Schede di laboratorio

Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
TEMA 1-
Dov’è l’acqua?-
Per cominciare ...
Tutti sappiamo che l’acqua si trova in mari e oceani, nei laghi, nei fiumi, nelle pozzanghere ...
Altra acqua si trova sotto forma di neve o ghiaccio alle quote più elevate in montagna, o avvicinandosi ai poli nord e sud della Terra. Altra ancora nelle nuvole e nella nebbia. Ma c’è
anche dell’acqua che ... non si vede: dov’è?
Come molte sostanze, per esempio l’ossigeno e il carbonio, anche l’acqua presenta un suo ciclo bio-geo-chimico: l’acqua, cioè, subisce trasformazioni successive per ritornare al punto
di partenza, intervenendo nei processi chimici (come solvente o reagente), geologici (penetra nel terreno e finisce nelle falde) e biologici (entra ed esce dagli organismi viventi).
Il ciclo dell’acqua e il mondo dei viventi
Già dalla scuola dell’infanzia si impara a seguire il destino della goccia-Lina, che parte di solito dal mare, sale in cielo, forma le nuvole e così via, per poi ritornare da dove era partita.
Nel presentare anche ai più grandi il ciclo dell’acqua - di cui mostriamo uno dei tanti schemi
ben noti – viene spesso trascurato proprio l’aspetto “bio-“, quasi fosse cosa di poco conto!
Tutt’al più, ci si spinge a considerare la traspirazione della vegetazione.
In realtà, tutti gli esseri viventi entrano nel ciclo dell’acqua, compresi noi stessi. Basti pensare che in un giorno un uomo adulto produce circa un litro e mezzo di urina, costituita soprattutto di acqua; e poi, perdiamo acqua respirando e, soprattutto, sudando. Considerando
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Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
che sulla Terra ci sono più di 6 miliardi di esseri umani, e facendo il conto di quasi due litri
a testa di ricambio idrico, ogni giorno almeno 12 milioni di metri cubi di acqua “passano” nella specie umana: quanto basta per riempire un piccolo lago ... Tutta l’acqua “persa” deve essere recuperata: per questo beviamo.
Per capire l’importanza dell’acqua, basti pensare che, anche se non ci facciamo caso, è quasi
più importante del cibo: possiamo resistere diversi giorni senza mangiare (anche se ci viene
senz’altro una fame da lupi ...), ma solo 3-4 giorni senza bere!
L’acqua e l’origine della vita
Da quanto si conosce, sembrerebbe proprio che le prime forme di vita, le più semplici (per
quanto semplici possano essere ...) si siano sviluppate nell’acqua grazie a molte sue proprietà, che in parte si incontreranno nei Temi successivi.
E la vita fuori dall’acqua ... beh, in realtà gli organismi si sono “inventati” diverse soluzioni
per portare l’acqua sempre con sè: i semi germogliano solo se c’è acqua, i pulcini sbucano
dall’uovo fradici di acqua, i neonati hanno passato un po’ di mesi in un “acquario” privato.
Nel suolo, per esempio, vivono alghe e organismi unicellulari ciliati, come i protozoi, che
“nuotano” sfruttando il sottilissimo velo d’acqua che ricopre le particelle del terreno; di
fatto anche questi restano organismi acquatici.
Il mondo in una goccia
Osservando al microscopio una goccia
d’acqua, prelevata dopo aver lasciato a
macerare in acqua per qualche giorno,
in ambiente tiepido, un po’ di erba o
una buccia di banana, possiamo osservare tantissimi piccoli organismi: sono
soprattutto unicellulari, come il noto
paramecio della foto a fianco. In realtà erano presenti sull’erba o sulla buccia anche prima, sotto forma di uova
durature o strutture “d’emergenza”,
come spore o cisti, e hanno ripreso la
vita attiva all’arrivo dell’acqua. L’inizio della decomposizione del materiale vegetale, poi, ne
ha favorito il rapido sviluppo.
Acqua non per caso
L’acqua, quindi, sembrerebbe fatta apposta per la vita: anche sul pianeta Marte si cercano
tracce di acqua per ipotizzare la presenza, attuale o passata, di forme di vita.
Gli esseri viventi sembra che “conoscano” molto bene tutte le caratteristiche dell’acqua, e
che riescano a sfruttarle al meglio.
L’acqua non solo entra ed esce da ciascun organismo, ma...
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SCHEDA 1Organismi fatti ... d’acqua
Per cominciare ...
Un etto di carne fresca da cucinare o un etto di prosciutto cotto? Un pezzo di formaggio
grana o la mozzarella? Un quintale di fieno o un quintale di paglia? In quali casi si “mangia”
di più?
Cosa serve
Una discreta quantità di erba fresca, del peso di almeno 300 g – una bilancia per cucina.
Come fare
1. Pesare l’erba fresca ed annotare con cura la misura.
2. Metterla a seccare su un termosifone per una giornata intera, oppure in forno aperto a
temperatura molto moderata per un’ora circa, o a bagnomaria per un paio d’ore.
Se è estate, distenderla in pieno sole per un paio di giorni.
3. Pesare con maggior accuratezza possibile l’erba dopo l’essiccazione e calcolare la differenza rispetto al peso iniziale.
Cosa succede
Durante l’esposizione al calore, l’erba si
è progressivamente rinsecchita, perdendo anche un po’ di colore. La differenza di peso tra l’erba fresca e quella
secca è notevole.
Ragioniamo insieme
L’acqua negli organismi
Il peso degli esseri viventi è in buona parte dovuto all’acqua
presente al loro interno, che spesso conta ben più della metà!
Si passa dal 95-98% di acqua presente nelle meduse, all’84%
nei lombrichi, a circa il 66% nell’uomo adulto.
Se l’esperienza proposta viene ripetuta con una pianta acquatica
o con alghe, si osserverà una perdita di acqua ancora più consistente, perché in acqua i vegetali mancano quasi del tutto di
strutture di sostegno, come le parti legnose dei vegetali terrestri.
Questa medusa (Craspedacusta sowerbyi) vive nelle acque dolci, dove compare solo saltuariamente.
Cosa si è perso durante l’essiccazione?
Come tutti gli organismi viventi, l’erba
contiene molta acqua; quando viene
esposta al calore, l’acqua evapora e si
disperde nell’aria. L’erba, quindi, ha
perso acqua, in quantità corrispondente
alla diminuzione di peso. Una diminuzione di peso di 100 g corrisponde a 100
ml di acqua, cioè mezzo bicchiere.
Nella carne fresca c’è ancora tanta acqua, almeno la metà in peso, mentre il
prosciutto ne contiene molto meno; lo
stesso vale per la mozzarella (con tanta
acqua) ed il formaggio grana, oppure
per il fieno e la paglia.
Se abbiamo fame, meglio mangiare, a parità di peso, il prosciutto o il grana (l’erba lasciamola alle mucche!).
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TEMA 2-
Acqua, ghiaccio, vapore: attenti ai termini!-
Per cominciare ...
E’ corretto dire che i ghiacciai “si sciolgono” per effetto del riscaldamento del clima?
Che fine fa l’acqua di un bicchiere dimenticato per alcuni giorni in qualche luogo della casa?
Da dove arriva la rugiada?
SCHEDA 2-
L’acqua diventa “rigida” e …
Cosa serve
Acqua del rubinetto – bottiglia di plastica vuota (per esempio, bottiglia da mezzo litro per
acqua minerale) – freezer – forbici - pennarello.
Come fare
Tagliare con le forbici poco sopra la metà della bottiglia, in modo da ottenere un contenitore cilindrico per l’acqua (meglio staccare prima l’etichetta).
2. Versare acqua fino a riempire circa i due terzi
del contenitore e segnare con un pennarello il livello raggiunto dall’acqua.
3. Introdurre il contenitore con l’acqua nel freezer.
4. Dopo qualche ora togliere il contenitore dal freezer ed osservare i cambiamenti avvenuti.
La vita e la temperatura
1.
Cosa succede
L’acqua, che prima era liquida, è diventata solida e si
nota toccandola: si è formato il ghiaccio.
Il livello raggiunto dal ghiaccio è superiore a quello
segnato con il pennarello, corrispondente al volume
occupato dal liquido.
Ragioniamo insieme
Per effetto del raffreddamento, nel freezer si è ottenuto il passaggio dallo stato liquido a quello solido.
Durante tale “passaggio di stato”, che avviene intorno a 0°C, l’acqua aumenta di volume (vedi BOX di
approfondimento).
Per una sostanza, il passaggio da liquido a solido viene detto solidificazione.
Il comportamento dell’acqua è un’eccezione: la maggior parte delle sostanze , infatti, subisce una contrazione di volume dopo la solidificazione.
SCHEDA 34
Per quanto conosciamo, nell’universo la
temperatura ha variazioni enormi: dal cosiddetto “zero assoluto”, circa -273°C
(sotto zero!) a diversi milioni di gradi
nelle stelle, e quindi anche nel sole. Nella
teoria del big bang sull’origine dell’universo, si immagina una temperatura iniziale di 10 miliardi di gradi!
Ma la vita è possibile solo in un intervallo ben più ristretto: oltre i 60-70°C le
proteine, componenti fondamentali di tutti gli organismi, si “rompono”, e sotto
zero ... come abbiamo visto, l’acqua
ghiaccia. Siccome gli esseri viventi sono
fatti almeno per metà di acqua, ghiaccerebbero anch’essi!
Come sempre succede nel mondo biologico, ci sono le solite eccezioni, come alcuni batteri che vivono a quasi 200°C o
che sopravvivono a temperature vicine
allo zero assoluto. In questo secondo
caso non si tratta di vita attiva, ma di particolari strutture di resistenza che consentono la sopravvivenza, in attesa di condizioni favorevoli.
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L’acqua non si “scioglie”
Cosa serve
Cubetti di ghiaccio – bicchiere o contenitore utilizzato nell’esperienza precedente.
Come fare
1. Prendere dal freezer una manciata di cubetti di ghiaccio e trasferirli in un bicchiere o
in un altro contenitore.
2. Dopo un’ora osservare i cambiamenti avvenuti. In alternativa, seguire il procedimento
indicato nell’esperienza precedente e lasciare poi il contenitore a temperatura ambiente
per un’ora.
Cosa succede
Il ghiaccio inizia a fondere e si ottiene acqua allo stato liquido.
All’inizio le due fasi, cioè il solido e il liquido, coesistono. Col passare del tempo aumenta la
quantità di liquido, fino alla completa fusione del ghiaccio.
Se si segue il procedimento alternativo, si può osservare chiaramente la contrazione di volume: quando tutto il solido è tornato liquido, si ritorna al livello segnato con il pennarello.
Ragioniamo insieme
Lasciando il ghiaccio a temperatura ambiente si ha un riscaldamento lieve e costante, che
provoca il passaggio allo stato liquido.
Il passaggio da solido a liquido è detto fusione. Affermazioni del tipo “il ghiaccio si scioglie”
e altre del genere non sono corrette: dovremmo sempre usare il termine “fonde”, quando
indichiamo il passaggio di stato solido-liquido.
Quando un metallo viene scaldato fino a diventare liquido si parla comunemente (e correttamente) di “fusione”; nelle ricette di cucina si legge che il burro viene “fuso”.
Lo stesso linguaggio deve essere utilizzato per l’acqua, perché si tratta dello stesso tipo di
cambiamento di stato.
SCHEDA 4L’acqua “scompare”
Cosa serve
Caraffa graduata da cucina - contenitori di forma diversa, in modo che abbiano l’imboccatura di ampiezza differente (bicchiere, vassoietto, padella, sottovaso, vaso alto a collo stretto) – pentolino di metallo - fornello elettrico.
A) L’acqua scompare ... da sola
Come fare
Riempire ciascun contenitore con circa 400 mL di acqua del rubinetto, utilizzando la
caraffa graduata. (In alternativa, per semplificare il procedimento utilizzare la caraffa direttamente come contenitore.)
2. Lasciare in un luogo appartato del laboratorio o dell’aula per un paio di giorni o più i
diversi contenitori.
1.
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3.
Dopo tre-quattro giorni osservare e confrontare i volumi di acqua rimasti in ciascun
contenitore.
Cosa succede
Già dopo due giorni, se l’ambiente è abbastanza
caldo, si osserva una diminuzione del livello dell’acqua. Aspettando un periodo di tempo sufficientemente lungo, si può osservare la completa
“scomparsa” del liquido.
Se si confrontano i volumi di acqua rimasti nei vari
contenitori, si osserva che il volume minore è
quello del contenitore con più ampia superficie
esposta all’aria (in questo contenitore si è “persa”
più acqua): sarà proprio questo il contenitore che,
attendendo quanto basta, si “svuoterà” per primo.
Ragioniamo insieme
L’acqua ha subito un passaggio di stato da liquido
ad aeriforme che viene detto evaporazione.
Se il liquido evapora da un contenitore aperto, il
suo volume diminuisce gradualmente fino a scomparire: le particelle che costituiscono il liquido,
evaporando, passano nell’atmosfera e si disperdono.
L’evaporazione è tanto maggiore quanto più grande
è la superficie di acqua a contatto con l’aria.
L’acqua “scompare”
anche dagli organismi
I vegetali consumano acqua per la fotosintesi clorofilliana, ma ne perdono anche
attraverso le foglie per “evapotraspirazione” e tendono ad appassire.
Senza considerare la produzione di urina,
negli animali l’acqua “scompare” con la
respirazione: l’aria inspirata entra in contatto con un ambiente “bagnato” (vi ricordate che abbiamo detto che gli organismi terrestri hanno trovato il “trucco” per
portare l’acqua sempre con sè?) e viene
espirata carica di umidità (vapore acqueo), prosciugando le mucose. Quando
parliamo tanto, o quando abbiamo il raffreddore e siamo costretti a respirare con
la bocca aperta, si “secca” la gola, cioè le
mucose che rivestono il cavo orale e le
vie respiratorie si disidratano.
B) L’acqua scompare ... con un aiuto
Come fare
Riempire per metà con acqua un becher o un pentolino e metterlo a scaldare su fornello elettrico.
2. Continuare il riscaldamento finché si ottiene una significativa riduzione del volume
del liquido.
1.
Cosa succede
A un certo punto si osserva sul fondo e sulle pareti del pentolino la formazione di bollicine di vapore che salgono dalla base del contenitore, arrivano in superficie e si rompono. Procedendo con il riscaldamento il fenomeno si estende a tutto il liquido.
Ragioniamo insieme
Si è verificato ancora un passaggio di stato da liquido ad aeriforme, ma in questo caso si
tratta dell’ebollizione.
Le bollicine che si osservano sono costituite da acqua allo stato di vapore, che si diffonde nell’ambiente.
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Se l’ebollizione viene prolungata nel tempo, si può giungere alla completa scomparsa del
liquido.
E poi …
Per raggiungere l’ebollizione il liquido viene riscaldato in modo più energico ed il fenomeno
riguarda tutte le particelle del liquido.
Nell’evaporazione, invece, il passaggio di stato
riguarda solo le particelle alla superficie. Se si
provvede ad aumentare la temperatura del liquido, si avrà un’evaporazione più veloce.
Per abbandonare il liquido e passare allo stato
aeriforme le particelle ricevono l’energia necessaria o dall’aria ambiente (il liquido evapora
lentamente) o tramite il fornello (il liquido
“bolle”).
Condensazione e organismi
La condensazione è molto importante per piccoli animali, soprattutto artropodi (insetti e ragni),
che si trovano a disposizione acqua liquida senza che sia piovuto.
SCHEDA 5L’acqua “ricompare”
Cosa serve
Lattina
contenente
una
bibita
–
frigorifero/freezer – carta assorbente – un
foglio di cartoncino chiaro.
Come fare
Mettere la lattina nel congelatore per almeno un paio d’ore (o nel frigorifero il
giorno precedente l’esperienza).
2. Estrarre la lattina, asciugarla rapidamente
con carta assorbente e lasciarla per quindici minuti sul banco, appoggiandola sul foglio di cartoncino.
3. Osservare cosa succede.
1.
Cosa succede
La lattina, dopo un po’ di tempo, appare ricoperta da goccioline di liquido. Il cartoncino risulta bagnato.
Ragioniamo insieme
Le goccioline presenti sulla superficie della
lattina non sono altro che acqua; da dove può
essere arrivata? Certamente non dalla lattina,
che è chiusa e, comunque, contiene una bibita!
Alcuni invertebrati, poco protetti dalla disidratazione, hanno abitudini notturne non solo perché
di notte la temperatura è inferiore, ma anche
perché l’umidità è più elevata, tanto che talvolta
si arriva alla condensazione.
Nelle foreste tropicali la densa vegetazione e
l’evaporazione creano situazioni di intensa condensazione, che porta ad un continuo gocciolamento dalle foglie.
Questo fenomeno è facilmente verificabile: basta avvolgere in un sacchetto di plastica trasparente una piccola pianta da appartamento e lasciarla al sole! Dopo poco tempo l’evaporazione
attraverso le foglie (più correttamente chiamata
“evapotraspirazione”) avrà prodotto tanto vapore acqueo da arrivare alla formazione di goccioline di acqua liquida sulla parete interna del sacchetto.
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Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
Anche se non si vede, l’acqua è presente allo stato di vapore nell’aria: a contatto con la superficie fredda della lattina si ha la condensazione, cioè il passaggio dell’acqua da aeriforme a liquida.
E’ lo stesso fenomeno che si osserva all’interno di un’autovettura quando il vetro si appanna
oppure quando si appannano le lenti degli occhiali entrando in casa quando fuori fa freddo.
E poi …
La nebbia e le nuvole non sono fatte di “vapore”, come spesso si dice; l’acqua, infatti, è presente come liquido, cioè come minuscole goccioline disperse e sospese nell’aria.
L’acqua inzuppa anche i suoli e penetra in profondità, costituendo delle riserve: dal sottosuolo possiamo estrarla scavando pozzi.
Nelle sorgenti affiora in superficie acqua presente nel sottosuolo.
SCHEDA 6-
Riscaldo ma … non si scalda
Cosa serve
Ghiaccio e acqua del rubinetto - becher per contenere ghiaccio e acqua liquida – termometro - fornello elettrico.
Come fare
1.
2.
3.
4.
5.
Mettere alcuni cubetti di ghiaccio nel becher e
aspettare l’inizio della fusione (per accelerare il
processo aggiungere un po’ di acqua del rubinetto e
agitare; versare poi la maggior parte dell’acqua nel
lavandino, trattenendo i cubetti di ghiaccio).
Inserire il termometro tra i cubetti e mescolare
delicatamente per raggiungere l’equlibrio termico
tra acqua liquida e ghiaccio. Riscaldare debolmente
con fornello elettrico.
Iniziare a rilevare i valori di temperatura, agitando
delicatamente con il termometro; procedere con le
misurazioni fino a quando tutto il solido si è trasformato in liquido.
Riscaldare il becher e rilevare col termometro la
variazione di temperatura dell'acqua durante il riscaldamento (attenzione: occorre un termometro
con capacità superiore a 100°C).
Portare ad ebollizione e continuare a rilevare i valori della temperatura fino alla scomparsa della
maggior parte dell’acqua.
Un passaggio di stato ... rinfrescante
Molti mammiferi sono in grado di sudare, cioè di emettere all’esterno una soluzione acquosa quando hanno troppo caldo e la temperatura del corpo tende ad innalzarsi.
L’evaporazione del sudore alla superficie
del corpo ne provoca il raffreddamento
perché anche questo passsaggio di stato,
come la fusione e l’ebollizione, assorbe
calore.
All’ombra, al riparo dai raggi solari diretti, la temperatura si abbassa, ma ... c’è
ombra e ombra! In un bosco, per esempio, c’è anche l’evapotraspirazione (a cui
si è già accennato) che assorbe parecchio
calore. Pertanto un bosco può essere paragonato ad una specie di “condizionatore” naturale: all’ombra di un bosco si sta
meglio che all’ombra di un muretto.
Cosa succede
Nonostante si continui a fornire calore, si osserva che la temperatura rimane costante intorno a 0°C durante il passaggio dallo stato solido a liquido, poi aumenta fino all’ebollizione
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(che avviene a circa 100°C) e rimane ancora costante durante tutto il passaggio da liquido a
vapore.
Ragioniamo insieme
Per le sostanze pure durante i passaggi di stato si osserva una “sosta termica”: i valori di
temperatura restano costanti per tutta la durata del passaggio di stato. Il calore fornito
(energia termica) viene utilizzato per vincere le forze che tengono insieme e vicine le molecole. Nella fusione si passa da una struttura rigida a una più libera, dove le molecole possono muoversi pur rimanendo sempre vicine; nell’ebollizione (e nell’evaporazione) le molecole
diventano ancora più libere fino ad uscire dal liquido e allontanarsi l’una dall’altra nello spazio che hanno a disposizione.
E poi …
Proviamo a porre, in due distinte pirofile,
una pentola di acciaio inossidabile e una
quantità d’acqua pari al peso della pentola.
Inseriamo poi le due pirofile in un forno da
cucina portato precedentemente a 100°C.
Toccando la pentola e l’acqua dopo un po’ di
tempo ci accorgiamo che la temperatura dell’acciaio si è innalzata più rapidamente di
quella dell’acqua; dopo altro tempo la pentola
scotta, e l’acqua è appena tiepida.
Quindi scopriamo che, a parità di peso dell’acqua e dell’acciaio, per aumentare la temperatura dell’acqua è necessaria una maggiore quantità di calore. Questo fatto si interpreta dicendo che l’acqua ha una elevata “capacità termica” (circa 8 volte quella dell’acciaio inossidabile).
Quando l’acqua sta per bollire, togliamo dal
forno le due pirofile: nell’acqua la temperatura scende molto lentamente, mentre entro
poco tempo si può toccare l’acciaio della pentola senza scottarsi.
La capacità termica, quindi, ha effetti sia
sull’innalzamento che sull’abbassamento della
temperatura.
SCHEDA 7-
L’acqua e le stagioni
Nell’acqua la primavera arriva con un po’ di ritardo
perché occorre tanto calore per innalzare la temperatura; anche l’inverno, però, arriva in ritardo, perché ci vuole tanto tempo per cedere il calore accumulato in estate.
Una grande quantità d’acqua funziona come un serbatoio naturale di calore, che si riempie durante i
mesi caldi e si svuota lentamente in inverno. L’acqua, quindi, mitiga il clima, cioè smorza le variazioni di temperatura: d’estate fa meno caldo e d’inverno meno freddo.
Questi effetti sono ben evidenti al mare, soprattutto
se molto profondo: il mar Ligure, per esempio, influenza il clima costiero ben più del mare Adriatico,
poco profondo. Anche in un grande lago possono
essere ben visibili gli effetti della capacità termica
dell’acqua: nella fascia costiera del lago di Garda,
alla latitudine compresa tra Bergamo e Milano, si
coltivano olivi e agrumi come in Liguria e nell’Italia meridionale, mentre l’acqua della laguna di Venezia, alla stessa latitudine, in inverno può persino
ghiacciare.
Un solido dal ... gas?
Cosa serve
Iodio solido cristallino (Attenzione: sostanza nociva) - beuta e “vetro d’orologio” o lastra di
vetro - fornello elettrico o accendino – pinza.
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Come fare
Inserire, utilizzando una pinza, alcuni cristalli di iodio solido nella beuta e sistemare
una lastra di vetro (o un “vetro d’orologio”) sull’imboccatura.
2. Riscaldare delicatamente su fornello o con accendino.
1.
Cosa succede
Si osserva la formazione di vapori viola all’interno della beuta e la comparsa di piccoli cristalli di iodio solido, brillanti, sulla parte di vetro che è sopra il collo della beuta.
Attenzione: i vapori di iodio sono nocivi per inalazione
Ragioniamo insieme
Per riscaldamento lo iodio solido passa direttamente, senza fondere, allo stato aeriforme
(sublimazione).
Incontrando poi la parete di vetro, più fredda, i vapori di iodio tornano alla fase solida dando origine a tanti piccoli puntini brillanti, cioè a piccoli cristalli di iodio solido (brinamento).
Per quanto riguarda l’acqua, la brina si ottiene quando, per effetto di un notevole abbassamento della temperatura, il vapor acqueo diventa ghiaccio, senza prima condensare.
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BOX DI APPROFONDIMENTOLa struttura del ghiaccio
Una particella d’acqua, cioè una molecola, è formata da un atomo di ossigeno legato a due atomi di idrogeno e si rappresenta con la formula H2O.
Tra le molecole d'acqua esistono forze di attrazione dette “legami idrogeno”, che si esercitano tra l’atomo
di ossigeno di una molecola e atomi di idrogeno di molecole vicine.
Nel ghiaccio le molecole si organizzano, formando una struttura “rigida” con gli atomi di ossigeno disposti ai vertici di un tetraedro.
Il ghiaccio si può rappresentare come un reticolo di tetraedri tutti collegati tra loro (foto 3): ne risulta una
struttura che presenta un insieme di canali aperti, come una gabbia a maglie larghe.
Quando il ghiaccio fonde, questa struttura si rompe e le molecole d’acqua possono sistemarsi in una posizione più ravvicinata e meno ordinata. Ecco perché il ghiaccio è meno denso dell’acqua liquida (a parità
di volume, la massa del ghiaccio è minore ed essendo la densità pari al rapporto massa/volume,
ne deriva un valore minore).
Quando si aumenta la temperatura a partire da
quella di fusione del ghiaccio, si verificano due
fenomeni:
-le strutture ordinate come nel ghiaccio si frammentano sempre più e le molecole occupano un
O
volume minore;
-il liquido subisce un aumento di volume (dilaH
tazione termica).
Fino alla temperatura di 4 °C prevale la rottura
delle strutture ordinate e si ha contrazione di volume; a 4° C si ha il volume minimo e la densità
(e conseguentemente il peso specifico) assume
il valore massimo.
Oltre i 4° C l’effetto della dilatazione termica diventa quello principale e l’acqua aumenta di volume,
come avviene per gli altri liquidi.
H
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TEMA 3-
SCHEDA 8-
L’acqua: “leggera” o “pesante”?Acqua dolce o salata
Per cominciare ...
Versando un liquido in un altro liquido qualche volta osserviamo una stratificazione molto
evidente, come nel caso di olio in acqua, accentuata dalla non miscibilità dell’olio; altre volte, invece, bisogna fare più attenzione per riuscire ad osservarla, come quando si versa in
acqua del vino rosso, che tende a rimanere nella porzione superiore del contenitore.
Ma se versiamo acqua in altra acqua, con la differenza che la prima è salata e l’altra no,
cosa succede?
Cosa serve
Un vaso trasparente di grandezza media (come quelli da
marmellata) – un contenitore trasparente più piccolo - acqua
del rubinetto – sale fino da cucina – cucchiaino - pipetta da
10 o 25 ml (in alternativa, un contagocce grande) – blu di
metilene (non ingerire!), molto efficace a piccole dosi, o altro colorante – palettina da gelato.
Come fare
1. Riempire per 3/4 i due contenitori con acqua.
2. Aggiungere abbondante sale all’acqua del contenitore
piccolo e mescolare bene fino a scioglimento completo.
3. Aggiungere all’acqua salata una punta di colorante usando la palettina.
4. Prelevare dell’acqua salata blu con la pipetta e rilasciarla lentamente nell’acqua dolce, appena sotto la superficie.
5. Se occore, ripetere l’ultima operazione due o tre volte,
per rendere più visibile il risultato.
Cosa succede
L’acqua salata, riconoscibile perché colorata di blu, immessa
nell’acqua dolce scende verso il basso e si accumula sul fondo del recipiente rimanendo, per un certo tempo, ben distinta dall’acqua incolore (foto 4).
Alle foci dei fiumi
L’acqua dolce e l’acqua salata si incontrano e si mescolano soprattutto
alle foci dei fiumi, dove si può formare una stratificazione simile a
quella osservata nell’esperienza proposta: l’acqua dolce dei fiumi scorre
in superficie sopra a quella salata del
mare.
Se il mare è interessato da fenomeni
di marea (con innalzamenti ed abbassamenti periodici del livello marino nell’arco della giornata) durante
l’alta marea sul fondo dei fiumi, verso la foce, si forma un “cuneo” di
acqua marina salata che risale verso
monte.
Gli organismi mobili, come i pesci,
seguono l’acqua entro la quale vivono: in superficie troviamo le carpe e
sul fondo, invece, le sogliole!
Quelli che non possono muoversi,
come le alghe, devono “osmoregolare”, cioè adattarsi alle variazioni della salinità (vedi il pesciolino nella
scheda 10).
Ragioniamo insieme
L’acqua salata (blu) ha un peso specifico maggiore rispetto a quella dolce, e quindi “affonda”
in quella dolce.
La stratificazione cromatica è immediatamente riconducibile alla stratificazione salina.
Provate a rifare l’esperienza colorando, invece, l’acqua dolce e immettendola sul fondo di un
recipiente contenente acqua salata. Cosa succede? Osservate la Foto 5.
12
Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
Se realizzate l’esperimento senza colorante, dopo aver immesso l’acqua salata in quella dolce (o viceversa) si può prelevare con la pipetta un po’ di acqua in superficie e, semplicemente, assaggiarla, confrontandone il sapore con altra prelevata sul fondo.
SCHEDA 9-
Acqua calda o fredda
Per cominciare ...
Quando si scalda dell’acqua in un pentolino, vediamo il vapore salire rapidamente. Perché
sale? Se guardiamo nel pentolino, ci accorgiamo che anche l’acqua liquida tende a salire:
perché?
Se mettiamo una mano poco al di sopra di un termosifone acceso, sentiamo l’aria tiepida; se,
invece, la mettiamo poco sotto, cosa sentiamo?
Cosa serve
Vaso trasparente abbastanza alto – contenitore trasparente piccolo – supporto a forma di L – acqua calda (spesso può bastare quella di un rubinetto) – acqua fresca del rubinetto – blu di metilene ( non ingerire) – palettina da gelato – termometro ad alcol.
Come fare
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Fissare il contenitore piccolo al supporto a L con
un elastico o del nastro adesivo trasparente.
Riempire il vaso grande di acqua fresca quasi
fino all’orlo.
Riempire sino all’orlo il contenitore piccolo con
acqua calda.
Misurare la temperatura nei due contenitori ed
annotarla (attenzione: se l’acqua è molto calda,
occorre un termometro con una scala adeguata).
Aggiungere all’acqua calda una punta di colorante
usando la palettina (foto 6).
Impugnando il supporto a L, immergere molto
lentamente il contenitore con l’acqua calda nel
vaso grande con l’acqua fresca.
Dopo pochi istanti eseguire nuovamente le misure di temperatura nei due contenitori.
Cosa succede
In acqua fa meno freddo
Le differenze di temperatura nell’acqua si osservano meglio dove l’acqua è abbastanza
profonda, come nei laghi o nel mare.
Anche in piena estate, sul fondo del mare la
temperatura non cambia molto rispetto all’inverno; anzi, se il mare è molto profondo, non
cambia per niente e l’acqua è fredda!
Di solito, appunto, l’acqua più calda (o meno
fredda ...) rimane in superficie, sopra quella a
temperatura inferiore.
Quando la temperatura dell’aria scende molto, anche a diversi gradi centigradi sotto
zero, l’acqua si raffredda, fino alla formazione del ghiaccio. Anche se il ghiaccio è molto
freddo (sotto zero), galleggia: questo vuol
dire che in superficie non c’è sempre l’acqua
più calda!
La “regola” vale solo finchè la temperatura
scende verso i 4°C; l’acqua con temperatura
inferiore a 4°C, invece, non affonda più ma
sta in superficie, fino a ghiacciare.
Tutto ciò per gli organismi acquatici è molto
importante: lo strato di ghiaccio in superficie, infatti, “protegge” l’acqua liquida sottostante ed evita che la temperatura scenda eccessivamente. La vita, quindi, può continuare
a svolgersi regolarmente, seppure rallentata,
anche nei mesi invernali.
Quando il contenitore con l’acqua calda viene immerso nell’acqua fresca, l’acqua calda, riconoscibile perché colorata di blu, sale velocemente verso l’alto e si dispone in uno strato superficiale ben
visibile (foto 7). Dopo pochi istanti, il contenitore piccolo contiene acqua incolore (foto 8),
che ha preso il posto di quella blu.
13
Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
La temperatura diminuisce sensibilmente all’interno del contenitore piccolo, mentre in quello grande rimane quasi invariata. E’ interessante misurare la temperatura nel sottile strato
superficiale e poco sotto, per verificare differenze termiche anche in pochissimo spazio.
Se non mescoliamo, l’acqua colorata rimarrà ben visibile in superficie per un certo tempo.
Ragioniamo insieme
L’acqua calda (blu) ha un peso specifico inferiore rispetto a quella fresca, perciò “galleggia”
su quella fresca. Il contenitore piccolo, quindi, si svuota rapidamente dell’acqua calda, rimpiazzata da quella fresca.
La stratificazione cromatica è riconducibile alla stratificazione termica.
Se lasciate riposare il tutto per qualche ora, vi accorgerete che la colorazione è diventata
omogenea: vuol dire che anche la temperatura è la stessa in tutto il volume d’acqua.
Provate a rifare l’esperienza invertendo acqua fredda e acqua calda. Cosa succede? Osservate le Foto 9 e 10.
14
Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
TEMA 4-
Acqua “arida”-
Per cominciare ...
L’acqua del rubinetto è “pura”? E quella minerale? Tutti i giorni beviamo dell’acqua: perché
ne sentiamo il bisogno?
Vi è mai capitato di bere acqua del mare? Che sapore ha? Perché? Come possiamo ottenere
in cucina un’acqua con un sapore simile?
Cosa succede quando mangiamo cibi salati (le patatine, per esempio)? E se provassimo a
bere acqua salata, cosa succederebbe?
SCHEDA 10Nell’acqua ci sono i sali
Cosa serve
Due vaschette uguali, trasparenti, larghe e basse (oppure due pentolini ed un fornello) – acqua – sale fino da
cucina – cucchiaino.
Come fare
Riempire le vaschette con una stessa quantità
(250-500 mL) di acqua del rubinetto (o acqua minerale).
2. In una vaschetta sciogliere 2-3 cucchiai di sale.
3. Lasciare evaporare tutta l’acqua vicino ad una fonte di calore (sul termosifone o al sole, se fa caldo;
far bollire fino ad esaurimento dell’acqua se si dispone di pentolini e fornello).
4. Dopo la completa evaporazione, nella vaschetta (o
nel pentolino) che conteneva acqua del rubinetto ripetere due o tre volte le operazioni dei punti 1 e 3.
1.
Sali per la vita
La presenza di sali nell’acqua, anche in
quella “dolce”, è molto importante:
- per le piante acquatiche, che hanno bisogno, come quelle che vivono fuori
dall’acqua, di assorbire nutrienti per
crescere;
- per gli animali, che hanno bisogno di
materiale chimico per costruire le cellule e i loro scheletri e gusci.
Quando gli organismi muoiono, le sostanze di cui sono costituiti vengono
lentamente rimesse in circolo, a disposizione di nuovi organismi.
Cosa succede
Nella vaschetta con l’acqua salata rimane sul fondo, ben visibile, un residuo di sale corrispondente a quello che abbiamo sciolto.
Nella vaschetta con acqua del rubinetto o minerale si vede un sottile velo biancastro sul
fondo.
Ragioniamo insieme
Il solido che resta dopo l’evaporazione dell’acqua è costituito dai sali che erano sciolti nell’acqua. Il sale, quindi, non viene coinvolto nell’evaporazione (o nell’ebollizione, che è comunque un passaggio dallo stato liquido a quello gassoso) e quindi si ritrova sul fondo del recipiente, come succede nelle saline.
Ma evidentemente un po’ di sale c’è anche nell’acqua del rubinetto, anche se in quantità così
scarsa da diventare visibile solo dopo alcuni passaggi.
15
Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
La diversa quantità di sali che rimangono sul fondo permette di distinguere acque “dolci” e salate”.
L’acqua del rubinetto, quella dei fiumi e dei mari, le acque
minerali, sono miscele omogenee che vengono chiamate soluzioni (più precisamente soluzioni acquose).
Per approfondire ...
Sull’etichetta delle acque minerali si legge “residuo fisso a
180°C”, che vale mediamente 200-400 milligrammi per litro di acqua. Come nell’esperienza eseguita, è ottenuto facendo evaporare un litro di acqua e pesando i sali rimasti.
In un litro di acqua di mare il residuo fisso è, invece, circa
30 grammi per litro.
Acqua “dura” e gusci
Molti esseri viventi sono dotati di
uno scheletro o di un guscio, fatti
per lo più da sali di calcio: basti
pensare allo scheletro dei vertebrati,
ma anche alla corazza dei crostacei
e alla conchiglia di molti molluschi.
Nell’acqua di mare questi sali sono
molto abbondanti, ma in acqua dolce ...
In acque “dure”, ricche cioè di sali
di calcio e magnesio, le conchiglie
hanno un guscio robusto e spesso; le
stesse condizioni che portano alla
formazione di incrostazioni nelle
caldaie sono, invece, favorevoli per
chi deve costruirsi un guscio!
Il termine “dolce”, per un’acqua, può avere due significati
diversi:
a) Contenente una piccola quantità di sali. Tali sono le acque piovane, quelle dei fiumi e dei laghi, la maggior
parte delle acque sotterranee (ci sono però anche laghi salati e acque sotterranee salmastre).
In questo caso, quindi, “dolce” è l’opposto di “salino”.
b) A basso contenuto di calcio e magnesio. La presenza di calcio e magnesio in un’acqua ne
determina la “durezza”. Questa volta “dolce” è l’opposto di “duro”. Un elevato grado di
durezza di un’acqua rende necessario utilizzare maggiori quantità di detersivi e provoca
incrostazioni in caldaie e apparecchiature a scambio termico.
Potete provare a confrontare il contenuto di calcio e magnesio di differenti acque minerali leggendo i dati riportati sulle etichette.
SCHEDA 11A mollo nel ... “deserto”
Per cominciare ...
Prima di cucinare le melanzane, si tagliano a fette sottili e si salano; in tal modo perdono
acqua. Anche i pomodori in insalata producono acqua quando si aggiunge sale da cucina.
Perché?
Cosa serve
Due bacinelle – un piccolo vassoio - acqua – sale fino da cucina – cucchiaino – cetrioli o patate
Come fare
Riempire le vaschette con una stessa quantità di acqua del rubinetto.
2. In una sciogliere abbondante sale.
3. Tagliare a fette un cetriolo o una patata.
4. Disponete un numero uguale di fette nelle due bacinelle e sul vassoio.
1.
16
Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
5.
Lasciate riposare per una notte,
mettendo il vassoio, se possibile, vicino ad una fonte di calore.
Cosa succede
Nella vaschetta con acqua dolce le fette
sono ben tese e turgide.
Nella vaschetta con l’acqua salata sono
diventate raggrinzite e mollicce e assomigliano a quelle lasciate a prosciugarsi
nel vassoio.
Ragioniamo insieme
Alla fine dell’esperienza. le fette di cetriolo o di patata immerse nell’acqua salata hanno un aspetto simile a quelle poste
all’asciutto, cioè hanno perso acqua. L’acqua salata, quindi, ha un effetto disidratante, cioè richiama acqua fuori dalle cellule.
SCHEDA 12-
L’osmosi
Quello che succede ai cetrioli o alle patate, succede anche negli organismi d’acqua dolce se vengono messi
nell’acqua di mare: le loro cellule perdono acqua e in
poco tempo muoiono.
Se gli organismi marini vengono messi in acqua dolce,
succede il contrario: le loro cellule si gonfiano di acqua
fino a scoppiare e anch’essi muoiono.
Questo fenomeno si chiama osmosi. Ci sono alcuni animali o piante che sono adatti a vivere dove la salinità
dell’acqua cambia continuamente, come alle foci dei
fiumi o nelle lagune, quando si incontrano acqua dolce e
acqua salata. Questi organismi sono capaci di osmoregolare, cioè di regolare e mantenere costante il contenuto di acqua all’interno della cellula.
Anche noi siamo capaci di osmoregolare: quando, per
esempio, beviamo tanto, non si gonfiano le nostre cellule, ma espelliamo più urina, diluita con l’acqua in eccesso.
Attenti all’acqua per innaffiare!
Cosa serve
tre vasi con le stesse piantine (per esempio,
tre primule) - tre sottovasi – acqua – sale
fino da cucina – due contenitori
Come fare
1.
2.
3.
4.
5.
Disporre i vasi vicini fra loro, in una zona
ben illuminata (meglio se nei pressi di
una fonte di calore non eccessiva).
Un vaso non deve mai essere innaffiato.
Un vaso deve essere innaffiato quotidianamente con normale acqua dolce.
Un vaso deve essere innaffiato quotidianamente con acqua salata.
Proseguire l’esperienza per alcuni giorni,
fino ad osservare differenze.
Quando le piante “hanno sete”
Le piante perdono acqua attraverso le foglie e tendono ad appassire; in poche parole hanno sete, proprio come succede a noi. Quando si ha sete, si beve;
le piante “bevono” assorbendo acqua attraverso le
radici.
Quelle acquatiche, invece, prendono acqua direttamente dall’ambiente in cui vivono, attraverso foglie
e fusti molli.
L’effetto dell’acqua salata usata per innaffiare le
piante è simile a ciò che succede quando mangiamo
cibi salati: ci viene sete, cioè le nostre cellule perdono un po’ d’acqua a causa dell’introduzione di troppo sale.
Se, per caso, a qualcuno venisse voglia di bere acqua di mare per dissetarsi, ci rinunci! Non solo perché ... ha un saporaccio, ma soprattutto perché la
sete aumenterebbe.
17
Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
Cosa succede
La piantina innaffiata con acqua dolce gode di buona salute, mentre le altre due risultano
sofferenti, appassite o addirittura morte, se l’esperienza viene prolungata.
Ragioniamo insieme
Innaffiare con acqua salata vuol dire portare a disidratazione l’organismo, spesso più velocemente rispetto alla mancanza completa di acqua.
L’acqua salata, quindi, equivale ad una condizione di aridità; non perché manchi l’acqua, ma
perché la presenza di abbondanti sali ha come conseguenza un richiamo di acqua dall’ambiente intra- (dentro) a quello extracellulare (fuori dalle cellule).
Ci sono, però, anche piante “alofile” (vuol dire “che amano il sale”) adattate a vivere su terreni “salati”; non a caso sono piante simili a quelle “grasse” degli ambienti desertici.
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Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
TEMA 5-
L’acqua va sempre in basso ... tranne quando sale!-
SCHEDA 13-
L’acqua va dove vuole
Per cominciare ...
Se lasciate l’acqua libera di andare dove vuole, si muove verso il basso o verso l’alto? Provate a intingere la punta di un foglio di carta assorbente in poca acqua, oppure a fare la stessa operazione con una zolletta di zucchero in un po’ di caffè.
1 - L’acqua si “incurva”
Cosa serve
Provetta in vetro - lente di ingrandimento (non indispensabile).
Come fare
Versare un po’ di acqua nella provetta e osservare la superficie libera del liquido in prossimità delle pareti della provetta, aiutandosi
eventualmente con una lente di ingrandimento
Cosa succede
Vicino alle pareti della provetta la superficie dell’acqua tende ad
essere curva.
2 - L’acqua va in salita
Cosa serve
Tubo capillare (con diametro interno di 1 mm oppure inferiore) – bacinella con acqua colorata.
Come fare
Immergere parzialmente il tubicino di vetro aperto alle
due estremità in acqua (il fenomeno si osserva meglio
se nell’acqua viene prima sciolta una sostanza colorante).
Cosa succede
Se il diametro interno del tubo è sufficientemente piccolo, si vedrà l’acqua risalire nel capillare fino ad una
certa altezza.
19
Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
3 - Vasi comunicanti?
Cosa serve
Tubi capillari di vetro con diverso diametro interno – acqua colorata.
Come fare
Disporre tubi capillari di diverso diametro immergendoli
parzialmente nello stesso liquido, meglio se colorato, in
posizione verticale.
Cosa succede
Il livello dell’acqua contenuta nei vari tubi è diverso:
l’acqua sale tanto più in alto quanto più sottile è il capillare.
Quando il capillare di vetro viene immerso parzialmente
in acqua, la superficie libera del liquido all’interno del
tubo è concava ed ha approssimativamente la forma di
una calotta sferica (come nel caso della provetta contenente acqua).
Ragioniamo insieme
La capillarità nelle piante
Dopo aver diviso un grosso gambo
di sedano in senso longitudinale per
più di metà della sua lunghezza, provate a immergere ciascuna parte in
contenitori distinti, contenenti acqua
di colore differente (si può usare, per
esempio, il solito blu di metilene e
del the) e lasciate riposare almeno
per una notte.
Scoprirete che il sedano diventa bicolore; ha, cioè, assorbito l’acqua
utilizzando proprio dei vasi capillari
come quelli richiamati nelle esperienze proposte!
In tutte le piante, anche nei grandi
alberi, l’acqua sale sino in cima ed
arriva a tutte le cellule senza nessuna
pompa vera e propria, ma utilizzando meccanismi a consumo energetico zero. Attraverso le foglie l’acqua
evapora e richiama altra acqua dalle
radici; ma il fenomeno più importante è la capillarità. Grazie anche a
questa, l’acqua può raggiungere le
foglie ed essere utilizzata per la fotosintesi clorofilliana.
Tutti i fenomeni esaminati sembrano confermare una particolare “tendenza” dell’acqua posta in un recipiente di vetro: quella di risalire lungo le pareti del recipiente stesso.
Se immaginate di prendere provette con diametro sempre più piccolo, diventa sempre più
evidente la curvatura della superficie, che si rialza verso i bordi.
Siccome il fenomeno è particolarmente visibile nel caso di tubi capillari (sottili come un capello), esso prende il nome di capillarità: quanto più il capillare è sottile, tanto più in alto arriva la superficie libera dell’acqua all’interno del tubo.
La “membrana elastica superficiale” viene deformata e tende ad assumere la forma piana,
esercitando perciò una forza (diretta dal basso verso l’alto) sulla colonna liquida all’interno
del tubo. La risalita per capillarità termina quando tale forza ascensionale e la forza peso
della colonna liquida hanno la stessa intensità.
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Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
SCHEDA 14-
Non solo tubi!
Cosa serve
Vetrini portaoggetto da microscopio - fiammifero da cucina – elastico – recipiente basso
con poca acqua, meglio se colorata.
Come fare
Predisporre ad angolo due vetrini portaoggetti utilizzando un fiammifero ed un elastico e porre il
tutto in un recipiente contenente poca acqua (meglio se colorata).
Cosa succede
La risalita dell’acqua è particolarmente evidente
nella zona in cui i vetrini sono più ravvicinati.
Ragioniamo insieme
Nel caso dei due vetrini accostati “ad angolo”, l’acqua sale di più dove la sezione è minore, cioè nella zona in cui i vetrini sono più vicini. Sale
comunque anche verso il fiammifero, ma progressivamente sempre meno, perché la distanza
fra i due vetrini aumenta.
La diversa risalita dipende, quindi, dalla sezione, analogamente a quanto osservato per capillari con diametro differente.
La capillarità non è un fenomeno esclusivo del caso acqua-vetro. Le acque sotterranee risalgono attraverso i pori capillari del terreno; le soluzioni acquose passano dalle radici alle pareti alte delle piante attraverso una fitta rete di vasi capillari; l’olio di una lanterna sale
per capillarità attraverso lo stoppino; l’umidità che si nota nelle pareti di certi edifici (seminterrati e piani inferiori) è dovuta all’acqua presente nel sottosuolo che, dalle fondamenta, risale sui muri sempre per capillarità.
Per approfondire …
Per cercare di spiegare i fenomeni descritti in precedenza, consideriamo una molecola di
acqua che si trova sulla superficie del liquido ed in prossimità della parete di vetro del recipiente. Essa, oltre alla forza peso, è soggetta a due tipi di forze:
a) forze di adesione, dovute all’attrazione che la parete di vetro esercita sulla molecola e
dirette verso la parete stessa.
b) forze di coesione, cioè le attrazioni che si esercitano tra le molecole di acqua. Esse
sono responsabili della tensione superficiale, grazie alla quale la superficie libera del liquido si comporta come una specie di” membrana elastica” (vedi anche Tema 8).
Le forze di coesione agenti sulla molecola presa in esame sono dirette verso l’interno
della massa liquida.
21
Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
Nel caso acqua-vetro, le forze di adesione sono maggiori delle forze di coesione; l’effetto
complessivo di queste forze è quello di incurvare verso l’alto la superficie libera dell’acqua,
in vicinanza delle pareti del recipiente.
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Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
TEMA 6-
SCHEDA 15-
Ci sono ma non si vedonoBollicine nell’acqua
Per cominciare …
Che differenza c’è tra l’acqua minerale naturale e quella frizzante, anche se sono della
stessa casa produttrice? Da dove arrivano le bollicine?
Cosa serve
Acqua minerale gassata - beuta con tappo di gomma contenente tubicino di vetro collegato
a tubo di gomma - fornello elettrico - due cilindri di vetro o di plastica con dimensioni diverse - asta di sostegno con pinze.
Come fare
1. Riempire per circa due terzi una beuta con acqua minerale gassata.
2. Chiudere la beuta con il tappo di gomma e collegare il tubicino di vetro al tubo di gomma.
3. Riempire quasi completamente il cilindro grande con acqua del rubinetto.
4. Inserire il cilindro più piccolo capovolto nell’acqua, con all’interno il tubo di gomma.
5. Porre la beuta sul fornello e fissare il collo della beuta con la pinza attaccata all’asta di
sostegno.
6. Scaldare delicatamente la beuta.
Cosa succede
Si osserva che dal tubo di gomma fuoriesce del gas che viene portato dentro al cilindro più
piccolo, provocando la fuoriuscita dell’acqua; di conseguenza, sale il livello dell’acqua nel cilindro grande.
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Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
Si può misurare il volume di gas sviluppato; in ogni caso
si può osservare che tale volume è abbastanza grande,
a conferma del fatto che l’acqua conteneva disciolta
una quantità significativa di gas, che quasi non si notava finchè la temperatura era bassa.
Ragioniamo insieme
Prima di tutto controlliamo l’etichetta sulla bottiglia di
acqua minerale frizzante. Troveremo la dicitura ”aggiunta …” oppure “addizionata di anidride carbonica”:
ecco di quale gas sono fatte le bollicine che si osservano quando si stappa la bottiglia o si versa l’acqua nel
bicchiere!
Se poi scaldiamo, per effetto dell’aumento di temperatura il gas presente in acqua abbandona il liquido.
Gas disciolti in acqua
Anche senza essere aggiunta per avere
acqua “frizzante”, l’anidride carbonica si
trova normalmente in acqua, dove è ben
solubile, insieme con l’ossigeno, un altro
gas molto importante per la vita.
L’ossigeno serve per la respirazione e
l’anidride carbonica per svolgere la fotosintesi clorofilliana.
Se vediamo bollicine sul fondo di uno
stagno ... non sono di anidride carbonica
ma - se non ci sono fattori di alterazione di ossigeno, “aggiunto” (cioè “prodotto”)
proprio dalla fotosintesi.
SCHEDA 16Una ricetta per misurare l’ossigeno
L’utilizzo di semplici kit analitici consente di determinare la concentrazione di ossigeno,
cioè i milligrammi di ossigeno presenti in un litro d’acqua.
Si tratta di un’analisi che può risultare poco accurata, ma accettabile in relazione agli
obiettivi delle esperienze che proponiamo, nelle quali è fondamentale verificare se c’è
tanto o poco ossigeno, oppure se è aumentato o diminuito, piuttosto che preoccuparsi di
determinare con esattezza quali sono i valori effettivi.
 Il vantaggio dell’utilizzo dei kit consiste soprattutto nella rapidità di esecuzione, nell’economicità e nella semplicità. Solitamente non sono necessarie particolari attrezzature,
essendo incluso nella confezione tutto il materiale che serve per l’analisi..

Ci sono vari tipi di kit in commercio, prodotti da diverse case produttrici. La sequenza delle
operazioni da effettuare è indicata sempre in modo chiaro e schematico nel foglio delle
istruzioni allegato ad ogni confezione.
Nei kit per analisi volumetrica, dopo l’aggiunta dei reattivi specifici (tra i quali è presente
un “indicatore” colorato) si procede all’aggiunta di un reattivo detto “titolante”, che viene
fatto gocciolare con una siringa graduata.
Quando l’indicatore cambia colore si legge sulla siringa graduata il volume utilizzato: a tale
volume corrisponde una data concentrazione di analita.
Come fare
Prima di iniziare, leggere attentamente le istruzioni riportate nel foglio allegato alla confezione. (Ricordiamo che tutto il materiale necessario è contenuto nella confezione).
24
Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
Anche se le istruzioni possono variare a seconda della casa produttrice, di seguito riportiamo sinteticamente la sequenza delle operazioni tratta da una confezione di kit per ossigeno
(analisi volumetrica), per mostrare come potrebbe essere svolta l’analisi.

Eseguire la procedura indicata effettuando alcune prove, in modo da acquisire le abilità
necessarie per eseguire correttamente le operazioni richieste.
1.
Si utilizza solitamente un contenitore in vetro provvisto di tappo conico per evitare l’inclusione di bolle d’aria e contenente 1-2 palline di vetro per favorire il mescolamento dei
reattivi aggiunti.
Immergere il contenitore nell’acqua da analizzare e riempire completamente, facendo in
modo che non rimangano bolle d’aria
Aggiungere il numero indicato di gocce dei reattivi A e B; i reagenti, venendo a contatto, formeranno dei fiocchi marroni (foto 14) che si depositeranno sul fondo del contenitore, mentre l’acqua in eccesso traboccherà dopo la chiusura col tappo conico.
Capovolgere più volte ed agitare;lasciar poi riposare per il tempo indicato.
Aggiungere il numero indicato di gocce del reattivo C; richiudere il contenitore ed agitare, in modo da ottenere una soluzione limpida (foto 15).
Trasferire il volume indicato di soluzione dal contenitore nella provetta.
Aggiungere 1-2 gocce di indicatore e agitare: la soluzione assumerà un colore caratteristico.
Aspirare con la siringa graduata il reattivo D (soluzione titolante) fino alla tacca corrispondente allo zero.
Aggiungere goccia a goccia la soluzione titolante alla soluzione nella provetta, agitando
per mescolare bene i due liquidi (foto 16).
Procedere finché si ha un netto cambiamento di colore (“viraggio” dell’indicatore, foto
17).
Sulla tabella allegata leggere la concentrazione di ossigeno corrispondente al volume di
titolante impiegato nell’analisi, e rilevato dalla lettura della siringa graduata (foto 18).
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
E poi ...
Esistono in commercio anche kit per analisi colorimetrica, che sfruttano la colorazione ottenuta dopo l’aggiunta di alcuni reattivi specifici al campione da analizzare.
L’intensità della colorazione prodotta dipende dalla quantità di analita (cioè la sostanza da
analizzare) presente nell’acqua. Tale colorazione viene poi confrontata con le colorazioni di
una scala di riferimento.
Una tecnica più accurata si basa sull’utilizzo di uno strumento detto spettrofotometro, che
permette di misurare direttamente l’intensità della colorazione e fornisce su un display ottico il valore della concentrazione cercata. In questo caso i costi sono molto più elevati, essendo necessario l’acquisto dello spettrofotometro.
I kit più economici per la determinazione dell’ossigeno in un’acqua sono quelli per analisi volumetrica.
25
Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
SCHEDA 17-
L’ossigeno nell’acqua del rubinetto
Per cominciare …
C’è più ossigeno quando l’acqua è appena uscita dal rubinetto o dopo averla lasciata un po’ di
tempo all’aria?
Cosa serve
Acqua – barattolo in vetro o plastica – bacinella larga e piatta – kit per analisi volumetrica
dell’ossigeno.
Prima di effettuare l’analisi con il kit, leggere la scheda precedente.
Come fare
1. Far scendere dell’acqua da un rubinetto e riempire un bicchiere.
2. Prelevare il volume d’acqua indicato nelle istruzioni del
kit e seguire il procedimento analitico descritto.
3. Versare lentamente l’acqua nella bacinella, evitando
moti turbolenti.
4. Lasciare all’aria per almeno due ore la bacinella con
l’acqua.
L’ossigeno dall’aria
La
diffusione
di ossigeno dall’atmo5. Prelevare il volume d’acqua indicato nelle istruzioni del
sfera verso l’acqua consente la vita
kit e ripetere l’analisi effettuata precedentemente.
anche in assenza di produttori di os-
Cosa succede
La determinazione dell’ossigeno presente nell’acqua prima
e dopo l’esposizione all’aria dovrebbe dare risultati abbastanza diversi: dopo essere rimasta a contatto con l’aria,
l’acqua è più ricca di ossigeno.
L’esperienza descritta viene riportata nelle Foto 19 e 20;
è stato utilizzato un ossimetro (misuratore digitale di ossigeno disciolto) per visualizzare meglio le variazioni di
ossigeno.
Ragioniamo insieme
Col passare del tempo, un po’ di ossigeno dell’aria entra in
acqua per “diffusione” e si scioglie in essa; la bacinella larga presenta una grande superficie di contatto tra acqua e
aria e facilita la diffusione.
Se si aspetta un periodo di tempo sufficientemente lungo,
la concentrazione di ossigeno nell’acqua non aumenta più;
si è raggiunto un equilibrio tra l’ossigeno che si scioglie in
acqua e l’ossigeno che abbandona l’acqua per ritornare nell’aria.
E poi …
sigeno, come i vegetali.
In inverno, per esempio, c’è poca
luce e i vegetali acquatici quasi
scompaiono per le basse temperature. Se non ci fosse la diffusione,
come farebbero a respirare tutti gli
esseri viventi che popolano le acque,
pur tenendo conto che in inverno le
funzioni vitali (e quindi la respirazione) sono rallentate?
La diffusione, però, interessa soprattutto lo strato superiore della massa
d’acqua, in quanto avviene attraverso la superficie di contatto aria-acqua. In profondità, dove la luce non
riesce a penetrare e, di conseguenza,
non c’è più fotosintesi, l’ossigeno
viene solo consumato nei processi
respiratori.
L’acqua, quindi, è povera di ossigeno e il fondo, spesso fangoso, può
addirittura essere “anossico”, cioè
senza ossigeno.
Ci sono, tuttavia, anche molti microrganismi, soprattutto batteri, in
grado di vivere in queste condizioni:
sono detti “anaerobi”, cioè che vivono senza ossigeno disciolto.
E se aumentassimo la temperatura, scaldando il recipiente? (guardate la Scheda 15)
26
Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
SCHEDA 18Non solo fotosintesi ...
Per cominciare …
Le piante sono note come produttori di ossigeno attraverso la fotosintesi e si è soliti pensare agli animali come consumatori di ossigeno tramite la respirazione. Ma le piante respirano?
Cosa serve
Diversi rametti di una pianta acquatica sommersa (si possono recuperare in una roggia o in
uno stagno o, come l’Elodea, acquistare nei negozi di attrezzature per acquari) – due vasi di
vetro della capienza di circa un litro, con coperchio - fogli di alluminio per alimenti- acqua di
ambiente naturale (in mancanza, va bene anche quella del rubinetto, lasciata una giornata
all’aria per ossigenarsi) – kit per la misurazione dell’ossigeno.
Se la pianta acquatica è in scarsa quantità, utilizzare vasi più piccoli.
Come fare
1. Misurare l’ossigeno disciolto nell’acqua che sarà utilizzata per l’esperienza.
2. Mettere circa la stessa quantità di rametti nei due vasi, riempirli d’acqua e tapparli.
3. Avvolgere completamente un vaso con il foglio di alluminio.
4. Esporre entrambi i vasi al sole (in alternativa, ben illuminati da una lampada) ed annotare l’ora.
5. Dopo 2 o 3 ore prelevare da ciascun vaso la quantità di acqua necessaria e misurare
l’ossigeno disciolto.
Cosa succede
Nel vaso coperto con il foglio di alluminio il contenuto di ossigeno è diminuito, mentre è molto aumentato nel vaso non ricoperto.
L’esperienza descritta viene riportata in sequenza nelle Foto 21, 22, 23 e 24; è stato utilizzato un ossimetro (misuratore digitale di ossigeno disciolto) per visualizzare meglio le
variazioni di ossigeno.
Ragioniamo insieme
Le piante, anche quelle acquatiche, utilizzano la luce come fonte di energia per svolgere
l’attività fotosintetica, che tra i suoi prodotti ha l’ossigeno.
Nel vaso non ricoperto le parti verdi della pianta, quelle che contengono clorofilla, possono
svolgere l’attività fotosintetica e produrre ossigeno in abbondanza. Questa condizione è
analoga a ciò che avviene durante il dì, cioè nelle ore di luce, in uno stagno.
Il foglio di alluminio, invece, impedisce il passaggio della luce e, quindi, impedisce anche la
fotosintesi; la diminuzione di ossigeno indica che senza la fotosintesi le piante sono solo
consumatori di ossigeno, cioè respirano, proprio come gli animali. Quest’altra condizione simula la “notte” in uno stagno.
E’ facile immaginare che le piante respirino anche quando sono alla luce. In realtà, nel vaso
trasparente le piante hanno prodotto più ossigeno di quello che è stato trovato alla fine
dell’esperienza; una parte, però, è stato consumata dalla loro stessa respirazione.
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E poi …
Se si dispone di acqua prelevata in uno stagno, l’esperienza può essere eseguita con altri
due vasi, seguendo il procedimento sopra indicato tranne il punto 2 (quindi senza pianta acquatica), per verificare la differenza nei processi di respirazione/fotosintesi.
Per approfondire ...
Pesando con una certa cura le parti vegetali messe nell’acqua e misurando con attenzione
l’ossigeno disciolto, si può stimare la produzione fotosintetica lorda, cioè l’ossigeno effettivamente prodotto dalle piante.
La differenza tra il valore di ossigeno iniziale e quello finale nel vaso opaco (con l’alluminio)
ci dà il consumo di ossigeno dovuto alla respirazione (R).
La stessa differenza (tra il valore di ossigeno iniziale e quello finale) nel vaso trasparente
ci dà la produzione netta (PN), cioè tutto l’ossigeno prodotto meno quello respirato.
Se immaginiamo che nel vaso trasparente le piante abbiano respirato come in quello opaco,
per calcolare la produzione lorda (PL) basta una semplice addizione:
PL = PN + R
L’ossigeno disciolto nelle acque naturali
Come visto nella Scheda 17, l’ossigeno disciolto nell’acqua proviene dall’atmosfera; la
sua quantità, però, non aumenta continuamente, ma raggiunge un equilibrio. Il punto di
equilibrio dipende soprattutto dalla temperatura: nella Scheda 15 si è potuto verificare
che l’aumento di temperatura provoca la fuoriuscita dei gas dall’acqua, cioè che quando
fa caldo in acqua rimane disciolto poco ossigeno, rispetto a quando fa freddo.
Se nella bacinella della Scheda 17 si misurasse l’ossigeno disciolto nell’arco di una giornata intera, si osserverebbe una lieve diminuzione di ossigeno nelle ore più calde, seguita da un arricchimento nelle ore notturne, più
fresche. Il passaggio di ossigeno dall’aria all’acqua e viceversa si può chiamare “diffusione”.
Anche la respirazione avviene per diffusione: l’ossigeno passa dall’aria al sangue nei polmoni, per poi passare
dal sangue alle cellule. L’anidride carbonica, prodotta dalla respirazione, segue il percorso inverso.
Nei bacini naturali, tuttavia, non c’è solo questo fenomeno. Gli esseri viventi (animali e vegetali) respirano, cioè
consumano ossigeno e ne abbassano il contenuto nell’acqua; i vegetali, però, effettuano anche la fotosintesi
(scheda 18), che produce zuccheri e ossigeno, consumando anidride carbonica.
A partire dalla primavera inoltrata, quando l’acqua comincia a scaldarsi e aumentano le ore di luce, durante il dì
la produzione di ossigeno fotosintetico è molto grande e supera l’ossigeno consumato dalla respirazione: nell’acqua, quindi, tende ad accumularsi ossigeno, che viene parzialmente perso per diffusione nell’atmosfera, cercando di riportarsi alla situazione di equilibrio.
Di notte, invece, l’assenza di luce blocca la fotosintesi, ma la respirazione continua; pertanto il contenuto di ossigeno in acqua tende a diminuire. Quando scende sotto il punto di equilibrio, si innesca la diffusione dall’aria
all’acqua.
Pertanto in un’acqua “biologica”, cioè abitata da esseri viventi, l’ossigeno aumenta dalla mattina sino al primo
pomeriggio a causa della fotosintesi, e poi diminuisce insieme alla diminuzione della luce solare, diversamente
da ciò che avviene in un’acqua “senza vita”. Il minimo di ossigeno si registra poco prima del sorgere del sole,
dopo una lunga notte durante la quale la diffusione dall’aria non è sufficiente per compensare l’ossigeno consumato dalla respirazione.
Quando l’ossigeno si trova sopra la concentrazione di equilibrio, prevale la diffusione verso l’atmosfera; quando, invece, è sotto la concentrazione di equilibrio, prevale la diffusione dall’atmosfera verso l’acqua.
Questa ritmicità “nictemerale” (deriva dal greco, e vuol dire “notte/dì”) del contenuto di ossigeno è particolarmente accentuata nelle acque ferme poco profonde, come stagni e lagune, che hanno grandi variazioni di temperatura, sono in genere ben illuminate e molto ricche di vita, sia animale che vegetale.
In uno stagno o in un lago di solito viene prodotto più ossigeno di quello che viene consumato, cioè l’ecosistema
“esporta” ossigeno verso l’atmosfera. Gli oceani producono più ossigeno di tutte le foreste presenti sulla Terra.
Nelle acque a forte corrente, come nel caso dei torrenti, la componente biologica è molto scarsa, e quindi il contenuto di ossigeno dipende quasi completamente dagli scambi con l’atmosfera, favoriti anche dalla turbolenza; le
sue variazioni, quindi, sono molto contenute.
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BOX DI APPROFONDIMENTOL’eutrofizzazione
Nella Scheda 10 è stata messa in evidenza la presenza di sali minerali disciolti nell’acqua, ricordando
l’importanza di tali sali soprattutto per la crescita delle piante acquatiche. E’ noto che i campi destinati
alla coltivazione vengono concimati; nonostante la diffusione dei concimi chimici, talvolta i campi vengono ancora trattati con il letame, costituito da feci e urine di animali fermentate insieme a fieno o paglia.
Il letame stimola la crescita dei vegetali, in quanto contiene azoto e fosforo (i cosiddetti “nutrienti”).
Se in un lago, per esempio, vengono immesse le acque fognarie dei paesi costieri, si avrà come risposta
una “concimazione” delle sue acque, che avrà come conseguenza un rapido sviluppo delle alghe del fitoplancton (in genere unicellulari, invisibili a occhio nudo e in sospensione nell’acqua) e delle piante acquatiche radicate nella fascia costiera, fino alla profondità in cui penetra la luce.
Quando nel lago arrivano quantità eccessive di azoto e fosforo, nei mesi estivi si può arrivare persino a
provocare la moria di pesci per scarsità di ossigeno. Tale fenomeno viene detto “eutrofizzazione” ( che
vuol dire “tanto cibo”, inteso per i vegetali). Com’è possibile che un rapido sviluppo di vegetali, produttori di ossigeno, abbia come conseguenza, seppure non immediata, una condizione quasi anossica?
Il pesciolino del box precedente ci ha ricordato che:
1. i vegetali non solo producono ossigeno, ma anche lo consumano, con la respirazione;
2. l’ossigeno in eccesso prodotto durante le ore di luce, che non può sciogliersi completamente in acqua, viene “perso” in atmosfera con la diffusione;
3. quando la temperatura dell’acqua è elevata, si scioglie meno ossigeno.
E allora ...? Proviamo a riflettere insieme:
1. un grande sviluppo di vegetali comporta una grande produzione di ossigeno durante il dì, che però
non può rimanere tutto nell’acqua perché si trova sopra la concentrazione di equilibrio, e quindi in
buona parte passa all’atmosfera per diffusione;
2. in estate l’acqua superficiale di un bacino chiuso raggiunge temperature elevate, vicine a 30°C, quindi viene ceduto in atmosfera tanto ossigeno e l’equilibrio è caratterizzato da valori bassi (7,5 milligrammi di ossigeno per litro di acqua a 30°C, contro 12,8 a 5°C, in una condizione invernale) ;
3. durante la notte, la grande massa vegetale non produce più ossigeno, ma ne consuma parecchio con
la respirazione.
E’ pur vero che la diffusione avviene anche in senso inverso, cioè dall’aria verso l’acqua, ma abbiamo ricordato che può non essere sufficiente a compensare l’ossigeno consumato dalla comunità biologica. Se
la respirazione è molto intensa, come quando si hanno enormi masse di vegetali, l’ossigeno in acqua raggiunge valori talmente bassi che alcuni organismi, come i pesci, non possono più respirare e muoiono per
asfissia.
In ciò consiste l’“eutrofizzazione”, che può manifestarsi d’estate soprattutto in laghi, stagni, lagune e mari
chiusi, come il mar Adriatico. Per di più nelle acque salate la presenza di abbondanti sali disciolti nell’acqua influenza ulteriormente la quantità di ossigeno disciolto: a 30°C di temperatura con una salinità simile a quella media del mare l’equilibrio è a 4,5 milligrammi di ossigeno per litro di acqua!
Addirittura, possono morire per asfissia gli stessi vegetali. Questa è la fase più critica, perché la morte dei
vegetali impedisce che al ritorno della luce, all’alba, possa riprendere la fotosintesi e quindi la produzione
di ossigeno. Gli organismi morti, animali e vegetali, vengono decomposti da altri organismi microscopici
(soprattutto funghi e batteri), che hanno comunque bisogno di respirare; la decomposizione, quindi, consuma ancora ossigeno. Se non è disponibile l’ossigeno, inizia una decomposizione più lenta, chiamata
“anaerobia” (cioè “con vita senza aria”), che porta alla produzione di gas maleodoranti come acido solfidrico e metano.
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TEMA 7-
C’è chi scende, chi sale e chi ... dipende!-
SCHEDA 19-
Chi sta a galla?
1 - Oggetti diversi immersi in acqua
Per cominciare ...
Quando un oggetto galleggia? Galleggia
se è pesante oppure se è leggero?
Cosa serve
Recipiente di materiale trasparente per
contenere l’acqua - oggetti diversi (2 o 3
sassi di dimensioni diverse, polistirolo,
mela, arancia, matita, gessetto, cubetto
di ghiaccio ...) – dinamometro (vedi scheda 22) o elastico (per la preparazione di
questo strumento di misura alternativo al
dinamometro vedi scheda 20).
Come fare
Pesare i diversi oggetti con un dinamometro (oppure utilizzando l’elastico) e prendere nota dei valori rilevati.
2. Mettere in acqua i diversi oggetti e
osservarne il diverso comportamento.
1.
Cosa succede
Alcuni oggetti vanno a fondo: rapidamente, come i sassi, o più lentamente, come il
gesso.
Altri, invece, galleggiano: il polistirolo rimane quasi tutto fuori dall’acqua, la matita è immersa circa per metà, i frutti e il
ghiaccio sono quasi completamente immersi.
Ragioniamo insieme
Si può osservare che i frutti galleggiano,
anche se sono più pesanti di qualche sasso andato a fondo.
E’ intuitivo, allora, che il galleggiamento
non dipende dal peso, ma da altre caratteristiche.
30
Parti vegetali in acqua
Come si sarà notato, la frutta fresca in acqua sta a galla, anche se quasi completamente sommersa.
La frutta contiene molta acqua e, spesso, anche piccolissime sacche d’aria, che funzionano da minuscoli salvagenti.
Il metodo delle sacche d’aria è utilizzato anche in alcuni
tessuti, detti “aeriferi” (portatori d’aria), di piante acquatiche per favorirne il galleggiamento: vale per gli steli fiorali
e le foglie galleggianti delle bellissime ninfee bianche e dei
nannufari (nella foto sotto) o per le minuscole piantine di
lenticchia d’acqua.
La tendenza al galleggiamento delle parti vegetali fa in
modo che le grandi alghe (come quelle marine) e le piante
acquatiche ancorate al fondo possano mantenere una posizione eretta senza tessuti di sostegno, indispensabili invece
per le piante terrestri.
Una pianta acquatica, quindi, può concedersi il lusso di essere tutta verde, senza parti legnose marroni; ciò significa
svolgere la fotosintesi su tutta la sua superficie, non solo su
quella fogliare.
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2 -Oggetti che vanno a fondo ... anzi, no!
Per cominciare ...
Si fanno barchette con la carta, con il polistirolo o con il legno: avete mai provato a farle
con il pongo?
Cosa serve
Un pezzo di plastilina o pongo – foglio di alluminio da cucina – bacinella quasi colma d’acqua.
Come fare
Preparare due palline con la plastilina e con il foglio di alluminio, avendo cura di schiacciare bene l’alluminio, per evitare che rimanga troppa aria all’interno.
2. Immergere le palline in acqua e osservarne l’affondamento.
3. Recuperare la pallina di plastilina, appiattirla il più possibile come fosse un foglio e rialzarne i bordi. Eseguire la stessa operazione con la pallina di alluminio e mettere in acqua
gli oggetti così preparati.
1.
Cosa succede
Quando i due materiali diversi hanno la forma di una pallina affondano, come succedeva nell’esperienza precedente ai sassi e al gessetto.
Quando i materiali, invece, vengono appiattiti e disposti con il bordo rialzato, galleggiano
come barchette.
Ragioniamo insieme
Il pezzo di plastilina e il foglio di alluminio mantengono lo stesso peso, qualunque forma abbiano.
Ancora una volta capiamo che affondare o restare parzialmente immersi non dipende dal
peso: in questo caso è decisiva la forma che viene data all’oggetto.
SCHEDA 20In acqua tutto “pesa” meno: ma chi spinge?
Per cominciare
Quando un corpo viene immerso in un liquido, anche parzialmente, sembra che il suo peso sia
minore ...
Avete mai provato a prendere in braccio un vostro amico stando in acqua? Cosa succede? E
stando fuori? Come si può spiegare?
Cosa serve
Due piccoli barattoli uguali con tappo a vite - due barattoli con dimensioni diverse (non
troppo grandi) - vaso trasparente abbastanza alto quasi colmo d’acqua – una piccola manciata di dadi per bulloni o un po’ di sassolini - dinamometro sospeso ad un supporto adatto
(vedi scheda 22).
31
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In alternativa al dinamometro, si può costruire un semplice strumento per “pesare”. Basta prendere un’asta orizzontale montata su un supporto verticale, alla cui estremità viene fissato un elastico tagliato. All’altro capo dell’elastico si fissa una graffetta piegata in modo da formare un
gancio, a cui si appende una reticella (tipo quella per le cipolle o l’aglio in vendita nei supermercati) che serve per
contenere gli oggetti.
Il peso degli oggetti messi nella reticella viene correlato
all’allungamento dell’elastico, misurato con una riga millimetrata.
Qualche suggerimento:
Per la buona riuscita dell’esperienza, occorre fare alcune prove con elastici diversi, per scegliere opportunamente sia il tipo di elastico, sia il peso da sostenere. Se
il peso è eccessivo, l’elastico si snerva e non torna più
alle dimensioni originali, falsando i risultati dell’esperienza.
Per facilitare i semplici calcoli da eseguire e abituare gli
alunni alla raccolta dei dati, predisporre una tabella in cui
inserire le misurazioni e i risultati.
Gli animali più grandi
vivono nell’acqua
Esistono animali terrestri di grandi
dimensioni come l’ippopotamo o l’elefante e si conoscono fossili di dinosauri ancora più grandi, ma in assoluto il record di grandezza spetta
alla balenottera azzurra, che può raggiungere 30-33 metri di lunghezza e
120 tonnellate di peso!
In acqua, però, non “pesa” niente e
si muove agile e veloce.
Fuori dall’acqua la balenottera dovrebbe avere zampe simili a grandi
colonne, ben più imponenti di quelle
dell’elefante, e sarebbe quasi del tutto incapace di muoversi.
Solo in acqua può permettersi di essere così grossa e di pesare così tanto!
A) Oggetti aventi stesse dimensioni, ma peso diverso.
Come fare
Riempire i due barattoli uguali con acqua senza lasciare aria; in uno dei due (che
chiameremo P, pesante) mettere qualche dado, in modo che diventi più pesante dell’altro (che chiameremo L, leggero) ed avvitare bene il tappo di entrambi.
2. Misurare con la riga millimetrata la lunghezza dell’elastico a riposo.
3. Mettere il barattolo P nella reticella e misurare l’allungamento dell’elastico.
4. Prendere il vaso trasparente con l’acqua e, con un movimento dal basso verso l’alto,
fare in modo che il barattolo venga immerso completamente.
5. Misurare la lunghezza dell’elastico.
6. Eseguire le stesse operazioni con il barattolo L.
1.
Cosa succede
Quando si misura in aria, l’elastico si allunga maggiormente con il barattolo P, proprio
perché questo è più pesante.
Se i barattoli vengono completamente immersi in acqua, l’elastico si accorcia in entrambi i casi, anche se rimane più lungo con il barattolo P.
Considerando separatamente ciascun barattolo e facendo la differenza tra la lunghezza dell’elastico quando il barattolo è appeso in aria e quando è totalmente immerso in
acqua, si ricava l’accorciamento dell’elastico dovuto alla spinta da parte dell’acqua.
Se l’esperienza è condotta correttamente, in entrambi i casi l’accorciamento dovrebbe
risultare identico (o comunque molto simile, tenendo conto dell’incertezza delle misurazioni).
32
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B) Oggetti aventi stesso peso, ma dimensioni diverse.
Come fare
1.
Riempire i due barattoli di dimensioni diverse con acqua senza lasciare aria; mettere qualche dado in quello più piccolo (che chiameremo p, piccolo), facendo in modo
che risulti dello stesso peso rispetto a quello più grande (che chiameremo g, grande) ed avvitare bene il tappo in entrambi.
2. Misurare con la riga millimetrata la lunghezza dell’elastico a riposo e controllare
l’allungamento dell’elastico per i due barattoli: se hanno lo stesso peso, l’allungamento dovrebbe risultare identico.
3. Procedere come nell’esperienza precedente, misurando la lunghezza dell’elastico
prima e dopo l’immersione completa in acqua.
Cosa succede
L’elastico si accorcia quando entrambi i barattoli vengono immersi in acqua.
Come nell’esperienza precedente, si misura l’accorciamento dell’elastico dovuto alla
spinta dell’acqua e si osserva che è diverso nei due casi: con il barattolo g (grande) l’elastico si accorcia maggiormente.
Ragioniamo insieme
Le dimensioni ed il peso sono due “variabili”, cioè possono assumere valori diversi; tenendo
costante prima il volume e poi il peso, abbiamo ragionato con una sola variabile alla volta,
cercando di capire in quali casi l’acqua “spinge di più”!
Le osservazioni effettuate ci dicono che se il volume è uguale, due corpi immersi completamente in acqua ricevono la stessa spinta, cioè si ha un accorciamento identico dell’elastico,
indipendentemente dal loro peso.
Se il peso è uguale, l’oggetto di maggiori dimensioni immerso completamente in acqua diventa più “leggero” dell’altro, cioè riceve una spinta maggiore.
Nel caso di corpi totalmente immersi in acqua, possiamo quindi affermare che la spinta che
essi ricevono non dipende dal peso, ma dal volume del corpo: più un oggetto è grande, maggiore è la spinta.
SCHEDA 21Oggetti in acqua dolce e in acqua salata
Per cominciare ...
Se siete capaci di nuotare, vi sarete accorti che nuotare in piscina o al mare non è lo stesso: in piscina si fa più fatica!
Cosa serve
Sale da cucina – piccolo contenitore di plastica tipo “sorpresina” per bambini – monete – due
contenitori di vetro identici (capacità di circa 250-500 mL).
Come fare
1. Riempire quasi completamente con acqua di rubinetto il primo contenitore (recipiente
A).
33
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2. Riempire quasi completamente con acqua di rubinetto il secondo contenitore (recipiente B) e continuare ad aggiungere sale da cucina, mescolando continuamente, fino ad ottenere una soluzione satura. La soluzione deve essere limpida e i due liquidi indistinguibili.
3. Zavorrare opportunamente il contenitore di plastica con le monete, in modo che galleggi appena nella soluzione di acqua salata preparata (foto 11 e 13).
4. Inserire il contenitore zavorrato prima nel recipiente A, con sola acqua di rubinetto,
osservare ed annotare; dopo averlo estratto, inserirlo nel recipiente B, con acqua salata, osservare ed annotare.
Cosa succede
L’oggetto, quando viene inserito nell’acqua del recipiente A, va a fondo (foto 12).
Quando si effettua la stessa operazione immergendolo nell’acqua del recipiente B, si osserva che esso galleggia (foto 13).
Ragioniamo insieme
Che cosa c’è di diverso nei due recipienti?
Il volume di acqua spostata inserendo lo stesso oggetto nei due recipienti è identico, ma la
spinta esercitata dall’acqua salata è maggiore di quella esercitata dall’acqua non salata e
riesce a far galleggiare il contenitore con le monete.
Per lo stesso motivo si fa meno fatica a nuotare al mare. Se poi volete provare a nuotare
nel mar Morto, dove c’è tantissimo sale, fareste ancor meno fatica ma ... niente immersioni!
La spinta verso l’alto è talmente forte, che tornereste subito in superficie.
SCHEDA 22Per essere precisi ...
Cosa serve
Asta di sostegno con pinze - oggetto da immergere in acqua (non deve galleggiare) - recipiente di materiale trasparente per contenere l’acqua (per esempio becher) - dinamometro.
Come fare
1.
2.
3.
4.
5.
34
Fissare il dinamometro all’asta di sostegno.
Appendere l’oggetto prescelto al gancio
del dinamometro.
Leggendo sulla scala graduata del dinamometro, rilevare la forza esercitata sulla
molla quando l’oggetto non è immerso in
acqua.
Immergere solo parzialmente l’oggetto in
acqua e osservare se e come è variata la
forza agente sulla molla del dinamometro.
Ripetere più volte l’operazione del punto
4, continuando ad aumentare il volume immerso.
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Cosa succede
Quando il corpo non è immerso in acqua, il
dinamometro indica la forza esercitata sulla molla, cioè il peso dell’oggetto.
Quando l’oggetto viene immerso parzialmente, esso esercita sulla molla del dinamometro una forza inferiore.
Procedendo con l’immersione, il dinamometro segna valori sempre più bassi.
Se l’oggetto è immerso completamente, la
lettura sul dinamometro non varia anche se
viene ulteriormente affondato.
Ragioniamo insieme
La balenottera fuor d’acqua
Talvolta succede che balene e capodogli si incaglino
vicino alle coste dove le acque sono basse e non riescano a riprendere il largo. All’arrivo della bassa marea la diminuzione del livello del mare li lascia sempre
più emersi e, come nell’esperienza proposta nella
Scheda 22, diminuisce la “spinta di Archimede” verso
l’alto e prevale, invece, la forza peso.
Questi grandi animali, schiacciati dal loro stesso peso,
non riescono a espandere la cassa toracica per riempire
d’aria i polmoni (ricordiamo che sono mammiferi) e
muoiono soffocati.
L’estensione della molla del dinamometro
dipende:
 dalla trazione che il corpo, a causa del suo peso, esercita sulla molla stessa (diretta
verso il basso);
 dalla forza esercitata dal liquido
sul corpo (diretta verso l’alto).
Se il corpo è completamente fuori dall’acqua, l’estensione della molla dipende solo
dalla forza-peso diretta verso il basso.
La forza esercitata dal liquido, detta “spinta di Archimede”, aumenta all’aumentare
del volume immerso; se il corpo è tutto immerso, a qualunque profondità si trovi, la
spinta di Archimede non varia più.
Per approfondire…
La vescica natatoria
La maggior parte dei pesci possiede nei visceri - cioè
nella massa ventrale che comprende intestino e stomaco - un sacchetto semi-trasparente pieno di aria, che si
chiama “vescica natatoria”.
Senza nessuna fatica per nuotare, quando il pesce svuota parzialmente la sua vescica diminuisce il suo volume
e “affonda”, cioè scende verso profondità maggiori;
quando, invece, la riempie nuovamente di gas catturati
dall’acqua, aumenta il suo volume e sale. Proprio come
il sommergibile ricordato nella Scheda 22.
Ci sono anche pesci senza vescica: o non sono nuotatori, come la sogliola che vive sul fondo, o sono obbligati
a nuotare sempre per non affondare, come gli squali!
Anche i subacquei che si immergono con le bombole
hanno copiato l’idea: regolando il volume di un giubbetto gonfiabile collegato con la bombola piena d’aria
affondano o risalgono, senza nuotare.
Si può provare a costruire una specie di pesce, utilizzando come “vescica natatoria” una bottiglietta di plastica per l’acqua minerale. Riempitela completamente
con acqua, lasciando che il “pesce” affondi; poi osservate cosa succede svuotando poco alla volta la bottiglia.
In generale possiamo dire che un corpo immerso in un liquido va a fondo se il peso
specifico del corpo è maggiore di quello del
liquido (ricordiamo che il corpo va considerato nel suo insieme, tenendo conto anche
di eventuali cavità).
 Perché le navi galleggiano, pur essendo
costituite da materiali ferrosi, con
peso specifico maggiore di quello dell’acqua? Il volume occupato dalla nave
non è pieno di un unico materiale: occorre considerare anche l’aria contenuta nello scafo. Quindi il peso specifico medio della nave è inferiore a quello dell’acqua
(basta caricare la stiva della nave per osservare che la parte immersa aumenta….)
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Un sommergibile ha un doppio scafo, con possibilità di far entrare o uscire grandi quantità d’acqua: l’acqua fatta entrare appesantisce il sommergibile e lo fa immergere, mentre l’acqua pompata fuori dal sommergibile gli permette di riemergere in superficie.
 Il peso specifico del ghiaccio è circa nove decimi di quello dell’acqua: il ghiaccio galleggia con circa un decimo emerso e i nove decimi del suo volume immersi (provare a mettere in acqua un cubetto di ghiaccio preso dal freezer …). Un iceberg, quindi, ci fa vedere
solo una piccola parte (circa il 10 %) fuori dall’acqua (foto 1 e 2): la gran parte è immersa!!!

SCHEDA 23-
Qualche calcolo per i più bravi ...
Cosa serve
Becher contenente acqua – bilancia - oggetto che deve galleggiare in acqua (per esempio
tubo cilindrico, tipo contenitore per pastiglie effervescenti, con monete all’interno) – righello millimetrato.
Come fare
1. Preparare l’oggetto da immergere e pesarlo (esprimere il peso in grammi).
2. Inserire l’oggetto nel becher contenente acqua in modo che sia immerso per circa metà
in posizione verticale.
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Passiamo ai calcoli …
Il nostro obiettivo è quello di confrontare il peso dell’oggetto con il peso dell’acqua da esso
spostata quando galleggia.
Procediamo quindi nel modo seguente:
- Per determinare il volume della parte di cilindro immersa, misuriamo con il righello il diametro della base del cilindro (2r) e la lunghezza della parte immersa (h):
V = π r2 ⋅ h
- Il volume di acqua spostata dall’oggetto è uguale al volume della parte immersa.
- Il peso dell’acqua spostata, che esprimiamo in grammi, si può calcolare conoscendo il valore del peso specifico dell’acqua (circa 1 g/cm3):
peso = peso specifico ⋅ Volume
- Confrontiamo il peso del corpo (misurato con la bilancia) con il peso dell’acqua spostata
(l’abbiamo appena calcolato!): i loro valori dovrebbero risultare all’incirca uguali.
Come sappiamo, quando l’oggetto è in equilibrio (sta galleggiando), è verificata la seguente
condizione:
 spinta Archimede = peso corpo 
Inoltre, come abbiamo sopra ricavato:
peso corpo = peso acqua spostata
Quindi possiamo concludere che:
spinta Archimede = peso acqua spostata
Abbiamo così verificato l’enunciato del Principio di Archimede:
“Un corpo immerso in un liquido riceve una spinta dal basso verso l’alto uguale al peso del
volume di liquido spostato.”
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TEMA 8-
SCHEDA 24-
Non c’è solo Archimede!La “pelle” dell’acqua
1 - C’è chi dovrebbe affondare, ma ...
Cosa serve
Lametta da barba - bicchiere con acqua.
Cosa fare
Depositare delicatamente sulla superficie dell’acqua una lametta da
barba, in modo che rimanga come
“appoggiata” sull’acqua.
Cosa succede
Osservare con attenzione: la superficie del liquido si incurva, senza
rompersi, sotto il peso della lametta.
Pattinando sull’acqua
Vi sarà capitato di osservare, lungo la riva di stagni o laghi e
nelle rogge a lento corso, delle specie di “ragnetti” neri correre velocemente sull’acqua! In realtà non sono ragni, ma insetti emitteri (catturandone uno, si può verificare che hanno
sei zampe, non otto come i ragni), cioè “parenti stretti” di cimici e afidi, chiamati idrometre (foto 29).
Non si può dire, però, che le idrometre galleggino, come succede invece ad alcuni degli oggetti usati nella Scheda 19:
esse non affondano esattamente come non affonda la lametta
da barba, che provoca solo una deformazione della superficie
dell’acqua.
Per verificare sperimentalmente questo fenomeno, potete
provare a costruire un modello di idrometra seguendo le
istruzioni.
Cosa serve
Polistirolo - laccetti di metallo plastificato (tipo quelli per
sacchetti da freezer)- foglio di plastica semirigido (tipo cartellette) – colla a presa rapida - polistirolo – recipiente di dimensioni adatte contenente acqua.
Cosa fare
- Costruire un modello di insetto come nella Foto 28 (incollare dei cerchietti di plastica alle punte delle “zampe”).
- Deporre il modello sulla superficie dell’acqua.
Cosa succede
Si osserva che l’insetto non affonda e che nei punti di contatto con l’acqua si ha una leggera deformazione della superficie.
2 - Un bicchiere che … piu’ colmo non si puo’
Cosa serve
Bicchiere – monete.
Cosa fare
1. Riempire d’acqua, fino all’orlo, un bicchiere.
2. Inserire in esso delle monete con molta cautela, una dopo l’altra.
38
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Cosa succede
Nonostante il bicchiere sia pieno, è
possibile aggiungere un certo numero di monete prima che l’acqua trabocchi.
In queste condizioni la superficie
dell’acqua formerà una specie di
“cupola”. Ad un certo punto l’aggiunta di una nuova moneta causerà la
rottura della “cupola” e l’acqua
colerà lungo il bicchiere.
3 - Una goccia “appesa” al soffitto
Cosa serve
Lastra di vetro – contagocce.
Cosa fare
Depositare con il contagocce una goccia d’acqua su una
lastra di vetro (o di altro materiale).
Con cautela capovolgere lentamente la lastra.
Cosa succede
La goccia si deforma e si allunga, ma può rimanere attaccata alla superficie inferiore della lastra di vetro.
Ragioniamo insieme
Strisciando sull’acqua a testa in giù
La pellicola superficiale non permette solo
alle idrometre di camminare sull’acqua,
ma addirittura per alcune chioccioline acquatiche dei nostri stagni (molluschi gasteropodi) diventa una specie di lastra su cui
strisciare a testa in giù! Nella Foto 30, eseguita in un acquario, si vedono alcune limnee che utilizzano la pellicola superficiale
come fosse una lastra di vetro, aderendo
con il “piede” muscolare a ventosa ventrale (foto 32).
Anche queste chioccioline, come la lametta da barba, se messe in acqua senza alcun
accorgimento affonderebbero; quando
sono completamente immerse, sono talmente alleggerite dalla spinta di Archimede che basta la debole forza della pellicola
superficiale per consentire addirittura di
muoversi strisciando.
Altri animali, come le notonette (ancora
insetti emitteri), camminano a testa in giù
(foto 31).
Cos’hanno in comune i vari fenomeni osservati? In tutti
i casi da noi considerati, possiamo osservare che la superficie dell’acqua si comporta come una specie di involucro che può essere deformato (o rotto!), come se
si trattasse di una sottile membrana elastica. E’ tale involucro che permette alla lametta
da barba ed all’idrometra di stare appoggiati sulla superficie del liquido, che impedisce all’acqua contenuta nel bicchiere colmo di traboccare (se non si superano certi limiti!) e che
racchiude l’acqua in una goccia.
39
Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
Se mettiamo la lametta da barba sott’acqua, e la lasciamo, affonda; non affonda solo se la
depositiamo dolcemente sulla superficie. Vuol dire che proprio lì c’è una forza particolare,
che riesce a sostenere la lametta.
Per approfondire…
Possiamo cercare una spiegazione a quanto detto sopra.
Le molecole di un liquido esercitano l’una sull’altra delle forze
di attrazione (di natura elettromagnetica) dette forze di
coesione.
All’interno del liquido, una molecola è interamente circondata
dalle altre: la forza di attrazione totale agente su di essa è
nulla (A).
Se invece una molecola si trova alla superficie del liquido,
essa è attirata solamente da quelle interne al liquido; sulle
molecole superficiali agisce quindi una forza complessiva diretta verso l’interno del liquido (B).
Tale forza fa sì che la superficie del liquido tenda a contrarsi
e opporre una certa resistenza ad essere stirata e rotta,
proprio come se lo strato di molecole superficiali fosse una sottile membrana elastica.
Questo fenomeno prende il nome di tensione superficiale.
40
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TEMA 9-
SCHEDA 25-
Immersi nell’aria ... sott’acqua!Un bicchiere pieno ... d’aria
Per cominciare ...
Avete mai pensato di svuotare un bicchiere ... sott’acqua? Niente di più semplice!
Cosa serve
Una vaschetta trasparente quasi colma d’acqua - un bicchiere di plastica trasparente - un tubicino di plastica lungo almeno 30 cm - un flaconcino trasparente.
Come fare
1. Immergere nell’acqua della vaschetta il bicchiere,
fare in modo che si riempia completamente e capovolgerlo, con il fondo verso l’alto.
2. Introdurre nell’acqua libera il tubicino e soffiare lentamente, osservando la formazione delle bolle; poi
collocare l’estremità del tubicino dentro il bicchiere e
soffiare, fino al completo svuotamento.
Dopo aver osservato quanto successo, procedere con
la seconda parte dell’esperienza.
3. Eseguire nuovamente le operazioni del punto 1.
4. Immergere il flaconcino con l’apertura verso il basso,
portarlo fino all’imboccatura del bicchiere e raddrizzarlo, con l’apertura verso l’alto rivolta verso il centro
dell’imboccatura stessa.
5. Ripetere alcune volte le operazioni del punto 4.
Cosa succede
L’aria soffiata nel tubicino entra nel bicchiere e sale verso l’alto, accumulandosi nella parte superiore e prendendo
il posto dell’acqua. Se il bicchiere è abbastanza grande, si
potrebbe anche riuscire ad osservare l’innalzamento del
livello dell’acqua nella vaschetta.
Nella seconda parte, il bicchiere viene riempito con l’aria
portata sott’acqua con il flaconcino.
Ragioniamo insieme
Il ragno “palombaro” - I
Esiste un ragnetto che vive lungo le
rive di stani e laghi, chiamato “ragno
palombaro”.
Questo ragno si immerge più volte in
apnea e costruisce una piccola tela a
forma di cupola, attaccata alla vegetazione sommersa.
Poi, con altre immersioni, porta sott’acqua tante bollicine d’aria (da qui
deriva il nome scientifico, Argyroneta,
che vuol dire “argento che nuota” e richiama l’effetto luccicante delle bollicine d’aria sott’acqua) intrappolate
nella peluria che ricopre il corpo (si
può osservare un fenomeno analogo
portando sott’acqua un panno di lana
asciutto e verificare che rimane pieno
di bollicine). Scuotendo il corpo sotto
la cupola, le bollicine si staccano, salgono verso l’alto e piano piano svuotano la cupola dall’acqua, riempiendola
con aria. Proprio com’è successo portando sott’acqua l’aria con il flaconcino!
Si forma, così, una campana d’aria sott’acqua (foto 25).
Abbiamo notato che nel bicchiere immerso o c’è l’acqua,
come all’inizio dell’esperienza, o c’è l’aria: uno dei due
esclude l’altro. L’aria immessa sale verso verso l’alto, perché anche per i gas vale la spinta
di Archimede (tema 7): il peso specifico è molto basso, e quindi “galleggiano”. Il concetto di
41
Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
“bicchiere vuoto”, in realtà, può essere interpretato più correttamente come “bicchiere
pieno d’aria”.
SCHEDA 26-
Una candela accesa ... sott’acqua
Cosa serve
Una vaschetta trasparente - un barattolo di vetro con tappo - un mozzicone di candela - fiammiferi.
Come fare
1.
2.
3.
4.
5.
Forare il tappo del barattolo in più punti, lasciando intatta la parte centrale.
Accendere il mozzicone di candela e, facendo colare
qualche goccia di cera, fissarlo alla parte interna del
tappo.
Avvitare il tappo sul barattolo.
Immergere il barattolo con la candela (naturalmente
con il tappo in basso!) e lasciare che entri un po’ di acqua nel barattolo.
Tenere sott’acqua per qualche minuto e osservare.
Cosa succede
La candela continua a bruciare, anche se il barattolo è posto
sott’acqua. Se abbiamo la pazienza di lasciarlo immerso per
un po’ di tempo, potremo osservare che ad un certo punto la
fiamma si affievolisce e si spegne.
Ragioniamo insieme
La candela può bruciare perché si trova nella grossa bolla
d’aria intrappolata nel bicchiere: mentre brucia consuma ossigeno e la composizione dell’aria cambia. Poco dopo, la miscela gassosa non è più idonea per la combustione e la fiamma si spegne.
42
Il ragno “palombaro” - II
Il ragno palombaro si immerge ed entra nella campana; lì per un po’ di tempo può respirare normalmente ossigeno (esattamente come la candela poteva bruciare) e aspettare l’arrivo di una
preda, da catturare uscendo ... nell’acqua.
Qualche volta la preda viene anch’essa
portata nella campana per essere mangiata.
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La respirazione degli insetti acquatici
La maggior parte dei cosiddetti “macroinvertebrati” acquatici, che si possono raccogliere in mezzo alla vegetazione o sotto i sassi, sono larve di insetti, che nella fase adulta vivono fuori dall’acqua e volano: alcuni moscerini, zanzare e tafani, effimere, alcune farfalle, libellule ... Queste larve hanno quasi tutte una respirazione branchiale, in grado di utilizzare l’ossigeno disciolto nell’acqua, come succede nei pesci e nei crostacei.
Gli insetti adulti hanno conquistato le terre emerse e respirano con trachee, minuscoli tubicini attraverso i quali
l’aria può entrare nel corpo e venire in contatto con il rudimentale sistema circolatorio. Una piccola parte (3%)
di insetti, però, sono acquatici anche nella fase adulta, ma respirano sempre in ambiente aereo!
Alcuni fanno come i subacquei apneisti, che nuotano in superficie con maschera e boccaglio, un tubo che consente di respirare tenendo la bocca sott’acqua; invece del boccaglio, questi insetti hanno un lungo tubicino caudale, che si chiama “sifone respiratorio”, che fanno emergere per respirare. Quando sono immersi trattengono il
respiro, cioè sono in apnea proprio come i subacquei senza bombola. Respirano in questo modo, per esempio, lo
scorpione d’acqua (foto 27) e la ranatra (sotto a sinistra).
Altri, invece, assomigliano di più ai subacquei con la bombola: quando si immergono, portano con sè una bolla
d’aria che li avvolge quasi completamente, trattenuta dalla peluria che ricopre il corpo. Le trachee, quindi, sono
a contatto con l’aria anche quando l’insetto è sott’acqua e possono utilizzare la riserva di ossigeno. Periodicamente questi insetti emergono per ricambiare l’aria della loro “bombola”: respirano in questo modo i coleotteri
come il ditisco della foto, in cui è evidenziata la bolla d’aria, e gli emitteri nuotatori come le notonette (foto 26).
La bolla d’aria è, però, una bombola particolare: quando al suo interno l’ossigeno diminuisce, consumato dalla
respirazione, la bombola si “ricarica” parzialmente, richiamando ossigeno dall’acqua. Dopo un po’ di tempo, comunque, la bolla deve essere rinnovata emergendo.
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Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
TEMA 10-
Facciamo cavolate!-
La prima scheda serve per la realizzazione delle esperienze successive, in quanto consente
di preparare una soluzione adatta a valutare il grado di acidità di sostanze diverse.
SCHEDA 27Un succo del cavolo
1 – La tisana “speciale”
Cosa serve
Circa 1 litro di acqua deionizzata (è accettabile anche l’acqua del rubinetto) - cavolo rosso
(è una varietà di cavolo cappuccio che si trova facilmente dal fruttivendolo tra inverno e
primavera) - contenitore in vetro con coperchio - fornello ed un pentolino per far bollire
l’acqua - colino o imbuto con filtro di carta (foto 34).
Come fare
1. Sminuzzare le foglie di cavolo e trasferirle nel pentolino, versandovi sopra l’acqua fino a
coprirle completamente.
2. Portare ad ebollizione e far bollire per circa 20 minuti.
3. Lasciar raffreddare.
4. Filtrare la soluzione trasferendola nel contenitore in vetro, mettere il coperchio e conservare in frigorifero.
Per avere una soluzione più stabile si può usare alcol denaturato non colorato.
Prestare attenzione se si utilizza alcol: è infiammabile! Meglio evitare il riscaldamento:
si può ottenere un buon risultato anche a freddo, lasciando in infusione le foglie di cavolo per qualche ora.
La soluzione ottenuta assumerà una colorazione blu.
2 - La cartina “magica”
Cosa serve
Carta da filtro - soluzione di cavolo rosso (vedi sopra) - vaschetta o ciotola - piastra da
forno o teglia rettangolare grande.
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Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
Come fare
1. Tagliare la carta da filtro in rettangoli, quadrati o cerchi.
2. Riempire la ciotola o la vaschetta con la soluzione di cavolo rosso.
3. Immergere le sagome di carta da filtro nel succo di cavolo.
4. Dopo circa mezz’ora togliere la carta imbevuta di succo e lasciarla sgocciolare; stendere i singoli fogli sulla piastra da forno o nella teglia e farli asciugare al sole o sopra un
termosifone (per accelerare l’essiccazione si può usare un asciugacapelli).
5. Conservare i pezzi di carta da filtro in un sacchetto di plastica dotato di chiusura o in
una busta: dureranno alcuni mesi.
Le cartine ottenute avranno una colorazione azzurra/blu.
3 - Ne vedremo di tutti i colori!
Utilizzando la cartina “magica” della scheda precedente si può ottenere un arcobaleno di
colori.
Cosa serve
Foglio da disegno grande - foglio di carta da filtro più o meno sagomato, imbevuto di succo
di cavolo rosso (scheda 27) - acqua (possibilmente deionizzata) – diversi contagocce.
Esempi di sostanze da esaminare: succo di limone, arancia, pompelmo, aceto, liquido dei sottaceti, coca cola, aranciata, caffè, aspirina, acqua del rubinetto, acqua minerale, bicarbonato di sodio, prodotti per la pulizia della casa, altre sostanze di uso comune.
Come fare
Prendere la carta da filtro ed incollarla sul foglio da disegno.
2. Scrivere i nomi delle sostanze da esaminare.
3. Usando un contagocce diverso per ciascuna sostanza, deporre qualche goccia delle sostanze
da analizzare sulla carta da filtro in corrispondenza del relativo nome (se si tratta di solidi,
scioglierli prima in un po’ d’acqua).
4. Osservare i colori.
1.
Cosa succede
La carta da filtro imbevuta di succo di cavolo assumerà colorazioni variabili: blu, rossa, viola
o verde, con la possibilità di ottenere diverse tonalità (foto 40).
Ragioniamo insieme
Evidentemente il succo di cavolo, che in condizioni normali conferisce alla carta da filtro
una colorazione azzurra più o meno intensa, ha la proprietà di cambiare colore secondo le
caratteristiche delle sostanze con cui viene a contatto.
Quale caratteristica determina questa reazione?
45
Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
E poi ...
Per sollecitare la curiosità degli alunni provate a far scrivere, per esempio, i propri nomi su
carte imbevute di succo di cavolo, utilizzando pennellini sottili intinti nelle sostanze utilizzate prima: ne vedrete di tutti i colori!
Si possono anche fare disegni liberi, sbizzarrendosi con la fantasia.
SCHEDA 28Riconosciamo acidi e basi
Una premessa importante
Spesso ci capita di avere a che fare con soluzioni “acide”: per esempio i succhi degli agrumi,
l’aceto, alcune bibite. In generale le sostanze acide hanno un sapore aspro e possono anche
essere sostanze pericolose, come nel caso dell’acido cloridrico (il cosiddetto acido “muriatico”, usato talvolta per le pulizie della casa in soluzione diluita) o l’acido solforico (presente
nelle batterie delle automobili).
Altre sostanze, invece, sono dette “basiche: hanno un sapore amaro e sono viscide al tatto.
Anche tra le sostanze basiche ce ne sono di pericolose, come la soda caustica e l’ammoniaca
(altro prodotto di uso domestico); molti detergenti sono basici.
Il pH è la grandezza che esprime l’acidità di una soluzione e per misurarne accuratamente il
valore si utilizzano strumenti detti “pHmetri” (leggi piaccametri). Tanto più il valore del pH
è basso, tanto più acida è la soluzione; viceversa, se il pH ha un valore elevato, la soluzione
è basica. Per avere un’idea di quali siano i valori tipici del pH delle soluzioni più comuni, diciamo che quando esso è uguale a 7 la soluzione è “neutra”. Avvicinandosi al valore zero si
hanno soluzioni estremamente acide, mentre superando pH 12-13 si entra nella zona delle
soluzioni molto basiche.
Per cominciare
Moltissime sostanze di uso quotidiano sono acidi o basi. Avete mai assaggiato l’aceto o il
succo di limone: che sapore hanno?
I prodotti usati per la pulizia della casa sono acidi o basi? Come vi aspettate che sarà l’acqua potabile? E quella frizzante? E come potrebbe essere il pH dell’acqua di un fiume?
Cosa serve
Succo di cavolo rosso – acqua (possibilmente deionizzata) - provette o bicchieri piccoli – un
contagocce.
Per le sostanze da esaminare, si veda la scheda precedente.
Prestare attenzione all’utilizzo nell’esperienza di acido muriatico (cloridrico) e ammoniaca che, pur essendo prodotti per uso domestico, possono essere pericolosi se maneggiati
incautamente (non devono essere comunque maneggiati dagli alunni!!!).
Come fare
1.
46
In ciascun bicchierino mettere un po’ delle sostanze da analizzare: se si tratta di solidi,
scioglierli prima in un po’ d’acqua, altrimenti diluire con poca acqua. E’ opportuno etichettare le sostanze da analizzare.
Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
Aggiungere ad ogni bicchierino qualche goccia di succo di cavolo rosso con il contagocce.
In alternativa, depositare 1-2 gocce della sostanza da esaminare su una sottile striscia
di cartina al succo di cavolo, usando un contagocce per ogni sostanza.
3. Osservare le variazioni di colore.
2.
Cosa succede
Le sostanze esaminate presentano differenti colori (rosso, blu o verde), e possono essere
raggruppate in relazione al colore assunto.
Ragioniamo insieme
Il colore della carta da filtro imbevuta di succo di cavolo rosso, o del succo stesso, risulta:
- rosso con le sostanze note come “acide” (succo di limone o aceto);
- blu (cioè non cambia) con sostanze vicine alla neutralità;
- verde con sostanze “basiche”.
Il succo di cavolo rosso, quindi, può essere utilizzato come “indicatore” di pH.
Per avere un’indicazione approssimativa sui valori di pH, possiamo confrontare i colori ottenuti con la scala cromatica della Foto 36.
E poi ...
Per ottenere valori più affidabili sul pH, si possono utilizzare cartine imbevute di un indicatore “universale” (facilmente reperibili in negozi di accessori per laboratorio o su cataloghi
di materiale didattico), che riportano sulla confezione i valori di pH (di solito da 1 a 10) e i
corrispondenti colori assunti dall’indicatore (foto 35).
Per approfondire
L’acqua ha sciolto alcune sostanze presenti nel cavolo rosso, chiamati “antociani” e piuttosto comuni nei vegetali a colori vivaci, che rendono blu la soluzione; come si è visto, esse
possono funzionare da indicatori di pH, in quanto cambiano colore in presenza di acidi o
basi, assumendo colorazioni specifiche.
Altri indicatori naturali – Sostanze coloranti che hanno un comportamento simile a quello
del cavolo rosso sono presenti in molti vegetali dal colore rosso o viola: mirtilli, uva, bacche di sambuco, more del gelso. Anche i petali di alcuni fiori (rose, iris) hanno proprietà
simili.
47
Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
Se vogliamo soluzioni con maggiore stabilità, conviene usare come solvente alcol etilico
non colorato.
L’indicatore alla curcuma per le basi - Sciogliendo mezzo cucchiaino di polvere di curcuma in un bicchiere di alcol e imbevendo dei dischi di carta da filtro con la soluzione ottenuta, di colore giallo (per il procedimento, si veda la scheda 27), si otterrà un indicatore
“esclusivo” per le basi: il giallo si trasforma in rosso (foto 33). Gli acidi, invece, non causano alcuna variazione di colore.
Il pH e la vita
In acqua gli organismi non sono molto sensibili alle variazioni di pH, finchè i valori non si allontanano troppo
dalla neutralità. D’altra parte il pH può cambiare nel corso della giornata, in relazione al bilancio fotosintetico e
alla respirazione (vedi box di approfondimento).
Di norma l’acqua di uno stagno, di un lago o di un corso d’acqua ha un pH vicino alla neutralità, mentre l’acqua
di mare può arrivare anche a 8,5 per l’abbondanza di sali di calcio e magnesio, a reazione basica.
Se intervengono fenomeni particolari di acidificazione, molti organismi non sono in grado di sopravvivere.
Quando nel 1926 iniziarono gli scarichi di una industria tessile che produceva rayon, una fibra sinbtetica, in pochi anni il pH del lago d’Orta scese a 4,4: le acque non erano più balneabili e sopravvivevano solo pochi pesci
nelle vicinanze degli immissari. Dopo l’intervento di correzione del pH negli anni 1989-1990, la vita è rapidamente tornata a condizioni di normalità.
48
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Valori di pH di alcune sostanze
SCHEDA 29Acido+Base=?
Per cominciare…
Vi siete mai chiesti cosa succede se ad un acido si aggiunge una base?
Cosa succederà in questo caso al succo di cavolo? Ed alla curcuma?
Cosa serve
Acqua (mezzo bicchiere) - succo o cartina al cavolo rosso –cartina alla curcuma - due contenitori in vetro (vanno bene bicchieri o vasetti di vetro senza coperchio) – aceto - bicarbonato di sodio -ammoniaca per pulizie (fare attenzione: sostanza tossica!).
Come fare
1. Riempire per metà il bicchiere con acqua e versare alcuni cucchiaini di bicarbonato di
sodio. Mescolare in modo da avere una soluzione limpida.
2. Aggiungere qualche goccia di succo di cavolo o usare la cartina; osservare il colore.
3. Versare nel bicchiere 1-2 cucchiai di aceto.
4. Osservare cosa succede e fare attenzione al colore del cavolo.
49
Dov’é l’acqua ...?! - Centro Regionale Educazione Ambientale - Pavia
5. Versare un po’ di ammoniaca in un altro bicchiere e intingere una cartina alla curcuma,
osservandone il colore (attenzione: questa seconda parte deve essere fatta dall’insegnante).
6. Far cadere una goccia di aceto sulla cartina e osservare cosa succede.
Cosa succede
Aggiungendo l’aceto (un acido) al bicarbonato (una base) si formano delle bollicine ed il succo di cavolo cambia colore.
Aggiungendo l’aceto (un acido) all’ammoniaca (una base) la cartina alla curcuma cambia colore: da rossa ritorna gialla.
Ragioniamo insieme
Un acido ed una base si combinano chimicamente tra loro, facendo cambiare il colore del
cavolo o della curcuma. Nel caso di aceto e bicarbonato, la reazione chimica è resa evidente
anche dallo sviluppo di un gas: si tratta di anidride carbonica.
E poi ...
Se versiamo un po’ di ammoniaca in un bicchiere contenente acqua e aggiungiamo qualche
goccia di succo di cavolo, si osserva la colorazione tipica di una soluzione basica (foto 36).
Aggiungendo goccia a goccia un po’ di acido muriatico, la colorazione della soluzione cambierà gradualmente, fino a diventare rossa (soluzione acida).
Questa prova deve essere condotta solo dall’insegnante a causa della tossicità delle sostanze impiegate.
SCHEDA 30L’acqua del mio balcone
Per cominciare
La tradizione popolare immagina l’acqua della pioggia particolarmente pura e “neutra”. La
neve veniva mangiata come fosse una granita, magari aggiungendo un po’ di limone e zucchero.
Ma adesso ...
Cosa serve
Soluzione o cartina al cavolo rosso - recipienti per raccogliere la pioggia.
Come fare
1. Raccogliere in barattoli di vetro la pioggia ponendoli sul davanzale della finestra, nel
cortile (sopra un tavolino) o in altri luoghi (è importante iniziare a raccogliere l’acqua
fin dall’inizio della pioggia o poco tempo dopo; l’esperienza riesce meglio se eseguita con
la prima pioggia dopo un lungo periodo siccitoso).
2. Valutare l’acidità dell’acqua con una cartina al succo di cavolo.
Cosa succede
La cartina “indicatrice” cambia colore, diventando più o meno intensamente rossa.
50
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Ragioniamo insieme
L’evaporazione porta nell’atmosfera acqua “pura”
che può condensare, cioè diventare liquida; si
formano in tal modo nuvole o, vicino al suolo, nebbia. Nell’atmosfera, però, si trovano diverse sostanze che possono reagire con l’acqua; in particolare, l’anidride carbonica in acqua forma l’acido
carbonico, che provoca un lieve cambiamento di
colore nella cartina indicatrice. La pioggia normale ha un pH di circa 5,7, leggermente acido. La
stessa reazione si può avere analizzando acqua
minerale gassata, ottenuta appunto aggiungendo
anidride carbonica.
Se il colore ottenuto è, invece, decisamente vicino al rosso, siamo in presenza di pioggia detta
“acida”, con pH più basso. In conseguenza dell’uso
di combustibili contenenti zolfo e azoto, infatti,
nell’atmosfera si liberano ossidi che, con l’acqua,
danno una reazione nettamente più acida.
Per apprezzare meglio i valori di pH di un’acqua
piovana, si può utilizzare la cartina indicatrice
universale (foto 35).
Per approfondire
Confrontare il pH della pioggia raccolta in luoghi
diversi ed in tempi diversi; quando piove per più
giorni, controllare il pH all’inizio ed alla fine. Se
nevica, raccogliere subito la neve, farla fondere
e misurare il pH.
Ricercare i dati relativi alle piogge acide in Italia
e in Europa.
Gli effetti delle piogge acide
Le precipitazioni acide hanno un effetto diretto sui vegetali, nei quali provocano l’ingiallimento delle foglie e, talvolta, l’essiccazione
completa della pianta.
Possono influenzare anche il pH dei suoli e
acidificare l’acqua dei laghi, creando seri problemi agli equilibri ecosistemici, come è successo nei Paesi del nord Europa.
Oltre a questi danni macroscopici, gli effetti
negativi delle piogge acide si possono osservare anche su scala ridotta.
Per esempio, alcuni anni fa in Olanda si è notato che un uccello dei boschi, la cinciallegra,
produceva uova con gusci troppo sottili e fragili.
Contemporaneamente si osservò anche che le
chiocciole della stessa area, di cui si cibavano
le cinciallegre, erano quasi scomparse a causa
dell’impoverimento di calcio nel terreno.
Senza chiocciole, gli uccelli cominciarono a
fare incursioni nei pollai, cercando gusci
d’uovo per arricchire la propria dieta.
Ebbene, la diminuzione del calcio nel terreno
è stata messa in relazione proprio con le piogge acide, che provocano lo scioglimento di alcuni sali contenenti calcio e la loro penetrazione in profondità.
Un fenomeno analogo si osserva sui monumenti marmorei, costuiti essenzialmente da
carbonato di calcio.
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BOX DI APPROFONDIMENTO
Luce, buio e pH: indovina cosa succede
Ricordate la Scheda 18? Si erano messi in evidenza gli effetti della respirazione e della fotosintesi sul
contenuto di ossigeno disciolto nell’acqua. Mentre la respirazione consuma ossigeno e produce anidride
carbonica, la fotosintesi produce l’effetto contrario: consuma anidride carbonica e produce ossigeno.
Considerando i vasi di vetro con all’interno rametti di piante acquatiche, si poteva notare:
- nel vaso trasparente prevaleva la fotosintesi: aumento dell’ossigeno e diminuzione di anidride carbonica;
- nel vaso avvolto nel foglio di alluminio avveniva solo la respirazione: diminuzione di ossigeno e aumento di anidride carbonica.
Facendo riferimento alla scheda precedente, quale situazione di pH possiamo prevedere nel vaso trasparente e, invece, nel vaso ricoperto di alluminio?
Alla fine dell’esperienza della Scheda 18, prelevare una piccola quantità di acqua con un contagocce da
ciascuno dei due vasi e versare 1-2 gocce sulla cartina indicatrice.
Dovreste verificare una lieve basicità (tendente al verde) nel vaso trasparente e, al contrario, una lieve acidità (tendente al rosso) nel vaso con l’alluminio, dovuto all’accumulo di anidride carbonica e alla conseguente formazione di acido carbonico.
Il pH nelle acque naturali
Il pH dell’acqua in una sorgente di montagna, dove l’attività biologica è praticamente assente, dipende essenzialmente dalle caratteristiche idrogeologiche del bacino da cui proviene, che determina qualità e quantità degli ioni
disciolti. Per esempio, l’acqua di percolamento in una grotta carsica, con le tipiche formazioni a stalattiti e stalagmiti, avrà un pH basico, dovuto al passaggio su terreno calcareo.
Dove, invece, è presente una comunità biotica, come negli stagni, nei laghi e nei mari, le cose cambiano!
La presenza di esseri viventi nelle acque naturali comporta, come abbiamo visto, una variazione di ossigeno disciolto nell’acqua che - fatta eccezione per la stagione invernale, quando le basse temperature rallentano tutte le
attività biologiche – dipende soprattutto dal bilancio respirazione-fotosintesi, a cui si aggiunge la diffusione.
Naturalmente, a questa ritmicità di ossigeno ne corrisponde una, inversa, di anidride carbonica: a) la produzione
abbondante di ossigeno durante il dì si accompagna alla diminuzione di anidride carbonica, in quanto conseguenza entrambe dell’attività fotosintetica; b) il consumo notturno di ossigeno si accompagna, invece, alla produzione
di anidride carbonica, in conseguenza della respirazione.
Poichè l’anidride carbonica, come si è visto nella Scheda 30, in acqua forma acido carbonico, si ha:
caso a) - poca anidride carbonica  poco acido carbonico  pH più alto
caso b) - tanta anidride carbonica  tanto acido carbonico  pH più basso
Anche il pH, quindi, presenta una ritmicità nictemerale: in un piccolo stagno con tanta vegetazione può salire
fino a 9 nelle prime ore del pomeriggio, e scendere quasi a 5 alla fine della notte!
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