В детской исследовательской работе по биологии на тему "Три состояния воды" автор выясняет, что такое вода, а также проводит исследование и изучение свойств воды для того, что понимать условия изменения агрегатного состояния воды, и как этот процесс влияет на природу и живых организмов.

Подробнее о работе

В ученической исследовательской работе по биологии на тему "Три состояния воды" собрана и проанализирована научная литература по изучаемому вопросу, проведены практические эксперименты по определению цвета и запаха воды, основных свойств воды. В процессе работы над проектом учащаяся выявила пользу каждого агрегатного состояния воды для живых организмов.

Данный индивидуальный проект по биологии на тему "Три состояния воды" содержит описание твёрдого агрегатного состояния воды, а также жидкого и газообразного. В завершении исследования автором проекта были изучены и описаны фазовые переходы воды из одного состояния в другое.

Оглавление

Введение
1. История изучения свойств воды.
1.1 Твёрдое агрегатное состояние воды
1.2 Жидкое агрегатное состояние воды
1.3 Газообразное агрегатное состояние воды
1.4 Фазовые переходы
Заключение
Список использованной литературы

Любому человеку с детства знакомо выражение «Что такое Н2О». Каждый с уверенностью ответит что это конечно же вода! Данная жидкость зачастую встречается и в устном народном творчестве, а чаще всего в загадках, пословицах и поговорках.

Например: сапоги мои того, пропускают Н2О, вода камень точит, длинные сосульки - долгий лён, как с гуся вода, на обиженных воду возят и многие другие.

Мы каждый день пользуемся водой. Вода служит универсальным источником для питья и мытья, для поливки сельскохозяйственных культур, для отопления жилых помещений, и этот список не имеет конца. Но кто - нибудь хоть раз задавался вопросом: «А что такое вода? Почему снег - это тоже вода? Как укротить воду ?».

В данной исследовательской работе постараемся дать ответы на поставленные вопросы, и выяснить, почему вода имеет три состояния по сравнению с другими жидкостями.

Цель работы: исследование и изучение свойств воды для того, что понимать условия изменения агрегатного состояния воды, как этот процесс влияет на природу и живых организмов.

Объект исследования: три агрегатных состояния воды.

Предмет исследования: вода.

Задачи:

1. Определить цвет и запах воды.
2. Определить основные свойства воды.
3. Выявить пользу каждого агрегатного состояния воды для живых организмов.

Истоки древней философии гласят о том, что всё в природе образовано четырьмя элементами (стихиями): земля, воздух, огонь и вода. Данная идея просуществовала до начала Средних веков.

В 1781 году британский физики и химик Генри Кавендиш сообщил научному миру о том, что получил воду при сжигании водорода, но к сожалению он сам не смог оценить в полной мере важность своего открытия.

В 1783 году основатель современной химии Антуан Лоран Лавуазье смог опытным путём доказать, что вода - это не химический элемент, в соединение водорода и кислорода.

В 1819 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус и французский химик Пьер Луи Дюлонг и чуть позже в 1842 году французский химик Жан Батист Дюма совместно с бельгийским химиком Жаном Серве Стасом смогли установить весовой состав воды, пропуская водород через оксид меди.

Исходя из проведённых лабораторных исследований, учёные смогли определить соотношение водорода к кислороду для воды. В 1820 году французский химик Жозеф Луи Гей - Люссак смог измерить объёмы газообразного водорода и кислорода, которые при взаимодействии давали воду. Выведенное соотношение показало выражение 2 к 1, которое отвечает современной формуле воды -  

На сегодняшний день можно было бы сказать о том, что человечество уже знает всё о воде, но как вода появилась на планете Земля до сих пор остаётся нерешённым. Часть учёных говорит о том, что вода на Земле образовалась за счёт синтеза водорода и кислорода. Советский математик Отто Юльевич Шмидт считает, что вода на нашу планету была привнесена из космического пространства при образовании планеты.

Вместе с космической пылью и минеральными частицами на Землю падали куски и глыбы космического льда, которые при разогревании планеты превращались в водяной пар и воду.

№ 1. Химическая формула воды - Н2О

№ 2. Вода - это жидкость без цвета, вкуса и запаха.

№ 3. Без воды невозможно существование никакого живого организма.

№ 4. Человеческое тело более чем на 65 % состоит из воды.

№ 5. Вода в природе представлена в трёх агрегатных состояниях - твёрдом, жидком и газообразном.

РИС.1 Отображение агрегатных состояний воды

75 % процентов поверхности планеты Земля покрыто водой. На научном языке водную оболочку нашей планеты называют Гидросфера. Основная часть данной оболочки составлена из солёных вод морей и океанов и чуть меньше занимает пресная вода рек, озёр, ледников, грунтовых вод.

Как известно, вода на земле существует в трёх агрегатных состояниях - твёрдом, жидком и газообразном. Абсолютно в любом живом организме вода необходима для осуществления различных химических реакций, без которых невозможна жизнь. 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.

Скорость обновления воды

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.

РИС.2 Круговорот воды в природе

Типы воды:

1. Мягкая и жёсткая вода - по содержанию катионов кальция и магния.

2. По изотопам молекулы:

а) лёгкая вода (по составу соответствует обычной).

б) тяжёлая вода (дейтериевая).

в) сверхтяжёлая вода (тритиевая).

3. Дождевая вода (одна из форм атмосферных осадков, влага, которая испаряется с поверхности почвы и различных водоемов.)

4. Пресная вода (Пресной называют воду, в которой содержится не более 0,1 % соли. Она может находиться в виде жидкости, пары или льда. От общего количества водных ресурсов составляет 2,5—3 %.).

5. Морская вода (Солёность Мирового океана составляет в среднем 3,47 % (34,7 ‰), с колебаниями от 3,4 до 3,6 % (34-36 ‰). Это значит, что в каждом литре морской воды растворено 35 граммов солей (в основном хлорида натрия).

6. Минеральная вода (воды, добытые из водоносных горизонтов или водоносных комплексов, защищённых от антропогенного воздействия, сохраняющих естественный химический состав и относящиеся к пищевым продуктам, а при повышенной минерализации или при повышенном содержании определённых биологически активных компонентов).

7. Солоноватая вода (вода с концентрацией солей до 10 г/л.).

8. Питьевая, водопроводная вода (вода, которая предназначена для ежедневного неограниченного и безопасного потребления человеком и другими живыми существами).

9. Дистиллированная вода (очищенная вода, практически не содержащая примесей и посторонних включений).

10. Сточные воды (К сточным водам относятся любые воды, а также те, что образовались вследствие атмосферных осадков (дождевые, талые), которые отводятся с территорий городов, поселков и промышленных предприятий в водоемы самотеком или через канализационную систему, имеющие свойства, ухудшенные в результате человеческой жизнедеятельности).

11. Ливневая вода, поверхностные воды (дождевые, талые, поливомоечные воды, поступающие в системы водоотведения с территорий поселений, объектов хозяйственной и иной деятельности).

12. Поливода (гипотетическая полимеризованная форма воды, которая может образоваться за счёт поверхностных явлений и обладать уникальными физическими свойствами. Активное изучение феномена «поливоды» происходило в 1960-х — начале 1970-х годов).

13. Талая вода (чистая высококачественная вода, которая вовсе не имеет или имеет в себе минимальное количество тяжелой или дейтериевой воды, не содержит хлориды, соли, вредные вещества и соединения).

1. Диполь (Диполь молекулы воды характеризуется дипольным моментом, т. е. вектором, направленным от отрицательного к положительному заряду. Он равен произведению зарядов на расстояние между ними).

2. Высокое поверхностное натяжение (Поверхностное натяжение обуславливает капиллярные явления, собирает воду в капли, создаёт поверхностную плёнку и позволяет некоторым насекомым перемещаться по ней. Высокая полярность молекул обуславливает способность воды растворять вещества с ионной или ковалентной полярной связью).

3. Растворитель (Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные — атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества).

4. Высокая вязкость (Динамическая вязкость воды выше, чем у сопоставимых, не связанных водородом жидкостей. Более того, зависимость вязкости от давления аномальна: вязкость уменьшается с давлением и достигает минимума около 60 МПа (это давление эквивалентно толще воды в 6 км).

5. Большая теплоёмкость (Это значит, что существенное увеличение тепловой энергии вызывает лишь сравнительно небольшое повышение ее температуры).

6. Электропроводность (Электрическая проводимость природной воды зависит в основном от степени минерализации и температуры).

7. Радиоактивность (Вода может нести радиоактивные вещества в растворимых и нерастворимых частицах. Частицы могут включать в себя полезные ископаемые в воде, или посторонние предметы, оказавшиеся в воде случайно).

Твёрдое агрегатное состояние воды - это либо лёд либо снег. Но есть и некоторые ассоциации, касаемые тому, к какому агрегатному состоянию относится иней - а иней- это твёрдое агрегатное состояние, так как это мелкая ледяная крошка либо замёрзшие капли росы.

При замерзании воды, её молекулы начинают отодвигаться дальше друг от друга, при этом делая лёд менее плотным, чем жидкость, т.е. получается, что вода в твёрдом агрегатном состоянии занимает больший объём, нежели в жидком.

Исходя из закона известного физика Даниила Бернулли «большинство испытываемых веществ при снижении температурного режима начинают сжиматься, а вода - начинает расширяться, в чём заключается её уникальная особенность».

Процесс замерзания воды - это происходящий процесс при значении температурного параметра в  по шкале Цельсия (273, 15 К - по шкале Кельвина), т.е. вода кристаллизуется и переходит из жидкого состояния в твёрдое. Есть один фактор, влияющий на температуру замерзания воды - это содержание и наличие солей в составе кристаллической решётки.

Есть интересный вопрос, который зачастую встречается в олимпиадных заданиях по физике: «Назовите металл, который находясь в жидком агрегатном состоянии (т.е. находясь в расплавленном состоянии) может заморозить воду ?».

Единственным ответом на данный вопрос является следующий факт: такой металл как ртуть начинает плавиться при температурном значении. Исходя из этого, следует, что ртуть при температуре от - 38 до 0 градусов по шкале Цельсия способна заморозить воду, при это забирая у неё накопленное тепло.

Самое распространенное состояние воды на нашей планеты в отличие от остальных - это всех пресноводных запасов воды, которые в большей степени находятся в замороженном виде, так как около 11 % - это площадь, занимаемая ледниками на нашей планете.

Жидкое агрегатное состояние воды может перейти в твёрдое при температуре порядка по шкале Цельсия, то морская вода (имея среднюю плотность около 1030, так называемой средней солёности может замерзать при температуре около по шкале Цельсия.

В таком виде вода, в данном случае лёд, сохраняет свою форму и объём. Под воздействием температуры вода начинает менять состояние и превращаться в лёд, т.е. замерзать. Различают два вида твердого состояния воды — это аморфное и кристаллическое. При аморфном состоянии атомы вещества хаотичны, а при кристаллическом — наоборот упорядочены.

Изредвля веков каждый знает, что в привычном обиходе для каждого живого организма вода представлена в жидком агрегатном состоянии, которая встречается чаще всего в реках, озёрах, морях и океанах. Факт единственный - это то, что атмосферные облака состоят из мельчайших кристаллов воды и льда, что является самым частым явлением - это дождь. 

Дело в том, что вода в жидком агрегатном состоянии может с лёгкостью проходить в почвенный покрой, при этом образуя подземные водные горизонты, именно благодаря которым выводится основная масса питьевой воды для существования жизни на нашей планете.

Вода в жидком агрегатном состоянии может отличаться единственным своим свойством - это высокая прилипчивость к различной твёрдой материи или поверхности. Сама по себе вода не может быть «влажной», но по своим свойствам очень легко может сделать «влажными» большое количество твёрдых материалов.    

Вода из жидкого агрегатного состояния с лёгкостью может перейти в твёрдое и даже газообразное состояние, так как всё зависит от одного параметра - это температура. Но не стоит забывать о том, что не мало важную роль играет также самый важный параметр жизни всего и всех - это «Давление». 

Что такое «Испарение ?» - это по сути переход от жидкого агрегатного состояния в газообразное.  А тогда, такой вопрос - «Как вода может превратиться в пар?». Исходя из простых наблюдений, при кипячении воды именно она начинает превращаться в водяной пар, т.е. это уже жидкое состояние воды - иными словами скопление её микроскопических капелек.

Что такое «Пар - это по сути вода в газообразном состоянии, когда по сути вода либо кипит либо испаряется». Настоящий пар, он по сути невидим человеческому глазу.

И тут всплывает такое понятие, как «Точка росы». Это температура воздуха, которая меняется в зависимости от давления и влажности, ниже которой водный пар начинает конденсироваться в водяные капли и образуется роса. Т.е. агрегатное состояние воды из газообразного состояния меняется на жидкое. Закипает жидкая пресная вода при 100°C (градусах Цельсия) или 212°F (градусах Фаренгейта), в условиях нормального атмосферного давления. Чем ниже давление (например, в горах), тем выше температура кипения.

Особенностью воды является то, что ее молекулы способны при колебании температуры изменять характер связи друг с другом. Основные свойства ее при этом не меняются. Если нагревать воду, ее молекулы начинают двигаться быстрее.

Т.е. молекулы, которые соприкасаются с воздухом, разрывают свои связи и смешиваются с его молекулами. Вода в газообразном состоянии сохраняет все свои качества, но приобретает также свойства газа. Ее частицы находятся на большом расстоянии друг от друга и интенсивно двигаются. Чаще всего такое состояние называют водяным паром.

Это бесцветный прозрачный газ, который при определенных условиях опять превратится в воду. Он повсеместно распространен на Земле, но чаще всего его не видно. Примеры воды в газообразном состоянии - это облака, туман или водяной пар, образующийся при кипении жидкости. Кроме того, она везде находится в составе воздуха. Ученые заметили, что при его увлажнении дышать становится легче.

Чаще всего вода переходит в газообразное состояние при изменении температуры. Обычный пар, который всем знаком, образуется при кипении. Именно это беловатое горячее облако мы и называем водяным паром. Когда жидкость при нагревании достигает точки кипения, а при обычном давлении это происходит при 100°, молекулы ее начинают интенсивно испаряться. Попадая на более холодные предметы, они конденсируются в виде капелек воды.

Если нагревается большое количество жидкости, то в воздухе образуется насыщенный пар. Это состояние, когда газ и вода сосуществуют, потому что скорость испарения и конденсации одинакова. В том случае, когда в воздухе присутствует много водяного пара, говорят о его повышенной влажности. При понижении температуры такой воздух интенсивно конденсирует влагу в виде капелек росы или тумана. Но для образования тумана мало особых условий температуры и влажности.

Нужно, чтобы в воздухе находилось определенное количество пылинок, вокруг которых и конденсируется влага. Поэтому в городах туманы из-за пыли образуются чаще.

Процесс образования пара называется парообразованием. Его наблюдает каждая женщина при приготовлении пищи. Но существует и обратный процесс, когда газ превращается обратно в воду, оседая на предметах в виде мельчайших капелек. Это называется конденсацией. Каким же образом чаще всего происходит парообразование?

В естественных условиях этот процесс называется испарением. Вода испаряется постоянно под воздействием солнечного тепла или ветра. Искусственно образование пара можно вызвать с помощью кипения воды.

Это процесс, когда получается газообразное состояние воды. Он может быть естественным или ускоренным с помощью различных приспособлений. Испаряется вода постоянно.

Это ее свойство люди издавна использовали для просушки белья, посуды, дров или зерна. Любой мокрый предмет постепенно высыхает благодаря испарению влаги с его поверхности. Молекулы воды в своем движении одна за другой отрываются и смешиваются с молекулами воздуха.

Под действием температуры и определенных внешних воздействий вода меняет свое состояние, происходит фазовый переход воды из одного состояния в другое. К фазовым переходам воды относятся такие процессы, как:

1. Лёд-вода, иначе процесс плавления, при котором происходит переход вещества из твердого состояния в жидкое.

2. Вода-лёд, это процесс замерзания (кристаллизации) — жидкое вещество переходит в твердое. Рассмотрим процесс кристаллизации, он возможен, когда понижается температура. Когда молекулы теряют свое теплоту, то становятся менее подвижны, так как им не хватает энергии. Например, мы контейнер с водой поставили в морозильную камеру холодильника, и вода превратится в лед.

3. Вода-пар (газо/парообразование), пар-вода (конденсация). По мере того, как происходит увеличения температуры воды, ускоряется испарение, и как вода достигнет температуры 100*С, она начинает закипать, в таком состоянии она больше не может принимать энергию не изменив свое состояние, в итоге происходит испарение. Кипение — это интенсивный процесс перехода воды в пар, а конденсация это процесс обратный. При конденсации же, процесс происходит наоборот, выделяется небольшое количество тепла в окружающую среду, и ее температура немного повышается.

4. Лёд-пар (минуя состояние воды), такой процесс получил название сублимация примером сублимации может послужить эксперимент с мокрой рубашкой, вывешенной на мороз — лед исчезнет с рубахи, превратившись в пар.

5. Пар — лед, в итоге мы имеем десублимацию. При этом процессе выделяется энергия. Примером может послужить морозный узор на стеклах.

6. Газ-плазма. Для этого необходимо ионизировать газ. Степень ионизации зависит от количества атомов и от температуры.

Вода - это и строительный материал, который используется для создания всего живого, и среда, в которой протекают все жизненные процессы, и растворитель, выносящий из организма вредные для него вещества, и уникальный транспорт, снабжающий биологические структуры всем необходимым для нормального протекания в них сложнейших физико-химических процессов.

И это всеобъемлющее влияние воды на любую живую структуру может быть не только положительным, но и отрицательным. В зависимости от своего состояния вода может быть как созидателем цветущей жизни, так и ее разрушителем, могильщиком - всё зависит от ее химического и изотопного состава, структурных, биоэнергетических свойств. Не случайно академик И. В. Петрянов сказал: "Вода - это подлинное чудо природы!". Учёные абсолютно правы: нет на Земле вещества, более важного для нас, чем обыкновенная вода, и в тоже время не существует другого такого вещества, в свойствах которого было бы столько противоречий и аномалий, сколько в её свойствах.

«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 дать ясный ответ на него пока и совсем нельзя. 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.

Напомним слова нашего гениального соотечественника акад. В. И. Вернадского о том, о «надо ждать особый исключительный характер физико-химических свойств воды среди всех других соединений, который отражается и на ее положении в мироздании и на структуре мироздания».

1. Андреев Ю. А. Три кита здоровья. — СПб., Диамант. 1996.
2. Грейсер Е.Л., Иванова Н.Г. Пресные подземные воды: состояние и перспективы водоснабжения населенных пунктов и промышленных объектов. // Разведка и охрана недр. 2005 Вып. 5. С. 36-42.
3. Залманов А. С. Тайная мудрость человеческого организма. — М., Наука. 1991.
4. Зенин С.В. Структурное состояние воды как показатель ее качества. //«Стандартсервис» Информ. сборник 2004. № 5.
5. Масару Эмото Послание воды. М, ООО Издательство «София». 2006.
6. Мосин О. В. Химическая природа воды и её память. //«Стандартсервис» Информ.сборник 2008. № 3.
7. Неумывакин И. П. Вода – жизнь и здоровье: мифы и реальность. Издательство: Диля. 2015.
8. Яхнин Э. Я., Томилин А. М., Шелемотов А. С. Оценка качества и химический состав подземной воды дочетвертичных отложений Ленинградской области // Разведка и охрана недр. 2005. Вып.5, С. 42-48.
9. National Research Council // Drinking Water and Health. Washington, 1977. Vol. 7.
10. Fletcher N. H., The chemical physics of ice, Camb., 1970.