Obiettivi
Questa attività introduce gli studenti a:

1. Fattori che controllano la solubilità dei gas in acqua
2. Legge di Henry e Principio di LeChatelier
3. Supersaturazione dei gas in acqua
4. Dinamica della solubilità dell’ossigeno negli ecosistemi lacustri

Introduzione
Questa lezione introduce gli studenti ai principi che controllano la solubilità dei gas in
acqua, e include applicazioni alla dinamica della solubilità dell’ossigeno negli ecosistemi lacustri. Per gli studenti di chimica (e fisica) questa lezione fornisce la spiegazione e l’animazione dei principi fisici che controllano la solubilità di un gas non polare in acqua, così come un’applicazione pratica che permette agli studenti di osservare queste forze attrattive in azione in un ecosistema lacustre. Per gli studenti di biologia, questa lezione dimostra l’applicabilità della chimica ai cambiamenti delle condizioni ambientali e illustra il ruolo che gli organismi possono giocare nell’alterare le condizioni chimiche del proprio ambiente.

Risultati
Gli studenti saranno in grado di:

1. Spiegare e schematizzare come i gas non polari entrano nelle soluzioni in acqua.
2. Spiegare i ruoli che la pressione e la temperatura giocano nell’alterare la concentrazione dei gas in acqua.
3. Spiega la base fisica della sovrasaturazione dell’ossigeno e come è collegata alla
   fotosintesi.

Parole chiave
solubilità dei gas, dipolo, dipolo indotto, saturazione, pressione, temperatura, polare,
non-polare

Materiali/Risorse/Software
Excel, Shockwave

Tempo richiesto
1-2 ore

Collegamenti col curriculum
Biologia – fattori abiotici nell’ambiente, fotosintesi
Chimica – equilibrio chimico, solubilità, materiali polari e non polari,
reazioni endotermiche/esotermiche

Collegamenti Curriculum WOW
Stratificazione termica; ossigeno; respirazione acquatica

Procedura
Lavora attraverso le seguenti discussioni con gli studenti. Questo potrebbe essere offerto come una dimostrazione e una lezione utilizzando proiezioni computerizzate, o con gli studenti in un laboratorio di computer, fermandosi periodicamente per le discussioni.

1. Discutere come si dissolve l’ossigeno e rivedere l’animazione, è richiesto il plug-in Shockwave.

Note: L’acqua, come molecola polare, induce un accumulo di densità di elettroni (momento di dipolo) ad una estremità delle molecole di gas non polari come l’ossigeno (O2) e l’anidride carbonica (CO2). Nell’animazione, osservate una molecola d’acqua polare che si avvicina a una molecola non polare di O2. La nuvola di elettroni di O2 è normalmente distribuita simmetricamente tra gli atomi di O2 legati. Quando l’estremità negativa della molecola H2O si avvicina alla molecola di ossigeno, la nuvola di elettroni dell’O2 si allontana per ridurre la repulsione negativo-negativo. Come risultato, un dipolo (una molecola con cariche positive e negative separate da una distanza) è stato indotto nella molecola non polare di O2, facendo sì che O2 e H2O diventino debolmente attratti l’uno dall’altro. Questa attrazione intermolecolare tra i poli opposti delle molecole vicine è chiamata forza di dipolo indotta. La creazione di queste forze spiega quindi il meccanismo con cui i gas si dissolvono in acqua.

1. Discutere gli effetti della pressione sulla solubilità dell’ossigeno e rivedere l’animazione, plug-in Shockwave richiesto.

Note: Poiché le forze di dipolo indotte sono molto deboli, la quantità di gas non polari (come l’O2) che si dissolverà in un dato volume d’acqua è fortemente influenzata dalla temperatura e dalla pressione. La legge di Henry descrive l’effetto della pressione sulla solubilità di un gas in un liquido. La legge afferma che la quantità di gas che si dissolve in un dato volume di solvente ad una determinata
temperatura (di solito 25°C per l’acqua) è proporzionale alla pressione parziale del gas sopra il liquido. Quando un gas sotto pressione entra in contatto con un liquido, la pressione tende a forzare le molecole di gas in soluzione. Ad una data pressione, il numero di molecole di gas che entreranno in soluzione aumenta fino a raggiungere l’equilibrio. Per definizione, all’equilibrio, il numero di molecole di gas che entrano ed escono dalla soluzione è equilibrato e la concentrazione del gas in soluzione rimane costante. Se la pressione parziale di un gas aumenta, più gas entra in soluzione. Se la pressione parziale diminuisce, il gas esce dalla soluzione e raggiunge un nuovo equilibrio. Illustra questo aprendo una lattina o una bottiglia di soda pop.
A livello del mare, la pressione atmosferica totale è di 760 mm Hg. Questo significa che il peso dell’atmosfera, indotto dalla gravità, genera una forza sufficiente per spostare un volume sufficiente di mercurio (Hg) di 760 mm in un tubo. A livello del mare, circa il 20,8% di quest’aria è ossigeno gassoso (O2). La pressione parziale dell’ossigeno a livello del mare è quindi 158 mm Hg (760 mm Hg x 0,208 = 158,08 mm Hg). L’ossigeno ha una costante della legge di Henry di 1,7 x 10-6 molal/mm Hg quando è dissolto in acqua a 25°C.
Molalità di O2 = (1,7 x 10-6 molal/mm Hg)
(158,08 ) = 2,687 x 10-4 m
Dal valore di cui sopra si può calcolare il numero di milligrammi per litro di ossigeno che si
dissolve in acqua a 25°C.
2,687 x 10-4 moli/kg x 32g/mole x 1000 mg/g = 8,6 mg/litro

1. Discutere gli effetti della temperatura sulla solubilità: Principio di Le Chatelier (rivedere l’animazione al computer) e fare riferimento alla tabella solubilità dell’ossigeno).

Note: Iniziare con una dimostrazione. Aprire due lattine di soda, una calda e una fredda (gli studenti possono anche lavorare in piccoli gruppi). Si osserva facilmente che viene rilasciato più
gas se la lattina è calda rispetto a quando è fredda. Prima di questa lezione,
versa dell’acqua fredda in un bicchiere. Durante la lezione gli studenti possono osservare le bolle di ossigeno
che si sono formate all’interno del bicchiere d’acqua che era stato versato freddo e
riscaldato nel tempo. Entrambe queste dimostrazioni illustrano il fatto che la
temperatura di un solvente (ricordiamo che l’acqua è il “solvente universale”) influenza
la solubilità dei gas.

I gas che si dissolvono nei solventi di solito rilasciano calore in un processo esotermico mentre si dissolvono.

gas + solvente liquido —> soluzione satura + calore

Questo processo continua fino alla saturazione. A questo punto il gas si dissolverà ancora, ma sarà bilanciato dal gas che lascia la soluzione. Se il calore viene aggiunto a una soluzione, il gas viene rilasciato in questa reazione endotermica:

soluzione satura + calore —> gas + solvente liquido

All’equilibrio, tante molecole escono dalla soluzione quante si dissolvono in un dato periodo di tempo.

gas + liquido <——> soluzione satura + calore

Il principio di Le Chatelier afferma che un cambiamento in uno dei fattori che determinano
l’equilibrio farà sì che il sistema si adatti per ridurre o contrastare
l’effetto del cambiamento. Il principio di Le Chatelier predice che la solubilità di un gas aumenterà quando un sistema perde calore, e diminuirà quando acquista calore.

1. Discutere come è possibile la supersaturazione dell’O2.

Note: A causa degli effetti della pressione idrostatica sui gas in soluzione, l’acqua può diventare supersatura di ossigeno e di altri gas (superare il 100% di saturazione). Le forze attrattive che tengono l’ossigeno in eccesso in soluzione sono simili alle forze di dipolo indotte dai dipoli discusse in precedenza, ma un numero minore di molecole d’acqua è disponibile per indurre dipoli nelle molecole di ossigeno. Questo porta a un’attrazione più debole delle molecole di ossigeno quando l’acqua è in sovrasaturazione di ossigeno. Ipotizza quali condizioni nei laghi potrebbero causare la sovrasaturazione. Quali indizi potresti cercare in un lago che potrebbero indicare che si sta verificando una sovrasaturazione di O2?

1. Assegnate le coppie di studenti per completare la lezione di studio degli studenti.
2. Discutete i risultati degli studenti.