Проект "Физические свойства воды" - проектная деятельность в рамках ФГОС

МБОУ СОШ № 12 ИМЕНИ АКАДЕМИКА

 В. И. КУДИНОВА

ПРОЕКТ

по теме: «Физические свойства воды»

Выполнила: Ученица 6 «Г»

 Шалавина Екатерина

Руководитель: Сухарева Лариса

Алексеевна

г. Воткинск 2015г.

Содержание:

1.     Введение

2.     Что такое вода?

3.     Физические свойства вещества

1)    Агрегатные состояния вещества

2)    Основные характеристики состояний

3)    Физические свойства воды

4)    Эксперименты

4.     Термометр

1)    История появления термометра

2)    Температурные шкалы

5.     Заключение

Введение

Знаете ли вы, что струей воды можно перерезать стальную броню или бетонную плиту толщиной в несколько десятков сантиметров?

Технику резки водой разработал в 1967 году Норман Франц из американского университета Индиана. Изобретатель доказал, что струя воды, мчащаяся вдвое быстрее звука, режет сильнее и точнее, чем стальной резец. Такую скорость можно получить, пропуская воду через микродырку в сверхтвердом техническом кристалле сапфира под огромным давлением.

Для сравнения: значения скорости распространения звука и воды в воздухе:                   

Актуальность темы: выяснить, какими ещё физическими свойствами обладает вода, и каковы её агрегатные состояния.  Зависят ли физические свойства от химического  состава воды?

Цель проекта: выяснить, какими физическими свойствами обладает вода.

Задачи проекта:

1.     Изучить физические свойства воды.

2.     Провести практические исследования.

3.     Используя информационные источники, расширить свои теоретические знания о физических свойствах воды.

4.     Рассказать о процессах и явлениях, связанных с физическими свойствами воды.

Методы исследования:

-       наблюдение;

-       сбор информации;

-       эксперимент;

-       обобщение.

Что такое вода?

Вода () – это окись водорода, она является наиболее важным и распространенным веществом.  Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного — кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью. В природе не существует чистой воды, в ней обязательно содержатся какие-либо примеси.  При нормальных условиях представляет собой прозрачную жидкость, не имеет вкуса и запаха, прозрачна, ее получают в процессе перегонки, после этого она называется дистиллированной.

По массе в состав воды входит почти 89 % кислорода и 11 % водорода, вода кипит при температуре +100°С, а замерзает при 0°С.  Является  плохим проводником  для электричества, но хороший растворитель.

Вода является растворителем необходимым для протекания биохимических реакций, она хорошо растворяет ионные и многие ковалентные соединения. Своими способностями к растворению многих веществ вода обязана полярности своих молекул (при растворении ионных веществ молекулы воды ориентируются вокруг ионов).

Физические свойства воды

Под свойствами воды понимают совокупность биохимических, органолептических, физико-химических, физических, химических и других свойств воды.

1. Агрегатные состояния вещества

Все вещества могут существовать в трех агрегатных состояниях - твердом, жидком и газообразном. Четвертым агрегатным состоянием вещества часто считают плазму.

Агрегатное состояние зависит от физических условий, в которых находится вещество. Существование у вещества нескольких агрегатных состояний обусловлено различиями в тепловом движении его молекул (атомов) и в их взаимодействии при разных условиях.

Твердые тела - агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы и характером теплового движения атомов. Это движение вызывает колебания атомов (или ионов), из которых состоит твердое тело. Амплитуда колебаний обычно мала по сравнению с межатомными расстояниями.

 Структура твердых тел многообразна, но, тем не менее, их можно разделять на кристаллы и аморфные тела, так как они имеют правильную кристаллическую решетку.

Кристаллическая решётка — некий геометрический образ, имеющий сходство с канвой или сеткой, что даёт основание называть точки решётки узлами. Это расположение замечательно тем, что относительно каждой точки все остальные расположены совершенно одинаково.

Жидкость - агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным. Для нее характерна большая подвижность частиц и малое свободное пространство между ними. Это приводит к тому, что жидкости сохраняют свой объем и принимают форму сосуда. В то же время жидкость обладает рядом только ей присущих свойств, одно из которых - текучесть.

 В жидкости молекулы размещаются очень близко друг к другу. Поэтому плотность жидкости гораздо больше плотности газа (при нормальном давлении). Свойства жидкости по всем направлениям одинаковы (изотропны), за исключением жидких кристаллов.

Газ - агрегатное состояние вещества, в котором частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия; кинетическая энергия теплового движения его частиц (молекул, атомов) значительно превосходит потенциальную энергию взаимодействий между ними, поэтому частицы движутся почти свободно, целиком заполняя сосуд, в котором находятся, и принимают его форму. Любое вещество можно перевести в газообразное, изменяя давление и температуру.

Всё выше сказанное можно представить в сравнительной таблице:

лёд	вода	газ
-        четкое расположение частиц – кристаллическая решетка; -        сохраняет форму; -        имеет объем; -       плотная упаковка частиц.	-        текучи; -        сохраняет объём; -        принимает форму сосуда; -       нечёткое расположение частиц, и их большая подвижность.	-        нет собственной формы; -        нет постоянного объёма; -        заполняет всё предоставленное пространство; -        рыхлая упаковка частиц; -        легко сжимаются.

2. Основные характеристики состояний

Многие свойства воды аномальны, это вызвано особенностями строения молекулы воды. Молекула воды обладает угловым строением, ядра которого образуют равнобедренный треугольник. В основании этого треугольника находятся два протона (водород), а вершиной является ядро атома кислорода.

Физические свойства воды аномальны, вода является единственным веществом на Земле, существующим в жидком, твердом и газообразном состояниях.

Лёд – является кристаллическим состоянием воды. Этот минерал имеет химическую формулу .

Структура кристаллов льда схожа со структурой алмаза: любая молекула  находится в окружении четырех ближайших к ней молекул, которые располагаются на равных 2,76А расстояниях от нее и находящихся в углах правильного тетраэдра. Поскольку координационное число низкое, то лед имеет ажурную структуру, что сказывается на его плотности (0,917).

Вода, превращаясь в лёд, увеличивает свой объём примерно на 9 %. Лёд, будучи легче жидкой воды, образуется на поверхности водоёмов, что препятствует дальнейшему замерзанию воды.

Высокая удельная теплота плавления льда, равная 330 кДж/кг, (для сравнения — удельная теплоты плавления железа равна 270 кДж/кг) , служит важным фактором в обороте тепла на Земле. Так, чтобы растопить 1 кг льда или снега, нужно столько же тепла, сколько требуется, чтобы нагреть литр воды от 0 до 80 °C.

Лёд встречается в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного) , а также в виде снега, инея и т. д. Под действием собственного веса лёд приобретает пластические свойства и текучесть.

Природный лёд обычно значительно чище, чем вода, так как при кристаллизации воды в первую очередь в решётку встают молекулы воды. Лёд может содержать механические примеси — твёрдые частицы, капельки концентрированных растворов, пузырьки газа. Наличием кристалликов соли и капелек рассола объясняется солоноватость морского льда.

А также он является бесцветным. Синеватый оттенок лед получает в немалых скоплениях. Имеет стеклянный блеск. Прозрачный. Не обладает спайностью. Твердость – 1,5. Непрочный. Показатель преломления весьма низкий (n = 1,309).

Вода - является растворителем необходимым для протекания биохимических реакций, она хорошо растворяет ионные и многие ковалентные соединения. Своими способностями к растворению многих веществ вода обязана полярности своих молекул (при растворении ионных веществ молекулы воды ориентируются вокруг ионов).

По массе в состав воды входит 88,81% кислорода и 11,19% водорода, вода кипит при температуре +100° С, а замерзает при 0° С, она плохой проводник для электричества и теплоты, но хороший растворитель.

При переходе воды из твердого состояния в жидкое, её плотность не уменьшается, а возрастает, также плотность воды увеличивается  при ее нагреве от 0 до +4С, и только при последующем ее нагревании плотность уменьшается.

При + 4С градусах плотность воды превышает плотность льда, благодаря чему, охлаждаясь сверху, вода опускается на дно лишь до тех пор, пока ее температура не достигнет +4С, вследствие чего лед остается на поверхности водоемов, что делает возможным жизнь под слоем льда водной флоры и фауны.

Еще одним свойством воды является то, что она обладает высокой теплоемкостью (с=4200) и является хорошим теплоносителем. Это объясняет, почему в ночное время и при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или во время перехода от зимы к лету также медленно нагревается. Благодаря этому свойству вода является регулятором температуры на Земле.

Среди всех жидкостей вода имеет самое высокое поверхностное натяжение, исключение составляет только ртуть. Дистиллированная вода не проводит электрический ток, так как она слабый электролит и диссоциирует в малой степени.

По массе в состав воды входит 88,81% кислорода и 11,19% водорода, вода кипит при температуре +100С, а замерзает при 0С , она плохой проводник для электричества и теплоты, но хороший растворитель.

Существуют разновидные воды: обычная и тяжелая.

Тяжелой водой () называется та вода, в состав которой входит изотоп водорода дейтерий. Химические реакции с такой водой протекают медленнее, чем с обычной. Используют тяжелую воду в ядерной энергетике (ядерные  реакторы).

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. Те, которые соприкасаются с воздухом, разрывают свои связи и смешиваются с его молекулами.

Вода в газообразном состоянии (газ) 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.

Переходы между ними сопровождаются скачкообразным изменением ряда физических свойств (плотности, теплопроводности и др.).

3. Физические свойства воды

Как мы выяснили, вода единственное вещество, которое может находиться в различных агрегатных состояниях не похожих друг на друга.

Агрегатные состояния воды:

Твёрдое - лёд.

Жидкое - вода.

Газообразное - водяной пар.

Всего различают шесть процессов, при которых происходят агрегатные превращения вещества. Рассмотрим фазовые переходы – процессы изменения агрегатных состояний воды (рис.1).

Рис.1

На рисунке представлены основные превращения воды (прямой и обратный процессы), а именно:

-       плавление – кристаллизация или отвердевание;

-       парообразование – конденсация;

-       сублимация (возгонка) – десублимация.

Плавление – процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкость. Процесс кристаллизации или отвердевания, как это видно на схеме, является обратным плавлению. Пример плавления – таяние льда, обратный процесс происходит при замерзании воды.

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием, обратный процесс называется конденсацией (от латинского слова «конденсатио» - уплотнение, сгущение). Пример парообразования – испарение и кипение воды, конденсацию можно наблюдать при образовании росы.

Переход вещества из твердого состояния в газообразное (минуя жидкое) называется сублимацией (от латинского слова «сублимо» - возношу) или возгонкой, обратный – десублимацией. Например, сухой лёд (твердый оксид углерода ), переходит сразу в газообразное состояние, который можно увидеть в контейнерах для транспортировки и хранения мороженого. Все запахи, которыми обладают твердые тела (например нафталин, саше (сухие духи)), также обусловлены возгонкой: вылетая из твердого тела, молекулы образуют над ними газ или пар, который и вызывает ощущение запаха.

Примером десублимации может служить образование на окнах зимой узоров из кристалликов льда, или инея на ветках деревьев.

Особенности фазовых переходов:

- При температуре в 0°C вода замерзает, то есть превращается в лёд, а кипит при температуре 100°C. При снижении давления температура плавления воды медленно растёт, а температура кипения - падает. При росте давления температура кипения воды растёт, плотность водяного пара в точке кипения тоже растёт, а жидкой воды - падает.

- При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01°C. Такое давление и температура называются тройной точкой воды.  При температуре 374°C  (647 K) и давлении 22,064 МПа (218 атм) вода проходит критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают.

- При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки льда падает со снижением давления.

- При более высоком давлении нет разницы между жидкой водой и водяным паром, следовательно, нет и кипения или испарения. Так же возможны метастабильные состояния - пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход.

В природе распространены тепловые явления: нагревание и охлаждение, испарение и конденсация, кипение, плавление и отвердевание. Тепловое расширение тел — тепловое явление, которое проявляется в природе, учитывается в быту и технике.

4.Экспериментальная часть.

Опыт 1. «Кипение воды»

Цель:  пронаблюдать кипение различных видов воды, при постоянной температуре и различном давлении. Выяснить, зависит ли температура кипения воды от давления.

Оборудование: барометр, секундомер, спиртовка, пробирки, держатель для пробирок, термометр, различные виды воды, демонстрационный столик.

Ход работы: эксперимент проводился в несколько этапов, то есть в разные дни – при различных значениях атмосферного давления. Использовали воду по различному химическому составу, что представлено в таблице. Параллельно с этим велись измерения времени.

День 1

Вид воды	Солёная вода	Загрязненная вода	Ключевая вода	Проточная вода	Минеральная вода
Давление р, кПа	103,5	103,5	103,5	103,5	103,5
Температура кипения  t, С°	106	104	102	101	103
Время закипания воды t, мин	2:44	3:51	2:06	2:31	3:58

День 2

Вид воды	Солёная вода	Загрязненная вода	Ключевая вода	Проточная вода	Минеральная вода
Давление р, кПа	102,3	102,3	102,3	102,3	102,3
Температура кипения  t, С°	101	99	97	96	98
Время закипания воды t, мин	2:35	3:15	1:55	2:20	3:20

День  3

Вид воды	Солёная вода	Загрязненная вода	Ключевая вода	Проточная вода	Минеральная вода
Давление р, кПа	100,4	100,4	100,4	100,4	100,4
Температура кипения  t, С°	99	98	96	94	96
Время закипания воды t, мин	2:17	2:10	1:47	2:08	2:33

Вывод: проделав работу, выяснили, что температура кипения воды зависит от давления окружающей среды - атмосферного давления. Так же эксперимент показал, что время закипания воды зависит как от химического состава воды, так и от атмосферного давления.

Опыт 2.  «Кристаллизация  воды»

Цель: пронаблюдать отвердевание различных видов воды, при постоянной уличной температуре и давлении.

Оборудование: пластиковые стаканчики, термометр уличный, часы, различные виды воды.

Ход работы:  опыт проводился при температуре окружающей среды -17° С (использовать пришлось морозильную камеру холодильника) и одинаковом атмосферном давлении равном 100,6 кПа.

Вид воды	Солёная вода	Загрязненная вода	Ключевая вода	Проточная вода	Минеральная вода
Начальная температура воды  t, С°	-17	-17	-17	-17	-17
Время полного отвердевания    t, ч	Не замёрзла	2:15	2:30	2:15	2:45

Вывод: явление кристаллизации, а также время кристаллизации воды, как показывает опыт, зависит от химического состава воды, и не зависит от атмосферного давления.

Термометр

Термометр - прибор для измерения температуры воздуха, почвы, воды и так далее. Существует несколько видов термометров:

-       жидкостные;

-       механические;

-       электрические;

-       оптические;

-       газовые;

-       инфракрасные.

Жидкостные термометры основаны на принципе изменения объёма жидкости, которая залита в термометр (обычно это спирт или ртуть), при изменении температуры окружающей среды.

Механические термометры  действуют по тому же принципу, что и электронные, но в качестве датчика обычно используется металлическая спираль или лента из биметалла.

Принцип работы электрических термометров основан на изменении сопротивления проводника при изменении температуры окружающей среды.

Оптические термометры позволяют регистрировать температуру благодаря изменению уровня светимости, спектра и иных параметров при изменении температуры.

Инфракрасный термометр позволяет измерять температуру без непосредственного контакта с человеком. В некоторых странах уже давно имеется тенденция отказа от ртутных термометров в пользу инфракрасных не только в медицинских учреждениях, но и на бытовом уровне.

1.     История появления термометра

До изобретения такого обыденного и простого для нашей повседневной жизни измерительного прибора как термометр, о тепловом состоянии люди могли судить только по своим непосредственным ощущениям: тепло или прохладно, горячо или холодно.

История термодинамики началась, когда в 1592  году Галилео Галилей создал первый прибор для  наблюдений за изменениями температуры, назвав его термоскопом. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной стеклянной трубкой. Шарик нагревали, а конец трубки опускали в воду. Когда шарик охлаждался, давление в нем уменьшалось, и вода в трубке под действием атмосферного давления поднималась на определенную высоту вверх. При потеплении уровень воды в трубки опускался вниз. Недостатком прибора было то, что по нему можно было судить только об относительной степени нагрева или охлаждения тела, так как шкалы у него еще не было.

Позднее флорентийские ученые усовершенствовали термоскоп Галилея, добавив к нему шкалу из бусин и откачав из шарика воздух.

В 17 веке воздушный термоскоп был преобразован в спиртовой флорентийским ученым Торричелли. Прибор был перевернут шариком вниз, сосуд с водой удалили, а в трубку налили спирт. Действие прибора основывалось на расширении спирта при нагревании, - теперь показания не зависели от атмосферного давления. Это был один из первых жидкостных термометров.

На тот момент показания приборов еще не согласовывались друг с другом, поскольку никакой конкретной системы при градуировке шкал не учитывалось. В 1694 году Карло Ренальдини предложил принять в качестве двух крайних точек температуру таяния льда и температуру кипения воды.

Такова основная история возникновения термометра Сегодня существует множество устройств, применяемых в промышленности, в быту, в научных исследованиях – термометры расширения и лабораторное оборудование, термоэлектрические и термометры сопротивления, а также пирометрические термометры, позволяющие измерять температуру бесконтактным способом.

2.     Температурные шкалы

В мире существует и используется несколько температурных шкал. Давайте посмотрим, как появлялись эти шкалы.

 В 1714 году Д. Г. Фаренгейт изготовил ртутный термометр. На шкале он обозначил три фиксированные точки: нижняя, 32 °F - температура замерзания солевого раствора, 96 ° - температура тела человека, верхняя 212 ° F - температура кипения воды. Термометром Фаренгейта пользовались в англоязычных странах вплоть до 70-х годов 20 века, а в США пользуются и до сих пор.

Еще одна шкала была предложена французским ученым Реомюром в 1730 году. Он делал опыты со спиртовым термометром и пришел к выводу, что шкала может быть построена в соответствии с тепловым расширением спирта. Установив, что применяемый им спирт, смешанный с водой в пропорции 5:1, расширяется в отношении 1000:1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения воды, ученый предложил использовать шкалу от 0 до 80 градусов. Приняв за 0 ° температуру таяния льда, а за 80 ° температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении.

В 1742 году шведский ученый Андрес Цельсий предложил шкалу для ртутного термометра, в которой промежуток между крайними точками был разделен на 100 градусов. При этом сначала температура кипения воды была обозначена как 0 °, а температура таяния льда как 100 °. Однако в таком виде шкала оказалась не очень удобной, и позднее астрономом М. Штремером и ботаником К. Линнеем было принято решение поменять крайние точки местами.

М. В. Ломоносовым был предложен жидкостный термометр, имеющий шкалу со 150 делениями от точки плавления льда до точки кипения воды. И. Г. Ламберту принадлежит создание воздушного термометра со шкалой 375 °, где за один градус принималась одна тысячная часть расширения объема воздуха. Были также попытки создать термометр на основе расширения твердых тел. Так в 1747 голландец П. Мушенбруг использовал расширение железного бруска для измерения температуры плавления ряда металлов.

К концу 18 века количество различных температурных шкал значительно увеличилось. По данным «Пилометрии» Ламберта на тот момент их насчитывалось 19.

Температурные шкалы, о которых шла речь выше, отличает то, что точка отсчета для них была выбрана произвольно. В начале 19 века английским ученым лордом Кельвином была предложена абсолютная термодинамическая шкала. Одновременно Кельвин обосновал понятие абсолютного нуля, обозначив им температуру, при которой прекращается тепловое движение молекул. По Цельсию это -273,15 °С. На рисунке 2 представлены три температурные шкалы и сравнение этих шкал.

На сегодняшний день используются термометры со шкалой Цельсия, Фаренгейта (в США), а также со шкалой Кельвина в научных исследованиях. В настоящее время температуру измеряют с помощью приборов, действие которых основано на различных термометрических свойствах жидкостей, газов и твердых тел. И если в 18 веке был настоящий «бум» открытий в области систем измерения температуры, то с прошлого века началась новая пора открытий в области способов измерения температуры.

Заключение.

Проделав данную работу, мной были сделаны следующие выводы:

·        Вода единственное вещество в природе, которое может находиться в любом агрегатном состоянии.

·        Химический состав воды оказывает влияние на основные фазовые переходы, а именно: плавление (кристаллизацию), парообразование (конденсацию) и т.д.

·        Температура кипения воды зависит от давления окружающей среды - атмосферного давления. Так же эксперимент показал, что время закипания воды зависит как от химического состава воды, так и от атмосферного давления.

·        Явление кристаллизации, а также время кристаллизации воды

зависит от химического состава воды, и не зависит от атмосферного давления.

Вода – источник жизни, поэтому она играет основную роль в жизни всего живого на земле и загрязнение приводит к ухудшению состояния природы и здоровья человека.

Литература:

1.     «Я познаю мир: Детская энциклопедия: Химия» : Л. А. Савина; М.: АСТ, 1996г.

2.     «Я познаю мир: Детская энциклопедия: Физика» : А. А. Леонович; М.: АСТ, 2001г.

3.     «Физика и Астрономия 8кл.»: А. А. Пинский, В. Г. Разумовский; М.: Просвещение, 1997г.

4.     «Физика 7кл.»: А. В, Перышкин, М.: Дрофа, 2003г.

http://www.gc-bars.ru/articles/5.htm

http://inetzar.ucoz.ru/load/fizike/16