L’esperimento proposto permette di produrre anidride carbonica e di verificarne alcune caratteristiche chimico/fisiche tra cui la capacità di soffocare la fiamma e di stratificarsi rispetto all’aria a causa della differenza di densità. L’esperimento prevede di inserire del bicarbonato di sodio all’interno di un palloncino che viene attaccato al collo di una bottiglia contenente aceto. Facendo cadere il bicarbonato nella bottiglia si produce anidride carbonica che gonfia il palloncino. Trasferendo l’anidride carbonica dal palloncino in un bicchiere questa può essere versata direttamente sulla fiamma di una candela accesa. Attraverso questa attività gli studenti verificano, utilizzando materiali poveri e in modo divertente, le proprietà chimico/fisiche della materia.
Questo esperimento è presente anche per la scuola secondaria di II grado: L’estintore nel bicchiere
Scheda esperimento
| Classi | 1° anno / 2° anno |
| Tipologia | Strumentazione semplice |
| Durata | 2h |
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Scheda sintetica delle attività
- Suddividere la classe in piccoli gruppi con predisposizione dei materiali necessari
- Produrre anidride carbonica mediante la reazione con aceto e bicarbonato che sarà trattenuta dal palloncino
- Trasferire l’anidride carbonica prodotta dal palloncino al bicchiere
- “Versare” l’anidride carbonica sulla fiamma della candela
- Osservare l’effetto dell’anidride carbonica sulla fiamma
- Confronto guidato e condivisione delle conclusioni
Risorse
- Aceto
- Bicarbonato di sodio
- Due becher (o bicchieri di vetro)
- Un palloncino di gomma
- Una spatolina o cucchiaino
- Una piccola beuta (o una bottiglietta)
- Una candela
Prerequisiti
- Conoscere il comportamento e le caratteristiche dei gas
- Concetto di densità
- Conoscere il concetto di reazione chimica (non strettamente necessario)
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
Nessuna dotazione di sicurezza ma la costante sorveglianza del docente.
Svolgimento
Premessa
Il presente esperimento prevede l’utilizzo di materiale povero e facilmente reperibile, tuttavia, consente di introdurre o consolidare molteplici conoscenze e di contestualizzazione conseguentemente in situazioni reali e per lo più note.
L’esperienza consente di dimostrare inoltre come la materia, anche se invisibile, è caratterizzata da proprietà chimico-fisiche evidenti nelle interazioni con altri sistemi presenti nell’ambiente.
Realizzazione
Suddividere la classe in piccoli gruppi e svolgere il seguente protocollo.
Fase 1: travaso di aria
Prima di procedere con la reazione, e conseguente produzione di anidride carbonica, è necessario osservare come si comporta l’aria nei confronti della fiamma della candela:
- accendere la candela e metterla nel bicchiere;
- gonfiare un palloncino;
- svuotare lentamente il contenuto del palloncino nell’altro bicchiere (vuoto), coprendone con una mano l’imboccatura;
- versare a questo punto il contenuto gassoso del bicchiere sulla candela ed osservare quanto avviene.
- osservare (la candela non si spegne).
Fase 2: produzione di anidride carbonica
- Versare l’aceto nella bottiglietta;
- introdurre il bicarbonato nel palloncino con l’aiuto della spatolina o di un cucchiaino;
- agganciare il palloncino sul collo della bottiglietta;
- far cadere il bicarbonato sollevando il palloncino;
- aspettare il termine della reazione.
Fase 3: travaso dell’anidride carbonica
- Accendere la candela in un bicchiere;
- togliere il palloncino stringendo l’imboccatura con le dita e facendo attenzione a non far uscire il gas raccolto al suo interno;
- 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. La procedura è uguale a quella della fase 1 ma il palloncino ora è pieno di anidride carbonica.
Fase 4: estintore in azione
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.
Fase 5: confronto guidato e conclusioni
Una volta completata l’attività sperimentale si attiverà un confronto tra gli studenti attraverso una serie di domande stimolo per indurli a formulare e confrontare le ipotesi con i fenomeni osservati.
Alcune domande guida per condurre gli alunni alla conclusione potrebbero essere:
- cosa c’era nel palloncino quando è stato gonfiato?
- quali conseguenze ha avuto sulla candela quando è stata versata la sua aria con l’aiuto del bicchiere?
- cosa si è sviluppato durante la reazione tra bicarbonato di sodio e aceto?
- che caratteristiche può avere il gas prodotto?
- cosa serve affinché avvenga una combustione?
- come mai si è spenta la candela?
- quale gas è stato versato?
- perché non si è mescolato con l’aria circostante?
In alternativa a far seguire ai ragazzi il protocollo, si può procedere con un approccio investigativo IBSE.
Quest’ultima metodologia prevedere le seguenti fasi:
- l’insegnante esegue l’esperienza mostrandola alla classe intera (fasi da 1 a 4 del protocollo);
- ogni studente risponde alla domanda investigabile: “perché la fiamma si è spenta? quale esperimento faresti per supportare la tua ipotesi?”;
- gli studenti condividono le loro ipotesi in piccoli gruppi, ne sviluppano una insieme e la presentano alla classe intera;
- ogni gruppo esegue l’esperienza apportando le modifiche ideate;
- si condividono e si elaborano le evidenze sperimentali emerse.
Note e storia
Approfondimenti
L’anidride carbonica si sviluppa istantaneamente dal contatto tra i reagenti (bicarbonato di sodio ed acido acetico) secondo l’equazione:
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 questo giustifica la spiccata tendenza dell’anidride carbonica 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, l’anidride carbonica difficilmente ne uscirà specialmente se si evita la ventilazione. Durante il travaso sopra la candela, l’anidride carbonica vi cade per gravità e impedisce all’ossigeno di fluire liberamente allo stoppino acceso. In mancanza di comburente, la reazione di combustione della cera si interrompe e la fiamma si spegne.
L’anidride carbonica 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.
Storia
L’uso dell’anidride carbonica per spegnere incendi risale a oltre un secolo fa. Nel 1866 il chimico francese François Carlier inventò uno dei primi estintori ad anidride carbonica sfruttando la proprietà di questo gas di soffocare le fiamme eliminando l’ossigeno necessario per la combustione. L’esperimento del “bicchiere estintore” è una semplice dimostrazione di questo principio, utilizzata da decenni nelle classi per spiegare la chimica delle reazioni gassose e le applicazioni pratiche dell’anidride carbonica.
Bibliografia
Autori
Annalisa Tasselli, I.C. “G. Masi”, Cavezzo (MO)
Daniele Brioschi, I.C. Figino Serenza, Figino Serenza (CO)
Silvia Orsi – I.C. “N. Tommaseo”, Torino
Hanno collaborato all’ottimizzazione dell’esperimento:
Manuela Pontremoli I.C. “L. Fantappié” di Viterbo, Viterbo
Cristina Stoppa, I.C. 8 Scuola “G. Guinizelli”, Bologna