Муниципальное Образовательное
Учреждение
«Лицей № 40»
Курсовая
работа по теме
«Свойства воды»
Работу выполнила: ученица 11 «В» класса
Иванова К.В.
Научный руководитель: Осауленко А.Б.
Петрозаводск 2013
Оглавление
Введение
Большая часть нашей планеты
покрыта водой. Океаны и моря составляют
три четверти земной поверхности, на которой
так же имеется бесчисленное количество
рек и озёр. Снег и лёд на вершинах гор
– это замёрзшая вода. Значительная часть
заменой воды находится в атмосфере. Каждое
облако содержит тысячи, а иногда миллионы
тонн воды в форме испарений. Время от
времени эти испарения превращаются в
воду и выпадают на землю в виде дождя.
Даже воздух, которым мы дышим, содержит
некоторое количество влаги.
Человеческое тело приблизительно
на 70% состоит из воды. Клетки нашего тела
содержат большое количество различных
веществ, но ни одно из них так не важно,
как вода. Вода – это большая часть циркулирующей
в нашем теле крови. И так не только у людей:
большая часть тела всех живых существ
- это вода. Кажется, что без воды жизнь
невозможна. Вода представляет собой субстанцию,
каждое физическое и химическое свойство
которой создано для жизни. В книге «Уникальность
биологических материалов» биохимик А.Е.Нидхем
отмечает необходимость воды для зарождения
жизни. Если бы существовали только твёрдые
вещества или газы, жизнь бы никогда не
возникла. Причина в том, что атомы твёрдых
веществ расположены слишком близко друг
к другу. Они статичны и не позволяют развиваться
необходимым для жизни динамическим процессам.
В газах, с другой стороны, атомы движутся
свободно и хаотично: в такой среде функционирование
сложных механизмов жизненных форм также
невозможно. Короче говоря, существование
жидкой среды абсолютно необходимо, и
самая идеальная жидкость для этой цели
– вода.
Учёные давно обратили внимание
на то, что вода обладает свойствами, соответствующими
требованиям жизни. Первая попытка детально
исследовать этот предмет была предпринята
натуралистом Вильямом Вивелом в книге
«Астрономия и общая физика в отношении
к теологии природы», опубликованной в
1832 году. Исследуя тепловые свойства воды,
Вивел обнаружил, что некоторые из них
нарушают общепринятые законы природы.
Он пришёл к заключению, что в этих несоответствиях
присутствует божественный замысел, и
они являются доказательством того, что
вода была сотворена для жизни. Наиболее
основательный анализ пригодности воды
для поддержания жизни на Земле был сделан
профессором Гарвардского университета
Лоуренсом Хендерсоном спустя столетие
после публикации работы Вивела в книге
«Гармония окружающей среды».
Дальнейшие исследования показали,
что за незатейливой формулой Н2О скрывается
вещество, обладающее уникальной структурой
и не менее уникальными свойствами. Исследователи,
пытавшиеся на протяжении двух столетий
раскрыть секреты воды, часто заходили
в тупик. Да и сейчас учёные понимают, что
вода остаётся трудным объектом для исследований,
её свойства до сих пор не всегда до конца
прогнозируемы.
Исторические
сведения о воде
Идея древних философов о том,
что все в природе образуют четыре элемента
(стихии): земля, воздух, огонь и вода, просуществовала
вплоть до Средних веков. В 1781 Г.Кавендиш
сообщил о получении им воды при сжигании
водорода, но не оценил в полной мере важности
своего открытия. Позже (1783) А.Лавуазье
доказал, что вода вовсе не элемент, а соединение
водорода и кислорода. Й.Берцелиус и П.Дюлонг
(1819), а также Ж.Дюма и Ж.Стас (1842) установили
весовой состав воды, пропуская водород
через оксид меди, взятый в строго определенном
количестве, и взвешивая образовавшиеся
медь и воду.
Исходя из этих данных, они определили
отношение Н:О(водорода к кислороду) для
воды. Кроме того, в 1820-х годах Ж.Гей-Люссак
измерил объемы газообразных водорода
и кислорода, которые при взаимодействии
давали воду: они соотносились между собой
как 2:1, что, как мы теперь знаем, отвечает
формуле Н2О. Казалось бы, о воде человечество
знает все. Тем не менее вопрос о происхождении
воды на Земле до сих пор остается открытым.
Одни ученые считают, что вода образовалась
в результате синтеза водорода и кислорода,
выделяющихся из недр Земли, другие, например
академик О. Ю. Шмидт, считают, что вода
на Землю привнесена из космоса при образовании
планеты. Вместе с космической пылью и
минеральными частица на нарождающуюся
Землю падали кусочки и глыбы космического
льда. При разогревании планеты лед превратился
в водяной пар и воду.
Основные сведения
о воде
Жидкость без запаха, вкуса,
цвета.
Без воды невозможно существование
живых организмов.
Около 65 % человеческого тела
составляет вода.
Три основных состояния — жидкое, газообразное, твердое
Рисунок 1 – Отображение агрегатных
состояний воды
Круговорот
воды в природе
Круговорот воды в природе (гидрологический
цикл) — процесс циклического перемещения воды в земной биосфере. Состоит из испарения, конденсации и осадков.
Моря теряют из-за испарения
больше воды, чем получают с осадками,
на суше — положение обратное.
Вода непрерывно циркулирует на земном
шаре, при этом её общее количество остаётся
неизменным.
Три
четверти поверхности земного шара покрыты водой.
Водную оболочку Земли называют гидросферой. Большую её часть
составляет соленая вода морей и океанов,
а меньшую — пресная вода озер, рек, ледников, грунтовые воды и водяной пар.
На земле
вода существует в трех агрегатных состояниях:
жидком, твердом и газообразном. Без воды
невозможно существование живых организмов.
В любом организме вода является средой,
в которой происходят химические реакции, без которых
не могут жить живые организмы. Вода является
самым ценным и самым необходимым веществом
для жизнедеятельности живых организмов.
Постоянный
обмен влагой между гидросферой, атмосферой
и земной поверхностью, состоящий из процессов
испарения, передвижения водяного пара
в атмосфере, его конденсации в атмосфере,
выпадения осадков и стока, получил название
круговорота воды в природе. Атмосферные
осадки частично испаряются, частично
образуют временные и постоянные водоемы,
частично — просачиваются в землю и образуют
подземные воды.
Виды образования от разных изменений
Различают несколько видов круговоротов
воды в природе:
Большой, или мировой, круговорот — водяной пар, образовавшийся
над поверхностью океанов, переносится
ветрами на материки, выпадает там в виде
атмосферных осадков и возвращается в
океан в виде стока. В этом процессе изменяется
качество воды: при испарении соленая
морская вода превращается в пресную,
а загрязненная — очищается.
Малый, или океанический, круговорот — водяной пар, образовавшийся
над поверхностью океана, сконденсируется
и выпадает в виде осадков снова в океан.
Внутриконтинентальный круговорот — вода, которая испарилась
над поверхностью суши, опять выпадает
на сушу в виде атмосферных осадков.
В конце
концов, осадки в процессе движения опять
достигают Мирового океана.
Скорость обновления воды
Среда |
Среднее время обновления |
Океаны |
3 200 лет |
Ледники |
от 5 до 10 лет |
Сезонный снежный покров |
от 2 до 6 месяцев |
Почвенная корка |
от 1 до 2 месяцев |
Грунтовые воды: паводок |
от 100 до 200 лет |
Грунтовые воды: углубленные |
10 000 лет |
Озера |
от 15 до 17 лет |
Реки |
от 17 до 19 дней |
Атмосфера |
10 дней |
Скорость
переноса различных видов воды изменяется
в широких пределах, так и периоды расходов,
и периоды обновления воды также разные.
Они изменяются от нескольких часов до
нескольких десятков тысячелетий. Атмосферная
влага, которая образуется при испарении
воды из океанов, морей и суши и существует
в виде облаков, обновляется в среднем
через восемь дней.
Воды,
входящих в состав живых организмов, восстанавливаются
в течение нескольких часов. Это наиболее
активная форма водообмена. Период обновления
запасов воды в горных ледниках составляет
около 1 600 лет, в ледниках полярных стран
значительно больше — около 9 700 лет.
Полное
обновление вод Мирового океана происходит
примерно в 2 700 лет.
За 10
миллионов лет фотосинтез перерабатывает
массу воды равную всей гидросфере.
Рисунок 2 – Круговорот воды
в природе
Типы воды
Мягкая и жёсткая вода — по содержанию катионов кальция
и магния
Лёгкая вода (по составу почти соответствует обычной)
Тяжёлая вода (дейтериевая)
Сверхтяжёлая вода (тритиевая)
Питьевая вода, Водопроводная вода
Дистиллированная вода и деионизированная вода
Ливневая вода или поверхностные воды
Свойства воды
Высокое поверхностное натяжение
Вода
как диполь
Вода в нормальных атмосферных
условиях сохраняет жидкое агрегатное
состояние, тогда как аналогичные водородные
соединения являются газами. Это объясняется
особыми характеристиками. Атомы водорода
присоединены к атому кислорода, образуя
угол 104,45°, и эта конфигурация строго сохраняется.
Из-за большой разности электроотрицательностей
атомов водорода и кислорода электронные
облака сильно смещены в сторону кислорода.
По этой причине молекула воды является
активным диполем, где кислородная сторона
отрицательна, а водородная положительна.
В результате молекулы воды притягиваются
своими противоположными полюсами, и образуют
полярные связи, на разрыв которых требуется
много энергии. В составе каждой молекулы ион водорода
(протон) не имеет внутренних электронных
слоев и обладает малыми размерами, в результате
чего он может проникать в электронную
оболочку отрицательно поляризованного
атома кислорода соседней молекулы, образуя
водородную связь с другой молекулой.
Каждая молекула связана с четырьмя другими
посредством водородных связей — две из
них образует атом кислорода и две атомы
водорода.
Комбинация этих связей между
молекулами воды — полярной и водородной
и определяет очень высокую температуру
её кипения и удельную теплоты парообразования.
В результате этих связей в водной среде
возникает давление в 15-20 тыс. атмосфер,
которое и объясняет причину трудносжимаемости
воды, так при увеличении атмосферного
давления на 1 Бар, вода сжимается на 0,00005
доли её начального объёма.
Поверхностное
натяжение воды
Вода обладает также высоким
поверхностным натяжением среди жидкостей,
уступая в этом только ртути. Проще всего
уловить характер сил поверхностного натяжения,
наблюдая образование капли у неплотно
закрытого крана. Всмотритесь внимательно,
как постепенно растет капля, образуется
сужение- шейка и капля отрывается. Поверхностный
слой воды ведет себя, как растянутая эластичная пленка.
Осторожно положите швейную иглу на поверхность
воды. Поверхностная пленка прогнется
и не даст игле утонуть. По этой же причине
легкие насекомые – водомерки могут быстро
скользить по поверхности воды. Прогиб
пленки не позволяет выливаться воде,
осторожно налитой в достаточно частое
решето.
Ткань – это то же решето, образованное
переплетением нитей. Поверхностное натяжение
сильно затрудняет просачивание воды
сквозь нее, и поэтому ткань не промокает
мгновенно. Благодаря силам поверхностного
натяжения происходит образование пены.
При соприкосновении жидкости с твердым
телом наблюдается явление смачивания
или несмачивания. Если силы взаимодействия
между молекулами жидкости и твердого
тела больше, чем между молекулами жидкости,
то жидкость растекается по поверхности
твердого тела, т.е. смачивает и наоборот,
если силы взаимодействия между молекулами
жидкости больше, чем между молекулами
жидкости и твердого тела, то жидкость
собирается в каплю и не смачивает поверхность
жидкости.