NON SOLO PUZZA, OVVERO COME RIVELARE QUALCOSA CHE NON SI VEDE!

 

Antonella Casarini

Istituto “F. Albeghetti” – Via Pio IX, 3 – Imola

antocasarini@tiscali.it

 

Riassunto: con una semplice esperienza di laboratorio è possibile evidenziare la presenza di CO e CO2 nei gas di scarico dei motori e fare considerazioni utili sia didatticamente che da un punto di vista dell’educazione ambientale dei ragazzi.  Questa esperienza si può svolgere sia nelle scuole medie che in quelle superiori.

 

1. Introduzione

Ci sono alcune reazioni, molto semplici da eseguire, che permettono ai ragazzi di rivelare sostanze che spesso sono considerate come un’entità astratta, per il semplice motivo che, essendo prive di colore edi odore, sfuggono alla loro percezione.  Nella nostra scuola, al biennio ITI e Liceo Scientifico Tecnologico, da alcuni anni svolgiamo un’esperienza di laboratorio [1] che permette di rivelare la presenza di anidride carbonica e ossido di carbonio nel fumo di sigaretta, sfruttando una metodica già messa a punto dal gruppo di Didattica Chimica dell'Università di Cagliari [2].  La semplicità di questa esperienza ne ha permesso l’estensione anche ad altri fumi, in particolare ai gas di scarico di auto e moto.  Si tratta ovviamente di esperienze di tipo qualitativo, ma questo non impedisce di fare considerazioni mediante confronto fra più prove.

La metodica è molto semplice: basta far gorgogliare, convogliandoli con un imbuto ed aspirandoli con una siringa, i fumi di scarico di un motore (di un ciclomotore di uno studente o dell’auto dell’insegnante, ad esempio) in una soluzione satura di Ca(OH)2, per rivelare la presenza di anidride carbonica, che reagisce secondo la reazione (1).

                                 Ca(OH)2 + CO2  ®  CaCO3 + H2O                                                     (1)

In questo modo la formazione di un solido bianco polveroso permette di identificare la presenza di anidride carbonica.   La presenza di ossido di carbonio nei gas viene invece evidenziata facendolo reagire, sempre utilizzando la stessa attrezzatura, con una soluzione di complesso ammoniacale dell’argento, secondo la reazione (2).

 

2 Ag(NH3)2NO3(aq) + CO(g) + 4 NaOH(aq)®  

                            ® Na2CO3(aq) + 2 H2O(l) + 2 Ag(s) + 4 NH3(g) + 2 NaNO3(aq)                     (2)

 

In questo caso il prodotto della reazione è argento in forma colloidale: si forma quindi un miscuglio eterogeneo grigio, tanto più scuro e torbido quanto maggiore è la quantità di ossido di carbonio prodotto dalla combustione ed aspirato nel corso dell’esperienza.  Questa esperienza si è svolta nell’ambito di un progetto GeoLab Santerno e numerose scuole Medie e Superiori; inoltre ha ricevuto il contributo INFEA 2003/04 dalla Regione Emilia Romagna.

 

2. Parte sperimentale

Materiale occorrente per le due prove:

tre beute da 250 ml (una serve per la preparazione) con i relativi tappi di gomma

un tappo forato collegato a due tubi di gomma, di cui solo uno, lungo, deve “pescare” nel liquido (oppure due tubi di vetro piegati, uno lungo, che peschi sul fondo della beuta, e uno corto, che arrivi appena sotto al tappo).

una siringa da 50 mL collegata, mediante un raccordo ad Y di polietilene, al tubo di gomma corto uscente dal tappo

un imbuto di vetro innestabile nel tubo di gomma

carta da filtro

un matraccio (o pallone tarato) da 100 mL

una pipetta graduata da 5 mL

una pipetta tarata da 20 mL

una propipetta

AgNO3 solido

NH3 soluzione acquosa al 10% in peso (5,6 mol/L)

NaOH soluzione acquosa al 8% in peso (~ 2,2 mol/L)

Ca(OH)2 solido (una punta di spatola)

acqua distillata

 

L’assemblaggio del materiale è illustrato nella figura 1.

 

Figura 1. Dispositivo per la rivelazione di inquinanti nei gas di scarico.

 

Individuazione della presenza di CO2

Si devono far gorgogliare i gas di scarico, aspirandoli con una siringa, dentro una beuta contenente una soluzione satura di idrossido di calcio (acqua di calce): si forma del carbonato di calcio, sotto forma di polverina bianca, secondo quanto indicato nell’equazione (1).

 

– In una delle beute si introducono circa 100 mL di acqua distillata, quindi aggiungere una punta di spatola di Ca(OH)2 solido, tappare ed agitare: Ca(OH)2 è poco solubile e ne basta poco per formare una soluzione satura: il liquido tende ad intorbidirsi perché il soluto reagisce con l’anidride carbonica sciolta nell’acqua distillata, quindi non si può utilizzare direttamente questa prima miscela;

– mettere carta da filtro in un imbuto e disporlo sulla seconda beuta, quindi filtrare il liquido e tappare immediatamente. Questa soluzione deve essere preparata non più di qualche ora prima dell’utilizzo;

– utilizzare questa soluzione per fare la prova sui gas di scarico, aspirando circa 1 L di aria (cioè aspirare 20 volte con la siringa) collegando il tubo con l’imbuto e ponendolo vicino al dispositivo di uscita del gas di scarico. L’intorbidimento del liquido e la deposizione di un solido evidenziano la presenza di CO2 nel gas di scarico. Finita l’analisi tappare la beuta.

 

La formazione di una quantità maggiore o minore di deposito ci fornisce una idea della concentrazione di anidride carbonica presente nel gas.

 

 

Figura 2. La formazione di precipitato evidenzia la presenza di CO2 nel gas di scarico.

 

Individuazione della presenza di CO

Si sfrutta la reazione di ossidoriduzione del monossido di carbonio con un sale d’argento, indicata nell’equazione (2).  Anche in questo caso si visualizza la formazione di un solido, Ag, che in ambiente basico si presenta come un colloide nero: pertanto la colorazione va dal grigio chiaro, in presenza di poco CO nel gas, al nero, in caso di grosse quantità.  Come nel caso precedente, inoltre, non si riesce a misurare la presenza dell’inquinante, ma si può fare un confronto tra misure eseguite contemporaneamente:

– pesare su un foglietto di carta 0,17 g di AgNO3 solido, trasferirlo con l’imbuto nel matraccio e lavare con poca acqua distillata;

– aggiungere 3,6 mL (prelevati e misurati con la pipetta graduata o con il cilindro piccolo) di soluzione di NH3, chiudere il matraccio e agitare: questa fase è la più critica, infatti se non si forma correttamente il complesso ammoniacale, nella fase successiva si forma del precipitato di idrossido di argento e la miscela è da buttare;

– aggiungere 20 mL di soluzione di NaOH (prelevati e misurati con la pipetta tarata da 20 mL);

– portare a volume con acqua distillata, tappare il matraccio e agitare: si può conservare questa soluzione, tappata e al buio, per qualche ora.  Se dopo aver portato a volume, la miscela risulta grigia o torbida, significa che o il passaggio precedente non è stato eseguito correttamente, o che la soluzione di ammoniaca non è alla concentrazione richiesta;

– al momento dell’analisi trasferire nella beuta e tappare immediatamente: stappare solo al momento del prelievo;

– utilizzare questa soluzione per fare la prova sui gas di scarico, come nel caso precedente.  Si può utilizzare lo stesso tubo di prima, però lavarlo con la spruzzetta dell’acqua distillata prima di immetterlo nel liquido.  Finita l’analisi tappare la beuta;

– la maggiore o minore torbidità ci fornisce una idea della concentrazione dell’ossido di carbonio nel gas.

 

3. Alcuni aspetti interessanti e l’esperienza di peer education

Si possono visualizzare sostanze di cui i ragazzi sentono continuamente parlare (ad esempio nel corso di Scienze della Terra), ma che appunto non riescono a percepire: ad esempio il colore bianco della miscela prodotta con la reazione (1) è stato facilmente associato l’effetto serra, il prodotto della reazione (2), con tonalità che vanno dal grigio al nero, è la prova che esiste qualcosa di “tossico”, potenzialmente molto pericoloso.

Facendo più prove con motori diversi (ad esempio analizzando i gas di un auto a benzina, di un ciclomotore con sistema di abbattimento dei gas di scarico e di un ciclomotore “elaborato”) è stato possibile fare un confronto qualitativo tra i vari gas di scarico, evidenziando come il motore a due tempi produca quantità decisamente più elevate di CO rispetto ad un motore a benzina (per non parlare del motore a metano, che si è effettivamente rivelato come il meno inquinante, da questo punto di vista): tutto questo è evidenziato nella figura 3.

 

 

Figura 3. Prova sperimentale dell’evidenza di CO nei gas di scarico: a sinistra la prova fatta sui gas di scarico di un’auto di piccola cilindrata catalizzata, al centro e a destra le prove fatte sul gas di scarico di ciclomotori a due tempi, rispettivamente muniti e sprovvisti di catalizzatore.

 

Questo ha sicuramente sfatato, nei ragazzi, la convinzione che il ciclomotore inquini meno dell’auto dei genitori o del bus.  I risultati sono stati il punto di partenza per discussioni sull’educazione ambientale, facendo comprendere come un’azione apparentemente innocua come l’elaborazione di un ciclomotore o la rimozione del sistema di abbattimento (per aumentare le prestazioni del veicolo) possano avere conseguenze notevoli sulla qualità dell’aria.

Di solito i ragazzi sanno che il monossido di carbonio si forma quando la combustione avviene in presenza di scarse quantità di ossigeno: il fatto che tale sostanza si formi quindi anche quando l’ossigeno sia presente in quantità adeguata li ha fatti riflettere.  È scaturita, ad esempio, l’idea che la combustione, per avvenire in modo efficace, abbia anche bisogno di… un po’ più di tempo, rispetto a quello di permanenza all’interno del motore.  E tutto questo quando ancora non sono stati introdotti concetti come la velocità di reazione.

 

Probabilmente anche altre sostanze contenute nei fumi di scarico (composti organici, ossidi di azoto) sono in grado di ridurre il sale di argento ad argento colloidale e dare reazione positiva nella prova di identificazione dell’ossido di carbonio, ma, ai fini didattici si può sorvolare su questo aspetto in quanto si tratta comunque di sostanze derivanti dalla cattiva combustione della benzina e pertanto identificabili come nocive.  Il fatto che non siano necessari calcoli elaborati ha permesso l’estensione di questa esperienza anche a classi delle scuole medie salvo il ricorso ad una metodologia particolare detta “educazione tra pari” o peer education [3].  Nella nostra scuola i ragazzi di terza liceo, che avevano svolto questa esperienza al primo anno, hanno fatto da tutor ai ragazzi delle scuole medie, con tutti i vantaggi che l’educazione fra pari comporta in termini di maggiore coinvolgimento dei ragazzi, senso di responsabilità dei ragazzi più grandi, ecc.  I tempi brevi di esecuzione permettono di fare una efficace analisi qualitativa dei risultati.  Le soluzioni dei reagenti si possono preparare anche in un laboratorio non molto attrezzato e quindi può essere fatto direttamente anche nelle scuole medie. In questo caso non ha nessun senso proporre le equazioni chimiche delle equazioni coinvolte: conviene invece associare il concetto di reazione chimica ad un fenomeno osservabile che ci permetta di individuare una sostanza di per sé impercettibile.

 

4. Note sulla sicurezza

NH3 R34  S: 26-36/37/38-45-61

Corrosivo (per inalazione dei vapori)

NaOH R35  S: 26-37/38-45

Corrosivo (provoca ustioni sulla pelle)

Ca(OH)2 R24  S: 26-36

Corrosivo (per inalazione delle polveri)

Per quanto riguarda NH3 la soluzione al 10% m/m si trova in commercio alla percentuale occorrente, si consiglia pertanto l’acquisto di detta soluzione per ridurre al minimo l’ingestione per inalazione.

Per quanto riguarda la soluzione di NaOH all’8% si fa presente che non esiste in commercio alla percentuale occorrente; si consiglia pertanto di acquistare la soluzione al 20% ed operare una diluizione.  Si riduce in tal modo l’emissione di polveri che avverrebbero nell’atto del prelievo e della pesata.

Per quanto riguarda Ca(OH)2 si consiglia la massima attenzione nel prelievo in quanto la polvere potrebbe essere ingerita per inalazione.  È opportuno che gli studenti conoscano il significato delle frasi R ed S.

 

Bibliografia

1. B. Amadio, Didattica delle scienze, 1996, 186.

2. M.V. Massidda, CnS-La chimica nella Scuola, 2000, 22, 153.

3. D. Lanfranco, G. Manassero, R. Carpignano, CnS-La chimica nella Scuola, 2001, 23, 157.

 

Pubblicato originariamente su La Chimica nella Scuola, 2004, XXVI (3), 90-92.  Riprodotto con l'autorizzazione del Prof. Pirluigi Riani, direttore di CnS.