Получите свидетельство
Вход
Муниципальное бюджетное общеобразовательное
учреждение «Горельская СОШ» в с. Малиновка.
Вода удивительная и удивляющая.
Исследовательская работа по физике и химии
Выполнила:
Козыренко Екатерина Анреевна ученица 8 «ж» класса
филиала МБОУ «Горельская СОШ» в селе Малиновка
Руководители:
Четырина Зоя Владимировна учитель физики и математики,
Крюкова Ольга Константиновна учитель химии.
Тамбовский район
2017 год
Содержание
Введение. Обоснование выбора темы исследования, цели, задачи работы, актуальность исследования, практическая значимость, методы исследования……………………………………………………….............. 4-5
1. Аномалия воды………………………………………………………….6
1.1.Теоретическая часть…………………………………………………….6
2. Исследования замерзания различныхжидкостей. ………………… 7
2.1. Теоретическая часть……………………………………………………7
2.2. Эксперимент. Исследование замерзания минеральной и
обычной воды……………………………………………………………….7-8
2.3. Применение……………………………………………………………. 8
3. Замерзания холодной и горячей воды. ……………………….............9
3.1 . Теоретическая часть……………………....…………………………..9
3.2. Эксперимент. Какая вода замерзает быстрее – холодная или горячая.10
4. Анамалия плотности. ……………………..……………………………...10
4.1. Теоретическая часть…………………...………………………………..10-11
4.2. Эксперимент. Сравнения плотности воды и льда.. …………………..11-12
4.3. Применение……………………………………………………………...12
5. Безумство в мембране…………………………………………………….12
5.1. Теоретическая часть…………………………………………………….12-13
5.2. Эксперимент. Металл на воде………………………………………….13
5.3.Применение…………………………………………………………… 13
6. Неньютоновская жидкость……………………………………………….14
6.1.Теоретическая часть……………………..……………………………...14
6.2. Эксперимент. Получение неньютоновской жидкости……..…………14-16
6.3. Применение……………….…….……………………………………….16-17
7. Необычные опыты с водой по химии……………………………………17
7.1. Эксперимент. Вода и масло…………………………………………… 17-19
2
7.2. Эксперимент. Ныряющие яйца……………………………………… 19
7.3. Эксперимент. Несгораемый платок……………………………………19-20
7.4. Эксперимент. Шарик на огне………………………………………… 20-21
Заключение…………………………………….….………………………22
8. Литература……………………………………………………………… 23
3
ВВЕДЕНИЕ
Самое важное, уникальное по свойствам и составу вещество нашей планеты - это, конечно, вода. Ведь именно, благодаря ей, на Земле есть жизнь, в то время как на других известных сегодня объектах Солнечной системы ее нет.
Твердая, жидкая, в виде пара – она нужна и важна любая. Вода является основным эталоном, именно килограмм воды признан за литр, температура замерзания воды принята за 0 градусов, температура кипения за 100 градусов, именно плотность воды 1000 кг на м3.... именно вода, а не любое другое вещество выполняет такое множество функций в клетке и организме. Вода — довольно простое вещество с химической точки зрения, однако при этом она обладает рядом необычных свойств, которые не перестают удивлять ученых.
В своей работе я рассмотрела, на мой взгляд, самые интересные и необычные свойства различных жидкостей. Большое внимание в работе я уделяю воде. Так как вода лежит в основе всех жидкостей, то объяснение необычных свойств надо искать именно в строении воды. Трудно назвать какое-либо ее свойство, которое было бы обычным. Ее поведение существенно отличается от поведения у большинства других жидкостей, у которых оно, похоже, и может быть объяснено из самых общих физических законов.
Проблема. Что же такое вода, с научной точки зрения?
Актуальность исследования: Вода — вещество привычное и необычное, она имеет много тайн, я хочу разгадать с помощью исследований некоторые тайны воды.
4
Практическая значимость исследования: материалы моих исследований можно использовать на уроках физики, химии, на классных часах, на внеклассных мероприятиях.
Объект исследования: вода.
Предмет исследования: свойства воды, присущие только ей и совсем неочевидные в природе.
Цель исследования: определение причины уникальности воды при проведении физико-химических опытов.
Задачи исследования:
изучить литературу по теме проекта;
подготовить и провести исследования по проблеме;
сделать выводы по теме исследования;
оформить исследовательскую работу;
создать мультимедийное приложение к исследовательской работе.
Мои предположения (гипотеза исследования):
Я предполагаю, что наличие водородной связи у воды - это всего лишь необходимое, но не достаточное условие для объяснения необычных свойств воды.
Методы исследования:
поисковый метод с использованием научной и учебной литература, а также поиск необходимой информации в сети Интернет;
отбор и обобщение и материалов по теме исследования;
постановка экспериментов;
практическая реализация;
обработка полученных результатов;
анализ полученных результатов;
сбор фотоматериалов;
выводы по теме.
5
1.АНОМАЛИЯ ВОДЫ.
1.1.Теоретическая часть.
Вода - самое распространенное, самое уникальное и удивительное вещество в природе. Она единственное вещество, встречающееся в огромных количествах в естественных условиях во всех трех агрегатных состояниях - твердом, жидком и газообразном. Ученые выделяют как минимум 5 различных состояний воды в жидком виде и 14 состояний в замерзшем виде. (Сверхохлажденная вода).
Изучение уникальных свойств воды постоянно открывает нам все новые и новые тайны, задает нам новые загадки и бросает новые вызовы. На уроках химии, физики при изучении темы жидкости, меня заинтересовала вода. Так как многие физические и химические свойства воды удивляют и выпадают из общих правил и закономерностей и являются аномальными.
В соответствии с закономерностями, в рамках наук химия и физика, мы могли бы ожидать, что:
вода будет закипать при минус 70°С, а замерзать при минус 90°С,
лед будет тонуть, а не плавать на поверхности;
в стакане воды не растворилось бы более нескольких крупинок сахара;
…
Известно из опытов по физике, химии, жизненного опыта, что вода кипит при 100°С, а замерзает при 0°С, лед плавает на поверхности воды, сахар полностью растворяется в воде и т.д. Поэтому я решила исследовать физические и химические аномальные свойства воды с помощью эксперимента. 6
2.ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАМЕРЗАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ.
2.1.Теоретическая часть
При какой температуре замерзает вода? Казалось бы – простейший вопрос, ответить на который может даже ребёнок: температура замерзания воды при обычном атмосферном давлении в 760 мм ртутного столба составляет ноль градусов по Цельсию, за исключением некоторых случаев. Таким случаем, например, является сверхохлаждение, которое представляет собой свойство очень чистой воды оставаться жидкой, даже будучи охлажденной до температуры ниже точки замерзания. Для замерзания воды необходимо присутствие в ней неких центров кристаллизации, коими могут стать пузырьки воздуха, взвешенные частицы, а также повреждения стенок ёмкости, в которой она находится.
Замерзает ли миниральная вода? Миниральная вода, совершенно лишённая всяких примесей, не имеет и ядер кристаллизации, а поэтому её замерзание начинается при температуре ниже ноля. Когда процесс кристаллизации запускается, можно наблюдать, как сверхохлажденная вода моментально превращается в лед.
Эксперемент 2.2. Эксперимент замерзания минеральной и обычной водой.
Цель: исследовать замерзание минеральной жидкости.
Оборудование: минеральная вода, гладкая ёмкость для её хранения,
термометр, морозильная камера.
Ход работы.
Я взяла гладкий сосуд и заполнила его минеральной водой. Другой
7
сосуд заполнила простой водой.
Затем поместила в морозильную камеру. Рядом поставила такой же сосуд с простой водой.
Через три часа пятнадцать минут простая вода замёрзла, а минеральная осталась в жидком состоянии.
Через четыре часа сорок пять минут минеральная вода замёрзла, но лёд был не такой, как в простой воде.
Автор фото Е.Козыренко
Вывод: минеральная вода замёрзла позже т.к. у неё меньше центров кристаллизации. В связи с этим она образовала очень необычный кристалл льда, который в природе нигде не встречается.
Из опыта видно, что вода различной чистоты превращается в совершенно разные по виду и свойствам кристаллы.
2.3. Применение.
Кристаллы широко применяются в науке и технике.
Ограненные кристаллы драгоценных камней, в том числе выращенных искусственно, используются как украшения.
8
3. ЗАМЕРЗАНИЕ ХОЛОДНОЙ И ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ.
3.1.Теоретическая часть.
. Обычный человек, исходя из принципов логики, может подумать, что для того, чтобы замерзнуть горячей воде нужно больше времени, чем холодной. Но как ни странно, это как раз не тот случай. Эта особенность воды была впервые обнаружена танзанийским студентом Эрасто Мпемба (Erasto Mpemba) в 1963 году. Он выявил, что под воздействием одинаково низких температур, горячая вода действительно замерзает быстрее холодной. Теперь этот феномен горячей воды, замерзающей быстрее холодной, носит название «эффект Мпемба». И никто не знает почему. Одно из возможных объяснений заключается в том, что эффект Мпемба – это результат процесса циркуляции тепла под названием конвекция. В сосуде с водой теплая вода поднимается наверх, отталкивая холодную на дно, и создает тем самым "горячую верхушку".
3.2. Эксперимент. Какая вода замерзает быстрее — холодная или горячая?
Я опытным путём изучила это явление и вот что у меня получилось.
Цель: изучить зависимость кристаллизации холодной и горячей воды от температуры.
Оборудование: 2 ёмкости для замораживания воды, термометр, морозильная камера.
Ход работы.
Я взяла два стакана с водой. В один налила воду холодную. Измерила её температуру t=190С.
Во второй налила воду горячую при температуре t= 540С.
9
После этого поставила стаканы в морозильную камеру и начала отсчёт времени.(14:40)
Вода в стакане с горячей водой начала замерзать (16:35)
Вода в стакане с холодной водой начала замерзать (16:50)
Вода в стакане с горячей водой замёрзла в 18:15
Вода в стакане с холодной водой замёрзла в 18:40
Автор фото Е.Козыренко.
Горячая вода замерзает быстрее.
Вывод: процесс циркуляции тепла под названием конвекция.
4.АНОМАЛИЯ ПЛОТНОСТИ.
4.1.Теоретичекая часть.
При переходе любой жидкости (кроме галлия и висмута) в твердое состояние молекулы располагаются теснее, а само вещество, уменьшаясь в объеме, становится плотнее. Любой жидкости, но не воды. Вода и здесь
10
представляет собой исключение. При охлаждении вода сначала ведет себя, как и другие жидкости: постепенно уплотняясь, она уменьшает свой объем. Такое явление можно наблюдать до +4°С . Именно при температуре +4°С вода имеет наибольшую плотность и наименьший объем. Дальнейшее охлаждение воды постепенно приводит уже не к уменьшению, а к увеличению объема. Плавность этого процесса вдруг прерывается и при 0°С происходит резкий скачок увеличения объема почти на 10%! В это мгновение вода превращается в лед. Эта странность позволяет находиться на плаву кубикам льда и даже гигантским айсбергам.
Эта аномалия воды может доставить много неприятностей, если относиться к ней невнимательно и беспечно. Серьёзную опасность для судоходства представляют айсберги. Огромные ледяные острова, в основном находящиеся под водой, трудно поддаются правильной визуальной оценке и не всегда своевременно фиксируются современными техническими средствами. Поэтому столкновение кораблей с айсбергами случаются и в наши дни. Например Титаник…
Вода, превращаясь в лёд, увеличивает свой объём и приобретает огромную разрушительную силу. Лёд способен раздавить вмерзшее судно, каким бы прочным оно не было.
4.2. Эксперимент. Сравнения плотности воды и льда.
Цель: проследить зависимость изменения плотности при замерзании.
Оборудование: прозрачный стакан, подкрашенная вода, морозильная камера.
Ход работы.
Я взяла стакан. Наполнила его водой. Отметила уровень воды в стакане.
Сосуд с водой поставила в морозильную камеру. Через 1ч 45 мин вода замёрзла. Уровень льда оказался выше уровня воды.
11
Автор фото Е.Козыренко.
При одинаковой массе больший объем имеет меньшую плотность.
Вывод: вода при замерзании способна увеличивать, а не уменьшать свой объем. Плотность воды больше плотности льда.
4.3.Применение.
Уникальная особенность поведения воды при охлаждении и образовании льда играет исключительно важную роль в природе и жизни. Именно эта особенность воды предохраняет от сплошного промерзания в зимний период все водоемы земли - реки, озера, моря и тем самым спасает жизнь.
Поскольку вода при замерзании увеличивается в объеме, то увеличение давления должно приводить к плавлению льда. Действительно, это наблюдается на практике. Хорошее скольжение коньков на льду обусловливается именно этим обстоятельством. Площадь лезвия конька невелика, поэтому давление на единицу площади большое и лед под коньком плавится.
БЕЗУМСТВА В МЕМБРАНЕ.
5.1.Теоретическая часть.
Следует упомянуть еще об одном удивительной аномалии воды - исключительно высоком поверхностном натяжении. Из всех известных жидкостей только ртуть имеет более высокое поверхностное натяжение. Сила поверхностного натяжения, заставляет верхний слой воды вести себя
как гибкая мембрана. Поверхностное натяжение возникает из-за того, что молекулы воды находятся в свободной связи друг с другом. Из-за слабых связей между ними молекулы на поверхности всегда подталкиваются молекулами из нижних слоев. Они будут держаться вместе до тех пор, пока плотно связанные молекулы будут пытаться разрушить менее прочные связи.
5.2.Эксперимент. Металл на воде.
Цель: проверить поведение скрепки на воде.
Оборудование: посуда с водой, скрепка.
Ход работы.
1.Взяла емкость с водой и аккуратно положила железную скрепку на воду.
2
.Скрепка осталась лежать на воде.
Вывод: хотя металл плотнее воды, и должен по правилам утонуть, однако, поверхностное натяжение не дает это сделать.
(Рис.I)
5.3.Применение.
Роль поверхностного натяжения в жизни очень разнообразна. Легкие водомерки могут быстро скользить по поверхности воды, как конькобежцы по льду. Поверхностное натяжение сильно затрудняет просачивание воды через ткань, и потому она не промокает насквозь мгновенно. Без этих сил мы не могли бы писать чернилами. Обычная ручка не зачерпнула бы чернил из чернильницы, а автоматическая сразу же поставила бы большую кляксу. Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений. Пострадали бы важные функции нашего организма.
13
НЕНЬЮТОНОВСКАЯ ЖИДКОСТЬ.
6.1.Теоретическая часть.
Большой интерес в моем исследовании вызвала – неньютовская жидкость. Когда жидкость неоднородна, например, состоит из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры, то при её течении вязкость зависит от градиента скорости. Такие жидкости называют неньютоновскими. Еще в конце XVII века великий физик Ньютон обратил внимание, что грести веслами быстро гораздо тяжелее, нежели если делать это медленно. И тогда он сформулировал закон, согласно которому вязкость жидкости увеличивается пропорционально силе воздействия на нее. Неньютоновские жидкости не поддаются законам обычных жидкостей, эти жидкости меняют свою плотность и вязкость при воздействии на них физической силой, причем не только механическим воздействие, но даже звуковыми волнами и электромагнитными полями. Если воздействовать механически на обычную жидкость, то, чем большее будет воздействие на нее, тем больше будет сдвиг между плоскостями жидкости, иными словами, чем сильнее воздействовать на жидкость, тем быстрее она будет течь и менять свою форму. Если воздействовать на неньютоновскую жидкость механическими усилиями, мы получим совершенно другой эффект, жидкость начнет принимать свойства твердых тел и вести себя как твердое тело, связь между молекулами жидкости будет усиливаться с увеличением силы воздействия на нее, вследствии мы столкнемся с физическим затруднением сдвинуть слои таких жидкостей. Вязкость неньютоновских жидкостей возрастает при уменьшении скорости тока жидкости.
6.2.Эксперимент. Получение неньютоновской жидкости.
14
Цель: получить неньютоновскую жидкость и проверить, как она ведёт себя в обычных условиях.
Оборудование: вода, крахмал, чаша, миксер.
Ход: работы.
1.Взяли чашу с водой и крахмал. Смешала в равных долях вещества с помощью миксера..
2.Получилась белая жидкость
Заметила, если мешать быстро, чувствуется сопротивление, а если медленнее, то нет.
Получившуюся жидкость можно налить в руку и попробовать скатать шарик. При воздействии на жидкость, пока мы будем катать шарик, в руках будет твердый шар из жидкости, причем, чем быстрее и сильнее мы будем на него воздействовать, тем плотнее и тверже будет наш шарик. Как только мы разожмем руку, твердый до этого времени, шар тут же растечется по руке.
Связано это будет с тем, что после прекращения воздействия на него, жидкость снова примет свойства жидкой фазы. Можно свободно без усилий
погрузить палец в данный раствор, но если попробовать быстро ткнуть
15
него, палец остановится именно на поверхности раствора, не проникнув внутрь, и чем быстрее и сильнее пробовать пробить верхнюю мембрану, тем
большее сопротивление мы будем получать взамен.
Если размахнуться, как следует, и стукнуть по этой смеси, то рука отскочит, как если бы это было твёрдое вещество. (Приложение 1).
Вывод: неньютоновская жидкость может вести себя как твёрдое и как жидкое вещество в зависимости от скорости воздействия на неё.
6.3.Применение.
В косметологии. Чтобы косметика держалась на коже, ее делают вязкой, будь это жидкий тональный крем, блеск для губ, подводка для глаз, тушь для ресниц, лосьоны, или лак для ногтей.
В кулинарии. Чтобы улучшить оформление блюд, сделать еду более аппетитной и чтобы ее было легче есть, в кулинарии используют вязкие продукты питания.
В медицине. В медицине необходимо уметь определять и контролировать вязкость крови, так как высокая вязкость способствует ряду проблем со здоровьем. По сравнению с кровью нормальной вязкости, густая и вязкая кровь плохо движется по кровеносным сосудам, что ограничивает поступление питательных веществ и кислорода в органы и ткани, и даже в мозг. Если ткани получают недостаточно кислорода, то они отмирают, так как кровь с высокой вязкостью может повредить ткани и внутренние органы. Повреждаются не только части тела, которым нужно больше всего кислорода, но и те, до которых крови дольше всего добираться, то есть, конечности, особенно пальцы рук и ног. При обморожении, например, кровь становится более вязкой, несет недостаточно кислорода в руки и ноги, особенно в ткань пальцев, и в тяжелых случаях происходит отмирание ткани. В такой ситуации пальцы, а иногда и части конечностей приходится ампутировать. 16
В технике. Неньютоновские жидкости используются в автопроме, моторные масла синтетического производства на основе неньютоновских жидкостей
уменьшают свою вязкость в несколько десятков раз, при повышении оборотов двигателя, позволяя при этом уменьшить трение в двигателе.
7.НЕОБЫЧНЫЕ ОПЫТЫ С ВОДОЙ ПО ХИМИИ.
7.1.Эксперимент. Вода и масло.
Оборудование: растительное масло, вода, пищевой краситель, две идентичные колбы с плоскими поверхностями, игральная карта.
Ход выполнения
Наполнила одну колбу до краев растительным маслом.
В другую добавила немного пищевого красителя и заполнила водой.
Автор фото Е. Козыренко.
Поместила игральную карту на поверхность колбы с растительным маслом.
Осторожно перевернула колбу вверх тормашками и поставила ее ровно на колбу с водой.
17
Автор фото Е. Козыренко
5. Медленно, мягко уберала игральную карту. Что произошло? Масло и вода остались в своих колбах!
Автор фото Е. Козыренко.
6. Теперь повторила процесс, но на этот раз перевернула колбу с водой и поставила ее на колбу с маслом.
7.Осторожно вынула игральную карту и посмотрела, что произошло на этот раз. Подождала некоторое время... Масло и вода поменяются местами!
Автор фото Е. Козыренко
18
Вывод: масло и вода не смешиваются. Молекулам воды не нравится смешиваться с молекулами масла. Кроме того, пищевой краситель смешивается только с водой. Он не окрашивает масло.
7.2. Эксперимент. Ныряющие яйца.
Оборудование: три стакана с водой; три сырых яйца; соль.
В один из стаканов с водой насыпала много соли и подождала пока она растворится.
Во второй из стаканов насыпала меньшее количество соли и подождала пока она растворится.
В третий стакан соль вообще не добавляла.
В каждый стакан опустила яйцо и вот, что получила.
Автор фото Е. Козыренко.
Вывод: тонет то, что тяжеле, плотность воды разная.
7.3. Эксперимент. Несгораемый платок.
Оборудование: емкость с водой, хлопчатобумажный носовой платок, спирт, спиртовка.
Ход работы.
Смочила платок водой и полила на него спиртом.
Подожгла платок.
Платок сначала горел хорошо, а затем потух.
Платок остался цел. 19
Автор фото О.К.Крюкова.
Вывод: температура воспламенения влажной ткани значительно выше, чем температура воспламенения спирта.
7.4.Эксперимент. Шарик на огне.
Оборудование: воздушные шарики, свеча, спички, стакан холодной воды.
Ход работы.
В воздушный шарик налила холодную воду и немного надула.
После этого зажгла свечу.
Поднесла шарик к свече, он не лопнул.
Автор фото О.К.Крюкова.
Надула другой воздушный шарик и поднесла к огню, он лопнул.
Вывод: в этом опыте демонстрируется «теплопроводность воды», т.к. она в 24 раза больше чем у воздуха. Пока вода не испарится в шарике, он не лопнет.
20
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
«Что такое вода?» – вопрос далеко не простой. Все, о чем было рассказано о ней в данной работе не является исчерпывающим ответом на этот вопрос, а во многих случаях нельзя дать ясный ответ на него в настоящее время. Например, пока остается открытым вопрос о структуре воды, причинах многочисленных аномалий воды и, вероятно, еще о многих свойствах и разновидностях воды, о которых мы даже не подозреваем. Однозначно можно сказать лишь то, что вода - самое уникальное вещество на Земле. Гипотеза верна, наличие водородной связи у воды - это всего лишь необходимое, но не достаточное условие для объяснения необычных свойств воды.
В своём исследовании я рассмотрела необычные свойства различных жидкостей. Узнала их практическое применение. У всех жидкостей есть одно общее свойство – в их основе лежит вода.
21
10.ЛИТЕРАТУРА
Методические материалы:
Ахметов Н.С., Неорганическая химия. Москва, 1992г.
Горев Л.А. Занимательные опыты по физике.- М.:Просвещение,1987г.
Кабардин О.Ф., Физика, справочные материалы, Просвещение, 1988г.
Крестов Г. А.От кристалла к раствору. - Л.: Химия , 1977г.
Перышкин А. В. Физика 7 класс, Дрофа, Москва 2008 г.
Интернет-ресурсы:
http://www.youtube.com/watch?v=sbCW2RydyLU
http://ru.wikipedia.org
http://www.google.ru
23
Приложение 1.
НЕНЬЮТОНОВСКАЯ ЖИДКОСТЬ.
.
1.Что же происходит с неньютоновскими жидкостями?
Частицы крахмала набухают в воде и формируются контакты в виде хаотически сплетенных молекул.
Эти прочные связи называются зацеплениями. При резком воздействии прочные связи не дают молекулам сдвинуться с места, и система реагирует на внешнее воздействие, как упругая пружина.
Рис.1
Рис.2
При медленном воздействии зацепления успевают растянуться и распутаться. Сетка рвется и молекулы расходятся.
Рис.3
24
Исследовательская работа по физике и химии. Вода удивительная и удивляющая. (17.14 MB)
0
1261
78
Нравится
0
