Можно ли назвать воду аномальным веществом?

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Павлова Н.П. 1

---

1МБОУ СОШ № 32 с углубленным изучением английского языка

Мельникова Е.В. 1

---

1МБОУ СОШ № 32 с углубленным изучением английского языка

Работа в формате PDF

15.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В осенние каникулы все четвероклассники нашей школы были приглашены на дни науки в старшую школу. Старшеклассники со своими учителями – предметниками приготовили для нас интересные опыты, задания, конкурсы по разным предметам, которые мы будем изучать в средней школе.

Меня очень заинтересовали химические опыты. Большинство из них были связаны с водой. Вода – наиболее распространённое, доступное и дешёвое вещество. Оно играет большую роль в нашей жизни. Что бы делало человечество без воды, даже трудно представить. По-видимому, оно просто бы не существовало.

С водой на нашей планете связаны не только жизнь и климат, но и работа большинства отраслей народного хозяйства, особенно водного транспорта. Вода является богатейшим источником энергии – это гидроэнергия рек, энергия приливов, геотермальная и термоядерная энергия. 

Именно благодаря воде в природе возникают интереснейшие и самые разнообразные явления, такие, как радуга, гало, сулой, венцы, «шепот звезд» и другие. Некоторые люди связывают с ними различные суеверия и приметы. Но ученые разгадали и нашли объяснение этим загадочным явлениям природы. 

В настоящее время особую актуальность приобретает прогнозируемое глобальное потепление на Земле, об угрозе которого учёные оповестили человечество в августе 1981 года. Его аномальные последствия становятся всё ощутимей.  Одно из таких последствий – это таяние ледников. Например, ледник Упсала в Аргентине длина которого 60 км, ширина до 8 км, площадь 250 км². Когда-то он считался одним из самых больших ледников Южной Америки. Ежегодно он тает на 200 метров. [2]

Кроме этого ледники дрейфуют, тем самым создавая помехи, как судоходству, так и обитателям северных широт.

Огромную роль в прогнозировании поведения ледниковых масс большого объема в условиях изменения климата играет понимание того факта, почему айсберги плавают.

Почти все физико-химические 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 настолько любопытны, что порой все еще не поддаются объяснению. [1]

Предметом нашего исследования являются необычные свойства воды.

Объектом –поведение воды в различных агрегатных состояниях и при различных условиях.

Цель нашей работы – найти подтверждение тому, что вода является аномальным веществом.

Методы исследования: эксперименты и анкетирование.

Практическая значимость. Результаты и материалы исследования могут быть использованы широким кругом читателей (в том числе учащимися школ, преподавателями).

Работа проводилось в несколько этапов.

Поисково-исследовательский этап (сентябрь 2018 года):

выбор темы проекта;

сбор информации об аномальных свойствах воды.

Технологический этап(октябрь-ноябрь 2018 года):

проведение экспериментов по проверке уникальных свойств воды;

проведение анкетирования среди обучающихся 4 «Б» класса МБОУ СОШ № 32 по выявлению знаний об аномальных свойствах воды.

2. Теоретическая часть

2.1. Аномальные свойства воды

Еще в первой половине XIX века натуралисты обнаружили, что некоторые из характеристик воды нарушают общепринятые законы природы. Позже известным русским ученым Дмитрием Менделеевым была составлена периодическая таблица элементов. Оказалось, что вода не признает никаких закономерностей этой периодической системы. Согласно логике этой системы, вода должна была бы замерзать при -90°С, а она замерзает при 0°С, кипеть при -70°С, а она кипит при 100°С. И это далеко не все, что делает воду уникальным веществом. [3]

Температура + 4 °C является для воды важным значением. При понижении температуры до этого уровня вода ведет себя в соответствии с общими законами и правилами наук. При дальнейшем понижении температуры у воды начинают проявляются ее аномальные свойства. При температуре + 4 °C у воды плотность имеет наибольшее значение, а объем наименьший. [10]

При определенных обстоятельствах вода способна самопроизвольно подниматься вверх. Если поместить достаточно тонкую трубку (например, соломинку) в сосуд с водой, уровень воды в трубке поднимается выше уровня воды в сосуде. Разница между уровнями воды в сосуде и в трубке будет тем больше, чем меньше внутренний диаметр трубки. Способность воды подниматься в трубке с достаточно узким каналом – один из примеров, так называемых капиллярных явлений, благодаря которым растения способны доставлять воду из почвы к ветвям и листьям. Эти же явления помогают крови циркулировать в человеческом теле, особенно в капиллярах – мельчайших кровеносных и лимфатических сосудах. Кроме того, это происходит всегда и повсеместно. Сама поднимается вода вверх в почве, смачивая всю толщу земли от уровня грунтовых вод. Сама поднимается вода вверх по капиллярным сосудам дерева и помогает растению доставлять растворенные питательные вещества на большую высоту — от глубоко скрытых в земле корней к листьям и плодам. Причем растения надо поливать теплой водой, потому что теплая вода доставит  необходимые питательные вещества из почвы и живительную влагу быстрее. [6]

Все предметы в воде кажутся увеличенными по размеру и приближенными к наблюдателю примерно на одну треть истинного расстояния до них.

2.2. Эффект Мпембы

Эффект Мпембы гласит, что горячая вода при некоторых условиях замерзает быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. В древности на это обратил внимание Аристотель. В средние века учёные Френсис Бэкон и Рене Декарт тоже пытались объяснить данный феномен. А в 1968 году школьник из Танзании Эрасто Мпемба случайно заметил этот факт при изготовлении мороженого. До сих пор никто точно не знает, как объяснить этот странный эффект. Всё дело в разнице свойств горячей и холодной воды, но пока не понятно, какие именно свойства играют роль в этом случае. [4]

2.3. Плавучесть льда

Лед крайне необычен. Практически нет никаких других естественных веществ, которые в твердом состоянии могли бы плавать на поверхности жидкости. Это одно из свойств, которое делает воду таким необычным веществом. Причина того, почему лед не тонет в воде, заключается в том, что при замерзании вода расширяется, и вместе с этим понижается ее плотность. Интересно, расширение льда может разбить камни — настолько необычен процесс оледенения воды.[7]

Одним из наиболее важных свойств воды является то, что она обладает наивысшей плотностью при температуре + 4 °C. Так, горячая вода или лед являются менее плотными, чем холодная вода. Менее плотные вещества плавают поверх более плотных веществ.

Лед фактически на 9 % менее плотный, чем жидкая вода. Поэтому лед занимает больше места, чем вода. Вот почему не рекомендуют замораживать стеклянную бутылку воды–замороженная вода может создавать большие трещины даже в бетоне. Бутылка с ледяной водой будет легче такой же бутылки с водой в жидком состоянии. Молекулы льда находятся дальше друг от друга, чем когда вещество находится в жидком состоянии. Вот почему лед не тонет в воде. [9]

Когда лед тает, стабильная кристаллическая структура разрушается и становится плотнее. Когда вода прогревается до + 4 °C, она получает энергию, и молекулы движутся быстрее и дальше. Более подробно об этом описано в приложении 1. [8]

Именно по этой причине горячая вода занимает больше места, чем холодная вода, и плавает поверх холодной воды–она обладает меньшей плотностью. Когда мы находимся на озере, во время купания верхний слой воды всегда приятный и теплый, однако когда мы опускаем свои ноги глубже, ощущаем холод нижнего слоя.

2.4. Дистиллированная вода

Дистиллиро́ванная вода́ – вода, очищенная от растворённых в ней минеральных солей, органических веществ и других примесей. Одним из основных свойств дистиллированной воды является то, что жидкость можно нагреть гораздо выше + 100 °C, и она не будет кипеть. Если в такую «перегретую» воду добавить соль или сахар, или же просто начать мешать воду, то она начнет кипеть взрывным образом. Также при температуре 0 °C, при которой обычная вода превращается в лед, дистиллированная вода не замерзает. Но если в нее добавить примесь или привести в движение, то произойдет мгновенная кристаллизация. [5]

3. Практическая часть

Для лучшего изучения аномальных свойств воды мы провели следующие опыты.

Опыт 1. Эффект Мпембы

Предметы, необходимые для проведения эксперимента, приведены на рисунке 1 приложения 2. В две емкости поместили воду одинакового объема (500 мл) (рис. 2 приложения 2) с различной температурой. В емкость № 1 налили холодную водопроводную воду температурой +8 ^oС (рис. 3 приложения 2), а в емкость № 2 – воду, которая только что закипела, то есть с температурой + 100 ^oС (рис. 4 приложения 2).

Поместили обе емкости на открытый балкон с температурой внешней среды -14 ^oС и провели мониторинг замерзания воды через равные промежутки времени (таблица 1 приложения 2). Промежуточный эффект приведен на рисунках 5-10 приложения 2.

Вывод: опытным путем нам не удалось подтвердить эффект Мпембы, так как на образование кристаллов льда на поверхности холодной воды потребовалось меньше времени, чем для горячей воды.

Опыт 2. Самостоятельное перемещение воды

Мы взяли три стакана, в два из них налили воду. Третий оставили пустым и к нему перекинули «мостики» из бумажных салфеток (рис. 11 приложение 2).

Результат: вода по «мостикам» «переместилась» в пустой стакан, уровень воды в трех стаканах стал почти одинаковый. (рис. 12 приложения 2)

Вывод: вода может подниматься вверх без посторонней помощи.

Опыт 3. Мы задумались, а какая вода быстрее будет подниматься вверх?

Взяли два стакана: № 1 - с теплой водой и № 2 - с холодной водой; две полоски картона, один конец которых окрашен в разные цвета маркерами. Опустили концы полосок картона в стаканы (рис. 13 приложения 2).

Результат: краски маркера на полоске в тёплой воде поднялись вверх быстрее и выше, чем в холодной (рис. 14 приложения 2).

Вывод: теплая вода поднимается вверх быстрее, чем холодная.

Опыт 4. Оптические эффекты в воде

Когда мы любуемся рыбками в аквариуме, они всегда кажутся нам больше, чем есть на самом деле. Почему?

В один  прозрачный стакан мы налили воду, другой оставили пустым. Поставили игрушечную фигурку сначала за пустой (рис. 15 приложения 2), затем за наполненный водой (рис. 16 приложения 2).

Результат: за пустым стаканом размеры фигурки не изменились, а за стаканом с водой значительно увеличились.

Вывод: вода зрительно увеличивает предметы.

Опыт 5. Расширение воды при замерзании

В стеклянную банку налили воду (рис. 17 приложения 2) и поместили её в морозильную камеру холодильника.

Результат: вода замерзла и расширилась, её объём увеличился, и банка треснула (рис. 18 приложения 2)

Выводы: 1. вода при низких температурах превращается в лед;

2. вода при замерзании расширяется.

Опыт 6. Лед плавает на поверхности воды и не тонет

Провели эксперимент по созданию небольшого айсберга с целью проверки его плавучести.

Из объема воды 500 мл получили цельный кусок льда по форме напоминающий айсберг (рис. 19 приложения 2). Затем опустили лед широким краем в большую емкость с холодной водопроводной водой. Лед более чем на половину погрузился под воду, не касаясь дна, а его верхний край остался над поверхностью воды (рис. 20 приложения 2). В таком положении лед свободно мог передвигаться в пределах поверхности емкости.

Вывод: экспериментальным путем мы подтвердили плавучесть льда.

Опыт 7. Мгновенное замерзание дистиллированной воды

Мы проверили гипотезу, согласно которой в отличие от обычной воды с большим количеством примесей дистиллированная вода в состоянии покоя не замерзает даже при отрицательных температурах.Но как только придашь ей движение – сразу превратится в лёд.

Для этого мы поместили бутылку с дистиллированной водой при комнатной температуре (рис. 21 приложения 2) в морозильную камеру на 1,5 часа при температуре -18^oС. По истечении времени аккуратно вынули бутылку. Вода в бутылке не замерзла (рис. 22 приложения 2). Крепко держа бутылку в руке, сильно ударили её донышком по столу – вода в сосуде моментально превратилась в лёд (рис. 23 приложения 2).

Вывод: опытным путем мы подтвердили, что сильно охлаждённая дистиллированная вода при движении мгновенно замерзает.

Проведение анкетирования

Для того, чтобы проверить, насколько хорошо ученики 4«Б» класса МБОУ СОШ № 32 знакомы с аномальными свойствами воды, мы провели анкетирование (по форме приложения 3). В анкетировании участвовал 21 ученик.

Анализ собранных анкет показал, что большинство (91 %) обучающихся знают в каких агрегатных состояниях может быть вода (рис. 24 приложения 4).

На вопрос «При какой температуре вода кипит, а при какой замерзает?» правильные ответы дали 71 % обучающихся (рис. 25 приложения 4).

Причиной факта, что лед не тонет в воде, были приведены следующие примеры (рис. 26 приложения 4).

По заданию «Приведи свойства воды» были получены следующие ответы (рис. 27 приложения 4).

86 % опрошенных дали верный ответ, что вода не имеет постоянной формы, 5 % дали неправильный ответ, а 9 % затруднились ответить (рис. 28 приложения 4).

При этом 91 % учеников знают, что при замерзании вода расширяется, а при нагревании – сжимается (рис. 29 приложения 4).

На вопрос «Укажите, на сколько процентов организм человека состоит из воды» были даны различные варианты ответов (рис. 30 приложения 4).

Для устранения возникших затруднений у учеников мы провели в 4 «Б» классе практический урок, на котором провели ряд опытов, подтверждающих аномальные свойства воды.

4 Выводы

Объект нашего исследования кажется обыкновенным только на первый взгляд. Опытным путем мы убедились в необычности многих его свойств. Эти свойства - подарок всему живому на Земле.

Опытным путем мы доказали следующие уникальные свойства воды:

горячая вода замерзает быстрее, чем холодная при определенных условиях;

вода может подниматься вверх без посторонней помощи;

теплая вода поднимается вверх быстрее, чем холодная;

вода зрительно увеличивает предметы;

вода расширяется при замерзании;

при низких температурах вода превращается в лёд;

дистиллированная вода в состоянии покоя не замерзает;

охлаждённая дистиллированная вода мгновенно замерзает при движении.

Мы достигли цели и нашли подтверждение тому, что вода является аномальным веществом.

5 Список использованных источников

Арабаджи В. И. Загадки простой воды. — М.: «Знание», 2003г.

Ахматов М.В. Вода, которую мы пьём. — М.: 2006г.

Петрянов И.В. Самое необыкновенное вещество в мире — М.: «Педагогика», 2005г.

https://ecocenter.pro/articles/interesnye-fakty-o-vode

https://fishki.net/1256802-15-interesnyh-faktov-o-vode.html

https://livescience.ru/Статьи:Может-ли-вода-течь-вверх

https://qwizz.ru/удивительное-о-воде

https://studbooks.net/1988221/matematika_himiya_fizika/anomalnye_svoystva_vody

https://vodamama.com/anomalnye-svojstva.html

https://www.syl.ru/article/368647/anomalnyie-svoystva-vodyi-prichinyi-znachenie

Приложение 1

1. Кристаллическая решетка льда

Молекулы воды H₂O в её узлах расположены так, что каждая имеет четырёх «соседок».

Молекулы воды, состоящие из одного атома кислорода и двух атомов водорода, имеют вид шариков с выпуклостями. В кристалле льда они располагаются так, что выпуклости (соответствующие атомам водорода) ориентируются строго по направлению двух соседних молекул. В результате возникает трёхмерная кристаллическая решётка, состоящая из почти идеальных тетраэдров. Каждая молекула в его вершинах окружена четырьмя другими.

У воды нет такой упорядоченной структуры, расположение её молекул всё время меняется. Но в любой момент каждую молекулу воды окружают от 4 до 5 «соседок», так что среднее их число оказывается равным 4,4. Это означает, что молекулы воды в жидкости располагаются теснее, чем в кристалле, вода плотнее льда. Относительные изменения величин плотности очень хорошо совпадают по величине.

Когда лёд тает, освободившиеся холодные молекулы обладают малой энергией и низкой подвижностью. Вначале они сохраняют структуру кристаллической решётки, и плотность воды остаётся низкой. Постепенно регулярный порядок молекул размывается, они группируются теснее, и плотность воды растёт. При температуре +4°С она достигает максимума (0,999973 г/см³), а потом начинает падать из-за теплового движения молекул, которое становится всё активнее по мере нагрева.

Подобным образом ведут себя и некоторые металлы, например чугун. Это позволяет использовать его как материал для художественного литья. При застывании чугун расширяется и заполняет все, даже самые тонкие детали формы. Чугунные кружевные решётки и настольные скульптуры по моделям известных художников издавна отливали в уральском городе Касли.

2. Интересные факты

Помимо необычных свойств воды на химическом уровне, есть множество интересных фактов, которые могут стать удивительным открытием для каждого человека:

В составе мантии содержится в 10-12 раз больше воды, чем в составе Мирового океана.

Если бы Земля была одной рельефности, то есть вообще без возвышений и впадин, то вода заняла бы всю ее поверхность полностью, причем слоем толщиной 3 км.

Бывает, что вода мерзнет при положительной температуре.

Снег может отражать около 85 % солнечных лучей, в то время как вода - только 5 %.

Большую часть запасов пресной воды Земли составляют ледники, поэтому в случае глобального их таяния уровень воды поднимется до 64 километров, и одна восьмая поверхности суши будет затоплена.

3. Вода в мировых религиях

Как ни странно, но не только в научном, а и в религиозном мире нашлось место для оценки важности воды. В разных религиях вода ассоциируется с различными вещами, у многих из них свое значение. Необычные свойства обычной воды упоминаются даже в священных книгах.

В христианстве вода есть олицетворение обновления, очищения, крещения и восстановления.

В религиозном искусстве она символизирует смирение.

У египтян вода всегда олицетворяла рождение всего живого, и человека в том числе.

У евреев вода Тора - животворящая жидкость, что символизирует мудрость и Логос.

Приложение 2

Рисунок 2 Объем воды для эксперимента

Рисунок 1 Необходимые предметы для проведения эксперимента

Рисунок 3 Холодная водопроводная вода (t=+8⁰C)

Рисунок 4 Только что закипевшая вода (t=+100⁰C)

Рисунок 5 Емкости на открытом балконе

Рисунок 6 Температура внешней среды на открытом балконе (t=-14⁰C)

Таблица 1 Мониторинг замерзания равных объемов воды с различной начальной температурой

Рисунок 7 Мониторинг емкостей в 14:25 и в 14:43

Рисунок 9 Мониторинг емкостей в 15:14

Рисунок 8 Мониторинг емкостей в 14:55

Рисунок 10 Мониторинг емкостей в 16:13

Рисунок 11 Предметы для опыта 2

Рисунок 12 Результаты опыта 2

Рисунок 13 Предметы для опыта 3

Рисунок 14 Результаты опыта 3

Рисунок 15 Игрушка за пустым стаканом

Рисунок 16 Игрушка за стаканом, наполненным водой

Рисунок 17 Стеклянная банка, наполненная водой

Рисунок 18 Треснутая банка при расширении льда

Рисунок 19 Предметы для эксперимента 2

Рисунок 20 Лед плавает в воде

Рисунок 21 Бутылка с дистиллированной водой при комнатной температуре

Рисунок 22 Бутылка с дистиллированной водой через 1,5 часа в морозильной камере

Рисунок 22 Бутылка с замерзшей дистиллированной водой после активного встряхивания

Приложение 3

Анкета

1. В каких агрегатных состояниях может быть вода? ____________________

__________________________________________________________________

2. При какой температуре вода кипит? _________________________________

3. При какой температуре вода замерзает? ______________________________

4. Приведи свойства воды? ___________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

5. Можно ли сжать воду? ____________________________________________

6. Проводит ли вода электрический ток? _______________________________

7. Почему лед не тонет в воде? _______________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

8. Выбери правильный ответ. При замерзании вода:

А) расширяется

Б) сжимается

Ответ: __________

9. Выбери правильный ответ. При нагревании вода:

А) расширяется

Б) сжимается

Ответ: __________

9. Имеет ли вода постоянную форму? __________________________________

Если да, то какую __________________________________________________

10. Известно, что организм человека содержит воду. Укажите, на сколько процентов? ________________________________________________________

Приложение 4

Рисунок 23 В каких агрегатных состояниях может находиться вода?

Рисунок 24 При какой температуре вода кипит, а при какой замерзает?

Р исунок 25 Почему лед не тонет в воде?

Рисунок 26 Приведите свойства воды

Рисунок 27 Имеет ли вода постоянную форму?

Рисунок 28 Что происходит с водой при ее замерзании и нагревании

Рисунок 29 Проводит ли вода электрический ток?

Рисунок 30 Сколько воды в организме человека?