Загадки воды

 

Реферат

«Загадки воды»

 

 

 

 

Ученицы 9 «А»  класса

средней общеобразовательной  школы №7

Ждановой Ксении Александровны

Учитель: Стёпочкина Наталия Васильевна

 

                                  2008 год

 

Актуальность:

 

Вода остается одной из самых загадочных жидких субстанций, однако в курсе физики и химии общеобразовательной школы свойствам воды уделяется не много внимания, именно поэтому  был создан данный проект.

 

Цели  и задачи:

 

• Расширить свои знания об основных понятиях  и свойствах воды.
• Познакомиться с аномалиями воды.
• Выяснить роль воды в нашей жизни.
• Обобщить все знания о воде.

 

План:

1. Введение
2. Основные понятия о воде.
3. Физические свойства воды
4. Аномалии воды.  

• аномалия плотности

• аномалия сжимаемости   
• аномалия теплоёмкости
• переохлажденная вода
• водородные связи
• память воды                                                                      

5. Вода в нашей жизни.

6. Заключение.
7. Список литературы.

 

 

 

 

 

 

 

Введение

          Вода – вещество привычное  и необычное. Известный советский  ученый академик И.В.Петрянов свою научно – популярную книгу о воде назвал “Самое необыкновенное вещество в мире”. А доктор биологических наук  Б.Ф.Сергеев начал свою книгу  “Занимательная физиология” с главы о воде – “Вещество, которое создало нашу планету”.

          Вода. Мы никогда не задумываемся над смыслом и сутью этого слова. Но вода - это сама жизнь, без неё всё погибает. Наша голубая планета Земля на 70 % состоит из воды: океаны и моря, реки и озера, родники и ручьи, болота, ледники, айсберги, 
вечные снега на горных вершинах и вечная мерзлота. Воды много, но для питья пригоден лишь 1% из всего этого многообразия ( имеется в виду вода в своем естественном, природном состоянии). 
 Человеческий организм на 70-80% состоит из воды, благодаря которой происходят все жизненно важные процессы в организме: она питает, обогащает кислородом, охлаждает тело, помогает освобождаться от токсинов, восстанавливает клетки. 
 Человек очень остро ощущает нарушение водного баланса. 
 Потеря влаги на 6-7% от веса тела вызывает обмороки. При потере 10-12% влаги сердце перестает биться. Механизм старения организма связан напрямую с потерей воды.  К 50 годам человек «усыхает» и воды остаётся менее 60% от массы тела. 
 Вода выполняет в живой клетке множество функций, главная — структурно -энергетическая! 
 Вода способна сохранять «память» о структуре растворенных веществ. Можно сказать, перенимает её свойства. 
 От воды зависят многочисленные химические реакции, и она служит определяющим компонентом во многих биохимических реакциях. 
Будучи главной жидкостью, в организме вода служит растворителем для минеральных веществ, витаминов, аминокислот, глюкозы и многих других питательных веществ. 
 Вода играет ключевую роль в пищеварении, всасывании, переносе и утилизации питательных веществ. Вода является средой для безопасного выведения токсинов и продуктов жизнедеятельности, она решающим образом влияет на процесс терморегуляции в организме, от процесса образования энергии до смазки суставов и процесса репродукции. Нет ни одной системы в организме, которая не зависела бы от воды. Вода необходима для мышечных сокращений.

                Вода, несмотря на все её аномальные свойства, является эталоном для измерения температуры, массы ( веса), количества тепла, высоты местности.

                Шведский физик Андерс Цельсий, член Стокгольмской академии наук, создал в 1742 году стоградусную шкалу термометра, которой в настоящее время пользуются почти повсеместно. Точка кипения воды обозначена 100 , а точка таяния льда 0 .

                При разработке метрической системы, установленной по декрету французского революционного правительства в 1793 году взамен различных старинных мер, вода была использована для создания основной меры массы   (веса) – килограмма и грамма:  1 грамм, как известно, это вес 1 кубического сантиметра (милилитра) чистой воды при температуре её наибольшей плотности – 40  С. Следовательно, 1 килограмм – это вес 1 литра (1000 кубических сантиметров) или  1 кубического дециметра воды: а 1 тонна  (1000 килограммов) – это вес 1 кубического метра воды.

                Вода используется и для измерения количества тепла. Одна калория – это количество тепла, нужное     для нагревания 1 грамма воды с 14, 5  до 15,50 С.

                Все высоты и глубины на  земном шаре                           отсчитываются от уровня моря.

Ученые правы: нет на Земле 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, сколько в её свойствах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные  понятия о воде.

Вода (H₂0) - окись водорода, простейшее устойчивое в обычных условиях химическое соединение водорода с кислородом (11,19% водорода и 88,81% кислорода по массе). Вода – бесцветная жидкость, не имеющая ни вкуса, ни запаха, молекулярная масса 18,0160. Воде принадлежит важнейшая роль в геологической истории Земли и возникновении жизни, в формировании физической и химической среды, климата и погоды на нашей планете. 71 % поверхности Земли покрыто водой (это океаны, моря, озера, реки и т. п.). Также вода в газообразном состоянии находится в атмосфере планеты в виде облаков, туманов и т. п. При конденсации выводится из атмосферы в виде атмосферных осадков (дождь, снег, град, роса и т. д.). В совокупности жидкая водная оболочка Земли называется гидросферой, а твёрдая криосферой.

 Без воды невозможно существование живых организмов. Вода — обязательный компонент практически всех технологических процессов — как сельскохозяйственного, так и промышленного производства.

Благодаря широкой  распространённости воды и её роли в жизни людей, она издавна считалась первоисточником жизни. Представление философов античности о воде как о начале всех вещей нашло отражение в учении Аристотеля (4 в. до н. э.) о четырёх стихиях (огне, воздухе, земле и воде), причём вода считалась носителем холода и влажности. Вплоть до конца 18 в. в науке существовало представление о воде как об индивидуальном химическом элементе. В 1781—1782 английский учёный Г. Кавендиш впервые синтезировал воду, взрывая электрической искрой смесь водорода и кислорода, а в 1783 французский учёный А. Лавуазье, повторив эти опыты, впервые сделал правильный вывод, что вода есть соединение водорода и кислорода. В 1785 Лавуазье совместно с французским учёным Ж. Менье определил количественный состав воды. В 1800 английские учёные У. Николсон и А. Карлейль разложили воду на элементы электрическим током. Таким образом, анализ и синтез воды показали сложность её состава и позволили установить для неё формулу H₂O. Изучение физических свойств воды началось ещё до установления её состава в тесной связи с другими научно-техническими проблемами. В 1612 итальянский учёный Г. Галилей обратил внимание на меньшую плотность льда сравнительно с жидкой водой как на причину плавучести льда. В 1665 голландский учёный Х. Гюйгенс предложил принять температуру кипения и температуру плавления воды за опорные точки шкалы термометра. В 1772 французский физик Делюк нашёл, что максимум плотности воды лежит при 4°С; при установлении в конце 18 в. метрической системы мер и весов это наблюдение было использовано для определения единицы массы — килограмма. В связи с изобретением паровой машины французские учёные Д. Араго и П. Дюлонг (1830) изучили зависимость давления насыщенного пара воды от температуры. В 1891—1897 Д. И. Менделеев дал формулы зависимости плотности воды от температуры. В 1910 американский учёный П. Бриджмен и немецкий учёный Г. Тамман обнаружили у льда при высоком давлении несколько полиморфных модификаций. В 1932 американские учёные Э. Уошберн и Г. Юри открыли тяжёлую воду. Развитие физических методов исследования позволило существенно продвинуться в изучении структуры молекул воды, а также строения кристаллов льда. В последние десятилетия особое внимание учёных привлекает структура жидкой воды и водных растворов.

Каждый  знает, что человек на 80% состоит из воды, а вот где именно в нас хранится вода – не знаем. Поэтому на таблице снизу указано содержание воды в органах и тканях млекопитающих.

 

Органы  и ткани	Содержание  воды, %
скелет	20 - 40
мышцы	75
печень	75
Мозг человека
серое вещество	84
белое вещество	72

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Физические  свойства воды

 

Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти всех других веществ, а возрастает. При нагревании воды от 0 до 40 ?С плотность ее также  увеличивается. Вода обладает аномально высокой теплоемкостью [4200/(кг * град)]. Температура кипения 100 градусов. Замерзает пр 0 градусов. 

Молекула воды имеет угловое строение; входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в вершине - ядро атома кислорода. Длина каждой связи. О - Н близка к 1 А, расстояние между ядрами атомов водорода равно около 1,5 А. Из восьми электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода в молекуле воды две электронные пары образуют ковалентные связи О - Н, а остальные четыре электрона представляют собой две неподеленных электронных пары.                                 

 

Свойство	Значение
Плотность, г/см3
лёд . . . . . . . . . . . . . . . . . .	0,9168 (0°С)
жидкость . . . . . . . . . . . .	0,99987 (0°С) 1,0000 (3,98°С) 0,99823 (20°С)
пар насыщенный . . . . . .	0,5977 кг/м3 (100°С)
Темп-ра плавления . . . . .	0°С
Темп-ра кипения . . . . . . .	100°С
Критич. темп-ра . . . . . . . .	374,15°С
Критич. давление . . . . . . .	218,53 кгс/см2
Критич. плотность . . . . . .	0,325 г/см3
Теплота плавления . . . . . .	79,7 кал/г
Теплота испарения . . . . . .	539 кал/г (100°С)
Уд. теплопровод-  ность, кал/(смЇсекЇград)
лёд . . . . . . . . . . . . . . . . . .	5,6Ї10-3 (0°С)
жидкость . . . . . . . . . . . .	1,43Ї10-3 (0°С) 1,54Ї10-3 (45°С)
пар насыщенный . . . . . .	5,51Ї10-5 (100°С)
Уд. электропровод-  ность, ом–1Їсм-1
лёд . . . . . . . . . . . . . . . . . .	0,4Ї10-8 (0°С)
жидкость . . . . . . . . . . . .	1,47Ї10-8 (0°С) 4,41Ї10-8 (18°С) 18,9Ї10-8 (50°С)
Уд. теплоёмкость кал/(гЇград)
жидкость . . . . . . . . . . . .	1,00 (15°С)
пар насыщенный . . . . . .	0,487 (100°С)
Диэлектрическая про-  ницаемость
лёд . . . . . . . . . . . . . . . . . .	74,6 (°С)
жидкость . . . . . . . . . . . .	81,0 (20°С)
пар насыщенный	1,007 (145°С)
Вязкость, спз
жидкость . . . . . . . . . . . .	1,7921 (0°С) 0,284 (100°С)
Поверхностное натя-  жение жидкой во- ды на границе с  воздухом, дин/см	74,64 (0°С) 62,61 (80°С)
Показатель  прелом- ления (D - линия  натрия) . . . . . . . . . . . . . .	1,33299 (20°С)
Скорость звука  в во-  де . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	1,496 м/сек (25°С)

 

 

Аномалии  воды.

Ученые насчитали 40 аномалий, характерных для воды. Они пытаются дать этому объяснение: какие-то кажутся исчерпывающими, некоторые спорными, другие совершенно неудовлетворительными. Вот примеры наиболее известных аномалий воды:

• Первая и, наверное, самая популярная аномалия – аномалия плотности. Во-первых плотность воды наибольшая при +3,98°С, дальнейшее охлаждение,  приводящее к переходу ее в лед,  сопровождается уменьшением плотности (однако, в обычных жидкостях плотность всегда уменьшается с температурой, так как чем больше температура, тем больше тепловая скорость молекул, тем сильнее они расталкивают друг друга, приводя к большей рыхлости вещества). Конечно и в воде повышение температуры увеличивает тепловую скорость молекул, но это приводит к понижению плотности только при высоких температурах. После того как плотность льда уменьшилась, можно наблюдать, что лед плавает на поверхности воды (хотя плотности других жидких веществ меньше, чем плотность кристалла). Это объясняется тем, что в кристаллах молекулы расположены регулярно, обладают пространственной периодичностью - это свойство кристаллов всех веществ. Но у обычных веществ молекулы в кристаллах, кроме того, плотно упакованы. После плавления кристалла регулярность в расположении молекул исчезает, и это возможно только при более рыхлой упаковке молекул, то есть плавление обычно сопровождается уменьшением плотности вещества. Такого рода уменьшение плотности очень мало: например, при плавлении металлов она уменьшается на 2 - 4%. А плотность воды превышает плотность льда сразу на 10%. То есть скачок плотности при плавлении льда аномален не только по знаку, но и по величине.
• Вот еще пример аномалии воды: необычное температурное поведение ее сжимаемости, то есть степени уменьшения объема при увеличении давления (обычно сжимаемость жидкости растет с температурой: при очень высоких температурах жидкости более рыхлы (имеют меньшую плотность) и их легче сжать). Вода принимает такое нормальное поведение только при высоких температурах. Минимальная сжимаемость воды - при t = 45°.
• Наверное, самая сильная аномалия воды - температурное поведение ее теплоемкости. Величина теплоемкости показывает, сколько нужно затратить тепла, чтобы поднять температуру вещества на один градус. Для подавляющего числа веществ теплоемкость жидкости после плавления кристалла увеличивается незначительно - никак не более 10%. Другое дело - вода. При плавлении льда теплоемкость скачет в два раза! Такого огромного скачка теплоемкости при плавлении не наблюдается ни у одного другого вещества: здесь вода абсолютный рекордсмен. Во льду энергия, подводимая для нагревания, тратится в основном на увеличение тепловой скорости молекул. Скачок теплоемкости после плавления означает, что в воде открываются какие-то новые процессы (и очень энергоемкие), на которые тратится подводимое тепло и которые обусловливают появление избыточной теплоемкости. Такая избыточная теплоемкость и, следовательно, упомянутые энергоемкие процессы существуют во всем диапазоне температур, при которых вода находится в жидком состоянии. Она исчезает только в паре, то есть эта аномалия является свойством именно жидкого состояния воды.
• В последнее время много внимания уделяется изучению свойств переохлажденной воды, то есть остающейся в жидком состоянии ниже точки замерзания 0°С. (Переохладить воду можно либо в тонких капиллярах, либо - еще лучше - в виде эмульсии: маленьких капелек в неполярной среде - "масле"). Появляется вопрос -  что же происходит с аномалией плотности при переохлаждении воды? С одной стороны, плотность воды сильно уменьшается по мере переохлаждения (то есть первая аномалия усиливается), но, с другой стороны, она приближается к плотности льда при понижении температуры (то есть вторая аномалия ослабевает).