Оразалин Ернар Асылбекович, ученик 4 «б» класса, Средняя школа имени Канаша Камзина, Павлодарская область, город Аксу, село Жолкудук, Казахстан.

 

 

Научный руководитель: Болюгенова Зухра Ермрзаевна, учитель начальных классов и самопознания, Средняя школа имени Канаша Камзина, Павлодарская область, город Аксу, село Жолкудук, Казахстан.

 

Научный проект "Удивительная вода"

Научный проект "Удивительная вода" - Оразалин Ернар

Презентация   к научному проекту "Удивительная вода"  - Оразалин Ернар

ВВЕДЕНИЕ

«Вода! У тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать, тобою наслаждаются, не ведая, что ты такое. Нельзя сказать, что ты необходима для жизни: ты сама жизнь».

Антуан де Сент-Экзюпери

Привычное не удивляет и то, что мы постоянно используем, лишено налета таинственности и воспринимается обыденно. Но все же есть на планете явления, которые не перестают вызывать восторг и изумление. Они не подчиняются известным законам.

К примеру, вода. Ученые обнаружили у неё свойства, которые они не могут объяснить. То есть их не должно быть. Но они есть. Чудо! Или загадка… Наперекор законам.

Цель работы: выявить удивительные свойства воды.

Для её достижения необходимо решить следующие задачи:

• изучить информацию по данному вопросу;
• провести опыты;
•  проанализировать полученные результаты;
•  сделать выводы.

Предмет исследования: свойства воды.

Объект исследования: вода и её различные состояния.

Методы исследования:

• изучение и анализ литературы и Интернет–статей по данной теме;
• наблюдение;
• эксперимент.

ГЛАВА 1.  ВОДА.   ЧТО МЫ О НЕЙ ЗНАЕМ?

1.1 Что такое вода?

Такой вопрос может показаться не только странным, но и немного невежливым. Кто же этого может не знать? Всякий знает, что вода — это соединение водорода и кислорода. Вот ее всем известная формула: Н₂О. С водой очень хорошо знаком каждый, кто привык умываться по утрам, пьет чай, умеет плавать, любит бегать под дождем, не боясь промокнуть, кататься на коньках и ходить на лыжах.¹

Пожалуй, на Земле нет более распространенного и в то же время более загадочного вещества, чем вода. Действительно, достаточно вспомнить, что все живое вышло из воды и состоит из нее более чем на 50%. 71% поверхности Земли покрыт водой и льдом, а значительная часть северных территорий суши представляет собой вечную мерзлоту. Чтобы наглядно представить себе суммарное количество льда на нашей планете, заметим, что в случае их таяния вода в Мировом океане поднимется более чем на 50 м, что приведет к затоплению гигантских территорий суши на всем земном шаре. Во Вселенной, в том числе и в Солнечной системе, обнаружены огромные массы льда. Нет ни одного мало-мальски существенного производства, бытовой деятельности человека, в которой не использовалась бы вода.

1.2 Все ли уже известно о воде?

Основы современного понимания физикохимии воды заложили около 200 лет назад Генри Кавендиш и Антуан Лавуазье, обнаружившие, что вода – это не простой химический элемент, как считали средневековые алхимики, а соединение кислорода и водорода в определенном отношении. Собственно и 

название свое водород (hydrogene) – рождающий воду – получил только после этого открытия, и вода приобрела современное химическое обозначение, известное теперь каждому школьнику, – H₂O.

В 30-х годах нашего века, химики были уверены, что состав воды им хорошо известен. Но однажды одному из них пришлось измерить плотность остатка воды после электролиза. Он был удивлен: плотность оказалась на несколько стотысячных долей выше нормальной.²

В науке нет ничего незначительного. Эта ничтожная разница потребовала объяснения. В результате ученые открыли много новых больших тайн природы. Они узнали, что вода очень сложна. Были найдены новые изотопные формы воды. Каждое новое, более точное измерение, каждый новый верный расчет, каждое новое наблюдение не только повышает уверенность в знании и надежности уже добытого и известного, но и раздвигает границы неведомого и еще не познанного и прокладывает к ним новые пути.³

Вместе с тем после многочисленных успехов физики и физикохимии воды последних лет вряд ли можно утверждать, что свойства этого простого вещества понятны и прогнозируемы до конца.

Несмотря на многовековую историю изучения, простейший химический состав и исключительную важность для жизни на Земле, природа воды и льда таит в себе много загадок.

1.3 Физические свойства воды

Вид молекулы воды

 

 

 

 

 

 

Существуют три агрегатных состояния воды:

1. Твёрдое - лёд.
2. Жидкое - вода.
3. Газообразное - водяной пар.

При атмосферном давлении вода замерзает при температуре 0°C и кипит при температуре 100°C.

Так же возможны метастабильные состояния - пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивым состоянием происходит переход. Например, нетрудно получить переохлаждённую жидкость, охладив чистую воду в чистом сосуде ниже 0°C, однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода быстро превращается в лёд.

Вода – удивительное вещество. В отличие от других аналогичных соединений она имеет много аномалий. К ним относятся необычно высокая температура кипения и теплота парообразования. Вода характеризуется высокой теплоемкостью, которая позволяет использовать ее в качестве теплоносителя. Необычно высокое поверхностное натяжение воды обусловило ее хорошую способность смачивать поверхности твердых тел и проявлять капиллярные свойства, что дает ей способность подниматься вверх по порам и трещинам пород и материалов вопреки земному притяжению.

Весьма редкое свойство воды проявляется при ее превращении из жидкого состояния в твердое. Этот переход связан с увеличением объема, а следовательно, с уменьшением плотности.

Ученые доказали, что строение воды в твердом состоянии имеет  полости и пустоты. При плавлении они заполняются молекулами воды, поэтому плотность жидкой воды оказывается выше плотности твердой. Поскольку лед легче воды, то он плавает на ней, а не опускается на дно.

Способность воды расширяться при замерзании приносит много хлопот в быту и технике. Практически каждый человек был свидетелем того, что замерзшая вода разрывает стеклянную емкость, будь то бутылка или графин.

Ещё одно интересное свойство воды: увеличение давления приводит к плавлению льда. Это можно наблюдать на практике, например скольжение коньков на льду. Площадь лезвия конька невелика, поэтому давление на единицу площади большое и лед под коньком подплавляется.

Интересно, что если над водой создать высокое давление и затем ее охладить до замерзания, то образующийся лед в условиях повышенного давления плавится не при 0°C, а при более высокой температуре.

Так, лед, полученный при замерзании воды, который находится под давлением 20000 атм, в обычных условиях плавится только при 80°C.

Еще одна аномалия жидкой воды связана с неравномерным изменением ее плотности при изменении температуры. Уже давно установлено, что наибольшей плотностью вода обладает при температуре +4°C. При охлаждении воды в водоеме более тяжелые поверхностные слои тонут, в результате чего происходит хорошее перемешивание теплой и более легкой глубинной воды с поверхностной.⁴

ГЛАВА 2. УДИВИТЕЛЬНАЯ ВОДА

2.1 Интересные факты о воде

Немного интересной и полезной информации о воде.

1. При утрате 2% воды от массы тела у человека появляется жажда, при потере 6-8 %- полуобморочное состояние, при потере 10% - начинаются галлюцинации и появляются проблемы с глотанием. При нехватке 12% - человек погибает.
2. В составе мантии Земли воды содержится в 10-12 раз больше, чем в Мировом океане.
3. Только 3% воды на Земле - пресная, причем большая ее часть содержится в ледниках. И лишь 1,1% воды на Земле пригоден для питья.
4. Вода отражает 5% солнечных лучей, в то время как снег – около 85%. Под лед океана проникает только 2% солнечного света.
5. Лед неодинаково холоден.
6. Горячая вода замерзает быстрее холодной. Ученые так до конца и не понимают природу этого явления.
7. Сверхохлаждение воды. Этим свойством обладает очень чистая вода. При охлаждении ниже точки замерзания такая вода остается жидкой. Её кристаллизация может быть спровоцирована пузырьками газа, примесями, неровной поверхностью емкости. Когда процесс кристаллизации запускается, можно наблюдать, как сверхохлажденная вода моментально превращается в лед.
8. «Стеклянная» вода. При температуре -38 °C даже самая чистая сверхохлажденная вода внезапно превратится в лед. При -120 °C вода  становится сверхвязкой или тягучей, как патока, а при температуре ниже -135 °C она превращается в «стеклянную» или «стекловидную» воду – твердое вещество, в котором отсутствует кристаллическая структура.
9. Всемирный Водный День празднуется каждый год 22 марта.
10. Химическое соединение H₂O в чистом виде в природе не существует. Вода - универсальный растворитель, она растворяет в себе всё, что встречает на пути.
11. Человек за свою жизнь выпивает в среднем 35 тонн воды.
12. Вода — единственная субстанция, которая встречается в природе в трех формах: твердой (лед), жидкой и в виде газа.
13. В природе существует около 1330 видов воды. Они различаются по происхождению и по количеству растворенных в ней веществ.
14. До 80% заболеваний обусловлено употреблением загрязненной воды.

2.2 Опыты, демонстрирующие удивительные свойства воды

Для того что бы наглядно увидеть свойства воды можно провести следующие опыты.

Опыты на поверхностное натяжение воды.

Опыт № 1. «Вода течёт вверх».

Для опыта нам понадобятся: бумажная салфетка, маркеры на водной основе, стакан с водой.  

Проведение опыта: отрезаем от бумажной салфетки полоску 3см.*20см. На одном краю полоски ставим точки маркерами. Полоску опускаем в высокую прозрачную ёмкость с водой (уровень воды 2см).

 

Что происходит: бумажная полоска, опущенная в воду, постепенно начинает намокать и вместе с водой по ней вверх поднимаются цветные полосы, получившиеся от маркерных точек.

Объяснение: мы отлично знаем, что вода стекает вниз, но благодаря высокому поверхностному натяжению вода проявляет капиллярные свойства, что дает ей способность подниматься вверх вопреки земному притяжению.

Опыт № 2 «Скрепка на поверхности воды».

Для этого опыта мне понадобились стакан с водой и скрепка.

Проведение опыта: В стакан с водой очень медленно и осторожно опускаем скрепку.

Что происходит: скрепка плавает на поверхности воды.

Объяснение: Скрепка может плавать по поверхности воды благодаря особому свойству воды – поверхностному натяжению, которого достаточно для того, чтобы выдержать вес скрепки.

Опыт № 3 «Трусливый перец».

Для опыта необходимы: миска с водой, перец и жидкое мыло.

Проведение опыта: в миску с водой насыпаем перец, он тонким слоем расходится по поверхности жидкости. Для проверки точности опыта сначала опускаем в воду чистый палец. Затем палец с каплей жидкого мыла.

Что происходит: В первом случае вода и перец обволакивают палец и при его поднятии из миски, перец остается на всей поверхности воды и немного на пальце. Во втором случае, как только палец с каплей мыла касается воды, перец «убегает» к краям миски.

Объяснение: Мыло уменьшает поверхностное натяжение воды и перец уплывает в сторону большего натяжения.

Опыт № 4 «Вода не выливается из перевернутого сосуда».

Для опыта понадобятся: Емкость с водой, пустая бутылочка, бинт и резинка.

Проведение опыта: на горлышко пустой бутылочки накладываем квадратик бинта и закрепляем его с помощью резинки. В бутылочку заливаем воду. Вода легко проходит сквозь бинт и наполняет бутылочку. Теперь зажимаем горлышко бутылки ладонью и переворачиваем её.

Что происходит: немного воды выливается из бутылочки, но когда она принимает ровное вертикальное положение, вода перестает вытекать и удерживается в бутылке, даже не смотря на то, что в бинте достаточно большие отверстия.

Объяснение: Вода заполняет всё пространство между волокнами бинта и из-за силы поверхностного натяжения не может вытечь из перевёрнутой бутылки. Если механически нарушить поверхность, то вода так же начнет течь.

Опыты на таяние льда.

Опыт № 5 «Таяние от давления».

Для опыта необходимы: кусок льда, леска, груз (гантели в нашем случае).

Проведение опыта: Привязываем гантели к концам лески, на возвышение укладываем кусок льда, а сверху на середину льда положили леску так, что бы груза создавали давление.

 

Что происходит: натянутая леска вмерзает в лёд, но линии разреза увидеть нельзя: над режущей лёд леской, он остаётся совершенно целым.

 

 

 

Объяснение: лед тает в том месте, где на его поверхность оказывается сильное давление. Леска с висящими на ней гантелями давит на ледяную подставку, и поэтому лед под ней тает.

 

 

В образовавшемся тонком слое воды леска погружается глубже, а над ней вода снова замерзает, потому что на нее уже ничто не давит. Когда леска вмёрзла в  ледяной кусок, шов было почти невозможно разглядеть.

Опыт № 6 «Таяние от соли».

Для опыта нам понадобятся: кусочки льда, соль, нитка.

Проведение опыта: положим два кусочка льда на стол. На каждую ледышку положим нитку. Теперь на один кусочек льда положим немного соли. И подождем.

Что происходит: через некоторое время потянем за нитку.

Нитка вмёрзла в лёд, посыпанный солью, и теперь можно с её помощью подтянуть этот кусочек льда к себе или даже поднять. К простому льду нитка не примерзла, и если мы её потянем, то кусочек льда останется на месте.

Объяснение:  температура льда может быть от 0 градусов (по Цельсию) и ниже, при 0 градусов лед начинает таять. Когда мы добавляем соль, то снижаем температуру замерзания, и лед начинает таять.

Нитка в этот момент погружается в образовавшуюся воду. Но чем больше образуется воды, тем ниже концентрация соли и тем выше температура замерзания. Постепенно нитка вмораживается в кусочек льда.

Опыт на теплопроводность воды.

Опыт № 7 «Свеча и шарик».

Для опыта понадобится: два воздушных шарика, свеча, спички и вода.

Проведение опыта: берём два шарика. Первый просто надуваем, а второй надуваем после добавления в него небольшого количества воды (100 мл.). Проводим каждый из шариков над горящей свечой.

 

Что происходит: шарик, надутый без воды внутри, лопается при соприкосновении с пламенем. Шарик, надутый с водой, закоптился, но так и не лопнул.

Объяснение: если в шарик налить немного воды и поместить над открытым огнем, то вода будет забирать тепло и шарик останется целым. В то время как воздух внутри просто надутого шарика не забирает тепло и резина от перегрева лопается.

 

 

 

Опыт со сверхохлажденной водой.

Опыт № 8 «Мгновенная заморозка».

Для опыта понадобятся: морозилка, чистая вода в бутылке.

Проведение опыта: пластиковую бутылку с чистой водой мы помещаем на 2 часа в морозилку. По истечении времени аккуратно достаем бутылку и резко ударяем о стол.

Что происходит: после встряхивания в результате удара, вода в бутылке мгновенно превращается в лёд.

 

 

 

 

Объяснение: Так как в опыте участвует чистая вода, то при охлаждении ниже точки замерзания она остается жидкой. Её кристаллизацию (замерзание) мы запускаем резким ударом бутылки о поверхность. В результате этого в ней появляются пузырьки газа. Процесс кристаллизации запускается, и вода моментально превращается в лед.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Академик И.В. Петрянов по поводу загадочных свойств воды утверждает следующее: "Почти все физико-химические свойства воды – исключение в природе. Она действительно самое удивительное вещество на свете. Ученые уже немало узнали о воде, разгадали многие ее тайны. Но чем больше они изучают воду, тем больше убеждаются в неисчерпаемости ее свойств, некоторые из которых настолько любопытны, что порой все еще не поддаются объяснению".

В своей работе я попытался познакомить вас с этими свойствами и провести опыты, подтверждающие их. На основании проведенных опытов мне открылись новые, ранее не изученные мною свойства воды. Я узнал много нового и интересного. Во-первых, вода может течь не только вниз. Она самопроизвольно может подниматься вверх. Во-вторых, благодаря силе поверхностного натяжения вода может не выливаться из перевёрнутого стакана и удерживать на плаву скрепку. Так же я узнал, что лед превращается в воду не только под действием тепла, но и под воздействием соли или давления, а вода может превратиться в лед за секунды. Ещё вода обладает отличными теплопроводными свойствами. Поэтому воду можно даже вскипятить в пластиковой бутылке или в бумажной коробке из-под сока или молока.

Оказалось, что проведение опытов – это не только способ изучения, но и способ очень весело проводить время. Такие опыты-фокусы очень понравятся детям и помогут им познакомиться с удивительными свойствами самой простой воды.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ:

1. Головин Ю.И. Вода и лед – знаем ли мы о них достаточно? Соросовский образовательный журнал, том 6, № 9, 2000 г.
2. Кукушкин Ю.Н. Химия вокруг нас. - М.: Высшая школа, 1992 г.
3. Петрянов-Соколов И.В. Самое необыкновенное вещество в мире. Москва: Издательство «Педагогика», 1975.
4. http://www.portal-slovo.ru
5. http://www.vodainfo.com