Objetivos
Esta actividad introduce a los estudiantes a:
- Factores que controlan la solubilidad de los gases en el agua
- La Ley de Henry y el Principio de LeChatelier
- Supersaturación de los gases en el agua
- Dinámica de la solubilidad del oxígeno en los ecosistemas lacustres
Introducción
Esta lección presenta a los estudiantes los principios que controlan la solubilidad de los gases en
el agua, e incluye aplicaciones a la dinámica de la solubilidad del oxígeno en los ecosistemas lacustres. Para los estudiantes de química (y física), esta lección proporciona una explicación y una animación de los principios físicos que controlan la solubilidad de un gas no polar en el agua, así como una aplicación práctica que permite a los estudiantes observar estas fuerzas de atracción en acción en un ecosistema lacustre. Para los estudiantes de biología, esta lección demuestra la aplicabilidad de la química a los cambios en las condiciones ambientales e ilustra el papel que los organismos pueden desempeñar en la alteración de las condiciones químicas de su propio entorno.
Resultados
Los estudiantes serán capaces de:
- Explicar y diagramar cómo los gases no polares entran en soluciones en el agua.
- Explicar los roles que juegan la presión y la temperatura en la alteración de la concentración de gases en el agua.
- Explicar la base física de la sobresaturación de oxígeno y cómo se relaciona con la
fotosíntesis.
Palabras clave
solubilidad de gases, dipolo, dipolo inducido, saturación, presión, temperatura, polar,
no polar
Materiales/Recursos/Software
Excel, Shockwave
Tiempo requerido
1-2 horas
Conexiones curriculares
Biología – factores abióticos en el medio ambiente, fotosíntesis
Química – equilibrio químico, solubilidad, materiales polares y no polares,
reacciones endotérmicas/exotérmicas
Vínculos curriculares
Estratificación térmica; oxígeno; respiración acuática
Procedimiento
Trabaja con los alumnos las siguientes discusiones. Esto podría ofrecerse como una demostración y conferencia usando proyecciones computarizadas, o con los estudiantes en un laboratorio de computación mientras se detiene periódicamente para las discusiones.
- Discuta cómo se disuelve el oxígeno y revise la animación, se requiere el plug-in Shockwave.
Notas: El agua, como molécula polar, induce una acumulación de densidad de electrones (momento dipolar) en un extremo de las moléculas de gas no polares, como el oxígeno (O2) y el dióxido de carbono (CO2). En la animación, observe una molécula de agua polar acercándose a una molécula de O2 no polar. La nube de electrones del O2 se distribuye normalmente de forma simétrica entre los átomos de O2 enlazados. A medida que el extremo negativo de la molécula de H2O se acerca a la molécula de oxígeno, la nube de electrones del O2 se aleja para reducir la repulsión de negativo a negativo. Como resultado, se ha inducido un dipolo (una molécula con cargas positivas y negativas separadas por una distancia) en la molécula de O2 no polar, haciendo que el O2 y el H2O se atraigan débilmente entre sí. Esta atracción intermolecular entre los polos de carga opuesta de moléculas cercanas se denomina fuerza dipolar inducida. La creación de estas fuerzas explica entonces el mecanismo por el cual los gases se disuelven en el agua.
- Discute los efectos de la presión en la solubilidad del oxígeno y revisa la animación, se requiere el plug-in Shockwave.
Notas: Debido a que las fuerzas dipolares inducidas son muy débiles, la cantidad de gases no polares (como el O2) que se disolverá en un volumen dado de agua se ve fuertemente afectada por la temperatura y la presión. La Ley de Henry describe el efecto de la presión en la solubilidad de un gas en un líquido. La ley establece que la cantidad de gas que se disuelve en un volumen determinado de disolvente a una temperatura determinada (normalmente 25°C para el agua) es proporcional a la presión parcial del gas sobre el líquido. Cuando un gas bajo presión entra en contacto con un líquido, la presión tiende a forzar a las moléculas de gas a disolverse. A una presión determinada, el número de moléculas de gas que entran en la solución aumenta hasta que se alcanza el equilibrio. Por definición, en el equilibrio, el número de moléculas de gas que entran y salen de la solución está equilibrado y la concentración del gas en la solución permanece constante. Si la presión parcial de un gas aumenta, entra más gas en la solución. Si la presión parcial disminuye, el gas sale de la solución y se alcanza un nuevo equilibrio. Ilustra esto abriendo una lata o botella de gaseosa.
A nivel del mar, la presión atmosférica total es de 760 mm Hg. Esto significa que el
peso inducido por la gravedad de la atmósfera genera suficiente fuerza para mover un
volumen suficiente de mercurio (Hg) 760 mm hacia arriba en un tubo. A nivel del mar, aproximadamente el 20,8% de este aire es gas oxígeno (O2). La presión parcial de oxígeno a nivel del mar es, por tanto, de 158 mm Hg (760 mm Hg x 0,208 = 158,08 mm Hg). El oxígeno tiene una constante de la Ley de Henry de 1,7 x 10-6 molal/mm Hg cuando se disuelve en agua a 25°C.
Molalidad del O2 = (1,7 x 10-6 molal/mm Hg)
(158,08 ) = 2,687 x 10-4 m
A partir del valor anterior se puede calcular el número de miligramos por litro de oxígeno que se
disolverá en agua a 25°C.
2,687 x 10-4 moles/kg x 32g/mol x 1000 mg/g = 8,6 mg/litro
- Discute los efectos de la temperatura en la solubilidad: Principio de Le Chatelier (revisar la animación del ordenador) y consultar la tabla solubilidad del oxígeno).
Nota: Comience con una demostración. Abra dos latas de gaseosa, una caliente y otra
fría (los alumnos también pueden trabajar en pequeños grupos). Se observa fácilmente que se libera más
gas si la lata está caliente que cuando está fría. Antes de esta lección,
vierte agua fría en un vaso. Durante la lección los alumnos pueden observar las burbujas de oxígeno
que se formaron dentro del vaso de agua que se había vertido fría y
se calentó con el tiempo. Ambas demostraciones ilustran el hecho de que la
temperatura de un disolvente (recordemos que el agua es el «disolvente universal») afecta a la
solubilidad de los gases.
Los gases que se disuelven en disolventes suelen liberar calor en un proceso exotérmico a medida que se disuelven.
Gas + disolvente líquido —>solución saturada + calor
Este proceso continúa hasta que se alcanza la saturación. En este punto, el gas seguirá disolviéndose, pero se equilibrará con el gas que sale de la solución. Si se añade calor a una solución, se libera gas en esta reacción endotérmica:
solución saturada + calor —> gas + disolvente líquido
En el equilibrio, salen de la solución tantas moléculas como se disuelven en un periodo de tiempo determinado.
gas + líquido <——>solución saturada + calor
El principio de Le Chatelier establece que un cambio en cualquiera de los factores que determinan el
equilibrio hará que el sistema se ajuste para reducir o contrarrestar
el efecto del cambio. El principio de Le Chatelier predice que la solubilidad de un gas aumentará a medida que un sistema pierda calor, y disminuirá a medida que gane calor.
- Discute cómo es posible la sobresaturación de O2.
Notas: Debido a los efectos de la presión hidrostática sobre los gases en solución, el agua puede sobresaturarse de oxígeno y otros gases (superar el 100% de saturación). Las fuerzas de atracción que mantienen el exceso de oxígeno en la solución son similares a las fuerzas dipolares inducidas discutidas anteriormente, pero un menor número de moléculas de agua están disponibles para inducir dipolos en las moléculas de oxígeno. Esto conduce a una atracción más débil de las moléculas de oxígeno cuando el agua está sobresaturada de oxígeno. Hipotéticamente, ¿qué condiciones en los lagos podrían causar la sobresaturación? ¿Qué pistas podrías buscar en un lago que puedan indicar que se está produciendo una sobresaturación de O2?
- Asigne parejas de estudiantes para completar la lección de estudio de los estudiantes.
- Discuta los resultados de los estudiantes.