Un laboratorio virtuale di elettrochimica in open access!

The Sims 3 chemistry set!

La partecipazione attiva ai corsi pratici di laboratorio è un aspetto fondamentale per la formazione dei futuri chimici e per l’arricchimento dei loro curricula. Spesso si tratta di vere e proprie esperienze essenziali, altrimenti irripetibili, capaci di instillare concetti teorici con indubbia efficacia, apportando allo stesso tempo quella manualità che in un’aula o davanti ad un monitor è impossibile acquisire.

Purtroppo il privilegio di poter contare sulla disponibilità di un laboratorio attrezzato non è così scontato, e questo non capita solo nei paesi in via di sviluppo. Ricordo che qualche anno fa ospitai nel laboratorio in cui lavoro alcuni stagisti provenienti da un liceo scientifico sperimentale che si lamentavano per l’impossibilità di accedere ai locali adibiti a laboratorio durante l’intero anno scolastico a causa di ristrutturazioni interminabili e adeguamenti alle normative di sicurezza. Inutile aggiungere quanto la loro preparazione tecnica fosse inadeguata e colma delle più banali lacune, come il corretto uso di una pipetta, o la conduzione di una semplice titolazione iodometrica.

ResearchBlogging.orgIn questi ultimi anni alcune università hanno dedicato un certo impegno nello sviluppo di sistemi informatici per consentire la diffusione delle pratiche di laboratorio, garantendo un accesso a un maggior numero di studenti, ma anche a appassionati e curiosi. Tra questi possiamo trovare anche qualche interessante laboratorio di elettrochimica virtuale, un’occasione da non lasciarsi sfuggire!

Esistono almeno due approcci principali per rendere possibile una lezione sperimentale a distanza in modo interattivo. La realizzazione di un simulatore basato su un algoritmo derivato da un modello matematico è molto economico ed è particolarmente adatto all’introduzione di nuovi esperimenti destinati agli studenti più giovani, tuttavia proprio a causa della matrice predeterminata risultano più ipotetici che pratici, finendo per essere equiparabili a una mera riproduzione videografica e perdendo gran parte dell’intento formativo originale.

L’implementazione di un sistema di accesso remoto verso strumentazioni residenti in un vero laboratorio per il controllo di un esperimento reale è stato sviluppato per ovviare agli inconvenienti succitati, con risultati molto incoraggianti grazie al maggior coinvolgimento e alla stimolazione di un interesse più vivo nei confronti dell’esperienza, che a questo punto diventa (quasi) diretta.

In seguito all’interesse del ministero indiano per lo sviluppo delle risorse umane in collaborazione con le università locali e istituzioni educative, è stato lanciato un network di laboratori virtuali efficace sia come strumento didattico che per un eventuale auto-apprendimento, mettendo a disposizione numerosi esperimenti accessibili dalla rete.

Ad esempio sul sito http://vlab.co.in,  per accedere alla sezione dedicata all’elettrochimica dall’Amrita University, in fondo alla pagina selezionare il link “Chemical Sciences” e nella pagina successiva “Electrochemistry”. Qui ci troviamo di fronte ad un classico simulatore con quattro esperienze precompilate. Nella prima è possibile effettuare una misurazione della forza elettromotrice di una cella e calcolare l’energia libera di Gibbs, la costante di equilibrio e prevedere così la spontaneità della reazione nella cella. Naturalmente non mancano i presupposti teorici dell’esperienza ed è possibile dare un primo sguardo al concetto di potenziale standard di riduzione delle serie elettrochimiche.

Interfaccia del simulatore elettrogravimetrico

La seconda esperienza è dedicata alla determinazione elettrogravimetrica della massa di metallo che si deposita in corrispondenza dell’elettrodo in un sistema elettrochimico. L’analisi elettrogravimetrica è una metodica semplice ma sufficientemente accurata in grado di determinare la concentrazione di uno ione metallico in soluzione tramite elettrodeposizione su un elettrodo a massa predeterminata. In questo caso il presupposto teorico è fornito dalle note leggi di Faraday sull’elettrolisi, con cenni sul calcolo stechiometrico.

Nella terza attività scopriamo la misteriosa legge di Tafel e relativa equazione che  mette in relazione la velocità di una reazione elettrochimica e la sovratensione, con l’obiettivo di approfondire la caratteristica irreversibilità di un elettrodo comprendendo il meccanismo di trasferimento degli elettroni, determinando cioè la densità di corrente e verificando graficamente il diagramma di Tafel.

L’ultima esperienza (ancora in fase di sviluppo) si propone di creare la base per la comprensione della polarografia, una tecnica analitica che permette di condurre delle analisi qualitative e quantitative tramite la misurazione della corrente che fluisce in un circuito durante un’elettrolisi a voltaggio controllato.

Tutte le schede comprendono cenni teorici, procedura dell’esperienza, test di autovalutazione e il simulatore vero e proprio che richiede solo una registrazione gratuita.

In rete si trovano anche altri laboratori virtuali, alcuni comprendenti anche una piccola sezione inerente le tecniche elettrochimiche, come in questo esempio a cura del team di Chemcollective.

Naturalmente la progettazione di un sistema di controllo remoto per esperienze pratiche reali che si avvalgono di veri strumenti per la misurazione richiede lo sviluppo di software dedicato alle interfacce, alla gestione delle apparecchiature e loro monitoraggio anche tramite postazioni con webcam che inquadrano i pannelli ed i display con le misurazioni da controllare per una interattività ottimale. Soami P. Satsangee, Rehan Mohd e Ratnanjali Gandhi sono i tre artefici di questa realizzazione, interamente basata su un’architettura client/server che gira su un sistema Windows Server 2008 in grado di gestire applicazioni remote tramite una LAN connessa a un router. In questo caso il link di riferimento è http://220.227.100.58. Dopo una congrua parentesi introduttiva, lo studente viene guidato nelle impostazioni iniziali (setup) in cui si descrive l’equipaggiamento utilizzato nell’esperimento e il suo approntamento. Segue una sezione incentrata su materiali utilizzati e preparazione del campione, quindi si passa alla procedura operativa dove si forniscono i dettagli utili al controllo in tempo reale dell’applicativo.

Controllo strumentale in tempo reale via webcam - DOI: 10.3991/ijoe.v7i1.1420

Anche in questo caso la lista degli esperimenti è limitata sebbene in continua espansione, tuttavia essa comprende alcuni fra i principali argomenti legati al laboratorio di elettrochimica, a cui fa capo un’esperienza introduttiva dedicata alla voltammetria ciclica per lo studio analitico di un sistema ferri-ferrocianuro avvalendosi di strumentazione adeguata per la determinazione delle informazioni sulle reazioni della coppia redox in esame. Lo svolgimento pratico è reso possibile tramite l’installazione di un client minimale che permette di controllare lo strumento (un potenziostato in questo caso) connesso al server remoto.

Nelle esperienze successive lo studente potrà dedicarsi a determinazioni più elaborate come la tecnica combinata nota come voltammetria di ridissoluzione anodica differenziale (o di strippaggio) per l’analisi dei metalli pesanti nelle acque superficiali, lo studio del comportamento elettrochimico dell’acido ascorbico e l’effetto della variazione del pH tramite l’ausilio di un elettrodo Dropsens a nanotubi di carbonio (CNT), uno studio comparativo del contenuto di acetaminofene nel paracetamolo tramite la sua ossidazione controllata da un sistema voltammetrico a impulsi differenziali, una determinazione amperometrica del perossido di idrogeno e infine lo studio elettrochimico del sistema ferricianuro/ferrocianuro su quattro differenti superfici di elettrodi tramite il modulo MUX MULTI4, di cui si può vedere un piccolo tutorial nel video seguente.

L’uso del laboratorio virtuale nella sperimentazione scientifica ha un potenziale molto elevato, soprattutto in ambito didattico. Strumentazioni molto costose site nei laboratori universitari ben equipaggiati in questo modo possono essere condivise tramite un accesso online quando non vengono usate in loco. Naturalmente si rende necessaria la collaborazione con un gruppo di lavoro e l’assistenza di almeno un tecnico per le operazioni non gestibili da remoto, un impegno ricompensato da un notevole miglioramento della qualità della ricerca e dell’insegnamento in piena economia delle risorse disponibili che possono così essere dedicate all’espansione del parco strumenti in un processo virtuoso.

Un risultato accessorio, ma non per questo meno rilevante, e si intuisce anche dalla considerazione dell’equalizzazione dell’opportunità di frequenza da parte di coloro che altrimenti non potrebbero avere lo stesso tipo di accesso ad esperienze analoghe, o con pari livello professionale didattico, oltre alla diffusione della cultura chimica anche a chi è interessato in ambito extrascolastico, pensate alla difficoltà di un tecnico che necessita di accrescere la propria formazione professionale senza disporre di corsi dedicati.

Virtual Chemistry Lab 2.0

Se infine volete provare un laboratorio chimico virtuale più generico, vi consiglio di scaricare Virtual Chemistry Lab. Si tratta di un simulatore assistito molto sofisticato che comprende un banco prova per verificare l’esito delle reazioni tra diversi prodotti chimici, informazioni enciclopediche riguardo gli elementi chimici, un glossario, utilità di autoverifica, esercizi interattivi, un convertitore di unità, calcolatrice integrata, un diario di laboratorio, editor di equazioni, l’immancabile tavola periodica ed infine un’interfaccia molto accattivante.

L’unico prezzo da pagare per tutto questo è semplicemente quello di imparare l’inglese tecnico, un costo che ormai è diventato un’esigenza imprescindibile per lavorare in ambito scientifico. Non mi resta che augurarvi a questo punto buone esperienze squisitamente … pratiche!

Satsangee, S., Mohd, R., & Gandhi, R. (2011). Remote Electro-Analytical Laboratory International Journal of Online Engineering (iJOE), 7 (1) DOI: 10.3991/ijoe.v7i1.1420

One thought on “Un laboratorio virtuale di elettrochimica in open access!

  1. In alto sopra il banco sono inoltre visibili i seguenti componenti: due pulsanti che permettono di simulare il mescolamento del contenuto dei due matracci da 1L , il pulsante di STOP, che permette di terminare tutte le operazioni correnti e di uscire dal programma, il bidone dell’acqua distillata e il pulsante VERIFICA. Quest’ultimo componente, tramite la finestra testo visibile lateralmente a destra, aiuta lo studente a seguire, per una determinata esperienza, la procedura nel modo più corretto possibile. Infatti, oltre a riportare le effettive concentrazioni delle soluzioni preparate e gli eventuali dati relativi ad un dato esperimento, come, ad esempio, la solubilità della sostanza scelta, mostra gli eventuali errori commessi dallo studente nell’eseguire l’esperienza, che comportano degli errori sistematici vistosi nei risultati, come, ad esempio, non aver trasferito in un matraccio tutta la polvere pesata utilizzando un imbuto e lavando quest’ultimo con acqua distillata, oppure non aver lavato accuratamente una sonda.

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