Un “Primo” contatto con la chimica. Teoria ed esperimenti di elettrolisi svolti da Primo Levi

Introduzione all’ attività

Descrivere l’attività didattica sottolineando che è utile immedesimarsi nel personaggio della storia ed osservare bene quello che succede durante l’esperimento perché ciascuno sarà chiamato a fare in seguito delle ipotesi. Può essere conveniente non svelare fin dell’inizio le quattro fasi della lezione così da conservare l’“effetto sorpresa”.

Contesto storico del racconto

Qui di seguito viene proposta una brevissima biografia dell’autore, certamente ampliabile anche in accordo con il docente di Letteratura Italiana o di Storia.

Primo Levi nasce a Torino nel 1919 in una famiglia di origini ebree, si iscrive al Liceo nel 1934, nel 1937 all’ ultimo anno viene rimandato in italiano. Levi sceglie di seguire la passione nata al liceo per la chimica e si iscrive all’ università nel 1938, in quell’anno il governa fascista promulga le leggi raziali che vietano agli ebrei di frequentare le scuole pubbliche ma non l’università.

«Per me l'esperienza universitaria è stata liberatoria. Ricordo ancora la prima lezione di chimica del professor Ponzio, in cui avevo notizie chiare, precise, controllabili, senza parole inutili, espresse in un linguaggio che mi piaceva straordinariamente, anche dal punto di vista letterario: un linguaggio definito, essenziale. E poi il laboratorio, ogni anno aveva il suo laboratorio: ci stavamo cinque ore al giorno, era un bell'impegno. Un'esperienza straordinaria. In primo luogo perché toccavi con mano: alla lettera, ed era la prima volta che mi capitava, anche se magari ti scottavi le mani o te le tagliavi. Era un ritorno alle origini. La mano è un organo nobile, ma la scuola, tutta presa ad occuparsi del cervello, l'aveva trascurata. E poi il laboratorio era collegiale, un centro di socializzazione dove si diventava veramente amici [...]. Lo sbagliare insieme è un'esperienza fondamentale. Si prendeva molto parte alle vittorie e alle sconfitte reciproche, per esempio analisi quantitativa, in cui ti davano una polverina e dovevi dire che cosa c'era dentro: non accorgerti che c'era il bismuto, o trovare il cromo che non c'era, erano delle avventure. Ci si dava consigli, ci si compiangeva a vicenda. Era anche una scuola di pazienza, di obiettività, di ingegno, perché i metodi che ti proponevano per fare un'analisi potevano essere perfezionati»

P. Levi, T. Regge, Dialogo, Torino, Einaudi, 1984, pp. 19-20.

Primo Levi si laurea in Chimica nel 1941 a pieni voti con lode, inizia a lavorare in un’azienda di medicinali ma nel 1943 viene arrestato e deportato nel campo di concentramento di Fòssoli e poi nel 1944 ad Auschwitz. Della vita nel campo di concentramento racconterà in numerosi libri tra cui Se questo è un uomo, riesce a sopravvivere al campo di concentramento anche grazie alle sue conoscenze di chimico poiché viene inviato a lavorare in un laboratorio dove il lavoro è meno duro.

Al ritorno da Aushwitz nel 1945, Primo Levi riprenderà a lavorare come chimico in alcune aziende, tra cui un’industria di vernici, allo stesso tempo si dedica alla stesura dei suoi racconti riguardo la vita nel campo di concentramento e della sua passione per la chimica tra cui Il sistema periodico.

Il sistema periodico mette insieme ventuno brevi storie che hanno per protagonista un elemento della tavola periodica: Argon, Idrogeno, Azoto, Fosforo, Carbonio etc… Si tratta di racconti veri, di storie di un chimico in industria e nel campo di concentramento, ma anche di alcune storie di fantasia.

Per ulteriori info biografiche https://www.primolevi.it/it/biografia, https://www.primolevi.it/it/primo-levi-chimica-scrittura

Racconto

Leggere il racconto “Idrogeno” fino al punto indicato dal segno ♦.

Esperimento

Dopo aver letto il testo montare l’apparecchiatura sperimentale che riproduce quanto svolto da Primo Levi, una volta avviata l’elettrolisi chiedere agli studenti di osservare attentamente quello che avviene e provare a formulare delle ipotesi riguardo il fenomeno chimico-fisico che stanno osservando.

Materiale:

• 1X Becher o altro contenitore trasparente da almeno 150 mL
• 2X provette in plastica trasparente o altro contenitore di plastica trasparente di forma cilindrica, tappato da un lato e aperto dall’ altro da 10-25mL
• 2X Cavo elettrico i rame con copertura isolante di gomma
• Batteria 9V (batteria quadrata). È sconsigliato usare una batteria a secco (es. accumulatori al piombo per automobili) come nel racconto di Levi, poiché la potenza erogata potrebbe essere eccessiva e causare incidenti.
• Connettori elettrici adeguati al collegamento tra la batteria e i cavi in rame
• Sale da cucina (NaCl) fino
• Carta vetrata
• Nastro adesivo

Apparecchiatura sperimentale:

1. Riempire il contenitore grande con 100-150 mL di acqua di rubinetto (probabilmente è quello che fece Primo Levi, il quale non racconta di aver usato acqua distillata)
2. Aggiungere un cucchiaino di sale da cucina (soluzione 1-5% NaCl) e lasciarlo sciogliere
3. Riempire le 2 provette con la stessa soluzione
4. Tagliare 2 fili dal cavo di rame della lunghezza adeguata (es. 30 cm) e a ciascuno lasciare scoperta dalla guaina una porzione di filo (es. 10 cm), grattare con carta vetrata la parte scoperta e arrotolarla intorno ad una matita a formare una spirale.
5. Ripiegare i fili e posizionarli nelle provette, assicurare i fili con del nastro adesivo alle provette. Posizionare le provette capovolte nel becher grande come nell’ immagine, durante il movimento tappare con un dito l’apertura per evitare che queste si svuotino.
6. Collegare l’altra estremità dei fili rispettivamente al polo + e una al polo – della pila, dopo pochi secondi l’elettrolisi dovrebbe iniziare con conseguente sviluppo di bolle.

Osservazioni:

Si osserva la formazione di bolle di gas sugli elettrodi + e -, le quali risalgono e vanno ad accumularsi nella provetta. Si lascia proseguire l’elettrolisi per alcuni minuti (10-20 min) per accumulare sufficiente gas nelle provette.

Racconto

Nell’ultima parte del racconto (dal segno ♦ fino alla fine del testo) Primo e Enrico discutono riguardo alla natura dei gas prodotti durante l’esperimento, Primo Levi per dimostrare che uno dei due gas è effettivamente idrogeno, come supposto dalla teoria, innesca la reazione di combustione, ovvero fa esplodere il gas.

Far ragionare gli studenti su quali potrebbero essere i possibili prodotti dell’elettrolisi, probabilmente dal punto di vista intuitivo suggeriranno la risposta corretta ovvero idrogeno e ossigeno. Conviene però evidenziare nella discussione che è necessario prendere in considerazione anche le altre componenti oltre all’ acqua (che contiene idrogeno e ossigeno H₂O), ovvero il sale da cucina (Cloruro di sodio NaCl) e il materiale degli elettrodi (Rame), come giustamente obiettato da Enrico nel testo, il quale con atteggiamento sanamente scettico vuole verificare le supposizioni del suo compagno.

Esperimento

Dopo aver condotto l’elettrolisi per un certo tempo e aver raccolto almeno 5-10 mL di gas al catodo (polo -), scollegare la pila, sfilare gli elettrodi dalle provette, sollevare la provetta dal contenitore tenendola tappata con il pollice per evitare che fuoriesca del gas. Ruotare la provetta per metterla in posizione eretta sempre tenendola tappata. Avvicinare un fiammifero acceso all’imboccatura della provetta e togliere il dito per liberare il gas, si noterà una piccola esplosione con un suono acuto. L’entità dell’esplosione dipende, evidentemente, dalla quantità di idrogeno prodotta ovvero: dal tempo di elettrolisi, dalla carica della pila, dalla bontà dei collegamenti e dalla tenuta dei diversi contenitori. Nel caso in cui non si osservi nessuna esplosione al catodo si consiglia di prolungare l’elettrolisi o di usare provette più piccole per concentrare meglio il gas.

Ripetere il procedimento sia per l’anodo che per il catodo.

Osservazioni:

Al catodo verrà prodotta un’esplosione segno della presenza di un gas combustibile identificabile con l’Idrogeno, all’anodo invece il gas prodotto non è esplosivo, si tratta infatti di ossigeno.

Si procede dunque a scrivere le reazioni ipotizzabili:

1. Reazione di idrolisi:

H₂O à H₂ + O₂ (non bilanciata)

2 H₂O à 2 H₂ + O₂ (bilanciata)

Far notare agli studenti che nella prima equazione il numero di atomi non è bilanciato tra reagenti e prodotti; dove vanno a finire gli atomi? È necessario bilanciare la reazione. Si intuisce così perché si ottiene un volume di idrogeno doppio rispetto all’ ossigeno.

Si può domandare agli studenti di identificare chi siano i prodotti e chi i reagenti nella reazione così scritta.

1. Reazione di idrolisi al catodo e all’ anodo

2 H₂O + 2e^-à H₂+ 2 OH^- (Catodo, Polo – dalla pila)

2 H₂O à O₂ + 4e^-+ 4 H⁺(Anodo, Polo + dalla pila)

L’interpretazione di queste reazioni può risultare complessa per studenti del primo anno non avendo ancora affrontato lo studio dell’idrolisi dell’acqua (H₂O à H⁺ + OH^-). In base al livello della classe si può provare a spiegare il fenomeno di idrolisi in parole semplici (anche senza parlare di equilibrio chimico ma solo in termini di dissociazione della molecola d’acqua).

Si può sottolineare che in queste equazioni gli elettroni sono considerati dei reagenti oppure dei prodotti come se fossero delle vere e proprie sostanze chimiche; tuttavia, è impossibile “prendere con il cucchino un grammo di elettroni dal barattolo”, chi fornisce gli elettroni alla reazione catodica? La pila, la quale produce una “forza elettron-motrice” che induce il movimento degli elettroni nel circuito. Lasciare che gli studenti rappresentino schematicamente l’apparato sul proprio quaderno e poi si verifichino le ipotesi alla lavagna (Figura nella presentazione power point). Gli elettroni fuoriescono dal polo – della pila e si dirigono verso il catodo dove vengono consumati dalla reazione di evoluzione di idrogeno; la stessa pila preleva gli elettroni dal polo +, i quali provengono dal metallo che compone l’anodo e sono stati ceduti dalla reazione di evoluzione dell’ossigeno. Si sottolinei che lo scambio di elettroni tra metallo/elettrodo e molecole in soluzione avviene all’interfaccia di questi quindi essenzialmente sulla superficie del metallo, motivo per cui nel preparare il set-up sperimentale abbiamo esposto una larga superficie di metallo al contatto con la soluzione di acqua e sale.

Introdurre quindi il concetto di anodo e catodo, come gli elettrodi dove gli elettroni vengono rispettivamente prelevati e forniti.

1. Reazioni alternative

Un elenco di reazioni alternative che potrebbero accadere è il seguente, si proceda a discutere con gli studenti perché alcune di queste sono improbabili o irrealizzabili. La trattazione qui riportata non prevede l’uso dei concetti di termodinamica elettrochimica (potenziale standard di riduzione, nobiltà dei metalli, equazione di Nernst), si tratta di una discussione qualitativa adatta ad un primissimo contatto con la chimica.

• Reazione di Dissoluzione dell’elettrodo di Rame (Anodica)

Cu à Cu²⁺ + 2e^-

Questa reazione avviene ed è parassitica rispetto alla reazione di evoluzione dell’ossigeno, l’effettiva produzione dello ione rameico si osserva poiché questo in soluzione è di colore blu-verdastro, per lunghi tempi di elettrolisi si osserverebbe anche l’elettrodo consumarsi (possono essere necessarie ore). Il concetto di ione per gli studenti del primo anno può essere prematuro, si può descrivere semplicemente come reazione di dissoluzione del rame dallo stato solido alla fase acquosa (può valere la pena sottolineare che il rame in questo caso non cambia fase, ovvero non diventa liquido, ma passa in soluzione acquosa). A prova che questa reazione avviene si può notare anche che il filo di rame risulta essersi imbrunito a causa della formazione di ossido di rame, questo non succede invece al catodo.

Primo Levi nel testo non cita la produzione di una colorazione verde-blu nella soluzione; tuttavia, usando un anodo in rame tale reazione è inevitabile. Per prevenirla si può usare un elettrodo di grafite o altro materiale inerte.

• Reazione di evoluzione di Cloro gassoso (Anodo)

2 Cl^- à Cl₂ + 2e^-

Questa reazione avviene se pure in quantità ridotta poiché gli atomi di Cloro (in realtà ioni Cl^-). L’ eventuale produzione di cloro gassoso sarebbe evidente da un odore pungente (simile a quello di una piscina). Il Cl₂ può essere bruciato (producendo ossidi di cloro) ma è meno esplosivo rispetto alla combustione dell’idrogeno, in ogni caso all’ anodo non dovrebbe osservarsi alcuna esplosione quando viene avvicinato il fiammifero.

Si sottolinei che la produzione di cloro avverrebbe all’anodo e non al catodo, come proposto da Enrico nel testo, per dimostrarlo fare riferimento allo schema di circolazione degli elettroni nel circuito.

Nota per il docente: E⁰_Cl2/Cl- = +1.35 , E⁰_O2/H2O = +1.23. Dato che la pila collegata è da 9V la differenza di potenziale erogata è sufficiente per produrre entrambe le reazioni anodiche.

• Reazione di produzione del sodio (Catodo)

Na⁺ + 1e^- à Na

Tale reazione non può avvenire perché richiederebbe troppa energia e perché ci si trova in un ambiante acquoso dove il sodio metallico non è stabile.

1. Reazione di combustione dell’idrogeno

2 H₂ + O₂à 2 H₂O

L’idrogeno prodotto in provetta reagisce con ossigeno atmosferico trasformandosi in vapore acqueo.

Questa reazione si configura come il contrario dell’elettrolisi: nell’ idrolisi è necessario fornire energia (proveniente dalla pila) per indurre la reazione, in questo caso la reazione è spontanea e genera così tanta energia da produrre un suono e una fiamma. Il fenomeno esplosivo è dovuto al fatto che l’energia viene liberata in pochissimo tempo.

Si può far notare alla classe che questo è il principio secondo cui dovrebbero operare i veicoli a idrogeno, esistono due modi per utilizzare l’idrogeno nell’ automotive.

• Motori a combustione di idrogeno, il gas viene introdotto in un motore convenzionale e bruciato facendo muovere i pistoni. Data l’elevata esplosività dell’H₂ bisogna prendere delle cautele molto particolari che rendono questa tecnologia poco pratica su larga scala oltre che economicamente sconveniente.

• Motori elettrici a “Fuel-cell”, in questo caso l’idrogeno e l’ossigeno vengono riuniti senza che avvenga una vera e propria esplosione, invece di generare calore l’energia chimica viene riconvertita in energia elettrica per alimentare un motore elettrico, in quella che viene chiamata “cella a combustibile” ovvero l’opposto di quanto avviene nell’elettrolisi. Il vantaggio di questo circolo è che per produrre l’idrogeno tramite elettrolisi si può usare l’energia da fonti rinnovabili così da limitare l’uso di combustibili fossili per la produzione di carburanti.

Precauzioni di sicurezza per lo svolgimento dell’esperimento

I materiali e le apparecchiature consigliate per lo svolgimento degli esperimenti non sono pericolosi, è tuttavia necessario seguire alcune indicazioni di sicurezza generali quando si maneggiano prodotti chimici e batterie.

• Nel disporre la strumentazione sulla cattedra può essere utile usare un telo di plastica o gomma per proteggere la superficie dall’acqua e dal sale.

• Usare solo provette o altri contenitori in plastica per raccogliere i gas, così da evitare che in caso di esplosione il contenitore vada in frantumi.

• Può essere utile aiutarsi con una pinza per mantenere la provetta quando si innesca l’esplosione dell’idrogeno, fare molta attenzione a non puntare l’apertura verso se stessi o verso altri operatori nelle vicinanze.

In quest’ultima fase si apre il dibattito interdisciplinare tra gli studenti e con il docente riguardo le motivazioni che muovo uno scienziato nella sua attività di ricerca.

• Quale è il campo di indagine dello scienziato? Tutto il reale o una parte di esso?

• Quale motivazione segue uno scienziato nella sua attività? Un ideale, una necessità economica, un desiderio di fama?

• Quale è la relazione tra teoria, esperimento e verità?

Vengono qui riportati due testi che possono servire da spunto per l’inizio della discussione tra gli studenti con il docente.

Non avevamo dubbi: saremmo stati chimici, ma le nostre aspettazioni e speranze erano diverse. Enrico chiedeva alla chimica, ragionevolmente, gli strumenti per il guadagno e per una vita sicura. Io chiedevo tutt’altro: per me la chimica rappresentava una nuvola indefinita di potenze future, che avvolgeva il mio avvenire in nere volute lacerate da bagliori di fuoco, simile a quella che occultava il monte Sinai. Come Mosè, da quella nuvola attendevo la mia legge, l’ordine in me, attorno a me e nel mondo. Ero sazio di libri, che pure continuavo a ingoiare con voracità indiscreta, e cercavo un’altra chiave per i sommi veri: una chiave ci doveva pur essere, ed ero sicuro che, per una qualche mostruosa congiura ai danni miei e del mondo, non l’avrei avuta dalla scuola. A scuola mi somministravano tonnellate di nozioni che digerivo con diligenza, ma che non mi riscaldavano le vene. Guardavo gonfiare le gemme in primavera, luccicare la mica nel granito, le mie stesse mani, e dicevo dentro di me: “Capirò anche questo, capirò tutto, ma non come loro vogliono. Troverò una scorciatoia, mi farò un grimaldello, forzerò le porte”. Era snervante, nauseante, ascoltare discorsi sul problema dell’essere e del conoscere, quando tutto intorno a noi era mistero che premeva per svelarsi: il legno vetusto dei banchi, la sfera del sole di là dai vetri e dai tetti, il volo vano dei pappi nell’aria di giugno. Ecco: tutti i filosofi e tutti gli eserciti del mondo sarebbero stati capaci di costruire questo moscerino? No, e neppure di comprenderlo: questa era una vergogna e un abominio, bisognava trovare un’altra strada.

Saremmo stati chimici, Enrico ed io. Avremmo dragato il ventre del mistero con le nostre forze, col nostro ingegno: avremmo stretto Proteo alla gola, avremmo troncato le sue metamorfosi inconcludenti, da Platone ad Agostino, da Agostino a Tommaso, da Tommaso a Hegel, da Hegel a Croce. Lo avremmo costretto a parlare.

Questo essendo il nostro programma, non ci potevamo permettere di sprecare occasioni.

Primo Levi – “Idrogeno”, in Il sistema periodico, 1975

La filosofia [della natura] è scritta in questo grandissimo libro che continuamente ci sta aperto dinanzi a gli occhi (io dico l’universo), ma non si può intendere se prima non s’impara a intender la lingua, e conoscere i caratteri ne’ quali è scritto. Egli è scritto in lingua matematica, e i caratteri son triangoli, cerchi, ed altre figure geometriche, senza i quali mezi [sic] è impossibile a intenderne umanamente parola; senza questi è un aggirarsi vanamente per un oscuro laberinto

Galileo Galilei - Il Saggiatore (1623), in Opere, vol. VI, p. 232.https://disf.org/galileo-libro-natura

Science is more than a body of knowledge. It is a way of thinking; a way of skeptically interrogating the universe with a fine understanding of human fallibility.

Carl Sagan - Astronomo e divulgatore scientifico