Tavoitteet
Tässä tehtävässä oppilaat oppivat:
- Tekijät, jotka säätelevät kaasujen liukoisuutta veteen
- Henryn laki ja LeChatelierin periaate
- Kaasujen ylikyllästyminen veteen
- Hapen liukoisuuden dynamiikka järviekosysteemeissä
Sisällysluettelo
Tällä oppitunnilla oppilaat tutustuvat periaatteisiin, jotka säätelevät kausien liukoisuutta
veteen, ja sisältää sovelluksia hapen liukoisuuden dynamiikkaan järviekosysteemeissä. Kemian (ja fysiikan) opiskelijoille tämä oppitunti tarjoaa selityksen ja animaation fysikaalisista periaatteista, jotka säätelevät poolittoman kaasun liukoisuutta veteen, sekä käytännön sovelluksen, jonka avulla opiskelijat voivat havainnoida näitä vetovoimia toiminnassa järviekosysteemissä. Biologian opiskelijoille tämä oppitunti osoittaa kemian sovellettavuuden ympäristöolosuhteiden muutoksiin ja havainnollistaa, millainen rooli eliöillä voi olla oman ympäristönsä kemiallisten olosuhteiden muuttamisessa.
Tulokset
Opiskelijat osaavat:
- selittää ja havainnollistaa, miten poolittomat kaasut pääsevät vesiliuoksiin.
- selittää paineen ja lämpötilan roolia kaasujen pitoisuuksien muuttamisessa vedessä.
- Erittele hapen ylikylläisyyden fysikaalinen perusta ja miten se liittyy
fosynteesiin.
Sanoja
kaasujen liukoisuus, dipoli, dipoli-indusoitu dipoli, kyllästyminen, paine, lämpötila, polaarinen,
ei-polaarinen
Materiaalit/Resurssit/Ohjelmistot
Excel, Shockwave
Tarvittava aika
1-2 tuntia
Oppimateriaalin ja ohjelmiston kytkennät
Kirjallisuussuunnitelmat
Biologian osa-alueet – abioottisia tekijöitä ympäristöstä, fotosynteesi
Kemia – kemiallinen tasapaino, liukoisuus, polaariset ja poolittomat aineet,
endotermiset/eksotermiset reaktiot
WOW Opetussuunnitelmalinkit
Lämpökerrostuminen; happi; veden hengitys
Menettely
Käsittele oppilaiden kanssa seuraavat keskustelut. Tämä voidaan tarjota demonstraationa ja luentona tietokoneprojisointeja käyttäen tai opiskelijoiden kanssa tietokoneluokassa pysähtyen ajoittain keskusteluihin.
- Keskustelkaa siitä, miten happi liukenee ja käykää läpi animaatio, Shockwave plug-in vaaditaan.
Huomioita: Vesi polaarisena molekyylinä saa aikaan elektronitiheyden (dipolimomentin) kertymisen poolittomien kaasumolekyylien, kuten hapen (O2) ja hiilidioksidin (CO2), toiseen päähän. Tarkkaile animaatiossa polaarista vesimolekyyliä, joka lähestyy poolitonta O2-molekyyliä. O2:n elektronipilvi jakautuu normaalisti symmetrisesti sidoksissa olevien O2-atomien välille. Kun H2O-molekyylin negatiivinen pää lähestyy happimolekyyliä, O2:n elektronipilvi siirtyy poispäin vähentääkseen negatiivisesta negatiiviseen kohdistuvaa hylkimistä. Tämän seurauksena poolittomaan O2-molekyyliin on syntynyt dipoli (molekyyli, jossa positiiviset ja negatiiviset varaukset ovat etäisyyden päässä toisistaan), mikä saa O2:n ja H2O:n vetämään toisiaan heikosti puoleensa. Tätä molekyylien välistä vetovoimaa läheisten molekyylien vastakkaisesti varattujen napojen välillä kutsutaan dipoli-indusoiduksi dipolivoimaksi. Näiden voimien syntyminen selittää mekanismin, jolla kaasut liukenevat veteen.
- Keskustellaan paineen vaikutuksesta hapen liukoisuuteen ja käydään läpi animaatio, Shockwave plug-in vaaditaan.
Huomautuksia: Koska dipoli-indusoidut dipolivoimat ovat hyvin heikkoja, lämpötila ja paine vaikuttavat voimakkaasti siihen, kuinka paljon poolittomia kaasuja (kuten O2) liukenee tiettyyn vesitilavuuteen. Henryn laki kuvaa paineen vaikutusta kaasun liukoisuuteen nesteeseen. Lain mukaan tiettyyn liuottimen tilavuuteen tietyssä
lämpötilassa (yleensä 25 °C vedelle) liukenevan kaasun määrä on verrannollinen kaasun osapaineeseen nesteen yläpuolella. Kun paineistettu kaasu koskettaa nestettä, paine pyrkii pakottamaan kaasumolekyylit liuokseen. Tietyssä paineessa liuokseen tulevien kaasumolekyylien määrä kasvaa, kunnes tasapaino saavutetaan. Määritelmän mukaan tasapainotilassa liuokseen tulevien ja sieltä lähtevien kaasumolekyylien määrä on tasapainossa ja kaasun pitoisuus liuoksessa pysyy vakiona. Jos kaasun osapaine kasvaa, liuokseen tulee enemmän kaasua. Jos osapaine laskee, kaasua poistuu liuoksesta ja saavutetaan uusi tasapainotila. Havainnollistetaan tätä avaamalla tölkki tai pullo limsaa.
Merenpinnan korkeudella ilman kokonaispaine on 760 mm Hg. Tämä tarkoittaa, että
ilmakehän painovoiman aiheuttama paino tuottaa tarpeeksi voimaa siirtämään
riittävä määrä elohopeaa (Hg) 760 mm putkea ylöspäin. Merenpinnan tasolla tästä ilmasta noin 20,8 prosenttia on happikaasua (O2). Hapen osapaine merenpinnan tasolla on siis 158 mm Hg (760 mm Hg x 0,208 = 158,08 mm Hg). Hapen Henryn lain mukainen vakio on 1,7 x 10-6 molal/mm Hg, kun se on liuennut veteen 25 °C:n lämpötilassa.
O2:n molaliteetti = (1,7 x 10-6 molal/mm Hg)
(158,08 ) = 2,687 x 10-4 m
Yllä olevasta arvosta voidaan laskea, kuinka monta milligrammaa litraa happea liukenee
25 °C:n veteen.
2,687 x 10-4 moolia/kg x 32g/mooli x 1000 mg/g = 8,6 mg/litra
- Keskustele lämpötilan vaikutuksesta liukoisuuteen: Le Chatelierin periaate (tarkastele tietokoneanimaatiota) ja tutustu taulukkoon hapen liukoisuus).
Huomautuksia: Aloita demonstraatiolla. Avaa kaksi limsatölkkiä, toinen lämmin ja toinen
kylmä (oppilaat voivat työskennellä myös pienryhmissä). On helppo havaita, että enemmän
kaasua vapautuu, jos tölkki on lämmin kuin jos se on kylmä. Ennen tätä oppituntia
kaadetaan kylmää vettä lasiin. Oppitunnin aikana oppilaat voivat tarkkailla happi
kuplia, jotka muodostuivat kylmänä kaadetun ja
ajan myötä lämmenneen vesilasin sisälle. Molemmat demonstraatiot havainnollistavat sitä, että liuottimen
lämpötila (muista, että vesi on ”yleisliuotin”) vaikuttaa
kaasujen liukoisuuteen.
Liuottimiin liukenevat kaasut vapauttavat yleensä lämpöä eksotermisessä prosessissa liuetessaan .
kaasu + nestemäinen liuotin —> kylläinen liuos + lämpö
Tämä prosessi jatkuu, kunnes saavutetaan kylläisyys. Tässä vaiheessa kaasua liukenee edelleen, mutta liuoksesta poistuva kaasu tasapainottaa sitä. Jos liuokseen lisätään lämpöä, kaasua vapautuu tässä endotermisessä reaktiossa:
kyllästynyt liuos + lämpö —> kaasu + nestemäinen liuotin
Tasapainossa liuoksesta poistuu yhtä monta molekyyliä kuin liukenee tietyn ajan kuluessa.
kaasu + neste <——> kyllästetty liuos + lämpö
Le Chatelierin periaatteen mukaan muutos missä tahansa
tasapainoa määräävässä tekijässä saa systeemin sopeutumaan muutoksen vaikutuksen vähentämiseksi tai torjumiseksi
. Le Chatelierin periaate ennustaa, että kaasun liukoisuus kasvaa, kun systeemi menettää lämpöä, ja vähenee, kun se saa lämpöä.
- Keskustelkaa siitä, miten O2:n ylikyllästyminen on mahdollista.
Huom: Hydrostaattisen paineen vaikutuksesta liuoksessa oleviin kaasuihin vesi voi ylikyllästyä hapella ja muilla kaasuilla (ylittää 100 %:n kylläisyyden). Vetovoimat, jotka pitävät ylimääräisen hapen liuoksessa, muistuttavat aiemmin käsiteltyjä dipoli-indusoituja dipolivoimia, mutta pienempi määrä vesimolekyylejä on käytettävissä indusoimaan dipoleja happimolekyyleihin. Tämä johtaa happimolekyylien heikompaan vetovoimaan, kun vesi on ylikyllästetty hapella. Hypoteesaa, mitkä olosuhteet järvissä voisivat aiheuttaa ylikylläisyyttä. Mitä vihjeitä voisit etsiä järvestä, jotka voivat viitata siihen, että järvessä tapahtuu O2-ylikyllästymistä?
- Jaa oppilasparit suorittamaan oppilaan opiskelutunti.
- Keskustelkaa oppilaan tuloksista.