VII 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
Введение.
Вода – при нормальных условиях представляет собой прозрачную жидкость, не имеющую цвета (при малой толщине слоя), запаха и вкуса. В твёрдом состоянии называется льдом (кристаллы льда могут образовывать снег или иней), а в газообразном — водяным паром. Вода также может существовать в виде жидких кристаллов. Физические свойства воды аномальны, вода является единственным веществом на Земле, существующим в жидком, твердом и газообразном состояниях.
Около 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озёра, реки, льды). На Земле примерно 96,5 % воды приходится на океаны, 1,7 % мировых запасов составляют грунтовые воды, ещё 1,7 % — ледники и ледяные шапки Антарктиды и Гренландии, небольшая часть находится в реках, озёрах и болотах, и 0,001 % в облаках (образуются из взвешенных в воздухе частиц льда и жидкой воды). Бо́льшая часть земной воды — солёная, непригодная для сельского хозяйства и питья. Доля пресной составляет около 2,5 %, причём 98,8 % этой воды находится в ледниках и грунтовых водах. Менее 0,3 % всей пресной воды содержится в реках, озёрах и атмосфере, и ещё меньшее количество (0,003 %) находится в живых организмах.
Вода является хорошим растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы).
При нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст., 101 325 Па) вода переходит в твёрдое состояние при температуре в 0 °C и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100 °C (значения 0 °C и 100 °C были выбраны как соответствующие температурам таяния льда и кипения воды при создании температурной шкалы «по Цельсию»). При снижении давления температура таяния (плавления) льда медленно растёт, а температура кипения воды — падает. При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01 °C. Такие давление и температура называются тройной точкой воды. При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки (сублимации) льда падает со снижением давления. При высоком давлении существуют модификации льда с температурами плавления выше комнатной.
В атмосфере нашей планеты вода находится в виде капель малого размера, в облаках и тумане, а также в виде пара. При конденсации выводится из атмосферы в виде атмосферных осадков (дождь, снег, град, роса). В совокупности жидкая водная оболочка Земли называется гидросферой, а твёрдая — криосферой. Вода является важнейшим веществом всех живых организмов на Земле. Предположительно, зарождение жизни на Земле произошло в водной среде.
Мировой океан содержит более 97,54 % земной воды, подземные воды — около 0,63 %, ледники — 1,81 %, реки и озера — 0,009 %, материковые солёные воды — 0,007 %, атмосфера — 0,001 %
Вода играет уникальную роль как вещество, определяющее возможность существования и саму жизнь всех существ на Земле. Она выполняет роль универсального растворителя, в котором происходят основные биохимические процессы живых организмов. Уникальность воды состоит в том, что она достаточно хорошо растворяет как органические, так и неорганические вещества, обеспечивая высокую скорость протекания химических реакций и в то же время — достаточную сложность образующихся комплексных соединений.
Поскольку у льда плотность меньше, чем у жидкой воды, вода в водоёмах замерзает сверху, а не снизу. Образовавшийся слой льда препятствует дальнейшему промерзанию водоёма, это позволяет его обитателям выжить.
Живое человеческое тело содержит от 50 % до 75 % воды, в зависимости от веса и возраста. Потеря организмом человека более 10 % воды может привести к смерти. В зависимости от температуры и влажности окружающей среды, физической активности и т. д. человеку нужно выпивать разное количество воды. Ведётся много споров о том, сколько воды нужно потреблять для оптимального функционирования организма.
Цель: экспериментальным путем убедиться в уникальных свойствах воды.
Задачи:
1. Обзор литературных источников.
2. Провести эксперименты.
3. Познакомиться с ролью воды в природе и в жизни человека.
4. Сделать выводы.
2. Свойства воды
2.1.Поверхностное натяжение - это сила притяжения, с которой каждый участок поверхностной пленки (свободной поверхности жидкости или же любой поверхности раздела двух фаз) действует на смежные части поверхности.
-молекулы, которые находятся на поверхности какой либо жидкости, в том числе и воды, притягиваются остальными молекулами внутрь жидкости, вследствие чего и возникает поверхностное натяжение.
На поверхности любой жидкости образуется тонкая плёнка из её частиц (молекул). Эта плёнка прочнее, чем жидкость внутри объёма. Чтобы её разорвать, необходимо приложить силу.
Опыт 1. Горка на монете.
Ход эксперимента. Наберем пипеткой воду и с очень близкого расстояния капаем её на монету.
Суть эксперимента: Вода на монете будет расположена не ровным тонким слоем, как это может показаться перед экспериментом. Поверхность воды будет растягиваться и становиться все более выпуклой с каждой новой каплей до тех пор, пока тонкая пленочка, которую образует поверхность воды, не порвется. И тогда почти вся вода с монетки вытечет (приложение фото1)
Опыт 2. Горка в стакане.
Ход эксперимента. Необходимо взять хорошо вымытый сухой стакан, немного смазать края растительным маслом и наполнить водой до отказа. А теперь очень аккуратно опускать в него по одной монете (гайке, шайбе).
Результат. По мере опускания монет в стакан вода из него не будет выливаться, а начнёт понемногу приподниматься, образуя горку. Это хорошо заметно, если посмотреть на стакан сбоку.
Суть эксперимента: В этом опыте горка на поверхности воды образуется в основном за счёт физического свойства воды, называемого поверхностным натяжением. Именно благодаря плёнке и образуется горка. Однако, если давление воды под плёнкой окажется очень большим (горка поднимется слишком высоко), она разорвётся.
Вторая причина образования горки — вода плохо смачивает поверхность стакана (холодная хуже, чем горячая). Что это значит? Взаимодействуя с твёрдой поверхностью, вода плохо к ней прилипает и плохо растекается. Именно поэтому она не стекает сразу же через край стакана при образовании горки. Кроме того, для уменьшения смачивания края стакана в опыте смазаны растительным маслом. Если бы, например, вместо воды использовали бензин, который очень хорошо смачивает стекло, никакой горки бы не получилось (приложение фото2)
Опыт 3. Скрепка на воде.
Ход эксперимента. Необходимо налить воду в стакан. Взять скрепку и, держа ее горизонтально, поднести максимально близко к поверхности воды, отпустить. Если скрепка утонет, повторить эксперимент, только скрепку положить на маленький кусочек бумажной салфетки, а затем вместе с салфеткой опустить на поверхность воды. Через некоторое время салфетка намокнет и пойдет ко дну.
Суть эксперимента. Поверхностное натяжение — из-за этого натяжения поверхность жидкости ведет себя как упругое покрытие. Под поверхностью воды каждая молекула притягивается со всех сторон своими соседками. Молекулы стиснуты со всех сторон так плотно, что теснее прижаться друг к другу уже не могут. Однако на поверхности молекулы воды притягиваются только к боковым и нижним молекулам. В результате этого возникает суммарная сила, направленная вниз, что вызывает легкое продавливание верхнего слоя воды. Поверхностное натяжение оказывается вполне достаточным для удерживания легких тел, таких как скрепка в данном опыте. Говорят, что тело плавает (слегка погружено либо лежит на поверхности жидкости), если его плотность равна или меньше плотности жидкости. Однако плотность скрепки выше плотности воды; следовательно, она плавает только благодаря пленке поверхностного натяжения (приложение фото3)
Опыт 4. Непроницаемая ткань.
Ход эксперимента. Необходимо накрыть стакан марлей, закрепить марлю на месте резинкой. Края марли прижать к стенкам стакана. Налить через марлю полный стакан воды. Одной рукой взять стакан вместе с марлей, а другой рукой накрой его сверху. Перевернуть стакан вверх дном над миской или формой.
Результат.Когда переворачиваешь стакан, из него вначале просачивается небольшое количество воды, но затем она перестает течь совсем. Марля не дает воде вылиться из стакана.
Суть эксперимента: В перевернутом стакане между его дном (находящимся теперь вверху) и поверхностью воды образуется пространство, наполненное воздухом и парами воды. На воду действует сила тяжести, которая тянет ее вниз. При этом пространство между дном стакана и поверхностью воды увеличивается. В условиях постоянной температуры давление в нем уменьшается и становится меньше атмосферного. Общее давление воздуха и воды на марлю изнутри получается немного меньше, чем давление воздуха снаружи. Поэтому вода и не выливается из стакана. Однако через некоторое время стакан потеряет свои волшебный свойства, и вода все же выльется. Это обусловлено испарением воды, увеличивающей давление внутри стакана.
На поверхности воды образуется тоненькая пленочка, которую мы не видим. Именно благодаря ей по поверхности воды могут скользить такие насекомые, как водомерки (приложение фото 4)
2.2. Капиллярность – это поднятие жидкости по тонким трубочкам (капиллярам).
В основе капиллярности лежат смачиваемость и поверхностное натяжение.
Опыт 1.Гуляющая вода.
Ход эксперимента:
1) берем два цвета, смешиваем с водой и наполняем полученными растворами 2 стакана;
2) бумажные полотенца складываем вдоль и вставляем (по одному) в каждый из заполненных стаканов;
3) противоположные концы полотенец опускаем в пустой стакан. Наблюдаем. Для проведения этого эксперимента понадобится некоторое время.
Суть эксперимента: Бумага отлично впитывает воду. Полотенца постепенно промокают, и окрашенная жидкость «путешествует» в пустой стакан. Он заполняется до одного уровня с прочими двумя, и вода внутри от смешения цветов приобретает совершенно новый оттенок (приложение фото 5)
Опыт 2. Распускание бумажных цветов.
Ход эксперимента: нам потребуется: бумага; ножницы; миска с водой.
Необходимо налить в тарелку немного воды и опустить в нее цветок. На глазах он начнет распускаться.
Суть эксперимента: Вода проникает в самые маленькие пустые пространства между волокнами бумаги и заполняет их. Бумага набухает, сгибы на ней распрямляются и цветок распускается.
Но как вода преодолевает силы гравитации?
Собственно, так же, как и в растениях. Вода поднимается вверх по капиллярным сосудам растения и доставляет ее от корней к листьям и плодам.
Происходит это за счет разницы давлений и сил поверхностного натяжения воды. Поверхность воды, попадающей в узкий капилляр, принимает вогнутую форму (мениск). При таком положении давление жидкости под этим мениском становится меньше атмосферного, и вода стремится вверх. И чем тоньше капилляр, тем выше поднимается вода, стремясь уравновесить отрицательное давление. Если жидкость не смачивает поверхность, то мениск будет выпуклый, и она не станет подниматься вверх по капилляру (приложение фото 6)
2.3. Плотность воды - какое количество, а, если точнее, какая масса содержится в определенном объеме вещества.
Опыт 1 Мандарин в кожуре и без кожуры.
Ход эксперимента. Один мандарин очищаем от кожуры, а второй нет. Опускаем в емкость с водой. Неочищенный мандарин - плавает. Попробуем его утопить — не получается. Кладем в воду очищенный от кожуры мандарин — сразу пошел ко дну.
Суть эксперимента. Всё дело в том, что в кожуре цитрусовых много пузырьков воздуха. Они выталкивают фрукт из воды. А без кожуры у цитрусовых нет пузырьков, поэтому очищенные апельсины и мандарины тонут (приложение фото 7, 8)
Опыт 2 Яйцо в пресной воде и в соленой
Ход эксперимента. Берем 2 банка. Заполняем одну пресной водой, другую – соленой. Осторожно опускаем яйца в воду и наблюдаем за происходящим.
Суть эксперимента. Соленая вода имеет большую плотность, чем обычная водопроводная. Именно соль поднимает яйцо на поверхность. А если добавлять в уже имеющуюся соленую воду пресную, то яйцо будет постепенно опускаться на дно (приложение фото9,10)
Опыт 3. Холодная и горячая вода.
Ход эксперимента. Берем 2 банки. Наливаем в одну – холодную воду, в другую – горячую. Добавляем в каждую – красители.
Результат. При объединении двух банок, если снизу находится банка с холодной водой, смешения не происходит, горячей воде не нужно подниматься – она и так сверху.
При объединении двух банок, когда банка с горячей водой находится снизу, горячая вода поднимается вверх, при этом она смешивается с холодной.
Суть эксперимента. Холодная вода тяжелее горячей, холодная вода опускается на дно, выталкивая горячую наверх тонкой струйкой, при нагревании воды, её молекулы начинают двигаться быстрее и быстрее, горячая воды менее плотная, чем холодная (приложение фото11,12)
Опыт 4. «Радуга» в стакане.
Ход эксперимента. Берем 3 стакана. В каждый из них добавляем разное количество сахара: в 1-й – 1 ст. л. сахара, во 2-й – 2 ст. л. В три стакана, выставленные в ряд, наливаем по 3 ст. ложки воды, лучше теплой, и перемешиваем. Четвертый стакан остается пустым. Затем при помощи чайной ложки в каждый стакан добавляем несколько капель пищевой краски и перемешиваем. В чистый стакан при помощи шприца без иглы начинаем добавлять содержимое стаканов, начиная с 4-го, и по порядку – в обратном отсчете. Стараемся лить по краю стенки стакана. В стакане образуется 4 разноцветных слоя. Они не перемешиваются.
Суть эксперимента. Концентрация сахара в каждой окрашенной жидкости была разной. Чем больше сахара, тем выше плотность воды, тем она «тяжелее» и тем ниже этот слой будет в стакане (приложение фото 13)
Опыт 5. Домашняя лава
Ход эксперимента. В баночку наливаем обычной воды примерно на треть объема. Затем добавляем краситель и перемешиваем деревянной палочкой. Наливаем растительное масло. В баночку бросаем любую шипучую таблетку.
Суть эксперимента. Масло и вода имеют разную плотность. Масло -легче и всегда будет наверху. В состав шипучей таблетки входит лимонная кислота и сода. Эти вещества вступают в химическую реакцию с водой, в результате которой выделяется углекислый газ, который, подхватывая частицы красителя, стремится наверх и благополучно покидает емкость, а частицы подкрашенной воды возвращаются обратно вниз. И так снова и снова. Именно из-за этого постоянного круговорота жидкости и получается интересный и очень красивый эффект лавы (приложение фото 14)
Значение плотности.
1.Почему корабли не тонут? Внутри конструкции существуют полости больших размеров, которые заполнены воздухом. Благодаря этому, плотность всего корабля значительно меньше плотности воды. В результате этого выталкивающая сила держит конструкцию на плаву.
2.Поскольку у льда плотность меньше, чем у жидкой воды, вода в водоемах замерзает сверху, а не снизу. Образовавшийся слой льда препятствует дальнейшему промерзанию водоема, это позволяет его обитателям выжить.
3.Выводы.
1. Провели обзор литературных источников.
2. Экспериментальным путем убедились в некоторых уникальных свойствах воды, а именно: поверхностном натяжении, капиллярности, плотности.
3. Познакомились со значением свойств воды в природе и в жизни человека.
4. Возможность использования данной работы на уроках окружающего мира.
4. Список используемой литературы:
1. Моргунова Г.С. Вода, которую мы пьём // Химия и жизнь. — 1965. — № 3. —
2. П. И. Воскресенский Техника лабораторных работ. 9-е изд. Л.: «Химия», 1970. С. 696—697
Интернет-источники:
http://simplescience.ru
http://naukaveselo.ru
http://www.lmagic.info/nepronicaemaya_tkan.html
«Класс!ная физика» http://class-fizika.ru/op31-13.html
http://izbenka.org/igrovaya/shkola-opytov-i-eksperimentov/eksperiment-dva-mandarina/
http://rastishka.by/articles/citrusovye-fokusy-dlya-detej/
https://www.2mm.ru/malysh/razvitie-rebenka/2027/
http://tsvetyzhizni.ru
https://wassergroup.ru/index.php?route=record/record&record_id=22
http://fb.ru/article/229237/pochemu-korabl-ne-tonet-fizika-v-dele
Приложение
Фото 1 Горка на монете фото 2 горка в стакане фото 3скрепка на воде
Фото 4 «непроницаемая ткань» фото 5 «гуляющая» вода
Фото 6 распускание бумажных цветов
Фото 7 мандарин в кожуре фото 8 мандарин без кожуры
Фото 9 яйцо в пресной воде фото10 яйцо в соленой воде
Фото 11 Сверху – горячая вода фото 12 Сверху – холодная вода
Снизу – холодная вода Снизу – горячая вода
Фото 13«Радуга» в стакане фото 14 «Лавовая лампа»