XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Удивительные свойства воды
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Вступление
В этом году я перешла в пятый класс, и мы начали изучать новый, очень интересный предмет - естествознания. На уроке я узнала, что из иллюминаторов космических кораблей поверхность Земли кажется голубой. Это происходит потому, что 71% поверхности планеты покрыто водой и льдом.
В случае таяния ледников вода в Мировом океане поднимется более, чем на 50 метров, что приведет к затоплению гигантских территорий суши на всем земном шаре. Мне кажется, правильнее было бы называть нашу планету не Земля, а Вода или Океан.
Мало кто из нас задумывался над тем, что представляет собой вода. Она сопровождает нас повсюду и, кажется, нет ничего более обычного и простого. Однако это далеко не так. Почти все свойства воды - исключение в природе. Она действительно самое удивительное вещество на свете.
Ученые уже немало узнали о воде, разгадали многие ее тайны. Но чем больше они изучают воду, тем больше убеждаются в неисчерпаемости ее свойств, некоторые из которых все еще не поддаются объяснению.
И вот какие цель и задачи я поставила перед собой:
Цель работы: исследовать удивительные свойства воды.
Задача:
* изучить информацию по данной теме;
* узнать о значении воды в природе и ее применении в хозяйственной деятельности человека;
* познакомиться с физическими и химическими свойствами воды;
* провести опыты, демонстрирующие удивительные свойства воды и попытаться связать их с природными явлениями.
Объект исследования: вода.
Предмет исследования: свойства воды.
Гипотезы: хотя вода является эталоном нескольких величин, это очень аномальное вещество в природе и наше повседневное представление о ней не всегда соответствует действительности.
Если бы свойства воды не были столь необычными, то жизнь на Земле была бы невозможна, или приобрела бы совсем другие формы.
Глава 1. Вода в жизни человека и его хозяйственной деятельности.
Водная среда жизни-гидросфера, вероятно, самая древняя. Она образовалась 4,3-3,8 млрд. лет назад из атмосферы, которая содержала большое количество водяного пара, выделявшегося в процессе вулканических извержений.
Водяной пар конденсировался и выпадал на поверхность планеты в виде дождя. Постепенно образовались озера, а они превратились в океаны. В них неслись потоки воды с продуктами выветривания, частицами пород и растворенными веществами – солями. Так началось засоление морской воды, которое мы можем наблюдать и сейчас.
Именно в гидросфере 3,5 млрд. лет назад появились первые живые организмы – архебактерии. В воде они находили источники питания и защиту от губительного ультрафиолетового излучения. Сейчас в гидросфере обитают более 150 тысяч видов животных и 10 тысяч видов растений.
Вода-важнейшая составляющая среды нашего обитания. После воздух, вода второй по значимости компонент, необходимый для человеческой жизни. Насколько важна вода, свидетельствует тот факт, что ее содержание в различных органах составляет 70-90%.
С возрастом количество воды в организме меняется. Трехмесячный плод содержит 90% воды, новорожденный - 80%, взрослый человек - 70%. Вода действительно является источником жизни на Земле.
Вода-универсальный растворитель и среда, в которой протекают биохимические реакции. Снижение содержания воды в организме вызывает нарушение функций клеток, тканей, органов. При потере 6-8% воды человек впадает в полубессознательное состояние. Если потери составляют более 12%, наступает смерть. Избыточное содержание воды приводит к усиленной работе сердца, почек, потовых желез.
Вода присутствует во всех тканях нашего организма, например: мозг содержит – 75%; сердце - 75%; легкие - 85%; печень -86%; почки - 83%; мышцы - 75%; кровь - 83%. В составе костей человека на долю воды приходится 50% (органических веществ – 28%, неорганических веществ – 22%).
Мы часто задумываемся, почему у пожилых людей чаще ломаются кости? В детском возрасте содержание воды и органических веществ в костях преобладает. С возрастом увеличивается доля минеральных веществ, от чего кости становятся хрупкими и чаще ломаются.
Вода участвует в процессе дыхания, так как дышать сухим воздухом человек может относительно недолго. Вода выводит из организма человека шлаки, отходы и токсины. Доставляет в клетки кислород и питательные вещества (минеральные соли, витамины).
Внутриклеточная жидкость регулирует температуру тела и предотвращает слипание клеток. Кроме того, она служит смазкой для суставов и костей, защищает от ударов внутренние органы. Значение воды для человека настолько велико, что для нормальной жизнедеятельности ему необходимо выпивать в день полтора–два литра. Поскольку в мышцах содержится больше воды, чем в жире, то, чем мы стройнее, тем больше воды в нашем теле.
Без воды немыслима жизнь на планете Земля, немыслима жизнедеятельность человека. Вода-наиболее распространенное, доступное и дешевое вещество. Именно доступность и незаменимость воды обусловила ее широкое применение в быту, промышленности и сельском хозяйстве, медицине – во всех сферах человеческой деятельности.
Трудно вспомнить область, где вода не применяется. Вода - это самая большая и удобная дорога. По ней день и ночь плывут суда, везут различные грузы, пассажиров. Вода еще и кормит, являясь средой обитания промышленных животных. Вода "добывает" электрический ток, работая на гидроэлектростанциях.
Вывод в окружающую среду жидких отходов производства осуществляется тоже в виде водных растворов. В медицине вода-растворитель, лекарственное средство, средство санитарии и гигиены.
В сельском хозяйстве вода - "транспортное средство" питательных веществ к клеткам растений и животных, участник процесса фотосинтеза, регулятор температуры живых организмов. Объемы воды, которые расходуются для полива сельскохозяйственных растений, при кормлении животных, птицы, не уступают объемам, используемым промышленностью.
"Возница природы" - так назвал воду Леонардо да Винчи. Именно она, переходя из почвы в растения, из растений в атмосферу, стекая по рекам с материков в океаны и возвращаясь с воздушными потоками, соединяет друг с другом различные компоненты природы, превращая их в единую систему.
Глава 2. Удивительная вода
Основы современного понимания физико - химических свойств воды заложили около 200 лет назад Генри Кавендиш и Антуан Лавуазье, которые обнаружили, что вода-это не простой химический элемент, как считали средневековые алхимики, а соединение кислорода и водорода в определенном отношении.
Собственно и название свое водород (hydrogene) – рождает воду – получил только после этого открытия, и вода приобрела современное химическое обозначение, известное теперь каждому школьнику, - H2O.
2.1. Вода-эталон для измерения температуры, массы, количества тепла и высоты
Шведский физик Андерс Цельсий, член Стокгольмской академии наук, создал в 1742 году стоградусную шкалу термометра, которой в настоящее время пользуются почти повсеместно. Точка кипения воды обозначена 100°, а точка таяния льда 0°.
При разработке метрической системы, установленной по указу французского революционного правительства в 1793 году вместо различных старинных мер, вода была использована для создания основной меры массы (веса) – килограмма и грамма: 1 грамм, как известно, это вес 1 кубического сантиметра (миллилитра) чистой воды при температуре ее наибольшей плотности + 40С. Итак, 1 килограмм – это вес 1 литра (1000 кубических сантиметров) или 1 кубического дециметра воды: а 1 тонна (1000 килограммов) – это вес 1 кубического метра воды.
Вода используется и для измерения количества тепла. Одна калория-это количество тепла, необходимое для нагрева 1 грамма воды с 14, 5° до 15,50°C. Все высоты и глубины на земном шаре отсчитываются от уровня моря.
2.2 Три состояния воды
Несмотря на многовековую историю изучения, простейший химический состав и исключительную важность для жизни на земле, природа воды таит в себе много загадок. Только воду мы можем увидеть сразу в трех ее состояниях. Когда ударят сильные морозы можно наблюдать, как над поверхностью воды озера или реки поднимается пар, а у берега уже образовалась корочка льда.
Весьма редкое свойство воды проявляется при ее превращении из жидкого состояния в твердое. Этот переход связан с увеличением объема и, следовательно, с уменьшением плотности. Затвердевшая вода становится менее плотной, поэтому лед плавает, а не тонет. Таким образом, лед защищает только нижние слои воды от дальнейшего охлаждения и замерзания.
Кроме того установлено, что наибольшей плотностью вода обладает при температуре +4°C. При охлаждении воды в водоеме более тяжелые верхние слои тонут, в результате чего происходит хорошее перемешивание теплой, более легкой глубинной воды с поверхностной.
Поэтому водоемы не промерзают до дна и жизнь в воде продолжается. Уникальные свойства воды проявляются и при нагревании. Чрезвычайно высокая ее теплота нужна для парообразования. Например, для испарения 1 грамма воды, нагретой до 100 °C, требуется в 6 раз больше тепла, чем для нагревания того же количества воды от 0 до 80 °C.
2.3 "Надохлажденная " вода
Всем известно, что вода всегда превращается в лед, при охлаждении ее до нуля градусов по Цельсию, за исключением случаев, когда этого не происходит! "Надохлаждение" - это склонность воды оставаться жидкой, даже охлаждаясь до температуры ниже точки замерзания.
Это явление становится возможным благодаря тому, что окружающая среда не содержит центров или ядер кристаллизации, которые могли бы спровоцировать образование кристаллов льда. Именно поэтому вода остается в жидкой форме, даже будучи охлажденной до температуры ниже нуля градусов по Цельсию.
Когда процесс кристаллизации запускается, можно наблюдать, как «надохлажденная» вода в мгновение ока превращается в лед. Но при любых обстоятельствах при температуре -38°c сама сверххолодная вода внезапно превратится в лед.
А что же произойдет при дальнейшем снижении температуры? При -120°c лед становится тягучим, как патока, а при -135°C и ниже он превращается в «стеклянную» или «стекловидную» воду – твердое вещество с отсутствием кристаллов.
2.4"Эффект Мпемба"
В 1963 году ученик старших классов Эрасто Мпемба заметил, что горячая вода застывает в морозильной камере быстрее, чем холодная. Учитель физики, с которым юноша поделился открытием, поднял его на смех.
К счастью, ученик оказался назойливым и убедил учителя провести эксперимент, который и подтвердил его правоту. Теперь феномен горячей воды, замерзающей быстрее холодной, носит название "эффект Мпемба". Ученые так до конца и не понимают природу этого явления.
2.5 Изменение свойств льда при воздействии давлением
Еще одно интересное свойство воды: увеличение давления приводит к таянию льда. Это можно наблюдать на практике, например, скольжение коньков по льду. Площадь лезвия конька небольшая, поэтому давление на единицу площади большое и лед под коньком подплавляется. Интересно, что если над водой создать высокое давление и затем ее охладить до замерзания, то образуется лед, а в условиях повышенного давления плавится не при 0°C, а при более высокой температуре. Так, лед, полученный при замерзании воды, которая находится под давлением 20000 атм., в обычных условиях плавится только при 80°C. Кроме того вода практически не сжимается, этим определяется объем и упругость клеток и тканей. Так, именно гидростатический скелет поддерживает форму у круглых червей и медуз.
2.6 Теплоемкость воды
Под теплоемкостью понимается то количество теплоты, которое может нагреть 1 г массы вещества на 1°. Это количество тепла измеряется калориями. Вода воспринимает при 14-15° большее количество теплоты, чем другие вещества; например, количество тепла, необходимое для нагрева 1 кг воды на 1°- возможно нагреть на 1° 8 кг железа или 33 кг ртути. Вода обладает огромной теплоемкостью и не случайно именно она используется в качестве теплоносителя в системах отопления. По этой же причине воду используют и в качестве отличного охладителя. Большая теплоемкость воды защищает ткани организмов от быстрого и сильного повышения температуры. Многие организмы охлаждаются, испаряя воду.
2.7 Теплопроводность воды
Под теплопроводностью понимается способность различных тел проводить теплоту во все стороны от точки приложения нагретого предмета. У воды очень большая теплопроводность и это обеспечивает равномерное распределение тепла по организму человека и теплокровных животных.
2.8 Поверхностное натяжение воды
Одним из очень важных свойств воды является поверхностное натяжение. Он определяет силу сцепления между молекулами воды, а также геометрическую форму ее поверхности. Например, из-за силы поверхностного натяжения в разных случаях формируется капля, лужица, струя и другие. Существуют целые виды насекомых, которые передвигаются по глади воды именно благодаря поверхностному натяжению. Наиболее известны-водомеры, которые опираются на воду кончиками лап. Сама же лапка покрыта водоотталкивающим налетом. Поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, но за счет силы поверхностного натяжения водомерка остается на поверхности. К вызванным поверхностным натяжением эффектам мы настолько привыкли, что не замечаем их, если не развлекаемся пусканием мыльных пузырей. Однако в природе и нашей жизни они играют немалую роль. Необычно высокое поверхностное натяжение воды обусловило ее хорошую способность смачивать поверхности твердых тел и проявлять капиллярные свойства, что дает ей способность подниматься вверх по порам и трещинам пород и материалов вопреки земному притяжению. Именно это свойство воды обеспечивает движение растворов питательных веществ из корня в стебель, листья, цветы и плоды растений.
2.9 Вода - универсальный растворитель
Мы смотрим на горный источник и думаем: "вот по-настоящему чистая вода!"Однако это не так: идеально чистой воды в природе не бывает. Дело в том, что вода является практически универсальным растворителем. В ней растворены: азот, кислород, аргон, углекислый газ – и другие примеси, находящиеся в воздухе. Особенно ярко свойства растворителя проявляются в морской воде. Принято считать, что в водах Мирового океана могут быть растворены практически все элементы таблицы периодической системы элементов, в том числе редкие и радиоактивные. Больше всего в ней содержится натрия, хлора, серы, магния, калия, кальция, углерода, брома, бора и стронция. Одного только золота растворено в Мировом океане по 3 кг на каждого жителя Земли! Различают гидрофобные (от греческого гидрос – влажный и фобос – страх) вещества, плохо растворимые в воде, такие как каучук, жиры и тому подобное. А также, гидрофильные (от греческого филиала – дружба, склонность) вещества, те которые хорошо растворяются в воде, такие как щелочи, соли и кислоты. Наличие жира не позволяет человеческому организму раствориться в воде, так как клетки организма имеют специальные мембраны, содержащие определенные жировые компоненты, благодаря этому вода не только не растворяет наше тело, но и способствует его жизнедеятельности.
Глава 3. Описание проведенных опытов, демонстрирующих удивительные свойства воды
Для проверки выдвинутой гипотезы я провела ряд опытов.
Опыт № 1. Опыты на поверхностное натяжение воды
Для опыта нужны: бумажная салфетка, маркеры, емкость с водой. Эксперимент - свойства воды.
Проведение опыта: отрезаем от бумажной салфетки полоску. На одном краю полоски ставим точки маркерами. Полоску опускаем в емкость с водой. Что происходит: бумажная полоска, опущенная в воду, постепенно начинает намокать и вместе с водой по ней вверх поднимаются цветные полосы, полученные от маркерных точек.
Объяснение: мы хорошо знаем, что вода стекает вниз, но благодаря высокому поверхностному натяжению вода проявляет капиллярные свойства, что дает ей способность подниматься вверх вопреки земному притяжению.
Опыт № 2. Опыт с водой, перцем и жидким мылом
Для опыта необходимы: миска с водой, перец и жидкое мыло. Эксперимент - свойства воды
Проведение опыта: в миску с водой насыпаем перец, он тонким слоем расходится по поверхности жидкости. Затем капаем в середину емкости жидкое мыло. Как только мыло касается воды, перец «убегает» к краям миски. Объяснение: мыло уменьшает поверхностное натяжение воды, поэтому перец плывет в сторону большего натяжения.
Опыт № 3. Опыт с водой, банкой, бинтом и резинкой
Для опыта понадобятся: емкость с водой, пустая банка, бинт и резинка. Эксперимент - свойства воды
Проведение опыта: на горлышко пустой банки накладываем квадратик бинта и закрепляем его с помощью резинки. В банку наливаем воду. Вода легко проходит сквозь бинт. Теперь накрываем горлышко банки пластиковой карточкой и переворачиваем ее. Что происходит: немного воды выливается из банки, но когда она принимает ровное вертикальное положение, вода перестает вытекать и удерживается в банке, даже несмотря на то, что в бинте достаточно большие отверстия.
Объяснение: Вода заполняет все пространство между волокнами бинта и из-за силы поверхностного натяжения не может вылиться из перевернутой банки.
Опыт № 4. Опыт на теплопроводность воды
Для опыта понадобится: два воздушных шарика, свеча, спички и вода. Эксперимент - свойства воды.
Проведение опыта: берем два шарика. Первую просто надуваем, а вторую надуваем после добавления в нее небольшого количества воды. Проводим каждый из шариков над горящей свечой.
Что происходит: шарик, надутый без воды внутри, лопается при соприкосновении с пламенем. Шарик, надутый с водой, закоптился, но так и не лопнул.
Объяснение: если в шарик налить немного воды и поместить над открытым огнем, то вода будет забирать тепло и шарик останется целым. В то время как воздух внутри просто надутого шарика не забирает тепло и резина от перегрева лопается.
Опыт № 5. Опыт с сверххолодной водой
Для опыта понадобятся: морозилка, чистая вода в бутылке. Эксперимент - свойства воды.
Проведение опыта: пластиковую бутылку с чистой водой мы помещаем на 2 часа в морозилку. По истечении времени аккуратно достаем бутылку и резко ударяем по столу. Что происходит: после встряхивания в результате удара, вода в бутылке мгновенно превращается в лед.
Объяснение: так как в опыте участвует чистая вода, то при охлаждении ниже точки замерзания она остается жидкой. Ее кристаллизацию (замерзание) мы запускаем резким ударом бутылки по поверхности. В результате этого в ней появляются пузырьки газа. Процесс кристаллизации запускается, и вода моментально превращается в лед.
Опыт № 6. Опыты на таяние льда
Для опыта необходимо: кусок льда, леска, грузики.
Проведение опыта: привязываем грузики к концам лески, на возвышение укладываем кусок льда, а сверху на лед кладем леску так, чтобы грузы создавали давление.
Что происходит: натянутая леска прорезает лед, но линии разреза увидеть нельзя. Над леской лед остается абсолютно целым, так как вода снова замерзает, не ощущая на себе давления.
Объяснение: лед тает в том месте, где на его поверхность оказывается сильное давление. Леска с висящими на ней грузиками давит на ледяную подставку, и поэтому лед под ней тает.
Вывод
Проведенные в рамках исследовательского проекта по естествознанию опыты о свойствах воды наглядно доказывают, что вода может вести себя совсем не так как мы привыкли. Она может подниматься вверх, не смотря на земное притяжение, воду можно носить в решете, ее можно мгновенно превратить в лед, а лед оказывается можно растопить не только теплом, но и давлением, и все эти аномальные свойства воды, работают на поддержание жизни на Земле. Тем самым я подтвердила свои гипотезы. В конце своей научно–исследовательской работы по естествознанию на тему "Удивительные свойства воды" можно уверенно сказать, что среди множества веществ вода с ее физико-химическими свойствами занимает совершенно особое и исключительное место. Почти все физико-химические свойства воды - исключения в природе. Но жизнь есть только там, где есть вода. В рамках расширения проведенной по естествознанию или новой исследовательской работы по биологии (физике) надо продолжать изучение свойств воды, и я уверена, что нас ждет здесь еще много открытий и сюрпризов.
Список литературы
-
Петрянов И. В. Самое необычное вещество в мире. 2006г.
-
Бисвас А. К. человек и вода. - Гидрометеоиздат, 1975г.
-
Ефремов А. П. капля, река, океан. Издательский дом "современная педагогика", 2004г.
-
"Я познаю мир " - Издательский дом" Никс", 2002г.
-
Синюков В. В. Вода известна и неизвестна. - знание, 1987г.
-
Неумывакин И. П. Вода. Жизнь и здоровье. - Диля, 2005г.
-
Интернет ресурсы.