Célok
Ez a tevékenység megismerteti a tanulókat az alábbiakkal:
- A gázok vízben való oldhatóságát szabályozó tényezők
- Henry törvénye és LeChatelier elve
- A gázok vízben való szupertelítettsége
- Az oxigén oldhatóságának dinamikája a tavi ökoszisztémákban
Bevezetés
Ez a lecke megismerteti a tanulókat a gázok vízben való oldhatóságát szabályozó elvekkel
, és alkalmazásokat tartalmaz az oxigén oldhatóságának dinamikájára a tavi ökoszisztémákban. A kémia (és fizika) tanulók számára ez a lecke magyarázatot és animációt nyújt a nem poláris gázok vízben való oldhatóságát szabályozó fizikai elvekről, valamint egy gyakorlati alkalmazást, amely lehetővé teszi a tanulók számára, hogy megfigyeljék ezeket a vonzó erőket egy tó ökoszisztémájában. A biológiatanulók számára ez a lecke bemutatja a kémia alkalmazhatóságát a környezeti feltételek változásaira, és szemlélteti, hogy az élőlények milyen szerepet játszhatnak saját környezetük kémiai állapotának megváltoztatásában.
Eredmények
A tanulók képesek lesznek a következőkre:
- Magyarázzák és ábrázolják, hogyan lépnek be a nem poláris gázok a vízben lévő oldatokba.
- Magyarázzák a nyomás és a hőmérséklet szerepét a gázok vízben lévő koncentrációjának megváltoztatásában.
- Magyarázza az oxigén-túltelítettség fizikai alapjait, és hogyan függ össze a
fotoszintézissel.
Kulcsszavak
gázok oldhatósága, dipólus, dipólus-indukált dipólus, telítettség, nyomás, hőmérséklet, poláris,
nem poláris
anyagok/források/szoftverek
Excel, Shockwave
időigény
1-2 óra
Tantervi kapcsolódások
Biológia – abiotikus tényezők a környezetben, fotoszintézis
Kémia – kémiai egyensúly, oldhatóság, poláris és nem poláris anyagok,
endotermikus/exotermikus reakciók
WOW Curriculum Links
Thermikus rétegződés; oxigén; vízi légzés
Eljárás
Feldolgozzuk a tanulókkal az alábbi megbeszéléseket. Ezt fel lehet kínálni bemutató és előadás formájában, számítógépes vetítéssel, vagy a tanulókkal egy számítógépes laborban, miközben időnként meg kell állni a megbeszélésekre.
- Tárgyaljuk meg, hogyan oldódik az oxigén, és tekintsük át az animációt, Shockwave plug-in szükséges.
Jegyzetek: A víz, mint poláris molekula, a nem poláris gázmolekulák, például az oxigén (O2) és a szén-dioxid (CO2) egyik végén elektron-sűrűség(dipólusmomentum) felhalmozódását idézi elő. Az animációban figyeljünk meg egy poláris vízmolekulát, amely egy nem poláris O2 molekulához közelít. Az O2 elektronfelhője normálisan szimmetrikusan oszlik el a kötött O2 atomok között. Ahogy a H2O molekula negatív vége közeledik az oxigénmolekulához, az O2 elektronfelhője eltávolodik, hogy csökkentse a negatív-negatív taszítást. Ennek eredményeképpen a nem poláros O2 molekulában egy dipólus (olyan molekula, amelynek pozitív és negatív töltéseit egy távolság választja el egymástól) keletkezett, aminek következtében az O2 és a H2O gyengén vonzódik egymáshoz. Ezt a közeli molekulák ellentétes töltésű pólusai közötti intermolekuláris vonzást nevezzük dipólus-indukált dipóluserőnek. Ezeknek az erőknek a létrejötte magyarázza azt a mechanizmust, amellyel a gázok vízben oldódnak.
- Tárgyalja meg a nyomás hatását az oxigén oldhatóságára, és tekintse át az animációt, Shockwave plug-in szükséges.
Jegyzetek: Mivel a dipól-indukált dipólerők nagyon gyengék, a hőmérséklet és a nyomás erősen befolyásolja az adott térfogatú vízben oldódó nem poláris gázok (például az O2) mennyiségét. A Henry-törvény leírja a nyomás hatását egy gáz folyadékban való oldhatóságára. A törvény kimondja, hogy a gáz mennyisége, amely egy adott mennyiségű oldószerben egy meghatározott
hőmérsékleten (víz esetében általában 25°C) oldódik, arányos a gáz folyadék feletti parciális nyomásával. Amikor a nyomás alatt lévő gáz folyadékkal érintkezik, a nyomás hajlamos a gázmolekulákat oldatba kényszeríteni. Adott nyomáson az oldatba kerülő gázmolekulák száma az egyensúly eléréséig növekszik. Definíció szerint egyensúlyban az oldatba belépő és onnan távozó gázmolekulák száma egyensúlyban van, és az oldatban lévő gáz koncentrációja állandó marad. Ha egy gáz parciális nyomása nő, több gáz kerül az oldatba. Ha a parciális nyomás csökken, a gáz kilép az oldatból, és új egyensúlyi állapot jön létre. Ezt egy doboz vagy üveg üdítőital kinyitásával szemléltethetjük.
A tengerszinten a teljes légköri nyomás 760 mm Hg. Ez azt jelenti, hogy a légkör
gravitáció okozta súlya elegendő erőt generál ahhoz, hogy egy
megfelelő mennyiségű higany (Hg) 760 mm-t mozogjon felfelé egy csőben. Tengerszinten ennek a levegőnek körülbelül 20,8 százaléka oxigéngáz (O2). Az oxigén parciális nyomása tengerszinten tehát 158 mm Hg (760 mm Hg x 0,208 = 158,08 mm Hg). Az oxigén Henry-törvény szerinti állandója 1,7 x 10-6 molal/mm Hg, ha 25 °C-os vízben oldódik.
O2 molalitása = (1,7 x 10-6 molal/mm Hg)
(158,08 ) = 2,687 x 10-4 m
A fenti értékből kiszámítható, hogy 25°C-os vízben hány milligramm/liter oxigén fog
oldódni.
2,687 x 10-4 mól/kg x 32g/mol x 1000 mg/g = 8,6 mg/liter
- Tárgyaljuk a hőmérsékletnek az oldhatóságra gyakorolt hatását: Le Chatelier elve (tekintse át a számítógépes animációt) és hivatkozzon az oxigén oldhatósági táblázatra).
Jegyzetek: Kezdjük egy bemutatóval. Nyissunk ki két doboz üdítőt, egy meleget és egy
hideget (a tanulók kis csoportokban is dolgozhatnak). Könnyen megfigyelhető, hogy több
gáz szabadul fel, ha a doboz meleg, mint ha hideg. A lecke előtt
öntsünk hideg vizet egy pohárba. Az óra során a tanulók megfigyelhetik az oxigén
buborékokat, amelyek a hidegen kiöntött és
idővel felmelegedő pohár víz belsejében keletkeztek. Mindkét szemléltetés azt a tényt szemlélteti, hogy az oldószer
hőmérséklete (emlékezzünk arra, hogy a víz az “univerzális oldószer”) befolyásolja
a gázok oldhatóságát.
Az oldószerekben oldódó gázok oldódásuk során általában exoterm folyamat során hőt szabadítanak fel .
gáz + folyékony oldószer —> telített oldat + hő
Ez a folyamat a telítettség eléréséig tart. Ekkor a gáz még mindig oldódik, de az oldatot elhagyó gáz kiegyenlíti. Ha hőt adunk az oldathoz, ebben az endoterm reakcióban gáz szabadul fel:
telített oldat + hő —> gáz + folyékony oldószer
Egyensúlyban annyi molekula lép ki az oldatból, ahány molekula oldódik adott idő alatt.
gáz + folyadék <——> telített oldat + hő
Le Chatelier elve kimondja, hogy az
egyensúlyt meghatározó bármelyik tényező megváltozása a rendszer alkalmazkodását okozza a változás hatásának csökkentése vagy ellensúlyozása
érdekében. Le Chatelier elve azt jósolja, hogy egy gáz oldhatósága nő, ha a rendszer hőt veszít, és csökken, ha hőt nyer.
- Tárgyaljuk meg, hogyan lehetséges az O2 szupertelítettsége.
Jegyzetek: A hidrosztatikus nyomásnak az oldatban lévő gázokra gyakorolt hatása miatt a víz oxigénnel és más gázokkal túltelítetté válhat (meghaladhatja a 100%-os telítettséget). A vonzóerők, amelyek a felesleges oxigént az oldatban tartják, hasonlóak a korábban tárgyalt dipólus indukálta dipóluserőkhöz, de kisebb számú vízmolekula áll rendelkezésre az oxigénmolekulák dipólusainak indukálására. Ez az oxigénmolekulák gyengébb vonzásához vezet, amikor a víz oxigénnel túltelített. Tegye fel a hipotézist, hogy a tavakban milyen körülmények okozhatnak túltelítettséget. Milyen nyomokat kereshetsz egy tóban, amelyek O2-túltelítettségre utalhatnak?
- Tanulópárok kijelölése a tanulói Tanulmányi lecke elvégzésére.
- A tanulói eredmények megvitatása.