XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ТРИ СОСТОЯНИЯ ВОДЫ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Я думаю, каждому человеку известна огромная роль воды. Без воды невозможна жизнь на нашей планете Земля. Она занимает большую часть поверхности нашей планеты. Организм человека более чем наполовину состоит из воды. О её чудесных свойствах написано много книг. Вода является самым важным, нужным и используемым веществом на планете. Для многих растений и животных вода-это место жизни. Но без воды не могут прожить и те, кто обитает на суше. Воду ничем не заменить!
Основная часть.
Вода, с одной стороны, самое обыденное и привычное нам вещество. Но, в тоже время, вода – уникальное вещество! И если начать ее изучать, то оказывается она обладает многими удивительными и невероятно интересными свойствами. Начиная свое исследование, я начал понимать, что оно получится очень большим, так как вода – неисчерпаемый источник опытов для наблюдений для внимательного исследователя. И, если даже, описывать все свойства трех состояний воды, то, работа получится слишком обширной.
О воде и ее свойствах написано немало и в книгах, и в интернете, поэтому мне не хотелось, бы копировать в свою работу пусть даже интересные, но общедоступные факты. Я подумал, как сделать изучение состояний воды чем-то своим, максимально самостоятельным и индивидуальным. И вот, что у меня получилось.
Когда я читал про планеты, то обратил внимание, что жизнь в нашей солнечной системе существует только на Земле, и только на Земле воданаходится одновременно в нормальных для планеты условиях в трех состояниях.
Вода обеспечивает существование всего живого и, наверняка, то, что она существует в трех состояниях, это не просто так, видимо различные свойства воды в этих различных состояниях так же необходимы для нашей планеты и всего живого. Я хочу попытаться с помощью опытов разобраться, как меняются свойства воды в зависимости от ее состояния и как природа использует данные свойства. Какие свойства воды в этих трех состояниях природа использует для поддержания жизни на планете. То есть, я бы хотел рассмотреть необходимость нахождения воды в трех агрегатных состояниях как обязательное условие возникновения и существования жизни на нашей планете.
Цель исследования - проверка гипотезы, что нахождение воды в природе одновременно в трех состояниях - необходимое условие существования биосферы на нашей планете. Хочу обратить внимание, что в данной работе я исследую не значение воды в биосфере, а характерные свойства воды в различных состояниях, которые обуславливают эту необходимость.
Объектом исследованияявляется вода.
Предмет исследования – свойства воды при переходе из одного состояния в другое.
Методы исследования: наблюдение, анализ, эксперимент, сравнение, вывод.
Исследования.
1. Вода – жидкость.
Для исследования свойств жидкой воды было выбрано следующее наблюдение: вода в жидком состоянии растворяет и переносит в себе вещества, действует как доставка, как транспорт, во-первых, во-вторых, как мне кажется, из моих опытов по химии и наблюдений, многие взаимодействия без воды невозможны.
Для эксперимента были взяты три вида веществ:
- растворимое вещество: поваренная соль;
- сухой порошок: смесь лимонной кислоты и соды в виде сухих веществ;
- предположительно нерастворимое вещество: пакетик чая;
- нерастворимое вещество: металлическая скрепка.
Экспериментальная часть:
А)В дистиллированной воде были растворены поваренная соль, сахар, лимонная кислота, сода.
Вывод: вода способна растворять в себе большое количество веществ.
Далее был взят раствор поваренной соли, перелит в чашку Петри и нагрет в течении трех часов при температуре 60° С.
Когда вода испарилась, на дне чашки осталась соль (фото соль №1)
Вывод: вода способна переносить растворенные в ней вещества. Она водном месте растворяет вещество и, благодаря своей подвижности, переносит его в себе в виде раствора. А, испаряясь, в другом месте оставляет это вещество.
Дополнение: Кстати, когда соль была выпарена, я обратил внимание что изменилась форма кристаллов – они стали крупнее(см фото соль № 2).Как побочный эксперимент я решил проверить, а будет ли влиять скорость испарения на форму кристаллов. Я снова растворил то же количество соли в воде и испарил ее при 100с в течение 10 минут. После исследования кристаллов в микроскоп обнаружены очень мелкие кристаллы (см фото соль №3), не имеющие четкой структуры. Видимо, скорость испарения очень влияет на структуру будущих кристаллов. Это наблюдение не входило в мои первоначальные планы, но я хочу отметить это явление.
Б) Я приготовил смесь сухой лимонной кислоты и соды. Несмотря на то, что данная смесь состоит из кислоты (лимонной) и щелочи (соды), реакции не произошло. После добавления воды началась бурная реакция.
Вывод – вода необходима для протекания химических реакций.
В) В стакан с горячей водой был помещен пакетик чая. После «заваривания» я решил проверить свое предположение, что вода не растворяет чай, а лишь очень тонко его измельчает. Для проверки я пропустил луч лазерного фонарика через стакан с чаем (см фото №4) и через стакан с раствором сахара. В случае с чаем был отчетливо виден лучик, который, наверняка, был заметен из-за рассеивания света на частичках (как в воздухе пылинки бы произвели подобный эффект).
Значит, чай – очень тонко измельченное вещество.
Вывод – некоторые вещества, хотя и нерастворимы в воде, измельчаются в ней до практически невидимых глазом частиц и в таком состоянии способны (как и растворенные вещества) переносится с течением воды и участвовать в реакциях.
Г) В банку с водой была помещена металлическая скрепка. Банка выдерживалась дома при естественном освещении и комнатной температуре 3 месяца.
Было обнаружено, что металлическая скрепка частично растворилась с образованием оранжевой тонкой взвеси (см. фото №5).
Вывод: вода реагирует даже с абсолютно нерастворимыми веществами, видимо, вступая с ними в химическую реакцию.
Из всех четырех экспериментов с жидкой водой становиться, очевидно, что вода в жидком состоянии тем или иным образом реагирует практически со всеми веществами!
2. Вода – газ.
Водяной пар важен для жизни человека и всего живого на Земле. Он участвует в мировом круговороте воды в природе.
Солнце нагревает поверхность Земли, вода превращается в водяной пар и поднимается вверх. Там воздух охлаждается, и пар снова становится водой. В виде осадков он снова попадает на Землю, питая реки и Мировой океан.
Водяной пар регулирует тепло на поверхности нашей планеты, определяет, какая установится температура в определённой местности, образуются ли облака, выпадет дождь и роса.
Для исследования свойств воды в парообразном состоянии были проведены следующие три эксперимента.
А) В дистиллированной воде я растворил лимонную кислоту. В раствор опустил индикаторную полоску – она покраснела, показывая, что в растворе кислота.
Раствор кислоты я поместил в реторту, реторту соединил с приемником.
После нагрева образовался водяной пар, который начал конденсироваться в приемной колбе. В приемнике собралась вода. Я опустил в нее индикатор – цвет не изменился. Вся кислота осталась в реторте.
Вывод: в виде пара при парообразовании вода способна полностью очищаться от растворенных в ней веществ.
Б) В реторту были помещены корки (свежие) от мандаринов (см. фото №6). Далее я налил в реторту 100 мл дистиллированной воды. Была собрана такая же установка, как и в опыте А). После полной перегонки воды корки остались в реторте, а пар сконденсировался в приемнике. Когда я рассматривал воду в приемнике я обратил внимание на тонкий слой маслянистой жидкости, покрывающий воду (см. фото №7). Я понюхал эту жидкость – она пахла мандаринами!
Тогда я поместил корки снова в реторту без воды и нагрел. (Это была не самая удачная идея), но, как оказалось, отрицательный результат тоже результат .
Корки сгорели, а в приемнике не было никаких следов, той первоначальной жидкости! Значит, как я потом узнал, эфирное масло мандарина, было, способно выделится из корок только с помощью водяного пара!
Вывод: с помощью превращения в пар, вода может не только очищаться от растворенных в ней минералов, но и «загрязняться» полезными веществами! Извлекать их из органической материи.
В) Мы принесли с улицы холодный стакан и поставили в комнате. Очень скоро на нем стали образовываться капельки воды из неоткуда. Это могло быть только в том случае, если в воздухе был невидимый пар и он охлаждался на стенках стакана в капельки. Значит, пар может быть двух видов – видимый – как из чайника, и невидимый, как в воздухе.
Из экспериментов с паром было выяснено:
Вода, испаряясь, очищается от всех растворенных в ней веществ.
Вода при испарении способна извлекать из веществ их самые мелкие частички и уносить вместе с паром.
В воздухе постоянно находится вода в виде невидимого газа.
3. Вода – лед.
Лёд – это вода в твердом агрегатном состоянии. Мы часто встречаем его в повседневной жизни: в холодное время лёд сковывает реки и лужи, появляется в виде ледяных узоров на окнах, сосульках на крышах. Мы можем приготовить его в любое время в холодильнике.
Лёд выполняет важную роль на Земле: участвует в круговороте воды в природе, снабжает нашу планету огромным объёмом пресной воды и сдерживает глобальный уровень воды в мировом океане.
Для исследования воды в состоянии льда были проведены следующие эксперименты:
Мы растворили в воде небольшое количество поваренной соли и поставили воду в морозильник. Через несколько часов вода замерзла и растворенная в ней соль – вся собралась в центре льда, а по краям лед был чистый и прозрачный.(см. фото №8) Вода, замерзая, вытесняет из себя растворенные вещества – она способна к самоочищению в процессе замерзания.
Мы положили кусочек льда в воду, но вместо того, чтобы утонуть лед плавал в воде. Значит, плотность льда меньше плотности воды. Хотя, по моим ожиданиям – если вещество замерзает, то расстояние между его частичками уменьшается и плотность увеличивается. Я думаю, дело в какой-то особой структуре льда, которая уменьшает плотность воды. Для проверки этого предположения мы налили воду в стеклянную баночку, закрыли крышку и поставили в морозильник. Через 4 часа мы открыли морозильник и увидели…осколки. Из этого опыта стало ясно, что вода при замерзании увеличивает объем, поэтому и становится легче. Видимо, частички воды при замерзании не просто двигаются медленнее, но и образуют какие-то упорядоченные кристаллы и расстояние между частичками увеличивается.
Пока на улице зима, мы провели еще один эксперимент со снегом. Снег, как я думаю, это тоже определенная форма льда. Но почему, то еще более легкая. Мы набрали на улице целый стакан снега и принесли домой. Через несколько часов снег растаял, но воды в стакане было совсем чуть-чуть. Далее мы набрали еще один стакан снега воткнули в него термометр и поместили в морозильник (см фото №9). Рядом мы положили такой же контрольный термометр. Через час мы вытащили термометры и сверили их показания. Я думал, что термометр, находясь в холодном снеге охладиться быстрее, но он показывал минус 6с, в то время как контрольный термометр показывал минус 12°С. Я внимательно разглядел снег под микроскопом (см фото №10) и увидел, что он состоит из маленьких кристалликов (см фото №11), между которыми воздух. Вот почему из стакана снега получилось так мало воды. Снег - это на 90% воздух, а воздух плохо проводит тепло. Теперь понятно, почему медведи спят в снежных берлогах - снег может сохранять тепло!
Вывод: вода в виде льда обладает уникальными свойствами расширяться при замерзании, поэтому лед не тонет. Вода в виде льда образует снег, который как одеялом укрывает землю и не дает всему замерзнуть. Вода, замерзая, выталкивает из себя растворенные вещества и становится пресной. Лед – запасы пресной воды!
Заключение.
Итак, проведя все эксперименты, проанализировав их результаты, мы можем сказать следующее, подвести такой итог:
Вода - жидкость.
Растворитель. Большинство химических реакций протекают только в водной среде. Транспортная функция. Переносит питательные вещества из одной части в другую. Функция регенерации. С помощью воды удаляются ненужные продукты жизнедеятельности.
Все обменные процессы (химические реакции) в организме и природе регулируются водой.
Вода - пар.
Водяной пар активно участвует в создания парникового эффекта на Земле. Его влияние на климат планеты весьма значительно. Поэтому к нему приковано внимание многих ученых, занимающихся данной проблемой.Водяной пар активно участвует во многих химических процессах, происходящих в атмосфере, стратосфере, тропосфере.
Водяной пар является незаменимым элементом такого важного для нашей планеты процесса как Круговорот воды в природе.
Несмотря на всю свою «незаметность», водяной пар является важным элементом глобальной эко-системы Земли.
Вода - лед.
Лед снабжает планету пресной водой и сдерживает глобальный уровень воды в мировом океане. Обладает меньшей плотностью, чем вода. Благодаря этому морские жители продолжают свою жизнедеятельность. Большинство других веществ увеличивают свою плотность при замораживании. Способна - к самоочищению. Замерзая, вода вытесняет примеси, которые были в ней растворены. Более 2/3 запасов пресной воды на Земле хранится в ледниках. Вода - единственное на Земле вещество, которое одновременно в естественных условиях существует в трех агрегатных состояниях: жидком — это ее преимущественное состояние, твердое (лед),и газообразное (водяной пар). Благодаря этому происходит круговорот воды в природе и жизнь на Земле.
Список литературы.
1. Петрянов И.В. Самое необыкновенное вещество в мире. - М.: 1995.
2. Спенглер О.А. Слово о воде. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990.
3.Семенов В.П. Кашина О.М. Физические процессы в природе. - М., 2006.
4. Физическая энциклопедия. Том 1. - М., 1991.
Интернет ресурсы:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Агрегатное_состояние
https://ru.wikipedia.org/wiki/Жидкость
http://studbooks.net/2402203/matematika_himiya_fizika/primenenie_vody
http://fb.ru/article/367931/svoystva-lda-stroenie-mehanicheskie-i-fizicheskie-svoystva-lda
https://ru.wikipedia.org/wiki/Кристаллизация
https://ru.wikipedia.org/wiki/Лёд
https://ru.wikipedia.org/wiki/Пар
Приложение.
Фотоматериалы
Фото №1. Соль после выпаривания.
Фото №2. Кристаллы соли после выпаривания (под микроскопом).
Фото №3. Кристаллы соли после выпаривания при большей скорости.
Фото №4. Луч лазерного фонарика, пропущенный через стакан с чаем.
Фото №5. Образование тонкой взвеси.
Фото №6. Опыт с ретортой.
Фото №7. Тонкий слой маслянистой жидкости.
Фото №8. Поваренная соль собралась в центре.
Фото №9. Стакан со снегом и термометром.
Фото №10. Рассматривание снега под микроскопом.
Фото №11. Кристаллы снега.