Esperimenti di polarità e solubilità: un'analisi dettagliata

Prima parte

Esperimento con bacchette e liquidi

Materiali: acqua distillata, alcool etilico, esano, buretta, bacchetta di ebanite, bacchetta di plastica, bacchetta di vetro, becher.

Procedimento: si posizionano tre burette negli appositi sostegni e sotto di esse si collocano i 3 becher. Si riempiono le tre burette, una con acqua, la seconda con alcool e l’ultima con esano. Si strofinano le bacchette, di ebanite, di plastica e di vetro con un panno di lana. Si avvicinano le bacchette ai tre liquidi, dopo aver aperto i rubinetti.

Quali sono le osservazioni sulla polarità dei solventi?

Risultati: abbiamo notato che avvicinando le tre bacchette al getto d’acqua otteniamo una leggera deflessione del getto, questo avviene perché l’acqua è un solvente polare. L’acqua è infatti un dipolo con una carica positiva concentrata nei due atomi di idrogeno e una carica negativa concentrata nell’atomo di ossigeno. A causa di questa configurazione essa risente della presenza di un campo magnetico, con quindi delle cariche; poiché le tre bacchette sono cariche faranno deviare il getto d’acqua. Avviene una cosa simile nell’alcool. Avvicinando le tre bacchette al getto d’alcool otteniamo una leggera deflessione del getto, questo avviene perché l’alcool è un solvente polare. L’alcool infatti ha le cariche negli OH per cui essendo carico il suo getto verrà respinto dalle bacchette. La molecola di esano è apolare. Infatti, pur essendo il legame C-H di tipo covalente polare, la struttura regolare della molecola fa sì che il baricentro delle cariche si trovi al centro e quindi annulli l’effetto delle cariche.

Conclusione: siamo riusciti a capire attraverso le bacchette caricate, se una sostanza fosse polare o apolare.

Seconda parte

Esperimenti di miscibilità

Materiali: acqua, esano, tetracloruro di carbonio, alcool etilico, acetone, pipette, provette, tappi.

Procedimento:

• Acqua + esano: si prelevano 2ml di esano versandoli in una provetta contenente 2ml di acqua e si agita.

• Acqua + tetracloruro di carbonio: si prelevano 2ml di tetracloruro di carbonio versandoli in una provetta contenente 2ml di acqua e si agita.

• Esano + tetracloruro di carbonio: si prelevano 2ml di esano versandoli in una provetta contenente 2ml di tetracloruro di carbonio e si agita.

• Acqua + alcool etilico: si prelevano 2ml di alcool etilico versandoli in una provetta contenente 2ml di acqua e si agita.

• Esano + alcool etilico: si prelevano 2ml di alcool etilico versandoli in una provetta contenente 2ml di esano e si agita.

• Acqua + acetone: si prelevano 2ml di acetone versandoli in una provetta contenente 2ml di acqua e si agita.

• Esano + acetone: si prelevano 2ml di acetone versandoli in una provetta contenente 2ml di esano e si agita.

Risultati delle prove di miscibilità

Risultati:

• Unendo acqua e esano osserviamo che l’esano si stratifica sull’acqua, ciò indica un’ evidente assenza di miscibilità. Questo succede perché l’esano è apolare mentre l’acqua è polare.

• Unendo acqua e tetracloruro di carbonio osserviamo che il tetracloruro si deposita sul fondo della provetta, ciò indica un’ evidente assenza di miscibilità. Il tetracloruro di carbonio pur presentando legami di tipo covalente polare, ha una struttura molecolare regolare a forma di tetraedro, per cui il baricentro delle cariche si trova nel centro geometrico della struttura, annullando l’effetto dei dipoli. Questo succede perché il tetracloruro di carbonio è apolare mentre l’acqua è polare.

• Unendo esano e tetracloruro di carbonio osserviamo che c’è tra i due elementi una perfetta miscibilità. Questo avviene perché sia l’esano che il tetracloruro di carbonio sono apolare.

• Unendo acqua e alcool etilico osserviamo che c’è una perfetta miscibilità. Questo avviene perché sia l’acqua che l’alcool hanno un comportamento polare.

• Unendo esano e alcool etilico osserviamo una quasi completa miscibilità. Questo evidenzia il comportamento anche apolare dell’alcool. L’alcool presenta nella sua molecola un gruppo OH che conferisce la caratteristica polare e la parte idrocarburica CH₃ CH₂ che ne conferisce carattere apolare.

• Unendo acqua e acetone osserviamo una completa miscibilità. Questo indica che l’acetone è polare.

• Unendo acetone e esano osserviamo che c’è una completa miscibilità. Ciò avviene perché l’acetone ha un carattere anche apolare. Esso presenta un legame covalente polare C=O responsabile dell’aspetto polare e la parte idrocarburica CH₃-C-CH₃, che conferisce il carattere apolare.

Conclusioni: abbiamo capito che la miscibilità avviene soltanto tra due solventi polari o tra due solventi apolari. Abbiamo compreso che ci sono alcuni elementi che hanno entrambe queste caratteristiche.

Terza parte

Esperimenti con solubilità di solidi

Materiali: acqua, esano, alcool etilico, provette, cloruro di sodio, glucosio, iodio, paraffina.

Procedimento:

• Si riempiono 4 provette con 2/3 ml di esano e nella prima si aggiunge qualche goccia di paraffina, nella seconda del glucosio, nella terza alcuni cristalli di iodio e nella quarta del cloruro di sodio.

• Si riempiono 4 provette con 2/3 ml di acqua e nella prima si aggiunge qualche goccia di paraffina, nella seconda del glucosio, nella terza alcuni cristalli di iodio e nella quarta del cloruro di sodio.

• Si riempiono 4 provette con 2/3 ml di alcool etilico e nella prima si aggiunge qualche goccia di paraffina, nella seconda del glucosio, nella terza alcuni cristalli di iodio e nella quarta del cloruro di sodio.

Osservazioni sulla solubilità dei solidi

Risultati:

• Nel caso dell’esano: nella prima provetta si osserva una completa solubilizzazione della paraffina. Infatti la stessa è un idrocarburo saturo e, pertanto, una molecola del tutto apolare; infatti le molecole di esano, più piccole si possono inserire tra quelle di paraffina. I legami che si formano sono molto deboli. Nella seconda provetta non si osserva solubilizzazione perché il glucosio presenta una polarità abbastanza accentuata dovuta alle cariche sui gruppi –O-H, mentre parte della molecola ha caratteristiche apolari. Nella terza provetta si evidenzia un’ottima solubilizzazione dello iodio tanto che il solvente diventa viola intenso. Le forze di Van der Waals del solvente e del soluto sono dello stesso tipo, per cui si ha completa solubilità. Nella quarta provetta si nota una quasi totale non solubilità del cloruro di sodio. Questo è un composto ionico e fortemente polare.

• Nel caso dell’acqua: nella prima provetta si osserva una non solubilizzazione della paraffina. In quanto le particelle di questa sono fortemente apolari per cui l’acqua non è in grado di indurre la formazione di dipoli. Nella seconda provetta si osserva solubilizzazione perché il glucosio presenta legami a idrogeno. L’acqua presenta gli stessi legami, quindi tramite solubilità meccanica si uniscono. Nella terza provetta si evidenzia una solubilizzazione limitata dello iodio, in quanto esso è covalente apolare. Nella quarta provetta si nota una quasi totale solubilità del cloruro di sodio. Si ha che ogni catione + attira e lega a sé con il legame ione-dipolo, l’atomo di ossigeno di alcune molecole d’acqua. Allo stesso modo l’anione – attira e lega a sé gli atomi di idrogeno di altre molecole di acqua. L’energia dei legami che si formano è maggiore di quella dei legami rotti; l’energia totale perciò diminuisce.

• Nel caso dell’alcool etilico il comportamento è intermedio, dovuto alla sua struttura.

Conclusione: per sciogliere un solido in un solvente è necessario rompere i legami esistenti tra le particelle che formano il solido stesso e i legami delle molecole del solvente, per fare ciò occorre energia. Se le particelle del solido da sciogliere formano con le molecole del solvente legami più forti di quelli che devono rompere, il bilancio energetico è positivo; nel processo il sistema consuma energia per rompere i legami esistenti, ma ne libera una quantità maggiore formando legami più forti e/o più numerosi. Per questo la soluzione ha energia minore rispetto al sistema soluto+ solvente.