Goals
Esta actividade apresenta aos alunos:
- Factores que controlam a solubilidade dos gases na água
- A Lei de Henry e o Princípio de LeChatelier
- Supersaturação de gases na água
- Dinâmica da solubilidade do oxigénio nos ecossistemas lacustres
Introdução
Esta lição introduz os alunos aos princípios que controlam a solubilidade dos gases na água
, e inclui aplicações à dinâmica da solubilidade do oxigénio nos ecossistemas lacustres. Para estudantes de química (e física) esta lição fornece explicação e animação dos princípios físicos que controlam a solubilidade de um gás não-polar na água, bem como uma aplicação prática que permite aos estudantes observar essas forças atraentes em ação em um ecossistema lacustre. Para os alunos de biologia, esta lição demonstra a aplicabilidade da química às mudanças nas condições ambientais e ilustra o papel que os organismos podem desempenhar na alteração da condição química do seu próprio ambiente.
Realizações
Os alunos serão capazes de o fazer:
- Explicar e diagramar como gases não-polares entram em soluções na água.
- Explicar os papéis que a pressão e a temperatura desempenham na alteração da concentração de gases na água.
- Explicar a base física da supersaturação de oxigênio e como ela está relacionada a
fotossíntese.
Palavras-chave
Solubilidade dos gases, dipolo, dipolo induzido, saturação, pressão, temperatura, polar,
Não-polar
Materiais/Recursos/Software
Excel, Onda de choque
Tempo necessário
1-2 horas
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Conexões curriculares
Biologia – fatores abióticos no ambiente, fotossíntese
Química – equilíbrio químico, solubilidade, materiais polares e não polares,
Reacções endotérmicas/exotérmicas
Ligações Curriculares de WOW
Estrattificação térmica; oxigénio; respiração aquática
Procedimento
Trabalho através das seguintes discussões com os alunos. Isto poderia ser oferecido como uma demonstração e palestra usando projeções computadorizadas, ou com os alunos em um laboratório de informática enquanto parando periodicamente para discussões.
- Discutam como o oxigênio se dissolve e revisam a animação, plug-in Shockwave necessário.
Notas: A água, como molécula polar, induz uma acumulação de densidade de elétrons (momento dipolo) em uma extremidade de moléculas de gases não-polares como oxigênio (O2) e dióxido de carbono (CO2). Na animação, observe uma molécula polar da água aproximando-se de uma molécula não-polar de O2. A nuvem de elétron de O2 é normalmente distribuída simetricamente entre os átomos de O2 ligados. Quando a extremidade negativa da molécula de H2O se aproxima da molécula de oxigénio, a nuvem de electrões do O2 afasta-se para reduzir a repulsão negativa a negativa. Como resultado, uma dipolo (uma molécula com cargas positivas e negativas separadas por uma distância) foi induzida na molécula não-polar de O2, fazendo com que o O2 e o H2O se tornassem fracamente atraídos um pelo outro. Esta atração intermolecular entre os pólos de carga oposta das moléculas próximas é chamada de força dipolo induzida. A criação destas forças explica então o mecanismo pelo qual os gases se dissolvem na água.
- Discuta os efeitos da pressão sobre a solubilidade do oxigénio e reveja a animação, plug-in de Onda de Choque necessário.
Notas: Como as forças dipolares induzidas são muito fracas, a quantidade de gases não polares (como O2) que se dissolverão num determinado volume de água é fortemente afectada pela temperatura e pressão. A Lei de Henry descreve o efeito da pressão sobre a solubilidade de um gás em um líquido. A lei afirma que a quantidade de gás que se dissolve em um dado volume de solvente a uma temperatura especificada
temperatura (geralmente 25°C para água) é proporcional à pressão parcial do gás acima do líquido. Quando o gás sob pressão entra em contato com um líquido, a pressão tende a forçar as moléculas de gás a entrar em solução. A uma dada pressão, o número de moléculas de gás que entrarão em solução aumenta até que o equilíbrio seja alcançado. Por definição, em equilíbrio, o número de moléculas de gás que entram e saem da solução é equilibrado e a concentração do gás em solução permanece constante. Se a pressão parcial de um gás aumenta, mais gás entra em solução. Se a pressão parcial cai, o gás sai da solução e alcança um novo equilíbrio. Ilustre isto abrindo uma lata ou garrafa de refrigerante pop.
Ao nível do mar, a pressão atmosférica total é de 760 mm Hg. Isto significa que o peso da atmosfera induzido pela gravidade gera força suficiente para mover um volume suficiente de mercúrio (Hg) 760 mm para cima de um tubo. Ao nível do mar, aproximadamente 20,8% deste ar é oxigénio gasoso (O2). A pressão parcial de oxigênio ao nível do mar é, portanto, de 158 mm Hg (760 mm Hg x 0,208 = 158,08 mm Hg). O oxigênio tem uma constante da Lei de Henry de 1,7 x 10-6 molal/mm Hg quando dissolvido em água a 25°C.
Molalidade de O2 = (1.7 x 10-6 molal/mm Hg)
(158.08 ) = 2.687 x 10-4 m
Do valor acima pode-se calcular o número de miligramas por litro de oxigênio que irá
dissolver em água a 25°C.
2,687 x 10-4 moles/kg x 32g/mole x 1000 mg/g = 8,6 mg/litro
- Discutir os efeitos da temperatura na solubilidade: Princípio de Le Chatelier (rever a animação por computador) e consultar a tabela solubilidade de oxigénio).
Notas: Comece com uma demonstração. Abra duas latas de refrigerante, uma quente e outra fria (os alunos também podem trabalhar em pequenos grupos). É facilmente observado que mais
gás é liberado se a lata estiver quente do que quando está fria. Antes desta aula,
derrame água fria em um copo. Durante a aula os alunos podem observar o oxigénio
bolhas que se formaram dentro do copo de água que foi vertida fria e
aquecido ao longo do tempo. Ambas as demonstrações ilustram que a temperatura de um solvente (lembre-se que a água é o “solvente universal”) afeta a solubilidade dos gases.
Gases que se dissolvem nos solventes normalmente libertam calor num processo exotérmico à medida que se dissolvem .
gás + solvente líquido —>solução saturada + calor
Este processo continua até que a saturação seja atingida. Neste ponto, o gás ainda se dissolve, mas será equilibrado pelo gás que deixa a solução. Se for adicionado calor a uma solução, o gás é liberado nesta reação endotérmica:
saturação da solução + calor —> gás + solvente líquido
Em equilíbrio, tantas moléculas saem da solução quanto se dissolvem em um dado período de tempo.
gás + líquido <——> solução saturada + calor
Le Chatelier afirma que uma alteração em qualquer um dos factores determinantes
equilíbrio fará com que o sistema se ajuste de forma a reduzir ou contrariar
o efeito da alteração. O princípio de Le Chatelier prevê que a solubilidade de um gás aumentará à medida que um sistema perde calor, e diminuirá à medida que ganha calor.
- Discutam como a supersaturação de O2 é possível.
Notas: Devido aos efeitos da pressão hidrostática nos gases em solução, a água pode ficar supersaturada com oxigénio e outros gases (exceder 100% de saturação). As forças atrativas que retêm o excesso de oxigênio em solução similares às forças dipolares induzidas pelos dipolos discutidas anteriormente, mas um número menor de moléculas de água está disponível para induzir dipolos em moléculas de oxigênio. Isto leva a uma atração mais fraca das moléculas de oxigênio quando a água é supersaturação com oxigênio. Hipotipular as condições que nos lagos podem causar a supersaturação. Que pistas você poderia procurar em um lago que possam indicar a ocorrência de supersaturação de O2?
- Atribua pares de alunos para completar a Aula de Estudo.
- Discuta os resultados dos alunos.