Дослідницька робота "Дивовижні властивості води"

Учнівська дослідницька робота (проєкт) на тему Дивовижні властивості води" з 5 класу інтегрованого курсу "Пізнаємо природу" (природознавство) присвячена вивченню значення води в природі та її застосування в господарській діяльності людини. Учениця у своїй роботі (проєкті) проводить експерименти для ознайомлення з фізичними та хімічними властивостями води.

Докладніше про роботу:

Індивідуальна науково-дослідницька робота на тему "Дивовижні властивості води" покаже, як цікаво і з користю у 5 класі застосувати отримані знання на заняттях з предмету "Пізнаємо природу" (природознавства). Працюючи над проєктом учениця вивчає три стани води, поняття "надохолодженої" води та ефекту Мпемба, теплоємності та теплопровідності води.

Дослідницька робота в рамках проєкту про дивовижні властивості води буде цікава при вивченні курсу "Пізнаємо природу" у 5 класі, "Я досліджую світ" у 4 класі, біології у 6 класі та фізики у 7 класі школи. Робота складається з дослідів, що демонструють властивості головної речовини, яка міститься в живих організмах.

Таким чином, учениця 5 класу пов'язує отримані результати з природними явищами. В дослідницькій роботі (проєкті) проводяться цікаві досліди з властивостей води на поверхневий натяг води, універсальний розчинник та інші.

Зміст

Вступ
Глава 1. Вода в житті людини і її господарській діяльності.
Глава 2. Дивовижна вода.
2.1 Вода - еталон для вимірювання температури, маси, кількості тепла і висоти.
2.2 Три стани води.
2.3 "Надохолоджена" вода.
2.4 "Ефект Мпемба".
2.5 Зміна властивостей льоду при впливі тиском.
2.6 Теплоємність води.
2.7 Теплопровідність води.
2.8 Поверхневий натяг води.
2.9 Вода - універсальний розчинник.
Глава 3. Опис проведених дослідів, що демонструють дивовижні властивості води.
Висновок
Список літератури

Цього року я перейшла в п'ятий клас, і ми почали вивчати новий, дуже цікавий предмет - природознавство. На уроці я дізналася, що з ілюмінаторів космічних кораблів поверхня землі здається блакитною. Це відбувається тому, що 71% поверхні планети покритий водою і льодом.

У разі танення льодовиків вода в Світовому океані підніметься більш, ніж на 50 метрів, що призведе до затоплення гігантських територій суші на всій земній кулі. Мені здається, правильніше було б називати нашу планету не Земля, а Вода або Океан.

Мало хто з нас замислювався над тим, що являє собою вода. Вона супроводжує нас всюди і, здається, немає нічого більш звичайного і простого. Однак це далеко не так. Майже всі властивості води - виняток в природі. Вона дійсно найдивовижніша речовина на світі.

Вчені вже чимало дізналися про воду, розгадали багато її таємниць. Але чим більше вони вивчають воду, тим більше переконуються в невичерпності її властивостей, деякі з яких все ще не піддаються поясненню.

І ось які мету і завдання я поставила перед собою:

Мета роботи: дослідити дивовижні властивості води.

Завдання:

• вивчити інформацію по даній темі;
• дізнатися про значення води в природі та її застосування в господарській діяльності людини;
• познайомитися з фізичними та хімічними властивостями води;
• провести досліди, що демонструють дивовижні властивості води і спробувати пов'язати їх з природними явищами.

Об'єкт дослідження: вода.
Предмет дослідження: властивості води.

Гіпотези: хоча вода є еталоном декількох величин, це дуже аномальна речовина в природі і наше повсякденне уявлення про неї не завжди відповідає дійсності.

Якби властивості води не були настільки незвичайними, то життя на Землі була б неможливим, або придбало б зовсім інші форми.

Водне середовище життя - гідросфера, ймовірно, найдавніша. Вона утворилася 4,3-3,8 млрд. років тому з атмосфери, яка містила велику кількість водяної пари, що виділявся в процесі вулканічних вивержень.

Водяна пара конденсувалася і випадала на поверхню планети у вигляді дощу. Поступово утворилися озера, а вони перетворилися в океани. У них мчали потоки води з продуктами вивітрювання, частинками порід і розчиненими речовинами – солями. Так почалося засолення морської води, яке ми можемо спостерігати і зараз.

Саме в гідросфері 3,5 млрд. років тому з'явилися перші живі організми – архебактерії. У воді вони знаходили джерела живлення і захист від згубного ультрафіолетового випромінювання. Зараз в гідросфері мешкають понад 150 тисяч видів тварин і 10 тисяч видів рослин.

Вода - найважливіша складова середовища нашого проживання. Після повітря, вода другий за значенням компонент, необхідний для людського життя. Наскільки важлива вода, свідчить той факт, що її вміст в різних органах становить 70-90%.

З віком кількість води в організмі змінюється. Тримісячний плід містить 90% води, новонароджений - 80%, доросла людина - 70%. Вода дійсно є джерелом життя на Землі.

Вода - універсальний розчинник і середовище, в якому протікають біохімічні реакції. Зниження вмісту води в організмі викликає порушення функцій клітин, тканин, органів. При втраті 6-8% води людина впадає напівнепритомний стан. Якщо втрати становлять більше 12%, настає смерть. Надмірний вміст води призводить до посиленої роботи серця, нирок, потових залоз.

Вода присутня у всіх тканинах нашого організму, наприклад: мозок містить – 75%; серце - 75%; легені - 85%; печінка -86%; нирки - 83%; м'язи - 75%; кров - 83%. У складі кісток людини на частку води припадає 50% (органічних речовин – 28%, неорганічних речовин – 22%).

Ми часто замислюємося, чому у літніх людей частіше ламаються кістки? У дитячому віці вміст води і органічних речовин в кістках переважає. З віком збільшується частка мінеральних речовин, від чого кістки стають крихкими і частіше ламаються.

Вода бере участь в процесі дихання, так як дихати сухим повітрям людина може відносно недовго. Вода виводить з організму людини шлаки, відходи і токсини. Доставляє в клітини кисень і поживні речовини (мінеральні солі, вітаміни).

Внутрішньоклітинна рідина регулює температуру тіла і не дає клітинам злипатися. Крім того, вона служить мастилом для суглобів і кісток, захищає від ударів внутрішні органи. Значення води для людини настільки велике, що для нормальної життєдіяльності їй необхідно випивати в день півтора–два літри. Оскільки в м'язах міститься більше води, ніж в жирі, то, чим ми стрункіше, тим більше води в нашому тілі.

Без води немислиме життя на планеті Земля, немислима життєдіяльність людини. Вода - найбільш поширена, доступна і дешева речовина. Саме доступність і незамінність води зумовила її широке застосування в побуті, промисловості та сільському господарстві, медицині – у всіх сферах людської діяльності.

Важко згадати область, де вода не застосовується. Вода - це найбільша і зручна дорога. По ній день і ніч пливуть судна, везуть різні вантажі, пасажирів. Вода ще й годує, будучи середовищем існування промислових тварин. Вода "видобуває" електричний струм, працюючи на гідроелектростанціях.

Виведення в навколишнє середовище рідких відходів виробництва здійснюється теж у вигляді водних розчинів. У медицині вода - розчинник, лікарський засіб, засіб санітарії та гігієни.

У сільському господарстві вода - "транспортний засіб" поживних речовин до клітин рослин і тварин, учасник процесу фотосинтезу, регулятор температури живих організмів. Обсяги води, які витрачаються для поливу сільськогосподарських рослин, при годуванні тварин, птиці, не поступаються обсягами, використовуваним промисловістю.

"Візник природи" - так назвав воду Леонардо да Вінчі. Саме вона, переходячи з грунту в рослини, з рослин в атмосферу, стікаючи по річках з материків в океани і повертаючись з повітряними потоками, з'єднує один з одним різні компоненти природи, перетворюючи їх в єдину систему.

Основи сучасного розуміння фізико–хімічних властивостей води заклали близько 200 років тому Генрі Кавендіш і Антуан Лавуазьє, які виявили, що вода - це не простий хімічний елемент, як вважали середньовічні алхіміки, а з'єднання кисню і водню в певному відношенні.

Власне і назву свою водень (hydrogene) – народжує воду – отримав тільки після цього відкриття, і вода придбала сучасне хімічне позначення, відоме тепер кожному школяреві, - H2O.

Шведський фізик Андерс Цельсій, член Стокгольмської академії наук, створив в 1742 році стоградусну шкалу термометра, якою в даний час користуються майже повсюди. Точка кипіння води позначена 100°, а точка танення льоду 0°.

При розробці метричної системи, встановленої за декретом французького революційного уряду в 1793 році замість різних старовинних заходів, вода була використана для створення основної міри маси (ваги) – кілограму і граму: 1 грам, як відомо, це вага 1 кубічного сантиметру (мілілітру) чистої води при температурі її найбільшої щільності + 40С. Отже, 1 кілограм – це вага 1 літру (1000 кубічних сантиметрів) або 1 кубічного дециметру води: а 1 тонна (1000 кілограмів) – це вага 1 кубічного метру води.

Вода використовується і для вимірювання кількості тепла. Одна калорія - це кількість тепла, необхідного для нагрівання 1 граму води з 14, 5° до 15,50°с. Всі висоти і глибини на земній кулі відраховуються від рівня моря.

Незважаючи на багатовікову історію вивчення, найпростіший хімічний склад і виняткову важливість для життя на землі, природа води таїть в собі багато загадок. Тільки воду ми можемо побачити відразу в трьох її станах. Коли вдарять сильні морози можна спостерігати, як над поверхнею води озера або річки піднімається пар, а біля берегу вже утворилася скоринка льоду.

Вельми рідкісна властивість води проявляється при її перетворенні з рідкого стану в твердий. Цей перехід пов'язаний зі збільшенням обсягу, а отже, зі зменшенням щільності. Затверділа, вода стає менш щільною, тому лід плаває, а не тоне. Лід тим самим захищає лише нижчі шари води від подальшого охолодження і замерзання.

Крім того встановлено, що найбільшою щільністю вода володіє при температурі +4°C. При охолодженні води у водоймі більш важкі верхні шари тонуть, в результаті чого відбувається хороше перемішування теплою, більш легкої глибинної води з поверхневою.

Тому водойми не промерзають до дна і життя у воді триває. Унікальні властивості води проявляються і при нагріванні. Надзвичайно висока її теплота потрібна для пароутворення. Наприклад, для випаровування 1 граму води, нагрітої до 100 °C, потрібно в 6 разів більше тепла, ніж для нагрівання тієї ж кількості води від 0 до 80 °C.

Всім відомо, що вода завжди перетворюється на лід, при охолодженні її до нуля градусів за Цельсієм, за винятком випадків, коли цього не відбувається! "Надохолодження" - це схильність води залишатися рідкою, навіть охолоджуючись до температури нижче точки замерзання.

Це явище стає можливим завдяки тому, що навколишнє середовище не містить центрів або ядер кристалізації, які могли б спровокувати утворення кристалів льоду. Саме тому вода залишається в рідкій формі, навіть будучи охолодженою до температури нижче нуля градусів за Цельсієм.

Коли процес кристалізації запускається, можна спостерігати, як «надохолоджена» вода в одну мить перетворюється в лід. Але при будь-яких обставинах при температурі -38°c сама надхолоджена вода раптово перетвориться на лід.

А що ж станеться при подальшому зниженні температури? При -120°c лід стає тягучим, як патока, а при -135°C і нижче він перетворюється в «скляну» або «склоподібну» воду – тверду речовину з відсутністю кристалів.

У 1963 році учень старших класів Ерасто Мпемба помітив, що гаряча вода застигає в морозильній камері швидше, ніж холодна. Вчитель фізики, з яким юнак поділився відкриттям, підняв його на сміх.

На щастя, учень виявився настирливим і переконав вчителя провести експеримент, який і підтвердив його правоту. Тепер феномен гарячої води, що замерзає швидше холодної, носить назву "ефект Мпемба". Вчені так до кінця і не розуміють природу цього явища.

Ще одна цікава властивість води: збільшення тиску призводить до плавлення льоду. Це можна спостерігати на практиці, наприклад ковзання ковзанів на льоду. Площа леза коника невелика, тому тиск на одиницю площі великий і лід під коником подплавляется.

Цікаво, що якщо над водою створити високий тиск і потім її охолодити до замерзання, то утворюється лід, а в умовах підвищеного тиску плавиться не при 0°C, а при більш високій температурі. Так, лід, отриманий при замерзанні води, яка знаходиться під тиском 20000 атм., в звичайних умовах плавиться тільки при 80°C.

Крім того вода практично не стискається, цим визначається обсяг і пружність клітин і тканин. Так, саме гідростатичний скелет підтримує форму у круглих черв'яків і медуз.

Під теплоємністю розуміється та кількість теплоти, яка може нагріти 1 г маси речовини на 1°. Ця кількість теплоти вимірюється калоріями. Вода сприймає при 14-15° більшу кількість теплоти, ніж інші речовини; наприклад, кількість тепла, необхідна для нагрівання 1 кг води на 1°- можливо нагріти на 1° 8 кг заліза або 33 кг ртуті.

Вода володіє величезною теплоємністю і не випадково саме вона використовується в якості теплоносія в системах опалення. З цієї ж причини воду використовують і в якості відмінного охолоджувача.

Велика теплоємність води захищає тканини організмів від швидкого і сильного підвищення температури. Багато організмів охолоджуються, випаровуючи воду.

Під теплопровідністю розуміється здатність різних тіл проводити теплоту на всі боки від точки прикладання нагрітого предмету. У води дуже велика теплопровідність і це забезпечує рівномірний розподіл тепла по організму людини і теплокровних тварин.

Однією з дуже важливих властивостей води є поверхневий натяг. Він визначає силу зчеплення між молекулами води, а також геометричну форму її поверхні. Наприклад, через силу поверхневого натягу в різних випадках формується крапля, калюжка, струмінь та інші.

Існують цілі види комах, які пересуваються по гладі води саме завдяки поверхневому натягу. Найбільш відомі - водоміри, які спираються на воду кінчиками лап. Сама ж лапка покрита водовідштовхувальним нальотом. Поверхневий шар води прогинається під тиском лапки, але за рахунок сили поверхневого натягу водомірка залишається на поверхні.

До викликаних поверхневим натягом ефектів ми настільки звикли, що не помічаємо їх, якщо не розважаємося пусканням мильних бульбашок. Однак в природі і нашому житті вони грають чималу роль.

Незвично високий поверхневий натяг води зумовило її хорошу здатність змочувати поверхні твердих тіл і проявляти капілярні властивості, що дає їй здатність підніматися вгору по порах і тріщинах порід і матеріалів всупереч земному тяжінню. Саме ця властивість води забезпечує рух розчинів поживних речовин з кореня в стебло, листя, квіти і плоди рослин.

Ми дивимося на гірське джерело і думаємо: "ось по-справжньому чиста вода!" Однак це не так: ідеально чистої води в природі не буває. Справа в тому, що вода є практично універсальним розчинником.

У ній розчинені: азот, кисень, аргон, вуглекислий газ – і інші домішки, що знаходяться в повітрі. Особливо яскраво властивості розчинника проявляються в морській воді. Прийнято вважати, що в водах Світового океану можуть бути розчинені практично всі елементи таблиці періодичної системи елементів, в тому числі рідкісні і радіоактивні.

Найбільше в ній міститься натрію, хлору, сірки, магнію, калію, кальцію, вуглецю, брому, бору і стронцію. Одного тільки золота розчинено в Світовому океані по 3 кг на кожного жителя Землі!

Розрізняють гідрофобні (від грецького гідрос – вологий і фобос – страх) речовини, погано розчинні у воді, такі як каучук, жири тощо. А також, гідрофільні (від грецького філіа – дружба, схильність) речовини, ті які добре розчиняються у воді, такі як луги, солі і кислоти.

Наявність жиру не дозволяє людському організму розчинитися у воді, так як клітини організму мають спеціальні мембрани, що містять певні жирові компоненти, завдяки цьому вода не тільки не розчиняє наше тіло, але і сприяє його життєдіяльності.

Для перевірки висунутої гіпотези я провела ряд дослідів.

Дослід № 1. Досліди на поверхневий натяг води

Для досліду потрібні: паперова серветка, маркери, ємність з водою.
Експеримент - властивості води.
Проведення досліду: відрізаємо від паперової серветки смужку. На одному краю смужки ставимо точки маркерами. Смужку опускаємо в ємність з водою.

Що відбувається: паперова смужка, опущена в воду, поступово починає намокати і разом з водою по ній вгору піднімаються кольорові смуги, отримані від маркерних точок.
Пояснення: ми добре знаємо, що вода стікає вниз, але завдяки високому поверхневому натягу вода проявляє капілярні властивості, що дає їй здатність підніматися вгору всупереч земному тяжінню.

Дослід № 2. Дослід з водою, перцем і рідким милом

Для досліду необхідні: миска з водою, перець і рідке мило.
Експеримент - властивості води
Проведення досліду: у миску з водою насипаємо перець, він тонким шаром розходиться по поверхні рідини. Потім капаємо в середину ємності рідке мило. Як тільки мило торкається води, перець «втікає» до країв миски.

Пояснення: мило зменшує поверхневий натяг води, тому перець пливе в бік більшого натягу.

Дослід № 3. Дослід з водою, банкою, бинтом і резинкою

Для досліду знадобляться: ємність з водою, порожня банка, бинт і резинка.
Експеримент - властивості води
Проведення досліду: на шийку порожньої банки накладаємо квадратик бинта і закріплюємо його за допомогою резинки. У банку наливаємо воду. Вода легко проходить крізь бинт. Тепер накриваємо шийку банки пластиковою карткою і перевертаємо її.

Що відбувається: трохи води виливається з банки, але коли вона приймає рівне вертикальне положення, вода перестає витікати і утримується в банці, навіть не дивлячись на те, що в бинті досить великі отвори.
Пояснення: Вода заповнює весь простір між волокнами бинта і через сили поверхневого натягу не може вилитися з перевернутої банки.

Дослід № 4. Дослід на теплопровідність води

Для досліду знадобиться: два повітряних кульки, свічка, сірники і вода.
Експеримент - властивості води.
Проведення досліду: беремо дві кульки. Першу просто надуваємо, а другу надуваємо після додавання в неї невеликої кількості води. Проводимо кожну з кульок над палаючою свічкою.

Що відбувається: кулька, надута без води всередині, лопається при зіткненні з полум'ям. Кулька, надута з водою, закоптилася, але так і не лопнула.
Пояснення: якщо в кульку налити трохи води і помістити над відкритим вогнем, то вода буде забирати тепло і кулька залишиться цілою. У той час як повітря всередині просто надутої кульки не забирає тепло і гума від перегріву лопається.

Дослід № 5. Дослід з надхолодженою водою

Для досліду знадобляться: морозилка, чиста вода в пляшці.
Експеримент - властивості води.
Проведення досліду: пластикову пляшку з чистою водою ми поміщаємо на 2 години в морозилку. Після закінчення часу акуратно дістаємо пляшку і різко вдаряємо по столу.

Що відбувається: після струшування в результаті удару, вода в пляшці миттєво перетворюється в лід.
Пояснення: Так як в досліді бере участь чиста вода, то при охолодженні нижче точки замерзання вона залишається рідкою. Її кристалізацію (замерзання) ми запускаємо різким ударом пляшки по поверхні. В результаті цього в ній з'являються бульбашки газу. Процес кристалізації запускається, і вода моментально перетворюється в лід.

Дослід № 6. Досліди на танення льоду

Для досліду необхідні: шматок льоду, волосінь, важки.
Проведення досліду: Прив'язуємо важки до кінців волосіні, на піднесення укладаємо шматок льоду, а зверху на лід кладемо волосінь так, щоб вантажі створювали тиск.

Що відбувається: натягнута волосінь прорізає лід, але лінії розрізу побачити не можна. Над волосінню лід залишається абсолютно цілим, так як вода знову замерзає, не відчуваючи на собі тиску.
Пояснення: лід тане в тому місці, де на його поверхню чиниться сильний тиск. Волосінь з висячими на ній грузиками тисне на крижану підставку, і тому лід під нею тане.

Проведені у рамках дослідницького проєкту з природознавства досліди про властивості води наочно доводять, що вода може вести себе зовсім не так як ми звикли. Вона може підніматися вгору, не дивлячись на земне тяжіння, воду можна носити в решеті, її можна миттєво перетворити в лід, а лід виявляється можна розтопити не тільки теплом, але і тиском, і всі ці аномальні властивості води, працюють на підтримку життя на Землі. Тим самим я підтвердила свої гіпотези.

Наприкінці своєї науково-дослідницької роботи з природознавства на тему "Дивовижні властивості води" можна впевнено сказати, що серед безлічі речовин вода з її фізико–хімічними властивостями займає абсолютно особливе і виняткове місце. Майже всі фізико-хімічні властивості води - винятки в природі. Але життя є тільки там, де є вода.

У рамках розширення проведеної з природознавства або нової дослідницької роботи з біології (фізики) треба продовжувати вивчення властивостей води, і я впевнена, що нас чекає тут ще багато відкриттів і сюрпризів.

1. Петрянов І.В. Найнезвичайніша речовина в світі. 2006р.
2. Бісвас А. К. Людина і вода. - Гідрометеоіздат, 1975р.
3. Єфремов А.П. Крапля, річка, океан. Видавничий дім "Сучасна педагогіка", 2004р.
4. "Я пізнаю світ" - Видавничий дім "Нікс", 2002р.
5. Синюков В. В. Вода відома і невідома. - знання, 1987р.
6. Неумивакин І.П. Вода. Життя і здоров'я. - Діля, 2005р.
7. Інтернет ресурси.