LA CHIMICA NEL NEGOZIO DI GIOCATTOLI

 

Maria Luisa D’Eugenio

 

Nel complesso processo di apprendimento la motivazione degli allievi gioca sicuramente un ruolo di primaria importanza: l’allievo impara facilmente ciò che lo interessa, che lo stupisce, che lo affascina, mentre trova difficoltà ad apprendere ciò che è lontano dai suoi interessi.  Che cosa può stimolare l’interesse dei ragazzi di più dei giochi e dei giocattoli?  È ciò che hanno pensato gli organizzatori dell’undicesimo congresso internazionale di educazione chimica tenutosi a York dal 25 al 30 Agosto 1991.  A questo argomento è stata dedicata una conferenza, ricca di dimostrazioni pratiche e pertanto molto vivace, dal titolo “La chimica nel negozio di giocattoli” tenuta dal Dr. David A. Katz del Dipartimento di Chimica del Community College di Filadelfia.  In questo articolo vengono riportate le informazioni relative alla natura chimica ed al funzionamento di alcuni giochi e giocattoli, dai più tradizionali come le bolle di sapone, a quelli più “tecnologici” come le automobili a cristalli liquidi.  A ciascuno di noi il compito di trarre da queste informazioni quegli spunti didattici che possono rendere più coinvolgenti le nostre lezioni!

 

Le bolle di sapone

Uno degli articoli più comuni dei negozi di giocattoli è rappresentato dalle bolle di sapone.  Queste sono in genere vendute insieme ad una bacchetta di plastica, o ad un piccolo tubo o a più complessi strumenti.  Alcune società hanno prodotto degli anelli per bolle di sapone con all’interno molti piccoli anelli, oppure anelli concentrici per fare bolle all’interno di una più grande.  Un anello più grande per bolle può essere costruito facilmente facendo passare un filo in due cannucce di plastica oppure modellando una gruccia in filo di ferro ad anello (avvolgendo poi intorno alla gruccia dell’altro filo si può raccogliere una maggiore quantità di soluzione e quindi si possono fare bolle più grandi).  Le soluzioni normalmente in commercio per fare le bolle di sapone sono formate da sapone diluito o detergente in soluzione; con queste si possono fare bolle di piccole dimensioni.  A casa si può però ottenere una soluzione migliore, più adatta per bolle di grandi dimensioni e per film di sapone.  Una buona ricetta è la seguente: 10% in volume di sapone per i piatti, 84% di acqua distillata o deionizzata, 6% di glicerina.  La soluzione dovrebbe essere mescolata ma non agitata perché altrimenti si forma troppa schiuma.  Si possono ottenere bolle più resistenti aumentando la quantità di sapone e/o diminuendo quella di glicerina.  Se la concentrazione del detergente supera il 12% le bolle non durano molto a lungo.

 

La glicerina viene usata per rinforzare il film di sapone.  Anche lo zucchero può essere utilizzato a questo scopo; in tal caso è meglio utilizzare uno sciroppo preparato riscaldando uguali quantità di acqua e zucchero.  Un’altra ricetta è: 4 parti di glicerina, 2 parti di detergente per i piatti, 1 parte di sciroppo di zucchero.  È importante usare acqua distillata per evitare interferenze da parte di ioni metallici (questi sono infatti responsabili della formazione nell’acqua di un anello di schiuma lungo le pareti del contenitore).  Se la soluzione non funziona bene, lasciatela riposare per circa una settimana: “l’invecchiamento” migliora le caratteristiche della soluzione.  Le super-bolle possono anche rimbalzare su di un pavimento liscio e pulito.  Poiché le bolle possono scoppiare con una certa forza cercate di tenerle lontane dal vostro viso.  Attenzione inoltre al pavimento: la soluzione lo renderà scivoloso.  Una molecola di sapone o detergente è formata da una lunga catena di idrocarburo apolare attaccata ad un gruppo polare contenente ossigeno.  Quando queste molecole vengono aggiunte all’acqua esse tendono a spostarsi in superficie e a orientarsi con le code apolari verso l’esterno.  La superficie dell’acqua viene coperta da uno strato apolare che riduce drasticamente la tensione superficiale dell’acqua ed aggiunge proprietà elastiche che stabilizzano la superficie del liquido aumentando l’area totale.  Di conseguenza aumenta anche la tensione superficiale della soluzione.

 

Quando un telaio viene posto nella soluzione l’acqua tende a defluire all’interno della superficie facendola collassare e formando un film multistratificato.  Il sapone fa sì che lo spessore minimo del film sia pari alla lunghezza di due molecole di sapone con le code rivolte l’una verso l’altra.  Film mediamente spessi possono riparare piccoli fori.  Se tre film si incontrano lungo un margine gli angoli da essi formati misurano sempre 120°; se quattro film si intersecano in un punto, essi formeranno angoli di 109°;

 

 

La sfericità della bolla di sapone è dovuta alla contrazione della superficie del film per occupare la minore superficie possibile.  All’interno della parete della bolla l’acqua scorre verso il basso formando un ingrossamento.  Quando la parte superiore della bolla diventa troppo sottile per sopportarne la massa totale, la bolla si rompe.  L’aggiunta di glicerina, o di altro materiale viscoso, rende la bolla più resistente perché questo materiale non cola all’interno della parete rapidamente.  L’iridescenza che si osserva nelle bolle di sapone è il risultato della interferenza dovuta al sottile film e ai cambiamenti di spessore del film a causa del liquido che vi scorre.  Utilizzando un anello molto grande, si può facilmente costruire una bolla di sapone che racchiuda una persona.  Se la soluzione viene messa anche sulla pelle, la persona può far fuoriuscire un dito, una mano o un braccio senza romperla.  Disponendo di un anello abbastanza grande e di molto sapone, una persona potrebbe camminare attraverso un film ed entrare in una grande bolla.

 

I palloncini

Un altro articolo molto comune nei negozi di giocattoli, e non soltanto, è rappresentato dai palloncini; di vari colori, diverse forme e dimensioni, sono fatti di gomma naturale, che è un polimero dell’isoprene (2-metil-1,3-butadiene).  Le catene polimeriche sono ripiegate e legate tra loro formando una rete che ha un elevato grado di flessibilità.  Applicando una forza su questo materiale, ad esempio gonfiando un palloncino, le catene del polimero, inizialmente orientate casualmente si distendono grazie alla rotazione intorno ai legami.

 

 

Il fatto che le catene siano legate tra di loro in una rete determina l’elasticità della gomma.  La porosità della gomma è dimostrata dal fatto che i palloncini lentamente si sgonfiano.  Una interessante dimostrazione delle proprietà della gomma è il trucco, spesso usato dai prestigiatori, dell’ago che attraversa il pallone.  Per questo occorre un palloncino, un ago lungo circa 45 cm, oppure un bastoncino appuntito di bamboo (del tipo usato per gli spiedini).  Dopo aver gonfiato il palloncino a circa i 2/3 delle sue dimensioni massime e aver chiuso con un nodo la sua estremità, e dopo aver unto l’ago, o il bastoncino, con dell’olio, si inserisce l’ago nel punto in cui la gomma è più spessa e si fa uscire in prossimità del nodo.  Il pallone non scoppia!  Quando si sfila l’ago, però, restano due forellini dai quali esce l’aria; a questo punto i prestigiatori lanciano in aria il palloncino e lo fanno scoppiare usando lo stesso ago.

 

Silly PuttyR

Silly PuttyR è un polimero del silicone; è in genere colorato di rosa e viene venduto in un piccolo contenitore a forma di uovo.  In alcuni casi contiene anche sostanze fosforescenti che lo rendono luminoso al buio.  Questa sostanza è stata prodotta per la prima volta nel 1941 dai chimici della General Electric con l’intento di preparare una gomma sintetica a base di silicone.  Il tentativo fallì, ma il prodotto venne utilizzato come giocattolo.  Silly PuttyR è un fluido non-Newtoniano; la sua viscosità non varia con la temperatura come descritto da Isaac Newton, ma aumenta in condizioni di stress (come la torsione).  Altri esempi di fluidi con questa proprietà sono: la sabbia bagnata della spiaggia e l’inchiostro da stampa. Silly PuttyR ha alcune proprietà uniche:

a) sotto debole stress scorre formando sottili fili;

b) sotto forte stress si rompe;

c) se forgiato a pallina rimbalza;

d) se costretto in un tubo, si dilata tanto da uscire dalle aperture.

 

Appena preparato in laboratorio Silly PuttyR è chiaro, incolore o giallastro.  Quando viene usato, assorbe le sostanze estranee e diventa grigio.  Una sua proprietà interessante è quella di assorbire l’inchiostro per cui riproduce le immagini dei giornali.

 

SlimeR

Anche Slime, come Silly Putty, è un liquido non-Newtoniano e, in quanto tale, ha proprietà molto simili a quelle di Silly Putty. Slime è formato da una gomma estratta da una pianta, Cyamopsis tetragonolobus, simile alla soia e appartenente alla famiglia delle Leguminosae; le catene che formano questa gomma, detta in inglese guar, sono fatte da unità di D-mannosio e D-galattosio che stanno tra loro in un rapporto di 2:1 (P.M. 220.000-250.000); alla gomma viene aggiunto del borato di sodio (Na2B4O7), che favorisce i legami tra le catene.  Venduto prima come materiale da gioco e utilizzato per produrre film protettivi per alimenti, creme e paste dentifricie, è stato recentemente impiegato in molti giocattoli ed in particolare in pupazzi mostruosi.  Ad esempio nel caso degli “Alieni” della Mattel Toy Corporation lo Slime mescolato ad una sostanza fosforescente (solfuro di zinco) è utilizzato come “sangue”.

 

 

materiale simile allo Slime può essere preparato a partire da una soluzione di alcool polivinilico (studiato anche per produrre sacchetti biodegradabili) e borace, alla quale possono essere aggiunti coloranti alimentari.

 

L’uovo magico (“Magic egg” o “Grow creature”)

L’uovo magico è formato da un contenitore a forma di uovo in cui si trova un piccolo pupazzo di plastica che, messo nell’acqua, aumenta le sue dimensioni fino a 200 volte.  Il pupazzo è formato da un materiale super assorbente, comunemente detto in inglese “super-slurper”, costituito da un copolimero di amido-poliacrilonitrile idrolizzato.  I materiali super assorbenti sono stati prodotti inizialmente dal Dipartimento dell’Agricoltura americano; oggi il super-slurper viene utilizzato nei pannolini della Pampers.

 

Le bacchette luminose (“Lightsticks”)

Le bacchette CyalumeR sono oggetti che producono “luce fredda” per una reazione chimica simile a quella che avviene nelle lucciole, anche se le sostanze chimiche coinvolte sono diverse.  Una bacchetta luminosa è formata da una soluzione diluita di perossido di idrogeno in un solvente di estere ftalico contenuta in un recipiente di vetro sottile; questo è circondato da una soluzione contenente un estere fenil-ossalato e il colorante fluorescente 9,10-bis(fenil-etinil) antracene; il tutto è contenuto in un tubo di plastica.  Quando il contenitore di vetro viene rotto curvando il tubo, il perossido di idrogeno e l’estere di fenil ossalato reagiscono formando il fenolo e alcuni composti intermedi che hanno vita breve.  Durante la reazione, l’energia liberata viene trasferita alle molecole di colorante che si eccitano e riemettono l’energia sotto forma di luce tornando alla condizione di partenza.  Le bacchette luminose possono essere utilizzate per dimostrare come la temperatura influenzi la velocità di una reazione chimica.  Si possono utilizzare a questo scopo tre bacchette: una si mette in acqua e ghiaccio, la seconda in acqua calda, la terza si lascia a temperatura ambiente. L’effetto della temperatura sulla reazione sarà evidente in pochi minuti.  Le bacchette luminose sono utilizzate per le lampade di emergenza e da campeggio, per le palline da golf o per i dischi da usare la sera, per collane, bracciali e orecchini.

 

I cristalli liquidi

I cristalli liquidi sono composti organici che si trovano in uno stato intermedio tra quello liquido e quello solido.  Sono sostanze viscose, simili alla gelatina.  I cristalli liquidi possono essere anisotropi e trasformarsi rapidamente per il calore o l’azione di un solvente in liquidi isotropi.  In base alla disposizione delle molecole, i cristalli liquidi vengono classificati in smectici, nematici, liotropici.

 

 

Se i cristalli liquidi smectici e nematici sono sottoposti ad un cambiamento di temperatura o di campo magnetico, essi alterano il loro ordine e trasmettono la luce in modo che un fascio di luce ordinario sia scomposto nei due fasci componenti di luce polarizzata, dando origine al fenomeno della doppia rifrazione.  Essi sono utilizzati per i termometri, i calcolatori e altri displays.  Quando i cristalli liquidi liotropici vengono sottoposti, ad esempio a pressione o a rimescolamento, gli strati di cristalli vengono modificati, alterando la trasmissione della luce; ciò causa dei cambiamenti di colore.  Queste sostanze sono usate per verniciare alcuni modellini di automobili che perciò con le variazioni di temperatura cambiano colore.

 

 

Pubblicato originariamente su Naturalmente, 1992, 5 (Speciale), 22-25.