VIII окружное заочное соревнование
юных исследователей «Ступень в будущее. Юниор»
Россия
Ямало-Ненецкий автономный округ
город Новый Уренгой
Исследовательская работа
по теме: «Удивительные свойство воды»
Секция: естественные науки и современный мир.
Подсекция: химия.
Автор: Шуваев Кирилл Евгеньевич,
учащийся 7б класса,
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа №6
Научный руководитель:
Кутищева Светлана Ивановна,
учитель биологии и химии,
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа №6
г. Новый Уренгой.
2014-/2015 учебный год
«Удивительные свойства воды»
Шуваев Кирилл Евгеньевич
Аннотация
Ямало-Ненецкий автономный округ. Новый Уренгой
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа №6 7б класс
Целью моего исследования является изучение уникальности воды при проведении физико-химических опытов. Сегодня уделяется большое внимание свойствам воды, как физическим, так и химическим.
Исследование позволило мне сделать вывод, что свойства воды, присущие только ей и совсем неочевидные в природе.
Полученные результаты могут быть использованы на уроках химии и физики при изучении тем, связанных со свойствами вещества (кристаллические решетки, кристаллизация вещества, строение твердого и жидкого тела и др.); созданные презентация и практические опыты можно применять как практическое пособие в разных целях (проведение практических и лабораторных работ по химии и физике).
Актуальность заключается в практической значимости уникальности воды на современном этапе развития науки и техники. Проект реализуется в рамках химии и физики. Проект может быть квалифицирован как экспериментально-информационный.
Объект исследования: уникальные свойства воды.
Предмет исследования: свойства воды, присущие только ей и совсем неочевидные в природе.
Цель исследования: выяснить причины уникальности воды при проведении физико-химических опытов.
Гипотеза: физические свойства воды обусловлены особенностями ее строения.
Задачи:
Изучение литературы по теме исследования.
Поставить занимательные эксперименты.
Отработать поставленные опыты.
Разработать методику проведения опытов по теме «Вода обыкновенная и загадочная. Аномальные свойства воды»
Методы исследования:
1) Анализ литературы и других источников.
2) Экспериментальная работа.
3) Наблюдение.
Научная новизна:
1) экспериментальным путём получены различные свойства воды, являющиеся уникальными, как физико-химического вещества.
2) получены новые знания о физических и химических свойствах воды обусловлены особенностями ее строения.
3) экспериментально установлена, что физические свойства воды действительно обусловлены особенностями ее строения. На основе это, было доказано уникальность воды, как химического вещества.
Оглавление
ГЛАВА I. УДИВИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ВОДЫ…………………………....5
Вода в природе………………………………………………………………5
Физические свойства воды…………………………………………………6
Плотность воды. …………………………………………………................6
Теплоемкость……………………..................................................................6
Важнейшие свойства воды…………………………………………............7
ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ЭТАП…………………………...........9
2.1. Опыта № 1 «Научи яйцо плавать» ………………………………………...9
2.2. Опыта № 2 «Подводный вулкан» ……........................................................10
2.3. Опыт № 3 «Огнеупорный шарик» ……………………………...……........10
2.4. Опыт № 4 «Непроницаемая ткань» ……………………………………….10
2.5. Опыт № 5 «Океан в бутылке» ……………………………………………..11
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….12
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ………………………………………………………13
ПРИЛОЖЕНИЕ………………………………………………………………….14
Теоретическая часть.
Вода! Нельзя сказать, что ты необходима для жизни:
Ты – сама жизнь. Ты самое большое богатство…
Антуан де Сент-Экзюпери
1.1 Вода в природе. 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 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. (Приложение №1 рис. 1.1. -1.2., табл.1.1.)
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.
1.2 Физические свойства воды. Это простейшее химическое соединение двух атомов водорода и одного атома кислорода: H2O.
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.
Даже после самой тщательной очистки вода имеет небольшую электропроводность, что вызвано, главным образом, растворенным в воде оксидом углерода (IV).
1.3 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.
1.4 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. [2, с. 198]
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.
1.5 Важнейшие свойства воды. Вода по аномальным физико-химическим свойствам превосходит все вещества. Она обладает амфотерными свойствами, обусловленные способностью к ионизации и может выступать как в роли кислоты, так и в роли основания в химических реакциях обмена.
Важнейшим свойством воды является ее необычайно высокая чувствительность к различным физико-химическим и информационно-энергоинформационным воздействиям за счет наличия низкоэнергетических водородных связей, способных перестроиться под действием разнообразных внешних воздействий, не требующих больших затрат энергии. На протяжении многих веков эти эффекты использовали и продолжают в настоящее время применять в различных оккультных, парапсихологических и магических методах, таких как лечение различных заболеваний "заряженной" водой, избавление от алкогольной зависимости, наведение порчи, приворот и т.д. Представляет большой интерес изучение реальности подобного рода явлений, их механизма и связи со структурой и свойствами воды, а также влияния на воду и водные системы электромагнитных полей и других внешних факторов, не связанных непосредственно с изменением химического состава воды и водных растворов.
На метровых расстояниях у воды появляются свойства, которые нельзя объяснить иначе, как с привлечением квантовой механики. Такой вывод был сделан учеными по итогам серии экспериментов. Статья исследователей пока не опубликована в рецензируемом научном журнале, но ее препринт доступен на сайте arXiv.org. Коротко о работе пишет портал Physics World.
Экспериментальный этап.
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.
В этой главе на примере нескольких фокусов, которые являются ничем иным как нехитрыми, но очень занимательными опытами, продемонстрируем необычные свойства воды.
2.1. Мы знаем, что яйцо, как и другой тяжелый предмет, в банке с водой утонет. А если воду посолить?! Данное свойство мы продемонстрируем с помощью Опыта № 1 «Научи яйцо плавать»
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 оно 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 (приложение 2 рис.2.1-2.6.).
2.2. Для нас понятное явление, что дым из трубы поднимается вверх. А почему вода в озере у поверхности теплая, а в глубине холодная? Узнаем из Опыта № 2 «Подводный вулкан»
Оборудование: колба с холодной водой; цветные стеклянные пуговицы; держатель; спички; спиртовка.
Проведение опыта. Колбу с холодной водой закрепить в держателе, опустить в колбу небольшое количество цветных пуговиц. После этого зажечь спиртовку и медленно нагревать колбу. Через некоторое время можно увидеть, что пуговицы начинают хаотически двигаться в воде.
Объяснение: этот опыт демонстрирует такое свойство воды как конвекция или перемешивание (приложение №3 рис. 3.1-3.5).
Приведем еще один интересный Опыт № 3 «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.).
2.4. Вполне понятно, что не бывает непроницаемой ткани. Но проведя следующий Опыт № 4 «Непроницаемая ткань», можно узнать еще об одном свойстве воды.
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 №5 рис.5.1-5.6.).
2.5. «Океан в бутылке» - это следующий опыт №5, ну разве может быть такое? Но я могу опытным путем продемонстрировать.
Оборудование: пустая пластиковая бутылка, пищевой краситель, вода, поплавок, масло (любое).
Проведение опыта. Пластиковую двух литровую бутылку наполняем водой на половину, засыпаем пищевой краситель (вода окрашивается в синий цвет). Остальное место в бутылке заливаем маслом. Осторожно опускаем поплавок в полученный раствор.
Объяснение: Так как мы полностью заполнили бутылку жидкостью, там не осталось пузырьков воздуха. Масло и вода не смешиваются, т. к. у них разная плотность и масло гидрофобное вещество. Если встряхивать бутылку создаётся иллюзия бушующего океана. Поплавок усиливает эту иллюзию.
Заключение.
На основе исследований и проведенных опытов можно сделать следующие выводы:
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.
В данной работе были рассмотрены такие уникальные свойства воды, как плотность, атмосферное давление, теплопроводность, конвекция или перемешивание, поведение воды при растворении в ней веществ.
Физические свойства воды действительно обусловлены особенностями ее строения. На основе отработанных опытов, мы доказали уникальность воды, как химического вещества.
Все эти свойства воды обязательно встречаются в природе, но они совсем не так очевидно представляются глазам наблюдателя, как в наших опытах.
На основе изученного материала и поставленных, и отработанных опытов по свойствам воды, была разработана методика проведения опытов по теме «Вода обыкновенная и загадочная. Аномальные свойства воды».
Рекомендации: разработанную методику можно применять и использовать на уроках при объяснении учащимся 7-8 классов темы «Состав и физические свойства воды», а также на факультативных занятиях, внеклассных мероприятиях.
Данная научно-исследовательская работа учит учащихся самостоятельности, формирует у учащихся интерес к предмету, развивает исследовательские умения и навыки, умения пользоваться дополнительной литературой, думать, рассуждать, делать выводы.
Список источников
[1.] Энциклопедический словарь юного химика - М.: Педагогика, 1981
[2.] Врублевский А. И. Основы химии. Школьный курс. – 2-е изд. – Мн.: Юнипресс, 2010г. – 960 с.
[3.] Глинка Н. Л. Общая химия: учеб. пособие для вузов. – 23-е изд., испр. /Под ред. В. А. Рабиновича. – Л.: Химия, 1983г. – 704 с.
[4.] Вода для жизни. Сбережем воду – сохраним жизнь. / авт.-сост. А. Н. Пахоменко и др. – Могилев: Могилев. обл. укруп. тип, 2007г. – 64 с.
Интернет источники:
(http://www.alka-mine.at.ua/publ/4-1-0-74)
(Интернет ресурсы: http.bibliofond.ru)
( [link] [pic] [pic] [pic]
Рис.1.1 (Вода – весьма распространенное на Земле вещество)
[pic]
Рис.1.2. (Вода входит в состав всех живых организмов)
[pic]
Табл.1.1 (Вода входит в состав организма человека)
Приложение №2
Опыта № 1 «Научи яйцо плавать» (Рис. 2.1 – 2.6. этапы выполнения опыта)
[pic] [pic]
Рис. 2.1. Рис.2.2.
[pic] [pic]
Рис.2.3. Рис.2.4.
[pic] [pic]
Рис.2.5. Рис. 2.6.
[pic]
Рис. 2.7.
Приложение №3
Опыта № 2 «Подводный вулкан» (Рис. 3.1 – 3.5. этапы выполнения опыта)
[pic] [pic]
Рис.3.1 Рис.3.2
[pic] [pic]
Рис. 3.3. Рис.3.4.
[pic]
Рис. 3.5
Приложение № 4.
Опыт № 3 «Огнеупорный шарик». (Рис. 4.1 – 4.5. этапы выполнения опыта)
[pic] [pic]
Рис. 4.1. Рис. 4.2
[pic] [pic]
Рис. 4.3 Рис.4.4
[pic]
Рис.4.5.
Приложение №5
Опыт № 4 «Непроницаемая ткань» (Рис. 5.1 – 5.6. этапы выполнения опыта)
[pic] [pic]
Рис. 5.1. Рис.5.2.
[pic] [pic]
Рис.5.3. Рис.5.4. [pic] [pic]
Рис. 5.5. Рис. 5.6
