МБОУ СОШ №56
Интегрированная конференция
«Вода – удивительное вещество на свете»
Подготовили и провели:
учитель физики Студеникина Н. В.
учитель химии Дронова Н. Ю
Воронеж – 2015
Цель: показать проявление общих закономерностей природы с точки зрения физики, химии, биологии на примере воды.
Задачи: рассмотреть это вещество и его строение с точки зрения физики, химии, биологии; раскрыть сущность воды, значимость ее физических, химических свойств; показать значение воды в жизни живого; рассмотреть вопрос о необходимости охраны воды.
«Воде была дана волшебная власть стать соком жизни на Земле» (ЛЕОНАРДО ДА ВИНЧИ)
План конференции:
Организационный момент.
Физические свойства воды и ее аномалии.
Химические свойства воды и их объяснение с точки зрения химии.
Подведение итогов конференции.
Начало конференции
Звучит музыка и демонстрируется фрагмент видеофильма «Вода в природе».
1 ученик. СЛАЙД 1
Ни на одной планете нет такого количества воды, как на Земле. Вода повсюду. Она и вокруг нас: в океанах и морях, реках и озерах, в дожде и снеге, в льдинах и водопроводных трубах, в питье и в пище. Она и в нас самих: мы на 2/3 сделаны из воды. Вода занимает ¾ поверхности Земли. Около 1/5 суши покрыто твердой водой (льдом и снегом), добрая половина ее всегда закрыта облаками, которые состоят из водяных паров и мельчайших капелек воды, а там, где никаких облаков нет, в воздухе всегда есть водяные пары.
Вода вылепила лицо нашей планеты. Вся земная жизнь рождена водой и не может существовать без нее. Мы детилн. м3 воды.
Если бы существовал герб «водяного царства», то на нем можно было бы написать девиз: «никому не уступлю». Смысл его – велика роль воды в жизни на Земле.
2 ученик.
Вероятно мало кто из вас задумывался над удивительными свойствами воды, и это, пожалуй, понятно – ведь вода повсюду окружает нас, она обычна на нашей планете. Ну, а обычное никогда не кажется удивительным. Однако сама обыденность необычна. Ведь никакое другое вещество не встречается на Земле в таких количествах, да еще одновременно в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном.
Так давайте зададимся вопросом: «Что же такое вода, и какова ее роль?»
Итак, выступление физиков.
Выступление физиков
СЛАЙД 2
Итак, рассмотрим воду в природе, ее значимость, физические свойства воды и ее уникальность.
СЛАЙД 3 «О распространении воды на нашей планете»
Человек живет на Земле, ¾ которой – моря и океаны, еще 1/5 часть суши покрыта водой в твердом состоянии. Из общего количества воды на Земле, равного 1 млрд. 386 млн. м3, 1 млрд. 338 млн. м3 приходится на долю соленых вод Мирового океана, и только 35 млн. м3 приходится на долю пресных вод. Всего количества океанической воды хватило бы на то, чтобы покрыть ею земной шар слоем более 2,5 километров. На каждого жителя Земли приблизительно приходится 0,33 м3 морской воды и 0,008 м3 пресной воды. Но трудность в том, что подавляющая часть пресной воды на Земле находится в таком состоянии, которое делает ее труднодоступной для человека. Почти 70% пресных вод заключено в ледниковых покровах полярных стран и в горных ледниках, 30% -- в водоносных слоях под землей, а в руслах всех рек содержатся одновременно всего лишь 0,006% пресных вод.
Молекулы воды обнаружены в межзвездном пространстве. Вода входит в состав комет, большинства планет Солнечной системы и их спутников. Все это изобилие воды непрерывно испаряется, происходит круговорот воды в природе.
СЛАЙД 4 «Вода в организме человека»
Распределение воды в организме зависит от возраста, пола, мышечной массы, телосложения и количества жира. Слюна, желудочный сок, содержимое кишечника, моча, пот, слезы – все это та же вода. Кровеносная и лимфатическая системы – жидкие среды организма, в основе которых также вода. В 6-недельном эмбрионе содержится 97,5% воды, в новорожденном организме – 70-83%. Вода входит в состав всех тканей человеческого тела: в крови ее около 81%, в плотных тканях (мышцы) – 75%, в костях – около 20%. В клетках головного мозга ее 85%. Около 70% воды в организмах млекопитающих.
Взрослый человек употребляет в среднем 2,5 л воды в сутки. Погибает человек, если потеряет всего от 12% до 20% влаги своего организма. Выпивает воды во много раз больше, чем весит его тело (около 60 л в месяц). Может прожить без воды 3 дня.
СЛАЙД 5 «Вода в организмах растений»
Вода в жизни растений выполняет жизненно важные функции, поддерживающие обменные процессы, а также является источником питания: транспортная функция по «доставке» питательных веществ к тканям и органам; терморегулирующая функция, препятствующая перегреву тканей и денатурации (разрушению) белков; создает внутреннюю среду организма; создает тургор – упругость тканей; участвует в фотосинтезе.
Много воды в клетках мякоти сочных плодов и листьях растений. Арбуз на 90% состоит из воды. Во время засухи и суховеев для сохранения влаги на полях и спасении посевов от гибели, необходимо рыхлить землю, чтобы уменьшить испарение.
СЛАЙД 6 «Фотосинтез»
Благодаря прозрачности воды на небольшой глубине возможен фотосинтез. А благодаря тургорному давлению воды растения сохраняют упругость. Вода является смазывающим веществом в биологических системах.
СЛАЙД 7 «Строение воды и ее физические свойства»
СЛАЙД 8 «Основные физические свойства воды»
Агрегатные состояния: пар, вода и лед.
Температура кипения – 100ºС.
Температура плавления -- 0ºС.
Плотность 1000 кг/м3.
Большое поверхностное натяжение.
Малая сжимаемость.
Наибольшая удельная теплоемкость 4200 Дж/кг.ºС.
Высокая теплопроводность.
Наибольшая теплота парообразования 2,3 ۠ 106 Дж/кг.
Слабая электропроводность.
Прекрасный растворитель.
СЛАЙД 9 «Агрегатные состояния»
Вода может находиться в трех состояниях: жидком (вода), твердом (лед) и газообразном (водяной пар). Подобно газам и в отличие от твердых тел вода не обладает определенной формой, а принимает форму сосуда, в котором находится.
Подобно твердым телам и в отличие от газов вода сохраняет свой объем.
СЛАЙД 10 «Виды воды»
Вода может приобретать самые разнообразные формы, которые зачастую соседствуют друг с другом. Водяной пар и облака в небе, морская вода и айсберги, горные ледники и горные реки, водоносные слои в земле. Вода способна растворять в себе много веществ, приобретая тот или иной вкус. Из-за важности воды как «источника жизни» ее нередко подразделяют на типы.
СЛАЙД 11 «Характеристики воды»
По особенностям происхождения, состава и применения выделяют в числе прочего:
Мягкая вода и жесткая вода – по содержанию кальция и магния
Подземные воды
Талая вода
Пресная вода
Морская вода
Дождевая вода
Питьевая вода и водопроводная вода
Тяжелая вода, дейтериевая и тритиевая
Дистиллированная вода и диеонизированная вода
Сточные воды
Ливнивая вода или поверхностные воды
Святая вода – особый вид воды согласно религиозным учениям
Мертвая и живая вода – виды воды из сказок
Поливода
Стуктуированная вода
СЛАЙД 12 «Температура кипения»
При кипении температура остается постоянной. Температура кипения воды находится в прямой зависимости от атмосферного давления. С увеличением давления на каждую атмосферу температура кипения воды повышается примерно на 22ºС. Используется в автоклавах (мощные котлы, где создается избыточное давление) для стерилизации медицинского инструмента (температура кипения -- от 200 до 350ºС) и консервирования. Скороварка – кастрюля с плотно прилегающей крышкой ( в ней давление до 200 кПа, а температура кипения достигает 110-120ºС). Для приготовления в скороварке мяса для холодца требуется 40 минут вместо 5-6 часов, если готовить на обычной плите.
При уменьшении давления пузырькам воздуха легче всплывать. Они делают это при меньшей температуре. Значит, высоко в горах (6000-8000 м) температура кипения примерно 50-60ºС.
СЛАЙД 13 «Температура плавления»
С повышением давления до 2200 атмосфер температура плавления падает, причем с увеличением давления на каждую атмосферу она понижается на 0,0075ºС. При дальнейшем увеличении давления точка замерзания воды начинает расти: при 16500 атмосфер вода замерзает при 60ºС.
Мы привыкли считать, что вода не может быть в твердом состоянии при температуре выше 0ºС. Английский физик Бриджмен показал, что вода при давлении 2 миллиарда Паскалей остается твердой даже при температуре 76ºС. Это так называемый «горячий лед-5». Взять его в руки нельзя, о свойствах этой разновидности льда узнали косвенным образом. «Горячий лед» плотнее воды (1050 кг/м3), он тонет в воде. Сейчас известно 10 форм льда, устойчивых при высоких давлениях.
СЛАЙД 14,15 «Аномальное изменение плотности воды»
Все вещества, когда их нагревают, расширяются, а при охлаждении сжимаются. Вода тоже сжимается, пока температура падает, но при + 4º С наступает предел. Тут она снова начинает расширяться, хотя температура продолжает понижаться. Поэтому самой плотной и тяжелой вода бывает при + 4º С. Зимой, охладившись до + 4º С, она опускается на дно. Вот почему на дне пруда, озера, реки под слоем льда сравнительно тепло и обитатели водоемов имеют возможность жить. Вода как бы создана для того, чтобы в ней водилось что-либо живое, даже при температуре ниже нуля: замерзание никогда не начнется со дна, а только с поверхности. Доказательством этого является выявленная зависимость плотности воды при различной температуре и нормальном атмосферном давлении.
СЛАЙД 16 «Поверхностное натяжение»
Поверхностное натяжение проявляется в том, что вода постоянно стремится сократить свою поверхность. Сила поверхностного натяжения заставляет молекулы ее наружного слоя сцепляться, создавая упругую внешнюю пленку. Свойства пленки определяются замкнутыми и разомкнутыми водородными связями. Благодаря пленке некоторые предметы, будучи тяжелее воды, не погружаются в воду. Многие насекомые (водомерки, ногохвостки и др.) не только передвигаются по поверхности воды, но и взлетают с нее и садятся, как на твердую опору. Личинки комаров, стрекоз приспособились использовать даже внутреннюю поверхность водной поверхности: повисают на ней с помощью не смачиваемых щетинок, а маленькие улитки – прудовики и катушки – ползают в поисках добычи.
Высокое поверхностное натяжение позволяет воде принимать шарообразную форму при свободном падении или в состоянии невесомости: такая геометрическая форма имеет минимальную для данного объема поверхность. Струя химически чистой воды с сечением 1 см2 по прочности на разрыв не уступает стали того же сечения.
Первый взгляд на чай, налитый в чашку, подтверждает известное положение, что жидкость своей формы не имеет, а принимает форму сосуда, в который она налита. Если взять стакан, наполненный до краев водой и бросать в него монетки, то ни одна капля не прольется, зато поверхность воды вздуется, образовав «горку».
Все системы стремятся уменьшить свою энергию. Точно так же сила поверхностного натяжения стремится сократить до минимума площадь поверхности жидкости. Из всех геометрических форм шар обладает при данном объеме наименьшей поверхностью.
СЛАЙД 17 «Почему металлические предметы держатся на воде?»
Причина плавания этих предметов нам уже известна: вода плохо смачивает металл, побывавший в руках и потому покрытый тончайшим слоем жира. Оттого вокруг плавающего предмета на поверхности воды образуется вдавленность, ее можно даже видеть. Поверхностная пленка воды, стремясь распрямиться, оказывает давление вверх на предметы и тем поддерживает их. Поддерживает предметы, согласно закону плавания, и выталкивающая сила: игла, скрепка, перо и другие предметы выталкиваются снизу с силой, равной весу вытесненной ими воды.
СЛАЙД 18 «Малая сжимаемость»
Необычное температурное поведение сжимаемости воды – степень уменьшения объема при увеличении внешнего давления. Обычно сжимаемость жидкости растет с температурой: при высоких температурах жидкости более рыхлы (имеют меньшую плотность) и их легче сжать. Вода обнаруживает такое нормальное поведение только при высоких температурах. Сжатие жидкостей, в основном, обусловлено сжатием растворенного в них газа.
Поверхностный слой жидкости находится в специфическом состоянии натяжения и оказывает на жидкость громадное давление, делая ее практически не сжимаемой.
При нормальном атмосферном давлении объем 1 л воды уменьшается только на 0,05 см3.
Вода имеет плотную «упаковку» (для сжатия требуется огромное усилие) частиц, плотность воды немного меньше плотности твердого тела.
СЛАЙД 19 «Теплоемкость и теплопроводность воды»
При плавлении льда теплоемкость увеличивается в 2 раза! Во льду энергия, подводимая для нагревания, тратится в основном на увеличение тепловой скорости молекул. Как известно, при нагревании любого вещества теплоемкость его возрастает. Любого, кроме воды: при ее нагревании от 0 до 37 градусов теплоемкость падает, и лишь при дальнейшем нагревании начинает возрастать. Этот факт означает, что при 36-37 градусах для повышения температуры некоторого объема воды необходимо минимальное количество тепла. А, значит, вода, находящаяся в живых организмах, способствует регулированию температуры тела.
СЛАЙД 20 «Наибольшая теплота парообразования»
В паровых турбинах можно использовать и регулировать количество выделившейся теплоты для нужд промышленности. В окружающую среду выделяется большое количество теплоты при извержениях вулканов, гейзеров. В быту мы используем паровой утюг. Если произошел ожог паром, то необходимо наложить сухую повязку и нельзя прокалывать пузыри на кожном покрове.
СЛАЙД 21
Важное физическое свойство любого вещества – это его плотность. Плотность воды зависит от ее температуры. Так, при 0ºС она равна 999,8 кг/м3, при 20ºС – 998,2 кг/м3, а при 100ºС – 958,3 кг/м3.
СЛАЙД 22
Вода – единственное вещество на планете, существующее в трех состояниях: в твердом – лед, в жидком – вода, в газообразном – водяной пар.
Выступление химиков
СЛАЙД 23 «Строение и свойства воды с точки зрения химиков»
Молекула воды – Н2О, т. е. она состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
Молекула воды – уголковая – угол между связями Н-О-Н равен 104º 27´.В молекуле воды имеются две полярные ковалентные связи Н-О. Они образованы за счет перекрывания двух одноименных S-облаков двух атомов водорода.
СЛАЙД 24 «Состав и строение молекулы воды»
В молекуле есть четыре полюса зарядов: два – положительные и два отрицательные. Положительные заряды сосредоточены у атомов водорода, так как кислород электоротрицательнее водорода. Два отрицательных полюса приходятся на две электронные пары кислорода, таким образом молекула воды является диполем. Подобное представление о строении молекулы воды позволяет объяснить многие свойства воды, в частности структуру льда. В кристаллической решетке льда каждая из молекул окружена четырьмя другими. Связь между молекулами осуществляется посредством атома водорода.
СЛАЙД 25
Положительно заряженный атом водорода одной молекулы воды притягивается к отрицательно заряженному атому кислорода другой молекулы. Такая связь получила название водородной.
По прочности водородная связь примерно в 15-20 раз слабее ковалентной связи. Поэтому водородная связь легко разрывается, что наблюдается, например при испарении воды.
СЛАЙД 26
Одна из важнейших особенностей воды ( и в то же время, − одна из ее аномалий) заключается в том, что вода при обычных условиях Земли является жидкостью. Многие близкие по химическому строению вещества, например сероводород Н2S, при этих условиях являются газами. Объяснить это свойство воды можно, если учесть строение ее частиц, показанное на рис.1. Во-первых, молекула воды полярна, т. е. имеющиеся в ней частицы (электроны) распределены неравномерно; вблизи атома кислорода преобладает отрицательный заряд (избыток электронов), а вблизи атомов водорода – положительный заряд (недостаток электронов). На рис.1 полярный характер молекулы показан знаками «+» и «− ».Разноименно заряженные части различных молекул воды притягиваются, возникают водородные связи, что показано на рис. 2 пунктиром. В результате такого взаимодействия образуются ассоциаты из молекул воды. Формулу которых можно представить в виде (Н2О)n, где n – равно 1,2,3,.. При температуре 0ºС значение n обычно равно 3, а при 4ºС− 2. Ассоциаты полностью распадаются лишь, когда вода переходит в пар. Прочные связи обусловливают пребывание воды в жидком состоянии при обычных условиях, а также некоторые другие свойства этого вещества.
СЛАЙД 27 «Процессы перехода воды в различные агрегатные состояния»
При нагревании процесс перехода и жидкого состояния в газообразное при 100ºС (при нормальных условиях) называется кипением, а обратный ему процесс – конденсацией. При охлаждении процесс перехода их жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией при температуре 0ºС при нормальных условиях. Как же объяснить данные процессы перехода, например процесс кипения, зная особенности химических связей молекулы воды?
Подводимая теплота при кипении идет на увеличение внутренней энергии ( на увеличение потенциальной энергии молекул воды), при этом молекулы изменяют свое положение, что приводит к разрыву водородных связей между ними.
СЛАЙД 28 «Химические свойства воды»
Вода является и кислотой и основанием одновременно (катион Н+ анион ОН-), и в связи с этим имеет одинаковую концентрацию гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония). Этим объясняются необычные свойства воды. В связи с тем, что вода является наиболее важным растворителем на Земле, большая часть химии, при ее зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ.
Сама по себе вода относительно инертна в обычных условиях, но ее сильно полярные молекулы сольватируют ионы и молекулы, образуя гидраты и кристаллогидраты.
СЛАЙД 29
Важнейшим свойством воды является ее способность растворять многие вещества, как неорганические (минеральные кислоты, щелочи, соли), так и органические (органические кислоты, спирты, фенолы, альдегиды и многие другие).
Так что же такое раствор? Растворимое вещество в растворе распадается на ионы. Как ведут себя ионы в растворе, долгое время оставалось неясным. В конце 19 века И. А. Каблуков и, почти одновременно с ним, В. А. Кистяковский пришли к выводу, что ионы движутся не одни, а увлекают с собой некоторое количество воды, и чем меньше радиус иона, тем большее количество воды ион может удерживать вокруг себя. Такое явление стало называться гидратацией. Гидратированный ион окружен молекулами воды. Эта блестящая идея пролила свет на многие вопросы.
Оказалась, что вода сама вступает во взаимодействие с растворенным веществом. По растворимости в воде все вещества делятся на гидрофильные, хорошо растворимые в воде (соли, щелочи), и гидрофобные – трудно или вообще не растворимые в воде – это жиры, жироподобные вещества и каучуки.
СЛАЙД 30 «Вода является хорошим растворителем»
Все биохимические процессы у человека сводятся к химическим реакциям в водном растворе – обмену веществ в организме. Вещества транспортируются по организму в растворенном состоянии. Диполи воды могут взаимодействовать с другими полярными молекулами, «растаскивая » их. Следовательно, происходит процесс растворения веществ с ионной и ковалентной полярной связью. Определенное и постоянное содержание воды – одно из необходимых условий существования живого организма. Недостаток воды в организме тяжело переносится человеком. Избыток воды приводит к перегрузке сердечно-сосудистой системы, вызывает изнуряющее потоотделение, сопровождающееся потерей солей и водорастворимых витаминов, ослабляет организм.
Д. И. Менделеев определил, что водка должна быть 40%, а раствор углекислого газа – газировка—вредна для здоровья, так как имеет кислотную среду и усиливает кислотность желудочого сока.
СЛАЙД 31, 32 «Схема процесса растворения твердого тела в воде»
СЛАЙД 33 «Вода – условие жизни»
Вода создает внутреннюю среду организма; все реакции в организмах происходят в растворах; вода является участником химических реакций, катализатором.
СЛАЙД 34
Вода – вещество, обладающее очень интересными свойствами и имеющее достаточно сложную структуру. Некоторые свойства воды настолько необычны, что в литературе обычно говорится об аномалиях этого вещества, обусловленных его строением.
СЛАЙД 35 «Информационная память воды»
Это только кажется, что все снежинки (кристаллы воды) одинаковые – белые и пушистые. Что все они имеют идеально ровные грани и обязательно красивый рисунок. И что они – всего лишь доказательство зимы. Оказывается, снежинки могут нести с собой на землю добро и зло. Все это подтверждают полувековые исследования ученых из Санкт-Петербурга.
В последние годы мир облетели книги и фильмы японца Массару Эмото. Они доказывают, что вода способна различать добро и зло: на хорошее она реагирует красотой и гармонией снежинок, образовавших конструкции необычайной красоты. И напротив, снежинка, образовавшаяся из воды, налитой в посудину с
именем «Гитлер», была кривобокой и скомканной.
Массару Эмото убежден, что вода обладает сознанием, в силу чего пропускает через себя мысли Вселенной. Он многократно проводил опыты с водой, варьируя географические координаты и климатические параметры. Массару Эмото ставил в морозильную камеру чашки с водой, на которых писал полярно противоположные по смыслу слова, например «рай» и «ад». Вода, несомненно, понимает смысл этих слов. Иначе чем же объяснить, что в чашке со словом «ад» намораживается некрасивый лед, с хаотически направленными ледяными иголками? В то время как в чашке со словом «рай» в процессе заморозки формируется идеально ровный шар, а потом от него тянутся симметричные «елочки».
Считать такие эксперименты досужей забавой было бы легкомысленно. Внутри каждого из нас воды больше, чем чего бы то ни было . И она чутко реагирует на добрые и злые слова, на радостные и угнетающие мысли. Вот почему совсем небезразлично, что мы видим и слышим. Вода помнит все! Каждый организм имеет свою собственную частоту излучения. Каждый вирус, бактерия тоже имеют свою частоту. Все виды этих излучений «записываются» а молекулах воды. Само же это излучение обладает таким свойством, что при встрече двух излучений – излучения болезни и излучения воды с записью этой болезни – от одного и того же источника, они взаимно поглощаются. Отравленная вода «помнит» обо всех ядовитых процессах, тяжелых металлах, С которыми она имела контакт. При попадании в организм такая вода вызовет разные виды болезненных реакций. Стереть предыдущую информацию очень трудно.
СЛАЙД 36 «Вода добра и зла»
Вода, содержащаяся в крови и лимфе, коре головного мозга и мышечных тканях, точно так же, как снежинки скукоживается от злословия и гнева и распрямляется в красоте и гармонии от мелодичной музыки, теплых слов и добрых мыслей. Сам факт этих взаимосвязей уже не вызывает сомнений. Бытовая ругань, негативная информация из телевизора и радиоприемника губительны для воды, а значит, и для организма.
Эти факты подтверждают мысль – привычную, но отнюдь не очевидную: добро и красота способствуют здоровью и жизни, гнев и злословие сеют болезни и смерть. Разве наука не убеждает, а снежинки не демонстрируют, что от наших слов и поступков зависит качество нашей жизни?
СЛАЙД 37 «Уникальность воды»
Вода – поразительная жидкость – у нее есть аномалии. Для воды будто законы не писаны! Но, благодаря ее капризам, не могла бы родиться и развиваться жизнь.
Воде по ее химической структуре положено плавиться и кипеть при низких температурах, которых на Земле не бывает. Не было бы, значит, на Земле ни твердой, ни жидкой воды. А был бы один пар. А она кипит при 100º С.
У воды высокая теплоемкость. Она в 10 раз больше, чем у железа. Из-за исключительной способности воды поглощать тепло температура при ее нагревании и охлаждении изменяется незначительно, поэтому морским обитателям никогда не угрожает ни сильный перегрев, ни чрезмерное охлаждение.
У воды очень высокая удельная теплота парообразования. Если бы у воды не было этого свойства, многие озера и реки летом быстро бы пересохли до дна, и вся жизнь в них погибла.
Замерзая, вода расширяется на 9% по отношению к прежнему объему. Поэтому лед всегда легче незамерзшей воды и всплывает вверх. Под такой «шубой» даже зимой в Арктике морским животным не очень холодно.
Вода обладает информационной памятью.
СЛАЙД 38 «Выводы»
Вода – уникальное вещество , самое распространенное в природе.
Свойства воды зависят от характера химических связей внутри молекул и между молекулами.
Вода – необходимое условие для жизни.
Последний слайд
«Вода! Ты не просто необходима для жизни, ты и есть сама жизнь..»
Антуан де Сент-Экзюпери
