VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Жизненно важные свойства воды
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Мы слишком привыкли к воде в нашем повседневном обиходе, слишком обычны для нас картины дождя, течения рек, глади озер и морей. Мы даже не задаем себе вопроса, всегда ли это было так и не было ли моментов в истории нашей планеты, когда эта вода не играла той роли, которую играет сейчас. Не только в обыденном представлении человека, но и в истории развития научной мысли мы сплошь и рядом встречаемся с тем, что самые обычные явления природы не привлекают достаточного внимания. Только пытливый взгляд Ньютона сумел увидеть в падении яблока на землю сущность «простых» явлений.
В колыбели человечества – на Востоке ещё задолго до исторической эпохи создались первые сказания о воде. Ещё в священных индийских книгах Вед мы встречаем указание на всемирный потоп и на то, что основой всей жизни, всего мира является вода, из которой произошло все остальное. Подобные же сказания сложились и в древнем Египте. Здесь обожествляли Нил. Та же картина повторяется в ряде книг вавилонских жрецов и в еврейских сказаниях, в своеобразном эпосе коренных жителей Америки и в религиозных обрядах южных славян.
Представления о воде с Востока переходят в несколько изменённом виде к грекам. В ученьях некоторых греческих философов вода делается началом всего мироздания. Даже звёзды, Луна и Солнце вызываются к жизни испарением вод. В Древнем Риме всеобщий океан является началом и концом всего сущего... [6].
Большинство реакций, используемых в технологических процессах на предприятиях химической, фармацевтической и пищевой промышленности, происходит также в водных растворах. От воды зависит климат планеты. Геофизики утверждают, что Земля давно бы остыла и превратилась в безжизненный кусок камня, если бы не вода. У неё очень большая теплоёмкость. Нагреваясь, она поглощает тепло; остывая, отдаёт его. Земная вода и поглощает, и возвращает очень много тепла и тем самым «выравнивает» климат. А от космического холода предохраняет Землю те молекулы воды, которые рассеяны в атмосфере – в облаках и в виде паров… без воды обойтись нельзя – это самое важное вещество на Земле. Она сохраняет жизнь.Вода всегда будет оставаться самой загадочной жидкостью на Земле. Она не перестает удивлять физиков, химиков, биологов... Казалось бы, что нового можно сказать о воде? Однако каждый год открывают ее новые свойства, и эти открытия расширяют возможности использования воды.
Актуальность темы: На первый взгляд, вода кажется очень простым соединением, состоящим из атомов водорода и кислорода. На самом деле это самое аномальное вещество в мире.
Гипотеза: вода по своим физическим и химическим свойствам является уникальным природным веществом.
Цель работы: исследовать с помощью экспериментов уникальные свойства воды. Показать значимость воды, в качестве ценного вещества, имеющего много полезных и важных свойств.
Задачи:
Рассмотреть классификации воды;
изучить свойства воды в домашних условиях;
на основе проведённых экспериментов вывести жизненно важную роль воды.
План выполнения работы:
1.Изучить из литературных и интернет источников свойства воды и её классификации.
2.Отобрать физические свойства воды, которые можно провести в домашних условиях.
3.Провести по ним эксперименты
4.На основе полученных результатов, показать значимость воды в качестве ценного вещества, имеющего много полезных и важных свойств.
1. Основная часть
Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой. Каждая молекула жидкости, также как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания около некоторого положения равновесия. Однако время от времени любая молекула может переместиться в соседнее вакантное место. Такие перескоки в жидкостях происходят довольно часто; поэтому молекулы не привязаны к определенным центрам, как в кристаллах, и могут перемещаться по всему объему жидкости. Этим объясняется текучесть жидкостей. Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные (неустойчивые) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком.
Рассмотрим основные свойства и виды воды.
1.1. Кипение - переход жидкости в пар (фазовый переход 1 рода), происходящий с образованием в объёме жидкости пузырьков пара или заполненных паром полостей на нагреваемых поверхностях. Пузырьки растут (вследствие испарения в образующуюся полость жидкости), всплывают, и содержащийся в них насыщенный пар переходит в паровую фазу над жидкостью. Для подержания кипения к жидкости необходимо подводить теплоту, которая расходуется на парообразование и на работу пара против внешнего давления при увеличении объёма паровой фазы. Температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением, называется температурой кипения.
1.2. Испарение - переход вещества из жидкого или твёрдого агрегатного состояния в газообразное (пар). Обычно под испарением понимают переход жидкости в пар, происходящий на свободной поверхности жидкости. Испарение твёрдых тел называется возгонкой или сублимацией. Вследствие теплового движения молекул испарение возможно при любой температуре, но с возрастанием температуры скорость испарения увеличивается. В замкнутом пространстве (закрытом сосуде) испарение происходит при заданной постоянной температуре до тех пор, пока пространство над жидкостью (или твёрдым телом) не заполнится насыщенным паром. Давление насыщенного пара зависит только от температуры и повышается с её возрастанием. Если давление становится равным внешнему давлению или несколько его превышает, то испарение переходит в кипение. Наиболее высокой температурой кипения является критическая температура данного вещества. Критические температура и давление определяют критическую точку – конечную точку на равновесной кривой испарения. Выше этой точки сосуществование двух фаз – жидкости и пара в равновесии невозможно.
1.3. Кавитация – (от лат. cavitas – пустота), образование в капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (так называемых кавитационных пузырьков или каверн). Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости становится ниже некоторого критического значения pкр (в реальной жидкости pкр приблизительно равно давлению насыщенного пара этой жидкости при данной температуре). Если понижение давления происходит вследствие больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, кавитация называется гидродинамической, а если вследствие прохождения звуковых волн большой интенсивности – акустической.
а) Акустическая кавитация.
При излучении в жидкость интенсивной звуковой волны с амплитудой звукового давления, превосходящего некоторую пороговую величину, во время полупериодов разрежения возникают кавитационные пузырьки на так называемых кавитационных зародышах, которыми чаще всего являются газовые включения, содержащиеся в жидкости и на колеблющейся поверхности акустического излучателя. Пузырьки, захлопывающиеся во время полупериодов сжатия, создавая кратковременные (длительностью ~10-8 с) импульсы давления (до 108 Па и белее), способные разрушить даже весьма прочные материалы. Захлопывание пузырьков сопровождается адиабатичным нагревом газа в пузырьках до температуры ~104 оС. Акустическая кавитация и связанные с ней физические явления вызывают, направленное, разрушение и диспергирование твёрдых тел, эмульгирование жидкостей, и поэтому применяется для очистки поверхностей, деталей. Эти эффекты обязаны своим происхождение ударами при захлопывании пузырьков и микропотокам вблизи них.
б) Гидродинамическая кавитация.
Сокращение кавитационного пузырька происходит с большой скоростью и сопровождается звуковым импульсом (своего рода гидравлическим ударом) тем более сильным, чем меньше газа содержит пузырёк. Если степень развития кавитации такова, что в случайные моменты времени возникает и захлопывается множество пузырьков, то явление сопровождается сильным шумом со сплошным спектром от несколько сотен Гц до сотен и тысяч кГц. Если кавитационная каверна захлопывается вблизи от обтекаемого тела, то многократно повторяющиеся удары приводят к разрушению (к так называемой кавитанционной эрозии) поверхности обтекаемого тела – лопастей гидротурбин, гребных винтов кораблей и других гидротехнических устройств. [1]
1.4. Кристаллизация.
Когда жидкость при охлаждении затвердевает, изменяется характер взаимодействия и расположения частиц вещества. Уменьшается кинетическая энергия беспорядочного теплового движения составляющих его частиц, и они начинают образовывать между собой устойчивые связи. Когда благодаря этим связям молекулы (или атомы) выстраиваются регулярным, упорядоченным образом, формируется кристаллическая структура твердого вещества. Кристаллизация не охватывает одновременно весь объем охлаждаемой жидкости, а начинается с образования мелких кристалликов. Это так называемые центры кристаллизации. Они разрастаются послойно, ступенчато, путем присоединения все новых молекул или атомов вещества вдоль растущего слоя. [7]
Иоганн Кеплер в 1611 году в шутливом трактате “Новогодний подарок, или о шестиугольном снеге” ставит вопрос: “Почему только что выпавшие снежинки всегда шестиугольны, пушисты, как перышки, с шестью лучами?.. Почему точно так же не выпадают пятиугольные или семиугольные звездочки?”. [4] Почему кристаллы вырастают в форме многогранников? Какова связь между внешней формой кристаллов и их внутренним строением? Как впоследствии выяснилось, согласно закону симметрии снежинка имеет не одну плоскость симметрии, а шесть и только шесть. Снежинка – это кристалл, а в кристаллах эти сочетания строго ограничены. Прежде всего, не все оси симметрии возможны в кристаллах, а только оси порядков 1,2,3,4,6. Не может быть 5 порядка или выше, чем 6. Чтобы понять, почему это так, посмотрим на плоские сетки орнаментов. Видно, что косые параллелограммы, прямоугольники, треугольники, квадраты и шестиугольники, т.е. фигуры с осями симметрии порядков 1,2,3,4 и 6, прилегают друг к другу плотно и заполняют всю плоскость сплошь без промежутков. Пятиугольники и семиугольники нельзя приложить друг к другу вплотную без просветов. Очевидно, что оси симметрии 5 и 7 порядка в структуре невозможны, потому что атомные ряды и сетки не заполнят пространство непрерывно, возникнут пустоты. Атомы окажутся не в самых устойчивых положениях, и кристаллическая структура разрушится. [4]
В живой природе 5 ось симметрии встречается у мелких организмов. Считается, что она является своеобразным инструментом борьбы за существование, страховкой против окаменения, против кристаллизации. Какой только симметрии не встретишь в природе и в произведениях искусства! Даже на гербе нашего города изображена пятилучевая снежинка и это вольная интерпретация природной формы снежинки. В природе лучей или граней у снежинки только шесть, и это неизменно! Основа для формирования снежинки, её крошечное ядро - это ледяные или инородные пылинки в тучах. Молекулы воды, хаотично перемещающиеся в виде водяного пара, проходят через облака, то вместе с температурой они теряют и скорость. Все больше и больше шестиугольных молекул воды присоединяется к растущей снежинке в определенных местах, придавая ей отчетливую форму. При этом выпуклые участки снежинки растут быстрее. Так, из первоначально шестигранной пластинки вырастает шестилучевая звездочка. Главная особенность, определяющая форму кристалла, - это крепкая связь между молекулами воды, подобная соединению звеньев в цепи. Кроме того, из-за различного соотношения тепла и влаги кристаллы, которые в принципе должны быть одинаковыми, приобретают различную форму. Сталкиваясь на своем пути с переохлажденными мелкими капельками, снежинка упрощается по форме, сохраняя при этом симметрию. Обычная снежинка весит около миллиграмма (очень редко 2-3 миллиграмма, хотя бывают и исключения - самые крупные снежинки выпали 30 апреля 1944 года в Москве. Пойманные на ладонь, они закрывали её почти всю целиком и напоминали страусиные перья). Японский ученый Накая Укитиро называл снег "письмом с небес, написанным тайными иероглифами". Он сфотографировал порядка 300 снежинок и первым создал классификацию снежинок. (прил 2, рис 1 ). Именем Накая назван единственный в мире музей снежинок, расположенный на острове Хоккайдо.
1.5 Удельная теплоёмкость – это относительная способность различных веществ поглощать различные количества тепла при увеличении их температуры на одну и ту же величины.(одно вещество поглощает больше тепла, чем другое, причем их температуры изменяются на одну и ту же величину). Она определяется как количество калорий, необходимое для увеличения температуры 1 г вещества на 1 градус по шкале Цельсия. Например, удельная теплоёмкость меди равна 0,092 кал/г*град С. [2]
1.6 Электропроводность (Электрическая проводимость, проводимость) - способность тела пропускать электрический ток под воздействием электрического поля, а также физическая величина, количественно характеризующая эту способность. Проводники всегда содержат свободные (или квазисвободные) носители заряда – электроны, ионы, направленное (упорядоченное) движение которых и есть электрический ток. Электропроводимость большинства проводников (металлов, полупроводников, плазмы) обусловлена наличием в них способных электронов (в плазме небольшой вклад в электропроводность вносят также ионы). Ионная электропроводность свойственна электролитам. [2]Электрическая проводимость природной воды зависит в основном от концентрации растворенных минеральных солей и температуры. Природные воды представляют в основном растворы смесей сильных электролитов. Минеральную часть воды составляют ионы Na+, K+, Ca2+, Cl-, SO42-, HCO3-. Этими ионами и обуславливается электропроводность природных вод. Присутствие других ионов, например, Fe3+, Fe2+, Mn2+, Al3+, NO3-, HPO4-, H2PO4- не сильно влияет на электропроводность, если эти ионы не содержатся в воде в значительных количествах.
1.7 Плотность (p), величина, определяемая для однородного вещества его массой в единице объёма. Плотность веществ, как правило, уменьшается с ростом температуры и увеличивается с повышением давления (плотность воды с понижением температуры до 4 оС растёт, при дальнейшем понижении температуры - уменьшается). При переходах вещества из одного агрегатного состояния в другое плотность изменяется скачкообразно: резко увеличивается при переходе в газообразное состояние и, как правило, уменьшается при затвердевании (плотность воды и чугуна аномально уменьшается при переходе из жидкой фазы в твёрдую)[2].
Таблица плотностей воды и водяного пара при разных температурах (до критических точек) [3].
|
Температура (оС) |
Плотность (г/см3) (вода) |
Плотность (г/см 3) (насыщенный водяной пар) |
|
0оС |
0,999868г/см3 |
0,00000484 г/см3 |
|
4 оС |
1,000000 г/см3 |
0,00000484 г/см3 |
|
100 оС |
0,963000 г/см3 |
0,000598 г/см3 |
|
3 374,2 оС (критическая точка) |
0,307 г/см3 |
0,307 г/см3 |
1.8. Вязкость (внутренние трение)-свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В жидкостях, где расстояние между молекулами меньше, чем в газах, вязкость обусловлена в первую очередь межмолекулярным взаимодействием, ограничивающим подвижность молекул. В жидкости молекула может проникнуть в соседний слой лишь при образовании в нём полости, достаточной для перескакивания туда молекулы. На образование полости (на «рыхление» жидкости) расходуется так называемая энергия активации вязкого течения. Энергии активации уменьшается с ростом температуры и понижением давления. В этом состоит одна из причин резкого снижения вязкости жидкостей с повышением температуры и роста её при высоких давлениях. Вязкость жидкости зависит от химической структуры молекул. Вязкость сходных химических соединений (насыщенные углеводороды, спирты, органические кислоты и т. д.) возрастает с возрастанием молярной массы. Смесь не реагирующих друг с другом жидкостей с различными вязкостями имеет среднее значение вязкости. Если же при смешивании образуется новое химическое соединение, то вязкость смеси может быть в десятки раз больше, чем вязкость исходных жидкостей (на измерении вязкости жидких веществ основан один из методов физико-химического анализа). [2]
1.9. Поверхностное натяжение.
На молекулы, находящиеся на поверхности жидкости со стороны остальных молекул действуют силы, направленные внутрь жидкости. Поверхностный слой молекул находится в состоянии, напоминающем растянутую упругую плёнку, стремящуюся сократить свою поверхность. На любой участок поверхностного слоя окружающие участки слоя действуют с силой, стремящейся удержать этот участок в растянутом состоянии. Эти силы направлены вдоль поверхностного слоя и называются силами поверхностного натяжения. Измеряемая в Дж/м2 или Н/м. Благодаря поверхностному натяжению жидкости при отсутствии внешних воздействий принимают форму шара (минимальную поверхность и минимальное значение свободной поверхностной энергии). [2] (прил 2, фото 1)
1.10. Мениск.
Свободная поверхность жидкости, искривленная около стенок сосуда, называется мениском. Мениск имеет сферическую форму, вогнутую или выпуклую. Для характеристики мениска вводится краевой угол υ между смоченной поверхностью и мениском. Жидкость считается смачивающей стенку, если υ<π/2(меньше 90гр), а, если υ<π/2, то жидкость несмачивает стенку. Смачивание (несмачивание) считается идеальным, когда мениск равен π/2 [5].
Жидкость смачивающая Жидкость несмачивающая
1.11. Капиллярный эффект.
Физическое явление, заключающееся в способности жидкостей изменять уровень в трубках, узких каналах произвольной формы, пористых телах. Поднятие жидкости происходит в случаях смачивания каналов жидкостями, например воды в стеклянных трубках, песке, грунте и т. п.. Опускание жидкости происходит в случаях несмачивания. Уровень жидкости в капилляре выше(ниже), чем в сосуде, на величину h, если жидкость смачивает(не смачивает) стенки сосуда [5]. Узкие цилиндрические трубки малого диаметра (< 1 мм) называются капиллярами. Если опустить такой капилляр в несмачивающую жидкость, то под действием Лапласова давления ее уровень в капилляре понизится по сравнению с уровнем в сообщающемся с ним широком сосуде. Если капилляр опустить в смачивающую жидкость, то ее уровень в капилляре по той же причине повысится
Капилляр в смачивающей жидкости
Капилляр в несмачивающей жидкости
1.12. Лапласово давление.
Искривление поверхности жидкости создает дополнительное (избыточное) давление на жидкость по сравнению с давлением под плоской поверхностью (Лапласово давление). Для сферической поверхности жидкости это давление выражается формулой: ,
где – радиус сферической поверхности; > 0, если мениск выпуклый; < 0, если мениск вогнутый. При выпуклом мениске увеличивает то давление, которое существует под плоской поверхностью жидкости (например, атмосферное давление на свободную поверхность жидкости). При вогнутом мениске давление под плоской поверхностью уменьшается на величину . Дополнительное давление внутри сферического пузыря радиуса R вызывается избыточным давлением на обеих поверхностях пузыря и равно = 4s ¤ R , где s - коэффициент поверхностного натяжения[7].
1.13. Виды воды
В соответствии с принятыми стандартами вода делится на питьевую, на которую существуют определенные САНПины. Стандарты на питьевую воду регулярно обновляются и пересматриваются практически по 32 показателям. Вода хозяйственного пользования менее подвержена менее жестким требованиям, чем питьевая. А к воде для промышленных целей(типа паровых котлов) предъявляются зачастую требования по солесодержанию в несколько раз выше, чем к питьевой воде. Кроме обозначенных видов воды существует и специальная водоподготовка в виде производства дистиллированной воды, бидистилированной, ионизованной и деионизованной. Кроме этого существуют особочистые производства воды для иньекций.
Различные виды воды имеют разные свойства и состав. Существует несколько классификаций жидкостей:
1) Деление жидкости на разные виды в зависимости от водородных изотопов в молекуле водной среды.
-Лёгкая водная среда – это такая разновидность водной среды, которая прошла процесс очистки от тяжёлых составляющих ( питьевая вода)
-Тяжёлая водная среда – это жидкость с такой же химической формулой, как и обычная вода, однако в её составе водородные молекулы замещены двумя тяжёлыми водородными изотопами.
-Полутяжёлая водная среда – это вода, которая в чистом виде нигде не обнаруживается. (Обычно она есть в любой разновидности воды в небольшом количестве)
-Сверхтяжёлая водная среда характеризуется заменой водородных молекул двумя тритиевыми изотопами
-Тяжёлокислородные виды водной среды с изотопами.
2) Классификация воды по концентрации растворённых солевых частиц.
-Жёсткая или мягкая водная среда обусловлена показателем жёсткости воды. Он зависит от концентрации в воде растворённых солей. Чаще всего выявляется присутствие кальциевых и магниевых солей. связаны с концентрацией солей щелочноземельных металлов.
-Пресная водная среда – это жидкость, в которой концентрация солей не выше 0,1 процента.
-Морская водная среда – это жидкость с большим содержанием солей. Их концентрация может быть в пределах 34,72 процентов.
-Минеральные природные воды – это жидкость из подземных источников, в которой концентрация микроэлементов и активных минералов очень высокая. Именно содержанием этих веществ и объясняются целебные свойства такой воды
-Солоноватые виды воды на земле – это промежуточное состояние воды, концентрация минералов в которой больше чем в пресной, но меньше чем в морской водной среде.
-Дистиллированная водная среда – это жидкость, которая прошла процесс испарения и конденсации, благодаря чему избавилась от любых солей и примесей, содержащихся в ней.
3) Деление водной среды, которая получается в процессе взаимодействия с иными компонентами.
Шунгитовая среда получается при реакции с шунгитом. По этому же принципу получается кремниевая вода, кварцевая, коралловая, кислородная, фильтрованная, серебряная, золотая, медная.
4) Классификация воды по её местонахождению в природе
-Подземная вода – это жидкость, которая залегает в водоносных пластах земной коры.
-Подводные воды (субмаринные) располагаются под океанами, большими водоёмами и морями.
-Артезианская вода залегает между водоупорными пластами и находится под большим давлением.
-Грунтовые воды – это ближе всего расположенные к поверхности земли водоносные пласты.
-Воды суши – это озёра, реки, болота, моря, океаны и другие поверхностные природные водные объекты.
-Атмосферные воды – это жидкость, скапливающаяся в атмосферных слоях.
5) Природные водные среды.
Вода из родников обычно самая чистая. Дождевая жидкость – это пресные воды, которые выпадают на землю в виде осадков. Питьевая водная среда обычно используется для питьевых нужд населения. Её состав и свойства не должны причинять никакого вреда человеческому здоровью.
6) Жидкость, образующаяся в результате различных видов деятельности человека.
-Водопроводная жидкость подаётся в наши дома по системе централизованного водоснабжения;
-канализационные стоки;
-сточная вода – это отходы различных производственных предприятий;
-кипячёная вода;
-атмосферные воды – это жидкость, скапливающаяся в атмосферных слоях.
7) Другие воды водной среды.
-Щелочная вода – это жидкость с показателем кислотно-щелочного баланса, превышающим значение 7,1.
-Магнитная водная среда обрабатывается магнитным полем. Деионизированная вода (без примесей).
-Апирогенная водная среда (вода для инъекций).
-Структурированная вода.
-Поливода.
-Талая вода [9].
3. Практическая часть
Проведем и рассмотрим несколько самых интересных и важных опытов с водой, которые возможно провести в домашних условиях.
Опыт №1: «Аномальная плотность» Опыт проводился зимой, на заледеневшем озере. Коловоротом была просверлена лунка диаметром 130 мм, после чего опустили термометр в воду и измерили температуру подо льдом. Температура подо льдом ниже льда 4 оС (прил. 1, фото 2, 3)
Вывод: При замерзании вода расширяется, поэтому лед остается плавать на поверхности замерзающего водоема. Теорияо том, что температура замерзающей воды подо льдом равна 0 °С, а в более плотных слоях воды у дна водоема температура оказывается порядка 4 °С, подтвердилась. Благодаря этому уникальному свойству может существовать жизнь в воде замерзающих водоемов.
Опыт №2:Затраты энергии на таяние льда и затраты на нагрев воды до 100 оС. Опыт проводился в лабораторных условиях. Взяли 2 объёма воды. Один заморозили, а другой нет. После того, как вода замёрзла, оба объёма начали разогревать в печи (прил 2, фото 4). Лёд растаял быстрее, чем вскипятилась вода.
Вывод: этот опыт подтверждает теорию о том, что на долю плавления льда в воду нужно примерно 75% от энергии, затраченной на нагрев воды до кипения.Данные процессы приводят к сглаживанию температурных градиентов в природе. При таянии льда идет поглощение тепла, что предотвращает резкие скачки температуры. А при замерзании происходит выделение тепла, что не дает возможность резкому падению температуры.
Опыт №3: Перепады температур. Опыт проводился зимой, на балконе. В опыте использовался стеклянная бутылка. В него была набрана вода, после чего его поместили на балкон (на холод).
Вывод: из-за того, что вода при замерзании расширяется, у неё увеличивается объём и уменьшается плотность. Но опыт получился не сразу, т.к. несколько раз при проведении эксперимента крышка пузырька слетала с резьбы из-за давления, которое оказывала на крышку кристаллизующаяся вода. Тогда, взяли стеклянный сосуд с сильно закручивающейся крышкой. Для успеха приклеили крышку к резьбе. Витоге сосуд разбился из-за расширения воды (прил. 2, фото 5,6).
Этот опыт и опыт №2 показывают, что вода имеет наивысшую плотность при 4 оС и, что, при замерзании вода расширяется и уменьшается ее плотность. Из этого следует, что при замерзании водоёмов при конвективном теплообмене холодная вода поднимается вверх и становится подо льдом. И чем больше лёд становится, тем хуже происходит теплообмен. И, в итоге, когда лёд становится достаточно толстым, оставшаяся тёплая часть воды больше не замерзает и служит защитой подводной флоре и фауне от холодов.
Опыт №4:Кристаллизация. Опыт проводился на озере Синара в течение недели. По прогнозу погоды ожидались сильные заморозки (-25 оС). Под утро после заморозок у берега мы сфотографировали образовавшиеся «лепестки» снежинок. А также в этом опыте ловили и фотографировали отдельные снежинки во время лёгкой метели на чёрную поверхность (прил. 2, фото 7, 8, 9).
Вывод: опыт доказывает, чтовода кристаллизуется при температуре ниже 0 оС и на поверхности может образовывать максимум причудливые узоры или «лепестки» с озера Синара. Снежинки, как кристаллы свободного роста, образуются в падении. При просмотре всех сфотографированных снежинок, было замечено, что они не похожи друг на друга. Форма снежинок объясняется тем, что все больше и больше шестиугольных молекул воды присоединяется к растущей снежинке в определенных местах симметрично, придавая ей неповторимую форму. Кроме того, из-за различного соотношения тепла и влаги кристаллы, которые в принципе должны быть одинаковыми, приобретают различную форму. И, следовательно, из-за этого каждая форма снежинки уникальная и единственная в своём роде.
Опыт №5: Капиллярный эффект и мениск. Я налил воду, бензол и ацетон в три мензурки. После этого поместил в сосуды прозрачные пластиковые трубки так, чтобы они были наполовину в жидкости. Жидкости поднялись выше уровня мениска в мензурках. Вода поднялась выше, чем остальные жидкости по трубке, ацетон - ниже остальных жидкостей. Воду взяли окрашенную, чтобы было лучше видно эффект.
Вывод: Ацетон обладает наименьшим коэффициентом поверхностного натяжения среди остальных жидкостей, поэтому он поднялся ниже всех по трубке и мениск у него оказался выпуклым.Вода поднялась выше мениска мензурки, потому что притяжение молекул Н2О к стенкам сосуда больше, чем друг к другу. Этим и объясняется капиллярный эффект. Сила поднимает молекулы Н2О до того момента, пока ее не уравновесит гидростатическое давление. Ещё у стенок возникает вогнутый изгиб. Изгиб обуславливается тем, что если стенки сосуда смачивается, поверхность становится вогнутой, если они сухие – выгнутой (прил. 2, фото 10, 11, 12).
Благодаря капиллярности возможны жизнедеятельность животных и растений, различные химические процессы, бытовые явления (например, подъём керосина по фитилю в керосиновой лампе, вытирание рук полотенцем). Капиллярность почвы определяется скоростью, с которой вода поднимается в почве и зависит от размера промежутков между почвенными частицами [8].
Опыт №6: Поверхностное натяжение. Берем емкость с водой и маслом и ацетоном, деревянную палочку и тонкую иголку. Пробуем с помощью деревянной палочки опустить в емкость с маслом и емкость с ацетоном металлическую иглу. Сколько ни пробовали, так и не получилось ни разу опустить иглу на поверхность жидкости. Берем емкость с водой. Иголку медленно деревянной палочкой кладем на поверхность воды. Иголка держится на воде, причем видно, что поверхность жидкости прогибается вокруг, но не прорывается (прил. 2, фото 1).
Вывод: Это доказывает, что поверхностный слой молекул жидкости находится в состоянии, напоминающем растянутую упругую пленку и, что продавить эту пленку не может стальная игла с плотностью 7,8 г/см. И это доказывает, что вода обладает самым высоким значением поверхностного натяжения среди текущих жидкостей (72,8 Н/м).
Опыт №7: Кавитация. Эксперимент по акустической кавитации проводился в ультразвуковой ванне с частотой 20 кГц. Поместили туда грязное кольцо и камень с кристаллами (прил. 2, фото 13, 14, 15). Также я провёл эксперимент опыт кавитации в ультразвуковом диспергаторе с титановым концентратором, с частотой 20 кГц. Туда поместили суспензию (прил. 2,фото 16).
Вывод: в первой части опыта мы получили очищенную деталь от загрязнения. А во второй части после диспергирования суспензии мы получили гомогенную суспензию, при этом происходит видимая эрозия элемента концентратора. Эти эксперименты показывают, что кавитация имеет и полезные свойства, и негативные последствия. Кавитация используется для создания суспензий, очистки деталей и для смешивания жидкостей. Но из-за кавитации разрушаются винты у кораблей.
4.Выводы
Целью работы было показать значимость воды, в качестве ценного вещества, имеющего много полезных и важных свойств, а также показать, что к воде нужно очень бережно относиться. В ходе работы изучена справочная литература по физическим и химическим свойствам воды. Среди свойств были отобраны те, которые можно провести в лабораторных условиях. Опыты были проведены. В каждом из опытов доказывали свойства воды. Результаты сфотографированы.
Результаты опытов: все свойства воды подтвердились экспериментальным путем. На основе результатов сделаны выводы по каждому свойству, а также по их пользе в природе.
Исследование физических и химических свойств воды, помогает понять всю ее уникальность и важность. Это приведёт к пониманию, что надо беречь воду и использовать её рационально.
Практическое использование работы. Полученные в работе данные можно использовать на уроках физики и химии в школах г. Снежинска.
Заключение.
Вода, наверное, самое загадочное вещество на Земле, к которой все привыкли и считают обычным явлением. А ведь существует уже реальная угроза, что пресная вода, например, станет недоступным для человека сокровищем. А качество вод стало хуже. И потому количество качественной чистой воды уменьшается с каждым годом. Хочется упомянуть, что одной из главных проблем водопользования на Южном Урале была и остаётся проблема регулирования стока рек. Экологически ненормируемая зарегулированость стока приводит к гибели малых и даже средних рек, особенно в маловодные годы. Зарегулированость влияет на водообмен. Известно, что в реках объём воды может полностью обновиться в среднем за 15 – 20 суток. Вода средней, а тем более крупной реки, даже пройдя через такой промышленный центр, как Челябинск, может самоочиститься на расстоянии в несколько десятков километров при условии значительного и незарегулированного стока. Плотины нарушают эту способность к самоочищению или весьма удлиняют сроки самоочистки. Вот почему так важно, создавая водоём, учитывать экологические возможности той или иной реки, структуру её водного баланса. Основное количество малых и средних водоёмов построено на малых реках (около 70%). Некоторые из них построены так называемым «хозяйственным способом» - без проектов и экологических экспертиз, что часто приводит к разрушению плотин, дамб в весенний паводок и вредит речной фауне.
В своей работе я рассмотрел основные важные свойства воды. Воду можно изучать с точки зрения разных её состояний. Каждое из них даёт возможность для отдельных глубоких исследований. Изучение данного вещества должно проводиться параллельно с заботой о сохранении величайшего дара природы.
Человечество бы выжило без алмазов и драгоценностей, без золота и платины, но оно бы даже не появилось без воды!
5. Список литературы
Физический энциклопедический словарь. / Гл. ред. А. М. Прохоров. Ред. Кол. Д. М. Алексеев, А. М. Бонч-Бруевич, А. С. Боровик-Романов и др. – М.: Сов. энциклопедия, 1984. – 944 с. Стр 236 - 237
Л. Купер. Физика для всех Том 1 издательство «Мир»
Виктор Ильич Перельман. Краткий справочник химика. Ред. В. А. Абрамова и Е. В. Яшке. Техн. ред. М. С. Лурье
Очерки о свойствах кристаллов /М.П. Шаскольская
Справочник по физике./БМ. Яворский, А.А. Детлаф
Очерки по геологии и геохимии./ Ред. В. Н. Вяземцев. Худ. В. Соболев. Худ. Ред. В. Г. Ефимов. Техн. ред Н. П. Кузнецова. Кор. Н. Г. Васильева. – изд. «Наука», 1977
https://autogear.ru/market/article.php?post=/article/399096/kristallizatsiya-vodyi-opisanie-protsessa-usloviya-primeryi
http://fb.ru/article/301862/kak-kapillyarnyiy-effekt-zavisit-ot-dlinyi-trubki
http://oskada.ru/analiz-i-kontrol-kachestva-vody/kakie-vidy-vody-byvayut-raznye-vidy-i-svojstva-vody.html
Приложение 2
Рис 1. Классификация снежинок Накая Укитиро
Фото 1. Не тонущая игла из-за Фото 2. Лунка, где замеряли температуру поверхностного натяжения
Ф ото 3. Температура подо льдом Фото 4. Печь с регулируемыми
параметрами нагрева
Фото 5. Бутылка до разрыва Фото 6. Бутылка после разрыва льдом
Ф ото 7. Снежинки, сфотографированные во время лёгкой метели
Ф ото 8. «Лепестки» снежинок с озера Синара
Фото 9. «Лепесток» снежинки
Ф ото 10. Капиллярный эффект ацетона Фото 11. Капиллярный эффект б бензола
Фото 12. Капиллярный эффект Фото 13. Акустическая ванна воды
Ф ото 14. Агат до и после акустической обработки
Ф ото 15. Кольцо до и после обработки
Фото 16. Титановые концентраторы (неиспользованный и использованный