Alla scoperta del vero “naso” del sensore – Parte 1

 

Dove:
Istituto Tecnico Tecnologico Michelangelo Buonarroti (Via Brigata Acqui, 15 – Trento)
Quando:
lunedì 28 novembre 2016, dalle ore 13.30 alle ore 16.30

Chi: Gli studenti della classe 4^ALS della scuola “Marie Curie” di Pergine Valsugana, accompagnati dalla professoressa di scienze naturali Lorenza Viola.

Cosa: Incontro esplicativo riguardo alla preparazione della “pasta” chimica da applicare sul sensore per rilevare un’eventuale presenza di gas; gli studenti collaborano con la terza biotecnologie sanitarie dell’istituto Buonarroti.

A questo primo incontro ne seguiranno altri due, previsti rispettivamente per il 5 e per il 12 dicembre. Obiettivo principale per noi studenti dell’istituto Curie in questi incontri è quello di comprendere il lavoro svolto dall’istituto Buonarroti riguardo alla parte chimica del progetto (si veda: WP4, “La base chimica”, in particolare T4.1, “La realizzazione della pasta sensibile”); tale attività risulta fondamentale per noi per poter svolgere al meglio il compito a noi assegnato, cioè quello riguardo alla realizzazione del manuale d’uso (si veda: WP6, “Prototipo del prodotto”, in particolare T6.4, “Manuale d’uso del nuovo prodotto”).

Obiettivi dell’attività laboratoriale di oggi:

Stabilire le condizioni ottimali per la formazione di SnO2 (diossido di stagno) al fine di poterlo utilizzare come base per la “pasta” del sensore. Esso dovrà avere l’aspetto di precipitato formato da nano cristalli, in modo che sia il più omogeneo possibile per poter essere applicato a contatto con la parte elettronica del sensore.
Il diossido di stagno reagirà in presenza di gas metano o di monossido di carbonio creando una differenza di potenziale che verrà convertita dalle componenti elettroniche del sensore stesso in corrente elettrica, causando un segnale di allerta.

Modalità di lavoro:

Operiamo in otto gruppi, ognuno dei quali disporrà di differenti reagenti di partenza (quattro gruppi utilizzeranno SnCl2 * 2H2O, gli altri quattro SnCl4 * 5H2O) e/o di una differente composizione della soluzione di alcol isopropilico e acqua utilizzata nell’esperimento.

Materiale (strumenti)

  • Piastra riscaldante – agitatore magnetico
  • Bilancia tecnica
  • Beuta
  • Cilindro graduato
  • Ancoretta magnetica
  • Cappa aspirante
  • Film (per la copertura della beuta contenente le sostanze che hanno reagito)
  • Cartina tornasole
  • Spruzzetta contenente acqua distillata
  • Spatola

Materiale (sostanze)

• SnCl2 * 2H2O (oppure SnCl4 * 5H2O), 0,01 moli
• Alcol isopropilico (60 mL)
• Acqua distillata (40 mL)

Protocollo operativo
• Calcoliamo a quanti grammi corrispondono 0,01 moli di SnCl2 (cloruro stannoso). 2
• Poniamo una beuta sulla bilancia tecnica e tariamo.
• Aggiungiamo aiutandoci con una spatola una quantità di SnCl2 pari a quella ottenuta tramite i calcoli precedentemente eseguiti (cioè 2,25g).
• Poniamo sotto una cappa aspirante un agitatore magnetico.
• Posiamo la beuta contenente il cloruro stannoso (SnCl2) sull’agitatore.
• In un cilindro graduato versiamo con una spruzzetta una certa quantità di acqua distillata (nel nostro caso 40mL); dopodiché ponendo un imbuto sull’apertura del cilindro aggiungiamo una quantità di alcol isopropilico3 tale che il volume totale della soluzione formata da acqua e alcol sia di 100mL (nel nostro caso quindi abbiamo versato 60mL di alcol)4.
• Versiamo la miscela nella beuta contenente il cloruro stannoso.
• Inseriamo l’ancoretta magnetica all’interno della beuta e accendiamo l’agitatore5, assicurandoci che non venga fornito calore (tale funzione dell’agitatore deve essere disattivata in questo caso)6.
• Lasciamo l’agitatore in funzione, osservando cosa accade all’interno della beuta.
• Nel corso della reazione, controlliamo il pH della sostanza contenuta nella beuta con la cartina tornasole.
• Passato il tempo ritenuto sufficiente per la reazione chimica, spegniamo l’agitatore e togliamo la beuta.
• Preleviamo dalla beuta l’ancoretta magnetica.
• Appoggiamo la beuta su di un ripiano di lavoro e la copriamo con del film in modo tale da coprire la sostanza in essa contenuta.
• Lasciamo a decantare il prodotto della reazione per una settimana.
Osservazioni:
Prima di azionare l’agitatore magnetico la soluzione contenuta nella beuta si presentava incolore e trasparente, mentre a reazione avvenuta osserviamo che essa ha assunto un colore bianco opaco.
In altri gruppi in cui il reagente di partenza utilizzato non era SnCl2 * 2H2O ma bensì SnCl4 * 5H2O la sostanza presente nella beuta si manteneva trasparente (come appariva anche nel nostro esperimento prima di azionare l’agitatore).
Lasciando passare del tempo, nel caso in cui è stato utilizzato il cloruro stannoso (SnCl2) osserviamo la formazione di un precipitato bianco sul fondo della beuta.

Conclusioni:
La reazione avvenuta (nel caso del cloruro stannoso) è stata:
SnCl2 + O2  SnO2 + 2Cl-
Sapendo che il diossido di stagno (SnO2) non è solubile in acqua e che a temperatura ambiente si trova allo stato solido (ha infatti temperatura di ebollizione di 1800ºC è una temperatura di fusione di 1630ºC), possiamo concludere che il deposito bianco che decanta sul fondo della beuta dopo la reazione sia diossido di stagno.
Per questo motivo deduciamo che la condizione ottimale per la formazione del diossido di stagno si ottiene utilizzando come reagente il cloruro stannoso e non il cloruro stannico; infatti abbiamo osservato che nel primo caso si formava un precipitato bianco, nel secondo caso invece la sostanza nella beuta rimaneva della stessa trasparenza di partenza. Ciò è dovuto al fatto che nel primo caso la reazione riusciva ad incorporare una maggiore quantità di ossigeno, accelerando i suoi effetti.
Nei gruppi in cui era stato utilizzato come reagente di partenza il cloruro stannico è stato fatto successivamente il tentativo di fornire calore alla soluzione per accelerare la reazione chimica; il tentativo tuttavia non ha fornito i risultati sperati, poiché la sostanza nella beuta non ha mutato il suo aspetto incolore e trasparente. Per poter disporre così di maggiori quantità di diossido di stagno per l’attività successiva, tali gruppi hanno ripetuto l’esperimento sostituendo il cloruro stannico con il cloruro stannoso.
La misura del pH rilevata (attestatasi intorno ai valori 1-2) mostra che l’ambiente in cui è avvenuta la reazione è acido; il risultato ottenuto è in linea con le aspettative, poiché la reazione avvenuta provoca un’idrolisi, che determina la liberazione di ioni H+, responsabili dell’abbassamento del pH dell’ambiente.

Quale sarà la prossima operazione che andremo a compiere?

La prossima volta dovremo separare il diossido di stagno, ora presente nella beuta in soluzione con ioni cloruro (Cl-) che si sono liberati con la reazione; questi ioni infatti rappresentano una sorta di “impurità” per il diossido di stagno, che verrà utilizzato come base chimica per il sensore.
Per eliminare gli ioni presenti (sia in soluzione che a contatto con il diossido di stagno) in primo luogo lasceremo a decantare il composto nella beuta per una settimana.
Successivamente, visto che gli ioni cloruro a differenza del diossido di stagno sono solubili in acqua, per eliminarli utilizzeremo una tecnica che prevede un processo di successivi centrifuga e risciacquo con acqua distillata:
 La centrifuga servirà per separare gli ioni cloruro dal solido formatosi (cioè il diossido di stagno)
 Il risciacquo permetterà l’eliminazione degli ioni dal sistema.
Per accertarsi di aver eliminato tutti gli ioni cloruro possiamo versare, dopo la centrifuga, il liquido in cui gli ioni sono disciolti in un contenitore con dell’acqua, a cui successivamente verranno aggiunte alcune gocce di AgNO3 (nitrato d’argento).
Se nel liquido versato nel contenitore sono ancora disciolti degli ioni cloruro, essi reagiranno con il nitrato d’argento per formare cloruro d’argento (AgCl), che si presenta come un solido bianco.
Per questo motivo nel caso in cui nel contenitore assisteremo alla formazione di un solido bianco potremo concludere che nel composto che vogliamo separare sono ancora presenti degli ioni cloruro. In caso contrario, la conclusione sarà che tutti gli ioni sono stati eliminati e che il solido formatosi (SnO2) non ne presenta sulla sua superficie.

Curiosità sull’attività:

• Con 1 g di SnO2 si possono compiere all’incirca 1000 deposizioni della cosiddetta “pasta” del sensore.
• Per realizzare quello che a tutti gli effetti può essere considerato il “naso” del sensore vengono utilizzati in genere ossidi di metalli perché sensibili ai gas tossici: a contatto con essi infatti reagiscono causando una differenza di potenziale (dovuta alla stessa reazione, che risulta essere di ossidoriduzione):

SnO2 + CO  SnO + CO2 ,
dove nei reagenti Sn ha numero di ossidazione +4, mentre nei prodotti ha numero di ossidazione +2 (si dice pertanto che si è “ridotto”, cioè ha acquistato elettroni); C invece ha variato il suo numero di ossidazione da +2 a +4 (si dice quindi che si è “ossidato”, cioè ha perso elettroni). Il passaggio di elettroni nella reazione è responsabile della differenza di potenziale già nominata; essa costituirà il punto di collegamento tra la parte chimica del sensore e quella elettrica, che provvederà alla trasformazione di tale differenza di potenziale in un segnale elettrico usufruibile come strumento di allerta per il possessore del prodotto.

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *