzione all’altra (l’acqua distillata a 20°C ha una densità d = 0,998 g/ml e una soluzione satura di cloruro di sodio ha una densità d = 1,180 g/ml) e in base alla sensibilità degli strumenti in dotazione si rende necessario operare con volumi abbastanza grandi in modo da ridurre l’incidenza degli errori strumentali. Con volumi di 100 ml (supponendo una sensibilità del recipiente pari a 1ml e per la bilancia una sensibilità pari a 0,1 g) si può arrivare a determinare le densità con una precisione dell’1%.
I ragazzi in gruppo tracciano il grafico che mette in relazione la concentrazione e la densità ottenuta e rispondono alle seguenti domande:
- la densità varia molto da una concentrazione all’altra?
- le due grandezze prese in esame sono direttamente proporzionali? Motiva.
Seconda parte: realizzazione di un arcobaleno in provetta
Ogni gruppo riceve una provetta contenente ognuna delle 5 soluzioni precedentemente preparate e procede come segue: con la pipetta uno studente del gruppo preleva 3 ml di ciascuna soluzione colorata e la trasferisce delicatamente in una provetta vuota in modo da stratificare tutte e cinque le soluzioni (figura 5).
Per raggiungere tale obiettivo gli studenti effettuano più prove. Al termine si osserverà un bellissimo arcobaleno in provetta! (figura 6).
Si suggeriscono seguenti domande:
- cosa dovete considerare per poter stratificare correttamente tutte le soluzioni nella provetta?
- cosa accade all’arcobaleno se si agita la provetta? Perché secondo te?
Lo scopo dell’esperienza è che i ragazzi comprendano che:
- la stratificazione delle soluzioni avviene efficacemente solo in condizioni in cui è ostacolato il loro mescolamento veloce all’interfaccia, per cui si osserva che si stratificano meglio quando il secondo campione viene aggiunto al primo goccia a goccia, lentamente e facendo in modo che la caduta sia “scivolata” (ad esempio inclinando la provetta);
- si osserva una separazione più netta in provette di piccola sezione; questo accade perché più è piccola la superficie di contatto tra le due soluzioni minore sarà (statisticamente) la velocità del mescolamento per diffusione verticale;
- minore è la velocità di caduta delle gocce minore è la loro capacità di rompere la pellicola interfacciale per diffondere nel corpo liquido sottostante;
- la stratificazione delle soluzioni dipende dalla densità delle due soluzioni e non dall’ordine con cui vengono introdotte in provetta.
L’esperienza consente agli alunni non solo di acquisire la capacità di correlare tutti i fenomeni osservati ma anche di eliminare la falsa (ma diffusa) convinzione che “se due liquidi hanno densità diverse allora non si mescolano ma si stratificano”. L’arcobaleno sparisce (per omogeneizzazione del colore) se si agita la provetta: la miscibilità dei liquidi, infatti, non è regolata dalle densità, bensì dalla loro capacità di formare reciprocamente legami chimici relativamente stabili.
Terza parte: attività di problem solving
Ora ciascun gruppo riceve un campione di soluzione a concentrazione incognita e deve indipendentemente dagli altri fornire una indicazione sulla densità e sulla concentrazione senza utilizzare la bilancia.
I risultati e le osservazioni relative alla prima parte dell’esperienza dovrebbero suggerire, eventualmente anche attraverso una discussione guidata dall’insegnante, un metodo basato su prove di stratificazione successive, condotte confrontando il campione in esame con le soluzioni a concentrazione nota (una per volta).
Naturalmente la risposta potrà essere data soltanto indicativamente, fornendo come estremi di intervallo:
- la massima concentrazione della soluzione che si stratifica sopra il campione in esame;
- la minima concentrazione della soluzione che si stratifica sotto il campione in esame.
Note e storia
L’esperimento può offrire spunti di riflessione interdisciplinare: ad esempio si può discutere su come la salinità influenzi la densità delle acque marine e la circolazione oceanica profonda.
Si allega una proposta di scheda guida per gli studenti (allegato 1): Scheda studente – Arcobaleno in provetta
Bibliografia
- Arcobaleno in provetta – Esperimento LS-OSA per la scuola secondaria di II grado
- F. Bagatti, E. Corradi, A. Desco, C. Ropa, ”Immagini della chimica”, Zanichelli Editore, 2013
Autori
Simona Meschiari, Scuola Secondaria di I grado “F. Montanari”, Mirandola (MO)
Domenica Mastrandrea, I.C. “D.F. Davanzati – V. S. Mastromatteo”, Palo del Colle (BA)
Daniele Brioschi, I.C. Figino Serenza, Figino Serenza (CO)
Ha collaborato all’ottimizzazione dell’esperimento:
Angela Emilia De Stefano, Scuola Secondaria di I grado “Cavour”, Modena