Scopo degli esperimenti

Studiare il movimento delle particelle di diverse sostanze a diversi stati della materia.

ø  Esperimento n°1 :  L'agitazione molecolare in una soluzione

Scopo dell'esperimento

Studiare ciò che avviene quando un sale passa in soluzione nell'acqua

Materiale occorrente

Cristalli di Permanganato di potassio (KMnO₄)

Due cilindri graduati con fondoscala  (250 2) ml

Treppiedi

Termometro

Bunsen

Becher

Acqua distillata

Pinze

Procedimento operativo

Riempiamo un becher con 250 ml d'acqua distillata, lo poniamo sulla fiamma del bunsen e posizioniamo al centro del recipiente un termometro senza fargli toccare i bordi, che potrebbero avere una temperatura diversa da quella dell'acqua, comportando quindi un'erronea interpretazione delle temperature. Quando l'acqua raggiungerà la temperatura di 50°C, spostiamo la fiamma e, utilizzando le pinze versiamo l'acqua nel cilindro graduato.

Riempiamo poi un altro cilindro d'acqua distillata a temperatura ambiente (circa 15°C).

Per immergere i cristalli del permanganato di potassio, utilizziamo un tubo di vetro poggiato sul fondo del contenitore dentro cui infiliamo il sale per poter osservare la diffusione delle particelle solo dopo che queste si sono depositate sul fondo del cilindro. Per estrarre il tubo senza lasciare una scia del sale nel tirarlo fuori, tappiamo un'estremità con un dito.

Verifichiamo in quanto tempo il sale dopo essersi solubilizzato, colora l'acqua.

Non utilizziamo temperature molto alte perché i cilindri non le sopportano, ma facciamo in modo che la differenza tra le due temperature sia rilevante.

Ci poniamo il problema di tappare o no il cilindro, perché l'acqua potrebbe evaporare, ma non sappiamo se in maniera rilevante. Metà della classe copre il cilindro con una pellicola trasparente, l'altra metà no.

Abbiamo quindi osservato il comportamento della miscela al variare di diversi parametri:

acqua fredda

acqua calda

cilindro aperto

cilindro chiuso

Osservazioni

Il permanganato di potassio, si scioglie più velocemente nel cilindro contenete acqua calda. Noi non abbiamo coperto il cilindro e non abbiamo rilevato grandi differenze con quelli dei gruppi che invece lo avevano fatto.

Nell'ambito di gruppi con acqua alla stessa temperatura, l'intensità di colorazione non è la stessa.

Conclusioni

Il permanganato di potassio si è disciolto in entrambi i cilindri distribuendosi uniformemente in tutta la soluzione. Da ciò possiamo dedurre che le particelle si siano diffuse dopo essersi disgregate, poiché non rimane traccia del cristallo. Perché è successo ciò?

Ipotizziamo che ogni molecola abbia una propria energia cinetica (cioè di movimento) per cui si muove tanto più velocemente quanto maggiore è l'energia che possiede.

Se il nostro modello è verosimile, nel cilindro è successo ciò che segue: le particelle del permanganato hanno una certa energia che però non è sufficiente per staccarsi (rimangono infatti unite un unico cristallo) cercano insomma di superare il legame che le tiene unite, ma non ci riescono. Però non abbiamo solo le molecole di KMnO₄, ma anche quelle di H₂O: che siano queste la causa della solubilizzazione del cristallo? Come le particelle del cristallo, anche quelle d'acqua avranno una loro energia cinetica, ma essendo allo stato liquido, avranno una maggiore libertà di movimento (sappiamo che nei liquidi i legami tra le molecole sono meno forti che nei solidi) così si muoveranno ed urteranno anche contro le molecole vicine. Se queste ultime sono le molecole del cristallo, avremo una collisione.

Come un forte urto tra due automobili determina un danno, così le collisioni tra H₂O e KMnO₄ determinano una trasferimento di energia dalle molecole d'acqua a quelle del permanganato. In questo modo, le molecole del permanganato vengono a possedere un'energia sufficiente a "staccarsi" dal cristallo e ad entrare in movimento nella soluzione insieme alle molecole d'acqua colorando la soluzione. Il processo di solubilizzazione è in genere molto lento perché, a bassa temperatura, sono poche le molecole del solvente che urtano il cristallo con energia sufficiente a portare in soluzione il sale. Proprio per questo, quando dobbiamo sciogliere un sale in un liquido, per accelerare il processo di scioglimento, forniamo maggiore energia alle molecole agitando.

Quando il processo di diffusione termina, la diffusione più probabile è quella uniforme poiché il movimento delle molecole d'acqua è casuale e più in generale tutti i sistemi, quando sono sottoposti ad un cambiamento, tendono alla situazione più probabile.

Nell'acqua calda all'energia cinetica delle molecole si aggiunge anche quella fornita riscaldando la soluzione. Avremo quindi:

Un maggior numero di particelle di H₂O che possiede energia cinetica sufficiente a rompere i legami del cristallo di permanganato;

Una maggior energia anche nelle particelle di KMnO₄ che in questo modo riescono a sciogliere più velocemente i legami che le tengono unite.

Come abbiamo appunto osservato nel nostro esperimento, dove il cristallo immerso nell'acqua calda passa in soluzione più velocemente che nel cilindro contenente acqua a temperatura ambiente. Questo naturalmente vale solo per un breve periodo di tempo, perché anche l'acqua calda si raffredda, essendo posta in un ambiente più freddo, ma la nostra ipotesi trova conferma nei primi minuti del processo, dove abbiamo visto la soluzione colorarsi rapidamente. Notiamo inoltre una maggiore concentrazione del colore violetto, caratteristico del permanganato al centro del cilindro; ciò può essere giustificato dal fatto che le pareti si raffreddano più velocemente, per cui l'agitazione in quei punti è minore.

Riguardo al cilindro tappato o no, l'acqua evaporata non ha avuto peso sulla riuscita dell'esperimento perché probabilmente le restanti molecole di H₂O erano sufficienti per rompere i legami del permanganato di potassio.

Per quanto riguarda invece l'intensità di colorazione ottenuta dai diversi gruppi, possiamo giustificare il fatto perché i cristalli utilizzati non erano tutti delle stesse dimensioni, quindi la superficie di contatto acqua/sale è maggiore ed un numero maggiore di molecole di permanganato è sottoposto agli urti delle molecole d'acqua.

ø  Esperimento n°2: La diffusione molecolare dei gas

Scopo dell'esperimento

Studiare la diffusione molecolare di due gas, l'acido cloridrico e l'ammoniaca

Materiale occorrente

Cronometro con risoluzione di 0,2 s.

Squadra con fondoscala di 30,0 cm e risoluzione di 0,1 cm.

Cristallizzatore

Acido cloridrico concentrato (HCl)

Ammoniaca (NH₃)

Due tappi di sughero

Tubo di vetro

Cartoncino nero

Descrizione dell'esperimento:

Le soluzioni delle due sostanze vengono fornite dentro due bottigliette, dotate di contagocce per il dosaggio. Durante l'esperimento, indossiamo guanti e maschera per proteggere occhi e mani visto che lavoriamo con sostanze molto pericolose (l'acido cloridrico è altamente corrosivo). Poiché inoltre le due sostanze hanno un odore pungente e soffocante, le bottiglie vanno tenute ben chiuse.

Il cloruro d'ammonio è molto solubile, per cui il tubo deve essere perfettamente asciutto: per asciugarlo, facciamo passare un batuffolo di cotone legato ad uno so all'interno, mentre l'esterno viene asciugato con la carta.

Prepariamo due batuffoli di cotone idrofilo. Prendiamo le pinzette e mettiamo contemporaneamente 3-4 gocce di ammoniaca in un batuffolo inserito da una parte e 3-4 di HCl dall'altra parte. Non appena abbiamo tappato le due estremità con due tappi di sughero (in modo che le molecole possano muoversi solo in una direzione), facciamo scattare il cronometro e attendiamo la reazione.

In base alle deduzioni fatte nel precedente esperimento, dovremmo avere un flusso di particelle dalle zone in cui la concentrazione è maggiore (nei batuffoli di cotone) alle zone in cui è minore (il resto del tubo), in modo da formare una distribuzione finale omogenea. Quando le particelle delle due sostanze si incontreranno, reagiranno tra loro, formando un anello di cloruro d'ammonio, un sale bianco visibile ad occhio nudo, soprattutto perché poniamo il tubo sopra un cartoncino nero, creando così un maggiore contrasto.

A questo punto misuriamo la distanza dell'anello dai due batuffoli e calcoliamo le velocità delle particelle delle due sostanze. Sempre per evitare vapori eccessivi, passando da una prova all'altra (le prove infatti vanno ripetute molteplici volte, per essere sicuri di ottenere risultati tra loro compatibili, escludendo così incertezze casuali) mettiamo i batuffoli di cotone utilizzati nel cristallizzatore pieno d'acqua.

Raccolta dei dati

Elaborazione dei dati

Osservazioni

Come vediamo dall'elaborazione dei dati, le particelle di ammoniaca hanno velocità maggiore di quelle dell'acido cloridrico. Diamo un'occhiata ai pesi atomici delle due sostanze:

L'ammoniaca (peso formula 17) è evidentemente più volatile dell'acido cloridrico (peso formula 36), per cui le sue particelle sono più leggere e si muoveranno più velocemente. Supponiamo quindi che il peso di una sostanza sia uno dei probabili fattori che determinano la velocità delle particelle e la loro conseguente diffusione.

ø  Esperimento n°3: La diffusione di una sostanza liquida all'interno di un  materiale poroso

Scopo: Vedere come l'acido tende ad entrare per diffusione nel materiale poroso costituito da agar e ammoniaca, con l'aggiunta del rosso fenolo.

Materiale occorrente

- gelatina (agar + l'indicatore "rosso fenolo"+Ammoniaca)

- spatolina  

- righello

- cristallizzatore

- acido cloridrico (HCl)

- cronometro

Procedimento operativo

Prendiamo la gelatina e, armati di spatola e righello, costruiamo tre cubi, con il lato rispettivamente di 0.5cm,1cm e 2 cm. Dopo aver  depositato i tre solidi all'interno del cristallizzatore, separati l'uno dall'altro, versiamo su di essi l'HCl, in modo che non appena l'acido li sommerge, facciamo partire anche il cronometro. L'acido, diffondendosi all'interno del cubetto, reagirà con l'ammoniaca, decolorandolo.

Rileviamo quindi i tempi che l'acido impiega a diffondersi all'interno di ogni cubetto, il tempo cioè in cui i cubetti si decolorano.

Osservazioni

La gelatina è un materiale poroso, già imbevuto d'acqua, deve essere visto come un setaccio, un labirinto tridimensionale costituito da spazi nei quali le sostanze possono scambiarsi(entrare e uscire) per diffusione.

I cubetti sono impregnati dell'indicatore rosso fenolo che assieme all'ammoniaca da alla gelatina un colore rosso acceso; immergendoli nell'HCl, quest'ultimo reagisce con l'ammoniaca e i cubetti diventano di colore arancio.

Rilevamento dei dati

Elaborazione ed osservazione dei dati

Dai grafici e dai dati raccolti, possiamo vedere come esista una correlazione positiva tra il lato, la superficie e il volume del cubetto di gelatina ed il tempo impiegato dall'acido per diffondersi; ciò è ragionevole, perché all'aumentare del volume, anche se ha una maggiore superficie attraverso cui passare, un maggior numero di particelle dovranno entrare per decolorare la soluzione.