012 – Proprietà fisiche e identificazione dei prodotti

Non esistono due sostanze pure che condividano lo stesso insieme di proprietà fisiche. Ciascuna ha il proprio punto di ebollizione e la propria densità, e queste costanti sono catalogate in tabelle di riferimento che i chimici consultano ogni giorno. Ecco perché una bottiglia non etichettata non viene mai identificata per supposizione: misurare una o due proprietà fisiche ben scelte e confrontare i risultati con i valori noti è solitamente sufficiente per dare un nome a una sostanza. Lo stesso approccio viene utilizzato nel controllo qualità, nei laboratori forensi e nella verifica della purezza dei prodotti chimici industriali.

Due proprietà caratterizzano questo laboratorio. Il punto di ebollizione è la temperatura alla quale la pressione di vapore di un liquido eguaglia la pressione atmosferica circostante; mentre un liquido bolle, la sua temperatura smette di salire, poiché il calore fornito viene consumato dal cambiamento di stato anziché dal riscaldamento del liquido. La densità è il rapporto tra massa e volume, ρ = m/V. È una proprietà intensiva — un frammento grande e uno piccolo forniscono lo stesso valore — e per un solido irregolare il volume si misura più facilmente tramite lo spostamento d'acqua, intuizione attribuita ad Archimede.

In questo laboratorio identificherai quattro sostanze sconosciute. Due liquidi sconosciuti vengono riscaldati su piastre riscaldanti impostate a 105 °C mentre i termometri ne registrano la temperatura: il plateau che ciascun liquido raggiunge è il suo punto di ebollizione, da cui deriva il suo nome. Due solidi sconosciuti vengono quindi pesati sulla bilancia elettronica e immersi in un vaso di trabocco pieno, raccogliendo l'acqua spostata in un cilindro graduato; la massa e il volume insieme forniscono la densità, e la densità ne rivela l'identità.

Obiettivi Educativi

Familiarizzazione con l'ambiente di laboratorio

• Individuare e utilizzare l'attrezzatura di un banco di chimica a umido: piastre riscaldanti, sostegni universali e morsetti, agitatori magnetici, la bilancia elettronica, il vaso di troppopieno e il recipiente di recupero.

Uso di dispositivi di protezione e comportamento sicuro in laboratorio

• Indossare i dispositivi di protezione adeguati alla manipolazione di liquidi vicini all'ebollizione e smaltire i campioni usati nell'apposito contenitore di raccolta.
• Spiega perché le dita non devono toccare l'acqua durante una misurazione per dislocamento: qualsiasi oggetto immerso aggiunge il proprio volume e distorce il risultato.

Misurazione di volume e massa

• Misura i volumi dei liquidi in corrispondenza del menisco con il cilindro graduato appropriato.
• Pesare i solidi su una bilancia elettronica utilizzando una barchetta di pesata e registrare ogni misurazione con la relativa unità di misura.

Determinazione di un punto di ebollizione

• Montare un sistema di riscaldamento con un termometro fissato con morsetto, un'ancoretta magnetica e una registrazione temporizzata della temperatura.
• Riconosci il plateau di temperatura che segna l'ebollizione e usalo — non il gorgogliamento in sé — come punto di ebollizione misurato.

Determinazione della densità per spostamento d'acqua

• Misura il volume di un solido irregolare dall'acqua che esso sposta da un vaso trabocco pieno.
• Calcola la densità come ρ = m/V da una massa misurata e un volume spostato.

Identificazione delle sostanze dalle proprietà fisiche

• Confrontare un punto di ebollizione o una densità misurati con i valori di riferimento e giustificare l'identificazione.
• Specifica i limiti del confronto: quanto vicini possono essere due valori di riferimento prima che una singola proprietà non riesca più a separare i candidati.

Protocollo

Identificazione di liquidi sconosciuti

1. Misurare con precisione 50 mL del liquido sconosciuto 1 utilizzando il cilindro graduato da 50 mL.
2. Versare il liquido contenuto nel cilindro graduato in un becher da 100 mL etichettato A.
3. Risciacquare il cilindro graduato.
4. Ripeti i passaggi da 1 a 3 con il liquido sconosciuto 2, usando il becher B.
5. Posiziona il becher A sulla piastra riscaldante sinistra e il becher B sulla piastra riscaldante destra.
6. Posizionare un agitatore magnetico in ogni becher.
7. Agganciare un morsetto universale ai supporti sopra il centro di ciascun becher.
8. Posizionare un termometro in ogni becker fissandoli alle pinze attaccate ai supporti universali.
9. Avvia il cronometro.
10. Avviare gli agitatore magnetici.
11. Regola la temperatura delle piastre riscaldanti a 105 °C.
12. Nella tabella dei risultati, controlla la variazione di temperatura.
13. In base alla temperatura di ebollizione, quali potrebbero essere i liquidi sconosciuti?
14. Quando la temperatura massima di ebollizione di ciascun becher è stata raggiunta, spegnere gli agitatoti magnetici.
15. Ferma il cronometro.
16. Abbassare la temperatura della piastra riscaldante a 15°C.
17. Staccare i termometri dalle pinze.
18. Rimuovere levare magnetici dai becher.
19. Svuotare il contenuto dei becher nel cestino di recupero.

Identificazione di solidi sconosciuti

1. Usando le pinzette, posiziona 5 pezzi di solido sconosciuto 1 sulla bilancia usando la barchetta di pesata. Registra il peso totale dei 5 pezzi.
2. Utilizzando acqua di rubinetto, riempire un recipiente a tracimazione fino alla sua capacità massima prima del trabocco (500 mL). Lasciare che l'acqua in eccesso fluisca nel lavandino.
3. Posiziona il vaso di troppo pieno sul bancone proprio accanto al cilindro graduato da 25 mL in modo che quest'ultimo sia posizionato sotto l'apertura di troppo pieno del vaso di troppo pieno.
4. Svuotare delicatamente i pezzi di solido 1 contenuti nella barchetta di pesata nel recipiente di tracimazione. Attenzione ! Le dita non devono venire a contatto con l'acqua per non falsare i risultati.
5. Utilizzando il trabocco dal recipiente di trabocco e il menisco nel cilindro graduato, determinare il volume del solido 1.
6. Aspetta che il flusso si fermi completamente.
7. Registrare il volume occupato. Con il peso dei pezzi pesati al punto 1, potrai così calcolare la densità.
8. Usando le pinzette, rimuovere i pezzi di solido 1 dal vaso di trabocco e gettarli nel contenitore di recupero.
9. Svuota il liquido contenuto nel cilindro da 25 mL nel contenitore di recupero.
10. Utilizzando acqua di rubinetto, riempire nuovamente il recipiente di troppopieno fino alla sua piena capacità prima del trabocco (500 mL). Lasciare che l'acqua in eccesso fluisca nel lavandino.
11. Riposizionare il recipiente di tracimazione sul banco, proprio accanto al cilindro graduato da 25 mL, in modo che quest'ultimo sia posizionato sotto l'apertura di tracimazione del recipiente di tracimazione.
12. Usando le pinzette, posiziona 5 pezzi di solido sconosciuto 2 sulla bilancia usando la barchetta di pesata. Registra il peso totale dei 5 pezzi.
13. Svuotare delicatamente i pezzi di solido 2 contenuti nella barchetta di pesata nel recipiente di tracimazione. Attenzione! Le dita non devono venire a contatto con l'acqua per non falsare i risultati.
14. Usando il trabocco dal traboccatoio e il menisco nel cilindro graduato, determina il volume del solido 2.
15. Registra il volume occupato. Con il peso dei pezzi pesati al punto 12, potrai così calcolare la densità.
16. Potrai così identificare i 2 solidi sconosciuti utilizzandone la densità.

Risultati Previsti

Parte A — i liquidi sconosciuti. Entrambi i becher vengono riscaldati su piastre impostate a 105 °C, appena al di sopra del punto di bolollizione dell'acqua, cosicché ciascun liquido raggiunge infine un plateau che non può superare. Le temperature del plateau costituiscono l'identificazione.

Un liquido entra in ebollizione quando la sua pressione di vapore eguaglia la pressione atmosferica che lo sovrasta. Da quel momento in poi, il calore fornito dalla piastra riscaldante viene impiegato per trasformare il liquido in vapore anziché per aumentare la temperatura, quindi la lettura del termometro smette di salire — si raggiunge un plateau — anche se la piastra è impostata a una temperatura superiore di 5 °C. Poiché il liquido sconosciuto #2 bolle a 78 °C, ben al di sotto dei 100 °C, è il primo a iniziare a bollire; osservare quale becher bolle prima costituisce di per sé una prova, e i valori di plateau confermano poi l’identificazione.

Parte B — i solidi sconosciuti. Cinque pezzi di ciascun solido vengono pesati, quindi immersi in un vaso di trabocco riempito fino all'orlo (500 mL); l'acqua che spostano defluisce nel cilindro graduato da 25 mL, fornendo direttamente il volume dei pezzi.

La relazione fondamentale è ρ = m/V. Per il solido #1: ρ = 14,5 g ÷ 5,4 mL = 2,7 g/mL, che corrisponde alla densità di riferimento del carbonato di calcio pari a 2,71 g/mL entro i limiti della precisione di lettura del cilindro. Per il solido #2: ρ = 63,75 g ÷ 12,2 mL = 5,2 g/mL, che corrisponde all’ossido di ferro (III) a 5,24 g/mL. La densità è una grandezza intensiva, motivo per cui cinque pezzi danno lo stesso valore di uno solo: l’uso di cinque pezzi serve semplicemente a rendere sia la massa che il volume spostato sufficientemente grandi da consentire una lettura accurata.

Il metodo del dislocamento funziona perché un solido immerso sposta esattamente il proprio volume d’acqua — l’intuizione di Archimede. Richiede che il solido affondi e sia sostanzialmente insolubile, condizioni che entrambi i casi soddisfano. Spiega inoltre l’avvertenza del protocollo riguardo alle dita: qualsiasi altro oggetto che entri in acqua aggiunge il proprio volume al trabocco e falsifica la lettura. Noterete inoltre che l’acqua assume una tonalità arancione dopo l’aggiunta del solido sconosciuto #2: particelle fini di ossido di ferro (III), il pigmento della ruggine, rimangono in sospensione nell’acqua. Il colore è un utile indizio qualitativo, ma è la densità a costituire la prova.

Riepilogo del compito per intervallo di voti

Classe 9-10

• Concentrazione: proprietà fisiche come identificatori e misurazione accurata con le unità corrette.
• Attività: misurare volumi e masse; osservare i due liquidi mentre si riscaldano e registrare le temperature di plateau; far cadere i solidi pesati nel vaso di trabocco e leggere il volume spostato; calcolare ciascuna densità con ρ = m/V e abbinare tutti e quattro i valori sconosciuti ai valori di riferimento.

Undicesimo anno

• Concentrazione: il trattamento quantitativo dell'ebollizione e della densità.
• Attività: traccia il grafico della temperatura in funzione del tempo per entrambi i beaker e spiega l'altopiano in termini di energia che entra nel cambiamento di stato; spiega perché la piastra è impostata a 105 °C; mantieni il corretto numero di cifre significative in entrambi i calcoli della densità; spiega perché si usano cinque pezzi anziché uno.

12ª classe / Livello universitario

• Concentrazione: identificazione di una singola proprietà e quando è necessaria una seconda proprietà.
• Attività: Discutere la dipendenza dei punti di ebollizione dalla pressione; valutare quando la sola densità non è in grado di separare due candidati e proporre un test di conferma indipendente; classificare le proprietà utilizzate come intensive o estensive e giustificare perché solo le proprietà intensive identificano le sostanze.

Materiale essenziale di laboratorio

Strumenti

• Becher (100 mL)
• Bilancia elettronica e capsula di pesata
• Cilindri graduati (25 mL e 50 mL)
• Piastre elettriche
• Aste e morsetti da laboratorio
• Ag磁etici e ancore magnetiche
• Vaso di troppo pieno (500 mL)
• Cestino
• Termometri
• Timer
• Pinzette

Prodotti

• Liquidi sconosciuti (#1 e #2)
• Solidi sconosciuti (#1 e #2)
• Acqua del rubinetto