Obiective
Acestă activitate îi introduce pe elevi în:

1. Factori care controlează solubilitatea gazelor în apă
2. Legea lui Henry și Principiul lui LeChatelier
3. suprasaturația gazelor în apă
4. Dinamica solubilității oxigenului în ecosistemele lacustre

Introducere
Această lecție prezintă elevilor principiile care controlează solubilitatea gazelor în
apă, și include aplicații la dinamica solubilității oxigenului în ecosistemele lacustre. Pentru studenții de la chimie (și fizică), această lecție oferă explicații și animații ale principiilor fizice care controlează solubilitatea unui gaz nepolar în apă, precum și o aplicație practică care le permite studenților să observe aceste forțe de atracție în acțiune într-un ecosistem lacustru. Pentru elevii de biologie, această lecție demonstrează aplicabilitatea chimiei la schimbările în condițiile de mediu și ilustrează rolul pe care organismele îl pot juca în modificarea condițiilor chimice ale propriului mediu.

Rezultate
Elevii vor fi capabili să:

1. Explicați și schematizați modul în care gazele nepolare intră în soluții în apă.
2. Explicați rolurile pe care presiunea și temperatura le joacă în modificarea concentrației de gaze în apă.
3. Explicați bazele fizice ale suprasaturării oxigenului și modul în care aceasta este legată de
   fotosinteză.

Cuvintele cheie
solubilitatea gazelor, dipol, dipol indus de dipol, saturație, presiune, temperatură, polar,
non-polar

Materiale/Resurse/Software
Excel, Shockwave

Timp necesar
1-2 ore

Conexiuni cu programa școlară
Biologie – factori abiotici în mediu, fotosinteza
Chimie – echilibru chimic, solubilitate, materiale polare și nepolare,
reacții endotermice/exotermice

WOW Curriculum Links
Stratificare termică; oxigen; respirația acvatică

Procedură
Tratați următoarele discuții cu elevii. Acest lucru ar putea fi oferit ca o demonstrație și prelegere folosind proiecții computerizate, sau cu elevii într-un laborator de informatică, oprindu-se periodic pentru discuții.

1. Discutați modul în care oxigenul se dizolvă și treceți în revistă animația, este necesar plug-in-ul Shockwave.

Note: Apa, ca moleculă polară, induce o acumulare de densitate de electroni(moment de dipol) la un capăt al moleculelor de gaze nepolare, cum ar fi oxigenul (O2) și dioxidul de carbon (CO2). În animație, observați o moleculă polară de apă care se apropie de o moleculă nepolară de O2. Norul de electroni al O2 este distribuit în mod normal și simetric între atomii de O2 legați. Pe măsură ce capătul negativ al moleculei H2O se apropie de molecula de oxigen, norul de electroni al O2 se îndepărtează pentru a reduce repulsia de la negativ la negativ. Ca urmare, un dipol (o moleculă cu sarcini pozitive și negative separate de o distanță) a fost indus în molecula nepolară de O2, ceea ce face ca O2 și H2O să devină slab atrase una de cealaltă. Această atracție intermoleculară între polii cu sarcini opuse ai moleculelor apropiate se numește forță de dipol indusă de dipol. Crearea acestor forțe explică astfel mecanismul prin care gazele se dizolvă în apă.

1. Discutați efectele presiunii asupra solubilității oxigenului și revedeți animația, este necesar plug-in-ul Shockwave.

Note: Deoarece forțele dipolare induse de dipol sunt foarte slabe, cantitatea de gaze nepolare (cum ar fi O2) care se va dizolva într-un volum dat de apă este puternic afectată de temperatură și presiune. Legea lui Henry descrie efectul presiunii asupra solubilității unui gaz într-un lichid. Legea afirmă că cantitatea de gaz care se dizolvă într-un volum dat de solvent la o anumită
temperatură (de obicei 25°C pentru apă) este proporțională cu presiunea parțială a gazului deasupra lichidului. Atunci când un gaz sub presiune intră în contact cu un lichid, presiunea tinde să forțeze moleculele de gaz în soluție. La o presiune dată, numărul de molecule de gaz care vor intra în soluție crește până când se atinge echilibrul. Prin definiție, la echilibru, numărul de molecule de gaz care intră și ies din soluție este echilibrat, iar concentrația gazului din soluție rămâne constantă. Dacă presiunea parțială a unui gaz crește, mai mult gaz intră în soluție. Dacă presiunea parțială scade, gazul iese din soluție și atinge un nou echilibru. Ilustrați acest lucru deschizând o cutie sau o sticlă de sifon.
La nivelul mării, presiunea atmosferică totală este de 760 mm Hg. Acest lucru înseamnă că greutatea atmosferică
indusă de gravitație generează o forță suficientă pentru a deplasa un
volum suficient de mercur (Hg) de 760 mm în sus pe un tub. La nivelul mării, aproximativ 20,8 la sută din acest aer este oxigen gazos (O2). Prin urmare, presiunea parțială a oxigenului la nivelul mării este de 158 mm Hg (760 mm Hg x 0,208 = 158,08 mm Hg). Oxigenul are o constantă a Legii lui Henry de 1,7 x 10-6 moli/mm Hg atunci când este dizolvat în apă la 25°C.
Molalitatea O2 = (1,7 x 10-6 molal/mm Hg)
(158,08 ) = 2,687 x 10-4 m
Din valoarea de mai sus se poate calcula numărul de miligrame pe litru de oxigen care se va
dizolva în apă la 25°C.
2,687 x 10-4 moli/kg x 32g/mole x 1000 mg/g = 8,6 mg/litru

1. Discuți efectele temperaturii asupra solubilității: Principiul lui Le Chatelier (revedeți animația pe calculator) și consultați tabelul solubilității oxigenului).

Note: Începeți cu o demonstrație. Deschideți două cutii de sucuri carbogazoase, una caldă și una
rece (elevii pot lucra și în grupuri mici). Se observă cu ușurință că se degajă mai mult
gaz dacă conserva este caldă decât atunci când este rece. Înainte de această lecție,
versați apă rece într-un pahar. În timpul lecției, elevii pot observa bulele de oxigen
care s-au format în interiorul paharului cu apă turnată rece și
încălzită în timp. Ambele demonstrații ilustrează faptul că
temperatura unui solvent (reamintim că apa este „solventul universal”) afectează
solubilitatea gazelor.

Gazele care se dizolvă în solvenți de obicei eliberează căldură într-un proces exotermic pe măsură ce se dizolvă .

gaz + solvent lichid —> soluție saturată + căldură

Acest proces continuă până când se atinge saturația. În acest moment, gazul se va dizolva în continuare, dar va fi echilibrat de gazul care părăsește soluția. Dacă se adaugă căldură la o soluție, gazul este eliberat în această reacție endotermică:

soluție saturată + căldură —> gaz + solvent lichid

La echilibru, atâtea molecule ies din soluție câte se dizolvă într-o anumită perioadă de timp.

gaz + lichid <——> soluție saturată + căldură

Principiul lui Le Chatelier afirmă că o modificare a oricăruia dintre factorii care determină
echilibrul va determina sistemul să se adapteze pentru a reduce sau contracara
efectul modificării. Principiul lui Le Chatelier prezice că solubilitatea unui gaz va crește pe măsură ce un sistem pierde căldură și va scădea pe măsură ce câștigă căldură.

1. Discuți cum este posibilă suprasaturarea O2.

Note: Datorită efectelor presiunii hidrostatice asupra gazelor în soluție, apa poate deveni suprasaturată cu oxigen și alte gaze (depășirea saturației de 100%). Forțele de atracție care mențin oxigenul în exces în soluție sunt similare cu forțele de dipol induse de dipoli discutate anterior, dar un număr mai mic de molecule de apă sunt disponibile pentru a induce dipoli în moleculele de oxigen. Acest lucru duce la o atracție mai slabă a moleculelor de oxigen atunci când apa este suprasaturată cu oxigen. Ipotezați ce condiții din lacuri ar putea cauza suprasaturarea. Ce indicii ați putea căuta într-un lac care ar putea indica faptul că are loc suprasaturarea cu O2?

1. Asemnați perechi de elevi pentru a finaliza Lecția de studiere a elevilor.
2. Discutați rezultatele elevilor.

.