{"id":1756,"date":"2022-09-11T12:08:23","date_gmt":"2022-09-11T10:08:23","guid":{"rendered":"https:\/\/sperimentando.com\/?p=1756"},"modified":"2023-09-24T18:37:02","modified_gmt":"2023-09-24T16:37:02","slug":"oceani-e-clima-fra-chimica-e-biologia","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/sperimentando.com\/?p=1756","title":{"rendered":"Oceani e clima fra chimica e biologia"},"content":{"rendered":"\r\n
Questo percorso didattico si compone di una serie di esperienze nelle quali conoscenze e competenze di chimica di diverso livello vengono utilizzate per studiare fenomeni naturali interessanti e rilevanti per l\u2019educazione alla cittadinanza. Nelle varie esperienze le reazioni chimiche, l\u2019acidit\u00e0, il pH e gli equilibri chimici vengono messi al servizio dello studio della ripartizione dell\u2019anidride carbonica tra atmosfera e oceani in diverse condizioni, dei meccanismi di feedback climatico che coinvolgono gas serra e oceani, degli effetti dell\u2019aumento della disponibilit\u00e0 di anidride carbonica sulla chimica degli oceani e sui viventi che li abitano. Le esperienze che presentiamo sono molto intuitive, possono essere usate in contesti didattici diversi e consentono di lavorare anche sul concetto di modello sperimentale.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
Un percorso a tappe, ma anche quattro esperimenti indipendenti<\/strong><\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
Gli esperimenti proposti formano un percorso didattico su: distribuzione della CO2<\/sub> tra oceani e atmosfera al variare della temperatura e meccanismi di feedback climatico che ne conseguono; acidificazione degli oceani causata dall\u2019aumento della pressione parziale di CO2<\/sub>; effetti sui viventi con esoscheletro e sui produttori primari all\u2019aumentare della CO2<\/sub> disciolta e all\u2019abbassamento del pH negli ambienti oceanici.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
Ciascuno di questi esperimenti \u00e8 autoconclusivo, si pu\u00f2 scegliere di proporre agli studenti l\u2019intero percorso o solo una o pi\u00f9 esperienze.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
Prerequisiti e impostazione didattica<\/strong><\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
Percorso didattico<\/em>: i tre esperimenti possono essere proposti a studenti con un diverso livello di competenze di base in chimica, adattando gli obiettivi e le richieste di rielaborazione dei risultati ottenuti. Le competenze di chimica acquisite durante il percorso scolastico saranno messe al servizio dello studio di fenomeni complessi relativi alla chimica degli oceani e ai feedback climatici.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
Impostazione didattica<\/em>: gli studenti dovrebbero fare esperienza diretta dei fenomeni utilizzando i modelli sperimentali di laboratorio, analizzando poi in classe i risultati qualitativi e quantitativi ottenuti. La discussione finale allarga la prospettiva verso i modelli interpretativi relativi al clima e agli oceani.\u00a0<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
Metodologia<\/em>: ogni esperienza \u00e8 composta di a) descrizione; b) procedura sperimentale; c) materiale didattico utile per discutere i modelli interpretativi dei fenomeni sul nostro Pianeta; d) guida per aiutare l\u2019insegnante ad allestire con successo gli esperimenti e a risolvere i problemi pi\u00f9 comuni.\u00a0<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
Effetto dei gas atmosferici sul pH degli oceani<\/strong><\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
L\u2019esperimento genera, attraverso reazioni chimiche, i principali gas presenti in atmosfera: ossigeno, azoto, anidride carbonica e idrogeno. Un gassificatore artigianale permette di far gorgogliare i gas in una soluzione di acqua oceanica per verificare, tramite un indicatore universale di pH, il possibile effetto di acidificazione dovuto a ciascun gas, sapendo che c\u2019\u00e8 un equilibrio fra i gas presenti in atmosfera e quelli disciolti negli oceani.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
Figura 1.1 Schema del gassificatore e del sistema sperimentale<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
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<\/td>\r\n<\/tr>\r\n<\/tbody>\r\n<\/table>\r\nNel pannello A lo schema dell\u2019apparato, nel pannello B le foto dei 3 apparati funzionanti descritti nel testo<\/figcaption>\r\n<\/figure>\r\n\r\n\r\n\r\n
L\u2019atmosfera terrestre \u00e8 composta da azoto per il 78% circa, ossigeno per il 21% circa e il resto \u00e8 composto da gas presenti in tracce, tra cui anidride carbonica e idrogeno. Le reazioni descritte di seguito consentono di preparare in provetta ciascuno di questi 4 gas e di farli gorgogliare in una soluzione di acqua oceanica e indicatore di pH.\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0<\/sub><\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n\r\n
2H2<\/sub>O2<\/sub>(aq) \u2192 O2<\/sub>(g)<\/strong> + 2H2<\/sub>O(l)\u00a0 in presenza di KI<\/li>\r\n
spatole per prelevare i reagenti in polvere vetreria utile a misurare i volumi delle sostanze liquide\u00a0 vetreria, tappi in gomma e tubi per costruire i piccoli gassificatori come indicato nelle istruzioni della prossima sezione\u00a0 4 siringhe da 20 mL o pi\u00f9 (1 per ogni reagente liquido)<\/td>\r\n<\/tr>\r\n
\r\n
Materiali consumabili<\/strong><\/td>\r\n
indicatore di pH utile nell\u2019intervallo da acido a neutro (ad es. indicatore universale, blu di bromo timolo, rosso cresolo) acqua deionizzata reagenti solidi: nastro di magnesio; KI; HSO3<\/sub>NH2<\/sub> ; NaHCO3<\/sub> reagenti liquidi sotto cappa: H2<\/sub>O2<\/sub> 3% ; NaNO2<\/sub> 0,1 M; HCl 3,5%<\/td>\r\n<\/tr>\r\n
\r\n
Attrezzatura utile non necessaria\u00a0<\/strong><\/td>\r\n
preparato liofilizzato per produrre acqua oceanica (in alternativa si pu\u00f2 usare acqua) bilancia e navicelle per pesare i reagenti in polvere (altrimenti possono essere quantificati in modo approssimativo usando delle spatole come dosatori) un dispositivo per documentare con foto o video<\/td>\r\n<\/tr>\r\n<\/tbody>\r\n<\/table>\r\n<\/figure>\r\n\r\n\r\n\r\n
sciogli il preparato liofilizzato per oceano in acqua distillata alla concentrazione di 35 g\/L (a seconda delle indicazioni fornite dall\u2019esercitatore pesa i sali oppure quantificali con il misurino fornito)<\/li>\r\n
contrassegna 4 becher ciascuno con il nome del gas che ci farai gorgogliare dentro (O2<\/sub>; N2<\/sub>; CO2<\/sub>; H2<\/sub>) e contrassegna un quinto becher come controllo.<\/li>\r\n
in ciascun becher versa 50 mL di acqua di oceano e 2 gocce di indicatore di pH<\/li>\r\n
annota con un pennarello su ciascun tubo di reazione il nome del reagente solido che conterr\u00e0.<\/li>\r\n
preleva e trasferisci nel tubo di reazione ciascuno dei reagenti solidi seguendo le indicazioni della tabella 1.1 (a seconda delle indicazioni fornite dall\u2019esercitatore pesa i reagenti oppure quantificali con il misurino fornito)<\/li>\r\n
spostati sotto la cappa chimica per prelevare i reagenti liquidi ed eseguire l\u2019esperimento<\/li>\r\n
preleva con la siringa il reagente liquido necessario per la prima reazione<\/li>\r\n
Assembla il gassificatore per la prima reazione, come illustrato in figura 1.1.<\/li>\r\n
metti l\u2019estremit\u00e0 del tubo dentro al bicchierino contenente acqua oceanica e indicatore e conduci la reazione spingendo lo stantuffo della siringa molto lentamente, in modo tale che il reagente liquido cada goccia a goccia sul reagente solido contenuto nella provetta (se la reazione procede troppo velocemente il gas prodotto non sar\u00e0 l\u2019unica cosa a risalire attraverso il tubo e a gorgogliare nella soluzione e si produrr\u00e0 un risultato che non rispecchia esclusivamente il contributo del gas che desideri testare).<\/li>\r\n
osserva cosa succede nel becher e annota i risultati<\/li>\r\n
procedi con la reazione successiva<\/li>\r\n
al termine fai una foto al risultato e stima il pH delle soluzioni contenute in ciascuno dei 5 bicchierini in base al colore dell\u2019indicatore (il controllo, dove non \u00e8 stato fatto gorgogliare niente + i 4 bicchierini dove sono stati fatti gorgogliare 4 diversi gas).\u00a0<\/li>\r\n<\/ul>\r\n\r\n\r\n\r\n
Figura 1.2 \u2013 Procedura ed esito atteso dell\u2019esperimento<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
camice con elastico ai polsi guanti per la manipolazione dei reagenti i reagenti liquidi devono essere prelevati sotto cappa chimica con l\u2019aspirazione accesa mantenendo il vetro abbassato fino all\u2019altezza del viso\u00a0 l\u2019esperienza deve essere condotta sotto la cappa aspirante accesa con il vetro abbassato fino all\u2019altezza del viso\u00a0 pu\u00f2 essere consigliabile l\u2019uso di occhiali protettivo, ma la cappa chimica utilizzata in modo corretto dovrebbe offrire una protezione gi\u00e0 adeguata<\/td>\r\n<\/tr>\r\n
\r\n
Smaltimento degli scarti<\/strong><\/td>\r\n
Le soluzioni acquose in cui hanno gorgogliato i gas non sono tossiche n\u00e9 dannose per l\u2019ambiente, pertanto vanno smaltite considerando solo le prescrizioni relative all\u2019indicatore di pH che si \u00e8 scelto di utilizzare, tenendo conto anche del fatto che l’indicatore \u00e8 presente in piccole quantit\u00e0 ed \u00e8 considerevolmente diluito. Per quanto riguarda quello che resta delle reazioni all\u2019interno dei gassificatori, \u00e8 necessario smaltire come rifiuti chimici liquidi.<\/td>\r\n<\/tr>\r\n<\/tbody>\r\n<\/table>\r\n<\/figure>\r\n\r\n\r\n\r\n
Dal modello di laboratorio allo studio del pianeta<\/strong><\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
Gli studenti osserveranno che la CO2<\/sub> fa cambiare il pH della soluzione acquosa, mentre gli altri gas non hanno effetti sul pH.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
Gli studenti con una preparazione di base in chimica discuteranno con l\u2019insegnante i seguenti fenomeni:<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
\r\n
la quantit\u00e0 di gas disciolto nel liquido aumenta all\u2019aumentare della pressione parziale di ciascun gas nell\u2019atmosfera sovrastante, fino al limite di solubilit\u00e0;<\/li>\r\n
la CO2<\/sub> disciolta, che a T ambiente \u00e8 al massimo 1,48 g\/L, reagisce con l\u2019acqua secondo la reazione all\u2019equilibrio CO2<\/sub>(aq) + H2<\/sub>O(l) \u21c4 H2<\/sub>CO3<\/sub>(aq), che ha una\u00a0 Keq = 1,3 x 10-3<\/sup> e che ha come prodotto un acido debole\u00a0<\/li>\r\n<\/ul>\r\n\r\n\r\n\r\n
Tutti gli studenti rifletteranno con l\u2019insegnante sul fatto che un aumento della quantit\u00e0 di CO2<\/sub> nell\u2019atmosfera determina un aumento della quantit\u00e0 di CO2<\/sub> disciolta nell\u2019acqua oceanica, con conseguente diminuzione del pH dell\u2019acqua. Gli studenti con conoscenze di base di chimica potranno riflettere sul fatto che la costante di solubilit\u00e0 e quella di reazione non cambiano, ma una maggiore disponibilit\u00e0 di reagenti aumenta anche la quantit\u00e0 di prodotti mantenendo costante il rapporto tra reagenti e prodotti.\u00a0<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
A questo punto \u00e8 interessante consultare insieme agli studenti dati affidabili sulla concentrazione media di CO2<\/sub> misurata nell\u2019atmosfera e negli oceani e sul pH misurato degli oceani in un intervallo di tempo recente. Si tratta anche di un\u2019occasione preziosa per educare alla ricerca di dati affidabili, e per presentare agli studenti risorse informative che potranno essere utili punti di riferimento per la loro formazione permanente.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
L\u2019agenzia federale statunitense che si interessa di oceanografia, meteorologia e climatologia mette a disposizione del pubblico le misure effettuate e le analisi dei dati sempre aggiornate.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
Figura 1.3 \u2013 I dati degli ultimi 60 anni relativi alla concentrazione di CO2<\/sub> nell\u2019atmosfera, nell\u2019oceano e al pH dell\u2019oceano<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
<\/figure>\r\n\r\n\r\n\r\n
Indicazioni per l\u2019insegnante\u00a0<\/strong><\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
L\u2019esecuzione di questo esperimento richiede la disponibilit\u00e0 di attrezzatura adatta per la costruzione dei gassificatori. I tubini di volume adatto, con chiusura ermetica e tubatura di ingresso e di uscita possono essere acquistati da Carolina biotech (link in bibliografia). E\u2019 possibile costruire il sistema utilizzando tubi in plastica tipo Falcon chiudendoli in modo ermetico con tappi in gomma nei quali saranno stati praticati due fori, uno per l\u2019ingresso, compatibile con la siringa, e uno per il tubino di uscita del gas. E\u2019 infine possibile utilizzare vetreria da laboratorio con chiusura ermetica in alto e una apertura laterale in alto per il tubino di uscita del gas.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
In tutti i casi sar\u00e0 necessario fare delle prove per adattare le quantit\u00e0 e i volumi dei reagenti e dei gas prodotti ai volumi dei contenitori utilizzati (poco gas prodotto in un contenitore grande non produce abbastanza gas da far gorgogliare all\u2019interno delle soluzioni di acqua oceanica)<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
E\u2019 molto importante testare la cinetica di reazione e aggiustare le quantit\u00e0 dei reagenti solidi e le concentrazioni dei reagenti acquosi in modo tale che si abbia fuoriuscita del solo gas attraverso il tubino e che non ci sia in mezzo anche schiuma di reazione. Questa accortezza \u00e8 particolarmente importante per la reazione tra l\u2019amidetriossosolfato di idrogeno e il biossonitrato di sodio, che oltre a produrre N2<\/sub> produce anche idrogenosolfato di sodio, che \u00e8 un acido (NaNO2<\/sub>(aq) + HSO3<\/sub>NH2<\/sub>(s)\u00a0 \u2192 N2<\/sub>(g) + NaHSO<\/strong>4<\/sub><\/strong>(aq)<\/strong> + H2<\/sub>O(l)). Se i prodotti acidi o basici della reazione si mescolano con il gas di uscita alterano il risultato sperimentale. Se la reazione \u00e8 molto veloce, l\u2019esito dell\u2019esperimento varia al variare della velocit\u00e0 con la quale lo sperimentatore opera, \u00e8 pertanto importante operare in condizioni di cinetica ottimali perch\u00e9 l\u2019esperimento dia risultati visibili, ma anche riproducibili nelle mani dei diversi studenti.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
Solubilit\u00e0 della CO<\/strong>2<\/sub><\/strong> in acqua al variare della temperatura<\/strong><\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
In questo esperimento si osserva la CO2<\/sub> che abbandona la soluzione acquosa all\u2019aumentare della temperatura seguendo le bollicine e il pH della soluzione. L\u2019esperienza serve a riflettere su cosa succede negli oceani quando cambia la temperatura: quando la temperatura media degli oceani \u00e8 pi\u00f9 bassa molta CO2<\/sub> si scioglie nell\u2019acqua oceanica e rimane sequestrata, mentre l\u2019aumento della temperatura degli oceani provoca un rilascio dei gas nell\u2019atmosfera, compresi quelli climalteranti.\u00a0<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
Se si osserva con attenzione il comportamento delle bollicine di gas nei due campioni e la variazione di colore, si pu\u00f2 facilmente intuire che la solubilit\u00e0 dei gas nel liquido diminuisce al crescere della temperatura. E\u2019 utile far ragionare gli studenti sulle esperienze di vita quotidiana in cui osservano questo, pensando a cosa succede alle bibite gassate tenute al caldo o al fresco.\u00a0<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
E\u2019 inoltre molto interessante proporre l\u2019esperimento a studenti che abbiano gi\u00e0 affrontato in chimica le propriet\u00e0 delle soluzioni, la solubilit\u00e0, la legge di Henry, gli equilibri e le reazioni acido base (idealmente quindi studenti di 4 liceo scientifico o tecnico), per ragionare con loro in modo pi\u00f9 approfondito e anche quantitativo sul fenomeno.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
Tabella 2.1 \u2013 Risorse<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
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Attrezzatura necessaria\u00a0<\/strong><\/td>\r\n
una piastra riscaldante bicchieri resistenti alle alte temperature (ad es. becher in boro silicato da laboratorio)\u00a0<\/td>\r\n<\/tr>\r\n
\r\n
Materiali consumabili<\/strong><\/td>\r\n
indicatore di pH utile nell\u2019intervallo da acido a neutro (ad es. indicatore universale, blu di bromo timolo, rosso cresolo) acqua con uguale composizione chimica in forma naturale e addizionata di CO2<\/sub><\/td>\r\n<\/tr>\r\n
\r\n
Attrezzatura utile non necessaria\u00a0<\/strong><\/td>\r\n
un cronometro o orologio un dispositivo per documentare con foto o video\u00a0<\/td>\r\n<\/tr>\r\n<\/tbody>\r\n<\/table>\r\n<\/figure>\r\n\r\n\r\n\r\n
20-30 minuti per completare l\u2019esperimento l\u2019esperimento si allestisce in pochi minuti e poi si osserva e si documenta il risultato<\/td>\r\n<\/tr>\r\n
\r\n
Tipologia di risultati<\/strong><\/td>\r\n
questo esperimento consente di fare osservazioni qualitative, non si ottengono misure quantitative dei fenomeni osservati<\/td>\r\n<\/tr>\r\n
\r\n
dispositivi di protezione<\/strong><\/td>\r\n
manopole per l\u2019isolamento termico per evitare ustioni se si toccano inavvertitamente i becher con le soluzioni calde o la piastra riscaldante calda.<\/td>\r\n<\/tr>\r\n
\r\n
smaltimento degli scarti<\/strong><\/td>\r\n
La soluzione acquosa non \u00e8 tossica n\u00e9 dannosa per l\u2019ambiente, pertanto va smaltita considerando solo le prescrizioni relative all\u2019indicatore di pH che si \u00e8 scelto di utilizzare, tenendo conto anche del fatto che l’indicatore \u00e8 presente in piccole quantit\u00e0 ed \u00e8 considerevolmente diluito.<\/td>\r\n<\/tr>\r\n<\/tbody>\r\n<\/table>\r\n<\/figure>\r\n\r\n\r\n\r\n
Procedura sperimentale e risultati attesi\u00a0<\/strong><\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
\r\n
Trasferisci in un becher pulito 25 mL di acqua minerale naturale e aggiungi 2 gocce di indicatore. (Puoi misurare il volume approssimativo usando le tacchette del becher)<\/li>\r\n
Trasferisci in un secondo becher pulito lo stesso volume di acqua minerale addizionata di CO2<\/sub> e aggiungi 2 gocce di indicatore<\/li>\r\n
Osserva e annota il colore delle due soluzioni<\/li>\r\n
Metti i due campioni sopra ad una piastra riscaldante accesa (la temperatura pu\u00f2 essere fissata intorno ai 100\u00b0C)<\/li>\r\n
Osserva l\u2019esperimento fino a quando le due soluzioni non abbiano raggiunto il bollore e abbiano bollito per circa 1 minuto.\u00a0<\/li>\r\n
Annota le tue osservazioni ad intervalli di tempo regolari con l\u2019aiuto di un cronometro.\u00a0<\/li>\r\n
Puoi filmare l\u2019evento in time lapse con un dispositivo mobile.\u00a0<\/li>\r\n<\/ul>\r\n\r\n\r\n\r\n
Figura 2.1 Procedura ed esito atteso dell\u2019esperimento<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n<\/figure>\r\n\r\n\r\n\r\n
Dal modello di laboratorio allo studio del pianeta<\/strong><\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
Gli studenti con scarse conoscenze di chimica avranno ora chiaro che pi\u00f9 si scalda l\u2019acqua oceanica pi\u00f9 i gas e l\u2019anidride carbonica in particolare abbandonano la soluzione.\u00a0<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
Gli studenti con una preparazione di chimica di base potranno riflettere insieme all\u2019insegnante su questa sequenza di eventi concatenati:<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
CO2<\/sub>(g) + H2<\/sub>O(l) \u21c4 CO2<\/sub>(aq) + H2<\/sub>O(l) la solubilit\u00e0 \u00e8 1,688 g\/L a 293,15 K e 1.48 g\/L a 298,15 K\u00a0<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
potranno calcolare il pH dell\u2019acqua pura per una quantit\u00e0 di CO2<\/sub> gassosa data e risalire alla concentrazione di CO2<\/sub> disciolta basandosi sul pH.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
Con tutti gli studenti \u00e8 utile a questo punto riflettere sulla distribuzione dei gas in equilibrio fra atmosfera e oceano e sul meccanismo di feedback climatico che si innesca quando cambia la temperatura media degli oceani.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
Figura 2.2 Feedback climatici del sistema oceano-atmosfera-CO2<\/sub><\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n<\/figure>\r\n\r\n\r\n\r\n
E\u2019 utile poi consultare insieme agli studenti dati affidabili sulla temperatura media misurata degli oceani e sulla sua variazione in un intervallo di tempo recente per riflettere sul quale possa essere oggi il contributo degli oceani al cambiamento climatico. Anche in questo caso l\u2019occasione \u00e8 preziosa per educare alla ricerca di dati affidabili e alla valutazione critica del valore di una stima in ragione dell\u2019errore di misura.\u00a0<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
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