Fontana a diossido di carbonio, CO2

Fontana a diossido di carbonio, CO2
(Tradotto ed elaborato da Battistina Carzedda, Valentina Devoto, Ivana Cocco e Maria
Cristina Mereu)
Journal of Chemical Education Vol. 84 N° 10 October 2007
Carbon Dioxide Fountain
submitted by: Seong-Joo Kang* and Eun-Hee Ryu
Department of Chemistry Education, Korea National University of Education, Cheongwon,
Chungbuk
3363-792, Republic of South Korea; * [email protected]
checked by:
Mark Case
Emmaus High School, 500 Macungie Ave, Emmaus, PA 18049
Le dimostrazioni sono interessanti, catturano l’attenzione degli studenti e forniscono esempi
concreti di concetti astratti. Una classica dimostrazione che è stata popolare per decenni è la fontana
ad ammoniaca. Questo esperimento mira a far comprendere agli studenti la solubilità dei gas, le
interazioni acido-base, i flussi di materia in seguito a differenze di pressione e altri concetti (1-6). È
nota anche una fontana a HCl, ma non è stata mai pubblicata una descrizione di una fontana a CO2.
Con l’obiettivo di sviluppare nuove dimostrazioni chimiche, abbiamo realizzato la fontana a CO2
usando prodotti chimici di uso comune.
L’Alka-Seltzer è spesso usato per curare l’acidità di stomaco. I principi attivi nell’Alka-Seltzer sono
il bicarbonato di sodio, l’acido citrico e l’aspirina. Quando una tavoletta di Alka-Seltzer si dissolve
in acqua, il bicarbonato di sodio reagisce con gli acidi per formare CO2 gassoso (7,8).
3NaHCO3(aq) + + H3C6H5O7(aq)
à 3CO2(g) + + 3H2O + + Na3C6H5O7(aq)
NaHCO3(aq) + + HC9H7O4(aq)
à
acido citrico aspirina
CO2(g) + + H2O + + NaC9H7O4(aq)
Queste reazioni vengono usate quali fonti di diossido di carbonio gassoso nella dimostrazione della
fontana a CO2.
In un sistema chiuso, la dissoluzione della CO2 in una soluzione di idrossido alcalino, come
descritto dalle seguenti equazioni, provoca una diminuzione della pressione:
2NaOH(aq) + + CO2(g)
à Na2CO3(aq) + + H2O
Na2CO3(aq) + + H2O + + CO2(g) à 2NaHCO3(aq)
La diminuzione della pressione è la causa che muove la fontana a CO2. Come il gas si dissolve nella
soluzione alcalina riducendo la propria pressione, l’acqua è spinta dalla pressione atmosferica dal
becker verso l’alto attraverso un tubo di vetro e crea l’effetto fontana.
Procedure sperimentali
Collegare 40 cm di tubo di gomma ad una beuta da vuoto da 250 mL e sistemare l’altro capo del
tubo in un pallone a fondo tondo da 500 mL. Quindi versare circa 25 mL di acqua e 2 tavolette di
Alka-Seltzer nella beuta da vuoto e chiuderla con un robusto tappo di gomma. Preparare un tappo
di gomma forato per il pallone a fondo tondo da 500m inserendo nel tappo un tubo di vetro che
arrivi almeno al fondo del pallone con attaccato un tubo di gomma di 30 cm di lunghezza. Riempire
il pallone a fondo tondo con la CO2 prodotta e successivamente versarvi 30 mL di soluzione di
NaOH 2.0 M. Chiudere rapidamente il pallone con il tappo forato preparato in precedenza avendo
cura di stringere il tubo di gomma con una pinza per evitare la fuoriuscita di CO2.
Capovolgere con attenzione il pallone e inserirlo in un supporto ad anello.
Porre un becker da 500 mL contenente 400 mL di acqua e una piccola quantità di indicatore blu di
bromotimolo al di sotto del pallone e immergere il tubo di gomma nell’acqua in esso
contenuta.(fig.1).
Fig. 1 Schema della fontana a CO2
Fig. 2 Schema della fontana a CO2
collegata ad un sensore di pressione.
Dopo diversi minuti allentare la pinza che stringe il tubo di gomma: la fontana si osserva
immediatamente.
Misura della variazione di pressione usando un sensore di pressione per i gas
Collegare 40 cm di tubo di gomma ad una beuta da vuoto da 250 mL e sistemare l’altro capo del
tubo in un pallone a fondo tondo da 500 mL nel quale sono contenuti 10 mL di acqua e alcune
gocce di blu di bromo timolo. Aggiungere 50 mL di soluzione di HCl 1.0 M e 5 tavolette di AlkaSeltzer alla beuta da vuoto e chiuderla con un robusto tappo di gomma. Preparare un tappo di
gomma a due fori per il pallone a fondo tondo da 500mL inserendo in un foro un tubo di vetro che
arrivi circa a metà pallone e nel secondo foro un tubo di vetro che arrivi appena sotto il tappo.
Attaccare un tubo di gomma da 15 cm al tubo di vetro più corto e un tubo di gomma di 40 cm al
tubo di vetro più lungo. Chiudere con una pinza il tubo di gomma da 40 cm e collegare ad un
sensore di pressione il tubo di gomma da 15 cm. Riempire con la CO2 prodotta il pallone a fondo
tondo e successivamente versarvi 50 mL di soluzione di NaOH 2.0 M. Chiudere rapidamente il
pallone con il tappo a due fori preparato in precedenza.
Immergere il tubo di gomma da 40 cm in 1 L di acqua contenuta in un cilindro graduato (fig.2).
Appena si è stabilito l’equilibrio, allentare la pinza dal tubo di gomma da 40 cm. Misurare la
quantità di acqua che fluisce dentro il pallone.
Discussione
La fontana a CO2 presenta diversi vantaggi rispetto alla fontana ad ammoniaca: non solo è priva di
odore, ma utilizza un prodotto di uso comune come l’Alka-Seltzer. A causa dei vapori irritanti
prodotti, gli studenti non possono costruire l’esperimento della fontana ad ammoniaca senza una
cappa aspirante. Per la fontana a CO2 invece non è necessaria la cappa. Va posta attenzione quando
si maneggia la soluzione di NaOH che è caustica.
Come si evidenzia da numerose pubblicazioni, la determinazione della pressione dei gas risulta
essere uno degli argomenti favoriti in molti esperimenti. Se si dispone di un sensore di pressione,
l’allestimento dell’esperimento mostrato in fig. 2 permette agli studenti di notare il consumo del
reagente gassoso.
In questo esperimento nella beuta da vuoto viene introdotta una soluzione di HCl al posto
dell’acqua per produrre una maggiore quantità di CO2.
Come si vede dalla curva pressione in funzione del tempo, mostrata in fig.3, la pressione nel pallone
a fondo tondo aumenta quando viene inserito il tappo di gomma, per diminuire rapidamente fino a
0,10 atm conseguentemente alla reazione della CO2 con la soluzione di NaOH.
Appena si apre la pinza che chiude il tubo di gomma da 40 cm di lunghezza, l’acqua fluisce dal
cilindro graduato nel pallone a fondo tondo, finché la pressione all’interno di esso è quasi uguale
alla pressione atmosferica. Il pallone sarà quasi completamente riempito dall’acqua. Il valore medio
della CO2 consumata è risultato circa 0.022 moli.
Fig.3 Grafico Pressione in funzione del Tempo di reazione fra CO2 e soluzione di NaOH
Sicurezza
Si sono verificati diversi incidenti quando l’esperimento è stato allestito utilizzando una beuta al
posto di un pallone a fondo tondo. Le beute a fondo piatto non resistono alle differenze di pressione
prodotte in questa dimostrazione e spesso implodono causando seri danni agli sperimentatori (9,10).
La soluzione di NaOH è caustica e deve essere maneggiata con attenzione.
Bibliografia
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11. Gordon, J.; Chancey, K. J. Chem. Educ. 2005, 82, 286–287.
12. Branca, M.; Soletta, I. J. Chem. Educ. 2005, 82, 613–615.
Materiale occorrente
- beuta da vuoto (codata) da 250 mL
- tubo di gomma da 40 cm
- tappo per la beuta
- pallone a fondo tondo da 500 mL
- tappo ad un foro per il pallone
- tubo di vetro da 20 cm
- tubo di gomma da 30 cm
- pinza di Mohr
- becker da 500 mL
- supporto ad anello
- sol. NaOH 2,0 M (30 mL)
- Alka-Seltzer (2 tavolette)
- Blu di bromotimolo (o fenolftaleina)
- acqua
Altro materiale (per la procedura con il
sensore di pressione)
- sensore di pressione collegato a PC
- cilindro graduato da 1 L
- tappo a due fori per il pallone
- sol. HCl 1,0 M (50 mL)
- sol. NaOH 2,0 M (50 mL)
- Alka-Seltzer (5 tavolette)
Procedure sperimentali (per punti)
1) Collegare 40 cm di tubo di gomma alla beuta da vuoto da 250 mL
2) Inserire in un tappo forato un tubo di vetro che arrivi almeno a metà del pallone e attaccarvi
all’estremità un tubo di gomma di 30 cm di lunghezza
3) Versare circa 25 mL di acqua e 2 tavolette di Alka-Seltzer nella beuta da vuoto e chiuderla
con un robusto tappo di gomma
4) Infilare l’altro capo del tubo nel pallone a fondo tondo da 500 mL per farlo riempire di CO2
5) Versare 30 mL di soluzione di NaOH 2.0 M nel pallone e chiuderlo rapidamente con il
tappo forato preparato in precedenza, avendo cura di stringere il tubo di gomma con una
pinza per evitare la fuoriuscita di CO2
6) Capovolgere con attenzione il pallone e inserirlo nel supporto ad anello
7) Porre un becker da 500 mL contenente 400 mL di acqua e una piccola quantità di indicatore
blu di bromo timolo al di sotto del pallone e immergere il tubo di gomma nell’acqua in esso
contenuta.(fig.1)
8) Attendere almeno 20-25 minuti prima di allentare la pinza