Ziele
Diese Aktivität führt die Schüler in das Thema ein:
- Faktoren, die die Löslichkeit von Gasen in Wasser steuern
- Henry’s Law und LeChatelier’s Principle
- Übersättigung von Gasen in Wasser
- Dynamik der Sauerstofflöslichkeit in Seeökosystemen
Einführung
Diese Lektion führt die Schüler in die Prinzipien ein, die die Löslichkeit von Gasen in
Wasser steuern, und beinhaltet Anwendungen auf die Dynamik der Sauerstofflöslichkeit in Seeökosystemen. Für Chemie- (und Physik-) Schüler bietet diese Lektion Erklärungen und Animationen zu den physikalischen Prinzipien, die die Löslichkeit eines unpolaren Gases in Wasser steuern, sowie eine praktische Anwendung, die es den Schülern ermöglicht, diese Anziehungskräfte in einem Seeökosystem in Aktion zu beobachten. Für Biologiestudenten demonstriert diese Lektion die Anwendbarkeit der Chemie auf Veränderungen der Umweltbedingungen und veranschaulicht die Rolle, die Organismen bei der Veränderung des chemischen Zustands ihrer eigenen Umwelt spielen können.
Ergebnisse
Die Schüler sind in der Lage:
- Erläutern Sie und stellen Sie dar, wie unpolare Gase in Lösungen in Wasser eintreten.
- Erläutern, welche Rolle Druck und Temperatur bei der Veränderung der Konzentration von Gasen in Wasser spielen.
- Erkläre die physikalische Grundlage der Sauerstoffübersättigung und wie sie mit der
Photosynthese zusammenhängt.
Schlüsselwörter
Gaslöslichkeit, Dipol, Dipol-induzierter Dipol, Sättigung, Druck, Temperatur, polar,
unpolar
Materialien/Ressourcen/Software
Excel, Shockwave
Zeitbedarf
1-2 Stunden
Lehrplananschlüsse
Biologie – abiotische Faktoren in der Umwelt, Photosynthese
Chemie – chemisches Gleichgewicht, Löslichkeit, polare und unpolare Stoffe,
endotherme/exotherme Reaktionen
WOW Curriculum Links
Thermische Schichtung; Sauerstoff; aquatische Atmung
Vorgehensweise
Arbeiten Sie die folgenden Diskussionen mit den Schülern durch. Dies könnte als Demonstration und Vorlesung mit Hilfe von Computerprojektionen oder mit den Schülern in einem Computerlabor mit regelmäßigen Pausen für Diskussionen angeboten werden.
- Diskutieren Sie, wie sich Sauerstoff auflöst, und sehen Sie sich die Animation an (Shockwave-Plug-in erforderlich).
Hinweise: Wasser als polares Molekül bewirkt eine Anhäufung der Elektronendichte (Dipolmoment) an einem Ende von unpolaren Gasmolekülen wie Sauerstoff (O2) und Kohlendioxid (CO2). Beobachten Sie in der Animation ein polares Wassermolekül, das sich einem unpolaren O2-Molekül nähert. Die Elektronenwolke von O2 ist normalerweise symmetrisch zwischen den gebundenen O2-Atomen verteilt. Wenn sich das negative Ende des H2O-Moleküls dem Sauerstoffmolekül nähert, bewegt sich die Elektronenwolke von O2 weg, um die negative Abstoßung zu verringern. Dadurch entsteht in dem unpolaren O2-Molekül ein Dipol (ein Molekül mit positiven und negativen Ladungen, die durch einen Abstand voneinander getrennt sind), wodurch O2 und H2O eine schwache Anziehung zueinander entwickeln. Diese intermolekulare Anziehung zwischen den entgegengesetzt geladenen Polen benachbarter Moleküle wird als dipolinduzierte Dipolkraft bezeichnet. Die Entstehung dieser Kräfte erklärt dann den Mechanismus, durch den sich Gase in Wasser lösen.
- Diskutieren Sie die Auswirkungen des Drucks auf die Löslichkeit von Sauerstoff und sehen Sie sich die Animation an, Shockwave Plug-in erforderlich.
Hinweise: Da die dipolinduzierten Dipolkräfte sehr schwach sind, wird die Menge unpolarer Gase (wie O2), die sich in einem bestimmten Wasservolumen löst, stark von Temperatur und Druck beeinflusst. Das Henry’sche Gesetz beschreibt den Einfluss des Drucks auf die Löslichkeit eines Gases in einer Flüssigkeit. Das Gesetz besagt, dass die Gasmenge, die sich in einem bestimmten Volumen eines Lösungsmittels bei einer bestimmten Temperatur (in der Regel 25 °C für Wasser) löst, proportional zum Partialdruck des Gases über der Flüssigkeit ist. Wenn ein unter Druck stehendes Gas mit einer Flüssigkeit in Kontakt kommt, neigt der Druck dazu, die Gasmoleküle in Lösung zu zwingen. Bei einem bestimmten Druck steigt die Anzahl der Gasmoleküle, die in Lösung gehen, bis ein Gleichgewicht erreicht ist. Definitionsgemäß ist im Gleichgewicht die Anzahl der in die Lösung eintretenden und aus ihr austretenden Gasmoleküle ausgeglichen und die Konzentration des Gases in der Lösung bleibt konstant. Steigt der Partialdruck eines Gases, geht mehr Gas in die Lösung ein. Wenn der Partialdruck sinkt, tritt das Gas aus der Lösung aus und erreicht ein neues Gleichgewicht. Veranschaulichen Sie dies, indem Sie eine Dose oder Flasche Limonade öffnen.
Auf Meereshöhe beträgt der gesamte atmosphärische Druck 760 mm Hg. Das bedeutet, dass das
Gravitationsgewicht der Atmosphäre genug Kraft erzeugt, um ein
ausreichendes Volumen an Quecksilber (Hg) 760 mm in einem Rohr nach oben zu bewegen. Auf Meereshöhe bestehen etwa 20,8 Prozent dieser Luft aus Sauerstoff (O2). Der Partialdruck von Sauerstoff auf Meereshöhe beträgt daher 158 mm Hg (760 mm Hg x 0,208 = 158,08 mm Hg). Sauerstoff hat eine Konstante nach dem Henry’schen Gesetz von 1,7 x 10-6 molal/mm Hg, wenn er in Wasser bei 25 °C gelöst ist.
Molalität von O2 = (1,7 x 10-6 molal/mm Hg)
(158,08 ) = 2,687 x 10-4 m
Aus dem obigen Wert lässt sich die Anzahl der Milligramm pro Liter Sauerstoff berechnen, die sich in 25°C warmem Wasser lösen.
2,687 x 10-4 mol/kg x 32g/mol x 1000 mg/g = 8,6 mg/Liter
- Diskutieren Sie die Auswirkungen der Temperatur auf die Löslichkeit: Le Chatelier’s Prinzip (betrachten Sie die Computeranimation) und beziehen Sie sich auf die Tabelle Sauerstofflöslichkeit).
Hinweise: Beginnen Sie mit einer Demonstration. Öffnen Sie zwei Dosen Limonade, eine warm und eine
kalt (die Schüler können auch in kleinen Gruppen arbeiten). Es ist leicht zu beobachten, dass mehr
Gas freigesetzt wird, wenn die Dose warm ist, als wenn sie kalt ist. Gießen Sie vor dieser Lektion
kaltes Wasser in ein Glas. Während der Lektion können die Schüler die Sauerstoffblasen beobachten, die sich in dem Glas mit kaltem Wasser gebildet haben, das sich mit der Zeit erwärmt hat. Beide Demonstrationen veranschaulichen die Tatsache, dass die
Temperatur eines Lösungsmittels (zur Erinnerung: Wasser ist das „universelle Lösungsmittel“) die
Löslichkeit von Gasen beeinflusst.
Gase, die sich in Lösungsmitteln lösen, geben bei ihrer Auflösung in der Regel in einem exothermen Prozess Wärme ab.
Gas + flüssiges Lösungsmittel —> gesättigte Lösung + Wärme
Dieser Prozess dauert an, bis die Sättigung erreicht ist. An diesem Punkt löst sich immer noch Gas, aber es wird durch das Gas, das die Lösung verlässt, ausgeglichen. Wird einer Lösung Wärme zugeführt, so wird bei dieser endothermen Reaktion Gas freigesetzt:
gesättigte Lösung + Wärme —> Gas + flüssiges Lösungsmittel
Im Gleichgewicht treten so viele Moleküle aus der Lösung aus, wie sich in einer bestimmten Zeitspanne auflösen.
Gas + Flüssigkeit <——>gesättigte Lösung + Wärme
Das Prinzip von Le Chatelier besagt, dass eine Veränderung eines der Faktoren, die das
Gleichgewicht bestimmen, dazu führt, dass sich das System anpasst, um die Auswirkung der Veränderung zu verringern oder ihr entgegenzuwirken
. Das Prinzip von Le Chatelier sagt voraus, dass die Löslichkeit eines Gases zunimmt, wenn ein System Wärme verliert, und abnimmt, wenn es Wärme gewinnt.
- Erörtere, wie die Übersättigung von O2 möglich ist.
Hinweise: Aufgrund der Auswirkungen des hydrostatischen Drucks auf Gase in Lösung kann Wasser mit Sauerstoff und anderen Gasen übersättigt werden (über 100% Sättigung). Die Anziehungskräfte, die den überschüssigen Sauerstoff in der Lösung halten, ähneln den bereits erwähnten Dipol-induzierten Dipolkräften, jedoch steht eine geringere Anzahl von Wassermolekülen zur Verfügung, um Dipole in Sauerstoffmolekülen zu induzieren. Dies führt zu einer schwächeren Anziehungskraft von Sauerstoffmolekülen, wenn das Wasser mit Sauerstoff übersättigt ist. Stellen Sie Hypothesen darüber auf, welche Bedingungen in Seen eine Übersättigung verursachen könnten. Auf welche Anzeichen könntest du in einem See achten, die darauf hinweisen, dass eine Übersättigung mit O2 auftritt?
- Teilen Sie Schülerpaare ein, um die Lerneinheit zu vervollständigen.
- Besprechen Sie die Ergebnisse der Schüler.