XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Плотность и непроницаемость воды
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Меня зовут Родина Софья и я юный исследователь. Пока ещё я не знаю, что такое физика и химия, но я с детства люблю всё смешивать и ставить эксперименты.
Тема моей работы – плотность и непроницаемость воды. Идея этой темы появилась, когда я совершенно случайно провела один из описанных ниже экспериментов с водой, не пользуясь никакой литературой и он получился. Мне было любопытно как поведет себя вода. Оказывается, вода хоть и текучая, но необязательно будет выливаться из сосуда и не смешивается со всем подряд.
В процессе проведения эксперимента я узнала, что всё происходящее в нём не случайно, а так задумано природой.
Цель: пронаблюдать взаимодействие воды с различными веществами
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
Проанализировать литературные источники по данной теме
Изучить свойства воды
Рассмотреть взаимодействие воды с различными веществами на практике
Понять, как ведёт себя вода при столкновении с материей, веществами и жидкостями
Провести эксперименты по данной теме
Гипотеза: Вода жидкая, поэтому она должна отовсюду выливаться и смешиваться с жидкими веществами
Методы исследования:
1. Изучение литературных и интернет-источников по теме исследования
2. Эксперименты
4. Обобщение, систематизация полученных сведений
Объект исследования: вода
Предмет исследования: взаимодействие воды с бумагой, тканью и жидкими веществами
Практическая значимость работы состоит в том, что её результаты помогут мне разобраться в химических и физических свойствах воды, пронаблюдать природные явления и применять полученные знания в жизни.
Обзор литературы
Для того, чтобы понять, как ведёт себя вода с другими вещества и почему, я решила узнать, что такое вода и изучить её свойства. Из литературы я узнала следующее.
Что такое вода?
Вода — это жидкость, без цвета, вкуса и запаха.
Вода — это вещество, обеспечивающее существование всех живых организмов на Земле. Вода входит в состав клеток любого животного и растения. В общей массе взрослого животного содержится 45-70% воды, в эмбрионе человека – 97%. Сложные реакции в животных организмах и растениях могут протекать только при наличии воды. Потеря 10-12% воды может тяжело сказаться на состоянии организма. Доброкачественная вода – важный фактор жизни человека, животных и их здоровья. Вода – минерал со столь простой, на первый взгляд, химической формулой обладает отнюдь не простыми свойствами. И если раньше химики пытались установить ее формулу, то сейчас ученые бьются над загадками ее поведения и аномальных свойств. Известно, что в природе вода может находиться в трех различных состояниях: твердом, жидком или газообразном. Облака, снег и дождь представляют собой различные состояния воды. Облако состоит из множества капелек воды или кристалликов льда, снежинка — это совокупность мельчайших кристалликов льда, а дождь — это всего лишь жидкая вода. Вода, находящаяся в газообразном состоянии, называется водяным паром. Если воздух описывается, как «влажный», это означает, что в воздухе содержится большое количество водяных паров. Лед – твердое состояние воды. Толстый слой льда имеет голубоватый цвет, что связано с особенностями преломления им света. Сжимаемость льда очень низка. Лед при нормальном давлении существует только при температуре 0° С или ниже и обладает меньшей плотностью, чем холодная вода. Именно поэтому айсберги плавают в воде. При этом, поскольку отношение плотностей льда и воды при 0° С постоянно, лед всегда выступает из воды на определенную часть, а именно на 1/5 своего объема. Вода имеет еще одну очень важную физическую характеристику - теплоту парообразования. Мировой океан — это не только теплообменник, но и гигантский испаритель. Каждый день с поверхности суши, рек, озер, морей и океанов под действием солнечного тепла испаряется около тысячи кубических километров воды. При этом поглощается просто немыслимое количество тепла. Если бы этот процесс не происходил, все это тепло было бы потрачено на прогревание почвы и воздуха. И тогда температура на планете была бы значительно выше. [4]
Помимо этого, у воды множество свойств, которые встречаются нам в жизни.
Если опрокинуть стакан, то содержимое не разлетается по сторонам, не рассыпается, а образует лужу с четко очерченными краями. Это происходит благодаря специфике молекулы воды – субстанция сохраняет вязкость и высокое поверхностное натяжение.
Плотность воды
Плотность – еще один из физических параметров, характерных для всех веществ на планете. Вода – не исключение. Но и здесь у жидкости есть свои особенности, выходящие за пределы законов физики. Ученые доказали, что плотность любого вещества зависит от температуры и объема. С повышением температуры увеличивается объем и снижается плотность. Но это правило перестает работать с водой, температура которой от 0 до 4 °C – с повышением температуры объем, наоборот, уменьшается. Из-за того, что плотность льда ниже, чем жидкой формы, водоемы всегда начинают замерзать сверху, а не снизу. А ледяная корка, образовавшаяся сверху, не дает промерзнуть остальной жидкости.
Известно, что при нагревании тела расширяются, а при охлаждении сжимаются. Это справедливо и в отношении жидкостей. Но, если мы возьмем воду, то она и здесь ведет себя своеобразно. При нагревании любой другой жидкости, кроме воды, ее плотность с повышением температуры уменьшается. При охлаждении, наоборот, плотность будет неизменно возрастать. Вода же наибольшую плотность имеет при четырех градусах тепла. Охлаждаясь при наступлении холодов, вода на поверхности водоема становится более тяжелой и опускается вниз, а снизу поднимается более теплая и, следовательно, более легкая вода. Это движение прекращается, как только вся вода охладится до четырех градусов. Теперь уже верхний слой воды остывает дальше, остается наверху и превращается в лед. При этом ее объем резко увеличивается. Лед как бы набухает и остается на поверхности водоема. Таким образом, водоемы обычно не промерзают до дна. [4]. Жидкая вода при температуре 0 градусов плотнее, чем лёд, приблизительно на 10%. Это свидетельствует о том, что структурный беспорядок в жидкой воде обладает своими преимуществами в смысле упаковки молекул. [2]
Весь мир вокруг нас состоит из молекул, и в разных жидкостях количество этих молекул разное. Молекулы воды упакованы очень плотно, в одном стакане их больше, чем звезд на небе. Каждая молекула воды в воде, как и во льдах имеет четырёх соседей, и межмолекулярное взаимодействие в воде определяется водородными связями. [2] В масле молекул меньше, они упакованы не так плотно.
Жидкость отличается от твердого тела главным образом текучестью. Обладая приблизительно таким же объемом, как и твердое тело, жидкость представляет собой связанное состояние молекул, стабильное при более высоких температурах, чем кристалл. [2] Существуют жидкости с разной плотностью и жидкости с разной плотностью не смешиваются. Такое свойство жидкостей как плотность используется повсеместно. Проведение опытов – это очень увлекательное и познавательное занятие, которое помогло мне познакомиться с удивительными свойствами разных жидкостей.
Натяжение воды
Поверхностное натяжение воды – это ещё одно удивительное её свойство, наличие на любой водной поверхности тонкой и прочной пленки из ее молекул. Удивительно разнообразны проявления поверхностного натяжения жидкости в природе и технике. Оно собирает воду в капли, благодаря ему мы можем выдуть мыльный пузырь и писать ручкой. Поверхностное натяжение играет важную роль в физиологии нашего организма. [1] В жидкости сила поверхностного натяжения действует так, что стремится уменьшить поверхность жидкости до минимума в том месте, где она соприкасается с газом, другой жидкостью или твердым телом. В идеале получается шарик. Это явление встречается, например, на траве в виде капель росы; на кухне, когда на горячую сковороду попадает вода или масло; в стакане, когда наливаешь воду «с горкой»; мыльный пузырь тоже плод силы поверхностного натяжения. Именно по этой пленке бегает по озеру клоп-водомерка. С этим свойством связано и то, что капля воды в полете или в невесомости принимает форму шара. Вы видите проявление этого свойства всякий раз, когда наблюдаете, как вода медленно капает из водопроводного крана. Вследствие сцепления на поверхности воды образуется натяжение, и для того, чтобы разорвать поверхность воды, требуется физическая сила, причем, как это ни странно, довольно значительная. Ненарушенная водная поверхность может удерживать на себе предметы, которые значительно «тяжелее» воды, например, стальную иголку или лезвие бритвы, или некоторых насекомых, которые скользят по воде, словно это не жидкость, а твердое тело. Из всех жидкостей, кроме ртути, у воды самое большое поверхностное натяжение. Внутри жидкости притяжение молекул друг к другу уравновешено. А на поверхности нет. Молекулы воды, которые лежат глубже, тянут вниз самые верхние молекулы. Поэтому капля воды как бы стремится максимально сжаться. Стягивают ее силы поверхностного натяжения. [3] Почему же поверхность жидкости ведёт себя подобно растянутой упругой плёнке? Молекулы, расположенные в тонком слое жидкости вблизи поверхности, находятся в особых условиях. Они имеют одинаковых с ними соседей только с одной стороны поверхности, в отличие от молекул внутри жидкости, окруженных со всех сторон такими же молекулами. [1] Физически связанная вода, в отличие от свободной, находится под воздействием силовых (молекулярного и электростатического) полей минералов. Она образует тонкий слой вокруг твердых частиц, поэтому ее называю пленочной водой. В зависимости от энергии связи с минеральной поверхностью физически связанная вода, в свою очередь, подразделяется на прочносвязанную и слабосвязанную. [3]
Важное свойство воды - ее поверхностное натяжение (это степень сцепления молекул воды друг с другом). Чем ниже поверхностное натяжение, соответственно, выше растворяющая способность воды. Поверхностное натяжение определяет смачиваемость воды и ее растворяющие свойства. Чем ниже поверхностное натяжение, тем выше растворяющие свойства, тем выше текучесть. Все три величины - поверхностное натяжение, текучесть и растворяющая способность -связаны между собой. [3]
Методы исследования
Эксперимент №1
Смешивание воды. Опыт «Башня плотности» [4]
Цель: провести наблюдение, как ведёт себя вода, при смешивании с другими веществами.
Приборы и материалы: вода, прозрачная банка, мёд, розовый пищевой краситель, макаронина, металлический болт, помидор черри, пластиковую игрушку из киндера и резиновое колесико от машинки.
Ход эксперимента: я взяла прозрачную банку и наполнила её на дне мёдом. Затем взяла воду из-под крана и смешала с розовым красителем, чтобы она выделялась цветом. Налила её аккуратно вторым слоем. Затем слой растительного масла. Потом бросила туда предметы разной плотности: макаронину, болт, помидор черри, пластиковую игрушку из киндера и резиновое колесико от машинки.
Эксперимент №2
Смешивание воды. Опыт «Что тяжелее»
(самостоятельный эксперимент)
Каждое вещество обладает определенной плотностью. От этого свойства зависит его вес на единицу объема.
Цель: провести сравнение, что тяжелее – вода или другие вещества.
Приборы и материалы: вода, тарелка, песок, пластиковые блёстки.
Ход эксперимента: я смешала в воде песок и блестки для одежды. Песок опустился на дно, в блёстки поднялись вверх. Получилось очень красиво.
Эксперимент №3
Непроницаемость воды. Опыт «Непроницаемая ткань и бумага» [4], [5]
Вполне понятно, как удерживается вода в жестяной банке. А может ли держать воду кусок ткани? Решила узнать об этом в своем эксперименте.
Цель: узнать, выльется ли вода через бумагу и ткань.
Приборы и материалы: вода, длинный стеклянный сосуд с узким горлышком, бумажная салфетка, тканевая салфетка, резинка, пластиковая миска.
Ход эксперимента: я взяла узкий сосуд, наполнила его полностью водой, накрыла бумажной салфеткой и намочила её водой. Не стала завязывать края у салфетки, просто убрала их и оставила только мокрый кружочек салфетки, закрывающий горлышко бутылки. Резко перевернула бутылку вертикально, горлышком вниз и вода не полилась. Потом я взяла тканевую салфетку с крупными отверстиями. Завязала её края резинкой, также перевернула, сначала были капли воды, стекающие вниз, пока салфетка полностью не намокла, а потом вода перестала выливаться.
Эксперимент №4
Непроницаемость воды. Опыт «Вода в решете» [4]
Наука позволяет делать то, что кажется невозможным. К примеру, наука может помочь носить воду в решете, хотя всем известно, что это невозможно.
Цель: узнать, выльется ли вода через сито.
Приборы и материалы: вода, сито, растительное масло, кисточка, пластиковая миска.
Ход эксперимента: я взяла сито, смазала его с помощью кисточки растительным маслом. Встряхнула сито и осторожно по краю сита начала наливать воду. Она выливалась из сита, но плёнку из воды на ячейках создала и капли воды задерживались.
Результаты и обсуждение
Башня плотности
Жидкости не смешиваются, так как имеют разную плотность. Растительное масло остается на поверхности воды, потому что плотность масла меньше плотности воды. Вода – вещество менее плотное, чем мед, поэтому она остается на поверхности этой жидкости.
Когда мы опускаем предметы в сосуд, они плавают или тонут – в зависимости от своей плотности и плотности слоев жидкости. У металла плотность выше, чем у любой из жидкостей в сосуде, поэтому он упадет на самое дно. Болт упал на самое дно мёда. Помидор состоит на 96% из воды, видимо поэтому он плавал вверху воды, между водой и маслом. Резина имеет меньшую плотность и колесико оказалось на самом верху, в масле. Возможно, если это был бы резиновый мячик, то он был бы еще выше, так пишут в литературе. Макаронины и пластиковая игрушка плавали в воде, почти на дне воды. Значит у них плотность чуть меньше металла, но больше, чем у резины.
Что тяжелее.
Песок тяжелее воды. Даже песчинка потонет в ней. Если бы он был легче, то на пляже плавал бы на поверхности. Блестки состоят из пластика, и они легче воды, поэтому плавают на её поверхности.
Непроницаемая ткань и бумага
Молекулы успели заполнить отверстия в салфетки, когда она намокла и не пропускала воду из сосуда. Но, когда я наклонила бутылку также вниз, но под углом, то вода полилась из него, видимо освободив какие-то отверстия в салфетке. Когда я наклонила сосуд также под углом с тканевой салфеткой, вода не полилась. Видимо, свойства бумаги и ткани отличаются.
Непроницаемость воды через бумажную салфетку
Непроницаемость воды через тканевую салфетку
Вода в решете
В литературе было написано, что нужно смазать маслом решето, затем встряхнуть, чтобы отверстия были открыты. Затем аккуратно залить воду по внутренней стороне сита и решето заполнится. Воду должна держать плёнка, образовавшаяся из-за не смачивания водой ячеек решета. Честно говоря, этот эксперимент у меня не получился. Плёнка из воды на решете образовалась, в совокупности с маслом. Но, вода всё равно выбегала.
Заключение
Я выяснила, что:
Вода- распространённая жидкость на планете, без неё невозможна жизнь
Вещества разной плотности не смешиваются
Плотность воды позволяет сравнивать ее по весу с другими веществами, причем не только жидкими, но твердыми и газообразными
Вода способна объединять молекулы и удерживать на себе вес
Вода способна принимать форму
В результате проведённых экспериментов я сделала выводы:
Вода - особенное вещество, не только текучее, но и способное принимать форму. С водой нельзя смешать, что угодно. Вещества разной плотности не смешиваются, а разделяются слоями. Значит, смешать можно вещества только похожей плотности.
В воде некоторые предметы тонут, а некоторые плавают на поверхности, это тоже зависит от соответствия плотности предметов и воды. Чем меньше плотность предмета, тем выше в воде он будет находиться.
Плёнка, образованная из самой воды, может удерживать воду. Причём, достаточно большое количество и вес. Значит – вода сильная.
Моя гипотеза не подтвердилась, вода может не выливаться и не смешиваться.
Эксперименты мне понравились. Эти знания необходимы во многих сферах деятельности человека. Я продолжу проводить разные опыты с водой и другими жидкостями. Надеюсь, что полученные знания в этом проекте позволят мне лучше разбираться в дальнейшем в предметах химии и физики.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Асламазов, Л.Г. Удивительная физика/ Л. Г. Асламазов, А. А. Варламов. – М.: Изд.: «Наука», 1988 - 59 с.
Зацепина, Г.Н. Физические свойства и структура воды/ Г.Н. Зацепина. - М.: Изд. МГУ, 1987. – 104 с., 122 с.
Колтовой, И.А. Структура и свойства воды. Книга 2, часть1./ И.А. Колтовой. – М., 2017. – 31 с., 65 с.
Занимательные опыты о свойствах воды. - https://ecopartnerstvo.by/sites/default/files/publications/zanimatelnye_opyty_o_svoystvah_vody_26_final_maya.pdf. – 7 с., 13-14 с., 25 с., 28 с., 30-31 с.
15 самых интересных опытов с водой для детей. - https://academy-of-curiosity.ru/wp-content/uploads/bg_forreaders/15-samyh-interesnyh-opytov-s-vodoj-dlya-detej_18919.pdf. – 4 с., 7-8 с.