Проектная работа по химии "Аномальные свойства воды"

Комитет по делам образования города Челябинска

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «ГИМНАЗИЯ № 10 Г.ЧЕЛЯБИНСКА»

 

 

 

 

Проектная работа

«АНОМАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ВОДЫ»

Тип проекта: исследовательский

 

 

 

 

                                                                      Выполнила: Кривопалова-Москвина

Елизавета Игоревна,

ученица 8 «а» класса

Наставник: Шумовская

Людмила Петровна

 

 

 

 

 

Челябинск,2019 г.

Содержание

   Введение                                                                                              2

 Основная часть                                                                                    3

 I.1 Теоретическая часть                                                                      3

I.1.1Вода в природе и жизни человека                                              3

 I.1.2 Строение воды                                                                            5

 I.1.3 Аномальные свойства воды                                                      7

II. Экспериментальная часть                                                             11

Заключение                                                                                          13

Список источников

Приложения

 

 

 

 

 

 

Введение

Актуальность выбранной темы.

  Вода является основой жизни на нашей планете. Эту субстанцию можно изучать до бесконечности. Нет, на Земле вещества более важного для нас, чем обыкновенная вода, и в то же время не существует другого такого вещества, в свойствах которого было бы столько аномалий.
       Молекулярная формула воды указывает на то,  что это вещество имеет простую структуру, однако до сих пор оно считается малоисследованным, поскольку существует еще много неизученных свойств  данной субстанции, которые, возможно, и способствуют поддержанию жизни на Земле. 
       С водой мы сталкиваемся ежедневно, и она занимает важнейшее место
в жизни всего живого. С одной стороны ­ нет ничего более простого и
доступного на планете, как вода, с другой – более загадочного и
уникального. Поэтому эта тема мне интересна, и я выбрал её для
исследования.

Цель проекта: доказать, что вода необычное вещество. Выяснить причины уникальных свойств воды при проведении физико-химических опытов.

Задачи проекта:
1)  изучить интернет-источники по теме проекта;
2) провести занимательные эксперименты;
3) отработать методику проведения опытов по теме «Вода обыкновенная и загадочная».
Гипотеза: свойства воды обусловлены особенностями ее строения.
 Продукт проекта: презентация «Удивительные свойства воды»

 

I.1 Теоретическая часть

I.1.1 Вода в природе и жизни человека

    Вода – весьма распространенное на Земле вещество. Почти ¾ поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки и озера. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также находится вода, пропитывающая почву и горные породы

  Вода находится в постоянном и активном круговороте. Его движущей силой является Солнце, а основным источником воды – Мировой океан. Почти четверть всей падающей на Землю солнечной энергии расходуется на испарение воды с поверхности водоемов. Если бы этого не происходило, средняя температура на нашей планете была бы значительно выше.

   Примерно 2/3 атмосферной воды возвращается в виде осадков обратно в океан, а 1/3 выпадает на сушу. Эта вода пополняет ледники, реки и озера. В свою очередь поверхностные воды снова стекают в моря и океаны, растворяя встречающиеся им на пути породы.

   Увлажняющая почву вода всасывается корнями растений. Вместе с водой растения получают растворенные питательные вещества. В растениях она поднимается по стеблям и возвращается в виде пара в атмосферу через листья.

   Важным регулятором речного стока на суше являются горные ледники. Они отдают воду в основном в летние месяцы, а накапливают зимой.

   С круговоротом воды происходит перемещение тепла, так, например, известно влияние близости побережья океана на климат.

   Вода – универсальный растворитель. Двигаясь в круговороте, она растворяет в себе огромное количество веществ, которые лежали в почве или летали в воздухе. Это могут быть и питательные вещества, и ядовитые химикаты, и др.

    Вода входит в состав всех живых и растительных организмов. Например, человек на 70% состоит из воды, рыба – на 80%. Вода – основа жизни, если человек теряет в виде воды 12% массы тела, то наступает смерть; человек не может жить без потребления воды более 3-4 суток. Большое дерево извлекает летом из почвы и испаряет в течение суток 500-700 дм³ воды. Во всяком организме вода представляет собой среду, в которой протекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма, кроме того, она участвует в ряде биохимических реакций

       Вода способна регулировать температуру нашего тела, выводить из
организма продукты жизнедеятельности и различные токсические
компоненты. С помощью воды наши мышцы выполняют свою основную
функцию – сократительную. Диета спортсменов всегда содержит повышенное количество жидкости. Ученые доказали, что  для сохранения здоровья человек должен потреблять до 2,5 литров жидкости в сутки – это обеспечит ему хорошее самочувствие, активизирует умственную деятельность и придаст сил. Из воды состоят все ткани человеческого организма: мышцы, кости, легкие, сердце, почки, печень, кожа и жировая ткань. Больше всего жидкости, а именно 99%, содержит стекловидное глазное тело, а меньше всего, примерно 0,2%, зубная эмаль. Богат на содержание воды и головной мозг, поскольку без этой субстанции мы не сможем мыслить и формировать информацию. Любые биохимические реакции, происходящие в организме, могут оптимально протекать только при достаточном поступлении воды, в противном же случае в тканях и клетках будут скапливаться конечные продукты обмена веществ, которые приведут к развитию многих серьезных заболеваний. Чтобы этого избежать, необходимо соблюдать правильное потребление воды.

 

I.1.2 Строение воды

    Физические и химические свойства воды определяются химическим, электронным и пространственным строением молекулы Н2О.

    Химическая формула воды достаточно проста – это соединение атома кислорода с двумя атомами водорода. Но при этом в мире нет субстанции более загадочной. Вода, или оксид водорода, является химическим  веществом. В нормальных условиях H2O (вода) сохраняется в
жидком агрегатном состоянии, в то время как аналогичные соединения
водорода являются газами. Все это можно объяснить особыми
характеристиками атомов, слагающих молекулы, и присутствием между ними связей. 

 

      Молекула воды имеет угловое строение . Связи Н-О очень полярны. На атоме кислорода имеется избыточный отрицательный заряд, на атоме водорода – избыточные положительные заряды. В целом молекула воды является полярной, то есть диполем.

   Этим объясняется тот факт, что вода является хорошим растворителем для ионных и полярных веществ.

   Наличие избыточных зарядов на атомах Н и О, а также не поделенных электронных пар у атомов О ( кислорода) обуславливает  образование между молекулами воды водородных связей, в следствии  чего они объединяются в ассоциаты. Существование этих ассоциатов объясняют аномально высокие значения температуры плавления и температуры кипения воды.

В

 

 

Водородная связь между молекулами воды

 

  Капля воды состоит из молекул, которые притягиваются
противоположными полюсами, образуя тем самым полярные связи,       разорвать которые без усилий невозможно. Каждая молекула в своем составе содержит ион водорода, который настолько мал, что может проникать сквозь оболочку отрицательного атома кислорода, находящегося в соседней молекуле. В результате этого образуется водородная связь. Схема воды показывает, что каждая молекула имеет прочную связь с четырьмя соседними молекулами, две из которых образуются атомами кислорода, а другие две – атомами водорода.

 

I.1.3 Аномальные свойства воды или удивительное рядом

   Академическая наука до сих пор не смогла дать рациональное объяснение

всем аномальным свойствам воды.

    Целый ряд свойств воды выпадает из общих закономерностей и правил таких наук как физика и химия. Эти свойства не соответствуют законам «периодической системы», разработанной гениальным ученым-химиком Дмитрием Ивановичем Менделеевым.  

    Вода – единственное вещество на Земле, которое существует в природе в трёх состояниях: жидком, твёрдом и газообразном (вода, лед и водяной пар). При обычных условиях вода – жидкость без вкуса и запаха; в тонком слое она бесцветна, однако при толщине более 2 метров она приобретает голубоватый оттенок.

Плотность воды. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает. При нагревании воды от 0 до 4⁰С плотность ее также увеличивается. При 4⁰С вода имеет максимальную плотность, и лишь при дальнейшем нагревании ее плотность уменьшается.

Вода - единственное вещество, обладающее в жидком состоянии большей плотностью, чем в твёрдом, так как, структура льда более рыхлая, чем структура жидкой воды. Это - одно из аномальных свойств воды.

 Теплоемкость. Удельной теплоёмкостью воды называют количество теплоты в джоулях, которое необходимо, чтобы поднять температуру 1 кг воды на 1° C. Вода обладает большой теплоёмкостью (4,184 Дж/г). Это значит, что существенное увеличение тепловой энергии вызывает лишь сравнительно небольшое повышение её температуры. Объясняется такое явление тем, что значительная часть этой энергии расходуется на разрыв водородных связей, ограничивающих подвижность молекул воды.

    Большая теплоёмкость воды сводит к минимуму происходящие в ней температурные изменения. Благодаря этому биохимические процессы протекают в меньшем интервале температур, с более постоянной скоростью и опасность нарушения этих процессов от резких отклонений температуры грозит им не столь сильно. Вода служит для многих клеток и организмов средой обитания, для которой характерно довольно значительное постоянство условий.

    Благодаря высокой теплоемкости в ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету также медленно нагревается, являясь, таким образом, регулятором температуры на земном шаре.

   Поглощая огромное количество теплоты, сама вода существенно не нагревается. Удельная теплоемкость воды в пять раз выше, чем у песка, и почти в десять раз выше, чем у железа.

   Характерно, что явление прохождения удельной теплоемкости воды через минимум при температурном изменении обладает своеобразной симметрией: при отрицательных температурах также обнаружен минимум этой характеристики. Он приходится на – 20°С

 Замерзание и кипение

   Температуры замерзания и кипения воды не соответствуют общим закономерностям и законам химии. Так мы знаем, что вода в реальной жизни замерзает при 0°C, а кипит при 100°C, в то время как в соответствии с общими правилами химии эти процессы должны проходить при -90°C (минус девяносто) и -70°C (минус 70) соответственно.

Температурная яма 

    Наибольшая скорость нагрева и охлаждения воды происходит в так называемой «температурной яме», которая образуется вследствие того, что в районе 37 °C теплоемкость у воды наименьшая.

   Как мы видим, температура человеческого тела 36,6 °C близка к этому значению.

Эффект Мпембы – эффект горячей воды

  Удивительно, но факт – горячая вода замерзает быстрее холодной, что противоречит логике и общему восприятию вещей.

Температура воды + 3,98 °C

    Как мы уже отметили выше, температура + 3,98 °C, является для воды важным значением. При понижении температуры до этого уровня вода ведет себя в соответствии с общими законами и правилами этих наук. При дальнейшем понижении температуры у воды начинают проявляются ее аномальные свойства.

    При температуре + 3,98 °C у воды плотность имеет наибольшее значение, а объем наименьший.

Объем и плотность

   Еще одним важным для всех нас является ее аномальное свойство при замерзании увеличиваться в объеме, тем самым уменьшая свою плотность. Уточним, что до + 3,98 °C вода ведет в соответствии с общими законами химии и физики, а далее проявляются ее аномальные свойства.

Поверхностное натяжение

   Еще одним удивительным и во многом аномальным свойством воды является ее поверхностное натяжение.

  Хорошо всем известный пример демонстрирует, как аккуратно положенная на воду металлическая швейная игла плавает на ее поверхности, что во многом удивительно. Ведь плотность метала гораздо больше плотности воды.

   Вся жизнь на Земле своим существованием во многом обязано именно этому свойству воды.

Вода — отличный растворитель

   Вода является отличным растворителем, она удивительно легко растворяет большое количество самых разнообразных веществ и газов. И что тоже весьма важно, так же легко их отдает. Например, благодаря именно этому свойству после дождя мы чувствуем удивительную свежесть – дождь очищает воздух.

Вода и магнитное поле

   Под воздействием магнитного поля у воды меняется ее способность к растворению веществ, изменяется скорость, проходящих в ней, химических реакций.

   Аномальные свойства воды еще раз подтверждают общеизвестное высказывание — удивительное рядом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II.Экспериментальная часть

 

    Необычные свойства воды, обнаруживаемые в физико-химических экспериментах, и ее роль в биологических системах объясняют повышенный интерес к изучению структуры воды. Результаты исследований структуры воды, существенно дополняющие и развивающие принятые представления о структурном состоянии воды, позволяют подойти к расшифровке нового ранее неизведанного класса энергоинформационных явлений.

   На этом этапе, на примере нескольких фокусов, которые являются ничем иным как нехитрыми, но очень занимательными опытами, продемонстрируем необычные свойства воды.

   Опыта № 1 «Научи яйцо плавать»

Мы знаем, что яйцо, как и другой тяжелый предмет, в банке с водой утонет. А если воду посолить?! Данное свойство мы продемонстрируем с помощью

Оборудование: три стакана с водой; три сырых яйца; соль.

Проведение опыта. В один из стаканов с водой насыпать много соли. Нужно подождать, пока соль растворится. Опустить яйцо в стакан с солёной водой – яйцо останется плавать на поверхности воды. Во второй из стаканов насыпать меньшее количество соли и подождать пока она растворится. Опустить яйцо, оно будет находиться в середине банки или «висеть» в банке. В третий стакан соль вообще не добавлять и опустить яйцо. Оно окажется на дне банки.

Объяснение: этот опыт возможен потому, что тонет то, что тяжелее. Соленая вода тяжелее яйца, поэтому яйцо будет подниматься над соленой водой, а если яйцо «повисло» внутри банки, то вода и яйцо весят одинаково. Соль повышает плотность воды. Чем больше соли в воде, тем сложнее в ней утонуть. В знаменитом Мёртвом море вода настолько солёная, что человек без всяких усилий может лежать на её поверхности, не боясь утонуть .

   Опыт № 2 «Огнеупорный шарик».

Оборудование: воздушные шарики, свеча, спички, стакан холодной воды.

Проведение опыта. В воздушный шарик наливаем холодную воду и немного надуем. После этого необходимо зажечь свечу. Подносим шарик к свече (он не лопнул, так как в нем вода). Надуваем другой воздушный шарик и подносим к огню, он лопнул.

Объяснение: в этом опыте демонстрируется «теплопроводность воды», т.к. она в 24 раза больше чем у воздуха. Пока вода не испарится в шарике, он не лопнет (приложение №4 рис.4.1-4.5.).

   Опыт № 3«Непроницаемая ткань»

Оборудование: стакан, кусочек марли или ткани, вода, резинка для закрепления ткани.

Проведение опыта. В стакан наливаем холодную воду. Накрываем стакан марлей и закрепляем её резинкой. Быстро переворачиваем стакан с водой. Вода из стакана не выливается, т.к. атмосферное давление давит на перевернутый стакан, а между тканью и водой образовалась тонкая пленка, т.к. в нем ни осталось воздуха. Поэтому вода из перевернутого стакана не вытекает. Но стоит немного наклонить стакан, вода начинает вытекать.

Объяснение: этот опыт возможен из-за поверхностного натяжения воды. На предметы, находящиеся на поверхности, действуют силы со стороны жидкости (приложение).

 

 

 

Заключение

   На основе исследований и проведенных опытов можно сделать следующие выводы:

1.     На нашей Земле нет вещества более важного для нас, чем обыкновенная вода, и в то же время не существует другого такого же вещества, в свойствах которого было бы столько противоречий и аномалий.

2.     В данной работе были рассмотрены такие уникальные свойства воды, как плотность, атмосферное давление, теплопроводность, поведение воды при растворении в ней веществ.

3.     Физические свойства воды действительно обусловлены особенностями ее строения. На основе отработанных опытов, мы доказали уникальность воды, как химического вещества.

4.     Все эти свойства воды обязательно встречаются в природе, но они совсем не так очевидно представляются глазам наблюдателя, как в наших опытах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список источников

1. Энциклопедический словарь юного химика - М.: Педагогика, 1981

2. Егоров А.С., Аминова Т.Х. Химия: экспресс- репетитор для подготовки к ЕГЭ.- Ростов- на Дону: Феникс,2013.-279, [1] с.

3. Фрублевский А. И. Основы химии. Школьный курс. – 2-е изд. – Мн.: Юнипресс, 2010г. – 960 с.

4. Глинка Н. Л. Общая химия: учеб. пособие для вузов. – 23-е изд., испр. /Под ред. В. А. Рабиновича. – Л.: Химия, 1983г. – 704 с.

 

Интернет источники:

(http://www.alka-mine.at.ua/publ/4-1-0-74)

(Интернет ресурсы: http.bibliofond.ru)

(http://svyatayavoda.narod.ru/iscelenie44.html)

(http://psyera.ru/voda-v-organizme-cheloveka-1191.htm)

(http://www.ordodeus.ru/Ordo_Deus9Voda_svobodnaya_i_svyazannaya.html)

(http://www.o8ode.ru/article/energo/vozdeictvie_na_vodu_elektromagnitnyh_voln.htm)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Скачано с www.znanio.ru