Questo è un percorso didattico per comprendere il fenomeno della diffusione superficiale affrontato nella classe prima e successivamente utilizzare tale fenomeno come criterio di confronto per distinguere campioni di latte a diverso contenuto di grasso. 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.
Questo esperimento è presente anche nella versione per le scuole secondarie di II grado: Sostanze grasse nel latte
Scheda esperimento
| Classi | 1° anno (prima parte) o 2° anno (seconda parte) |
| Tipologia | Strumentazione semplice |
| Durata | 3 h |
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Scheda sintetica delle attività
Inizialmente è necessario suddividere la classe in gruppi da 4-5 alunni e fornire a ciascun gruppo il set di materiale per l’esperimento a ciascun gruppo. L’esperimento comprende due esperienze:
1. Identificare la tensione superficiale dell’acqua e l’azione di tensioattivi
- 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
- Osservare la diffusione di un colorante in diversi tipi di latte in assenza e in presenza di tensioattivo.
Risorse
- Recipienti di vetro, di piccolo volume
- 1 recipiente grande
- Cartoncini, forbici, matita
- Cotton fioc
- Ago
- Acqua
- Borotalco
- Latte intero, parzialmente scremato, senza lattosio
- Coloranti alimentari
- Detergente per piatti
Prerequisiti
- Conoscere le caratteristiche strutturali fondamentali della molecola dell’acqua, di miscugli e soluzioni
- Comprendere la natura delle interazioni (idrofile ed idrofobe) che alcune strutture specifiche instaurano in acqua
- Distinguere tra forze di adesione e forze di coesione
L’esperimento può essere anche utilizzato anche per approcciarsi usando il metodo sperimentale ai concetti sopra citati: molecole, miscugli e soluzioni, sostanze idrofile e idrofobe, forse di coesione e adesione.
Obiettivi di apprendimento
- Comprendere i fenomeni della diffusione, della tensione superficiale e l’azione dei tensioattivi
- Comprendere l’effetto che la diversa percentuale grasso dei vari tipi di latte può esercitare sulla velocità di diffusione del colorante
- Sperimentare lo svolgersi di fenomeni riuscendo a formulare ipotesi e a verificarle
- Stimolare l’interesse e la curiosità verso l’indagine scientifica
Dotazioni di sicurezza
Nessuna
Svolgimento
Premessa
L’esperimento consente agli alunni di acquisire l’idea del modello “a particelle” della materia. Inoltre, consente di investigare sulla diversa velocità di diffusione del colorante in acqua ghiacciata e acqua molto calda. Compreso il modello è possibile introdurre il concetto di forze di adesione e forze di coesione. Utilizzando opportune modellizzazioni si giunge a scoprire le caratteristiche strutturali fondamentali della molecola dei lipidi e la natura delle interazioni idrofile e idrofobe.
Realizzazione
1. Identificare la tensione superficiale dell’acqua e l’azione di tensioattivi
1.1 Galleggiamento di un ago
- Preparare l’acqua in un contenitore di diametro grande
- Appoggiare 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. L’acqua inzupperà la strisciolina che finirà per affondare mentre l’ago rimarrà in superficie.
Il galleggiamento dell’ago è dovuto alla tensione superficiale dell’acqua. Tra le molecole dell’acqua esistono forze di coesione che si sviluppano in tutte le direzioni. All’interno del liquido le forze di coesione non hanno alcun effetto perché ogni molecola è circondata da ogni lato da altre molecole e la risultante R è uguale a zero (figura 1).
Le molecole in superficie subiscono le forze di coesione verso la massa del liquido che impedisce loro di allontanarsi pertanto le molecole superficiali dell’acqua formano una specie di “membrana elastica” su cui l’ago poggia e che consente all’ago di galleggiare.
Fig.1: forze di coesione delle molecole d’acqua nel mezzo e in superficie
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 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.
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 un punto della superficie con una bacchetta, precedentemente venuta a contatto con il detergente, il borotalco si sposta rapidamente addensandosi lontano dalla bacchetta. Il detergente diminuisce la tensione nel punto in cui la bacchetta è stata immersa, mentre sul resto della superficie la tensione risulta invariata e trattiene il borotalco.
Le particelle di talco si allontanano perché in quei punti il tensioattivo impedisce alle molecole di acqua di restare coese tra loro e ricomporre la pellicola superficiale (figura 2).
Figura 2: comportamento del borotalco per effetto di un detergente
1.3 Propulsione di una barchetta di cartoncino
- Preparare l’acqua in un contenitore di diametro grande
- Ritagliare 1 cartoncino a forma di barchetta con un incavo come se fosse la poppa
- 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) sulla superficie dell’acqua. Ritagliare un cartoncino a forma di barchetta con un incavo e depositarlo sulla superficie dell’acqua (figura 3).
Successivamente mettere una piccola quantità di detersivo liquido sulla punta del cotton fioc e avvicinare delicatamente la punta del cotton fioc con il detersivo all’acqua, in corrispondenza dell’incavo della barchetta. Si osserverà la barca allontanarsi dal punto di contatto con il cotton fioc e in alcuni casi si potrebbe vedere anche un movimento circolare simile a una “vortice”.
Figura 3: effetto propulsivo, osservare lo spostamento della “barchetta” rossa
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 stata toccata l’acqua con il detergente) verso quella di alta tensione superficiale.
1.4 Diffusione di un colorante in acqua in assenza di tensioattivi
- Preparare l’acqua in un contenitore ricoprendo 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 (figura 4)
Figura 4: diffusione del colorante in acqua
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 (figura 5).
Figura 5: diffusione del colorante in acqua in presenza di un tensioattivo
Si osserva che in presenza di detergente (tensioattivo) la diffusione del colorante è più veloce.
2. Osservare l’influenza delle sostanze grasse nei fenomeni superficiali
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
Confrontando la diffusione nei tre liquidi è possibile osservare come il colorante diffonda con difficoltà nei due tipi di latte. Questo fenomeno è dovuto alla presenza delle particelle di grasso disperse nel latte intero e parzialmente scremato e agli agglomerati di proteine che ostacolano il percorso delle molecole di colorante (figura 6).
Figura 6: confronto della diffusione del colorante nell’acqua,
nel latte parzialmente scremato e nel latte intero
2.2 Diffusione di colorante nel latte in presenza di tensioattivi
- Preparare il latte parzialmente scremato in un contenitore B, il latte intero in un contenitore B e il latte senza lattosio in un contenitore D (ricoprire il fondo dei contenitori almeno di 1 cm)
- 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 che dal punto centrale si allontana istantaneamente verso il bordo del contenitore (figura 7 e video allegato).
Figura 7: confronto della diffusione del colorante nel latte parzialmente scremato,
nel latte intero e nel atte senza lattosio in presenza di tensioattivo
Video 1: colorante nell’acqua ed effetto tensioattivo
Il detergente (tensioattivo), per le sue caratteristiche bipolari (testa polare e coda idrofobica), indebolisce i legami chimici che tengono le proteine e i grassi in soluzione. La gocciolina di grasso costituita da una parte idrofila rivolta verso l’acqua e le code verso la regione interna viene ricoperta dal tensioattivo (figura 8).
Figura 8: gocciolina di grasso circondata da molecole di tensioattivo
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 ripetuta su diversi tipi di latte evidenzia che il movimento del colorante verso il bordo ha una maggiore intensità per il latte parzialmente scremato e, anche se in minore entità, nel latte senza lattosio perché il trattamento produttivo a cui sono sottoposti riduce la quantità di grassi. È proprio la minor quantità di grasso che favorisce la maggiore dispersione di piccole goccioline nella parte acquosa, per cui queste interagiscono meglio con le molecole dei tensioattivi e subiscono una propulsione rotatoria successivamente trasmessa anche alle molecole di colorante. Nel latte intero invece, dove la frazione di parte grassa è maggiore, viene favorita l’aggregazione delle goccioline di grasso in sfere di maggiori dimensioni con formazione di veri e propri strati per i quali il fenomeno è meno evidente.
Note e storia
Nella classe prima si può trattare anche durante lo svolgimento dell’argomento dei miscugli omogenei ed eterogenei e l’investigazione sulle sostanze grasse presenti nel latte per consentire di consolidare quanto appreso sul latte come emulsione ossia una miscela stabile di sostanze che normalmente non si mescolano tra di loro.
L’attività relativa alla diffusione del colorante e il particolare comportamento delle sostanze grasse in presenza del tensioattivo può essere anche ripresa in classe seconda per comprendere l’azione della bile che, per emulsionare i grassi e consentire l’assorbimento, funziona da tensioattivo.
Bibliografia
Autori
Margherita Sivo, I.C. “Papa Giovanni XXIII – Capozzi – Galilei”, Valenzano (BA)
Annalisa Tasselli, I.C. “G. Masi”, Cavezzo (MO)
Ha contribuito all’ottimizzazione dell’esperimento:
Anna Laura Pojaghi, I.C. di Olginate, Olginate (LE)