19-Febbraio-2011 PROBLEMA SPERIMENTALE n. 17 GRUPPO F

Avendo a disposizione 1 g dei seguenti idrossidi: LiOH, NaOH, KOH, una bombola contenente anidride carbonica, provette e palloncini di gomma, bilancia, dovete determinare quale di tali idrossidi si combina più rapidamente con l'anidride carbonica a parità di peso.

1. Conoscenze utili

a. Gli idrossidi sono sostanze basiche per la presenza dello ione idrossido, OH¯, capace di catturare ioni H+ provenienti dagli acidi.

b. L'anidride carbonica, CO₂, è un ossido acido gassoso che con l'acqua forma acido carbonico e con gli ioni idrossido forma ioni carbonato. La reazione tra anidride carbonica e idrossido alcalino è quindi: CO_2(g) + 2MeOH_(s) --> Me₂CO_3(s) + H₂O_(l)

c. Una mole di qualunque gas (quindi anche di CO₂) a 20 °C a pressione atmosferica ha un volume di circa 24,0 litri.

d. Il volume massimo di anidride carbonica che potrebbe essere teoricamente fissato, a temperatura ambiente, da 1 g di LiOH, 1 di NaOH e 1 g di KOH.

LiOH nLiOH = 1 : 23,95 = 0,0418 mol  nCO₂ = 0,0418 : 2 = 0,0209 mol  V=0,0209 x 24,0 L/mol=0,50 L
NaOH nNaOH = 1 : 39,99 = 0,025 mol nCO₂ = 0,025 : 2 = 0,0125 mol V=0,0125 x 24 L/mol=0,30 L
KOH nKOH = 1 : 56,11 = 0,0178 mol nCO₂ = 0,0178 : 2 = 0,0089 mol V=0,0089 x 24 L/mol=0,021 L

2. Procedura operativa scelta

Per avere la variazione di volume del palloncino basta vedere il volume iniziale, immergendo il palloncino gonfio di anidride carbonica in un becker a 500 ml di acqua, vedere la variazione di volume prima e dopo l'esperimento.
Per misurare la quantità di anidride carbonica che ha reagito, basta pesare il sale contenuto in una provetta prima e dopo l'esperimento. La differenza di peso è l'anidride carbonica che ha reagito formando un carbonato.
Per poter affermare che l'anidride carbonica ha reagito, aggiungiamo una goccia di HCl, se crea delle bollicine vuol dire che ha reagito, e quindi possiamo affermare che ha creato un bicarbonato.

3. Descrizione dell'esperimento

1. descrivere in sequenza e ordinatamente ciò che si è fatto, osservato, misurato e ottenuto (anche con foto)

Tabella dati (facoltativa)

4.  Spiegazione dei dati ottenuti e conclusioni

4.1. Come si può calcolare la velocità di reazione dalle misure? Quali sono i tre risultati?

CO₂ con LiOH --> 0,16 g : 5 min= 0,032 g/min
CO₂ con NaOH --> 0,178 g : 5 min= 0,0356 g/min
CO₂ con KOH --> 0,19 g : 5 min= 0,038 g/min

quelle con cui avete fatto il calcolo non sono quantità di anidride carbonica. Per sapere la quantità di anidride carbonica fissata dovete usare la differenza di peso: peso dopo i cinque minuti MENO peso iniziale (1 g) (valori aggiunti in tabella)

4.2 Nel caso in cui c'è stata una reazione significativa, quali sono state le evidenze di tale reazione?

Dopo 5 minuti cronometrati: Si sono formate delle bollicine d'acqua nel palloncino, la provetta si era riscaldata  ed il palloncino perdeva di volume.

4.3. Quali sono le prove sperimentali della formazione/non formazione di carbonati? Scrivete la relativa reazione.

Aggiungendo una goccia di HCl osserviamo se reagisce. Se forma delle goccioline d'acqua bollicine, di anidride carbonica, significa che è presente un carbonato ---> Li₂CO₃ + 2HCl --> 2 LiCl + CO₂ + H₂O

Domande & Risposte

1.  Come fecero i tre astronauti dell'Apollo 13 a risolvere il problema degli assorbitori di anidride carbonica? (vedere film o wikipedia o tradurre la descrizione di questo link)
I 3 astronauti dell'apollo 13 avevano bisogno di una cassetta di idrossido di litio, la quale però si trovava nel modulo danneggiato e aveva un'attacco diverso da quello programmato nel modulo lunare. Gli astronauti quindi costruirono una sorte di scatola, MAILBOX, la quale si agganciava con l'apposito attacco del modulo lunare. OK

2. Perché è indispensabile un assorbitore (scrubber) di anidride carbonica nei sottomarini e nelle navi spaziali?

      Perchè in un ambiente chiuso come ad esempio nel sottomarino, l'ossigeno viene utilizzato molto e quindi l'anidride carbonica accumulata in qualche modo doveva essere espulsa. OK 

3. Come si fa a ripristinare l'idrossido alcalino dopo che si è combinato con l'anidride carbonica? Scrivi le reazioni

Prendiamo ad esempio Na₂CO₃: prima lo riscaldiamo, così facendo dividiamo l'ossido del sale dall'anidride carbonica, poi ci aggiungiamo dell'acqua così da ottenere l'idrossido alcalino:
Na₂CO₃ + Calore --> Na₂O + CO₂                        Na₂O + H₂O --> 2NaOH 

Dovreste fare come fatto nel precedente esperimento: partire dal carbonato e aggiungervi idrossido di calcio.

4. Perché non ha molto senso la soluzione di usare grandi quantità di idrossidi alcalini per eliminare l'eccesso di anidride

carbonica dell'atmosfera e limitare l'effetto serra?

Perché una grande produzione di idrossidi alcalini farebbe usare quantità smisurate di energia elettrica, e di carbonati. la quale Queste due operazioni libererebbero emissioni di una quantità di CO₂ maggiore di quella che si potrebbe catturare e quindi aumenterebbe l'effetto serra. 

5. Come sappiamo anche l'idrossido di calcio, in tempi sufficientemente lunghi, si combina con l'anidride carbonica formando carbonato di calcio. Stabilire se può essere catturato un maggior volume di CO₂ da 1 g di Ca(OH)₂ o da un grammo di LiOH.

Ca(OH)₂= 40,08 (Ca) + 16 x 2 (O) + 1,01 x 2 (H) = 75 g/mol
Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O dopo questa reazione possiamo dire che per ogni mole di idrossido di calcio corrisponde una mole di anidride carbonica catturata pertanto:
1g : 75 g/mol = 0,0133 mol
0,0133 x 24 = 0,3192 L Assorbe una maggior quantità di CO₂ un g di LiOH (0,5 L). 

6. Quali fattori potrebbero modificare la velocità di cattura la CO₂ oltre alla quantità di idrossido alcalino aggiunto?

Il volume del CO₂.