Laboratorio di chimica in casa/Apparecchio di Kipp

Sommario

L'apparecchio di Kipp è uno strumento di laboratorio utilizzato per produrre gas.
In questo articolo sono proposti il modello originale, una sua variante che chiameremo barattolo per il gas ed un suo accessorio, il gorgogliatore.

L'apparecchio di Kipp

Apparecchio di Kipp

Lo strumento di laboratorio proposto in questo articolo si ispira ad un'apparecchiatura ancora oggi usata nei laboratori chimici chiamata apparecchio di Kipp.
Si tratta di un contenitore di vetro a tre camere utilizzato per produrre gas.
Nella camera centrale viene posta la sostanza solida, mentre dall'alto viene colata attraverso un tubo di vetro la sostanza liquida, che si deposita nella parte più bassa dell'apparecchio ed inizia a salire fino a raggiungere l'ambiente sovrastante. Quando la soluzione (in genere contenente acido) tocca il reagente solido inizia la produzione di gas, che esce dal rubinetto laterale e poi viene fatta gorgogliare, tramite un tubo, in un altro contenitore. Il vantaggio di avere due camere per i reagenti ed un imbuto che cola un liquido dall'alto è che, chiudendo il rubinetto, la pressione del gas generata dalla reazione spinge il liquido su per il becco dell'imbuto e separare dalla sostanza solida, facendo terminare la reazione (in questo modo una certa quantità di gas rimane nella camera della sostanza solida, che può essere intanto osservato o fatto fuoriuscire in un secondo momento). Il liquido rimane contenuto nella parte superiore dell'apparecchio.

Realizzazione domestica

Occorrente

Attrezzatura:

• Silicone
• Taglierino
• Forbici
• Spiedino di legno (per spalmare il silicone)

Materiali:

• 2 bottigliette di plastica da ½ litro
• 2 bottiglie di plastica qualsiasi
• 1 o 2 cannucce
• Pochi cm² di tessuto spugnoso
• 1 tubo di gomma o di cannucce incollate assieme

1. Prima di tutto si rimuove il fondo dalla bottiglia che andrà a costituire l'ambiente centrale dell'alambicco, mentre l'altra bottiglia va tagliata a metà. La parte ovale del corpo di quest'ultima andrà a costituire l'imbuto dell'apparecchio e la parte cilindrica il suo fondo, mentre la prima bottiglia tagliata costituirà la parte centrale in cui si produrrà il gas.
2. Un volta ottenute queste tre parti (e gettato via il fondo della prima bottiglia) vanno montate l'una sull'altra, e va fatta passare la cannuccia finché non tocca il fondo dell'apparecchio. Se non ci arriva va collegata ad una seconda cannuccia, per poi unirle con un po' di silicone.
3. Una volta prese la misura, va fissata all'imbuto con il silicone fino a riempire ogni buco che non sia la cavità della cannuccia. La parte di troppo della cannuccia, che sporge dall'imbuto, non va tagliata subito ma va lasciata così finché il silicone non si asciuga.
4. Nello stesso tempo si può lavorare sull'altra bottiglietta di plastica: dopo averla capovolta, va fatto scivolare in essa un pezzetto di tessuto poroso (anche un pezzo di spugna); se questo è abbastanza largo da coprire il collo della bottiglia (ma neanche troppo grande), va spalmato sul collo della bottiglia uno strato di silicone circolare, e vi va premuto contro la spugna, senza però ricoprirla tutta col silicone: questa serve a non far scivolare nel secondo ambiente i pezzetti di reagente in polvere, ma non va ostruita col silicone così che il liquido possa passarvi in mezzo.
5. Dopo che il silicone si sarà solidificato, questa va forata con un pezzo di ferro rovente del diametro della cannuccia, che dovrà passarvi attraverso.
6. Quando il silicone attaccato alla spugna e pure quello che fissa la cannuccia all'imbuto si sarà asciugato, bisognerà saldare tra loro le tre parti dell'apparecchio. Queste possono essere fissate assieme se il tutto regge, oppure bisognerà fissare prima il corpo dell'apparecchio all'ambiente di fondo, ed infine attaccare l'imbuto in cima all'apparecchio. A questo punto si può inoltre tagliare la parte di cannuccia in eccesso.
7. Dopo aver lasciato asciugare il silicone, andranno praticati due fori nell'apparecchio: uno nell'ambiente di fondo e l'altro in quello di mezzo, per poi attaccarci i colli di altre due bottiglie per fungere da rubinetti per far entrare il materiale solido nel corpo dell'alambicco e l'acido esaurito dal fondo. Questi vanno saldati con colla epossidica. Va fatto anche un terzo buco, contemporaneamente agli altri due o anche in un secondo momento, nella parte altra del corpo centrale, in cui saldare a silicone o a colla epossidica il tubicino da cui uscirà il gas.

Quando anche queste tre parti dell'apparecchio saranno ben salde, esso andrà collaudato.

1. Dopo aver tenuto chiuso il tubicino, va introdotto nell'apparecchio un po' di composto solido (pezzetti di marmo per esempio).
2. Dopo aver chiuso il tappo da cui è stato fatto passare il composto solido va fatto colare l'acido dall'ambiente sovrastante. Quando l'acido avrà raggiunto i pezzetti di marmo inizierà a svilupparsi l'anidride carbonica.
3. Se tutto va bene, essa dovrebbe spingere indietro la soluzione di acido, finché il meccanismo non si arresta completamente.
4. Se l'acido invece continua a scendere vorrà dire o che il tubicino si chiude male o che c'è una piccola falla nelle giunture di silicone. Per verificare questo va fatta passare la mano vicino ai vari punti deboli dell'apparecchio, per sentire dove il gas fuoriesce.
   • Nel primo caso il tubicino va sostituito, riparato o la valvola va sistemata.
   • Nel secondo caso basterà tappare lo spiraglio con dell'altro silicone dopo aver svuotato l'apparecchio, e poi riprovare quando il silicone sarà indurito.

Questo modello è leggermente diverso da quello di Kipp per il fatto che i tre corpi sono incollati fra di loro, mentre in quello originale sono separabili. Tuttavia il principio di funzionamento è lo stesso.
Gli unici accorgimenti da avere sono:

• Non usare l'apparecchio con acidi o alcali molto concentrati;
• Svuotare dai reagenti e dal gas l'apparecchio dopo che è stato usato (per prevenirne l'usura e per questioni di sicurezza).
• Usare poco composto solido alla volta, perché è estraibile solo sciogliendolo nell'acido;
• Sostituire le parti che si rovinano;

Barattolo per i gas

Un apparecchio molto rudimentale con cui produrre e conservare i gas è il semplicissimo barattolo per il gas, consistente in un barattolo di conserva il cui tappo è stato forato, e su di esso è stato incollato a silicone il collo di una bottiglia.

1. Si pulisce bene un barattolo di conserva, che non deve essere troppo capiente ma neanche troppo piccolo, del volume di circa 50 centilitri e di cui si dispone di una o più copie nel caso questo si rompesse. Vanno lavati via bene i residui di sugo e va rimossa l'etichetta.
2. Si buca il tappo martellandogli sopra un chiodo. Il foro può essere largo quanto si vuole. Si consiglia di farne due o tre se lo si pratica con un chiodo piccolo, ma non deve mai essere molto grande, massimo 5 millimetri di diametro; il gas uscirà ugualmente, e visto che spesso è prodotto lentamente, anche un foro di 1 millimetro basterà.
3. Si taglia un collo di bottiglia, se ne incolla la base con del silicone e lo si appoggia sopra al tappo.
4. Si rifinisce la parte esterna con dell'altro silicone, per fissarlo meglio, e lo si lascia asciugare uno o due giorni.

Per farlo funzionare, si fissa un palloncino al collo più alto della bottiglia (la parte su cui si avvita il tappo) e si introducono i reagenti all'interno del barattolo. Infine si avvita il tappo e li si lascia reagire.

Il palloncino va fissato bene al collo della bottiglia. Se il gas non sarà troppo, il palloncino dovrebbe rimanere attaccato al contenitore da solo. Per sicurezza si può tenerlo fermo con le dita o fissarlo meglio con del filo di ferro. Prima di usarlo va verificata però la sua durezza: alcuni palloncini, specialmente quelli più lunghi, sono molto duri da gonfiare, ed è meglio non forzare troppo la fuoriuscita del gas dal collo della bottiglia (che potrebbe invece uscire dalla filettatura del tappo), ed è meglio utilizzare i palloncini rotondi classici, non troppo grossi.

• Esiste una variante del tappo a palloncino: il tappo a tubo, che consisterebbe nel tappo a palloncino (quello fatto dal tappo del barattolo su cui è stato incollato il collo di bottiglia) su cui è fissare con del silicone (sigillante) e del fil di ferro (rinforzante) un tubo flessibile di plastica. Questo può essere immerso in un liquido, in modo da far gorgogliare il gas direttamente in soluzione senza farlo passare per il palloncino.
  

Questa operazione è indispensabile per gas come l'acido cianidrico, che è pericoloso manipolare, o l'acido cloridrico che penetra attraverso le fibre della gomma dei palloncini.
All'estremità del tubo, poi, possono essere fissate le estremità ripiegabili delle cannucce, in modo da far uscire il gas in punti diversi creando bollicine più piccole, le quali, analogamente ai cristalli di sali solidi, più sono piccole meglio il gas contenuto in esse si scioglierà in soluzione.

Vantaggi e svantaggi

Rispetto all'apparecchio di Kipp, il barattolo per i gas ha il vantaggio di essere semplicissimo, poco costoso e comunque molto efficiente, nonché molto versatile e meno ingombrante, oltre al fatto di poter produrre gas contenenti una minore quantità d'aria semplicemente riempiendo del tutto il barattolo per minimizzare il volume d'aria.

L'unico svantaggio è che con l'apparecchio di Kipp è possibile conservare momentaneamente gas che il barattolo non può trattenere, e nemmeno il palloncino, come il cloro e l'acido cloridrico puro. Presenta inoltre il vantaggio di avere dispersioni minime e migliore controllabilità del gas, a differenza del barattolo che ne emette parecchio quando viene rimosso il palloncino.

Riguardo allo stato dei due reagenti, l'apparecchio di Kipp permette di far reagire composti che danno reazioni veloci, come alluminio e idrossido di sodio, o acido e carbonato di sodio, tenendoli separati fin quando l'apparecchio non viene montato del tutto (col barattolo per i gas l'acido ed il carbonato reagirebbero prima di poter chiudere il tappo). Al contrario, nel barattolo per gas è possibile far reagire due liquidi, semplicemente riempiendo prima metà barattolo con uno dei due e poi introducendo un secondo contenitore contenente il secondo liquido, per poi mischiarli scuotendo il barattolo; cosa che con l'apparecchio di Kipp risulterebbe difficile, visto che lo spazio per il secondo contenitore è limitato dal becco dell'imbuto.

Gorgogliatore

Un apparecchio intermedio fra il tappo a palloncino e quello a tubo è il gorgogliatore. Si tratta di un collo di bottiglia (solo la parte alta) a cui è stata fissata con del silicone una cannuccia. L'oggetto creato è la versione mobile e piccola del tappo a tubo: dopo aver prodotto il gas con il barattolo per gas si rimuove il palloncino e se ne fissa la base su quello della bottiglia con cui è fatto il gorgogliatore, stringendo la "coda" del palloncino come una valvola per non far uscire il gas.
Una volta fissato il palloncino si può introdurre la punta della cannuccia in una provetta e far gorgogliare il gas all'interno.
Questo processo è utile per esperimenti compiuti su piccola scala e per ottenere soluzioni concentrate.
A seconda di come si fissa la cannuccia si determina la mobilità del gorgogliatore: incollando al collo la parte corta si crea un gorgogliatore perfetto per le provette, mentre incollando la parte lunga si mantiene mobile il beccuccio della cannuccia, utile per il "gorgogliamento in campana" cioè per far gorgogliare i gas in contenitori capovolti pieni d'acqua, per separare quelli solubili da quelli non solubili, e per conservarli misti ad una quantità d'aria minima.

Video

(EN) Periodic table of videos

Dimostrazione del funzionamento di un apparecchio di Kipp.

(EN) Video 1

Breve animazione sul funzionamento dell'apparecchio di Kipp.

(IT) Video 2

Dimostrazione del funzionamento dell'apparecchio di Kipp (riassunto del video sottostante). Il chimico mette delle zollette di marmo di Carrara nell'ambiente intermedio dell'apparato, per poi chiuderlo con un tappo forato collegato ad un tubo da cui uscirà il gas prodotto. Dopodiché versa l'acido ed innesca la reazione. Infine, dopo che questa ha proceduto a sufficienza, il chimico chiude la valvola da cui esce il gas per dimostrare come la pressione del gas spinge l'acido nell'ambiente sovrastante (contenitore di salvataggio) arrestando la reazione. Riaprendo la valvola il gas fuoriesce facendo calare la pressione, cosicché l'acido scende e la reazione riparte.

(IT) Video 3

Spiegazione e dimostrazione del funzionamento dell'apparecchio di Kipp, utilizzato per produrre anidride carbonica (con spiegazione).