Превръщането на вода в киселина … и обратно

Учениците научават как водата чрез разтваряне на въглероден диоксид може да се промени от животоподдържаща в животозастрашаваща течност. Те ще осъзнаят, че повишаване количеството на CO₂ не само увеличава парниковия ефект, но също така се отразява на морската екосистема чрез подкиселяване. Океаните са въглеродна мивка, която спомага за смекчаване на парниковия ефект, но изпитват неблагоприятни последици върху себе си. Учениците научават, че количеството на CO₂, разтворен във водата, зависи от нейната температура.

Учениците ще научат основни химични понятия като например, че добавянето на агент към друг може да променя характеристиките. Те научават, че разтварянето на газ като въглероден диоксид в животоподдържаща течност като водата, може да промени своя характер доста драстично. В този случай, резултатът може дори да навреди на живота, какъвто го познаваме. Те се научават как да определят промените и какво означават резултатите в глобалната картина.

Дейност 1

Преди дейността

След въвеждане на темата, както е предложено в описанието на дейността, учителят може да вникне настоящите познания на учениците чрез задаване на въпроси (също споменати в описанието).

Въпрос: Какви вещества, съдържащи въглерод познаваш?
Възможни отговори: въглища, бензин, гориво, моливи, захар, въглероден диоксид, метан, ...

Въпрос: Познавате ли твърди, течни или газообразни вещества, които съдържат въглерод
Възможни отговори: (виж по-горе)

Въпрос: Кой е простият газ, който съдържа въглерод и е продукт на горенето или органичното разлагане? Вие дори го издишвате всеки път при дишане.
Отговор: въглероден диоксид (CO₂)

Въпрос: Какво се случва с въглеродния диоксид, когато той е разтворен във вода, както това се случва с океаните на Земята?
Възможни отговори: газирана вода, обогатява водата с въглена киселина

Въпрос: Какво правят киселините?
Възможни отговори: Те могат да разтворят материалите.

По време на дейността

Въпрос: Каква е стойността на рН на водата? Дали течността е киселинна или основна (алкална)?
Отговор: Стойността на рН е 8, което означава, че водата е неутрална или слабо основна (алкална).

След дейността

Въпрос: Каква е стойността на рН, която се достигна? Дали водата ще стане киселинна или основна?
Отговор: Стойността на рН е ... (3 в примера, даден на Фигура 12). Това е доста кисела среда.

Въпрос: Какво киселини правят с други вещества?
Отговор: Киселини имат силата да разтварят някои вещества.

Въпрос: Какво се случва с морските същества с екзоскелети, направени от варовик, когато водата става по-кисела?
Възможни отговори: Варовикът се разтваря от въглената киселина.

Дейност 2

Преди дейността

Въпрос: Имате ли идея как да се неутрализира разтвора, т.е. промяна на киселината в неутрална вода и обратно? Учителят може да помогне, като казва, че газът от газираната вода и сода е въглероден диоксид, който добре познават. Какво се случва с тях, когато ги поставите в отворен съд при стайна температура в продължение на известно време?
Възможни отговори: въглеродния диоксид се отделя от водата с течение на времето, както и при затопляне.

По време на дейността

Въпрос: Наблюдавате ли промяна докато нагрявате разтвора?
Отговор: Да, цветът се променя.

След дейността

Въпрос: Каква е стойността на рН, която бе достигната?
Отговор: Стойността на рН се завръща към неутрална стойност : 7-8.

Въпрос: Какво се случва с океанската вода, когато тя се транспортира от полярните към екваториалните райони?
Отговори: Тя се затопля.

Въпрос: Кои води могат да съхраняват повече въглероден диоксид? Полярните или екваториалните?
Отговори: полярните води

Въпрос: И така, какво се случва с въглеродния диоксид, разтворен в океана?
Отговор: Той се освобождава в атмосферата.

Броят на елементите съответства на броя на учениците, които извършват експериментите. Един комплект се състои от:

• Дестилирана или деминерализирана вода
• Прозрачна чаша
• Сламка за сок
• Универсален рН индикатор според McCrumb (http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ac50075a004), виж също: http://www.hometrainingtools.com/universal-indicator-30-ml и http://experilab.co.za/catalog/index.php?main_page=product_info&products_id=602
• Малък котлон или спиртна лампа
• Нагревателят е необходим само за втората част на дейността, когато се неутрализира водата. От съображения за безопасност, учителят може да реши да извърши този експеримент като само като демонстрация.

Въглероден цикъл

Земята е динамична система, която обменя енергия и материали между различни сфери и космоса. Една от най-важните циркулационни системи е въглеродният цикъл.

Фигура 1: Годишният поток от CO₂ в гигатона (GT) или милиарди тона между всеки от резервоарите на Земята. Всеки резервоар служи едновременно като източник и склад за въглеродните емисии, както е посочено от стрелките. Въглеродът, освободен от изгарянето на изкопаеми горива е небалансиран принос към общия бюджет на въглерода. Общият принос на въглерод от изгарянето на изкопаеми горива е нараснало от 5.5 Gt до между 7 и 8 Gt от 2003 г. до 2007 г. (Credit: NASA/AIRS, https://www.flickr.com/photos/atmospheric-infrared-sounder/8265010034, https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/legalcode).

Въглеродът се променя химически и неговите съединения достигат различни агрегатни състояния. Обикновено, обмена на въглерод между литосферата, хидросферата, биосферата, и атмосферата се поддържа в едно деликатно и естествено балансирано равновесие с въглеродните източници и поглъщателите(складове) на въглерод и са в постоянно взаимодействие. Складовете и източниците са определени като подсистеми, които улавят или ги освобождават в атмосферата, където те действат като парникови газове като въглероден диоксид или метан.

Таблица 1: естествени и изкуствени източници и поглъщатели (складове) на въглерод.

Фигура 2: Еволюция на бюджета на въглеродни поглъщатели и източници (Credit: climatesafety, https://www.flickr.com/photos/climatesafety/4745854611, https://creativecommons.org/licenses/by-nc/2.0/legalcode).

Въпреки това, изкуствената намеса от човешките дейности непрекъснато се увеличава с нетен дисбаланс към въглеродните източници, водещи до все по-голяма концентрация на въглеродно базирани парникови газове. Както Фигура 3 илюстрира, количеството на CO₂ в атмосферата се е увеличил драстично от началото на 20-ти век. Темпът на нарастване е безпрецедентен за последните няколко стотици хиляди години. Налице е широк консенсус сред климатолозите, че това значително допринася за глобалното затопляне, което измерваме днес. Концентрациите на въглероден диоксид могат да бъдат измерени заедно от сензори на земята и с специални сонди за наблюдение на Земята от Космоса чрез дистанционно проучване. Успешните космически програми за мониторинг на емисиите на парникови газове в световен мащаб са в Европа - Енвисат, Япония - GoSat както и ОСО-2 сателит на НАСА. Европейската програма Коперник с нейните Sentinel сателити ще спомогне за разбирането на последиците от все по-голямото количество на парникови газове, изпускани в атмосферата.

Фигура 3: Тази графика, на базата на сравнението на атмосферни проби, съдържащи се в ледените ядра и по-скорошни преки измервания, представя доказателства, че CO2 в атмосферата се е увеличил след индустриалната революция до февруари 2016 г. (Credit: Vostok ice core data/J.R. Petit et al.; NOAA Mauna Loa CO₂ record/NASA/JPL, http://climate.nasa.gov/evidence/, public domain).

Стойността на рН

Стойността на рН е мярка за силата на киселините. Неговата стойност представлява концентрацията на свободни хидрогенен (H⁺) или хидрониев (H₃O⁺) йони. Стойността се определя като:

Концентрацията на хидрониевите йони в (H3O +) се дава в единици молове на литър. Молът е стандартна мерна единица за количеството на дадено вещество. Има индикатори, които променят цвета си в зависимост от стойността на рН на разтвора. Това позволява измерване на стойността на рН.

Океаните като складове на въглерод

До 30-40% от произведения от човека въглероден диоксид се улавя в океаните, реките и езерата. Газът е ефективно разтворен във вода. Ето защо, океаните са много големи и значими складове на въглерод.

Фигура 4: Въздух-море обмен на въглероден диоксид (Credit: McSush (modified), Hannes Grobe (original), https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CO2_pump_hg.svg, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/legalcode).

Въпреки, че способността на водата да улавя и съхранява CO₂ помага за намаляване на парниковите газове, това има висока цена. Разтварянето на CO₂ във вода я променя химически. В резултат на това водата става по-кисела. Подкиселяването и последиците могат да бъдат разделени на три химични реакции. Първо, въглеродния диоксид с водата образува въглена киселина.

Киселината се веднага разлага (дисоциира) на нейните йони, сред които е и хидрогенния йон, който също реагира, за формиране на хидрониев йон на H₃O⁺. Свободните хидрогенен или хидрониев йони са характерни за кисела среда. Това е отразено в определянето на стойността на рН (виж по-горе).

Киселият разтвор реагира с карбонатните йони, които са в изобилие в океанската вода. Те са градивните елементи например за екзоскелетите на ракообразните като охлюви, миди, както и корали.

Тези реакции се появяват на повърхността на водите, като океаните. В резултат на това, формирането на карбонатни съединения като вар е възпрепятствано, или в крайни случаи, съществуващите екзоскелети може дори да се разтворят. Нетното уравнение на реакцията е показана на Фиг. 5.

Фигура 5: Илюстрация на това как разтварянето на CO₂ във вода консумира карбонатните йони. Това затруднява калцификацията или дори може да доведе до премахване на варовика от мидените черупки (Credit: NOAA PMEL Carbon program, public domain).

Въпреки че степента на соленост на морската вода смекчава ефекта от окисляването, тенденцията се запазва. Освен в измерените проби на място, нови технологии съществуват, за да се определи нивото на рН в океана в световен мащаб с помощта на дистанционно наблюдение от сателити за наблюдение на Земята (Фигура 6).

Фигура 6: Тази карта показва първите оценки на рН на повърхността на океана, използващи данни за соленост от SMOS на ЕКА с измервания от сателите повърхностните температури на моретата и океаните и допълнителни помощни данни. Налице са пространствени вариации на рН в целия свят. Студените води близо до полюсите са склонни да бъдат по-кисели, поради способността на студена вода да разтваря въглероден диоксид по-добре от топлата вода. (Credit: ESA/R. Sabia, http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2015/01/Surface_ocean_pH, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/igo/legalcode).

Такива карти показват също, че особено полярните региони са по-силни, засегнати от подкисляване, отколкото други. Това може да се обясни с феномена на студена вода, която е в състояние да разтваря CO₂-добре от топлата вода. Известни са голям брой течения, които свързват океаните на света. Това води до обмен на вода между географски ширини, и така киселата, богата на CO₂ вода се транспортира от полюсите до регионите на екватора. Водата се загрява по пътя си и освобождава част от съхранявания CO₂. Следователно, океаните може да се разглеждат като регионални източници на въглерод.

Това влияние на температурата на водата се потвърждава и от модели на данни, които са резултат от исторически и прогнозни развития на глобалните нива на рН, както е показано в докладите за климата на IPCC (Междуправителствената експертна група по изменението на климата, виж фигура 7). Всички прогнози водят до по-силно подкиселяване на полярните региони, в сравнение с други региони на Земята.

Фигура 7: Историческо и прогнозирано развитието на рН нивата океанската повърхност. Моделите са изчислени за най-оптимистичния (RCP2.6, Представителни Концентрация Pathways) и най-песимистичния сценарии (RCP8.5) за развитието на CO₂ в атмосферата. (А) серия Време на повърхността рН показан като средната (плътна линия) и гама от модели (пълни), дава като площ претеглените средни стойности над Северния ледовит океан (зелен), тропическите океани (червено) и Южния океан (синьо ). (Б) Карта на промяна на средните модели в повърхностните стойности на рН от 1990 до 2090 г.

Въведение

Въвеждане на темата се извършва като се съобщава на учениците, че въглерод е основният елемент в живите същества. Всяко съединение съдържа въглеродни атоми.

Въпрос: Какви вещества, които съдържат въглерод познаваш?

Въпрос: Познавате ли твърди, течни или газообразни вещества, които съдържат въглерод?

Въпрос: Кой газа, който съдържа въглерод и е продукт на горене или органично разлагане? Можете дори да го издишате при дишане.

Атмосферата на Земята съдържа въглероден диоксид, чиито изобилие непрекъснато се увеличава.

Въпрос: Какво се случва с въглеродния диоксид, когато той се разтваря във водата, както това се случва с океаните на Земята?

Всичко това ще разберете със следващата дейност. Тя се превръща в киселина.

Въпрос: Какво киселините правят?

Информация:
Силата на киселина се измерва със стойността на рН. Скалата е от 1 до 14. Неутрално вещество - което не е нито кисело, нито основно (алкално), има стойности, близки до 7. Колкото по-ниска е стойността, толкова по-силна киселина е. Високите стойности показват основен характер. Стойността на рН може да се измерва с индикатори, които съответно променят цвета си.

Дейност 1

Списък на материал
Броят на елементите съответства на броя на учениците, които извършват експерименти. Един комплект се състои от:

• Дестилирана или деминерализирана вода
• Бехерова чаша или стъклена огнеупорна чаша
• Сламка за сок
• Универсален индикатор (http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ac50075a004)

Раздайте материалите на учениците. Оставете ги да изпълнява следните задачи стъпка по стъпка. Предупредете ги да не се поглъща течността.

Стъпка 1: Налейте малко вода в чашата.

Фигура 8: Елементи, необходими за първата част от дейността (собствена разработка).

Стъпка 2: Добавете няколко капки от индикатора, докато разтворът стане зелен.

Въпрос: Каква е стойността на рН? Дали течността е киселинна или основна?

Фигура 9: Цветът на водата след добавянето на индикатор. рН е в съответствие с рН стойност 8 (собствена разработка).

Стъпка 3: Използвайте сламка и издухвайте внимателно в разтвора. Погрижете се, че тя да не изтече от чашата. Продължете, докато цветът на индикатора не се променя повече.

Фигура 10: Продухване на въздух в течността добавя въглероден диоксид, който бавно променя стойността на рН (собствена разработка).

Стъпка 4: Сравняване на крайния цвят с таблицата на рН на индикатора и определяне на стойността на рН.

Фигура 11: Фигура 11: След продухването в продължение на няколко минути, цвета престава да се променя. В този пример, е достигнал стойност на рН 3. Това показва промяна на киселата газирана вода (собствена разработка).

Въпрос: Каква е стойността на рН, която достигнахте? Дали водата ще бъде киселинна или основна?

Въпрос: Какво киселини правят с другите вещества?

Информация:
В този случай, учениците са произвели въглена киселина. В природата, продуктите взаимодействат с варовик, който е химически калциев карбонат. Той е градивен елемент на екзоскелетите на много морски създания, като морски охлюви, миди или корали.

Въпрос: Какво се случва с морските същества с екзоскелети, направени от варовик, когато водата става по-кисела?

Дейност 2

Попитайте учениците, ако имате идея как да възстановят Дейност 1, т.е. как да се неутрализира разтворът отново. Кажете им, че газираната минерална вода и газирани напитки също съдържат разтворен въглероден диоксид.

Попитайте ги какво се случва със содата (газирана вода), ако се съхранява при стайна температура в продължение на известно време.

Следващият експеримент може да се извърши като демонстрация от учителя, ако прецени, че учениците могат да се наранят при нагряване на разтвора.

Поставете чашата с кисел разтвор на нагревателя. След загряване в продължение на няколко минути, течността започва да променя цвета си. Избягвайте кипене! В крайна сметка, цветът трябва да се върне отново към зелен, което показва неутрализация. Различни нюанси на цветовете са показани на Фигура 12.

Фигура 12: При загряване на кисела течност, цветът започва да се променя отново. Подкиселяването намалява, защото въглеродният диоксид се освобождава от течността. Топлата вода не може да се съхранява добре въглеродния диоксид, както водата при по-ниски температури (собствена разработка).

Въпрос: Каква е стойността на рН, която достигнахте?

Въпрос: Какво се случва с океанска вода, когато тя се транспортира от полярните до екваториалните райони?

Въпрос: Кои води могат да съхраняват повече въглероден диоксид? Полярните или екваториалните?

Space Awareness curricula topics (EU and South Africa)

Our fragile planet, Oceans, biodiversity

Space Awareness учебни програми и теми (ЕС и Южна Африка) Нашата крехка планета, Океани, Биоразнообразие