Esperimenti con acidi e basi - Divulgazione scientifica, ottica, biologia e molto altro ancora.....

LA MISURA DEL pH

Vi sono sostanze che hanno la proprietà di cambiare colore quando vengono a contatto con un ambiente acido o basico. Queste sostanze sono chiamate indicatori di pH. Normalmente, sono sostanze liquide come per esempio la fenolftaleina e il blu di bromotimolo. Molto spesso, per misurare il pH, si usano speciali cartine imbevute di indicatori, le quali cambiano colore quando vengono immerse in sostanze acide o basiche. Questo è il caso della famosa cartina di tornasole (figura 3). Più recentemente, sempre per misurare il pH vengono usati anche strumenti come il pHmetro elettronico (figura 4).

In relazione alla reazione chimica descritta prima, con la cartina di tornasole misurate il pH della soluzione di bicarbonato di sodio satura, dell'aceto e della soluzione risultante dalla loro reazione. Se l'avete, fate la stessa cosa anche con il pHmetro elettronico.

IL SUGO DEL CAVOLO ROSSO

Come abbiamo visto, le sostanze acide e quelle basiche hanno la proprietà di modificare il colore di alcune sostanze. Questo è anche il caso del sugo del cavolo rosso. Questo liquido è di colore blu-viola, ma a contatto con sostanze acide diventa rosso, mentre a contatto con sostanze basiche diventa verde e perfino giallo. Vediamo ora come sia possibile usare il sugo del cavolo rosso per misurare il pH delle sostanze.

Tra l'inverno e la primavera, è facile trovare presso il fruttivendolo il cavolo rosso. Si tratta di un cavolo cappuccio che ha un colore rosso-violaceo (figura 5). Acquistatene uno e tagliatelo a fettine (figura 6). Mettete le fettine in una pentola e versate acqua fino a coprirle (figura 7). Bollite il materiale per mezz'ora, poi spegnete il fuoco e lasciate scendere la temperatura. Versate il liquido blu-viola che avete ottenuto in un recipiente dall'imboccatura ampia (figura 8). Le fettine di cavolo bollite sono commestibili e potete approfittarne per fare una ricetta.

Preparazione di cartine indicatrici al sugo di cavolo rosso.
Tagliate dei fogli di cartoncino bianco in rettangoli e poneteli a bagno del sugo in modo che essi si imbevano bene (figura 10). Dopo circa mezz'ora, togliete i cartoncini e metteteli ad asciugare (figura 11). Per fare prima, potete anche asciugarli con un phon. Tagliate i cartoncini in strisce (figura 12). Mettete da parte i cartoncini imbevuti di sugo di cavolo rosso che vi rimangono: vi dureranno alcuni mesi. Se li conserverete in una busta chiusa per ridurre la loro ossidazione, dureranno di più. Mettete il sugo rimanente in una bottiglia. Dopo pochi giorni, questo sugo va a male e va buttato via. Per conservarlo più a lungo, aggiungete un po' di conservante alimentare.

Figura 10 - Impregnazione di cartoncini con sugo di cavolo rosso.	Figura 11 - Asciugatura dei cartoncini.	Figura 12 - Taglio delle strisce.

Figura 13 - Cartina al cavolo rosso in soluzione di sugo di limone.	Figura 14 - Cartina al cavolo rosso in soluzione satura di bicarbonato di sodio.

DETERMINATE IL pH DI ALCUNE SOSTANZE

In questo paragrafo, ci occuperemo di determinare il pH di alcune sostanze facili da reperire. Faremo questa misura con la cartina di tornasole e con il pHmetro elettronico (se disponibile). Useremo anche delle cartine al cavolo rosso preparate da noi stessi.

Nella tabella sottostante, scrivete i valori di pH che avete determinato per ciascuna sostanza, usando la cartina di Tornasole ed il pHmetro elettronico. Per mezzo di pastelli colorati, annotate anche il corrispondente colore della cartina al cavolo rosso.

Al termine delle misure, confrontate i valori forniti dalla cartina di tornasole e dallo strumento elettronico.
Osservate i corrispondenti colori assunti dalla cartina al cavolo rosso.
Evidenziate le due sostanze più acide.
Evidenziate le due sostanze più basiche.

Osservazioni:
L’aceto, il limone e la Cocacola, sono sostanze acide.
Il bicarbonato e l’ammoniaca sono sostanze basiche.
L’acqua distillata ha pH neutro.

LA SCALA CROMATICA DEL CAVOLO ROSSO

Vediamo ora come fare per determinare la scala cromatica delle cartine indicatrici al sugo del cavolo rosso (figura 15). Il procedimento consiste nel preparare soluzioni aventi pH di valore intero e nel fotografare con una macchina digitale le cartine dopo che sono state immerse nelle soluzioni. Con un programma di elaborazione di immagini, sarà poi facile determinare il colore ottenuto. Per fare questo esperimento, è necessario possedere un pHmetro elettronico. In commercio, si trovano modelli economici che costano circa 30 €.

Per mezzo della soluzione tampone di pH = 7 e di un cacciavite, tarate il pHmetro.
Preparate una soluzione acquosa avente pH = 2. A tale scopo, potete usare il sugo di un limone un po' acerbo (l'aceto non è abbastanza acido), diluendolo con acqua fino ad ottenere il pH giusto. Dopo avere verificato il pH della soluzione, sciacquate bene il pHmetro in acqua di rubinetto.
Immergete una striscia al cavolo rosso nella soluzione di pH = 2, estraetela e fotografatela dopo un minuto. A differenza delle cartine al tornasole, le cartine al cavolo rosso assumono il colore con un po' di ritardo.
Preparate una soluzione acquosa avente pH = 3. A tale scopo potete usare lo stesso sugo di limone oppure aceto di vino bianco, diluendoli con acqua fino ad ottenere il valore giusto di acidità.
Immergete una striscia al cavolo rosso nella soluzione, estraetela e fotografatela dopo un minuto.
Continuate in questo modo con soluzioni di pH 4, 5, 6, 7.
Come soluzione di pH = 7, potete usare la soluzione tampone, oppure acqua distillata, oppure anche acqua di rubinetto ed aggiustarne l'acidità per mezzo di aceto o bicarbonato di sodio, a seconda delle necessità.
Continuate in questo modo con soluzioni aventi valori di pH pari a 8, 9, 10 e 11 che avrete preparato usando ammoniaca opportunamente diluita.

Quando utilizzate l'ammoniaca, state all'aria aperta o in una stanza ventilata. Anche la cappa aspirante del fornello vi può aiutare ad evitare quei vapori irritanti. Chiudete la bottiglia subito dopo avere prelevato la quantità necessaria di ammoniaca. Non cercate di preparare soluzioni con pH minore di 2 o maggiore di 12 perchè sono pericolose.

Verificate il pH delle soluzioni con un pHmetro elettronico tarato. Passando da una soluzione all'altra, sciacquate bene il sensore dello strumento con acqua di rubinetto corrente. Ogni tanto, verificate il corretto funzionamento dello strumento per mezzo della soluzione tampone.

Fate le diverse fotografie nelle stesse condizioni di luce. Per evitare problemi dovuti a una bassa temperatura di colore (es: la luce di una lampada a filamento) oppure alla discontinuità dello spettro (certe lampade fluorescenti), potete fare queste riprese sotto la luce del sole. Cercate di evitare riflessi.

Un metodo alternativo per riprendere il colore delle cartine consiste nel passare le stesse allo scanner. In questo caso, ricordatevi di pulire bene lo scanner tra una cartina e l'altra. Nel nostro caso, abbiamo notato che lo scanner non aveva la stessa fedeltà cromatica della macchina fotografica digitale.

Con un programma di elaborazione di immagini, aprite un fotogramma alla volta e, con lo strumento "contagocce", determinate il colore della zona di ciascuna cartina che è stata immersa nella soluzione. Esprimete tale colore nei termini delle tre componenti RGB (Red, Green, Blue = rosso, verde, blu). Si tratta di tre numeri che vanno da 0 a 255 ciascuno. Fate una copia della figura 15 e datele un altro nome. Con il programma di elaborazione di immagini, sostituite i colori con quelli che avete ottenuto voi. A tale scopo, dovrete modificare la palette dei colori.

Molto probabilmente, otterrete una scala cromatica con passaggi piuttosto irregolari. Allo scopo di ridurre questa irregolarità, per ogni cartina è necessario fare diverse rilevazioni del colore per determinarne il valore medio. Alcuni programmi permettono anche di ottenere il colore medio di un quadrato di 5x5 pixel anzichè quello di un solo pixel. Per ridurre ulteriormente le irregolarità della scala cromatica ed ottenere valori più vicini al vero, è necessario utilizzare valori interpolati dei colori fondamentali. A tale fine, con Excel scrivete la tabella dei dati che avete ottenuto e realizzate un diagramma dell'andamento dei tre colori in funzione del pH. Le irregolarità della scala appariranno chiaramente. Ora si tratta di interpolare i dati. In Excel c'è una funzione che vi permette di fare questa operazione in modo automatico. Correggete la palette dei colori della vostra scala cromatica con i valori RGB interpolati. La scala risulterà molto più regolare ed anche più fedele.

A questo punto, confrontando cartine immerse in soluzioni con i corrispondenti colori della scala come appare sul monitor, molto probabilmente noterete differenze nella luminosità e nel contrasto dei colori. Dopo avere regolato il vostro monitor e l'illuminazione della stanza, regolate la luminosità e il contrasto dell'immagine della scala cromatica e salvatela.

Se non avete la macchina fotografica digitale e neppure lo scanner, potete imitare i colori direttamente con il programma di elaborazione immagini. Tenete la cartina sul monitor e modificate la palette del colore fino a ottenere la migliore corrispondenza possibile.

Stampate la scala con una stampante di buona qualità.

Purtroppo, la scala cromatica che avrete ottenuto sarà valida per cartine preparate da pochi giorni, infatti con il passare del tempo queste cartine sbiadiscono e avranno una scala di colori differente. Ad intervalli di un mese, potete determinare nuovamente la scala cromatica della cartina e descriverne i cambiamenti rispetto a quella delle cartine appena preparate.

Determinate la scala cromatica della cartina di tornasole. Confrontatela con quella presente sulla confezione.

Perchè determinare la scala cromatica delle cartine al cavolo rosso dal momento che è presente in figura 15? Prima di tutto perchè è un interessante esercizio, poi perchè molto probabilmente il cavolo che utilizzate voi sarà di una varietà diversa dal nostro.

Perchè determinare la scala cromatica delle cartine di tornasole dal momento che è stampata sulla confezione? Noi abbiamo fatto questa determinazione e la scala cromatica che ne è risultata era piuttosto diversa da quella della confezione. Forse ciò è dovuto al fatto che l'avevamo acquistata anni fa.

Preparate cartine indicatrici con altre sostanze vegetali. D'estate potete utilizzare le more del gelso, delle quali potrete estrarre il sugo per semplice spremitura dei frutti maturi. Determinate la scala cromatica di queste cartine e cercate di valutarne la stabilità.

Ora che ne avete determinato la scala cromatica, utilizzate queste cartine per misurare il pH di sostanze come quelle dell'esperimento precedente.

UNA MAGIA?

Il fatto che da liquidi incolori nasca un liquido colorato è già qualcosa di strano, ma vederlo tornare incolore semplicemente aggiungendo ancora un liquido incolore come l'aceto è qualcosa che stupisce davvero. Bisogna però evitare di far credere ai ragazzi che la scienza sia qualcosa di magico. Quindi, dopo qualche secondo che la meraviglia si è impadronita dei ragazzi, bisogna spiegare loro che quello che hanno visto non ha niente a che fare con la magia, ma che ha delle precise ragioni chimiche.

In particolare, bisogna dire loro che la fenolftaleina ha la proprietà di assumere un colore viola quando il pH della soluzione supera il valore di 8,3. Questo valore è quello che avete raggiunto aggiungendo ammoniaca, quando avete visto il liquido colorarsi. Potete verificare sperimentalmente il valore del pH misurandolo con la cartina di tornasole o meglio con il pHmetro. Più precisamente, la molecola della fenolftaleina è incolore nella sua forma associata, quando il pH raggiunge una certa soglia la molecola si dissocia ed assume un caratteristico colore porpora.

Analogamente a quanto fatto in questo esperimento con la fenolftaleina, verificate se anche le variazioni del colore del sugo del cavolo rosso siano reversibili.

GLI INDICATORI

Gli indicatori sono dei liquidi che hanno la proprietà di cambiare colore con il pH.

Di solito, queste sostanze sono degli acidi deboli che hanno un colore nella forma non dissociata e un altro nella forma dissociata nei singoli ioni, che si raggiunge superando una certa soglia di pH. Queste sostanze indicatrici vengono spesso utilizzate per misurare l’acidità-basicità di una soluzione. Nelle cartine indicatrici, spesso alcune di queste sostanze sono usate insieme. In realtà, il viraggio di un indicatore non è un punto, ma è il valore intermedio di un intervallo durante il quale l'indicatore cambia progressivamente colore. Per esempio, la fenolftaleina inizia a cambiare colore a pH = 8,3 circa.

QUANTO E' ACIDO QUELL'ACETO?

Dal momento che useremo una sostanza un po' corrosiva e dal momento che diamo per scontate alcune fondamentali conoscenze di chimica, questo esperimento è adatto a ragazzi di liceo od istituto.

L'aceto è una sostanza la cui acidità varia abbastanza, contenendo dal 4 al 6 % circa di acido acetico. I produttori di aceto, ma anche di altre sostanze, hanno spesso la necessità di determinare in modo preciso l'acidità dei loro prodotti. Titolare un aceto significa determinare il suo contenuto in acido acetico. In questo esperimento, riprodurremo la procedura di titolazione dell'aceto.

In acqua, l'idrossido di sodio si dissocia come segue: NaOH  à Na⁺ + OH^-. Come sapete, gli ioni OH^-, si combinano con altrettanti ioni H⁺, se questi sono disponibili nella soluzione. La titolazione dell'aceto consiste sostanzialmente nell'aggiungere al campione da titolare una soluzione di idrossido di sodio avente concentrazione nota con precisione fino a neutralizzare tutto l'acido acetico. L'avvenuta neutralizzazione viene segnalata dal cambiamento di colore di un'adatta sostanza indicatrice. A quel punto, il numero di moli di NaOH presenti nella soluzione titolante consumata, corrisponderà esattamente al numero di moli di acido acetico presenti nel campione di aceto da titolare.

In particolare, al campione d'aceto da titolare si aggiungono alcune gocce di fenolftaleina, sostanza indicatrice adatta a questo impiego. Si farà gocciolare nel liquido da titolare una soluzione di idrossido di sodio avente concentrazione 0,1 M. Quando il pH della soluzione arriva al punto di equivalenza, nel quale tutti gli ioni idrogeno H⁺ presenti nel campione di acido da titolare sono neutralizzati da altrettanti ioni OH^- presenti nella soluzione di idrossido di sodio, la fenolftaleina, da incolore diventerà improvvisamente porpora. Quindi, appena il campione d'aceto contenente l'indicatore inizierà a cambiare colore, si dovrà prendere nota di quanta soluzione di idrossido è stata utilizzata per neutralizzarlo. Dal momento che conosciamo il volume e la concentrazione dell'idrossido aggiunto, con semplici calcoli potremo conoscere anche la concentrazione dell'aceto.

PROCEDURA
- versate 1,5 ml di aceto in un becker;
- diluiteli con circa 50 ml di acqua distillata;
- aggiungete 3 gocce di fenolftaleina;
- (a questo punto la soluzione è ancora incolore);
- indossate un paio di occhiali per chimica, un camice e un paio di guanti di lattice;
- riempite una buretta con una soluzione 0,1 M di idrossido di sodio;
- fate scendere il liquido nella buretta, fino alla tacca dello zero;
- mettete il contenitore della soluzione da titolare sotto la buretta (figura 19);
- fate gocciolare lentamente la soluzione di idrossido nella soluzione da titolare e mescolate con una bacchetta di vetro;
- appena la soluzione da titolare diventa rosa e mantiene il colore, chiudete il rubinetto della buretta (figura 20);
- annotate quanta soluzione titolante avete consumato (figura 21).

A questo punto, tutto l'acido acetico presente nel campione da titolare è stato neutralizzato dall'idrossido di sodio, secondo la reazione:

CH₃COOH  +  NaOH  à CH₃COONa  +  H₂O

Ricordate però che in acqua l'acido acetico è dissociato negli ioni: CH₃COO^-  e  H⁺, e l'idrossido di sodio è dissociato negli ioni: Na⁺ e OH^-.

CALCOLI
Immaginate che per neutralizzare il campione d'aceto siano stati necessari 14,5 ml di soluzione titolante. Dal momento che la quantità di molecole di acido neutralizzate e la quantità di molecole di NaOH utilizzate è uguale, il numero di moli presenti nell'idrossido gocciolato è pari a quello delle moli di acido acetico presenti nella soluzione da titolare.

Il volume di soluzione titolante usata è di 14,5 ml. Poichè era in concentrazione 0,1 M, il numero di moli usate è:

nM = 0,1 x 0,0145
nM = 0,00145

Si può ottenere lo stesso risultato risolvendo la proporzione: V1 : M1 = V2 : nM
dove:
V1 = volume di NaOH di riferimento (1 litro);
M1 = numero di moli presenti in un litro di soluzione titolante (0,1);
V2 = volume di soluzione titolante utilizzata (14,5 ml = 0,0145 litri);
nM = Moli impiegate (da calcolare).

Il valore che abbiamo ottenuto, corrisponde al numero di moli presente nella quantità di soluzione titolante utilizzata e al numero di moli di acido acetico presenti nella soluzione da titolare. Per conoscere la concentrazione molare dell'aceto (riferita a un litro), possiamo impostare la seguente proporzione:

V1 : M1 = V2 : Mx
dove:
V1 = volume di aceto prelevato (1,5 ml = 0,0015 litri);
M1 = numero di moli presenti in V1 (0,00145);
V2 = volume di riferimento (1 litro di aceto);
Mx = numero di moli in un litro di aceto (da calcolare).

Mx = m1 x V2 / V1
Mx = 0,00145 x 1000 / 1,5
Mx = 0,97

Se si vuole conoscere la concentrazione di acido acetico in termini di g/l, si moltiplica il numero delle moli per la massa molecolare relativa all'acido acetico, che è pari a 60.

Conc =  numero di moli x 60
Conc = 0,97 x 60
Conc = 58 g/l

Che in termini percentuali corrisponde ad una concentrazione del 5,8 %.

Lo stesso procedimento può essere impiegato per titolare una base di concentrazione sconosciuta, in questo caso nella buretta si dovrà mettere una soluzione acida di concentrazione nota con precisione.

Con un pHmetro elettronico misurate il pH  al momento del cambiamento di colore del liquido da titolare.

Qualcuno di voi può chiedersi: "Come mai in questo esperimento usiamo un indicatore che inizia a virare a pH = 8,3 anzichè uno che vira a pH = 7?". La risposta è che negli acidi deboli, come l'acido acetico, il punto di equivalenza è spostato verso valori alti di pH. Nel caso dell'acido acetico, il punto di equivalenza si ha ad un pH di circa 8,3.

IL pH DEI SAPONI

I saponi vengono prodotti facendo reagire sostanze grasse con idrossido di sodio o di potassio. In chimica, le sostanze grasse sono chiamate acidi grassi, mentre gli idrossidi di sodio (NaOH) e di potassio (KOH) sono conosciuti per essere delle basi molto forti. La reazione di queste sostanze produce un sale: il sapone. Di regola, i saponi risultano avere una reazione basica. Specialmente in inverno, i saponi di questo tipo possono contribuire a rendere secca la pelle delle mani, a screpolarla, a provocare arrossamenti e perfino sanguinamenti. Probabilmente, ciò è dovuto anche al fatto che la pelle ha un pH acido, intorno al 5,5. L'impiego frequente di sapone, ma anche di detersivi, tende ad aumentare il pH della pelle ed a causare danni. Ormai da diversi anni, proprio per ridurre i problemi descritti, vengono prodotti saponi neutri ed anche acidi. Se si lavano stoviglie, è consigliabile usare guanti protettivi. Per prevenire problemi alle mani, oltre all'uso di creme adatte, può essere utile anche spalmare qualche goccia di sugo di limone.

Cercate ora fra i saponi che avete in casa quelli che sono basici. A tale scopo, mettete sul sapone da esaminare alcune gocce d'acqua, con un dito sfregate un po' in modo da mettere in soluzione un po' di sapone da usare per inumidire la cartina di tornasole. Se il sapone è basico, vedrete la cartina diventare di colore blu. Verificate anche il pH del detersivo che usate per lavare a mano le stoviglie, di shampoo, di balsami, di creme e di altri prodotti di toeletta.

RICERCA DI INDICATORI NATURALI

Vi è mai capitato di osservare una tisana cambiare colore con l'aggiunta di sugo di limone? Per esempio, la tisana alla malva dovrebbe essere di colore azzurro (dipende anche dal produttore della bustina utilizzata). Aggiungendo qualche goccia di limone, essa diventerà incolore e, con altre gocce diventerà rosa. Anche il thè si schiarisce aggiungendo limone.

Molti vegetali possiedono sostanze naturali che hanno proprietà indicatrici. Come abbiamo visto, questo è il caso del cavolo rosso. Normalmente, si tratta di antocianine, sostanze che spesso sono di colore rosso porpora oppure violacee. Esse sono presenti anche in vegetali e frutta quali mirtilli, grappoli d’uva, more del gelso, bacche del sambuco. Anche i petali dei fiori possono cambiare colore in base al pH, come fanno i  papaveri rossi, i fiordalisi, etc.

Cercate sostanze naturali che abbiano proprietà indicatrici e descrivetene le proprietà. Provate alcuni di questi indicatori. Verificate se il colore delle loro soluzioni sia reversibile. Se possibile, realizzate la loro scala cromatica. Provare a mettere una rosa tagliata in un vaso con acqua acida, con acqua alcalina. Provate con i petali di altri fiori.

CONCLUSIONE

Con questi esperimenti, avete visto che esistono sostanze acide e sostanze basiche. Esse reagiscono fra di loro, producendo sali. L'acidità/basicità si esprime in pH. Per misurare l'acidità/basicità di una sostanza, si possono usare cartine indicatrici come la cartina di tornasole, sostanze indicatrici come la fenolftaleina e pHmetri elettronici. Molte altre sostanze naturali di origine vegetale hanno proprietà di cambiare colore in base all'acidità della soluzione in cui si trovano. Abbiamo impiegato il sugo di cavolo rosso come indicatore di pH e l'abbiamo usato per produrre cartine indicatrici. Abbiamo determinato la scala cromatica di queste cartine. Avete visto come la fenolftaleina cambi colore superando una soglia di pH. Abbiamo sfruttato le proprietà di questo indicatore per titolare con precisione l'acidità dell'aceto. Potete continuare con esperimenti di questo tipo, andando per esempio alla ricerca di sostanze naturali indicatrici fra le tisane, le erbe, i fiori, i frutti, le bacche, etc.

Come sapete, l'intenzione con cui proponiamo attività sperimentali non è solo quella di procurare divertimento, ma anche quella di suscitare delle curiosità che poi stimolino l'approfondimento anche teorico delle materie toccate. Per questo motivo, ci auguriamo che non vi limitiate agli aspetti operativi di questi esperimenti, ma che cerchiate anche di cogliere l'occasione per studiare un testo di chimica inorganica per acquisirne i concetti fondamentali. Le conoscenze che apprenderete, vi permetteranno anche di continuare con esperimenti come questi traendone ancora divertimento e conoscenze. E' chiaro infatti, che difficilmente si può trarre profitto da attività di questo tipo, senza sapere che cosa siano gli atomi, le molecole, la valenza, i vari tipi di soluzione, la dissociazione elettrolitica, la mole, la concentrazione, etc.

BIBLIOGRAFIA

http://crocoite.chim.unipr.it/bacchi/acidi-basi.pdf  Estratto del cavolo rosso, determinazione dell'acidità del latte e del vino.
http://www.itis-molinari.mi.it/documents/colori/fiocavph.htm#IL%20CAVOLO%20ROSSO  Coloranti vegetali come indicatori acido-base.

http://scifun.chem.wisc.edu/HomeExpts/ACIDBASE.html  Exploring Acids and Bases
http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Hall/1410/lab-C-08.html  Making an acid-base indicator
http://chemistry.about.com/library/weekly/aa012803a.htm  How to Make Red Cabbage pH Indicator
http://www.iit.edu/~smile/ch9409.html   Acids, Bases, and Indicators
http://www.newhope.com/nutritionsciencenews/NSN_backs/Dec_01/antho.cfm  Got Anthocyanins?
Ricerche in Internet: cavolo rosso, titolazione, indicatori acido base, antocianine. Redd cabbage, titration, acid base indicators, anthocyanins.