Come “vedere” le molecole: il moto browniano

Questo esperimento è particolarmente istruttivo, perché permette di dimostrare l’esistenza delle molecole con un microscopio ottico. Ovviamente non è possibile vedere le molecole con un microscopio, ma è possibile vedere chiaramente un effetto diretto delle molecole. Si tratta di un fenomeno chiamato “moto browniano” e la sua dimostrazione ha avuto un grande significato storico. Non è altro che il movimento a zig-zag di corpi microscopici sospesi in una soluzione acquosa a seguito degli urti casuali delle molecole. Il moto browniano, inoltre, conferma l’estensibilità della teoria cinetica dei gas ai liquidi.

Il fenomeno noto come “moto browniano” – osservato per primo dal biologo e botanico Robert Brown nel 1828, durante lo studio al microscopio del comportamento del polline in soluzione acquosa, che lo portò a notare delle minuscole particelle in movimento sospese nel mezzo di grani di polline viventi – fornisce una prova del moto caotico delle molecole e ne è quasi la riproduzione in scala visibile.

Brown osservò che alcune piccole particelle (non il polline, come invece alcuni testi errati riportano, poiché la maggior parte dei suoi granuli sono troppo grandi) si muovevano con una traiettoria a zig-zag in maniera irregolare e occasionale, come se fossero dotati di vita. Successive esperienze lo convinsero che non erano movimenti attivi di esseri viventi, dato che qualsiasi corpo inanimato – purché sufficientemente piccolo – sospeso in acqua, acquistava un moto molto simile a quello del polline.

Preparazione della soluzione colloidale

Il movimento legato al moto browniano è visibile usando un microscopio. Possiamo, ad esempio, facilmente osservare il moto browniano di goccioline microscopiche di grasso sospeso in una soluzione acquosa. Le gocce di grasso della giusta dimensione si presentano nel latte intero.

Perciò, i materiali occorrenti per questa esperienza sono:

  • Latte intero (poche gocce)
  • Uno stuzzicadenti o un ago
  • Acqua preferibilmente distillata, bollita o presa dalla ghiacciaia
  • Vetrino coprioggetto e portaoggetto
  • Una piccola quantità di vasellina (opzionale)
  • Un colorante, ad es. “nero Sudan” (opzionale)

Metti una piccola goccia d’acqua nel mezzo della vetrino portaoggetto (usa un contagocce). Immergi l’ago o lo stuzzicadenti nel latte (dal lato della capocchia!), dopodiché immergilo nella goccia d’acqua distillata o presa dalla ghiacciaia e mescola un po’: ciò garantisce che venga utilizzato solo latte molto diluito. A questo punto, abbassa delicatamente sulla goccia di latte diluito un piccolo vetrino coprioggetto.

La facile preparazione dell’esperienza di osservazione del moto browniano.

Cerca di non far cadere una goccia d’acqua troppo grande, fai qualche esperimento finché non c’è poco o nessun liquido che fuoriesce dai bordi. Assicurati dunque che la goccia sia piuttosto piccola oppure asciuga l’eccesso con un pezzo di carta velina. Ciò è importante per assicurarsi di osservare il moto browniano e non il movimento del liquido causato dall’evaporazione.

In alternativa al procedimento appena descritto, puoi diluire da una a quattro gocce di latte intero in circa 5 ml di acqua. Se usi latte non diluito, la concentrazione delle gocce di grasso è troppo alta per vederle muoversi liberamente. È anche possibile modificare la temperatura del campione da osservare posizionando il vetrino nel frigorifero o riscaldandolo. Il moto browniano, infatti, dipende dalla temperatura e aumentare con il crescere della temperatura.

Opzionale: per un preparato sul vetrino portaoggetto che duri più a lungo, utilizza un ago per deporre una sottile linea continua di vasellina lungo i bordi del vetrino coprioggetto prima di abbassarlo sul portaoggetto. Infatti, il sigillare i due vetrini in questo modo riduce al minimo il movimento delle goccioline dovuto alle correnti create dall’evaporazione.

Osservazione al microscopio

Infine, metti il ​​vetrino sotto il microscopio, illumina e focalizza in modo normale usando un obiettivo 10x fino a quando le minuscole goccioline di grasso nel latte (visibili come sfere minuscole sospese nel latte) non vengono messe a fuoco. Cambia poi subito passando a un obiettivo da 20x, 40 x o 100x per studiarle più da vicino e rimetti a fuoco. A causa del piccolo movimento dei globuli, può essere necessario utilizzare in seguito un ingrandimento elevato, ad esempio 200x o finanche 400x.

Le goccioline di grasso visibili al microscopio usando del latte (in questo caso materno).

Osserva al microscopio in campo chiaro e in campo scuro. Trova un’area in cui non vi è alcun movimento netto del fluido (causato dalle correnti di convezione) e cerca di concentrarti sul movimento di una singola piccola particella. Le goccioline hanno una dimensione tipica compresa tra 0,5 e 3 μm (1 μm è 1/1000 di millimetro). Potrebbe aiutarti il guardare una particella vicina a un punto fisso sulla vetrino portaoggetti, come una grande particella stazionaria o vicina a una punta di qualcosa.

Inizialmente potresti vedere le goccioline di grasso fluire in una direzione. Questo non è moto browniano, solo correnti nel liquido. Quando le correnti si sono abbassate, dovresti vedere che le goccioline stanno ancora tremando senza muoversi in alcuna direzione specifica: questo è il moto browniano, il quale fa sì che le goccioline si muovano in modo casuale. Nota come le goccioline più piccole si muovono più di quelle più grandi e come alcune di esse si spostano dal piano di messa a fuoco e viceversa.

Possiamo aggiungere un colorante alla soluzione che si leghi alle goccioline di grasso per renderle visibili, dopodiché osserva il loro moto browniano. Dopo che la goccia di latte intero è stata posta al centro di un vetrino da microscopio, mescolala con una goccia di “nero Sudan” e copri la soluzione con un vetrino. La goccia verrà osservata sul coprioggetto usando l’obiettivo 40x sul microscopio. Osserva il movimento delle goccioline più piccole di grasso del latte che sono state macchiate dal Sudan Black.

Modi alternativi di visualizzarlo

Puoi anche provare una sospensione di talco in acqua. Prendi una piccola quantità di talco sulla punta di un piccolo cacciavite di precisione e mettila su un vetrino portaoggetti. Aggiungi alcune gocce d’acqua a cui è già stato aggiunto un po’ di detersivo liquido. Mescola la polvere e copri con un vetrino coprioggetti. Ispeziona poi il preparato esattamente come illustrato in precedenza.

Molte delle particelle di talco saranno probabilmente troppo grandi per mostrare l’effetto, ma vi dovrebbero essere alcune particelle abbastanza sottili da mostrare il movimento casuale. Nel talco si può notare che le particelle fini sono molto piccole, meno di 1 μm, e mostrano bene il movimento. Il detersivo migliora la bagnatura delle particelle, altrimenti potresti ottenere dei “ciuffi” di talco.

Un interessante simulatore interattivo del moto browniano. Clicca qui.

Qualsiasi materiale sospeso come particelle molto fini (cioè delle dimensioni di qualche micrometro o meno) in soluzione dovrebbe mostrare l’effetto. Gli inchiostri che si basano su una sospensione di pigmenti (ad es. inchiostro dell’India) piuttosto che a base di colorante dovrebbero pure mostrare l’effetto, ma potrebbe richiedere una diluizione. I vecchi libri di microscopia suggeriscono l’uso della gommagutta – una resina gialla usata come pigmento di pittura – finemente macinata e sospesa in acqua.

Il moto browniano può venire osservato anche negli organismi viventi: ad esempio, nel contenuto cellulare delle alghe acquatiche filamentose, o come osservato dai primi microscopisti, sottoforma di particelle sospese nel mezzo acquoso presente fra i grani di polline viventi. Probabilmente, però, è meglio familiarizzare con il moto prima nel materiale non vivente, al fine di distinguere più facilmente il movimento browniano, ad esempio, dal movimento di batteri o dell’attività cellulare.

Cosa abbiamo in realtà osservato

Il moto browniano viene interpretato semplicemente come una conseguenza del moto disordinato delle particelle in sospensione (globuli, granuli, etc.) in un “colloide” – cioè in una miscela in cui una sostanza si trova in uno stato finemente disperso – a seguito degli urti che ricevono dalle molecole sottoposte ad agitazione termica. Le particelle di un colloide, dunque, sono sempre in movimento costante.

Questo movimento è causato dalle molecole d’acqua (che sono molto più piccole delle goccioline di grasso), le quali colpiscono a caso i globuli di grasso, facendoli “dimenare” all’interno del liquido. Poiché l’impulso che un globulo riceve dalle molecole che lo colpiscono da un lato, è un po’ diverso da quello che gli imprimono dal lato opposto, il globulo è spinto di qua e di là, eseguendo quel movimento irregolare che viene osservato. Quindi hai osservato un effetto diretto dovuto alle molecole d’acqua.

Il bombardamento molecolare casuale che dà origine al moto browniano è responsabile anche degli effetti di diffusione. Nei processi di diffusione, le particelle si spostano da un’area di alta concentrazione a bassa concentrazione. Ad esempio, le particelle di fumo in un gas (o l’odore del mandarino appena sbucciato) vengono diffuse da una regione ad alta concentrazione a una a bassa concentrazione.

Diffusione casuale del fumo (da: Order in Chaos). Clicca qui per altre immagini.

Si noti che lo stato colloidale è intermedio fra quello delle soluzioni vere e proprie e quello delle sospensioni sedimentabili. Le soluzioni vere e proprie sono costituite da ioni o molecole singole o piccoli aggregati molecolari (da 1 a 1000 atomi) disciolte in un solvente, e non sono osservabili neppure al microscopio elettronico. Le sospensioni sedimentabili, invece, contengono grossi aggregati molecolari, e le particelle della fase dispersa sono osservabili al microscopio ottico e talvolta a occhio nudo.

Finché le particelle colloidali restano piccole, la sedimentazione (cioè il moto ordinato dovuto alla gravità) è sopraffatta dall’agitazione termica. Però, quando due o più particelle colloidali collidono, possono riunirsi (coagulazione)per effetto delle attrazioni dovute alle Forze di Van der Waals – in particelle più grosse e appesantirsi sino a precipitare. Una soluzione colloidale, per essere stabile, richiede che le particelle rechino cariche elettriche dello stesso segno. Queste cariche respingendosi impediscono alle particelle di collidere e quindi di coagulare e sedimentare.

Importanza storica del moto browniano

Alla fine del Diciannovesimo secolo e all’inizio del Ventesimo secolo, l’esistenza delle molecole era ancora in discussione e il moto browniano, quando venne spiegato, fu uno dei primi elementi di evidenza diretta dell’esistenza di molecole. Donde la sua grande importanza storica.

Il fenomeno del moto browniano rimase inspiegato fin quando, con la scoperta della teoria cinetica molecolare, si comprese che esso era dovuto agli urti che i granellini subiscono da parte delle molecole del liquido. Esso, inoltre, ha confermato l’estensibilità della teoria cinetica dei gas ai liquidi. Non a caso, nel 1905 Albert Einstein pubblicò un articolo dal titolo Il moto delle particelle in sospensione nei fluidi in quiete, come previsto dalla teoria cinetico-molecolare del calore, in cui spiegava le cause del moto browniano.

Einstein si appassionò non poco all’argomento del moto browniano.

Ecco l’inizio di quell’articolo, con le parole di Einstein:

In questo lavoro faremo vedere come, secondo la teoria cinetico-molecolare del calore, particelle in sospensione in una soluzione compiano, in conseguenza del moto termico delle molecole, movimenti di ampiezza tale che li si può agevolmente osservare al microscopio, purché, beninteso, la dimensione delle particelle stesse sia accessibile allo strumento. Può darsi che i moti che qui saranno considerati coincidano con il cosiddetto moto molecolare browniano; tuttavia i dati che ho potuto ottenere su quest’ultimo sono così imprecisi che non mi è stato possibile formulare alcun giudizio in merito”.

Dunque, tutte le particelle che hanno una temperatura sopra lo zero assoluto si muovono. Anche quelle in un solido vibrano, ma sono bloccate in una certa posizione. Per osservare il moto browniano, quindi, è necessario sospendere le particelle in un fluido o in un gas. Pure le particelle più grandi sono soggette a tali forze, ma a causa della loro massa più grande il loro moto non è visibile e tendono a rimanere ferme. Se le particelle sono abbastanza piccole, possono essere viste vibrare al microscopio.

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