Come generare un cristallo colorato

Questo esperimento suscita stupore ed entusiasmo perché permette agli studenti di vedere, in modo diretto, come può formarsi un cristallo. 

In una prima fase si prepara un miscuglio eterogeneo di solfato di rame pentaidrato e sabbia. I componenti dei miscugli eterogenei si possono individuare ad occhio nudo o al microscopio e la loro separazione può essere effettuata con un metodo di tipo fisico. In una seconda fase, dopo aver aggiunto acqua distillata, si separano i due componenti del miscuglio attraverso la filtrazione. Si ottiene infine il solfato di rame puro mediante cristallizzazione. La colorazione turchese del solfato di rame aiuta nella osservazione dei diversi passaggi. 

Questo esperimento è presente anche per la scuola secondaria di II grado: Come generare un cristallo colorato

Scheda sintetica delle attività

• Suddividere la classe in gruppi di lavoro da quattro alunni per gruppo
• Assegnare ad ogni gruppo il materiale occorrente per l’esperimento 
• Far pesare agli studenti modeste quantità di solfato di rame pentaidrato e sabbia 
• Mescolare le due sostanze
• Aggiungere acqua distillata
• Procedere alla filtrazione
• Raccogliere il filtrato
• Effettuare la cristallizzazione

Risorse

• Sabbia 
• Solfato di rame pentaidrato in granuli 
• Acqua distillata 
• Becher, o piccoli contenitori trasparenti 
• Cucchiaino 
• Piattino per il miscuglio 
• Bacchetta di vetro 
• Imbuto  
• Asta di supporto da laboratorio 
• Anello di supporto per imbuto 
• Carta da filtro 
• Bilancia digitale 
• Cristallizzatore o capsule di Petri 
• Pipette in plastica 

Prerequisiti

Conoscere i concetti di: 

• miscuglio omogeneo ed eterogeneo; 
• soluzione; 
• densità; 
• filtrazione; 
• evaporazione; 
• cristallizzazione.

Obiettivi di apprendimento

•  Acquisire manualità nel maneggiare vetreria, filtri, sostanze chimiche
•  Imparare ad usare la bilancia digitale
•  Impratichirsi nelle tecniche di laboratorio
•  Imparare a formulare ipotesi, analizzare i dati e trarre conclusioni
•  Analizzare i concetti di: miscuglio, separazione di componenti di un miscuglio, filtrazione, cristallizzazione

Dotazioni di sicurezza

• Guanti monouso 
• Occhialini protettivi 

Svolgimento

Premessa 

Lo studio dei miscugli nella scuola secondaria di I grado, rappresenta un argomento molto importante delle scienze, ma rimane per gli studenti difficile da apprendere, perché astratto. Eppure, è miscuglio la maggior parte di ciò che ci circonda: l’aria, il suolo, le rocce, l’acqua minerale, il latte. 

Per questa ragione ben si presta ad essere trattato in modalità laboratoriale. L’esperimento qui proposto può essere inserito in un contesto più generale di osservazione e/o preparazione di vari miscugli omogenei ed eterogenei. 

Realizzazione 

Dividere la classe in gruppi di quattro alunni. In ciascun gruppo un alunno ha il compito di documentare con fotografie le varie fasi dell’esperimento e successivamente inoltrarle ai compagni. Un alunno per gruppo pesa 15 g di sabbia mettendola con un cucchiaino in una capsula o in un becher, un altro alunno fa la stessa operazione pesando 15 g di solfato di rame (figure 1 e 2).  

Figura 1: Studenti impegnati a pesare la sabbia (a sinistra) e il solfato di rame (a destra)

Le due sostanze vengono mescolate. Si invita a riconoscere il tipo di miscuglio ottenuto (figura 2) 

Il miscuglio è eterogeneo perché si possono distinguere le due componenti che hanno colore diverso.  Come si possono separare le due sostanze? 
Si avvia nei gruppi la discussione, si commentano insieme le ipotesi trovate. 

Si sceglie di aggiungere al miscuglio acqua distillata e filtrare. Il miscuglio viene messo in un becher di vetro, si aggiungono 50-60 ml di acqua distillata.  Gli alunni notano che la sabbia resta sul fondo, invece il solfato di rame si scioglie perché l’acqua diventa azzurra. 
Si mescola utilizzando una bacchetta di vetro finché tutto il solfato in granuli si è sciolto.  Sono necessari circa 15-20 minuti, se si vuole accelerare questa operazione si può utilizzare una piastra riscaldante. La sabbia è in sospensione. 

Dopo tre giorni (o cinque giorni, dipende dalla larghezza del cristallizzatore) si verifica che l’acqua è evaporata e che il solfato di rame è tornato allo stato solido formando cristalli turchesi (figura 5).  È possibile accelerare il processo riscaldando la soluzione con una piastra. 

Di seguito le domande guida che possono essere date a ciascun gruppo per migliorare l’osservazione: 

• Cosa hai ottenuto mescolando solfato di rame e sabbia? 
• Come potresti separare i due composti? 
• Con la filtrazione hai separato la sabbia ma il solfato è ancora in soluzione, cosa si può fare? 
• Attraverso l’evaporazione cosa ti aspetti? 

Note e storia

Il solfato di rame 

Il CuSO4, anche conosciuto come solfato di rame, è un composto chimico versatile, con numerose applicazioni in settori come l’agricoltura, l’industria e la medicina. In agricoltura viene utilizzato come fertilizzante per fornire rame alle piante, ma anche come prodotto antialghe e antimuffa. Nell’industria galvanica è usato per la produzione di rivestimenti metallici. Produce una reazione esotermica quando disciolto in acqua. 
È fondamentale adottare precauzioni di sicurezza durante la manipolazione del solfato di rame, evitando il contatto con la pelle e gli occhi e assicurandosi di lavorare in un’area ben ventilata. 
Il solfato di rame ha una storia lunga e interessante che risale a secoli fa. La sua scoperta è attribuita al chimico tedesco Johann Rudolf Glauber nel XVII secolo. La sua importanza storica e la versatilità nelle applicazioni ne fanno un composto ancora oggi ampiamente impiegato. 

I miscugli 

I miscugli o miscele, a differenza delle sostanze pure (porzioni di materia a composizione chimica uniforme e costante), sono formati da più sostanze mescolate tra loro. Esempi comuni di miscugli sono l’aria, la sabbia, l’acqua minerale. 
I miscugli si classificano in omogenei ed eterogenei. In generale, un sistema è omogeneo se in esso non sono distinguibili fasi diverse ed eterogeneo quando, invece, è possibile distinguere due o più fasi. Le diverse sostanze che costituiscono un miscuglio eterogeneo possono essere individuate e separate con facilità. 

I cristalli  

I cristalli sono solidi geometrici formati da facce piane poligonali, spigoli e vertici. In virtù del loro colore, della loro forma regolare, del gioco di luci che essi provocano, molti cristalli sono stati ricercati sin dall’antichità per essere usati come simbolo di distinzione sociale. I cristalli si possono formare per evaporazione del solvente, come nel nostro esperimento. Una volta formati, la loro osservazione può essere fatta anche tramite lo stereo microscopio che ne evidenzia la tridimensionalità. 
Quasi tutti i minerali hanno una struttura cristallina, cioè un’impalcatura interna a livello atomico molto regolare ed ordinata, che spesso si riflette in una forma esterna macroscopica altrettanto regolare. Per questo motivo, lo stesso esperimento potrebbe essere svolto, con diverse finalità, anche nel terzo anno della scuola secondaria di primo grado, quando si affronta lo studio dei minerali e delle rocce. 

Bibliografia

• Come generare un cristallo colorato – Esperimento LS-OSA per la scuola secondaria di II grado 
• Solfato rameico – Wikipedia 

Autori

Sabina Pagano, I.C. “P. Vanni”, Viterbo
Cristina Stoppa, I.C. n.8, Scuola Secondaria di I grado “G. Guinizelli”, Bologna