Passannanti_Chimica_PROPOSTE_laboratoriali

ALTRE PROPOSTE LABORATORIALI

Fig. 5 L’esperimento di Boyle.

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PP+J

La legge di Boyle

Durante i suoi esperimenti sui gas, lo scienziato inglese Robert Boyle (16271691) osservò che, versando del mercurio in un tubo a U chiuso a un’estremità e aperto all’atmosfera dall’altra, il volume dell’aria intrappolata all’estremità chiusa si riduceva man mano che il mercurio veniva versato.

In particolare verificò che, mantenendo la temperatura costante, un volume di gas V1 alla pressione atmosferica di 760 mmHg si dimezza se la pressione raddoppia, cioè se si versa nel ramo del tubo a U una quantità di mercurio tale da ottenere una pressione totale di 1520 mmHg, di cui 760 mmHg dovuti alla pressione atmosferica e 760 mmHg dovuti al mercurio aggiunto [Figg. 5a, b]. Il volume inoltre si riduce a un terzo di V1 se la pressione triplica [Fig. 5c].

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PP+J

3 PP+J

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3 3

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LABORATORIO CON EXCEL Verifica sperimentale della legge di Boyle

Per realizzare l’esperienza si fa uso di un vaso con manometro differenziale, una buretta per misurare i volumi, una siringa graduata (senza ago) e tubi di connessione. Prima di riportare i dati nel foglio di calcolo occorre impostare le formule per i calcoli di volume e pressione. Di seguito è riportato un esempio di raccolta di dati e di elaborazione tramite foglio di calcolo a cui puoi accedere in digitale dal codice QR:

• le celle di colore ARANCIONE CHIARO contengono i valori variabili;

• le celle in colore ARANCIONE SCURO i valori preimpostati tipici dell’apparecchio usato o dell’ambiente di lavoro.

Nel manometro differenziale alla pressione letta va aggiunta la pressione atmosferica (760 mmHg).

Il grafico ottenuto conferma l’andamento della pressione al variare del

(a temperatura costante) previsto dalla legge di Boyle.

STRATEGIA

1 Come puoi fare se vuoi ottenere un grafico con ordinate di valore assoluto più basso? Pensa alle traslazioni…

Fig. 19 Le lenti da sole o quelle delle macchine fotografiche sono spesso filtri polarizzatori.

Attività ottica

Due enantiomeri presentano identiche proprietà “achirali”, quelle cioè indipendenti dalla configurazione come il punto di fusione, la solubilità e la tendenza a reagire con sostanze achirali. Vi sono proprietà, invece, che possiamo chiamare “chirali” e che diversificano i due enantiomeri: ne è un esempio l’attività ottica, la proprietà di far ruotare il piano della luce polarizzata verso destra o verso sinistra di un certo angolo α detto potere rotatorio. In particolare, l’enantiomero che fa ruotare a destra (cioè, in senso orario) il piano della luce polarizzata è chiamato destrogiro ed è indicato con il simbolo (+), mentre l’altro è definito levogiro ed è indicato con (−). Una miscela al 50% dei due enantiomeri è chiamata miscela racemica o racemo. Tale miscela non presenta più il fenomeno dell’attività ottica in quanto al suo interno si ha una compensazione dei due poteri rotatori opposti dovuti ai due enantiomeri. Ma che cos’è la luce polarizzata? La luce è una radiazione elettromagnetica che oscilla in un numero infinito di piani passanti per la direzione di propagazione. La luce polarizzata, invece, è una luce monocromatica (di una ben determinata lunghezza d’onda) che oscilla in un solo piano, chiamato piano di polarizzazione, e che può essere ottenuta facendo passare un raggio di luce normale attraverso una particolare lente, il filtro polarizzatore [Fig. 19].

La nomenclatura degli enantiomeri

Poiché due enantiomeri sono rappresentati dalla stessa formula di struttura, le regole IUPAC viste finora non sono in grado di distinguerli. Consideriamo per esempio i due enantiomeri del 2-bromobutano:

Per distinguere le due configurazioni, i chimici R.S. Cahn, C.K. Ingold e V. Prelog hanno proposto un metodo chiamato sistema R,S. Secondo questo sistema, i due enantiomeri sono indicati anteponendo al nome IUPAC la lettera R oppure S sulla base della priorità reciproca degli atomi o del gruppo di atomi legati al carbonio chirale. La priorità è assegnata tenendo conto delle seguenti regole, note come “regole CIP”, dalle iniziali dei loro ideatori.

LABORATORIO CON VOGADRO

OBIETTIVO

Costruire due enantiomeri della gliceraldeide, il (R)2,3-diidrossipropanale e il (S)2,3-diidrossipropanale, a partire da una molecola presente nel database Avogadro.

SEQUENZA

1 Inquadra il codice QR per accedere all’attività Avogadro e ai video delle molecole.

2 Disegna l’isomero (S)2,3-diidrossipropanale con Avogadro, a partire da una molecola presente nel suo database, poi ottimizza la sua geometria.

3 Verifica che si tratti dell’isomero S ruotando la molecola nello spazio.

4 Ottieni l’isomero (R)2,3-diidrossipropanale utilizzando l’apposito comando.

5 Verifica che si tratti dell’isomero R ruotando la molecola nello spazio.

PENSIERO CRITICO

1 In base a cosa distingui i due isomeri ottici?

2 Perché Avogadro è utile per questo tipo di classificazione?

Altre proposte di approfondimento e box

L’ANGOLO DELLA

LETTURA

Sam Kean, Il cucchiaino scomparso, Adelphi, Milano

Ogni elemento della tavola periodica, oltre a un simbolo e una serie di numeri riportati in tabella, si porta dietro la propria storia, ricca talvolta di aneddoti – come quello del cucchiaino che dà il titolo al libro – che Sam Kean ci racconta per introdurci nell’affascinante mondo della chimica.

Buona lettura

L’ANGOLO DEL CINEMA

Oppenheimer (2023)

Regia di Christopher Nolan

Nolan ci racconta gli anni che precedono lo sgancio della bomba atomica sulle città giapponesi di Hiroshima e Nagasaki attraverso la storia personale e scientifica del fisico americano Robert Oppenheimer, che sfocia nell’ideazione e nella messa in opera del colossale progetto Manhattan.

Buona visione

L’ANGOLO DELL’ ASCOLTO

Podcast Scientificast

Il podcast del Dipartimento di chimica dell’Università di Torino ci porta nel mondo dei materiali e delle molecole, dalle scoperte passate a quelle più recenti, offrendo una finestra sulla ricerca in atto nel settore chimico e una visione sulle prospettive future e le loro implicazioni per la vita di tutti noi.

Buon ascolto

Gli enzimi e la catalisi enzimatica

Alcune proteine sono anche enzimi e svolgono un compito importante nella cellula. Gli enzimi sono macromolecole di natura proteica che funzionano da catalizzatori e sono quindi in grado di aumentare la velocita delle reazioni biochimiche nelle condizioni di temperatura e pH dell’organismo.

Senza l’effetto catalitico degli enzimi, la maggior parte delle reazioni chimiche che compongono i processi metabolici sarebbero troppo lente per mantenere le normali funzioni cellulari. Per esempio, il saccarosio disciolto in acqua potrebbe rimanervi per anni senza trasformarsi nei prodotti di idrolisi. Se alla soluzione aggiungiamo l’opportuno enzima, la velocita di reazione aumenta di milioni di volte e tutto il saccarosio viene scisso in pochi secondi. Sono catalizzatori estremamente efficienti, la cui azione non differisce da quella di qualsiasi altro catalizzatore.

Nella maggior parte dei processi metabolici, il prodotto di una reazione chimica e a sua volta il reagente per una successiva reazione. Si parla in questo caso di catene enzimatiche. Nella cellula, spesso prendono parte a queste catene enzimatiche decine di enzimi diversi, che lavorano come in una catena di montaggio per arrivare al prodotto finale

INTERSEZIONI | STORIA

L’enzima del proibizionismo

Con la coltivazione della vite e dei cereali, nel Neolitico l’essere umano iniziò a produrre bevande alcoliche, i cui primi resti sono datati 7000 a.C. e sono stati ritrovati nell’attuale Cina. La presenza di alcol etilico all’interno di queste bevande è dovuta a un processo catalizzato dall’enzima alcol deidrogenasi (ADH) dei microrganismi fermentatori. Questo enzima è presente anche nelle cellule del fegato di diversi animali, tra cui l’essere umano adulto, dove svolge la reazione biochimica inversa e permette la digestione dell’etanolo presente negli alimenti. Tuttavia, l’alcol che l’enzima ADH non riesce a metabolizzare si accumula e provoca gravi danni per l’organismo. Nel tempo l’assunzione di bevande alcoliche è stata normata in diversi Paesi e culture con motivazioni ideologiche, sociali o mediche. Negli Stati Uniti, durante il Proibizionismo (1920-1933) fu vietata la produzione, la circolazione e la vendita di alcolici. L’eccessivo consumo di birra, rum e whisky costituiva infatti un problema per i comportamenti violenti e molesti degli individui ubriachi, questione già emersa all’inizio dell’Ottocento e che aveva portato a fondare la Società Americana per la temperanza, di ispirazione puritana. Grande fu l’attivismo delle donne, che lottarono di pari passo per il suffragio femminile, ottenuto nel 1920.

COLLEGARE LE DISCIPLINE

Con la crescente industrializzazione ci si convinse che l’alcolismo rendeva improduttivi gli operai e riduceva l’acquisto di beni industriali e il movimento ebbe quindi il sostegno di magnati come Ford e Rockefeller. Approvata la legge, fu organizzato però un mercato nero di contrabbando dal Canada e dal Messico, si diffusero distillerie e bar clandestini. Solo nel 1933 sotto la presidenza Roosevelt, fu abrogato il divieto, ormai mal tollerato presso tutte le classi sociali, e fu ripristinata la tassa sugli alcolici, azzerando il mercato illegale e creando nuovi posti di lavoro.

Negli anni ’20 del secolo scorso gli Stati Uniti vivono il periodo del Proibizionismo. Elabora un esposizione orale collegando tra loro e approfondendo gli spunti della seguente scaletta

• INGLESE Racconta i Roaring Twenties americani partendo dal romanzo The Great Gatsby di Francis Scott Fitzgerald.

• EDUCAZIONE CIVICA Illustra le regole contenute nel codice della strada relativamente al consumo di bevande alcoliche.

• BIOLOGIA Spiega gli effetti dell’alcol sul sistema nervoso.

CHEM & STEM

PCM e transizione ecologica

I materiali a cambiamento di fase (Phase Change Materials o PCM) sono materiali che permettono direalizzare tessili e rivestimenti innovativi in grado di mantenere costante la temperatura.

I primi materiali dotati di tecnologia PCM sono stati sviluppati nel 1988 dalla NASA per produrre guanti che mantenessero le mani degli astronauti a temperatura prossima a quella ideale durante le attività nello spazio. Se la mano dell’astronauta diventa troppo calda o fredda, il guanto a PCM risponde infatti in modo automatico assorbendo o rilasciando calore. Il principio di funzionamento dei PCM si basa sul calore latente di fusione e il loro comportamento è descrivibile tramite una curva di riscaldamento o di raffreddamento. Quando fa molto caldo, un PCM allo stato solido assorbe calore e aumenta la sua temperatura fino a raggiungere la temperatura di fusione. A questo punto, il calore ulteriormente assorbito non fa aumentare la temperatura (sosta termica) fino a che tutto il PCM non è passato allo stato liquido. Quando la temperatura esterna diminuisce, il PCM liquido cede calore diminuendo la sua temperatura fino ad arrivare alla sosta termica della solidificazione che dura fino a quando tutto il PCM è passato allo stato solido.

I PCM devono avere temperatura di fusione in un intervallo adeguato all’applicazione scelta (per un tessuto ciò significa una temperatura confortevole per la pelle, per un rivestimento edilizio una gradevole temperatura ambiente) e devono possedere un calore specifico elevato, in modo da poter assorbire o cedere grandi quan-

tità di calore senza che la temperatura si allontani troppo da quella ottimale.

A seconda della specifica applicazione si scelgono materiali organici di vario tipo come acidi grassi, esteri, paraffine o inorganici, come i sali. I PCM vengono spesso confinati all’interno di microscopiche capsule polimeriche che vengono poi fissate ai filamenti dei tessuti o inglobate in essi. In questo modo si garantisce un veloce e uniforme scambio di calore da e verso il materiale. La tecnologia è particolarmente indicata per la produzione di capi di abbigliamento e calzature destinati alle attività sportive o all’aperto. Le caratteristiche di questi tessili innovativi possono essere sfruttate inoltre per produrre biancheria da letto (coprimaterassi, cuscini, topper) termoregolante.

Al momento attuale la maggior parte delle applicazioni impiega fibre sintetiche ma il futuro di questa tecnologia è legato allo sviluppo di tecniche per l’inserimento di microcapsule anche nelle fibre naturali quali cotone, lana e seta, nonché all’impiego nelle costruzioni.

Altri settori in via di sviluppo sono quello del trasporto refrigerato (ad esempio di medicine) o dell’elettronica: uno dei più promettenti sembra il rivestimento di batterie al litio per evitare il fenomeno detto thermal runaway che può essere estremamente pericoloso e portare perfino alla loro esplosione.

L’astronauta Mike Massimino nello spazio con i guanti NASA a PCM. Fonte NASA.

Il settore edile, date le stringenti normative europee in merito alla riduzione dei consumi energetici sia nella stagione invernale che in quella estiva, guarda con attenzione alla tecnologia PCM. In questo caso i materiali devono avere temperature di fusione e volumi compatibili con il fatto che nel corso della giornata

devono liquefarsi e solidificarsi completamente. Inoltre, essendo destinati all’uso in abitazioni è essenziale che abbiano una tossicità nulla. I PCM in edilizia possono essere impiegati in diverse parti degli edifici, dal tetto, agli infissi ai pavimenti e garantiscono una miglior classe energetica dell’immobile..

SCENARI FUTURI | ORIENTAMENTO STEM

Profilo Ingegnere tessile – Ingegnere dei materiali Lo sviluppo di nuovi materiali e nuove tecnologie ha reso necessaria la formazione di figure professionali inedite, con una profonda conoscenza dei prodotti e dei processi, capaci di gestire i rapidi mutamenti tecnologici. Le competenze di queste figure professionali trovano applicazione nel campo dei materiali e delle tecnologie di produzione e trasformazione sia dei materiali metallici, ceramici, polimerici e compositi, sia di quelli avanzati per l’industria micromeccanica, elettronica e biomedica.

Accesso Può essere soggetto a un test di ingresso a seconda dell’ateneo e del corso di laurea scelto. Tasso di occupazione Il tasso di occupazione degli ingegneri tessili e dei materiali è tra i più alti.

Attività Inquadra il QR e guarda i piani di studio di alcuni atenei e i profili in uscita. Utilizzando i dati forniti, realizza un grafico che rappresenti la situazione attuale delle professioni per ordine di importanza.

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