34._Вода
реклама
Александр Анатольевич Личик ГУО «гимназия №2 г. Волковыска» Тема 34 Вода (Физические и химические свойства) Сегодня вы познакомитесь с самым удивительным веществом на земле – это вода. Знакомая незнакомка, так называли ее многие видные ученые и мыслители. Кстати сказать, тайна воды до сих пор остается тайной. Быть может у вас, мои юные следопыты получится разгадать тайну «знакомой незнакомки…» P.S. Кстати сказать, таблицы, которые находятся в конце урока сослужат вам отличную службу на протяжение всего курса обучения. Так что не поленитесь их себе оставить. Успешного знакомства. Блок 1 Вода. Особенности строения. Физические и химические свойства и характеристики. Что же такое все же эта загадочная стихия – Вода? Вода - это особая субстанция без цвета и запаха, которая стоит на отдельном месте практически во всех своих ипостасях. Удивительного в этом ничего нет, так как ни что живое не может обходиться без воды, жизнь без воды не возможна, а вот вода без «жизни» вполне реальна, так как именно сама Жизнь зародилась в воде. Человечество настолько привыкло к свойствам воды, что перестало обращать внимание на действительно удивительные вещи, сотворенные водой. Это единственное вещество на Земле, которое может пребывать во всех трех формах: газообразной, жидкой и твердой. Рассматривая снимки нашей планеты, сделанные с космической орбиты, становится понятно, почему Землю называют «Голубой планетой». На 71% Земной шар состоит из воды и только на 29% из суши, в большинстве случаев так же испещренной реками, озерами и ручейками. Безводными территориями можно назвать только пустыни, но и там, на глубине свыше метра есть небольшое количество влаги, которая помогает выжить в сильную дневную жару различным животным, спасающимся от палящих солнечных лучей. Основная же территория нашей планеты состоит из морей и океанов, простирающихся на тысячи километров. Суровые ледники являются кладезем пресной воды на Земном шаре. Именно поэтому ученые строят Александр Анатольевич Личик ГУО «гимназия №2 г. Волковыска» неутешительные прогнозы по поводу «глобального потепления», предрекая затопление большей части суши при таянии ледников. Помимо того, что вода находится на поверхности нашей планеты, она входит в состав воздушного пространства, окружающего Землю. Целая армия капель дождя, снежинок, градинок выпадает в виде осадков в различные времена года на землю, утренняя роса на траве, по которой так хорошо бегать на рассвете - это тоже вода – только в другой своей форме. Все эти формы воды образуются только в нижнем слое атмосферы (тропосфере), который простирается до высоты 15 километров, в более высоких атмосферных слоях воды нет (или наука еще не шагнула так далеко, что бы выяснить в какой еще форме может находиться вода). Еще больше воды находится в подземных слоях нашей планеты, такая вода носит название "грунтовых" или "подземных" вод. Знаменитый русский ученый Вернадский в своих работах, говорил об удивительном свойстве Воды содержаться во всех твердых телах. Все слои почвенного покрова нашей планеты пропитаны водой, содержание ее может варьироваться от одного до семидесяти процентов, в зависимости от климатических зон. Вода проникает в любые горные массивы, хранится в трещинах пород столетиями, вступая в крепкие соединения с различными минералами. На самых глубинных слоях Земли так же присутствует вода. Вода есть везде и во всем, для существования воды в природе необходимы только два условия - давление и температура. До 14 километров в глубину Вода находится в жидком состоянии, ниже этой отметки Вода переходит в состояние пара, на глубине ниже 60 километров Вода так же присутствует, но в той форме, которая еще не изучена наукой. Круговорот воды в природе. Нужно отметить, что все три формы Воды: подземная, наземная и воздушная не существуют по отдельности друг от друга, Вода постоянно циркулирует между этими тремя пунктами (подобная циркуляция называется - Круговорот воды в природе). Александр Анатольевич Личик ГУО «гимназия №2 г. Волковыска» Одним из основных свойств воды является ее подвижность, обусловленная быстрой сменой формы, влекущей постоянное замерзание, испарение и плавление воды. Миллионы водяных частиц, невидимые глазу, поднимаются с поверхности водоемов в воздух, образовывая собой водяные пары. Чем больше таких паров в воздухе, тем больше он напитан влагой, именно по этой причине существует такой термин, как «влажность» воздуха. Подобное явление часто встречается на прибрежных территориях суши и такие климатические условия благоприятны для проживания многих людей. При насыщении воздуха водой образуются воздушные пары, которые при понижении температуры в свою очередь образуют облака. Облако содержит тонну воды, находясь постоянно в атмосфере, поднимаясь все более к высоким слоям, оно видоизменяется. Микроскопические капельки воды, из которых состоит облако, кристаллизуются, тяжелеют и падают вниз, если температура воздуха высокая, то наблюдается природное явление в виде дождя, если температура воздуха минусовая, то на улице идет снег. Снег, выпадая на землю, находится на поверхности практически весь зимний сезон, при наступлении весны, температура воздуха увеличивается, и снег начинает таять. Множество мелких ручейков сливаются в бурлящие потоки и несутся к рекам, этот сезон называется паводок. Если снег стаивает очень быстро, примерно за несколько дней, то количество воды в реках резко увеличивается, и самые небольшие речушки становятся половодными, а большие реки с широким руслом выходят из берегов и разливаются по всей прибрежной территории, это явление носит название половодье. Если продолжить наблюдать за круговоротом Воды в природе, то можно заметить, что не все количество воды, которое выпало в виде осадков на землю, возвращается обратно в водоемы, частично вода поднимается назад в атмосферные слои, путем испарения, а достаточно большая часть воды впитывается в почвенные слои, пополняя собой грунтовые воды. Но мы уже говорили о том, что вода это подвижная субстанция и в грунтовых слоях она долго не может находиться в состоянии покоя. Ища выход наружу, вода скапливается в выемках скальных и донных пород и при возрастающем внутреннем давлении образует собой множество разнообразных ключей, которые могут быть как на дне водоемов, постоянно обновляя местную воду, так и находится на суше, в виде родников и бьющих ключей между камней. На Земном шаре существует много мест, в которых бьют горячие источники. Это явление происходит опять же благодаря круговороту воды. Вода, просачиваясь в более глубинные слои земной коры, приобретает форму горячего пара. Под высоким давлением пар поднимается ближе к поверхности Земли, возвращаясь в Александр Анатольевич Личик ГУО «гимназия №2 г. Волковыска» жидкую форму и ища выход на поверхность, таким образом, из земной коры бьют горячие источники. Как правило, это явление наблюдается в неустойчивых сейсмических зонах. Не смотря на то, что наша планета состоит большей частью из водоемов, основной объем испарения воды приходится на территорию суши. Объяснение этому явлению достаточно простое – «Зеленый мир» населяющий нашу планету. Растения, по своей плотности поглощения влаги, намного превышают территорию суши, так как влага поглощается у всех представителей флоры листами и корневой системой, нетрудно заметить, что ни одно растение не состоит из одного листика. Движение и обмен воды в природе грандиозен, но нужно учесть, что не вся вода принимает участие в этом процессе. Нижняя толща воды морей и океанов находится в полном покое и живет размеренной неторопливой жизнью, температура воды на глубине намного ниже температуры на поверхности. Вода, которая находится в составе различных земных пород, так же практически не участвует в движении, она может там хранится в покое столетиями, до тех пор, пока не происходят какие-либо изменения геооснования или не вносит свои коррективы деятельность человека. Молекулярное строение воды. Умы человечества много веков назад занимала проблема об устройстве воды. Основоположниками изучения воды были древние греки, еще Фалес Милетский говорил о всепроникающей способности воды и ее начале всех начал. Двести лет спустя Аристотель, в своем трактате о построении мира, так же ставил воду одним из главных элементов мирозданья. Позже «элементом» принято было считать простое вещество, к которому и была причислена вода. Проводимые опыты не давали полной картины о структуре воды, вода замерзала и превращалась в лед, а лед таял и опять превращался в воду. Только в 18 веке понятие «элемент» значительно видоизменилось и приобрело современный смысл «химического элемента». Опытным путем была получена "химическая" вода при сжигании водорода в кислороде, эти опыты привели к выводу, что вода состоит из молекул водорода и кислорода. В это же время Лавуазье подтвердил такой состав воды, проводя обратный опыт, разложив воду на две составные части - водород и кислород. Через раскаленный ствол ружья ученый пропускал водяные пары. От Александр Анатольевич Личик ГУО «гимназия №2 г. Волковыска» действия высокой температуры вода распадалась на водород и кислород. Кислород, соединяясь с железом, образовывал внутри ствола окалину, а из ствола с хлопком выходил газ водород. Через несколько лет вода была разложена на эти же составляющие при помощи электрического тока, это позволило выяснить, что в составе воды участвуют 88,89% кислорода и 11,11% водорода, при чем, было замечено, что водород выделяется из воды с удвоенным объемом. Полученная смесь из двух объемов водорода и одного объема кислорода была названа гремучей смесью, а гремучий газ стал применяться при автогенной сварке, имея температуру пламени 3000 градусов. Этими опытами была разрушена теория о том, что вода является простым веществом и доказана ее сложность построения, что привело к современному пониманию молекулярного строения воды. Одна молекула Воды состоит из трех атомов: двух атомов водорода и одного атома кислорода. Молекула имеет форму равнобедренного треугольника, где в вершине треугольника находится атом кислорода, а по двум углам основания треугольника по атому водорода. Подобная форма строения молекулы воды является для этого элемента самой устойчивой, химическая формула выражена в виде Н2О. Устойчивость такого строения обусловлена силами химического сродства между элементами. Молекулярная устойчивость воды может изменяться при протекании некоторых химических процессов, но при устранении причины нарушения, молекула воды опять приобретет форму треугольника. Кристаллическая решетка воды достаточно гибкая, так как в противном бы случае вода не могла бы быть подвижной субстанцией, ее невозможно было бы пить. К сожалению точных данных, о строении кристаллической решетки жидкой формы воды нет (в отличие от водяных паров, снежинок и льда). Физические свойства воды. В современной шкале измерений вода принята за эталон по очень многим показателям. Температурой таяния льда является 0 градусов Цельсия, а температурой кипения воды 100 градусов. Рассчитывая 1 грамм веса, мы понимаем, что это не что иное, как мера массы воды в объеме на 1 кубический сантиметр. Расчет единицы теплоты (калории) – производится из расчета количества тепла, получаемого при нагревании 1 грамма воды на 1 градус. Многие химические и физические приборы имеют шкалу градации, построенную на свойствах воды, а при измерение многих характеристик веществ за единицу принимаются различные характеристики и свойства воды. Изучая воду, человечество заметило, что вода имеет странное поведение в различных условиях, исследования в области изучения свойств воды привели к целому ряду открытий. Александр Анатольевич Личик ГУО «гимназия №2 г. Волковыска» Проявление необычного поведения воды, например, выражено в незамерзающих водоемах. Всем известно, что замерзание водоема происходит только в верхней толще воды. Благодаря этому явлению, подводный мир, остающийся на зимовье, «засыпает», но не погибает, что могло бы произойти при полном промерзании водоема. Это уникальное свойство воды обусловлено тем, что при температуре в 4 градуса по Цельсию, вода имеет наивысшую плотность. Объяснений этому явлению с научной точки зрения найдено не было, и это свойство воды было причислено к аномальным особенностям. Вода отдает свое тепло, нагревая воздух, и тем самым охлаждается, холодный слой воды имеет более высокую плотность и стремится опуститься на более низкий уровень, вытесняя тем самым более теплые водяные слои, имеющее меньшую плотность. Этот процесс мог бы продолжаться до бесконечности, до полного замерзания водоема, но этого не наступает, так как в любом случае температура охлаждения воды когда-нибудь достигает отметки +4 градуса тепла и вступает в силу «аномальное» явление – предельная плотность, после этого обмен слоев воды заканчивается. При дальнейшем понижении температуры менее плотные (верхние) слои воды будут образовывать крепкую ледяную корку, нижняя часть которой не будет таять при соприкосновении с жидкой водой, так как она будет иметь температуру в 0 градусов по Цельсию. Ледяная корка выполняет защитную функцию от поступления дополнительного тепла, и поэтому при нуле градусов вода может находиться в двух состояниях одновременно жидком и твердом. Надо отметить, что ближе ко дну водоема, вода будет намного теплее, чем на поверхности. Существует зависимость - чем больше глубина водоема, тем меньше он промерзает, в мелководных водоемах, имеющих тенденцию к полному промерзанию, виживают лишь отдельные организмы, имеющие споровую защитную структуру. Продолжая экскурсию по удивительным свойствам воды, можно наблюдать такое природное явление, как плавание льдин на поверхности воды. Лед в воде не тонет (подобные свойства проявляют еще два вещества - чугун и висмут). При превращении воды в лед, ее объем увеличивается на 10%, соответственно плотность льда уменьшается, что и вызывает его плавучесть. Если принять за константу, что плотность воды равна 1, то плотность льда будет равна 0,91. Подобные вычисления помогают узнавать толщину плывущей льдины. Это становится очень актуальным для рыболовных судов и морских грузоперевозок, осуществляемых на территориях Крайнего Севера, Южного и Северного полюсов, так как эти природные регионы просто наводнены айсбергами и торосами, которые могут вызвать, при столкновении Александр Анатольевич Личик ГУО «гимназия №2 г. Волковыска» с ними, поломки или полное крушение судна. Благодаря уникальным свойствам воды человечество приобрело возможность кататься на коньках. Конек чертит во льду полоску, под весом лед в этой полоске тает и в ней образуется вода, которая выполняет функцию смазки для скольжения, если бы это свойство воды отсутствовало, катание по льду было бы похоже на катание по стеклу. Уникальность воды на этом не заканчивается. Лед не тонет в воде - истина непреложная, переходящая в правило, но, из всех правил бывает исключение. Бывает VI видов льда. За лед I принято принимать обычный привычный лед, а существование льда IV в научных кругах поставлено под вопрос, так как конкретно это состояние не определено из-за мгновенности протекания реакции. Про все остальные формы льда нам наглядно покажет опыт: Стальной цилиндр наполняется водой, внутри цилиндра создается давление в 2000 атмосфер. Затем цилиндр охлаждается до 30 градусов ниже нуля (при застывании воды образуется обыкновенный лед, принятый за первый вид). Не изменяя температуры, начинаем увеличивать давление и доводим его до 2115 атмосфер - при таком давлении обычный лед переходит в состояние льда III, который имеет плотность на 5% выше, чем у воды и занимает соответственно меньше объема (лед начинает тонуть в воде). При поднятии давления выше 3000 атмосфер и понижении температуры до -80 градусов, будет образовываться лед II, который имеет плотность, превышающую на 22% плотность обычного льда. Кстати, лед II можно увидеть, если быстро развинтить прибор и высыпать содержимое. При соприкосновении с воздухом лед II будет увеличиваться в объеме, и рассыпаться в мелкий порошок, преобразуясь в лед I. «Горячим льдом» называют лед VI - это лед, полученный при помощи давления выше двадцати тысяч атмосфер, плотность льда VI выше плотности воды на 9,5%. Для плавления такого льда, необходима температура свыше 80 градусов тепла, поэтому его и называют «горячим». Рассмотрев этот опыт, можно сделать вывод, что уникальные свойства вода проявляет только при давлении менее 2000 атмосфер, при более высоком давлении, вода начинает вести себя, как и все остальные вещества, поэтому нельзя утверждать, что лед всегда плавает на поверхности воды. Из школьной программы всем известно, что любое нагретое тело, остывая выделяет определенное количество тепла. Количество теплоты, выделяемое телом, принято измерять в калориях. Калория – единица теплоты, получаемая при нагревании 1 грамма воды на 1 градус. За эталон вода при этом измерении была взята неспроста, дело в том, что бы нагреть 1 грамм воды нужно Александр Анатольевич Личик ГУО «гимназия №2 г. Волковыска» затратить тепла намного больше, чем при нагревании какого-либо другого материала. Для льда тепла нужно в 2 раза меньше, чем для воды в жидкой форме. При нагревании любого предмета, этот предмет поглощает тепло в том или ином количестве, поэтому было введено такое понятие, как "удельная теплоемкость", что означает поглощение тепла телом при нагревании – на 1 градус 1 грамма. Удельная теплоемкость воды часто используется для различных физико-химических расчетов, и принята за константу. От большой теплоемкости воды зависят многие явленяи в нашей жизни - теплая вода дома в ванной, различные климатические зоны Земного шара, отопительная система в зданиях и многое другое. Еще одна особенность при нагревании характерна для воды – любое горячее тело, нагревается тяжелее, чем холодное, так как поглощает намного больше тепла. Этот закон не относится к воде. При нагревании воды от 0 градусов ее теплоемкость падает, при температуре 28 градусов тепла, значение теплоемкости воды становится наименьшим. Становится не очень понятно, как же быть с понятием «калория». Дело в том, что в технических характеристиках используются свойства не простой воды, а чистой, которую нагревают в температурном диапазоне от 14,5 градусов тепла до 15.5 (понятие пятнадцатая калория). Значение это очень близко к нагреванию обычной воды, от 0 до 100 градусов по Цельсию. Еще одна позиция, по которой вода стоит на отдельном месте, это температура плавления воды, а вернее сказать ее твердой формы - льда. Посмотрев в таблицу удельной теплоты плавления можно увидеть такие данные, олово – 13 калорий, медь – 42 калории, цинк – 28 калорий, а вода – 80 калорий. Проведем обычный опыт, в домашних условиях. Насыпав в чашку снег с улицы, принесем ее домой, опустим в нее термометр и будем ждать, пока снег растает. Пока в чашке есть хоть один кристаллик снега, температура на градуснике будет стоять на нуле, как только весь снег растает и превратиться в воду температура начнет потихоньку подниматься вверх. Далее рассмотрим переход воды в состояние водяного пара. Пар образуется посредством испарения воды и состоит из мельчайших частиц, которые незаметны для глаза. Процесс испарения воды в природе происходит круглогодично. Процесс парообразования ускоряется при повышении температуры, поставьте чайник на плиту и вскипятите его, через короткое время при кипении воды (100 градусов по Цельсию), пар будет идти столбом из носика чайника. Теплота парообразования – энергия 1 грамма воды, затраченная на переход в пар при температуре 100 градусов по Цельсию (этот процесс требует 538 калорий). Александр Анатольевич Личик ГУО «гимназия №2 г. Волковыска» При переходе в обратное состояние (пар в воду), теплота парообразования полностью выделяется, и это свойство воды широко используется для отопительных систем зданий и сооружений, а так же для нагрева при различных технологических процессах на заводах и фабриках. Так же полная отдача теплоты пара сильно влияет на климатические условия нашей планеты. Теплый пар с экваториальной зоны переносится по воздуху на более холодные участки суши, где температура значительно ниже и соответственно превращается обратно в воду, выпадая конденсатом (дождь). При этом процессе теплота отдается полностью и погода на этих холодных участках становится теплее. Так же облака и паровые водяные скопления, постоянно находящиеся в атмосфере, выполняют защитную функцию нашей планеты от агрессивных верхних слоев и прямых солнечных лучей. Из этого правила есть исключение: вода может не закипать при 100 градусов при обычном давлении, это происходит если берется чистая вода, т.е. вода, которая не содержит никаких примесей. Это опасная особенность поведения воды, так как, если в такую воду попадает небольшое количество какого-либо газа, то это приводит к взрыву (например, парового котла). Блок 2 Химические свойства воды. Вода - это самый уникальный природный растворитель, который только существует на нашей планете. Вода растворяет в себе неимоверное количество элементов, образуя различные химические соединения, служащие во благо человечества. Это отличительное свойство воды приводит к тому, что абсолютно чистой воды в природе не существует. Достаточно набрать воду из самого прозрачного родника и вскипятить ее, на стенках чайника будет обязательно образовываться налет - это осадок различных примесей, содержащихся в сырой воде, и выпавших в кристаллы при нагревании. Абсолютно чистую воду можно получить только в лабораторных условиях, да и то в небольших количествах. Понятия очищенная питьевая вода и чистая вода - это два разных понятия. В водах различных регионах растворенные вещества различны, поэтому осадок при кипячении или отстаивании воды тоже будет различен по своему химическому составу. Александр Анатольевич Личик ГУО «гимназия №2 г. Волковыска» Помимо твердых веществ, вода так же растворяет различные газы. Если сравнить воздух, выделенный из воды и воздух, которым мы дышим, то он будет разительно отличаться. Воздух выделенный из воды значительно сильнее обогащен кислородом (63% азот, 36% - кислород, атмосферный воздух содержит 78% азота и 21% кислорода). Благодаря повышенному содержанию кислорода в воде весь подводный мир существует и удивляет человечество своим разнообразием. Повышенное содержание кислорода в воде отрицательно сказывается на различных металлических конструкциях, так как происходит процесс разрушения металла под воздействием кислорода, а так же его основной помощницы – углекислоты. Поэтому различные подводные сооружения стараются изготавливать из различных сплавов, не подверженных такой быстрой коррозии, как чистые металлы. Понятие жесткости воды напрямую зависит от количества растворенных в ней минеральных веществ. Чем веществ больше, тем и жесткость воды выше. Жесткость воды подразделяется на временную и постоянную. Временная жесткость определяется наличием в воде двууглекислых солей магния, железа и кальция - это слабые химические соединения, легко разрушаемые и выпадающие в осадок. Постоянная жесткость определяет наличие хлористых и сернокислых солей магния, натрия, калия, кальция, эти соли имеют устойчивую химическую природу и при кипячении не образуют осадка, а значит не разрушаются. Самыми вредными считаются сернокислые и хлористые соли магния (при кипячении они образуют соляную и серную кислоту, очень вредную для здоровья всего живого мира флоры и фауны, а так же и человека). Проблема чистой воды для городов стояла испокон веков. Одним из показателей развитого государства является качество воды, употребляемой населением. В более раннее время люди стремились использовать природную воду в промышленности, но различные технологические процессы требовали для производства более мягкую воду (сахароварение, пивоварение и т.д.), поэтому человечеству ничего не оставалось делать, как только изобрести различные системы очистных сооружений и отстойников для воды. Рассматривая водопроводную воду, можно с уверенностью сказать, что она безопасна для употребления, так как проходит сложную систему очистки, хотя и не очень качественна на вкус. Нужно помнить единственное, через какую бы очистку вода не проходила, чистой водой она никогда не будет. Показатели очищенной воды приближены к воде, полученной из артезианских скважин (добыча воды с более глубоких земных слоев). Именно такую воду можно употреблять в быту и производстве. Александр Анатольевич Личик ГУО «гимназия №2 г. Волковыска» Чистая вода или иначе ее еще называют дистиллированная вода, используется в технологических процессах и быту, там, где естественные примеси должны отсутствовать полностью, не вступая в реакцию с другими химическими веществами, на вкус такая вода неприятна. Помимо того, что вода является уникальным растворителем, и это ее свойство используется в различных технологических процессах, как уже говорилось выше, она является еще и средой для протекания многих химических реакций. Вода прекрасно сама соединяется со многими простыми веществами (гашеная известь, жавелевая вода). Благодаря этому свойству из негашеной извести можно получить гашеную известь, которая используется в различных промышленных областях и в быту. При соединении с веществами, вода, после прохождении химической реакции, образует новое вещество, в котором является его неотъемлемой частью – такую воду называют конституционной. Выделить эту воду можно только разрушив полностью вещество. Если осознать грандиозные масштабы работы, которую совершает вся вода, находящаяся на нашей планете и подсчитать, хотя бы примерно, сколько при этой работе она выделяет энергии, то человечество уже бы давно отказалось от топлива, расходующего природные ресурсы. Но пока на службу человеку была поставлена только энергия «бурной» воды. Водяные энергетические станции были сооружены только на самых бурных потоках рек, питая своей энергией населенные пункты. Так что можно причислить к свойствам воды еще одно – вода миролюбива. [По материалам сайта http://shrimpsplanet.com ] Александр Анатольевич Личик ГУО «гимназия №2 г. Волковыска» Блок 3 «Химические свойства воды» Александр Анатольевич Личик ГУО «гимназия №2 г. Волковыска» Александр Анатольевич Личик ГУО «гимназия №2 г. Волковыска» Автор таблиц Галина Пчелкина [Интернет ресурс, режим ввода: https://sites.google.com/site/himulacom/zvonok-na-urok/8klass/urok-no31-fiziceskie-i-himiceskie-svojstva-vody ] Александр Анатольевич Личик ГУО «гимназия №2 г. Волковыска»
