Produzione di CO2 (Biossido di Carbonio) da carbonati, rocce carbonatiche e gusci calcarei di molluschi uniti ad HCl (Acido Cloridrico). Produzione di CaCO3


Obiettivi: Imparare ad usare la stumentazione del laboratorio di scienze con disinvoltura, produrre CO2 da unire al CaO (Ossido di Calcio), al fine di produrre CaCO3.
Prerequisiti teorici:
- L'acido Cloridrico è un idracido e la sua formula molecolare è HCl. Il suo nome IUPAC è “Cloruro di Idrogeno”, ma è comunemente chiamato anche “Acido Muriatico” (si vende commercialmente con questo nome). È monoprotico (cioè che ogni sua molecola, quando si dissocia, libera un solo idrogenione. HCl → H+ + Cl-, ed è il principale costituente del succo gastrico, presente nello stomaco degli esseri umani e di molti altri mammiferi, oltre a essere un reagente comunemente usato nell’industria. In piccole quantità si trova anche sottoforma di gasquando avvengono eruzioni vulcaniche. L'acido cloridrico è uno dei liquidi più corrosivi esistenti, quindi deve essere maneggiato con cautela e, soprattutto in laboratorio, è meglio usarlo diluito in molta acqua. È incolore e può essere irritante. Commercialmente la sua concentrazione si aggira intorno al 10% al confezionamento. Se riscaldato può esplodere, può provocare non lievi ustioni e non deve essere inalato in quanto tossico.
- Le rocce carbonatiche sono rocce sedimentarie calcaree e dolomitiche formate da carbonati che comprendono per la maggior parte Carbonato di Calcio (CaCO3) e carbonato di magnesio (CaMg[CO3]2). L'origine avviene in acque ricche di sali dove precipita il carbonato di calcio secondo la reazione:
Ca2+ + CO32- → CaCO3
In Scienze della Terra prende il nome di calcite, in Chimica viene chiamato “Carbonato di Calcio” - “Triossicarbonato di Calcio”, ma comunemente è conosciuto come calcare. Nei fondali marini subisce il processo di diagenesi con la compattazione e la cementificazione. Può costituire gran parte dei gusci dei molluschi.
Da questo deriva il Travertino, facilmente riconoscibile dagli spazi vuoti lasciati dai gas. È, infatti, una roccia sedimentarea calcarea, formatasi per precipitazione dalle acque di Carbonato di Calcio. Comunemente questo accade in prossimità di sorgenti e di cascate ed è molto usata nell’edilizia.
- L'ossido di calcio è un ossido basico e ha come formula molecolare CaO. È un composto ionico costituito dal Calcio che è un catione e dall’Ossigeno che è un anione. Viene chiamato quotidianamente anche “calce viva” ed è un solido incolore che può provocare irritazioni cutanee o altri gravi sintomi. Aggiungendo H2O a CaO avviene la reazione di spegnimento della calce: CaO + H2O → Ca(OH)2 . In laboratorio lo abbiamo utilizzato per produrre il carbonato di calcio.
- Il guscio dei molluschi oltre a proteggereli, riduce anche la perdita di acqua che avviene attraverso l'evaporazione. La conchiglia si forma con una sostanza detta conchiolina (proteina che, se sciolta in acido, dà al composto un color marrone) che l'animale stesso produce, unita a Carbonato di Calcio. Il guscio viene chiamato anche “conchiglia”, in quanto è una struttura biologica rigida e dura che protegge i molluschi.
Materiali, Strumenti e Reagenti utilizzati:
- Cilindro tarato da 100 ml;
- Baker;
- Bilancia;
- Guanti in lattice;
- 2 g circa di varie rocce ( Travertino, carbonatica, organogena, sedimentarea, silicatica) o guscio di molluschi;
- Provettone codato dotato di tappo;
- Pipetta;
- Mortaio;
- 40 ml circa Ossido di Calcio;
- 10 ml di Acido Cloridrico commerciale (chiamato anche Muriatico) concentrato circa al 3 o 4%.
Successione delle operazioni:
1. Frantumare e macinare nel mortaio pezzetti di rocce o gusci calcarei di molluschi. Noi abbiamo avuto la possibilità di utilizzare una porzione di Travertino, una roccia carbonatica, una roccia organogena (calcare ma organogeno, pieno di idrocarburi), una roccia sedimentarea, una roccia silicatica (non viene attaccata dall’acido e, infatti, può venir usata per fare le piastrelle);
2. Ridurre in polvere sottile per aumentare la superficie d’azione;
3. Pesarne 2 g utilizzando la bilancia (basta averne all’incirca 2 g, non bisogna essere molto precisi, infatti noi ne abbiamo pesato circa 2.30 g );
4. Mettere il tutto dentro ad un provettone codato (noi abbiamo usato anche provettoni con un tubo di gomma, perché di provettoni codati ce ne sono rimasti pochi, per via del fatto che, precedentemente, sono stati rotti) con l’aiuto di una striscia di carta stagnola per non far andare nulla sulle pareti del provettone;
5. Assemblare assieme alla base triangolare, l’asta di sostegno, i morsetti e le pinzette, per far sì di mantenere in verticale il provettone e di farlo restare fermo;
6. Misurare circa 40 ml di CaO (soluzione satura di Ossido di Calcio preparata precendentemente col corpo di fondo e filtrata) utilizzando un cilindro tarato da 100 ml;
7. Versare il tutto nel baker;
8. Appoggiare nel baker contenente CaO il tubo di gomma (stando attenti a non farlo accostare alle pareti, ma quasi a “pelo d’acqua” in modo da non ostacolare il passaggio di Co2. Se si scaldasse con la mano il provettone, il gas uscirebbe molto più rapidamente.);
9. Versare 10 ml con concentrazione di HCl al 3 o 4% (altrimenti al 10% o superiore, sarebbe troppo forte) e immediatamente tappare per non far fuoriuscire la CO2 da sopra ma soltanto dal tubo di gomma;
10. Osservare le bolle di CO2 che si individuano nella soluzione satura di Ossido di Calcio presente nel baker (dovrebbe risultare, poi, un composto opaco, di colore biancastro, perchè è avvenuta la formazione di CaCO3, infatti CaO + CO2 → CaCO3 . La reazione procede a temperatura ambiente. );
11. Appena finita la fuoriuscita del gas, togliere il tubo di gomma, altrimenti si verificherebbe un risucchio di tutto, perché nel provettone si crea il vuoto.
12. Eventualmente si può far reagire il Carbonato di Calcio con qualche goccia di HCl. Si vedrebbe che si formerebbe il Cloruro di Calcio, quindi la sospensione diventerebbe una soluzione trasparente perché accadrebbe la solvatazione e il Cloruro di Calcio sarebbe definitivamente sciolto.
CaCO3 + HCl → CaCl2 + H2CO3
Risultati e Osservazioni:
Abbiamo usato Acido Cloridrico perché è l’acido più veloce nel reagire. Abbiamo cercato di non utilizzare strumenti bagnati per non intaccare la reazione.
Dato che, all’inizio, abbiamo messo 10 ml di acido al 10%, ha fatto talmente una reazione tumultosa che di là, nel baker, sono passati anche i composti e non solo l’anidride carbonica che doveva arrivare. Il composto ottenuto dopo l’errore è marrone perchè si è solubilizzato tutto. Quello che si vede marrone è la conchiolina (una proteina che non viene intaccata dall’acido cloridrico ma che dà un colore cosi scuro, infatti, se ciò fosse accaduto con delle rocce, si sarebbe visto tutto trasparente).
La roccia organogena quando reagisce con l’acido, invece, forma una soluzione nera ( per sapere se è davvero una roccia organogena o meno, bisognerebbe filtrare il tutto e incendiare. Se prendesse fuoco si capirebbe che si sta avendo a che fare proprio con una roccia organogena).
Una volta fatto passare di là, nel baker, il gas, abbiamo visto che è iniziato il processo di precipitazione e avverrà in seguito una sedimentazione. È un miscuglio eterogeneo ed è avvenuta una sospensione, momentaneamente i cristalli di calcio erano sospesi in acqua.
Se si versa HCl, nel baker contenente il composto, il precipitato scompare, perchè viene solubilizzato in modo da formare Cloruro di Calcio. Scompare perché il Cloruro di Calcio è appunto solubile. Quando viene solvatato, il catione del Calcio viene circondato dall’ossigeno (si orienta verso il catione del Calcio perché ha Delta negativo) e l’anione Cloruro viene circondato dall’Idrogeno (si orienta verso l’anione Cloruro perché ha Delta positivo). Non si vede più niente perchè sono stati solvatati i singoli ioni del sale e sono piccolissimi, dell’ordine di grandezza degli Armstrong . Anche la molecola di Carbonato di Calcio è dell’ordine di grandezza degli Armstrong, ma si vede perchè è fatta da aggregati di un quantitativo enorme di molecole. Per sapere quanto è grande un granellino di Carbonato di Calcio si prende, si pesa e si divide per la massa molecolare. Dopo tutto ciò si ottiene il numero di Avogadro di molecole che ci sono lì, aggregate nel granellino.

Conclusioni: Dopo diversi errori, avvenuti in laboratorio (ad esempio aver versato una concentrazione troppo forte di acido sulle rocce), ma che comunque ci hanno insegnato cose in più, abbiamo prodotto il calcare nel baker e abbiamo messo in pratica cose studiate precedentemente in classe. Inoltre abbiamo visto che l’acido Muriatico è in grado di sciogliere velocemente gusci, rocce organogene e carbonatiche. Non è capace soltanto di sciogliere le rocce silicatiche, che vengono apposta utilizzate nell’edilizia, anche per fare pavimenti e piastrelle.

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