Riassunto / Abstract
Questo esperimento è parte di un ampio percorso laboratoriale che aiuta gli allievi a sviluppare i concetti di acido-base partendo da materiali poveri e osservazioni della vita quotidiana.
L’intero percorso è pensato per poter essere anche itinerante per cui è possibile creare tre scatole con il materiale necessario allo svolgimento delle varie attività. Sono quindi presenti delle schede per i docenti che riportano tutti le indicazioni relative ai vari esperimenti. L’esperimento successivo è il 13-Scienze.
Scheda sintetica delle attività
La metodologia applicata ha per scopo lo studio della mineralizzazione del C organico da parte dei microorganismi del suolo attraverso il dosaggio della \(CO_2\) emessa, seguendone l’evoluzione nel tempo in condizioni di laboratorio prestabilite:
Il metodo può essere supportato da modelli matematici e da rappresentazioni grafiche che permettono una migliore interpretazione dei risultati. Può essere applicato anche per seguire la degradazione di diversi materiali smaltiti nel terreno; possono essere stabilite differenti condizioni sperimentali di umidità e temperatura.
Con questo esperimento si permette agli allievi di osservare in concreto un utilizzo della titolazione associato a concetti di biologia ed utilizzando anche la normalità e gli equivalenti.
Risorse necessarie
- \(NaOH\) 0.5N (preparata da fiala): usare una fiala di \(NaOH\) 1N e diluire sino a 2l;
- \(HCl\) 0.5N (preparato da fiala): usare una fiala di \(HCl\) 1N e diluire sino a 2l;
- \(BaCl_2\) (cloruro di bario) 1.5M: 366.34g di \(BaCl_2 \cdot 2H_2O\) in 1l di deionizzata; agitare sino a soluzione limpida;
- Fenolftaleina 1%: sciogliere 1g di fenolftaleina in 100 ml di etanolo 96%;
- \(H_2O\) distillata;
- becker da 25ml in plastica;
- 2 matracci da 2l;
- matracci da 1l;
- burette per la titolazione;
- barattoli in vetro (Bormioli) da 500 ml con tappo a tenuta;
- ancorette magnetiche piccole ;
- capsule di porcellana;
- spatole di metallo;
- bilancia analitica;
- pinze (metalliche o in plastica);
- incubatore termostatato.
Prerequisiti necessari
- Saper cosa sono le reazioni di neutralizzazione;
- conoscere la normalità e il concetto di equivalente;
- saper eseguire una titolazione acido base.
Obiettivi di apprendimento
- Applicazione di un metodo scientifico: capacità di osservare i fenomeni e formulare ipotesi;
- sviluppare le capacità di lavorare in gruppo attraverso la cooperazione e la collaborazione;
- capacità di collegare lo studio della chimica alla vita pratica;
- conoscere il significato della respirazione cellulare per gli esseri viventi aerobi;
- rendersi conto della complessità dell’ecosistema suolo;
- conoscere le varie fasi del ciclo del Carbonio;
- conoscere il ciclo della sostanza organica nel suolo e la sua importanza per la produttività del terreno.
Dotazioni di sicurezza
HCl 8.4 Protezione delle mani: Utilizzare guanti adatti. 8.5 Protezione degli occhi: Utilizzare occhiali adatti. 8.6 Misure igieniche particolari: Togliere gli abiti contaminati. Utilizzare abiti da lavoro adatti. Lavarsi le mani e il viso prima degli intervalli e alla fine del lavoro.
NaOH 8.4 Protezione delle mani: Utilizzare guanti adatti. 8.5 Protezione degli occhi: Utilizzare occhiali adatti. 8.6 Misure igieniche particolari: Togliere gli abiti contaminati. Utilizzare abiti da lavoro adatti. Lavarsi le mani e il viso prima degli intervalli e alla fine del lavoro.
BaCl2 8.4 Protezione delle mani: Utilizzare guanti adatti. 8.5 Protezione degli occhi: Utilizzare la visiera con protezione laterale. Inalazione: Assicurare l’apporto di aria fresca. Contatto con la pelle: Far bere al soggetto molta acqua. Contatto con gli occhi: Lavare con acqua corrente per alcuni minuti tenendo le palpebre ben aperte. Ingestione: Risciacquare la bocca. fare bere immediatamente acqua ( almeno 2 bicchieri).
Fenolftaleina 8.4 Protezione delle mani: Utilizzare guanti adatti. 8.5 Protezione degli occhi: Utilizzare la visiera con protezione laterale. Inalazione: Portare in zona ben areata, in caso di disturbi consultare il medico. Contatto con la pelle: Sciacquare la pelle con acqua in abbondanza per almeno 15 minuti In caso di irritazioni cutanee persistenti consultare il medico. Contatto con gli occhi: Lavare con acqua corrente per alcuni minuti tenendo le palpebre ben aperte. Ingestione: Sciacquare la bocca con acqua se il soggetto è cosciente. Non provocare il vomito, chiamare subito il medico.
Svolgimento
Misurazione della capacità idrica massima (C.I.M.) del terreno
In una capsula di porcellana si pongono 50 g di terreno e si aggiunge acqua sinché al taglio con la spatola di metallo questa non si raccoglie visibilmente nel solco prodotto: possiamo considerare questa la situazione corrispondente al 100% della capacità idrica massima di quel terreno.
Schema sperimentale
50g di terreno secco (addizionati o meno di stabilite quantità di ammendanti diversi la cui umidità è stata determinata in precedenza) sono posti nei barattoli di vetro dove è aggiunta \(H_2O\) deionizzata sino a raggiungere l’umidità desiderata (in genere corrispondente al 60% della capacità idrica massima del terreno).
Il barattolo di vetro ed il suo contenuto (terreno + \(H_2O\) deionizzata) sono quindi pesati ed il dato è annotato per procedere ad eventuali reintegri di acqua in caso di evaporazione.
Sopra il terreno viene posto un becher di plastica contenente 10ml di \(NaOH\) 0.5N.
Nei primi giorni, specialmente in presenza di terreni ricchi di sostanza organica o di materiali facilmente degradabili, si registrano dei picchi nella respirazione dovuti alla ripresa delle attività biologiche per cui la quantità di \(NaOH\) utilizzata può eventualmente essere aumentata al fine di catturare tutta la \(CO_2\) emessa. I barattoli vengono chiusi ermeticamente e posti al buio ed alla temperatura desiderata (25°C) in un incubatore termostatato.
Contemporaneamente viene effettuata una prova in bianco mediante un barattolo vuoto non contenente terreno.
La \(CO_2\) prodotta viene catturata dalla soda presente nei becher (alkali-trap) secondo la reazione:
\[CO_2 + H_2O + 2NaOH \longrightarrow 2H_2O + Na_2CO_3\]
Dopo 24 ore i barattoli vengono aperti, il becher estratto tramite pinze ed il contenuto viene arieggiato per permettere il reintegro dell’ossigeno consumato. I barattoli vengono quindi pesati con il conseguente reintegro dell’umidità perduta, viene introdotto un nuovo becher con altri 10ml di \(NaOH\), incubando il sistema sino alla determinazione successiva. Sul becher estratto viene determinata mediante titolazione la quantità di \(NaOH\) che non ha reagito con la \(CO_2\) prodotta dai microrganismi del suolo.
La prova è condotta di norma per 28 giorni. Se vi è stata aggiunta di materiali organici e se ne vuol seguire la degradazione la prova può essere portata avanti anche per tempi molto più lunghi.
Titolazione
Nei primi 10-15 giorni è necessario titolare giornalmente. La respirazione durante questo periodo è generalmente elevata in conseguenza della ripresa dell’attività microbica dovuta al ripristino dell’umidità e del consumo di sostanze prontamente degradabili quali zuccheri e lipidi (priming effect). In seguito la respirazione rallenta (sino a stabilizzarsi): da questo momento è possibile eseguire le titolazioni ad intervalli più ampi (2/3 giorni, 1 settimana a seconda degli andamenti). E’ possibile però che anche i questo periodo si verifichino dei picchi dovuti all’attacco di sostanze a lenta degradazione (cellulosa, lignina, ecc.).
Dapprima viene titolata la soda per stabilirne l’esatta normalità. A 10 ml di \(NaOH\) sono aggiunti 2ml di \(BaCl_2\) 1.5M, mediante i quali si precipitano i carbonati formatisi indipendentemente dalla respirazione che interferirebbero con i valori della \(CO_2\) effettivamente respirata, e fenolftaleina 1% un indicatore che, in ambiente acido, vira dal violetto al bianco. La miscela viene posta in agitazione e titolata. Dai ml di \(HCl\) 0.5N utilizzati si risale con il seguente calcolo alla normalità effettiva della soda:
\[a:10 = X : 0,5 \Longrightarrow X = \frac{0,5 \cdot a}{10}\]
dove:
a sono i ml di \(HCl\) 0.5N utilizzati per la titolazione;
10 sono i ml di \(NaOH\) 0.5N di partenza;
X il titolo effettivo della soda;
0.5 il titolo esatto della soda.
Titolare con \(HCl\) 0.5N (titolo esatto) per determinare i milliequivalenti di \(NaOH\) in eccesso che non hanno reagito con la \(CO_2\).
N.B. L’aggiunta di \(BaCl_2\) determina la formazione di \(BaCO_3\), una densa emulsione bianca che può interferire con il viraggio dell’indicatore. E’ bene quindi titolare lentamente ed ogni tanto fermarsi per far agitare la soluzione.
Nel corso dell’esperimento è possibile che sul substrato si formino delle muffe di vario tipo, che, se presenti in quantità modesta, in genere non interferiscono con la normale respirazione.
Calcoli
I milliequivalenti che invece hanno reagito saranno:
\[(a-b) \cdot 3 = \frac{mg\ di\ C}{100g\ di\ terreno}\]
dove:
a sono i ml di \(NaOH\) 0.5N presenti nel beckerino;
b sono i ml di \(HCl\) 0.5N occorsi per titolare la soda;
3 è un coefficiente moltiplicativo che deriva dal seguente calcolo:
\[(a-b) \cdot 0,0005 \cdot 12/2 = 3 mg\ C/ml\]
Autori
Vanni Giacomo
Galfrè Silvia Giulia
Schede / Allegati
Specifiche esperimentoMateria Chimica Classi a cui è rivolto 2° biennio Tipologia di laboratorio Strumentazione semplice Reperibilità del materiale Negozi specializzati, siti web Materiale specifico Vetreria da laboratorio, idrossido di sodio, acido cloridrico, cloruro di bario, fenolftalein Durata esperimento in classe 3 h Capacità di bricolage/assemblaggio No Necessità lavorazioni meccaniche/elettroniche No Necessità PC per acqusizione/analisi dati Sì Necessità di uno smartphone No Parole chiave Chimica Stechiometria Acidi e basi Ciclo del carbonio |