Исследовательская работа Уникальные свойства воды Автор К. А. Пыркова., учащаяся 10 класса Н. И. Боярченкова
 Скачать 0.73 Mb.
|
|
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа № 15» Сергиево-Посадский муниципальный район МО, Московская область Исследовательская работа Уникальные свойства воды Автор: К.А. Пыркова., учащаяся 10 класса Руководитель: Н.И. Боярченкова., учитель физики поселок городского типа Скоропусковский 2018 г Конкурс проектных и исследовательских работ «Ярмарка идей-2018» Предметный цикл: естественно-научный. Код предмета: Е-4 Исследовательская работа «Уникальные свойства воды» Обоснование выбора темы: 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. Актуальность нашей работы в том, чтобы увидеть интересное и необычное в предмете, которое нас окружает на протяжении всей жизни – это вода. Гипотеза исследования: мы предполагаем, что воду можно использовать не только в пищу, но и как интересный материал для опытов и наблюдений Цель работы:поиск ответа на вопрос, чем объясняется уникальность и необычность свойств воды? Задачи работы: 1) Изучить некоторые химические и физические свойства воды 2) Доказать наличие свойств воды на примере опытов 3) Проанализировать результаты, сделать выводы 4) Показать значимость воды в природе и в жизни человека. Объект исследования: особые уникальные свойства воды Предмет исследования: вода Гипотеза исследования: мы предполагаем, что воду можно использовать не только в пищу, но и как интересный материал для опытов и наблюдений. Практическая значимость: изученные свойства воды помогут обогатить наше представление о воде, а полученные знания пригодятся в повседневной жизни. Методы исследования: - Анализ различных источников информации о свойствах воды - Наблюдение - Опыт План выполнения исследования: Постановка проблемы, составление плана исследования. Изучение литературы, интернет ресурсов по данной проблеме. Проведение некоторых наблюдений и опытов по теме исследования. Подготовка доклада и презентации данной работы в виде постеров. Период работы над темой: январь – март 2018 г. План исследования: Введение Строение молекулы воды Уникальные свойства воды и их значение Значение воды в жизни планеты Влияние воды на здоровье человека Интересные факты о воде Экспериментальные доказательства особых свойств воды Заключение Литература и иные источники информации Введение «Вода! У тебя нет ни вкуса, ни запаха, тебя не опишешь, тобой наслаждаешься, не понимая, что ты такое. Ты просто необходима для жизни, ты есть сама жизнь. Ты величайшее в мире богатство, но и самое непрочное. Ты не терпишь примесей, не выносишь ничего чужеродного. Ты божество, которое так легко спугнуть» Французский писатель Антуан де Сент- Экзюпери. Мы часто не замечаем окружающие нас предметы из-за обыденности, а зачастую именно они скрывают много интересного и загадочного. В природе есть такие явления, которые восхищают людей, заставляют удивляться – одно из них вода. Учёные обнаружили у неё свойства, которые у неё не могут быть, но которыми она обладает! Вода – сверхзначимое вещество для нашей планеты. Без неё на земле невозможна жизнь, без неё не проходит ни один геологический процесс. Вода присутствует не только в организме живых существ, но и во всех веществах на Земле – в минералах, горных породах. Изучение уникальных свойств воды постоянно открывает людям всё новые тайны и загадки. Жизнь – одно из самых сложных явлений природы. Основной компонент живого – вода. Также вода – одна из важных составляющих нашего организма. Каково же влияние воды на здоровье и организм человека в целом? Какими уникальными свойствами она обладает, и почему мы решили провести исследования именно над ее необычными свойствами? Вода на Земле может существовать в трёх основных состояниях - жидком, газообразном и твёрдом. Это единственное вещество на планете, которое может одновременно находится во всех трех агрегатных состояниях. Вода находится в постоянном движении и меняет своё состояние в бесконечном круговороте воды в природе. Вода непрерывно циркулирует на земном шаре, и её общее количество остаётся неизменным. Вода является наиболее распространённым растворителем на Земле, способная растворять в себе много веществ, она приобретает различный вкус. В воде могут растворяться твердые, жидкие и газообразные вещества. Вода замерзает при 0°C и закипает при 100°C , у неё высокая теплоёмкость и поверхностное натяжение. К основным физическим свойствам воды относят: цвет, запах, вкус, прозрачность, температуру, плотность, сжимаемость, вязкость, радиоактивность и электропроводность. С одними свойствами я познакомилась на уроках окружающего мира, с другими самостоятельно под руководством своей учительницы. На основе изученных свойств воды я провела ряд опытов, которыми хочу с вами поделиться. 2. Строение молекулы воды. Молекула воды – самая маленькая из всех трехатомных молекул: она состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Связь О-Н в молекуле воды является очень прочной, ее очень сложно разрушить. Поэтому, вплоть до 18 века, вода считалась простым веществом. С электрической точки зрения это диполь. Отрицательный полюс диполя находится на атоме кислорода, а положительный полюс смещен в сторону двух атомов водорода. Эти заряды разворачивают молекулы строго определенным образом, чтобы между двумя атомами кислорода находился только один атом водорода.  Соединение двух атомов кислорода соседних молекул воды при помощи одного атома водорода является водородной связью.   3. Уникальные свойства воды. Физические свойства воды аномальны, что объясняется приведёнными выше данными о взаимодействии между молекулами воды. Только вода в нормальных земных условиях находится в трех агрегатных состояниях (жидкое, твердое и газообразное) Вода — весьма распространенное на Земле вещество. Почти 3/4 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. Природная вода не бывает совершенно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха. Теплоёмкость при плавлении возрастает почти вдвое и в интервале от 0 С 0 до 100 С0 почти не зависит от температуры. Плотность жидкой воды при температуре, близкой к нулю, больше, чем у льда. Лёд плавает по воде, оттого водоемы и не промерзают насквозь, а лишь покрываются ледяным покровом. Вода имеет незакономерно высокие температуры плавления и кипения в сравнении с другими водородными соединениями элементов главной подгруппы VI группы таблицы Менделеева. 4. Значение воды в жизни планеты Вода формирует климат планеты. Геофизики утверждают, что Земля давно бы остыла и превратилась в безжизненный кусок камня, если бы не уникальнейшие свойства воды. Нагреваясь, она поглощает тепло, остывая, отдаёт его. Земная вода и поглощает, и возвращает очень много тепла, и тем самым “выравнивает” климат. Особенно заметно на формирование климата материков влияют морские течения, образующие в каждом океане замкнутые кольца циркуляции. Наиболее яркий пример – влияние Гольфстрима, мощной системы тёплых течений, идущих от полуострова Флорида в Северной Америке до Шпицбергена и Новой Земли. Благодаря Гольфстриму средняя температура января на побережье Северной Норвегии, за Полярным кругом около 0 С0. В Якутии на той же широте, но вдали от Гольфстрима до минус 400 С0. А от космического холода предохраняют Землю те молекулы воды, которые рассеяны в атмосфере – в облаках и в виде паров. Водяной пар создаёт мощный “парниковый эффект”, который задерживает до 60% теплового излучения нашей планеты, не даёт ей охлаждаться. При уменьшении содержания водяного пара в атмосфере вдвое средняя температура поверхности Земли понизилась бы более чем на 50 С. На смягчение земного климата, в частности на выравнивание температуры воздуха в переходные сезоны – весну и осень, заметное влияние оказывают огромные величины скрытой теплоты плавления и испарения воды. 5. Влияние воды на здоровье человека Все живое, в том числе и человек, состоит из воды, поэтому ее качество очень сильно влияет на состояние всего живого и, в особенности, на здоровье человека. Конечно, на здоровье человека влияют все компоненты экологической обстановки: загрязнение воздуха, почвы и воды, но качество последней имеет самое важное значение. Существует высказывание, что большинство болезней человек выпивает с водой. Учитывая, что у большого количества населения нарушен обмен веществ, процессы накопления вредных соединений стали ускоряться, и нередко в 30 лет молодые люди имеют множественные заболевания и другие виды болезней, связанных с качеством воды. Особое место занимают инфекционные заболевания, которыми мы можем заразиться через воду. Данные официальной статистики и результаты специальных эпидемиологических исследований свидетельствуют об ухудшении за последние 5 - 7 лет показателей здоровья населения России. По данным Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) - 85% всех заболеваний в мире передается водой. Болезни, передаваемые через загрязненную воду, вызывают ухудшение состояния здоровья, инвалидность и гибель огромного числа людей, особенно детей. Ежегодно 25 миллионов человек умирает от этих заболеваний. Во всяком организме вода представляет собой среду, в которой протекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма; кроме того, она сама принимает участие в целом ряде биохимических реакций. Но не только поэтому мы считаем воду жизненно важным веществом. Дело в том, что тело человека почти на 63 – 68 % состоит из воды. Почти все биохимические реакции в каждой живой клетке – это реакции в водных растворах. С водой удаляются из нашего тела ядовитые шлаки; вода, выделяемая потовыми железами и испаряющаяся с поверхности кожи, регулирует температуру нашего тела. Представители животного и растительного мира содержат такое же обилие воды в своих организмах. Меньше всего воды, лишь 5-7% веса, содержат некоторые мхи и лишайники. Большинство обитателей земного шара и растения состоят более чем на половину из воды. Например, млекопитающие содержат 60-68 %; рыбы – 70 %; водоросли – 90-98 % воды. Польза дистиллированной воды для организма. Вода дистиллированная — универсальный растворитель. Нейтральна, не вызывает раздражения, практически не всасывается через кожу. Однако растворяет не все лекарственные вещества, некоторые из них в ней разлагаются. Польза дистиллированной воды для организма человека заключается в том, что она чиста, в ней нет вредных компонентов. Правда, и полезных компонентов в дистиллированной воде совсем немного. Дистиллированная вода широко используется при очищении голодом. Однако пить её постоянно не рекомендуется, поскольку отсутствие в ней микроэлементов и солей неблагоприятно действует на жизнедеятельность организма. Поэтому, когда вы услышите о чудесах исцеления от применения дистиллированной воды, — не спешите следовать советам. Исследования в Японии и США показали прямую зависимость сердечно-сосудистых заболеваний от содержания кальция в воде: чем мягче вода, тем меньше в ней кальция, и тем больше вероятность заболевания сердечно-сосудистой системы. Свойства и польза от питья талой воды. Рентгеновский анализ структуры воды показал, что жидкая вода ближе по своей структуре к твердым телам, а не к газам, поскольку в размещении молекул воды явно прослеживалась некоторая регулярность, характерная для твердых тел. При этом ученые выяснили, что у воды, полученной, к примеру, в результате таяния льда, и у воды, полученной путем конденсации пара, структура порядка молекул будет различная, а значит будут различными некоторые ее свойства. Опыт показывает, что на живые организмы благотворное влияние оказывает именно талая вода. В лечебном отношении талая вода является сильным биостимулятором. Если замачивать семена растений в талой воде, а затем постоянно поливать ею ростки до созревания семян, то урожай будет вдвое больше, чем при использовании обычной воды. По предварительным данным, свойства этого вида воды способствуют уменьшению сердечных болей и даже рассасыванию тромбов коронарных сосудов сердца. Она прекращает сильные геморроидальные кровотечения и боли, улучшает кровообращение нижних конечностей и облегчает течение болезни при варикозном расширении вен. У людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями значительно снижается количество холестерина в крови и улучшается обмен веществ. Талая вода может служить весьма эффективным средством против патологической тучности. Неоспорима ее роль в лечении кожи: омолаживает, усиливает рост волос, заживляет ожоги, раны, порезы. Талая вода имеет еще одно прекрасное качество — она обладает значительной внутренней энергией. Очевидно, это связано с тем, что колебания равновеликих молекул в ней совершаются на одной и той же волне, а не идут на самопогашение, как при ситуации разновеликих молекул. И когда вы пьете талую воду, одновременно получаете ощутимую энергетическую поддержку. Регулярно, если есть такая возможность, пользуйтесь талой водой — она гораздо богаче жизненной энергией, чем водопроводная. Это и понятно, если учесть, что она по своей кристаллической структуре аналогична структуре воды в живой клетке здорового организма. Попробуйте в течение нескольких дней умываться талой водой или протирать лицо кусочками чистого льда (богатого живой энергией), и вы скоро почувствуете, что морщинки на лице разгладились, кожа приобрела более молодой и упругий вид. Такая вода не подлежит длительному хранению, ее следует использовать в течение 1-2 дней. Чем ещё полезна талая вода, так это тем, что регулярное её употребление благоприятно действует на кровь и лимфу, очищая их. Такое же действие она оказывает и на другие органы и ткани, улучшая работу сердечно-сосудистой системы, активизируя обменные процессы. 6. Интересные факты о воде Вода используется и для измерения количества тепла. Одна калория – это количество тепла, нужное для нагревания 1 грамма воды с 14, 5 до 15,5оС. Все высоты и глубины на земном шаре отсчитываются от уровня моря. Врачи-гомеопаты утверждают, что разбавленный раствор лекарственного препарата может оказывать лечебный эффект на организм, даже если коэффициент разбавления настолько велик, что в растворе уже не осталось ничего, кроме молекул воды. Объясняют этот парадокс «памятью воды». Чистая вода не замерзает. Окружающая среда не содержит центров или ядер кристаллизации, которые могли бы спровоцировать образование кристаллов льда, и поэтому чистая вода остается в жидкой форме, даже будучи охлажденной до температуры ниже нуля градусов по Цельсию. Вода до сих пор хранит неразгаданную тайну: она более чем на 70% составляет наш взрослый организм, а в трехдневном человеческом зародыше ее содержится столько же, сколько в медузе, — 97%, в трехмесячном — 91%, в восьмимесячном — 81%. Вода существовала задолго до появления человека: миллиарды лет назад в холодном газопылевом облаке, со временем сгустившимся, уплотнившимся и ставшим Землей, уже содержалась вода. Дистиллированная вода не проводит электрический ток. Вода — универсальный растворитель, поэтому в природе не существует абсолютно чистой воды, без примесей. Морская вода содержит 75 химических элементов. В теплых течениях вода более соленая, чем в холодных. Вода – это важный источник энергоресурсов. Как известно, все гидроэлектрические станции мира, от маленьких до самых крупных, превращают механическую энергию водного потока в электрическую исключительно с помощью водяных турбин с соединёнными с ними электрогенераторами. 7. Экспериментальные доказательства особых свойств воды. Вода имеет форму шара. В учебнике С.В. Громова «Физика 7 класс» написано, что вода не имеет собственной формы. Но работая с информацией, выходящей за рамки школьной программы, можно наткнуться на статьи, утверждающие, что «Естественная форма воды – шар». Мы провели некоторые опыты. Всем известно, что в момент свободного падения или прыжка тело кратковременно находится в состоянии невесомости. В первом опыте мы взяли пипетку, набрали в неё немного воды. Вода падает из пипетки.Образуется капля. Она имеет форму шара. Утверждение, что вода имеет форму сосуда, а собственной формы не имеет неверно. Вода обладает собственной формой. Её форма – шар, но на Земле она искажена земным притяжением, и жидкость либо растекается тонким слоем, если разлита без сосуда, либо, же принимает форму сосуда, если налита в него. Форму шара имеет не только вода, но и любая другая жидкость. Можно видеть крупные капли дождя. Они тоже выглядят как шарики, но немного вытянуты под действием притяжения Земли.  Вода способна различать «добро и зло»: на хорошее она реагирует красотой рисунка, а на плохое, наоборот, реагирует уродством рисунка. Мы рассматривали примеры действия музыки и слов на воду. С самого начала вода была налита в три кружки. Над одной кружкой звучала классическая музыка, затем вода была заморожена в холодильнике. Над второй кружкой с водой читались красивые, добрые слова, и ее также заморозили тоже в холодильнике. Над третьей кружкой с водой звучали грубые и злые слова, затем вода, как и в остальных случаях, замораживается в холодильнике. После замерзания воды в холодильнике мы наблюдали интересные изображения. I – в кружке с водой, где звучала классическая музыка, центре образовался круг, напоминающий цветок, вокруг узоры (рис.1). II – в кружке с водой, где звучали добрые и ласковые слова, образовался красивый узор (рис.2). III – в кружке, над которой произносили злые и грубые слова, вода образовала ломаные линии с непонятным рисунком, лёд заморозился некрасиво (рис.3).    рис.1 рис.2 рис.3 Исходя из этого эксперимента, можно понять реакцию человека на добрые и злые слова. Ведь внутри нас очень много воды и она чутко реагирует на добрые и злые слова. Вот почему совсем небезразлично то, что мы видим и слышим. Ведь вода в человеческом организме точно так же скукоживается от злословия и расправляется в красоте от мелодичной музыки и добрых слов. Значит, и здоровье человеку несут добро и красота, а гнев и злословие несут болезнь и смерть. Наукой доказано, что качество нашей жизни зависит от наших слов и поступков.   (данные рисунки взяты из Интернета) Парадокс Мпемба. Следующий факт, который нас заинтересовал, это то, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. Данный парадокс является экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры. В 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба установил, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная. Будучи учеником Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое - вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным учеником и промедлил с выполнением первой части задания. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии. После этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой. Он обратился за разъяснениями к учителю физики, но тот лишь посмеялся над учеником, сказав следующее: «Это не всемирная физика, а физика Мпембы». Этот же вопрос Мпемба задал приехавшему в школу профессору физики Деннису Осборну. Проведенная экспериментальная проверка подтвердила наличие эффекта, но не дала его объяснения. В 1969 году в журнале «Physics Education» вышла совместная статья Мпембы и Осборна. С тех пор обнаруженный ими эффект называется эффектом Мпембы. Этот факт вызвал у нас некоторые сомнения, и мы провели аналогичное исследование. Взяли два стакана. В один налили горячей воды, а в другой - холодной воды. Поставили в морозильную камеру. Нам удалось пронаблюдать некие особенности замерзания горячей и холодной воды: холодная вода в процессе кристаллизации покрывается сверху плёнкой, а горячая начинает замерзать снизу и по стенкам стакана. Когда через 30 минут мы достали оба стакана из морозильной камеры, то оказалось, что стакан с горячей водой полностью промерз, а стакан с холодной водой нет. В стакане с холодной водой обнаружилось, что имеется небольшой участок смеси льда и воды. То есть жидкость не промерзла до конца. Как ни парадоксально, но Эрасто Мпемба оказался прав. Учёные достаточно давно знают о том, что при определённых обстоятельствах горячая вода замерзает быстрее холодной, но до сих пор никто не мог объяснить, почему.  Существует несколько объяснения этого парадокса: Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объем, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. В герметичных контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее. Наличие снеговой подкладки в морозильной камере холодильника. Контейнер с горячей водой протаивает под собой снег, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозильника. Контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег. Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу. При дополнительном механическом перемешивании воды в контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее. Наличие центров кристаллизации в охлаждаемой воде — растворенных в ней веществ. При малом количестве таких центров превращение воды в лед затруднено и возможно даже ее переохлаждение, когда она остается в жидком состоянии, имея минусовую температуру. При одинаковом составе и концентрации растворов холодная вода должна замерзать быстрее. Утверждать пока можно только одно - воспроизводство этого эффекта существенно зависит от условий, в которых проводится эксперимент. Именно потому, что воспроизводится он далеко не всегда. Мы проверили этот эффект во время февральских морозов: на морозе выплеснули кипяток и он моментально испарился, не переходя в фазу жидкого состояния.  Появление сосулек. В какую погоду образовалась сосулька: в оттепель или в мороз? Если в оттепель, то как могла замерзнуть вода при температуре выше нуля? Если в мороз, то откуда могла взяться на крыше вода? Оказывается, чтобы могли образоваться сосульки, нужно в одно и тоже время иметь две температуры: для таяния – выше нуля и для замерзания – ниже нуля. На самом деле так и есть: снег на склоне крыши тает, потому что солнечные лучи нагревают его до температуры вышенуля, а стекающие капли воды у края крыши замерзают, потому что здесь температура ниже нуля. Оттаявшая вода стекает и каплями свисает с края крыши. Но под крышей температура ниже нуля, и капля, охлаждаемая к тому же испарением, замерзает. На замерзшую каплю натекает следующая, так же замерзающая; затем третья капля, и т.д.; постепенно образуется маленький ледяной бугорок. В другой раз при такой же погоде эти ледяные наплывы еще удлиняются, и в результате образуются сосульки. Заключение Итак, проверив опытным путём некоторые особенности и свойства воды, мы пришли к выводу, что в настоящее время вода является мало изученным веществом. До сих пор ученые не могут объяснить некоторые аномальные свойства воды. Литература и иные источники информации: Гриссбах Р. М. «Теория и практика ионного обмена», М.: Изд. ИЛ. 1963., с. 303 – 310. Глинка Н. Л., Общая химия. Ленинград, 1984г. Дерпгольц В. Ф. Вода во вселенной. - Л.: "Недра", 1971. Петрянов И. В.. Самое необыкновенное вещество в мире. М., “Педагогика“, 1975 год. Интернет источники: Опыты с водой - Физика - Каталог статей ... eksperimentiki.ru/publ/fizika/water/1 Поверхностное натяжение воды - YouTube https://www.youtube.com/watch?v=q_or9iv2UwM Познавательные опыты для детей. - Адалин adalin.mospsy.ru/l_01_00/l_01_10g.shtm Капиллярный эффект// Академик http://dic.academic.ru Капля для маркированного списка http://www.apld.pro/images/maingallery/kaplya.png http://shalash.dp.ua/index.php/interesnosti/1059-udivitelnye-svojstva-obychnoj-vody
|