Goals
Deze activiteit laat leerlingen kennismaken met:

1. Factoren die de oplosbaarheid van gassen in water regelen
2. De wet van Henry en het principe van LeChatelier
3. Superverzadiging van gassen in water
4. Dynamica van zuurstofoplosbaarheid in ecosystemen van meren

Inleiding
In deze les maken leerlingen kennis met de principes die de oplosbaarheid van gassen in
water regelen, en bevat toepassingen op de dynamica van zuurstofoplosbaarheid in ecosystemen van meren. Voor leerlingen scheikunde (en natuurkunde) biedt deze les uitleg over en animatie van de fysische principes die de oplosbaarheid van een apolair gas in water regelen, en een praktische toepassing waarbij de leerlingen deze aantrekkingskrachten in actie kunnen zien in een ecosysteem van een meer. Voor biologiestudenten toont deze les de toepasbaarheid van scheikunde op veranderingen in milieuomstandigheden en illustreert de rol die organismen kunnen spelen bij het veranderen van de chemische toestand van hun eigen omgeving.

Werkzaamheden
Studenten zullen in staat zijn om:

1. Uitleggen en schetsen hoe niet polaire gassen in oplossingen in water terechtkomen.
2. De rol verklaren die druk en temperatuur spelen bij het veranderen van de concentratie van gassen in water.
3. Leg uit wat de fysische basis is van zuurstofoververzadiging en hoe dit in verband staat met de fotosynthese
   .

Keywords
gasoplosbaarheid, dipool, dipoolgeïnduceerde dipool, verzadiging, druk, temperatuur, polair,
non-polair

Materialen/Bronnen/Software
Excel, Shockwave

benodigde tijd
1-2 uur

Curriculumverbanden
Biologie – abiotische factoren in de omgeving, fotosynthese
Chemie – chemisch evenwicht, oplosbaarheid, polaire en niet-polaire materialen,
endotherme/exotherme reacties

WOW Curriculumverbindingen
Thermische gelaagdheid; zuurstof; ademhaling in het water

Procedure
Werk de volgende discussies met de leerlingen door. Dit kan worden aangeboden als demonstratie en lezing met gebruikmaking van computerprojecties, of met de leerlingen in een computerlokaal met regelmatige tussenpozen voor discussies.

1. Bespreek hoe zuurstof oplost en bekijk de animatie, Shockwave plug-in vereist.

Noten: Water, als polair molecuul, induceert een opeenhoping van elektronendichtheid (dipoolmoment) aan één uiteinde van niet-polaire gasmoleculen zoals zuurstof (O2) en kooldioxide (CO2). Kijk naar een animatie van een polair watermolecuul dat een niet-polair O2-molecuul nadert. De elektronenwolk van O2 is normaal symmetrisch verdeeld tussen de gebonden O2-atomen. Als de negatieve kant van het H2O-molecuul het zuurstofmolecuul nadert, beweegt de elektronenwolk van het O2-molecuul weg om de negatief-negatieve afstoting te verminderen. Als gevolg hiervan is een dipool (een molecuul met positieve en negatieve ladingen gescheiden door een afstand) geïnduceerd in het apolaire O2-molecuul, waardoor O2 en H2O zwak tot elkaar aangetrokken worden. Deze intermoleculaire aantrekkingskracht tussen de tegengesteld geladen polen van nabijgelegen moleculen wordt een dipool-geïnduceerde dipoolkracht genoemd. Het ontstaan van deze krachten verklaart dan het mechanisme waardoor gassen in water oplossen.

1. Bespreek de effecten van druk op de oplosbaarheid van zuurstof en bekijk de animatie, Shockwave plug-in vereist.

Noten: Omdat de door dipool opgewekte krachten zeer zwak zijn, wordt de hoeveelheid apolaire gassen (zoals O2) die in een bepaald volume water zal oplossen sterk beïnvloed door temperatuur en druk. De Wet van Henry beschrijft het effect van druk op de oplosbaarheid van een gas in een vloeistof. De wet stelt dat de hoeveelheid gas die oplost in een bepaald volume oplosmiddel bij een bepaalde temperatuur (meestal 25°C voor water) evenredig is met de partiële druk van het gas boven de vloeistof. Wanneer gas onder druk in contact komt met een vloeistof, heeft de druk de neiging gasmoleculen in oplossing te dwingen. Bij een gegeven druk neemt het aantal gasmoleculen dat in oplossing gaat toe totdat een evenwicht is bereikt. Per definitie is bij evenwicht het aantal gasmoleculen dat de oplossing binnenkomt en verlaat in evenwicht en blijft de concentratie van het gas in oplossing constant. Als de partiële druk van een gas toeneemt, komt er meer gas in de oplossing. Als de partiële druk daalt, komt er gas uit de oplossing en wordt een nieuw evenwicht bereikt. Illustreer dit door een blikje of flesje frisdrank te openen.
Op zeeniveau is de totale atmosferische druk 760 mm Hg. Dit betekent dat het
door de zwaartekracht veroorzaakte gewicht van de atmosfeer genoeg kracht genereert om een
voldoende volume kwik (Hg) 760 mm in een buis omhoog te bewegen. Op zeeniveau bestaat ongeveer 20,8 procent van deze lucht uit zuurstofgas (O2). De partiële druk van zuurstof op zeeniveau is dus 158 mm Hg (760 mm Hg x 0,208 = 158,08 mm Hg). Zuurstof heeft een constante in de Wet van Henry van 1,7 x 10-6 molal/mm Hg wanneer het is opgelost in water bij 25°C.
Molaliteit van O2 = (1,7 x 10-6 molal/mm Hg)
(158,08 ) = 2,687 x 10-4 m
Uit bovenstaande waarde kan het aantal milligrammen per liter zuurstof worden berekend dat in water van 25°C zal
oplossen.
2,687 x 10-4 mol/kg x 32g/mol x 1000 mg/g = 8,6 mg/liter

1. Discussieer de effecten van temperatuur op oplosbaarheid: Het principe van Le Chatelier (bekijk de computeranimatie) en verwijs naar de tabel zuurstofoplosbaarheid).

Noten: Begin met een demonstratie. Open twee blikjes frisdrank, een warm en een
koud (de leerlingen kunnen ook in kleine groepjes werken). Het is gemakkelijk waar te nemen dat er meer
gas vrijkomt als het blikje warm is dan als het koud is. Giet voor deze les
koud water in een glas. Tijdens de les kunnen de leerlingen de zuurstofbelletjes zien die zich vormen in het glas water dat koud is gegoten en na verloop van tijd is opgewarmd. Beide demonstraties illustreren het feit dat de temperatuur van een oplosmiddel (denk eraan dat water het “universele oplosmiddel” is) van
invloed is op de oplosbaarheid van gassen.

Gassen die oplossen in oplosmiddelen geven gewoonlijk warmte af in een exotherm proces terwijl ze oplossen.

gas + vloeibaar oplosmiddel —> verzadigde oplossing + warmte

Dit proces gaat door totdat verzadiging is bereikt. Op dit punt zal er nog gas oplossen, maar dit wordt gecompenseerd door het gas dat de oplossing verlaat. Als warmte aan een oplossing wordt toegevoegd, komt gas vrij bij deze endotherme reactie:

verzadigde oplossing + warmte —> gas + vloeibaar oplosmiddel

Bij evenwicht komen er evenveel moleculen uit de oplossing als er in een bepaalde tijd oplossen.

gas + vloeistof <——> verzadigde oplossing + warmte

Het principe van Le Chatelier stelt dat een verandering in een van de factoren die het
evenwicht bepalen, tot gevolg zal hebben dat het systeem zich aanpast om het
effect van de verandering te verminderen of tegen te
gaan. Het principe van Le Chatelier voorspelt dat de oplosbaarheid van een gas zal toenemen als een systeem warmte verliest, en zal afnemen als het warmte wint.

1. Bespreek hoe supersaturatie van O2 mogelijk is.

Noten: Door de effecten van hydrostatische druk op gassen in oplossing, kan water oververzadigd raken met zuurstof en andere gassen (100% verzadiging overschrijden). De aantrekkingskrachten die de overmaat aan zuurstof in oplossing houden lijken op de eerder besproken dipool-geïnduceerde dipoolkrachten, maar een kleiner aantal watermoleculen is beschikbaar om dipolen in zuurstofmoleculen te induceren. Dit leidt tot een zwakkere aantrekking van zuurstofmoleculen wanneer water oververzadigd is met zuurstof. Stel je een hypothese op over de omstandigheden in meren die oververzadiging kunnen veroorzaken. Naar welke aanwijzingen zou je in een meer kunnen zoeken die erop kunnen wijzen dat O2 oververzadigd is?

1. Studentenparen toewijzen om de studieles te voltooien.
2. Resultaten van studenten bespreken.