Cíle
Tato aktivita seznamuje studenty s:

1. Faktory, které řídí rozpustnost plynů ve vodě
2. Henryho zákon a LeChatelierův princip
3. přesycení plynů ve vodě
4. Dynamiku rozpustnosti kyslíku v jezerních ekosystémech

Úvod
Tato lekce seznamuje studenty s principy, které řídí rozpustnost plynů v
vodě, a zahrnuje aplikace na dynamiku rozpustnosti kyslíku v jezerních ekosystémech. Pro studenty chemie (a fyziky) tato lekce poskytuje vysvětlení a animaci fyzikálních principů, které řídí rozpustnost nepolárního plynu ve vodě, a také praktickou aplikaci, která umožňuje studentům pozorovat tyto přitažlivé síly v akci v jezerním ekosystému. Pro studenty biologie tato lekce demonstruje aplikovatelnost chemie na změny podmínek prostředí a ukazuje roli, kterou mohou organismy hrát při změně chemického stavu vlastního prostředí.

Výstupy
Studenti budou schopni:

1. Vysvětlit a znázornit, jak nepolární plyny vstupují do roztoků ve vodě.
2. Vysvětlit, jakou roli hraje tlak a teplota při změně koncentrace plynů ve vodě.
3. Vysvětlete fyzikální podstatu přesycení kyslíkem a jak souvisí s
   fotosyntézou.

Klíčová slova
rozpustnost plynů, dipól, dipól indukovaný dipólem, nasycení, tlak, teplota, polární,
nepolární

Materiály/Zdroje/Software
Excel, Shockwave

Potřebný čas
1-2 hodiny

Propojení s učivem
Biologie – abiotické faktory prostředí, fotosyntéza
Chemie – chemická rovnováha, rozpustnost, polární a nepolární látky,
konečné/exotermické reakce

Vazby na učební osnovy
Tepelné rozvrstvení; kyslík; vodní dýchání

Postup
Vypracujte se studenty následující diskusi. Lze nabídnout jako demonstraci a přednášku s využitím počítačové projekce nebo se studenty v počítačové učebně při pravidelných zastávkách k diskusi.

1. Diskutujte o tom, jak se rozpouští kyslík, a prohlédněte si animaci, vyžaduje se zásuvný modul Shockwave.

Poznámky: Voda jako polární molekula vyvolává akumulaci elektronové hustoty(dipólového momentu) na jednom konci nepolárních molekul plynů, jako je kyslík (O2) a oxid uhličitý (CO2). V animaci pozorujte polární molekulu vody, která se přibližuje k nepolární molekule O2. Elektronové mračno O2 je normálně symetricky rozloženo mezi vázanými atomy O2. Jakmile se záporný konec molekuly H2O přiblíží k molekule kyslíku, elektronový oblak O2 se oddálí, aby se zmenšilo odpuzování mezi zápory. V důsledku toho se v nepolární molekule O2 vyvolal dipól (molekula s kladným a záporným nábojem odděleným určitou vzdáleností), který způsobuje, že se O2 a H2O navzájem slabě přitahují. Tato mezimolekulární přitažlivost mezi opačně nabitými póly blízkých molekul se označuje jako dipólem indukovaná dipólová síla. Vznik těchto sil pak vysvětluje mechanismus, kterým se plyny rozpouštějí ve vodě.

1. Diskutujte o vlivu tlaku na rozpustnost kyslíku a prohlédněte si animaci, je vyžadován Shockwave plug-in.

Poznámky: Protože dipólové síly jsou velmi slabé, množství nepolárních plynů (jako je O2), které se rozpustí v daném objemu vody, je silně ovlivněno teplotou a tlakem. Henryho zákon popisuje vliv tlaku na rozpustnost plynu v kapalině. Zákon říká, že množství plynu, které se rozpustí v daném objemu rozpouštědla při určité
teplotě (obvykle 25 °C pro vodu), je úměrné parciálnímu tlaku plynu nad kapalinou. Při styku plynu pod tlakem s kapalinou má tlak tendenci vytlačit molekuly plynu do roztoku. Při daném tlaku počet molekul plynu, které vstoupí do roztoku, roste, dokud není dosaženo rovnováhy. Podle definice je v rovnovážném stavu počet molekul plynu vstupujících do roztoku a vystupujících z něj vyrovnaný a koncentrace plynu v roztoku zůstává konstantní. Zvyšuje-li se parciální tlak plynu, vstupuje do roztoku více plynu. Pokud parciální tlak klesne, plyn z roztoku vystoupí a dosáhne nové rovnováhy. Ilustrujte to otevřením plechovky nebo láhve sodovky.
Na úrovni hladiny moře je celkový atmosférický tlak 760 mm Hg. To znamená, že
tíha atmosféry vyvolaná gravitací vytváří dostatečnou sílu, aby se
dostatečný objem rtuti (Hg) přemístil o 760 mm nahoru do trubice. Na úrovni hladiny moře tvoří přibližně 20,8 % tohoto vzduchu plynný kyslík (O2). Parciální tlak kyslíku na úrovni hladiny moře je tedy 158 mm Hg (760 mm Hg x 0,208 = 158,08 mm Hg). Kyslík má při rozpuštění ve vodě o teplotě 25 °C konstantu Henryho zákona 1,7 x 10-6 molal/mm Hg.
Molalita O2 = (1,7 x 10-6 molal/mm Hg)
(158,08 ) = 2,687 x 10-4 m
Z výše uvedené hodnoty lze vypočítat počet miligramů na litr kyslíku, který se
rozpustí ve vodě o teplotě 25°C.
2,687 x 10-4 molů/kg x 32g/mol x 1000 mg/g = 8,6 mg/litr

1. Diskutujte o vlivu teploty na rozpustnost: Le Chatelierův princip (prohlédněte si počítačovou animaci) a nahlédněte do tabulky rozpustnosti kyslíku).

Poznámky: Začněte demonstrací. Otevřete dvě plechovky sodovky, jednu teplou a druhou
studenou (studenti mohou pracovat i v malých skupinách). Snadno zjistíte, že se uvolňuje více
plynu, je-li plechovka teplá, než když je studená. Před touto lekcí
nalijte do sklenice studenou vodu. Během lekce mohou studenti pozorovat kyslíkové
bubliny, které se vytvořily uvnitř sklenice s vodou, která byla nalita studená a
postupem času se zahřívala. Obě tyto ukázky ilustrují skutečnost, že
teplota rozpouštědla (připomeňme, že voda je „univerzální rozpouštědlo“) ovlivňuje
rozpustnost plynů.

Plyny, které se rozpouštějí v rozpouštědlech, obvykle při rozpouštění uvolňují teplo v exotermickém procesu .

plyn + kapalné rozpouštědlo —> nasycený roztok + teplo

Tento proces pokračuje, dokud není dosaženo nasycení. V tomto okamžiku se plyn bude stále rozpouštět, ale bude vyvážen plynem, který roztok opustí. Pokud se do roztoku přidá teplo, uvolní se při této endotermické reakci plyn:

nasycený roztok + teplo —> plyn + kapalné rozpouštědlo

V rovnováze z roztoku vyjde tolik molekul, kolik se jich za daný časový úsek rozpustí.

plyn + kapalné <——> nasycený roztok + teplo

Le Chatelierův princip říká, že změna některého z faktorů určujících
rovnováhu způsobí, že se systém přizpůsobí tak, aby se snížil nebo neutralizoval
účinek změny. Le Chatelierův princip předpovídá, že rozpustnost plynu se bude zvyšovat, když systém ztrácí teplo, a snižovat, když teplo získává.

1. Diskutujte o tom, jak je možné dosáhnout přesycení O2.

Poznámky: V důsledku působení hydrostatického tlaku na plyny v roztoku může dojít k přesycení vody kyslíkem a dalšími plyny (překročení 100% nasycení). Přitažlivé síly, které udržují přebytek kyslíku v roztoku, jsou podobné dipólovým silám indukovaným dipóly, o kterých jsme hovořili dříve, ale pro indukci dipólů v molekulách kyslíku je k dispozici menší počet molekul vody. To vede ke slabší přitažlivosti molekul kyslíku při přesycení vody kyslíkem. Vyslovte hypotézu, jaké podmínky v jezerech mohou způsobit přesycení. Jaké indicie byste mohli hledat v jezeře, které by mohly naznačovat, že dochází k přesycení O2?

1. Přiřaďte dvojice studentů k dokončení studentské studijní lekce.
2. Diskutujte o výsledcích studentů.

.