目標
この活動では、学生を紹介します。

1. 水中での気体の溶解度を制御する要因
2. ヘンリーの法則とルシャトリエの原理
3. 水中での気体の過飽和
4. 湖沼生態系における酸素溶解度の力学

導入
このレッスンでは、
水中の気体の溶解度を制御する原理について紹介します。 また、湖沼生態系における酸素溶解度の動態への応用も含まれます。 このレッスンでは、化学（および物理）の生徒向けに、水中での非極性気体の溶解度を制御する物理原理の説明とアニメーション、および湖沼生態系で作用するこれらの引力を観察するための実践的なアプリケーションを提供します。 生物学の生徒には、このレッスンで環境条件の変化に対する化学の適用性を示し、生物が自分自身の環境の化学的条件を変化させる上で果たす役割を説明します。

成果
生徒は以下を行うことができるようになります。

1. 非極性ガスがどのように水溶液に入るかを説明し、図式化することができる。
2. 水中の気体の濃度を変化させる圧力と温度の役割について説明できる。
3. 酸素過飽和の物理的な根拠と、それが
   光合成とどのように関連しているかを説明できる。

キーワード
気体の溶解度、双極子、双極子誘起双極子、飽和、圧力、温度、極、
非極

教材/リソース/ソフトウェア
Excel, Shockwave

所要時間
1-2時間

関連科目
生物 – 環境における生物的要因(*)
Biological factors in the environment, 光合成
化学-化学平衡、溶解度、極性物質と非極性物質、
吸熱・発熱反応

WOW カリキュラムリンク
熱的成層圏; 酸素; 水中呼吸

手順
以下のディスカッションを生徒と一緒に行う。 コンピュータに映し出された映像を使ってのデモンストレーションと講義、あるいはコンピュータラボにいる学生たちと定期的に立ち止まってのディスカッションが考えられる。

1. 酸素がどのように溶けるかを議論し、アニメーションを確認します（要Shockwaveプラグイン）。 水は極性分子として、酸素（O2）や二酸化炭素（CO2）のような非極性気体分子の一端に電子密度（双極子モーメント）を蓄積するように誘導します。 極性を持つ水分子が非極性の酸素分子に接近する様子をアニメーションでご覧ください。 O2の電子雲は、通常、結合したO2原子の間に対称的に分布している。 H2O分子のマイナス端が酸素分子に近づくと、O2の電子雲はマイナスからマイナスへの反発を減らすために遠ざかる。 その結果、無極性のO2分子に双極子（正と負の電荷が距離をおいて存在する分子）が誘起され、O2とH2Oが互いに弱く引きつけられるようになった。 このように、近接した分子の対極にある電荷の間に働く分子間引力を、双極子誘起双極子力と呼んでいる。 そして、この力の発生が、気体が水に溶けるメカニズムを説明する。
   1. 酸素の溶解度に対する圧力の影響について説明し、アニメーションを見直します。Shockwaveプラグインが必要です。

   注釈です。 双極子による双極子力は非常に弱いので、与えられた体積の水に溶解する非極性気体（O2など）の量は温度と圧力に強く影響されます。 ヘンリーの法則は、液体への気体の溶解度に対する圧力の影響を記述したものである。 この法則は、ある温度
   （水の場合は通常25℃）で一定量の溶媒に溶解する気体の量は、液体上の気体の分圧に比例することを述べている。 圧力下の気体が液体に接触すると、その圧力によって気体分子が溶液中に押し出される傾向がある。 ある圧力で溶液に入る気体分子の数は、平衡に達するまで上昇する。 定義によれば、平衡状態では、溶液に入る気体分子と出ていく気体分子の数が釣り合い、溶液中の気体の濃度は一定に保たれます。 気体の分圧が上昇すると、より多くの気体が溶液中に入ってきます。 分圧が下がれば、気体は溶液から出て、新たな平衡に達します。 海面では、全大気圧は760mmHgである。 これは、
   大気の重力による重みで、
   十分な体積の水銀（Hg）を760mm上空に移動させるのに十分な力が発生することを意味します。 海面では、この空気の約20.8％が酸素ガス（O2）である。 したがって、海面における酸素分圧は158mmHg（760mmHg×0.208＝158.08mmHg）である。 酸素は、25℃の水に溶けたときのヘンリーの法則定数が1.7×10-6 molal/mm Hgです。
   酸素のモル数 = (1.7 x 10-6 molal/mm Hg)
   (158.08 ) = 2.687 x 10-4 m
   上記の値から25℃の水に
   溶ける酸素は1リットル当たり何ミリグラムか計算できます。
   2.687 x 10-4 モル/kg x 32g/mole x 1000mg/g = 8.6mg/l

   1. 溶解度に対する温度の影響について説明しなさい。 ルシャトリエの原理（コンピュータアニメーションを見る）、表酸素溶解度を見る。）

   注意事項。 デモンストレーションから始める。 2つの炭酸飲料の缶を開け、1つは温かく、もう1つは冷たいです(生徒は小グループで作業することもできます)。 缶が温かいほうが冷たいときよりも
   ガスが多く出ることが簡単に観察できます。 このレッスンの前に、
   冷たい水をコップに注ぎます。 レッスン中、生徒は冷たい水を注いだグラスの中に酸素
   の泡ができ、時間が経って
   温かくなっていく様子を観察することができます。 これらのデモンストレーションは両方とも、溶媒の温度（水が「万能溶媒」であることを思い出してください）が気体の溶解度に
   影響するという事実を示しています。

   溶媒に溶ける気体は通常、溶けるときに発熱する。

   気体＋液体溶媒 —>飽和溶液＋熱

   この過程は飽和に達するまで続く。 この時点では、気体はまだ溶解しますが、溶液から出る気体と釣り合うようになります。

   飽和溶液+熱 —> 気体+液体溶媒

   平衡状態では、一定時間に溶解する分子と同じ数だけ溶液から出ます。

   気体＋液体<—>飽和溶液＋熱

   ル・シャトリエの原理は、
   平衡を決定する要因のいずれかが変化すると、その変化の影響を軽減または打ち消すためにシステムが調整されることを述べています。 ルシャトリエの原理は、気体の溶解度は系が熱を失うと増加し、熱を得ると減少することを予測する。

   1. O2の過飽和がどのように可能か議論してください。

   注意事項。 溶液中の気体に対する静水圧の影響により、水は酸素や他の気体で過飽和になる（飽和度100％を超える）ことがあります。 過剰な酸素を溶液中に保持する引力は、先に述べた双極子による双極子力と似ていますが、酸素分子に双極子を誘起する水分子の数が少なくなっていることが分かります。 このため、水が酸素で過飽和になると、酸素分子の引力が弱くなる。 湖ではどのような条件で過飽和が起こるか、仮説を立ててみてください。 湖で酸素の過飽和が起こっていることを示す手がかりは何でしょうか？

   1. 生徒のペアを割り当て、生徒のStudy Lessonを完了させます。
   2. 生徒の結果について話し合います。