Una bilancia per comprendere la natura - Esperimenti pratici con una bilancia Fisica Chimica Biologia
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Classroom Experiments
Esperimenti
pratici con una
bilancia
Fisica
Chimica
Biologia
Una bilancia per
comprendere la natura
Indice
Prefazione
3
Cenni storici
8
Fisica
Densità dei corpi solidi in base alla misura del peso e del volume 6
Densità dei solidi (metodo di galleggiamento) 7
Dipendenza della densità dell'acqua dalla temperatura 9
Densità dell'aria 11
Densità dei gas 12
Il galleggiamento nei gas 13
Densità dei liquidi 15
Forza e forza opposta 16
Forza di deflessione 17
Forza di resistenza in una corrente d'aria 20
Forze su un profilo aerodinamico 22
Dipendenza della forza del campo magnetico
di una bobina dall'intensità di corrente 25
Il ferro dolce in un campo magnetico 26
Chimica
Quanto bicarbonato di sodio contiene
una pastiglia effervescente? 28
Determinazione di grasso nella soia e nelle noci 29
Determinazione di calcare fine in campioni del suolo e rocciosi 30
Determinazione dell'acqua di cristallizzazione nei sali 31
Termolisi dei sali 33
Sintesi di solfuro di rame 35
Determinazione della massa molare di gas liquefatto 37
Velocità di evaporazione 39
Catalisi omogenea: la dissociazione di H2O2 41
Biologia
La traspirazione nelle piante 45
Assorbimento di vapore acqueo nei licheni 47
Assorbimento e perdita d'acqua nei muschi 48
Contenuto d'acqua e di cenere di organi vegetali diversi 49
Fermentazione alcolica 51
1
Prefazione
Gli esperimenti pratici effettuati in laboratorio costituiscono ancora il modo migliore per com-
prendere le leggi della natura. Un esperimento è spesso più facile da comprendere di formule
astratte oltre a rimanere impresso nella memoria degli allievi.
Con l’ausilio di una bilancia elettronica è possibile dimostrare facilmente fenomeni fisici,
chimici e biologici in una maniera comprensibile ed intuitiva.
Il nostro scopo principale è quello di creare esperimenti facili e comprensibili con un minimo
di materiale e con risorse disponibili in laboratorio. Durante l’esecuzione di un esperimento,
la facilità di utilizzo della bilancia richiede minima attenzione consentendovi la massima
concentrazione sullo svolgimento dell’esperimento.
Tuttavia vi invitiamo a rispettare le avvertenze di sicurezza generali.
Vi auguriamo un buon divertimento nell’esecuzione delle prove.
Mettler-Toledo GmbH
CH-8606 Greifensee
Norme di sicurezza generali Questa brochure descrive alcuni esempi di esperimenti pratici per uso didattico. I materiali
e le sostanze utilizzate, la loro quantità, la preparazione degli esperimenti sono puramente
a titolo di esempio. La responsabilità degli esperimenti è unicamente della persona che li
effettua. METTLER TOLEDO declina qualsiasi responsabilità al riguardo.
Gli esperimenti devono essere eseguiti unicamente da persone qualificate o sotto la super-
visione di persone qualificate ed autorizzate.
E’ necessario seguire rigorosamente le istruzioni per l’uso di tutti gli strumenti utilizzati
(bilance di precisione, bruciatore Bunsen, generatore eolico…).
Alcune sostanze citate negli esperimenti sono pericolose, tossiche o esplosive.
L’utilizzo di tali sostanze può essere vietato o limitato dalla legge o dal regolamento scolasti-
co interno oppure sottostare a rigide norme di sicurezza. L’utilizzatore è l’unico responsabile
della manipolazione di tali sostanze ed è tenuto a rispettare strettamente le disposizioni in
materia. È obbligatorio rispettare tutte le avvertenze e le disposizioni relative alla sicurezza.
3Cenni storici
Metrologia, Un corretto equipaggiamento di misurazione non è solamente la base della ricerca scientifica,
l’arte della misurazione ma generalmente riveste anche un ruolo importante nella nostra vita. È importante per tutti noi
nella vita di tutti i giorni.
Le persone che misurano lunghezza, tempo e massa accuratamente possono fidarsi.
Le persone che sono autorizzate a determinare massa e peso hanno potere.
Considerando che il tempo e la misura lineare possono essere derivate biologicamente o
fisicamente, l'istituzione delle unità di peso era casuale. Così gli stati, le regioni e le città
avevano le loro unità di peso facilmente per i tempi moderni.
Era così fino alla Convenzione del Metro nel 1875, ora siglata da oltre 50 paesi, che rendono
possibile una massa standardizzata e un sistema di peso.
La nostra ben nota unità primaria di 1 kg corrisponde
alla massa del chilogrammo campione internazionale.
Il «chilogrammo prototipo» è conservato presso il BWM
a Sèvres vicino a Parigi in condizioni climatiche parti-
colarmente rigide. È un cilindro alto 39 mm e avente
diametro di 39 mm ed è realizzato in una lega al 90%
di platino e al 10% di iridio in modo da garantire la
costanza della massa. Gli standard nazionali sono
comparati a intervalli regolari con tale chilogrammo
campione ma non troppo frequentemente per evitare
che venga utilizzato inutilmente.
La storia della bilancia si perde nella notte dei tempi. Resti di vecchie bilance conosciute
furono ritrovati in una tomba preistorica in Egitto: sono stati datati intorno al 5000 a.C.. Pietre
come singoli pesi sono note da molto tempo. Può essere affermato che l'uomo ha cominciato
a pesare circa 7000 anni fa.
Storia culturale La forma più conosciuta di una bilancia è quella a doppio piatto. Una massa campione è
comparata in proporzione 1:1 con le masse standard. Ma una bilancia monopiatto con un
solo braccio o le bilance con bracci non simmetrici con un rapporto di trasmissione si posso-
no facilmente trovare nei disegni storici. Altri importanti tipi di bilance sono, per esempio,
le pesaponte per veicoli, le bilance postali o le bilance dinamometriche in cui la forza peso
dipendente dall'accelerazione di gravità è mostrata su una scala graduata.
La bilancia è familiare alle persone non solo perché è uno degli
strumenti più comuni, ma anche perché fino dai tempi più re-
moti è considerata l'emblema di uguaglianza e di giusta valuta-
zione. La bilancia occupa così una posizione equivalente sia
come spada di giudizio della giustizia divina, sia come giudizio
ponderato. (es. 1 lira italiana)
4Un altro interessante utilizzo simbolico della bilancia coinvolge la pesatura
delle anime per gli antichi Egizi e Greci. Gli antichi cofani e papiri egizi che
accompagnavano i morti contengono molte rappresentazioni sulla pesata
delle anime, che erano utilizzate come metodo di giudizio nel tribunale dei
morti. In base al risultato, l'anima, rappresentata sulla bilancia come un
piccolo vaso, con la persona da giudicare in attesa, passa da un dio di
dannazione per la distruzione o da un dio di luce per la salvezza. L'anima
è pesata con verità rappresentata sotto forma di una piuma (geroglifico in
verità) sull'altro piatto di pesata.
Una rappresentazione simile proveniente dalla venera-
zione Cristiana dei Santi è quella di San Michele come
giusto fautore nel Giudizio Finale.
Un certo peso nella vita di oggi Che certa luce o anche immateriale possa avere un grande peso è mostrato soprattutto
quando qualcuno riesce a stabilire una grossa decisione con una sola parola. Comunque,
una parola sbagliata può anche avere brutte conseguenze, ma ciò che non perdiamo comple-
tamente è il nostro senso di equilibrio che è accertato da un buon amico a cui le bilance sono
rivolte a nostro favore. Egli poi ci potrà fornire il seguente avviso: «Pesa prima le cose pesan-
ti». Tuttavia mentre le persone che pesano ogni parola possono essere generalmente intelli-
genti, devono essere viste come pedantici contemporanei con cui sia scomodo stare.
5Fisica
Densità dei corpi solidi in base alla
misura del peso e del volume
Obiettivo Questo esperimento illustra i concetti di massa e densità; serve inoltre come introduzione alle
tecniche di pesatura.
Compito Calcolo del volume di corpi solidi di forma regolare partendo dalle dimensioni. La massa è
determinata tramite la pesatura; la densità è calcolata in base al volume e alla massa.
Materiale Bilancia di precisione Mettler Toledo (risoluzione 0.01 g)
Corpi cilindrici o conici, sferici, rettangolari
Calibri per lunghezze, calibri scorrevoli, micrometri
Procedura Lo studente, al quale è stato dato un campione, determina le dimensioni e calcola il volume.
Pesa quindi il campione (sotto la supervisione del docente) e valuta infine i risultati che ha
ottenuto.
Valutazione La densità è il rapporto tra massa e volume
m
ρ = V unità: g/cm3, kg/m3
Negli esperimenti scolastici, i singoli campioni possono essere valutati in successione da tutti
gli studenti (o da gruppi di 2).
Conclusioni La relativa incertezza del risultato deve essere stimata tramite un calcolo dell'errore:
– Incertezze di taratura non rilevanti
– Precisione della forma geometrica?
– Incertezza relativa delle misurazioni della lunghezza?
– Incertezza relativa della pesatura?
Note – Determinando la densità dello styropor, deve essere applicata una correzione per il galleg-
giamento. Altrimenti si incorre in un errore relativo del 6%.
– Con fili sottili o fogli di densità nota, lo spessore deve essere determinato tramite pesatura
(filo di rame, foglio di alluminio).
– Conoscendo la densità di corpi cilindrici o sferici, è possibile calcolare π.
6Densità dei solidi
(metodo di galleggiamento)
Obiettivo Questo esperimento viene impiegato per illustrare i concetti di massa, galleggiamento e densità.
Compito Corpi solidi di forma irregolare: determinazione del volume in base al galleggiamento della
massa tramite pesatura. Queste due quantità vengono utilizzate per calcolare la densità
media del corpo.
Materiale Bilancia di precisione Mettler Toledo (risoluzione 0,01 g)
Becher contenente acqua
Supporto con asta e staffa
Filo Perlon
Cestello di rete metallico sottile a maglia larga
Pinzette
Corpo di forma qualsiasi (es. vite, chiave, moneta)
Disposizione dell'esperimento Il cestello vuoto viene appeso
a un filo Perlon e viene immerso Gancio
nell'acqua senza che tocchi
la parete del bicchiere.
Cestello
Supporto
Procedura La bilancia viene tarata. Viene determinata la massa m del corpo posto sul piatto della bilan-
cia accanto al becher. Il corpo viene ora posto nel cestello usando le pinzette. Non vi deve es-
sere alcuna perdita d'acqua sulle pinzette o altrove. Le bolle d'aria attorno al cestello e all'og-
getto vanno rimosse. Sull'oggetto viene esercitata la forza di sollevamento (galleggiamento)
FA verso l'alto che esercita a sua volta una forza opposta F di uguale grandezza, sull'acqua
verso il basso. La bilancia visualizza m~. La formula F = m ~ · g è valida.
A
Valutazione ~g
Secondo il Principio di Archimede, FA = Vcorpo · ρliq · g = m
~
m
Vcorpo =
ρliq
m~ m
m
e in base alla densità media ρcorpo = = = ρliq · ~
Vcorpo ρliq m
Esempio: dado della ruota d'automobile
Temperatura dell'acqua 20 °C
Massa del dado m = 52.74 g
Galleggiamento m ~ = 06.74 g
52.74 g
ρ = 1.00 g/cm3 · = 7.83 g / cm3
6.74 g
7Fisica
Conclusioni A 20 °C, la densità dell'acqua è dello 0,2% inferiore a 1 g/cm3. Anche senza considerare la
dipendenza della temperatura dalla densità, possono essere determinati il volume e la densità
media anche di monete piccole con un margine d'errore inferiore all'1%.
Impiegando monete d'oro o d'argento, il valore standard può essere calcolato se si conosce
la densità (media) del materiale della lega. Vale la formula seguente:
massa volume densità media
moneta m V ρ
oro, argento mx Vx ρx
residuo mR ρR
m = mx + mR
V · ρ = V x · ρ x + (V – Vx ) · ρ R
Vx ρ – ρ R
= or m x / m = …
V ρx – ρR
8Dipendenza della densità dell'acqua
dalla temperatura
Obiettivo La densità dell'acqua varia al variare della temperatura, raggiungendo la densità massima a
4 °C (anomalia dell'acqua).
Compito La densità dell'acqua nel campo di temperatura da 0 a 50 °C viene determinata per mezzo di
un picnometro e di una bilancia. I risultati dell'esperimento vanno riportati su un grafico.
Materiale Bilancia di precisione Mettler Toledo (risoluzione 0,01 g)
Picnometro da 50 o 100 ml, se possibile di quarzo e con un termometro con attacco conico
Becher da 1000 ml
Se possibile, termometro 0 – 50 °C, graduato a 1/10 a 1/5 di grado
Piastra di riscaldamento
Foglio di styropor per isolamento termico
Asciugamano
Cubetti di ghiaccio
Procedura Il foglio di styropor viene posto sul piatto della bilancia per consentire l'isolamento termico.
La bilancia viene tarata con il picnometro vuoto.
Questo viene riempito immergendolo nel becher contenente acqua ghiacciata, inserendo il
tappo (o il termometro con attacco conico) sott'acqua. Viene misurata ϑ, la temperatura
dell'acqua.
Il picnometro viene quindi estratto dall'acqua, asciugato e posto sulla bilancia, annotando la
massa m dell'acqua. Il ghiaccio residuo viene rimosso dall'acqua, che viene quindi riscaldata
lentamente. Nel campo da 0 a 10 °C, la misurazione di ϑ e m dviene inizialmente eseguita
ogni 2 gradi circa; successivamente, ad intervalli di circa 10 gradi. Al termine di ogni misura-
zione, il contenuto del picnometro viene svuotato nel bicchiere e l'acqua viene ben agitata.
Valutazione Con un picnometro di vetro Jena (coefficiente di espansione lineare α = 3.2 · 10 –6/K), tarato
a 50 cm3 a 20 °C, si devono ottenere i valori sperimentali seguenti:
Temperatura Massa Densità
ϑ in ºC m in g ρ in g/cm3
0 49.991 0.999 84
2 49.996 0.999 94
4 49.997 0.999 97
6 49.996 0.999 94
8 49.992 0.999 85
10 49.984 0.999 70
20 49.910 0.998 21
30 49.783 0.995 65
40 49.612 0.992 22
50 49.405 0.988 05
9Fisica
Conclusioni Mediante un picnometro e una bilancia, si può determinare la densità di un'ampia varietà di
liquidi come per esempio esano, etanolo, cloroformio.
Note – In base alla tabella, nell'intervallo di temperatura 0 – 4 °C, la densità dell'acqua varia di
0,00013 g/cm3, corrispondente al 0,13‰.
Nello stesso intervallo, il volume del vetro Jena varia dello 0,04‰, ma quello del quarzo
sette volte meno. Se il picnometro non è di quarzo, è consigliabile una correzione del
volume.
– Se il picnometro viene riempito con acqua a 2 °C, durante il riscaldamento si può osservare
un abbassamento del livello dell'acqua nel capillare del tappo. Se si afferra saldamente
con la mano calda il picnometro, la contrazione avviene entro pochi secondi.
– La densità dell'acqua a 20 °C deve essere misurata con particolare precisione in quanto
questa è la temperatura a cui vengono tarate le burette, le pipette e i cilindri. È di circa il
2‰ inferiore a quella a 4°C.
10Densità dell'aria
Obiettivo Perfino l'aria ha massa e densità!
Compito Si svuota una beuta e si determina la densità dell'aria in base alla massa e al volume dell'a-
ria evacuata. La densità deve essere convertita a temperatura e a pressione standard.
Materiale Bilancia di precisione Mettler Toledo (risoluzione 0,01 g)
Pompa a vuoto (pompa ad acqua)
Beuta di vetro con 2 tappi (circa 1 l)
Secchio contenente acqua
Cilindro di misurazione (1 l)
Termometro (per temperatura dell'acqua)
Termometro (per temperatura ambiente)
Barometro
Procedura Per semplificare i calcoli, l'acqua deve essere a temperatura ambiente. La beuta asciutta,
riempita con aria, viene tarata sulla bilancia: quindi l'aria viene fatta evacuare e la bottiglia
pesata, annotando la massa m dell'aria evacuata. Successivamente, la beuta viene posta nel
secchio d'acqua, si apre lentamente il tappo, facendo entrare l'acqua fino a che la pressione
nella beuta non sia uguale a quella esterna. Il livello dell'acqua nella beuta è ora alla stessa
altezza di quello dell'acqua nel secchio. Il volume V dell'acqua entrata nella beuta è uguale al
volume dell'aria evacuata e può venire stabilito tramite un cilindro di misurazione o per
pesata.
Valutazione La densità viene determinata dal rapporto tra massa e volume
ρ= m in g/dm3 o kg/m3
V
Massa dell'aria evacuata m in g
Volume dell'aria evacuata V in dm3
Temperatura ambiente ϑ in ºC
e quindi T in K
Pressione dell'aria p in mbar
Per la densità a temperatura ambiente
ρ= m
V
e per la densità standard
m 1013 mbar T
ρo = · ·
V p 273.1K
(valore della letteratura 1.293 kg/m3)
Note – Misurando il volume con un cilindro, la precisione massima ottenibile è dell'1%.
– È difficile correggere per l'umidità dell'aria e per il suo contenuto in anidride carbonica;
anch'essi incidono circa dell'1%.
11Fisica
Densità dei gas
Obiettivo Questo esperimento determina la densità di una sostanza gassosa.
Compito La densità di una sostanza gassosa viene determinata in base al suo volume e alla sua mas-
sa e quindi convertita alla temperatura e alla pressione standard.
Materiale Bilancia di precisione Mettler Toledo (risoluzione 0,01 g)
Beuta conica (circa 1 l)
Cilindro di misurazione (circa 1 l)
Vasca contenente acqua
CO2, He, H2 o O2 da una bombola
Termometro (per temperatura ambiente)
Barometro
Procedura La beuta conica viene tarata e riempita d'aria. Il gas viene introdotto nella beuta per pochi se-
condi impiegando il tubo di gomma dotato di un tubo di vetro che raggiunge il fondo della
beuta. Quando la lettura della bilancia non varia più, il flusso di gas viene interrotto e viene
letta la massa ∆ m. Il flusso di gas viene interrotto e viene letta la massa ∆ m. Quindi si riem-
pie con acqua la beuta conica e si determina il volume V mediante il cilindro. Si può ricavare
con maggiore precisione e altrettanta facilità il volume impiegando una bilancia e ponendo
che la densità dell'acqua sia pari a 1.00 g/cm3.
Valutazione La densità del gas è il rapporto tra la massa del gas e il suo volume. La massa del gas non è
stata misurata direttamente ma è stata calcolata:
m gas = m (beuta con gas) – m (beuta con aria) + m aria
= ∆m + m aria
Differenza di massa tra gas e aria ∆m in g
Massa dell'aria (non misurata) m aria in g
Volume della beuta conica V in dm3
Temperatura ambiente ϑ in ºC
e quindi T in K
Pressione dell'aria p in mbar
m gas ∆m + m aria
Nelle condizioni sperimentali, la densità del gas è ρ Gas = =
V V
Nelle condizioni standard la densità del gas è
ρo gas = ∆m ·
1013 mbar
·
T
+ ρo aria
V p 273.1 K
dove ρo aria = 1.293 g/dm3
Note – La beuta conica deve essere completamente asciutta.
– Le bombole di gas devono essere a temperatura ambiente.
– I gas che sono più leggeri dell'aria (p.es. l'elio) devono essere introdotti dal basso verso
l'alto nel matraccio conico Erlenmeyer capovolto.
12Il galleggiamento nei gas
Obiettivo Pesando un corpo in aria, la forza di galleggiamento è uguale in grandezza al peso dell'aria
spostata. La stessa cosa avviene con altre sostanze liquide e gassose. Di conseguenza,
determinando la massa dei corpi a basso peso specifico, deve essere eseguita una correzione
del galleggiamento.
Compito – Determinare la spinta idrostatica tra aria ed elio di un matraccio da un litro riempito di aria.
– Determinare la differenza idrostatica tra aria ed elio di un matraccio da un litro riempito di
elio.
Materiale Bilancia di precisione Mettler Toledo (risoluzione 0,01 g)
1 pallone da 1 l dotato di tappo (forato nel mezzo)
1 secchio piccolo (5 l)
Supporto
Elio e/o anidride carbonica in bombola d’acciaio
tubo metallico da 20 cm Β 6 mm, con base
Rischio di esplosione
Procedura Si inserisce il tubo nel tappo che presenta un foro apposito e lo si pone sulla bilancia. A questo
punto, si unisce al tappo il pallone e si legge il peso. Capovolgere quindi il secchio sul
matraccio e lasciar entrare l'elio nel secchio dal basso, fino a raggiungere un peso costante.
Il matraccio è diventato «più pesante»!
Il matraccio viene ora riempito di elio e riposizionato sulla bilancia.
La bilancia indica una massa inferiore, poiché la massa dell'elio nel recipiente è inferiore
rispetto a quella dell'aria. Se il recipiente fosse circondato di atmosfera di elio, la bilancia indi-
cherebbe la stessa massa del recipiente contenente aria e circondato da aria.
13Fisica
Valutazione La massa molare media dell’aria (28,8 g/mol) è circa 7 volte maggiore rispetto a quella
dell’elio. Diverse forze agiscono quindi sul recipiente da un litro:
la forza peso di circa 1,15 g dell’aria e/o quella di circa 0,16 g dell’elio.
Le forze esaminate possono essere rappresentate schematicamente nel modo seguente:
Estensione Le prove relative possono essere eseguite con anidride carbonica CO2 al posto dell’elio.
Poiché il peso specifico di CO2 è maggiore di quello dell’aria, l'esperimento deve essere ese-
guito capovolgendo la disposizione dei materiali:
– Il secchio si trova sul fondo.
– Il pallone pende dalla bilancia e è immerso nel secchio.
– La bilancia è sostenuta dal supporto o più semplicemente da uno sgabello provvisto di un
foro di sostegno.
Il pallone viene sospeso al gancio posto sotto la bilancia. Per prima cosa, tuttavia, bisogna
collegare la bilancia.
Il matraccio da un litro contiene circa 1,75 g di anidride carbonica. Le «differenze di peso»
con CO2 sono dovute alla differenza delle masse molari:
44 – 28.8
= 0.61
28.8 – 4
14
14Densità dei liquidi
Obiettivo Stabilire la densità dei liquidi dalla misura del volume e della massa.
Compito Studio della densità di liquidi diversi come acqua, alcool, cloroformio, esano e benzina.
Materiale Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g)
Cilindri graduati, palloni, pipette, picnometri, becher
Liquidi diversi, vedi sopra
Cilindri graduati Palloni Pipette Picnometro
Procedura Gli apparecchi di vetro come il picnometro, il becher o il cilindro graduato, vengono tarati e
quindi riempiti con il liquido in esame. La massa viene annotata.
Valutazione La densità è determinata come il rapporto tra massa e volume.
m
ρt =
V
ρt = densità alla temperatura t
m = massa
V = volume
t, ϑ = temperatura del liquido
Conclusioni Poiché la densità dei liquidi dipende dalla temperatura, questa deve venire specificata. Per otte-
nere misurazioni molto precise, è necessario correggere il galleggiamento.
Nota Il liquido impiegato per gli esperimenti didattici non deve essere irritante o velenoso. Non van-
no utilizzati tetracloruro di carbonio, alcali e acidi concentrati.
15
15Fisica
Forza e forza opposta
Tema Le forze si manifestano sempre in coppia – se un corpo esercita una forza su un altro corpo,
il secondo agisce sul primo con una
a) grandezza uguale
b) «forza opposta» direttamente contraria, e
c) lungo la medesima linea d'azione. 1
(Legge di azione e reazione di Newton) 2
Disposizione dell'esperimento 1 Bilancia di precisione METTLER TOLEDO
(Risoluzione 0,01 g) 3
2 Banco con foro
3 Corpo sospeso 4
4 Becher con liquido
5 Supporto regolabile («Laborboy»)
6 Bilancia di precisione METTLER TOLEDO
5
(Risoluzione 0,01 g)
6
Procedura a) Le due bilance vengono fatte funzionare senza carico (!) conformemente alle istruzioni.
b) Il corpo è sospeso alla bilancia superiore e il martinetto di laboratorio con il becher più il
liquido vengono posizionati su quella inferiore.
c) Il becher può ora venire sollevato in modo che il corpo sospeso si immerga gradualmente
nel liquido.
d) Come mostra la bilancia superiore, il corpo viene spinto verso l'alto dal liquido, divenendo
apparentemente più leggero. Come mostra la bilancia inferiore, il liquido (nonché il bic-
chiere e il martinetto da laboratorio) viene spinto verso il basso dal corpo immerso, dive-
nendo apparentemente più pesante. Entrambe le variazioni sono esattamente uguali in
grandezza.
Commento critico a) Negativo
L'impiego di due bilance elettroniche con display a proiezione può apparire molto singola-
re, tuttavia in una scuola di media grandezza o in una grande scuola, non dovrebbe esse-
re difficile reperire la seconda bilancia in un'altra sezione.
b) Positivo
1) La procedura sperimentale è completamente comprensibile senza spiegazioni ulteriori.
2) L'apparecchiatura è facile da usare e non presenta difficoltà «nascoste».
3) La dimostrazione può essere eseguita senza perdite di tempo superflue.
4) Viene mantenuto vivo l'interesse dello studente all'esperimento, in quanto il processo
di rialzamento e di abbassamento nonché la successiva ritaratura gli consentono di ri-
cavare continuamente nuove coppie di valori e di confrontarne i risultati con la teoria
espressa dalla legge, talvolta anche senza svolgere operazioni aritmetiche mentali.
5) Altri esperimenti relativi ad «azione» e «reazione» sono generalmente meno illuminanti
e richiedono spiegazioni complesse.
16
16Forza di deflessione
Obiettivo Per variare la direzione di un flusso,
è necessaria una forza normale
(perpendicolare alla direzione della velocità).
Compito Studio della forza che fa deviare
il flusso d'acqua in un tubo ad
angolo retto.
Materiale Bilance di precisione Mettler Toledo (risoluzione 0,01 g)
Tubo di plastica, diametro est. 12 mm, interno 8 mm, lunghezza quanto richiesto
Connettore del tubo allacciato al rubinetto dell'acqua
Primo tubo-guida lungo circa 200 mm, diametro interno leggermente superiore al diametro
esterno del tubo
Supporto antiscivolo con morsetti per trattenere il tubo in posizione orizzontale
Tanica di plastica da 5 l
Bilancia Mettler Toledo, range di pesata 0…6 kg o cilindro da 1000 ml
Cronometro
Secondo tubo-guida in legno (per fissare il tubo alla bilancia), esempio:
Spazio per la massa
Disposizione dell'esperimento 1 Tubo di plastica
2 Primo tubo-guida fissato al supporto
3 Secondo tubo-guida in legno
4 Massa per fissare il secondo tubo-guida
in legno alla bilancia
5 Tanica di plastica
6 Lavandino con scarico acqua
Banco da laboratorio
17
17Fisica
Il primo tubo-guida viene fissato sul supporto alla stessa altezza del secondo tubo sulla bilan-
cia. Il supporto del tubo non deve spostarsi sulla bilancia; allo scopo, può risultare necessario
aggiungere un ulteriore peso. Sebbene impiegando un tubo più lungo questo possa spostarsi
più facilmente, raddoppiandone la lunghezza si riduce tuttavia la portata massima di flusso di
circa la metà e la forza massima di circa un fattore 4!
Considerazioni tecniche In questo esperimento, è essenziale che il piatto di una bilancia di compensazione METTLER
TOLEDO rimanga esattamente alla stessa altezza sopra il banco, anche con carico variabile.
Ciò impedisce che il tubo di plastica si torca e che eventuali forze di deformazione influiscano
sui risultati delle misurazioni. L'acqua viene fatta deviare mediante la tubazione, esercitando
conseguentemente, a destra del tubo, una forza opposta verso l'alto. La componente di forza
verticale F viene misurata mediante la bilancia e dipende dalla velocità media di flusso v– del-
l'acqua. Questo valore può venire calcolato in base a ∆V nel tempo ∆ t e in base alla sezione
trasversale del tubo A:
v– = ∆V / ∆t
A
Procedura a) L'acqua viene fatta fluire molto lentamente a una velocità appena sufficiente a impedire
che bolle d'aria penetrino nel tubo attraverso l'estremità aperta; la bilancia viene tarata.
b) Il rubinetto dell'acqua viene aperto lentamente e la forza F misurata.
c) La tanica vuota viene mantenuta nel flusso d'acqua per un tempo adeguato ∆ t.
Contemporaneamente, viene osservato attentamente il display della bilancia, in quanto la
pressione dell'approvvigionamento idrico può mostrare fluttuazioni di breve durata.
d) Il volume dell'acqua nella tanica viene determinato tramite un cilindro graduato o – più
velocemente e con maggiore precisione – mediante pesatura su una seconda bilancia.
e) Con altre velocità i passi da b) a d) vanno ripetuti.
Tabella con F, ∆ t, ∆ V, v–
Valutazione In base alla regola, non rigorosa ma tuttavia semplificativa, che ogni particella d'acqua abbia
la stessa velocità di spostamento ∆V / ∆t
v = v– = (1)
A
Il volume che fluisce attraverso la sezione trasversale A nel tempo δ t è dato da:
La massa corrispondente δ V = A · v · δt.
ha il momento δm = ρ · δV
δ p = v · δm = ρ · A · v 2 · δt.
Inizialmente, esso viene diretto orizzontalmente, ma, in seguito, verso il basso. Quindi, nel
Ý
tempo δt viene prodotta una variazione verso il basso del momento dalla forza (–F ) della
tubazione:
F · δt = δp = ρ · A · v 2 · δt
(∆V / ∆t )2
F = ρ · A · v2= ρ · A
(∆m /∆t )2
F= (2)
ρ·A
~= F (∆m /∆t )2 (3) 18
m =
g ρ·A·g
18 e la lettura sulla bilancia~ I (F)
La relazione misurata tra ∆m /∆t e m
viene meglio rappresentato su carta log-log.
Viene tracciata una linea con pendenza 2. I punti sperimentali giacciono di fatto sulla linea e
così confermano il rapporto quadratico tra ∆m /∆t e m~.
Naturalmente, i valori della tabella sopraindicata non sono inventati, bensì effettivamente
misurati impiegando un tubo di plastica avente un diametro interno di 8 mm. In quale modo
possono accordarsi con l'equazione (3)? La quinta misura, per esempio, dà con
}
∆m /∆ t = 99.8 g/s
ρ acqua = 1.00 g/cm3 inserito in (3)
A tubazione π · (0.40 cm)2 m~
= calcolato = 20.2 g invece di
g = 981 cm/s 2 ~
m misurato = 20.0 g ±0.2 g
Questo accordo è soddisfacente; tuttavia, non tutte le particelle d'acqua si spostano alla
stessa velocità.
Conclusioni L'esperimento viene eseguito in 20 minuti e consente di «ripassare» i concetti seguenti:
«azione e reazione», «la variazione del momento è uguale all'impulso» e «graduazione
log-log».
19
19Fisica
Forza di resistenza in una corrente
d'aria
Obiettivo In un fluido in movimento, un corpo subisce una forza di resistenza F, che dipende dalla
grandezza (A) e dalla forma (cr) del corpo, nonché dalla densità ρ e dalla velocità relativa v
del mezzo che scorre (del fluido).
Compito Studio della forza di resistenza mediante l'impiego di corpi diversi nella corrente d'aria prodotta
da un generatore d'aria.
Materiale Bilance di precisione Mettler Toledo (risoluzione 0,01 g)
Generatore d'aria
Se possibile, pitometro di Prandtl con manometro per misurare la velocità dell'aria
Corpi di resistenza diversi (con aste di supporto)
– con un area di flusso contro il corpo il più uniforme possibile (sezione massima); es.: di-
sco circolare, sfera, emisfero solido, emisfero concavo, corpi affusolati, piani di modello.
– Della stessa forma, es.: dischi circolari grandi, medi e piccoli o piastre quadrate
– Asta sola, senza corpi di resistenza
Supporto dei corpi di resistenza, es.
1) base caricata di peso con un ulteriore foro trasversale di 8,2 mm di diametro
2) asta di alluminio, diametro 8 mm, lunghezza 400 mm
3) foro per l'asta del corpo di resistenza
4) vite M3 per impedire la torsione
5) possibilmente un contrappeso
Per proteggere la bilancia dalle oscillazioni impiegare una cassetta, per esempio da
600 x 600 x 400 mm, avente le seguenti caratteristiche:
– libero accesso agli utenti/studenti
– fissaggio al banco tramite due morsetti
– apertura nella base per consentire alla bilancia di poggiare direttamente sul banco
– piccola apertura laterale per l'asta di alluminio (2)
del supporto.
Disposizione dell'esperimento Impiegando un generatore d'aria potente, la cassetta
di protezione è assolutamente necessaria, poiché
il flusso dell'aria, quando raggiunge il soffitto, viene
riflesso, colpendo la bilancia dall'alto con i vortici
d'aria (controllare con la fiamma di una candela!).
1. Generatore d'aria
2. Involucro
3. Corpo montato sul supporto
20
20Procedimento a) Prova preliminare: viene impiegato un tubo pitostatico per determinare la regione in cui la
corrente d'aria ha una velocità costante.
b) Nota per eventuali esperimenti ulteriori; nella descrizione che segue, si desidera conoscere
la forza di resistenza F (corpo) che solo il corpo subisce. Tuttavia, la corrente d'aria eser-
cita una pressione sul supporto e la forza F (misura) viene visualizzata sul display della
bilancia. Di conseguenza, per determinare la forza F (asta), è necessario eseguire una
seconda misura senza il corpo, ovvero solo con l'asta. Quindi, F (corpo) è data da
F (misura) – F (asta).
c) La forza di resistenza F viene misurata per ciascun corpo con velocità d'aria diverse v.
Tabella con v, F (misura) e F (corpo).
Se possibile, selezionare un corpo di grandezza e forme diverse e ripetere l'esperimento.
d) F (corpo) viene determinata ad una velocità di vento costante per corpi di varia grandezza
(A) ma della stessa forma. Tabella con A, F (corpo) e F (corpo)/A. Se possibile, ripetere la
procedura con corpi di forma diversa.
e) F (corpo) viene determinata ad una velocità di vento costante per corpi di forma diversa
ma con la stessa area di corrente d'aria (sezione massima) A.
Tabella con schizzo della forma e F (corpo)
Se possibile, ripetere la procedura con una velocità d'aria diversa.
f) La singola misura richiede da 1 a 2 minuti e varia fortemente in base alla capacità e
all'esperienza dell'utente.
Valutazione Per corrente turbolenta, la teoria enuncia
ρ
per la pressione dinamica p din = · v2 ρ = densità del mezzo che scorre
2
c r = parametro di resistenza (fattore di forma)
A = sezione massima (area di proiezione
e per la forza resistente F = cr · p din · A del corpo su un piano verticale alla
direzione del flusso)
Si presuppongono i seguenti risultati:
con c) proporzionalità tra v 2 e le forze resistenti [F (misura),
F (asta), F (corpo)];
con d) un rapporto costante F (corpo)/A;
con w > cw
e) cwl l >cw
• > cw
Conclusioni L'esperimento si presta a una dimostrazione durante la lezione, in quanto esso può venire
eseguito in breve tempo.
21
21Fisica
Forze su un profilo aerodinamico
Obiettivo Un corpo asimmetrico soggetto a un flusso d'aria subisce una componente di forza perpendi-
colare alla forza di resistenza (drag) F W nella direzione del flusso. Nel caso di un profilo
aerodinamico, questa forza normale è costituita dalla forza di sollevamento (portanza) F A.
Compito Studio mediante un piatto piano e un profilo aerodinamico della dipendenza dall'angolo di
incidenza α della forza di sollevamento F A, desiderata della forza di resistenza F W non desi-
derata, nonché del loro quoziente.
Materiale Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g)
Generatore di vento
Se possibile, tubo di Pitot Prandtl con manometro per misurare la velocità dell'aria
Modello di profilo: aerodinamico, con alette molto sottili e parallele e supporto girevole
Piccola tavola in legno, plastica o metallo
Base di supporto antiscivolo con foro verticale
Supporto per bloccaggio orizzontale del modello, es.: un blocco di legno:
1) Asta che sostiene il modello girevole
2) Blocchi di legno, 180 x 100 x 30 mm
3) Foro, adatto per asta 1)
4) Possibilmente una vite; impedisce all'asta 1) di torcersi
5) Asta, diametro 10 mm, che alloggi bene nel blocco
6) Contrappeso di circa 1 kg, es.: base con peso
Per proteggere la bilancia dalle oscillazioni impiegare una cassetta, per esempio da
60 cm x 60 cm x 40 cm avente le seguenti caratteristiche:
– libero accesso agli sperimentatori
– fissaggio al banco tramite due morsetti
– apertura nella base per consentire alla bilancia di poggiare direttamente sul banco
– piccola apertura laterale per l'asta 1).
22
22Disposizione dell'esperimento Per misurare la forza di sollevamento
e la forza di resistenza sono
necessarie disposizioni diverse:
Forza di sollevamento
Forza di resistenza
Impiegando un generatore d'aria potente,
la cassetta protettiva è assolutamente
necessaria, in quanto la corrente d'aria,
raggiungendo il soffitto, viene riflessa
colpendo la bilancia dall'alto (controllare
con la fiamma di una candela).
Procedimento a) La distribuzione della velocità nella corrente d'aria davanti al generatore d'aria viene stu-
diata tramite un tubo di Pitot Prandtl.
b) Forza di sollevamento FA: questa può venire calcolata teoricamente nel modo seguente:
CA= parametro di sollevamento, dipendente dalla forma
A = sezione massima (area della proiezione del corpo
FA = cA · A · ρ · v 2 su un piano verticale alla direzione della corrente)
2 ρ = densità dell'aria
v = velocità dell'aria
(velocità relativa dell'aria in relazione al corpo)
Studiare la dipendenza della forza di sollevamento dalla velocità del vento.
Tabella con v, FA, grafico.
Ripetere, se possibile, la procedura con un profilo diverso o con un diverso angolo di
incidenza.
c) Per le misure seguenti, la velocità dell'aria viene mantenuta costante; sia v * al profilo.
La dipendenza della forza di sollevamento dall'angolo di incidenza α viene dapprima
misurata per la tavola piccola.
23
23Fisica
d) Forza di resistenza Fw anche questa è proporzionale alla pressione dinamica
ρ
(p din = · v 2), quindi Fw ~ v 2.
2
Se c'è tempo, questo dovrebbe essere controllato.
e) Poiché la corrente d'aria colpisce non solo il corpo prova ma anche il relativo supporto,
il supporto Fw deve essere misurato tramite un esperimento preliminare senza il corpo,
ovvero impiegando il supporto da solo. Le misure successive Fw (totale) vanno corrette:
Fw (modello) = Fw (totale) – Fw (supporto)
f) Per le misure seguenti, la velocità dell'aria nel punto di prova del corpo viene nuovamente
regolata a v = v * come sopra. La dipendenza della forza di resistenza Fw (totale) dall'an-
golo di incidenza α viene quindi misurata, sulla tavola e sul profilo aerodinamico.
Tabella con α, Fw (totale), Fw (modello), grafici.
Tempo richiesto Solo per le misure a uno sperimentatore provetto sono necessari 45 minuti. Includendo la
valutazione, un gruppo scolastico, impiega da 3 a 4 ore.
Valutazione È di prassi rappresentare FA e Fw del profilo
aerodinamico in un diagramma polare, secondo
Lilienthal. Per ulteriori interpretazioni dei risultati,
consultare la documentazione specialistica, es.:
documentazione sul corso per piloti di alianti.
Conclusioni L'apparecchiatura è semplice da usare.
Tuttavia, il lavoro sperimentale, nonché la valu-
tazione, richiedono una particolare attenzione.
Sebbene l'esperimento presenti esigenze rigorose,
i risultati sono molto facili da comprendere.
24
24Dipendenza della forza del campo magnetico
di una bobina dall'intensità di corrente
Obiettivo La forza del campo magnetico di una bobina è proporzionale all'intensità di corrente.
Compito Misurazione della dipendenza della forza, subita da una piccola barra magnetica nel campo
magnetico di una bobina, dall'intensità di corrente nella bobina.
Materiale Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g)
Bobina ad aria (es.: lunghezza 70 mm, diametro 40 mm, 250 spire)
Sorgente di CC in grado di fornire da 5 a 10 A circa
Resistore a filo (es.: 6 Ω), se la tensione della sorgente di CC non può essere regolata
Interruttore
Amperometro
Cavo elettrico
Supporto
Piccolo magnete permanente: es.: barra cilindrica
Barra non magnetica (asta di alluminio, di legno), lunghezza circa 150 mm, posta su di una
base leggera
Disposizione dell'esperimento
M Magnete Q Fonte di corrente
S Cavo SCH Interruttore
F Supporto R Resistore a filo
A Amperometro
Il magnete viene posto sulla faccia superiore della barra con un po' di grasso. La bobina
viene posizionata in modo da sfiorare con l'estremità inferiore il magnete.
Procedimento Viene eseguita una prova iniziale atta a stabilire se il campo magnetico della bobina provochi
una variazione della lettura della bilancia quando viene data la corrente. Si osserverà che le
bilance Mettler Toledo sono praticamente insensibili ai campi magnetici esterni!
Inoltre, deve essere osservato che, eseguendo la serie di misurazioni, il magnete non va spo-
stato rispetto alla bobina in quanto il campo della stessa non è omogeneo. In relazione a
questo aspetto, non si incontrano difficoltà impiegando una bilancia che funzioni in base al
principio di compensazione: il piatto rimane alla stessa altezza, sopra al banco, indipenden-
temente dal carico.
Dopo aver tarato la bilancia, l'intensità di corrente l viene aumentata per gradi. I valori asso-
ciati di l e F (per la forza) vengono tabulati per essere poi tracciati graficamente. Si rileva che
la forza è strettamente proporzionale all'intensità di corrente. Di conseguenza, la forza del
campo magnetico è anch'essa proporzionale all'intensità di corrente.
25
25Fisica
Il ferro dolce in un campo magnetico
Obiettivo Il ferro dolce viene magnetizzato in un campo magnetico esterno, subendo una forza d'attra-
zione quando il campo non è omogeneo.
Compito
Misurazione della dipendenza della forza, subita da un pezzo di ferro dolce, nel campo
magnetico di una bobina, dall'intensità di corrente nella bobina.
Materiale
Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g)
Bobina ad aria (es.: lunghezza 70 mm, diametro 40 mm, 250 spire)
Sorgente di CC in grado di fornire da 5 a 10 A circa
Resistore a filo (es.: 6 Ω), se la tensione della sorgente di CC non può essere regolata
Interruttore
Amperometro
Cavo elettrico
Supporto
Piccolo magnete permanente: es.: barra cilindrica
Barra non magnetica (asta di alluminio, di legno), lunghezza circa 150 mm, posta su di una
base leggera
Disposizione dell'esperimento
M Magnete Q Fonte di corrente
S Cavo SCH Interruttore
F Supporto R Resistore a filo
A Amperometro
Il magnete viene posto sulla faccia superiore della barra con un po' di grasso. La bobina
viene posizionata in modo da sfiorare con l'estremità inferiore il magnete.
Procedimento e valutazione Il procedimento di misurazione corrisponde esattamente a quello seguito per l'esperimento
descritto a pag. 25. Tuttavia, la relazione tra I e m (per F) non è affatto lineare.
26Esempio di misurazione tramite chiave Allen M8, lunghezza 25 mm:
Le forze per 3A e 6A implicano una relazione
quadratica:
~ = k · l2
m
Il suddetto valore può venire controllato nel
modo più semplice mediante un grafico
tracciato su carta log-log.
La linea tracciata ha una pendenza esatta
di 2. Poiché i punti sperimentali coincidono
perfettamente con la linea, viene confermata
le regola F ~ l 2
Conclusioni Nell'esperimento descritto a pag. 25, un ma-
gnete permanente in un campo magnetico
esterno subisce una forza proporzionale all'in-
tensità di corrente. In questo esperimento, tut-
tavia, il pezzo di ferro dolce viene dapprima
magnetizzato dal campo magnetico per subi-
re successivamente la forza corrispondente F,
che, da un lato, dipende dalla forza del cam-
po magnetico H del campo della bobina e
dall'altro, dalla magnetizzazione J del pezzo
di ferro.
Le proporzionalità F ~ H •J e H ~ l e F ~ l 2,
consentono la conclusione J ~ l, ovvero, nel
campo di valori di forza del campo esaminati,
la magnetizzazione del pezzo di ferro è pro-
porzionale all'intensità del campo elettrico.
27Chimica
Quanto bicarbonato di sodio
contiene una pastiglia effervescente?
Teoria Le pastiglie effervescenti (pastiglie vitaminiche, ecc.) contengono zucchero, agenti coloranti e
aromatizzanti, come pure acido tartarico e bicarbonato di sodio, oltre all'effettiva sostanza
attiva. Quando una pastiglia è messa in acqua, il bicarbonato di sodio reagisce con l'acido
tartarico per formare il tartrato di sodio, molto solubile, anidride carbonica e acqua.
L'anidride carbonica si sviluppa come gas e la pastiglia si scioglie. Equazione della reazione
H H H H
2 NaHCO3 + HOOC C C COOH → NaOOC C C COO Na + 2 CO2 + 2 H2O
CH CH O HO H
bicarbonato acido tartarico tartrato di sodio anidride carbonica
di sodio
Il contenuto di bicarbonato di sodio può essere ottenuto in base alla quantità di anidride carbo-
nica che si è sviluppata.
Materiale Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g), beuta conica a collo ampio da
300 ml, bacchetta di vetro, pastiglie effervescenti, calcolatrice tascabile, bicchieri di carta,
tovaglioli, secchio per rifiuti
Procedimento 1. Versare nella beuta conica circa 2 dl di acqua di rubinetto, asciugare bene la parte esterna,
dell'esperimento porla sulla bilancia e tarare.
2. Porre una pastiglia effervescente sul piatto della bilancia accanto alla beuta, determinarne
il peso e annotare il risultato.
3. Tarare nuovamente con la pastiglia
4. Mettere attentamente la pastiglia in acqua (avendo cura di evitare spruzzi), attendere il
termine della reazione, agitare bene con la bacchetta di vetro e determinare la massa di
anidride carbonica che si è sviluppata. Annotare il risultato.
5. Se lo desiderate, potete versare la soluzione in un bicchiere e berla. Altrimenti, versatela nel
secchio.
6. Risciacquare a fondo la beuta e asciugare bene la parte esterna. Essa è ora pronta per
l'esperimento successivo.
Risultati e valutazione Massa della pastiglia: a = …g; massa di CO2 : b = …g
1 g di anidride carbonica sviluppata corrisponde a un contenuto di 1.91 g di NaHCO3
b g di anidride carbonica sviluppata corrisponde a un contenuto di 1.91 g · b g di NaHCO3
1.91 · b · 100
La percentuale di NaHCO3 nella pastiglia è: %
a
Esempio numerico Il seguente valore è stato ricavato eseguendo un esperimento:
Massa della pastiglia: a = 4.38 g; massa di CO2 : b = 0.23 g
La percentuale di NaHCO3 nella pastiglia è
1.91 · 0.23 · 100 % = 10.03 % ~ 10%
4.38
27
28Determinazione di grasso
nella soia e nelle noci
Teoria Molti alimenti vegetali come la soia, le arachidi, le mandorle e i semi di girasole contengono
grassi vegetali, che possono venire recuperati con relativa facilità per estrazione mediante un
solvente lipofilo.
Questi alimenti hanno importanza notevole nella produzione di oli commestibili e di grassi.
Per determinare il contenuto di grasso, le noci, i semi o i fagioli finemente macinati, vengono
separati mediante etere di petrolio, esano o sostanze simili; viene aggiunto del solfato di
magnesio anidro per agglutinare l'eventuale acqua presente. Dalla filtrazione della soluzione
e dall'evaporazione del solvente si ottiene il grasso puro, che viene poi pesato.
Materiale Bilancia di precisione Mettler Toledo (risoluzione 0,01 g)
Beuta conica da 100 ml con tappo conico o cilindro di misurazione adatto
Etere di petrolio o esano
Solfato di magnesio anidro
Imbuto
Carta da filtro o cotone idrofilo
Becher da 100 ml
Pipetta da 10 ml
Soia, mandorle o farina di arachidi
Procedimento dell'esperimento 1. Vengono pesati esattamente circa 3 g di soia, di mandorle o di farina di arachidi.
2. Viene aggiunta farina nella beuta o nel cilindro, poi si versano 40 ml di etere di petrolio o
di esano e 5 g di solfato di magnesio anidro. Quindi il recipiente deve essere ben agitato di
tanto in tanto in un arco di tempo di 5 minuti, aprendo brevemente il tappo prima e dopo
l'operazione per eguagliare la pressione.
3. Una parte della sospensione ottenuta viene fatta filtrare, attraverso la carta o il cotone
idrofilo, in un recipiente asciutto che può venire chiuso (es. beuta con tappo o becher con
coperchio di vetro). La chiusura del recipiente impedisce che il solvente evapori.
4. Con la pipetta, vengono ora immessi in un becher piccolo, pesato, 10 ml esatti della
soluzione filtrata e il campione viene fatto evaporare nella credenza per laboratorio sotto un
bagno d'acqua fino a che l'odore del solvente non sia completamente svanito.
5. Il campione viene lasciato raffreddare e quindi ripesato.
Risultati e valutazione Il contenuto di grasso può venire determinato in base al peso dell'alimento (a = … g) e alla
massa del residuo (b = … g), che consiste di grasso puro
Contenuto di grasso = 100 · 4 · b %
a
Esempio numerico Da una pesatura di 3.00 g (= a) di farina di mandorle, è stato ricavato, dopo l'evaporazione
di 10.0 ml di estratto filtrato, un residuo di 0.52 g (= b), che corrisponde a un contenuto di
grasso del 70% circa.
28
29Chimica
Determinazione di calcare fine
in campioni del suolo e rocciosi
Teoria In campioni del suolo o rocciosi, il calcare può essere determinato tramite la reazione del
carbonato di calcio con l'acido cloridrico. Il carbonato di calcio reagisce per formare cloruro
di calcio, acqua e anidride carbonica. La quantità di quest'ultima sviluppatasi mediante la
reazione viene pesata:
CaCO3 + 2 HCI Õ Ca2+ + 2 Cl- + H2O + CO2
Il suddetto esperimento costituisce un metodo di determinazione semplice e preciso.
Materiale Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g), beuta conica da 100 ml, HCl
concentrato, acqua distillata, soffiatore di gomma, pietra calcarea (circa 1 g)
Procedimento dell'esperimento 1. Nella beuta vengono aggiunti circa 8 ml di HCl concentrato e circa 10 ml di acqua distillata.
2. La beuta contenente l'acido cloridrico viene posta sulla bilancia e tarata.
3. La pietra calcarea viene posta accanto alla beuta sul piatto della bilancia, se ne determina
la massa e il tutto viene ritarato.
4. Quindi la pietra calcarea viene aggiunta alla soluzione. Subito dopo, avviene una violenta
reazione tramite la quale si sviluppa l'anidride carbonica.
5. Al termine della reazione, con l'ausilio del soffiatore in gomma e di una pipetta per espellere
eventuali quantità di CO2 presenti, nello spazio gassoso della beuta viene soffiata una
piccola quantità d'aria.
6. La beuta viene quindi ripesata e viene determinata la perdita di CO2.
Disposizione dell'esperimento
Beuta conica
contenente l'acido cloridrico
e la pietra calcarea
Risultati e valutazione 1.58 g di pietra calcarea sviluppano 0.386 g di CO2. In base all'equazione di reazione e alla
composizione stechiometrica corrispondente, si presume di ottenere:
CaCO3 + 2 HCI Ý Ca2+ + 2Cl- + H2O + CO2
100 g/mol 44 g/mol
1.58 g xg
da 1.58 g di CaCO3 puro x = 1.58 g · 44 g / mol = x = 0.695 g CO2
100 g / mol
Tuttavia, poiché da 0,695 g, si sono sviluppati solo 0.386 g di CO2, ovvero il 55.54%, il
contenuto di carbonato di calcio del campione di calcare esaminato è del 55.54%.
Nota La precisione del metodo può venire controllata con CaCO3 puro.
29
30Determinazione dell'acqua
di cristallizzazione nei sali
Teoria La forma cristallina di molti sali contiene acqua legata, la quale può venire espulsa tramite
riscaldamento. Le molecole d'acqua vengono separate dal sale idratato e, evaporando,
lasciano il sale anidro:
calore
sale idratato sale anidro + acqua
Determinando mediante pesatura l'esatta perdita d'acqua, si può calcolare il numero di mole-
cole d'acqua contenute nella cosiddetta «acqua di cristallizzazione».
Nota: in caso di riscaldamento prolungato o troppo potente, può avere luogo una reazione
secondaria. Se per esempio si stabilisce il contenuto di acqua di cristallizzazione del solfato
di rame, con la separazione di triossido di zolfo al sale anidro si può formare ossido di rame
(II). Ciò può venire rilevato dall'oscuramento del prodotto bianco:
calore
CuSO4 (anidro) CuO + SO3
Questa reazione secondaria comporta una diminuzione della massa del prodotto di reazione,
ovvero una perdita di peso apparentemente maggiore che, a sua volta, induce a calcolare un
valore d'acqua di cristallizzazione superiore a quello effettivo.
Materiale Bilancia di precisione METTLER TOLEDO (risoluzione 0,01 g), crogiolo di porcellana con co-
perchio, treppiede, bruciatore, triangolo d'argilla (adatto per il crogiolo), tenaglia per crogiolo,
bacchetta di vetro, sale cristallino come solfato di rame, allume, gesso, …
Procedimento dell'esperimento 1. Si pesano il crogiolo vuoto e il coperchio.
2. Si aggiunge nel crogiolo sale cristallino (circa 1 g) e si pesa esattamente.
3. A questo punto, si riscalda il crogiolo a fiamma bassa, non luminosa. Il crogiolo aperto è
mantenuto con la tenaglia, e si agita il contenuto con la bacchetta di vetro.
4. Quando il sale si è disidratato, il che si può rilevare sia dalla variazione di colore, es. con
solfato di rame, sia dal completamento della reazione (nessun sviluppo di vapore acqueo,
nessuna formazione di «cratere»), si copre il crogiolo e lo si lascia raffreddare a tempera-
tura ambiente.
5. Quando si è raffreddato, lo si ripesa.
6. Si ripete l'esperimento con pesature di 2, 3 e 4 g.
Disposizione dell'esperimento
Risultati e valutazione 1. Per ciascuno esperimento, la perdita d'acqua viene calcolata in g in base alla pesatura
esatta e alla massa del residuo.
2. Si tracciano graficamente i valori relativi alle perdite d'acqua in rapporto ai pesi iniziali.
Entro certi limiti, i punti sperimentali devono giacere su una linea retta che passa per
l'origine delle coordinate. Ciò funge da controllo ulteriore sulla precisione di indicazione.
30
31Chimica
3. In base all'equazione di reazione e alla composizione stechiometrica corrispondente
Sale idratato Õ sale anidro + acqua
a = …g b = …g c = …g
(pesatura) (residuo) (perdita d'acqua)
il numero x di molecole di acqua di cristallizzazione legata è dato da:
c · MMSale (a– b) · MMSale
x= =
(a–c) · 18 b · 18
dove MM Sale rappresenta la massa molare del sale anidro.
4. Il valore di x viene calcolato per ciascun singolo esperimento, onde essere comparato con
i valori della letteratura.
Esempio numerico Da un esperimento con solfato di rame (II) cristallino, sono stati ricavati i valori seguenti:
Peso del sale: a = 2.48 g; residuo: b = 1.57 g
Perdita d'acqua: c = (a–b) g = 0.91 g
0.91 · 159.5
x= = 5.14
1.57 · 18
Quindi il solfato di rame si cristallizza con 5 molecole di acqua di cristallizzazione.
Formula: CuSO4 · 5 H2O.
31
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