Riassunto / Abstract

Queso è un percorso didattico per comprendere il fenomeno della diffusione superficiale, adatto al primo biennio e, successivamente, utilizzare tale fenomeno come criterio di confronto per distinguere campioni di latte a diverso contenuto di grasso (secondo biennio). Nello specifico, vengono confrontati i tempi e i modi di diffusione di un colorante, in presenza e in assenza del detergente, in diversi campioni di latte e nell’acqua. 
L’osservazione e la raccolta dei dati acquisiti nelle varie prove forniranno molti spunti di riflessione sulla correlazione esistente tra proprietà e struttura molecolare dei lipidi 

Scheda sintetica delle attività

1.  IDENTIFICARE LA TENSIONE SUPERFICIALE DELL’ACQUA E L’AZIONE DI TENSIOATTIVi (1° biennio):

• osservare il galleggiamento di corpi più densi dell’acqua;
• osservare fenomeni di propulsione da gradiente di tensione superficiale;
• osservare la diffusione di un colorante nell’acqua in assenza e in presenza di tensioattivo.

 2. OSSERVARE L’INFLUENZA DELLE SOSTANZE GRASSE NEI FENOMENI SUPERFICIALI (2° biennio):

• osservare la diffusione di un colorante in diversi tipi di latte in assenza e in presenza di tensioattivo.

Risorse necessarie

• Recipienti di vetro, di piccolo volume;
• 1 recipiente grande;
• cartoncini, forbici, matita;
• cotton fioc;
• acqua;
• borotalco;
• latte intero, parzialmente scremato, zymil;
• coloranti alimentari;
• detergente per piatti.

Prerequisiti necessari

• Conoscere le caratteristiche strutturali fondamentali della molecola dell’acqua, dei lipidi, dei detergenti;
• comprendere la natura delle interazioni (idrofile ed idrofobe) che alcune strutture specifiche instaurano in acqua;
• distinguere tra forze di adesione e forze di coesione.

Obiettivi di apprendimento

• Correlare il comportamento dei tensioattivi con la loro struttura molecolare;
• correlare il comportamento delle sostanze grasse con la loro struttura molecolare;
• correlare l’affinità delle sostanze grasse con l’acqua e con i tensioattivi come funzione della loro struttura molecolare;
• comprendere l’effetto che la diversa percentuale grasso dei vari tipi di latte può esercitare sulla velocità di diffusione del colorante.

Dotazioni di sicurezza

Nessuna particolare precauzione

Svolgimento

1. IDENTIFICARE LA TENSIONE SUPERFICIALE DELL’ACQUA E COMPRENDERE L’AZIONE DEI TENSIOATTIVI (primo biennio)

1.1 Galleggiamento di un ago

• Preparare l’acqua in un contenitore di diametro grande
• Appoggiate con cura un ago sulla superficie dell’acqua 
• Osservare quanto accade

Per facilitare la riuscita di questo tentativo di fare galleggiare un oggetto più denso dell’acqua per il solo merito della tensione superficiale, ponete sull’acqua una strisciolina di carta velina e su questa adagiate l’ago. Piano piano,
l’acqua inzupperà la strisciolina che finirà per affondare, mentre l’ago rimarrà in superficie (figura 1).

Il galleggiamento dell’ago sulla superficie dell’acqua è dovuto alla tensione superficiale dell’acqua: tra le molecole dell’acqua esistono forze di coesione che si sviluppano in tutte le direzioni. In superficie le forze di coesione del liquido si sviluppano solo verso la massa del liquido ciò rende la superficie . Quelle in superficie subisco una forza che impedisce loro di allontanarsi facilmente ed è sufficiente a trattenere in superficie un oggetto non molto pesante.

1.2 Borotalco in acqua e uso di un detergente

• Preparare l’acqua in un contenitore di diametro grande;
• versare un po’ di borotalco sulla superficie dell’acqua;
• Osservare quanto accade;
• Immergere la punta di una bacchetta o uno stuzzicadenti precedentemente bagnato in detergente per piatti;
• osservare quanto accade.

Si osserva che depositando un po’ di talco [\(Mg​3​Si​4​O_{​10}​(OH)​_2\)​] sull’acqua, questo galleggia​, pur avendo un peso specifico maggiore (2.5 – 2,8 g/cm3), in quanto l’acqua non riesce ad avvilupparne le particelle, ossia a bagnarle.

L’esistenza di forze di coesione forti tra le molecole d’acqua sulla superficie  (più intense delle forze di adesione che esistono tra le molecole di acqua e le molecole di talco) impedisce che l’acqua bagni il talco, cosicché la pellicola superficiale di acqua si comporta come una barriera per il talco (figura 3).

La tensione superficiale di un liquido puro può essere facilmente influenzata dall’aggiunta di quantità anche piccolissime di detergente. Queste sostanze formano uno strato che va a ricoprire integralmente la superficie del liquido. Le sostanze detergenti diminuiscono la tensione superficiale ​dell’acqua (agiscono da tensioattivi). La tendenza del tensioattivo a disporsi sulla superficie del liquido, ne modificherà le interazioni molecolari superficiali.

Nella parte finale della seconda esperienza si modifica la tensione superficiale dell’acqua utilizzando un detergente per piatti. Toccando la superficie dell’acqua con una bacchetta precedentemente venuta a contatto con il detergente, si diminuisce la tensione nel punto in cui la bacchetta è stata immersa, mentre sul resto della superficie la tensione risulta maggiore e attira e trattiene il borotalco.
I “buchi” non si richiudono perché in quei punti le molecole di tensioattivo impediscono alle molecole di acqua di attrarsi tra loro e ricomporre la pellicola superficiale.

1.3 Propulsione di una barchetta di cartoncino

● Preparare l’acqua in un contenitore di diametro grande;
● ritagliare 1 cartoncino con incavo di lato;
● appoggiare il cartoncino sulla superficie dell’acqua;
● con un cotton fioc bagnare la parte dell’incavo con un detergente per piatti;
● osservare quanto accade.

In questa esperienza si evidenzia nuovamente l’effetto di un detergente (tensioattivo) alla superficie dell’acqua. Si prepara un cartoncino a forma di barchetta con un incavo al lato e lo si deposita sulla superficie dell’acqua.
Poi si bagna l’incavo con il detergente: il cartoncino inizia a muoversi in modo circolare (figura 4).

Questo accade perché,  in presenza di gradiente di tensione superficiale tra una zona e l’altra di un fluido, si instaura una corrente dalla zona di bassa tensione (punto in cui è stato messo il detergente) verso quella di alta tensione superficiale. Il cartoncino viene dunque trascinato in un vortice dal moto della superficie dell’acqua.

1.4 Diffusione di un colorante in acqua in assenza di tensioattivi

• Preparare l’acqua in un contenitore (ricoprire il fondo del contenitore almeno di 1 cm);
• far cadere un paio di gocce di colorante al centro della superficie d’acqua;
• osservare la diffusione del colorante (rilevando ad intervalli di tempo regolari il diametro della macchia in espansione).

1.5 Diffusione di un colorante in acqua in presenza di tensioattivi

• Preparare l’acqua in un contenitore (ricoprire il fondo del contenitore almeno di 1cm);
• far cadere un paio di gocce di colorante al centro della superficie d’acqua;
• con un cotton-fioc bagnare il centro della macchia di colorante con un detergente per piatti;
• osservare la diffusione del colorante (rilevando ad intervalli di tempo regolari il diametro della macchia in espansione).

Si osserva che in presenza di detergente (tensioattivo) la diffusione del colorante è più veloce.

2. INFLUENZA DELLE SOSTANZE GRASSE NEL LATTE SULLA DIFFUSIONE SUPERFICIALE (secondo biennio)

2.1 Diffusione di colorante nel latte in assenza di tensioattivo

• Preparare l’acqua in un contenitore A, il latte parzialmente scremato in un contenitore B, e il latte Intero in un contenitore C (ricoprire il fondo dei contenitori almeno di 1 cm);
• far cadere un paio di gocce di colorante al centro della superficie di ognuno dei tre liquidi;
• misurare il tempo di diffusione del colorante nei diversi contenitori ;
• osservare quanto accade.

Si nota che, nel latte, il colorante non diffonde facilmente​: ciò è dovuto non solo alle particelle di grasso disperse, ma anche agli agglomerati di proteine presenti che ostacolano il percorso delle molecole di colorante.

2.2 Diffusione di colorante nel latte in presenza di tensioattivi 

• Preparare, il latte parzialmente scremato in un contenitore B, e il latte Zymil in un contenitore C (ricoprire il fondo dei contenitori almeno di 1cm);
• inserire un paio di gocce di colorante al centro dei due liquidi;
• con il cotton fioc bagnare la parte centrale della macchia di colorante con un detergente per piatti;
• osservare il tempo di diffusione del colorante nei diversi contenitori.

Si osserva un movimento particolare del colorante nel latte: una specie di vortice.
Il detergente, per le sue caratteristiche bipolari (testa polare e coda idrofobica), indebolisce i legami chimici che tengono le proteine e grassi in soluzione. Le molecole del tensioattivo vanno a ricoprire la gocciolina di grasso, la parte idrofila rivolta verso l’ acqua, e le code verso la regione interna (figura 9).
Le goccioline di grasso quindi si muovono rotolandosi, in tutte le direzioni​, un po’ come abbiamo visto con le barchette di cartoncino; come conseguenza le molecole di colorante alimentare subiscono urti continui e caotici, fornendo il vortice di colore ​che si osserva.

L’esperienza riportata su diversi tipi di latte evidenzia che il vortice osservato ha una maggiore intensità per il latte parzialmente scremato in cui risulta  minore la quantità di grassi presente. Questo si spiega perché una minor quantità di grasso garantisce una maggiore dispersione di piccole goccioline nella parte acquosa, per cui queste interagiscono meglio con le molecole dei tensioattivi e subiscono una propulsione rotatoria che si trasmette anche alle molecole di colorante. Nel latte intero, invece, dove si ha una frazione maggiore di parte grassa, si favorisce l’aggregazione delle goccioline di grasso in sfere di maggiori dimensioni, con formazione di veri e propri strati per i quali il fenomeno del vortice dei colori è meno evidente.  

Autori

Storti Roberta

Specifiche esperimento Materia Chimica Classi a cui è rivolto 5° anno Tipologia di laboratorio Povero Reperibilità del materiale Uso quotidiano, negozi specializzati, siti web Materiale specifico Recipienti di vetro, cartoncini, forbici, cotton fioc, acqua, borotalco, latte di vario tipo, coloranti alimentari, detergente per piatti Durata esperimento in classe 2 h Capacità di bricolage/assemblaggio No Necessità lavorazioni meccaniche/elettroniche No Necessità PC per acqusizione/analisi dati No Necessità di uno smartphone No Parole chiave Chimica Molecole biologiche Grassi Tensione superficiale