L’esperimento ha come obiettivo preparare un indicatore universale di pH, cioè una sostanza il cui colore dipende dall’ambiente in cui si trova, utilizzando l’estratto di cavolo rosso. Con tale indicatore verrà poi testato il comportamento acido – base di alcuni prodotti di uso comune. Il test verrà ripetuto utilizzando la cartina universale, per confrontare i risultati ottenuti. Si definisce qualitativamente la scala del pH senza entrare in dettagli quantitativi in quanto sarebbero necessari prerequisiti chimici e matematici ancora non acquisiti dagli alunni della scuola secondaria di primo grado.
Questo esperimento è presente anche nella versione per le scuole secondarie di II grado: Indicatore universale di pH con cavolo rosso
Scheda esperimento
| Classi | 2° anno |
| Tipologia | Strumentazione semplice |
| Durata | 2h |
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Scheda sintetica delle attività
- Suddivisione della classe in gruppi di 3-4 alunni
- Preparazione dell’indicatore dal cavolo rosso per bollitura delle foglie: la preparazione può essere effettuata a casa o a scuola
- Filtrazione dell’indicatore e distribuzione in provette trasparenti
- Analisi e classificazione di sostanze di uso comune in base al risultato colorimetrico ottenuto con l’indicatore dal cavolo rosso e confronto con i risultati ottenuti utilizzando la cartina universale, per individuare il valore del pH
- Eventuale test a supporto anche con cartine imbevute di estratto al cavolo rosso
- Raccolta, tabulazione dei risultati e conclusioni
- Valutazione degli alunni
Risorse necessarie
Per la preparazione dell’estratto di cavolo rosso:
- Foglie di cavolo rosso circa 40 g (due foglie di media grandezza)
- Un pentolino
- Acqua distillata 200ml
- 1 colino
- 1 imbuto
- 1 bottiglia di vetro con tappo
Per testare l’estratto di cavolo rosso liquido (per ogni gruppo di alunni):
- Portaprovette con provette (si possono utilizzare anche piccoli bicchieri di plastica trasparenti)
- Pipette Pasteur di plastica (o contagocce)
- Acqua distillata
- Acqua di rubinetto
- Sostanze acide e basiche di uso domestico (ad esempio succo di limone, aceto di alcol, bicarbonato di sodio, aranciata in bottiglia, anticalcare, ammoniaca, liquido per lenti a contatto)
- Scala colorimetrica del cavolo rosso
Per la preparazione delle cartine imbevute di estratto di cavolo rosso:
- 1 foglio di carta da filtro o assorbente non sbiancato da tagliare in striscioline di circa 1cm x 5cm
- 1 becher o barattolo di vetro
- 1 pinza
- Forbici
Prerequisiti necessari
L’attività investigativa rientra nel nucleo tematico sulle “Trasformazioni Chimiche” e nel segmento della programmazione relativo alle caratteristiche delle sostanze acide e basiche, i principali indicatori utilizzati per distinguerle e il concetto di pH.
Consapevolezza di cosa è una reazione chimica e riuscire a distinguerla da una trasformazione fisica: importante è che l’attività sia preceduta da un percorso didattico sulle trasformazioni chimiche condotto con attività laboratoriali ed esempi concreti per consentire ai discenti di acquisire il concetto di “reazione chimica” e distinguerla dalle trasformazioni fisiche della materia.
Un approccio laboratoriale, anche con la semplice reazione tra aceto e bicarbonato di sodio, consente agli alunni di osservare realmente il verificarsi di una trasformazione tangibile di alcune sostanze (i reagenti) in altre (i prodotti) con caratteristiche differenti rispetto a quelle di partenza. Sperimentando, comprendono che “è successo qualcosa”. Diverse sostanze sono venute a contatto ed è avvenuta una trasformazione che può essere rivelata dalla produzione di un gas oppure dalla formazione di un cristallo o dalla produzione di calore o ancora dalla formazione di un composto “colorato”.
Obiettivi di apprendimento
- Padroneggiare i concetti di trasformazione chimica; sperimentare reazioni (non pericolose) anche con prodotti chimici di uso domestico e interpretarli sulla base di modelli semplici di struttura della materia; osservare e descrivere lo svolgersi delle reazioni e i prodotti ottenuti
- Realizzare esperienze quali ad esempio: soluzioni in acqua, combustione di una candela, bicarbonato di sodio + aceto
- Capacità di lavorare in gruppo attraverso la cooperazione e la collaborazione
- Utilizzare il metodo scientifico nell’osservazione dei fenomeni che ci circondano
- Capacità di applicare le conoscenze chimiche alle esperienze di vita pratica
- Saper spiegare e argomentare alcuni temi scientifici
- Saper definire gli acidi e le basi secondo una prima base di reattività
- Utilizzare un indicatore di acidità/basicità
Dotazioni di sicurezza
Evitare di utilizzare i fornelli a scuola perché l’estrazione a caldo può essere condotta anche utilizzando acqua molto calda portata dall’insegnante in apposito thermos e facendo riposare un po’ più a lungo le foglie di cavolo rosso sminuzzate.
Si potrebbe mostrare ai ragazzi il viraggio dell’indicatore con sostanze quali l’acido cloridrico al 10% (acido muriatico), idrossido di sodio, per visualizzare nella scala colorimetrica bene gli estremi. In questo caso però le sostanze non devono essere manipolate dagli alunni ma solo dall’insegnante, utilizzando i dispositivi di protezione (guanti monouso e occhiali).
Nel caso si considerasse l’estrazione alcolica dell’indicatore al cavolo rosso, alternativa all’estrazione a caldo, la soluzione così preparata dura a lungo, ma l’alcol etilico puro è volatile e infiammabile per cui è necessario procedere con maggiore cautela con i ragazzi della secondaria di primo grado.
Svolgimento
Suddividere gli alunni in gruppi da tre-quattro componenti.
Realizzazione
Fase 1: preparazione dell’estratto acquoso di cavolo rosso
Preparare un estratto acquoso di foglie di cavolo rosso per osservare il cambiamento di colore in soluzioni aventi pH diverso. L’acqua calda solubilizza alcuni pigmenti presenti nel cavolo rosso (antocianine) che assumono colorazioni differenti in presenza di sostanze con pH differente, funzionano quindi da indicatori.
Per preparare l’estratto acquoso si prosegue come segue:
- Sminuzzare due foglie di cavolo rosso (circa 40g)
- Mettere le foglie sminuzzate in un pentolino e aggiungere 200 ml di acqua distillata
- Portare ad ebollizione e far bollire per circa 20 minuti
- Lasciare raffreddare
- Filtrare la soluzione trasferendola in una bottiglia di vetro, tappare e conservare in frigorifero (la soluzione conservata in frigorifero rimane stabile per diversi giorni).
L’estratto di cavolo rosso può essere anche preparato a casa dal docente il giorno stesso o il giorno prima. È possibile anche congelare l’estratto.
Fase 2: cavolo rosso e sostanze di uso comune
- Versare l’estratto di cavolo rosso nelle provette (o contenitori).
- Aggiungere in ogni provetta (o contenitore) le sostanze di uso comune scelte aiutandosi con una pipetta Pasteur.
- In corrispondenza di ogni provetta o contenitore porre un’etichetta con scritto il nome della sostanza indagata.
- Riportare nella tabella seguente (allegato 1) le osservazioni sui colori assunti dalle diverse soluzioni.
Sulla base della propria esperienza (in genere è noto che l’aceto è acido e il bicarbonato di sodio è basico) sviluppare delle ipotesi in merito al pH delle soluzioni considerate e riportarle nell’apposita colonna della tabella.
Fase 3: utilizzo della cartina universale
Per verificare le ipotesi si può utilizzare una cartina universale.
Si procede preparando le provette con le sostanze di uso comune indagate e già utilizzate nella fase 2. Nel caso di sostanze solide è necessario scioglierle in acqua distillata.
Se si utilizza la cartina è necessario:
- Tagliare piccole strisce di cartina al tornasole
- Immergere una striscia di cartina nella prima provetta e osservare la variazione di colore
- Confrontare il colore della cartina imbevuta con la scala cromatica e rilevare il pH
- Annotare il colore della cartina e il corrispondente pH sulla tabella
- Proseguire così per tutte le provette
- Confrontare il valore del pH rilevato con l’ipotesi precedentemente formulata
(Se si hanno a disposizione delle pipette è anche possibile aggiungere direttamente qualche goccia delle sostanze indagate sulla cartina, senza immersione nella provetta).
Realizzazione di cartine al cavolo rosso
Riempire un becher (o un barattolo di vetro) con la soluzione acquosa di cavolo rosso e immergere cartine di carta assorbente già ritagliate. Dopo averle imbevute bene nell’infuso prelevarle e lasciarle essiccare su un supporto, ad esempio, vicino ad un termosifone. Una volta asciutte possono essere utilizzate per testare le sostanze con diverso pH. Una volta asciugate le cartine al cavolo rosso si possono conservare mantenendole al buio e lontano dall’umidità.
I colori ottenuti poi possono essere confrontati con quelli della scala colorimetrica di pH dell’estratto estratto di cavolo rosso liquido.
Una domanda che frequentemente gli alunni pongono a conclusione dell’attività è: le sostanze basiche e le sostanze acide possono neutralizzarsi a vicenda?
Utilizzando l’infuso di cavolo rosso in una provetta contenente aceto con indicatore al cavolo rosso e quindi di colore rosso acceso, si può aggiungere una sostanza basica sino a quando il colore della provetta non diventa quello corrispondente al neutro (porpora tendente al blu). In questo modo riescono a constatare che gli acidi e le basi possono neutralizzarsi a vicenda.
Fase 4: confronto guidato e conclusioni
Una volta completata l’attività sperimentale si attiverà un confronto tra gli studenti e si procederà con la compilazione della tabella in cui sono riportati tutti i risultati considerati dai differenti gruppi. Questa tabella sarà condivisa in modo che tutti possano osservare il lavoro dei differenti gruppi e trarre insieme le osservazioni finali in merito.
Si procederà con domande stimolo per indurre gli studenti a suddividere le sostanze in acide, neutre o basiche, in funzione delle risposte degli indicatori anche attraverso una riflessione in merito all’impiego di quella sostanza e a come reagisce nel suo ambiente di utilizzo.
Alcuni spunti di riflessione potrebbero essere: osservazione della cromia dopo l’aggiunta del cavolo rosso e primo tentativo di classificare acidi e basi in funzione delle conoscenze pregresse (ad esempio, aceto e limone sono acidi).
Si consideri come le sostanze di cui non conosciamo il pH hanno un comportamento cromatico analogo a quello di sostanze notoriamente acide mentre altre prendono una colorazione molto differente.
Notare inoltre che l’intensità dei colori risulta differente e interrogarsi su cosa significherà questo comportamento.
Allo stesso modo si potrà procedere con l’osservazione delle cartine al tornasole; una volta compilata la tabella si possono trarre delle conclusioni sulle analogie di comportamento degli acidi e delle basi dando poi la spiegazione chimica del fenomeno, anche evidenziando come la classificazione fatta non dipenda dalla sostanza ma da una proprietà comune di sostanze a volte anche molto diverse fra loro (nel colore, nello stato in cui si trovano, nel loro utilizzo).
In ultima analisi si cercherà di comporre una scala comune in cui saranno disposte tutte le sostanze di uso comune testate, seguendo una progressione del valore di pH e ordinando anche le provette secondo la loro scala cromatica (figura 1).
L’esperienza dovrà essere riportata in una relazione in cui dovranno essere presenti: titolo, scopo, materiali e strumenti, procedimento, osservazioni e conclusioni con tabella dei pH.
Nelle osservazioni sarà importante inserire tutte le considerazioni fatte nel momento di riflessione condivisa in merito al cambio di cromia delle rispettive sostanze e concludere riportando anche le considerazioni finali in merito alla correttezza delle ipotesi effettuate per ciascuno dei campioni.
Note e storia
Nel Regno Vegetale molti dei pigmenti che danno il colore ai fiori e alla frutta, sono molecole idrosolubili dette “antocianine”. Queste molecole appartengono ad una famiglia di composti presenti nel vacuolo della cellula detti “flavonoidi”. Questi ultimi comprendono:
- Antocianine (colore rosso – blu)
- Flavoni (giallo, avorio o incolori)
- Flavonoli (giallo, avorio o incolori)
Le funzioni dei flavonoidi nei vegetali sono ancora oggetto di studio ma sicuramente sono coinvolti:
- nella funzione di segnali visivi per attrarre gli impollinatori;
- nella funzione di promozione delle interazioni con altri organismi, ad esempio i patogeni;
- nella funzione di protezione della pianta dai danni delle radiazioni ultraviolette.
Le antocianine sono costituite da uno zucchero legato a un’antocianidina. Ne sono note almeno 23 in natura, ma solo 6 sono le più comuni: cianidina, delfinidina, malvidina, pelargonidina, peonidina e petunidina. La cianidina è la più comune ed è presente nel cavolo rosso.
Un interessante argomento di discussione con gli studenti può essere il confronto con tre modalità di estrazione delle antocianine dal cavolo rosso (figura 2): a freddo (sinistra), a caldo (destra) o in alcol (centro).
Si noterà che con l’estrazione a freddo la dissoluzione delle antocianine presenti nel vacuolo delle cellule è più lenta, si velocizza in un solvente più apolare come l’alcol. Tuttavia, la bollitura facilita il passaggio in soluzione dei pigmenti, in quanto rompe le pareti cellulari e aumenta la solubilità degli stessi.
Tra le sostanze di uso comune da testare nella valutazione del pH, si sconsigliano quelle con effetto sbiancante (che contengono ipoclorito di sodio), in quanto possono interferire nella valutazione dei risultati.
Un’interessante esperienza da condurre in parallelo è quella del test con cartine imbevute di una soluzione alcolica di curcuma, preparata mettendo per una notte delle striscioline di carta assorbente (dimensioni 1cm x 5cm circa) in un barattolo di vetro contenente 100 ml di alcool puro nel quale sia stato disciolto un cucchiaio di curcuma in polvere. Dopo averle fatte asciugare si potrà osservare che il pigmento contenuto nella curcuma (curcumina) vira dal giallo al rosso bruno in ambiente basico (range di pH compreso tra 6.5 e 8.5) mentre al di fuori del range indicato non si può osservare alcun viraggio. L’esperienza con le cartine di curcumina potrebbe essere integrata con gli studenti a supporto della scelta dell’estratto del cavolo rosso come migliore indicatore universale, in considerazione del fatto che riesce a rivelare un ampio range di pH come accade con il tornasole. Con la curcuma è necessario utilizzare guanti e tener conto che colora di giallo tutto ciò con cui viene a contatto.
Bibliografia
- La scienza delle verdure, D. Bressanini, Gribaudo 2019
- Indicazioni Nazionali (D.M. n. 254 del 16 novembre 2012, pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale n. 30 del 5 febbraio 2013)
- Indicatore universale di pH con cavolo rosso – Esperimento LS-OSA per la scuola secondaria di II grado
Autori
Sabina Pagano, I. C. “Pietro Vanni”, Viterbo
Margherita Sivo, I.C. “Papa Giovanni XXIII – Capozzi – Galilei”, Valenzano (BA)
Annalisa Tasselli I.C. “Giacomo Masi”,Cavezzo (MO)