Mål
Denne aktivitet introducerer eleverne til:

1. Faktorer, der styrer gassers opløselighed i vand
2. Henrys lov og LeChateliers princip
3. Overmætning af gasser i vand
4. Dynamikken af iltopløselighed i søers økosystemer

Indledning
Denne lektion introducerer eleverne til de principper, der styrer gassers opløselighed i
vand, og omfatter anvendelser til dynamikken af iltopløselighed i søers økosystemer. For kemi- (og fysik-) studerende giver denne lektion en forklaring og animation af de fysiske principper, der styrer opløseligheden af en upolær gas i vand, samt en praktisk anvendelse, der giver eleverne mulighed for at observere disse tiltrækningskræfter i aktion i et søøkosystem. For biologistuderende viser denne lektion, at kemi kan anvendes på ændringer i miljøforholdene, og illustrerer den rolle, som organismer kan spille i ændringen af de kemiske forhold i deres eget miljø.

Resultater
Eleverne vil være i stand til at:

1. Forklare og diagramme, hvordan upolære gasser går ind i opløsninger i vand.
2. Forklare den rolle, som tryk og temperatur spiller i forbindelse med ændring af koncentrationen af gasser i vand.
3. Forklar det fysiske grundlag for iltovermætning, og hvordan det hænger sammen med
   fotosyntesen.

Nøgleord
Gasopløselighed, dipol, dipolinduceret dipol, mætning, tryk, temperatur, polær,
unpolær

Materialer/Ressourcer/Software
Excel, Shockwave

Tidsforbrug
1-2 timer

Sammenhænge i læreplanen
Biologi – abiotiske faktorer i miljøet, fotosyntese
Kemi – kemisk ligevægt, opløselighed, polære og upolære materialer,
endoterme/exoterme reaktioner

WOW Curriculum Links
Thermisk stratificering; ilt; akvatisk respiration

Procedure
Før følgende diskussioner igennem med eleverne. Dette kan tilbydes som en demonstration og et foredrag ved hjælp af computerfremvisninger, eller med eleverne i et computerlaboratorium, mens der jævnligt gøres stop for diskussioner.

1. Diskuter, hvordan ilt opløses, og gennemgå animationen, Shockwave plug-in påkrævet.

Noter: Vand, som et polært molekyle, inducerer en ophobning af elektrontæthed(dipolmoment) ved den ene ende af upolære gasmolekyler som f.eks. ilt (O2) og kuldioxid (CO2). I animationen kan man se et polært vandmolekyle, der nærmer sig et upolært O2-molekyle. Elektronskyen i O2 er normalt symmetrisk fordelt mellem de bundne O2-atomer. Når den negative ende af H2O-molekylet nærmer sig iltmolekylet, bevæger O2-molekylets elektronsky sig væk for at reducere den negative-negative frastødning. Som følge heraf er der opstået en dipol (et molekyle med positive og negative ladninger adskilt af en afstand) i det upolære O2-molekyle, hvilket får O2 og H2O til at blive svagt tiltrukket af hinanden. Denne intermolekylære tiltrækning mellem de modsat ladede poler af nærliggende molekyler kaldes en dipolinduceret dipolkraft. Dannelsen af disse kræfter forklarer så den mekanisme, hvormed gasser opløses i vand.

1. Diskuter virkningerne af tryk på iltopløseligheden, og gennemgå animationen, Shockwave plug-in påkrævet.

Noter: Fordi dipolinducerede dipolkræfter er meget svage, påvirkes mængden af upolære gasser (som f.eks. O2), der opløses i et givet volumen vand, stærkt af temperatur og tryk. Henry’s lov beskriver virkningen af tryk på opløseligheden af en gas i en væske. Loven fastslår, at den mængde gas, der opløses i et givet volumen opløsningsmiddel ved en bestemt temperatur (normalt 25 °C for vand), er proportional med gassens partialtryk over væsken. Når en gas under tryk kommer i kontakt med en væske, har trykket en tendens til at tvinge gasmolekylerne i opløsning. Ved et givet tryk stiger antallet af gasmolekyler, der vil gå i opløsning, indtil der er opnået ligevægt. Ved ligevægt er antallet af gasmolekyler, der kommer ind og ud af opløsningen, pr. definition i balance, og koncentrationen af gassen i opløsningen forbliver konstant. Hvis en gas’ partialtryk stiger, kommer der mere gas ind i opløsningen. Hvis partialtrykket falder, kommer gassen ud af opløsningen og opnår en ny ligevægt. Illustrer dette ved at åbne en dåse eller flaske sodavand.
På havniveau er det samlede atmosfæriske tryk 760 mm Hg. Det betyder, at atmosfærens
gravitationsinducerede vægt genererer tilstrækkelig kraft til at flytte en
tilstrækkelig mængde kviksølv (Hg) 760 mm op i et rør. Ved havoverfladen er ca. 20,8 % af denne luft iltgas (O2). Partialtrykket af ilt ved havniveau er derfor 158 mm Hg (760 mm Hg x 0,208 = 158,08 mm Hg). Oxygen har en Henry-konstant på 1,7 x 10-6 molal/mm Hg, når det er opløst i vand ved 25 °C.
Molaliteten af O2 = (1,7 x 10-6 molal/mm Hg)
(158,08 ) = 2,687 x 10-4 m
Af ovenstående værdi kan antallet af milligram pr. liter ilt, der vil
opløses i vand ved 25°C, beregnes.
2,687 x 10-4 mol/kg x 32g/mol x 1000 mg/g = 8,6 mg/liter

1. Diskuter virkningerne af temperaturen på opløseligheden: Le Chatelier-princippet (gennemgå computeranimationen) og se tabellen iltopløselighed).

Noter: Begynd med en demonstration. Åbn to dåser sodavand, en varm og en
kold (eleverne kan også arbejde i små grupper). Det er let at observere, at der frigives mere
gas, hvis dåsen er varm, end når den er kold. Før denne lektion skal du
hælde koldt vand i et glas. I løbet af lektionen kan eleverne observere de ilt
bobler, der er dannet inde i glasset med vand, der var blevet hældt koldt og
varmet op med tiden. Begge disse demonstrationer illustrerer det faktum, at et opløsningsmiddels
temperatur (husk, at vand er det “universelle opløsningsmiddel”) påvirker
gasers opløselighed.

Gasser, der opløses i opløsningsmidler, afgiver normalt varme i en eksoterm proces, mens de opløses.

Gas + flydende opløsningsmiddel —> mættet opløsning + varme

Denne proces fortsætter, indtil mætning er nået. På dette tidspunkt vil gassen stadig opløses, men vil blive udlignet af den gas, der forlader opløsningen. Hvis der tilføres varme til en opløsning, frigives gas i denne endoterme reaktion:

mættet opløsning + varme —> gas + flydende opløsningsmiddel

I ligevægt kommer der lige så mange molekyler ud af opløsningen, som der opløses i et givet tidsrum.

gas + væske <——> mættet opløsning + varme

Le Chateliers princip siger, at en ændring i en af de faktorer, der bestemmer
ligevægten, vil få systemet til at tilpasse sig for at reducere eller modvirke
virkningen af ændringen. Le Chateliers princip forudsiger, at opløseligheden af en gas vil stige, når et system mister varme, og vil falde, når det får mere varme.

1. Diskuter, hvordan overmætning af O2 er mulig.

Noter: På grund af virkningerne af det hydrostatiske tryk på gasser i opløsning kan vand blive overmættet med ilt og andre gasser (overskride 100 % mætning). De tiltrækningskræfter, der holder overskydende ilt i opløsningen, ligner de tidligere omtalte dipolinducerede dipolkræfter, men der er et mindre antal vandmolekyler til rådighed til at inducere dipoler i iltmolekyler. Dette fører til svagere tiltrækning af iltmolekyler, når vand er overmættet med ilt. Giv en hypotese om, hvilke forhold i søer der kan forårsage overmætning. Hvilke spor kan du kigge efter i en sø, der kan indikere, at der forekommer overmætning af O2?

1. Opgaver elevpar til at gennemføre elevstudieretningen.
2. Diskuter elevernes resultater.