Mål
Denna aktivitet introducerar eleverna till:

1. Faktorer som styr gasers löslighet i vatten
2. Henrys lag och LeChateliers princip
3. övermättnad av gaser i vatten
4. Dynamiken för syrgasens löslighet i ekosystem i sjöar

Introduktion
Denna lektion introducerar eleverna till de principer som styr gasers löslighet i
vatten, och innehåller tillämpningar på syreupplösningens dynamik i ekosystem i sjöar. För kemistudenter (och fysikstudenter) ger den här lektionen en förklaring och animation av de fysikaliska principer som styr lösligheten hos en opolär gas i vatten, samt en praktisk tillämpning som gör det möjligt för studenterna att observera dessa attraktionskrafter i aktion i ett ekosystem i en sjö. För biologistudenter visar den här lektionen kemins tillämpbarhet på förändringar i miljöförhållanden och illustrerar den roll som organismer kan spela när det gäller att förändra de kemiska förhållandena i sin egen miljö.

Resultat
Elverna kommer att kunna:

1. Förklara och schematisera hur opolära gaser går in i lösningar i vatten.
2. Förklara vilken roll tryck och temperatur spelar när det gäller att ändra koncentrationen av gaser i vatten.
3. Förklara den fysikaliska grunden för syreövermättnad och hur den är relaterad till
   fotosyntesen.

Nyckelord
gaslöslighet, dipol, dipolinducerad dipol, mättnad, tryck, temperatur, polär,
non-polär

Material/källor/programvara
Excel, Shockwave

Tidsåtgång
1-2 timmar

Kopplingar till läroplanen
Biologi – abiotiska faktorer i miljön, fotosyntes
Kemi – kemisk jämvikt, löslighet, polära och opolära material,
endoterma/exoterma reaktioner

WOW Länkar till läroplanen
Termisk skiktning; Syre; akvatisk respiration

Förfarande
Diskutera följande diskussioner med eleverna. Detta kan erbjudas som en demonstration och föreläsning med hjälp av datoriserade projektioner, eller med eleverna i ett datorlaboratorium med regelbundna uppehåll för diskussioner.

1. Diskutera hur syre löses upp och gå igenom animationen, Shockwave plug-in krävs.

Anteckningar: Vatten, som en polär molekyl, inducerar en ackumulering av elektrontäthet(dipolmoment) vid den ena änden av opolära gasmolekyler som syre (O2) och koldioxid (CO2). I animationen observeras en polär vattenmolekyl som närmar sig en opolär O2-molekyl. Elektronmolnet i O2 är normalt symmetriskt fördelat mellan de bundna O2-atomerna. När H2O-molekylens negativa ände närmar sig syremolekylen rör sig O2:s elektronmoln bort för att minska den negativa till negativa repulsionen. Som ett resultat av detta har en dipol (en molekyl med positiva och negativa laddningar separerade med ett avstånd) inducerats i den opolära O2-molekylen, vilket gör att O2 och H2O blir svagt attraherade av varandra. Denna intermolekylära attraktion mellan de motsatt laddade polerna i närliggande molekyler kallas en dipolinducerad dipolkraft. Uppkomsten av dessa krafter förklarar den mekanism genom vilken gaser löser sig i vatten.

1. Diskutera tryckets effekter på syrets löslighet och gå igenom animationen, Shockwave plug-in krävs.

Anteckningar: Eftersom dipolinducerade dipolkrafter är mycket svaga påverkas mängden opolära gaser (t.ex. O2) som löser sig i en given vattenvolym starkt av temperatur och tryck. Henrys lag beskriver effekten av trycket på lösligheten hos en gas i en vätska. Lagen säger att den mängd gas som löser sig i en given volym lösningsmedel vid en viss
temperatur (vanligen 25 °C för vatten) är proportionell mot gasens partialtryck ovanför vätskan. När gas under tryck kommer i kontakt med en vätska tenderar trycket att tvinga gasmolekylerna till lösning. Vid ett givet tryck ökar antalet gasmolekyler som kommer in i lösningen tills jämvikt uppnås. Vid jämvikt är antalet gasmolekyler som kommer in i och lämnar lösningen per definition balanserat och koncentrationen av gasen i lösningen förblir konstant. Om partialtrycket för en gas ökar, kommer mer gas in i lösningen. Om partialtrycket sjunker kommer gasen ut ur lösningen och når en ny jämvikt. Illustrera detta genom att öppna en burk eller flaska läsk.
På havsnivå är det totala atmosfäriska trycket 760 mm Hg. Detta innebär att atmosfärens
gravitationsinducerade vikt genererar tillräcklig kraft för att flytta en
tillräcklig volym kvicksilver (Hg) 760 mm upp i ett rör. Vid havsnivå består ungefär 20,8 procent av denna luft av syrgas (O2). Partialtrycket av syre vid havsnivå är därför 158 mm Hg (760 mm Hg x 0,208 = 158,08 mm Hg). Syre har en Henrys lagkonstant på 1,7 x 10-6 molal/mm Hg när det är löst i vatten vid 25 °C.
Molalitet för O2 = (1,7 x 10-6 molal/mm Hg)
(158,08 ) = 2,687 x 10-4 m
Utifrån ovanstående värde kan man beräkna antalet milligram per liter syre som kommer
att lösas upp i vatten vid 25°C.
2,687 x 10-4 mol/kg x 32g/mol x 1000 mg/g = 8,6 mg/liter

1. Diskutera temperaturens inverkan på lösligheten: Le Chateliers princip (granska datoranimationen) och hänvisa till tabellen syrelöslighet).

Noter: Börja med en demonstration. Öppna två burkar läsk, en varm och en
kall (eleverna kan också arbeta i smågrupper). Det är lätt att observera att mer
gas frigörs om burken är varm än om den är kall. Före den här lektionen
häller du kallt vatten i ett glas. Under lektionen kan eleverna observera de syre
bubblor som bildades inuti glaset med vatten som hade hällts kallt och
uppvärmts med tiden. Båda dessa demonstrationer illustrerar det faktum att
temperaturen hos ett lösningsmedel (kom ihåg att vatten är det ”universella lösningsmedlet”) påverkar
gasers löslighet.

Gaser som löser sig i lösningsmedel avger vanligtvis värme i en exoterm process när de löser sig.

Gas + flytande lösningsmedel —>mättad lösning + värme

Denna process fortsätter tills mättnad uppnås. Vid denna tidpunkt kommer gasen fortfarande att lösas upp, men kommer att balanseras av den gas som lämnar lösningen. Om värme tillförs en lösning frigörs gas i denna endoterma reaktion:

mättad lösning + värme —> gas + flytande lösningsmedel

I jämvikt kommer lika många molekyler ut ur lösningen som löser sig under en given tidsperiod.

gas + vätska <——> mättad lösning + värme

Le Chateliers princip säger att en förändring i någon av de faktorer som bestämmer
jämvikten kommer att leda till att systemet anpassar sig för att minska eller motverka
effekten av förändringen. Le Chateliers princip förutsäger att lösligheten hos en gas kommer att öka när ett system förlorar värme och minska när det vinner värme.

1. Diskutera hur övermättnad av O2 är möjlig.

Anteckningar: På grund av det hydrostatiska tryckets effekter på gaser i lösning kan vatten bli övermättat med syre och andra gaser (överstiga 100 % mättnad). De attraktionskrafter som håller överflödigt syre i lösning liknar de dipolinducerade dipolkrafter som diskuterats tidigare, men ett mindre antal vattenmolekyler är tillgängliga för att inducera dipoler i syremolekyler. Detta leder till en svagare attraktion av syremolekyler när vatten är övermättat med syre. Ställ hypoteser om vilka förhållanden i sjöar som kan orsaka övermättnad. Vilka ledtrådar kan du leta efter i en sjö som kan tyda på att övermättnad av syre förekommer?

1. Ansätt elevpar för att slutföra elevstudieräsen.
2. Diskutera elevernas resultat.