Goals
This activity introduces students to:
- Faktorów, które kontrolują rozpuszczalność gazów w wodzie
- Prawa Henry’ego i zasady LeChateliera
- nasycenia gazów w wodzie
- Dynamiki rozpuszczalności tlenu w ekosystemach jezior
Wprowadzenie
Ta lekcja wprowadza uczniów do zasad, które kontrolują rozpuszczalność gazów w
wodzie, i zawiera zastosowania do dynamiki rozpuszczalności tlenu w ekosystemach jezior. Dla studentów chemii (i fizyki) ta lekcja zawiera wyjaśnienie i animację zasad fizycznych, które kontrolują rozpuszczalność niepolarnego gazu w wodzie, jak również praktyczne zastosowanie, które pozwala studentom obserwować te siły przyciągania w działaniu w ekosystemie jeziora. Dla studentów biologii, lekcja ta demonstruje możliwość zastosowania chemii do zmian w warunkach środowiskowych i ilustruje rolę jaką organizmy mogą odegrać w zmianie stanu chemicznego ich własnego środowiska.
Wyniki
Studenci będą w stanie:
- Wyjaśnić i przedstawić na schemacie, w jaki sposób gazy niepolarne wchodzą do roztworów w wodzie.
- Wyjaśnić rolę jaką odgrywa ciśnienie i temperatura w zmianie stężenia gazów w wodzie.
- Wyjaśnić fizyczne podstawy przesycenia tlenem i jak to jest związane z
fotosyntezą.
Słowa kluczowe
rozpuszczalność gazu, dipol, dipol indukowany dipolem, nasycenie, ciśnienie, temperatura, polarny,
niepolarny
Materiały/źródła/oprogramowanie
Excel, Shockwave
Wymagany czas
1-2 godziny
Związki z programem nauczania
Biologia – czynniki abiotyczne w środowisku, fotosynteza
Chemia – równowaga chemiczna, rozpuszczalność, materiały polarne i niepolarne,
reakcje endotermiczne/egzotermiczne
WOW Curriculum Links
Stratyfikacja termiczna; tlen; oddychanie wodne
Procedura
Przeprowadź z uczniami poniższe dyskusje. To może być oferowane jako demonstracja i wykład z wykorzystaniem projekcji komputerowych, lub z uczniami w laboratorium komputerowym, zatrzymując się okresowo na dyskusje.
- Przedyskutuj jak tlen się rozpuszcza i przejrzyj animację, wymagana wtyczka Shockwave.
Notatki: Woda, jako cząsteczka polarna, wywołuje nagromadzenie gęstości elektronowej(moment dipolowy) na jednym końcu niepolarnych cząsteczek gazu, takich jak tlen (O2) i dwutlenek węgla (CO2). W animacji zaobserwuj polarną cząsteczkę wody zbliżającą się do niepolarnej cząsteczki O2. Chmura elektronów w O2 jest normalnie rozmieszczona symetrycznie pomiędzy związanymi atomami O2. Gdy ujemny koniec cząsteczki H2O zbliża się do cząsteczki tlenu, chmura elektronowa O2 oddala się, aby zmniejszyć odpychanie ujemne. W rezultacie w niepolarnej cząsteczce O2 powstał dipol (cząsteczka z ładunkami dodatnimi i ujemnymi oddzielonymi od siebie pewną odległością), powodując, że O2 i H2O słabo się przyciągają. To międzycząsteczkowe przyciąganie pomiędzy przeciwnie naładowanymi biegunami pobliskich cząsteczek jest określane mianem siły dipolowej. Powstanie tych sił wyjaśnia mechanizm, dzięki któremu gazy rozpuszczają się w wodzie.
- Przedyskutuj wpływ ciśnienia na rozpuszczalność tlenu i przejrzyj animację, wymagana wtyczka Shockwave.
Notatki: Ponieważ siły dipolowe indukowane dipolami są bardzo słabe, ilość gazów niepolarnych (takich jak O2), które rozpuszczą się w danej objętości wody jest silnie uzależniona od temperatury i ciśnienia. Prawo Henry’ego opisuje wpływ ciśnienia na rozpuszczalność gazu w cieczy. Prawo to mówi, że ilość gazu, który rozpuszcza się w danej objętości rozpuszczalnika w określonej
temperaturze (zwykle 25°C dla wody) jest proporcjonalna do ciśnienia cząstkowego gazu nad cieczą. Kiedy gaz pod ciśnieniem styka się z cieczą, ciśnienie ma tendencję do zmuszania cząsteczek gazu do roztworu. Przy danym ciśnieniu liczba cząsteczek gazu, które wejdą do roztworu wzrasta aż do osiągnięcia równowagi. Z definicji, w stanie równowagi, liczba cząsteczek gazu wchodzących i wychodzących z roztworu jest zrównoważona, a stężenie gazu w roztworze pozostaje stałe. Jeśli ciśnienie parcjalne gazu wzrasta, więcej gazu wchodzi do roztworu. Jeśli ciśnienie parcjalne spada, gaz wychodzi z roztworu i osiąga nową równowagę. Zilustruj to otwierając puszkę lub butelkę napoju gazowanego.
Na poziomie morza, całkowite ciśnienie atmosferyczne wynosi 760 mm Hg. Oznacza to, że
powodowany grawitacją ciężar atmosfery wytwarza wystarczającą siłę, aby przesunąć
wystarczającą objętość rtęci (Hg) o 760 mm w górę rury. Na poziomie morza około 20,8 procent tego powietrza stanowi tlen (O2). Ciśnienie parcjalne tlenu na poziomie morza wynosi zatem 158 mm Hg (760 mm Hg x 0,208 = 158,08 mm Hg). Tlen ma stałą prawa Henry’ego równą 1.7 x 10-6 molal/mm Hg, gdy jest rozpuszczony w wodzie w temperaturze 25°C.
Molalność O2 = (1,7 x 10-6 molal/mm Hg)
(158,08 ) = 2,687 x 10-4 m
Z powyższej wartości można obliczyć liczbę miligramów na litr tlenu, który
rozpuści się w wodzie o temperaturze 25°C.
2,687 x 10-4 mola/kg x 32g/mol x 1000 mg/g = 8,6 mg/litr
- Przedyskutuj wpływ temperatury na rozpuszczalność: Le Chatelier’s Principle (przejrzyj animację komputerową) i odwołaj się do tabeli rozpuszczalność tlenu).
Notatki: Rozpocznij od demonstracji. Otwórz dwie puszki napoju gazowanego, jedną ciepłą i jedną
zimną (uczniowie mogą również pracować w małych grupach). Można łatwo zaobserwować, że więcej
gazu uwalnia się, gdy puszka jest ciepła niż gdy jest zimna. Przed tą lekcją
wlej zimną wodę do szklanki. Podczas lekcji uczniowie mogą obserwować pęcherzyki tlenu, które utworzyły się wewnątrz szklanki z zimną wodą, a z czasem
ogrzały się. Obie te demonstracje ilustrują fakt, że
temperatura rozpuszczalnika (przypomnijmy, że woda jest „rozpuszczalnikiem uniwersalnym”) wpływa na
rozpuszczalność gazów.
Gazy, które rozpuszczają się w rozpuszczalnikach zwykle uwalniają ciepło w procesie egzotermicznym, gdy się rozpuszczają .
gaz + ciekły rozpuszczalnik —>roztwór nasycony + ciepło
Proces ten trwa do momentu osiągnięcia nasycenia. W tym momencie gaz nadal będzie się rozpuszczał, ale będzie zrównoważony przez gaz, który opuszcza roztwór. Jeśli do roztworu zostanie dodane ciepło, gaz jest uwalniany w tej endotermicznej reakcji:
roztwór nasycony + ciepło —> gaz + ciekły rozpuszczalnik
W stanie równowagi tyle samo cząsteczek wychodzi z roztworu, ile się w nim rozpuszcza w danym okresie czasu.
gaz + ciecz <——>roztwór nasycony + ciepło
Zasada Le Chateliera stwierdza, że zmiana któregokolwiek z czynników określających
równowagę spowoduje dostosowanie układu w celu zmniejszenia lub przeciwdziałania
skutkom tej zmiany. Zasada Le Chateliera przewiduje, że rozpuszczalność gazu będzie rosła, gdy układ będzie tracił ciepło, a będzie malała, gdy będzie zyskiwał ciepło.
- Przedyskutuj jak możliwe jest przesycenie O2.
Notatki: Ze względu na wpływ ciśnienia hydrostatycznego na gazy w roztworze, woda może ulec przesyceniu tlenem i innymi gazami (przekroczyć 100% nasycenia). Siły przyciągające, które utrzymują nadmiar tlenu w roztworze, są podobne do omówionych wcześniej sił dipolowych, ale mniejsza liczba cząsteczek wody jest dostępna do indukowania dipoli w cząsteczkach tlenu. Prowadzi to do słabszego przyciągania cząsteczek tlenu, gdy woda jest przesycona tlenem. Postaw hipotezę, jakie warunki w jeziorach mogą powodować przesycenie. Jakich wskazówek mógłbyś szukać w jeziorze, które mogą wskazywać na występowanie przesycenia O2?
- Przydziel pary uczniowskie do uzupełnienia lekcji Studiowanie przez uczniów.
- Przedyskutuj wyniki uczniów.
.