Chimica domestica: solventi e smacchiatori Teach article

Spiegare la chimica: i prodotti casalinghi come l’acetone ed il detersivo per il bucato possono essere usati per dimostrare dei concetti chimici come le forze intermolecolari e le reazioni redox.

Associare l’insegnamento delle scienze alle esperienze personali e di vita quotidiana degli studenti può spronarli ad impegnarsi e comprendere la chimica. Questo articolo descrive degli esperimenti semplici con prodotti che possono essere trovati o a casa o al supermercato. Le attività coprono diversi concetti chimici: forze intermolecolari, reazioni redox e le proprietà dei solventi.

Tutte le proposte possono essere adattate a diversi livelli scolastici, dai 13 ai 18 anni, e possono essere utilizzati per diversi metodi di insegnamento (per esempio, lavoro di gruppo, apprendimento per casi-studio).

Attività 1: Scoprire le forze molecolari con l’acetone per unghie

Esperimento 1: Analizzare il solvente acetone

L’acetone è il sovente usato solitamente per rimuovere lo smalto dalle unghie, anche se a volte si usa l’ alcol (etanolo). Il punto di ebollizione di questi due liquidi è inferiore a quello dell’acqua. Tale caratteristica li rende dei liquidi volatili.

Occorrente

• 2ml di acqua, acetone ed etanolo
• Palloncini di colori differenti, uno per ogni liquido
• Contenitori da 600ml o più grandi per ogni palloncino
• Acqua molto calda (sufficiente a riempire per metà i contenitori)

Procedimento

1. Portare l’acqua a circa 80 gradi direttamente nei contenitori. Oppure usare un bollitore e riempire i contenitori per metà.
2. In ogni palloncino, inserire 2ml circa di uno dei liquidi. Chiudere bene il palloncino.
3. Immergere il palloncino nell’acqua calda. Si gonfieranno a seconda della facilità di volatilizzazione del liquidi all’interno.

4. Spiegare i risultati riferendosi all’intensità delle forze intermolecolari tra le molecule dei solventi.

Un’alternativa è inserire alcuni millilitri di ogni liquido in delle provette. Pallocini di diverso colore sono posizionati su ogni provetta ed ogni provetta è immersa in acqua calda. Più i liquidi sono volatili più si gonfiano i palloncini.

Discussione

Discutere le seguenti domande con gli studenti per esplorare i concetti chiave:

• Quale palloncino si gonfia più velocemente?
• In quale palloncino pensi che le forze molecolari del solvente siano più deboli?
• Confrontando le strutture di 3 sostanze (acetone, etanolo e acqua), quale molecole formano legami idrogeno?

Spiegazione

Nei liquidi volatili, i legami tra le molecole sono più deboli di quelli tra le molecole d’acqua.

In questo caso, i legami più deboli sono dovuti ad una minore polarità delle molecole. E’ il caso di interazioni molto deboli, come le forze di London (dipoli indotti) facenti parte delle forze di van der Waals e legami idrogeno.

Esperimento 2: Dimostrazione di tre proprietà dell’acetone

Questa dimostrazione richiede qualche goccia di acetone. Per una dimostrazione più efficace, è meglio diminuire la luminosità della stanza.

Occorrente

• Tubo in PVC, lungo circa 2 m e con un diametro di 2 cm, sistemato a mo’ di spirale
• Quattro supporti con morse da laboratorio
• Filo
• Acetone

Procedimento

1. Posizionare i supporti a circa 40 cm uno dall’altro a formare un quadrato.
2. Posizionare il tubo in PVC a mo’ di spirale rivolta verso il basso e fissarlo con del filo.
3. Posizionare una piccolo candela accesa all’estremità del tubo.

4. Versare circa 1-2 ml di acetone nell’estremità superiore del tubo.
5. Dopo alcuni secondi, osservare una fiamma di colore blu percorrere il tubo.

Discussione

Discutere le seguenti domande assieme agli studenti per esplorare i concetti chiave:

• Perchè la fiamma sale lungo il tubo?
• Le lettere in basso stanno per acetone volatile densità combustione. Come questo esperimento dimosta queste tre proprietà dell’acetone?

Spiegazione

Inizialmente l’acetone si volatilizza, poi l’acetone allo stato di vapore, avendo una densità maggiore dell’aria (acetone: ρ = 2.4 g/l; aria: ρ = 1.1 g/l, in condizioni standard), scende lungo il tubo ed è acceso dalla fiamma a causa del mix di acqua ed acetone allo stato di vapore creato al’interno del tubo.

Attività 2: Sperimentare la chimica delle reazioni redox con agenti smacchianti

Occorrente

Procedimento

1. Preparare 3 provette:
   Provetta 1: 1M NaOH (1ml) + H₂O₂ (1 ml)
   Provetta 2: acqua (1 ml) + una punta di spatola di perborato di sodio
   Provetta 3: acqua (1ml) + una punta di spatula di pastiglie all’ossigeno attivo

2. Riscaldare delicatamente il tubo 2.
3. Aggiungere 5 gocce di iodioprovidone in ogni provetta.
4. Annotare ciò che succede in ogni provetta.

Discussione

Discutere le seguente domande con gli studenti per esplorare  concetti chiave:

• Spiegare gli effetti dell’aggiunta del perborate di sodio nel secondo tubo
• Spiegare gli effetti dell’aggiunta della pastiglia di ossigeno attivo (con percarbonato di sodio) nel terzo tubo
• I “detersivi ecologici” contengono percarbonato di sodio. Fornire una ragione del perchè questi prodotti sono considerati migliori per l’ambiente rispetto a quelli con perborato di sodio. Suggerimento: Prendere in considerazione la temperatura.

Spiegazione

Lo iodioprovidone è un composto chimico idrosolubile formato da polivinilpirrolidone con lo iodio.

Le molecole di iodio, che conferiscono il colore marrone alla soluzione di iodioprovidone, reagiscono con H₂O₂ formando acido iodidrico, incolore.

In ogni tubo, si vede la formazione di bolle gassose. Questo gas è l’ossigeno generato dalla decomposizione del H₂O₂ a seguitodella reazione con lo iodio.

Provetta 1

Ossidazione:     H₂O₂ (aq) + 2 OH⁻ (aq) → O₂ (g) + 2 H₂O (l) + 2 e⁻
Riduzione:     2 e⁻ + I₂ (aq) → 2 I⁻ (aq)

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Reazione Completa: H₂O₂ (aq) + I₂ (aq) + 2 OH⁻ (aq) → O₂ (g) + 2I⁻ (aq) + 2H₂O (l)     

Aggiungiamo alcune gocce di idrossido di sodio per rendere il mezzo alcalino. Altrimenti la reazione non avviene.

Provetta 2

Inizialmente, avviene una reazione di decomposizione dello ione perborato che si dissolve in acqua e poi il perossido di idrogeno formato reagisce con il complesso dello iodioprovidone. Il perborate di sodio può agire come candeggina e produrre, dalle molecole di perborate, ossigeno in soluzione, solo quando reagisce ad una temperatura maggiore o uguale a 60 °C.

NaBO₃ (aq) + H₂O (l) → NaBO₂ (aq) + H₂O₂ (aq)

Quando il perossido di idrogeno reagisce con lo iodio, come prima:

Ossidazione: H₂O₂ (aq) + 2 OH⁻ (aq) → O₂ (g) + 2 H₂O (l) + 2e⁻
Riduzione: 2e⁻ + I₂ (aq) → 2I⁻ (aq)

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Reazione Completa: H₂O₂ (aq) + I₂ (aq) + 2 OH⁻ (aq) → O₂ (g) + 2 I⁻(aq) + 2 H₂O (l)

Provetta 3

Quando il sodio percarbonato si dissolve in acqua, si decompone in due sostanze: il carbonato di sodio (un surfattante che migliora la sua efficacia come detergente) e il perossido di idrogeno.

Neutrex è un detergente fortemente basico che contiene percarbonato di sodio, i risulati dunque sono gli stessi di quelli visti nella seconda provetta. La natura alcalina di queste sostanze non richiede l’aggiunta di idrossido di sodio nella provetta affinchè la reazione possa avvenire.

I detersivi ecologici contengono percarbonato di sodio, che funziona in acqua fredda. Non è quindi richiesto il calore, rendendo il processo di lavaggio più sostenibile.

Na₂CO₄ (aq) + H₂O (l) → Na₂CO₃ (aq) + H₂O₂ (aq)

Il perossido di idrogeno reagisce con lo iodio come prima.

Ringraziamenti

Gli esperimenti di questo articolo sono stati sviluppati dagli autori e modificati da procedimenti riportati da altri autori^[1–3] concambi nei prodotti e nel contesto in cui gli esperimenti sono stati effettuati.

Tutti gli esperimenti sono stati effettuati in classe da studenti di una scuola superiore e presentati come workshop al congresso della French Union of Physics and Chemistry Teachers (UdPPC) a Bordeaux nel 2018 e al congresso della Belgian Association of Physics and Chemistry Teachers (ABPPC), a Louvain la Neuve (2017).

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