Презентація «Вода знайома і незнайома»

Вода знайома і незнайома. Автор: вчитель фізики спеціалізованої школи 82 ім. Т. Г. Шевченка м. Києва. Краміна Людмила Миколаївна

Вода Молекула води складається з двох атомів гідрогену і одного атома оксигену (Н2 O). Розміримолекули ~ 0,2 нм. Маса молекули 29,9 · 10-27 кг. Чиста вода – це рідина без запаху, смаку та кольору. Вода існує у природі одночасно в трьох агрегатних станах. Природна вода завждиявляє собою розчин інших речовин, тому вода – поняття збиральне. Температурнийдіапазон природної води від -273 °С до 2000°С, вода може витримувати тиск від тисячних часток атмосфери до десятків тисяч атмосфер. Кількість води на Землі стала за всю історію планети, і розподіляється наступнимчином: Світовий океан складає 97,54%, 0,63% - підземні води, 1,81% - льодовики, 0,02% - гідросфера. Рослини і тіла живих істот більше, ніж на 50% складаються з води. Вода – це еталон для вимірювання температури, маси, кількості тепла, висоти, хочасама є самою аномальною речовиною. І досі вода залишається одним з найскладніших об’єктів для дослідження.

Структура води Структура води визначається умовами – тиском та температурою,присутністю тих чи інших з’єднань оксигену з гідрогеном,електромагнітним полем і т. і. Проблема структури води – одна з самих складних. Ключ дорозуміння аномалій води – в розгадці тайни її структури. Окремі молекули води пов’язані одна з одною водневими зв’язками. Водневий зв’язок відіграє надзвичайну роль в структурі не тільки води, але ібільшості біологічних молекул – вуглеводів, білків, нуклеінових кислот та т. і. Кожна молекула намагається з’єднатися з чотирма сусідніми, розташуванняатомів нагадує тетраедр. Вода складається з молекулярних вічок або кластерів. Кластер являє собою групу атомів чи молекул, об’єднаних фізичною взаємодією,але зберігаючих всередині нього індивідуальну поведінку. Воді притаманний феномен структурної пам'яті. Дослідно встановлено, щозмінити структуру води можна за допомогою механічної, хімічної абоелектромагнітної дії на воду. На сьогодні відомо 135 видів води і біля 200 видів льоду.

Вода – це рідина Молекула води найменша серед подібних трьохатомних молекул по відношенню до водневих з’єднань Н2 S, Н2 Se, Н2 Те. Такі молекули при нормальних умовахутворюють гази, а молекула води – рідина. Діапазон температур для води від 0 до 100°С – комфортний длявсього живого. Середня температура на планеті лежить в цихмежах. Ретельно очищена і звільнена від газів нерухома вода проявляєнезвичайні властивості: її можна перегріти на 50 °С вище від точки кипіння - вона не закипить, її можна сильно переохолодити до – 70 °С - вона не замерзне.

Густина води Найбільша густина води ρ = 1000 кг/ м3 при температурі+4°С. Від +4°С до +100°С густина води знижується на 4%. Вінтервалі температур від 0 до +4°С вода поводить себеаномально: при охолодженні розширюється, а при нагріванні стискається. Завдяки цьому восени і взимкуконвекція води у водоймах відбувається своєрідно:холодна вода як менш щільна піднімається вгору, а тепла– опускається вниз, що дозволяє живим організмампережити зиму. Густина льоду становть ρ = 800 кг/ м3. Тому лідзавжди легше води і плаває на її поверхні.

Теплопровідність Відносна теплопровідність води прийнята за 1. Ценайбільше значення серед рідин. Земна вода і поглинає, іповертає тепло, вирівнюючи таким чином клімат. За одну хвилину Сонце випаровує з Землі міліарди тон води. Водяна пара створює потужний парниковий ефект, який затримує теплове випромінювання Землі і не дає їй охолоджуватися. Для льоду теплопровідність становить – 3,7.

Теплоємність С = 4200 Дж / кг·°С - одна з найбільших. В зв’язку з цимзрозуміло, чому вода в водоймах нагрівається повільніше, ніжземля, і одночасно довше зберігає тепло. У всіх речовин, крім водита ртуті, питома теплоємність зростає зі збільшенням температури. У води теплоємність в інтервалі температур від 0°С до +35°С падає, а потім знову зростає. Питома теплоємність водяної пари С = 2000 Дж / кг·°С, льоду С = 2100 Дж / кг·°С Вода – це прекрасний теплоносій:водяне опалення будинків та тепла течія Гольфстріму, який зігріває Європу. Біля водойм завжди м'які коливання температури та помірний клімат.

Коефіцієнт об'ємного розширення Коефіцієнт об’ємного розширення лежить в межах 150≤ β ≤ 300∙ 10-6 1/С в залежності від температури. Коефіцієнтстискання 46 ∙ 10-6 - є одним із найменших. Те, що вода практично не стискається дозволяє багатьомбезхребетним тваринам використовувати заповнені водою порожнини тіла в якості внутрішньої опори організму під час руху (гідростатичний скелет). Те, що вода практично не стискається, справедливо тільки для малих тисків. Якби вода не стискалась зовсім, то рівень океану піднявся б на 30 м.

Поверхневий натяг та капілярність σ = 72·10-3 Н/м при 18 °С. Вода має один з найбільших серед рідин коефіцієнт поверхневого натягу та адгезію. Це дає можливість деяким тваринам рухатися по поверхні води, а також обумовлює властивість води підніматися по тонким капілярам, що важливо для водяного балансу ґрунту та рослин. В залежності від розмірів частинок, які утворюють капіляри в ґрунті, висота підйому води лежить в межах від декількох сантиметрів до декількох метрів.

Замерзання води При замерзанні об’єм води неочікувано зростає на 11 %, і також неочікуванозменшується в зворотньому порядку при таненні льоду при 0 °С за умовиабсолютного атмосферного тиску. В закритому об’ємі відбувається виникненнянадлишкового тиску до 2500 атм. Саме цим пояснюється та руйнівна сила впустотах гірських порід, що руйнує скелі та розриви систем водопостачання. Зі збільшенням тиску температура замерзання води зменшується приблизнона 1 °С через кожні 130 атм. Наприклад при тиску в 2200 атм. вода замерзає при– 22°С . Ця властивість аномальна. Цим пояснюється те, що вода на великихглибинах океанів не замерзає навіть при від’ємних температурах. Подальшезбільшення тиску веде до збільшення температури. Так при тиску в 20670 атм.температура замерзання води становитиме 76°С. Це вже гарячий лід. Лід завжди дуже чистий хімічно. В структурі льоду практично не буваєдомішок: при замерзанні вони витісняються в рідину. Саме тому крижинкизавжди білі, а шматочки льоду на поверхні брудної калюжі практично прозорі. В планетарному маштабі цей феномен замерзання води і танення льодувідіграє роль очисного процесу - вода на Землі постійно сама себе очищує.

Питома теплота плавлення Питома теплота плавлення льоду при 0°Сλ = 330к. Дж/кг – дуже висока порівняно з іншими речовинами. З кожним градусом зниження температури льоду теплота плавлення зменшується. Це можна пояснити тим, що питома теплоємність льоду менша, ніж води

Кипіння води Т = 100 °С при нормальному атмосферномутиску. Температура кипіння зростає зізбільшенням тиску та залежить від розчиненихв воді речовин. Питома теплота пароутворення при 100 °С ι = 2260к. Дж/кг - дуже висока, найбільша з рідин. Прихована внутрішня енергія водяної паридозволила використовувати її в паровихмашинах та двигунах.

Питома теплота пароутворення L = 2,4·106 Дж/кг. Завдяки дуже високій питомій теплоті пароутворення живі організми (і тварини, і рослини) отрималиможливість позбавлятися надлишку тепла випаровуючи воду з поверхні тіла. На відміну від іншихвидів теплообміну живих організмів з навколишнімсередовищем (теплопередача, конвекція та випромінювання) випаровування дозволяє тілу охолоджуватися навіть тоді, коли температура навколишнього середовища вища за температуру тіла.

Вода – універсальний розчинник Вода здатна розчинити практично всі елементи періодичної системи. Всезалежить від температури, тиску , часу та присутності інших хімічних елементів. Саме ця унікальна здібність унеможливлює отримання хімічно чистої води – вона завжди містить розчинений матеріал посудини. Ще 2500 років назад були відомі властивостісрібної води. Багато віковий досвід показав,що іони срібла гальмують розвитокбагатьох бактерій. Електролітичнийрозчин срібла використовується якпрофілактичний і лікувальний засіб, як консервант для збереження продуктів. Процес включення твердих речовин в великий кругообіг живої природиприскорюється властивостями води їх розчиняти. Вода з розчиненимикомпонентами твердих речовин стає середовищем живлення і постачальникоммікроелементів, необхідних для життя рослин, тварин і людини.

Діелектрична проникність Чиста вода – діелектрик . При 0°С ɛ = 74,6. З підвищеннямтемператури діелектрична проникність зростає. Так, при 20 °С ɛ = 81. Воді притаманна дисоціація - розщеплення на іони: водню H+ та гідроксилу OH- . При цьому в випадках з’єднання одного з іонів з іншою речовиною вода можестати або кислою при надлишку позитивних іонів, або лужною при надлишкунегативних іонів. Наприклад, якщо стиснути чисту воду під тиском 160 000 атм,то її густина при температурі 1300 °С буде дорівнювати 2, а сама вода будекислою, стане прекрасним електролітом. В природі за рахунок розчинених елементів вода є електролітом. В молекуліатом оксигену і два атоми гідрогену утворюють кут 104° 27' , що приводить дополярності молекули води. Ця полярність у води більш значна, ніж у іншихречовин, обумовлює її дипольний момент 1,844 Дебая та досить велику діелектричну проникність, визначає її інтенсивність як розчинника. Питомий опір дисцільованої води ρ= 1000-10000 Ом∙м. Питомий опір морської води ρ= 0,3 Ом∙м.

Магнітна проникність Магнітна проникність μ = 0, 9999. Це діамагнетик. Магнітне поле змінює властивості води. Магнітнаобробка води використовується для:~ очищення питної та промислової води; ~ збільшення змочування; ~ прискорення розчинення твердих тіл;~ для запобігання утворення в парових котлахвапняного нальоту;~ прискорення коагуляції та злипання твердихчастинок, які розчинені в воді;~ прискорення та підсилення адсорбції.

Оптичні властивості Вода відбиває 5 % сонячних променів, в той же час сніг – біля 85 %. Під лід проникає біля 2 % сонячного світла. Лід прозорий для сонячної енергії, особливо до УФ променів, але абсолютно непрозорий длятеплової довгохвильової радіації. Лід, а особливо сніг мають високу відбиваючувластивість. Завдяки цьому сонячні промені не викликають помітного нагріванняполярних шапок, і як наслідок цього наша планета захищена від підвищення рівня. Світового океану. Водяна пара дуже сильно поглинає червоні, інфрачервоні промені та довгохвильовевипромінювання. Саме тому водяна пара є основним парниковим газом, відповідаючимбільш, ніж за 60 % парникового ефекту. Завдяки великому дипольному моменту молекул, вода поглинає мікрохвильовевипромінювання. На цьому засновано принцип дії мікрохвильової печі. Має показник заломлення n=1,33. Вода поглинає електромагнітні хвилі вінфрачервоній та ультрафіолетовій областях спектру. Прозорість залежить від товщинишару, через яку проходить світло, від кольоровості й каламутності води, тобто від вмісту вній різних барвистих завислих мінеральних і органічних речовин. Синій колір чистої океанської води пояснюється вибірковим поглинанням ірозсіюванням світла в воді – короткі сині хвилі розсіюються краще.

Важка і легка вода Атоми оксигену та гідрогену, які утворюють молекулу води можуть матирізну атомну масу, бути ізотопами. Найбільш відомі :ізотопи гідрогену : протій 1 H , дейтерій 2 H, тритій 3 H; ізотопи оксигену : 16 O , 17 O, 18 O. Ці шість ізотопів можуть утворювати 18 різновидів води. Тритій і 17 Oприсутні в природі в дуже малій кількості. А дейтерій та 18 O зустрічаються взначних кількостях. В земних водах міститься 99,75% легкої води 1 H216 O , 0,18%важкої кисневої 1 H218 O, 0,04% важкої водневої 2 H17 O. В атмосферіспостерігається деякий надлишок важкого оксигену 18 O, який з’являєтьсявнаслідок розкладання рослин. Дейтерій утворюється , наприклад, при розпадіядер гелію. Атмосферна вода збагачується дейтерієм в результаті кругообігуводи в результаті дисипації протію в космічний простір. Дейтерій має високугігроскопічность, поглинає вологу з повітря. Збільшення дейтерію сповільнюєпротікання деяких реакцій. Використовується в реакторах для сповільненнянейтронів. Воду, яка містить протій, називають живою, а ту, яка містить дейтеріймертвою. Вживання мертвої води може привести до загибелі організмів.

Вода і «золотий переріз» В структурі молекули води присутня симетрія, яка наділяє цю молекулу зв’язком з золотою пропорцією. Поняття ”золота пропорція “ виникає під час розв’язку геометричної задачі про знаходження на відрізку АВ такої точки С, щоб виконувалось співвідношення СВ: АС = АС: АВ. Розв’язок цієї задачі приводить до співвідношення СВ: АС = (-1+√5)/2, яке називають ”золотою пропорцією “, а відповідний геометричний поділ відрізку АВ точкою С називають золотим перерізом. Якщо прийняти весь відрізок за одиницю, то АС = 0,618033… і СВ = 0,381966... В золотому трикутнику співвідношення ОА: АВ = ОВ: АВ дорівнює 0,618 і кут α = 108,0о. Золота пропорція виявляється там, де присутня гармонія. Не побачити в золотому трикутнику будову молекули води неможливо. Геометрія и розміри молекули води для різних агрегатних станіва – для париб - для води в - для стану, близького до утворення льоду, коли геометрія молекули схожа на 2 єгипетських трикутника з співвідношенням сторін 3 : 4 : 5г - для льоду Для льоду відношення довжин зв’язків О-Н к Н-Н дорівнює 0,100:0,163 = 0,613 і кут α = 109,5о, для водяної пари – відповідно 0,631 и 104,5о.

Роль води в розвитку, зростанні і фізіологічних функціях живого організму

1. Обмін речовин. В організмі людини присутня вільна і зв'язана вода. Співвідношення між зв'язаною та вільною водою організму людини задається при її народженні. Вільна вода є у клітинах, між клітинами і є основою живого. Зв'язана вода – це вода, сполучена з різними речовинами. Всі життєво важливі процеси в організмі протікають у водних розчинах органічних і неорганічних речовин. Завдяки властивостям води як розчинника кров і лімфа є ідеальним середовищем для протікання в організмі найскладніших хімічних процесів, процесів обміну речовин. У присутності води відбувається внутрішньоклітинний синтез, всмоктування в кров різних речовин, які набувають гідрофільних властивостей. Вода є провідником хімічних елементів для організму. Макромолекули білків та нуклеінових кислот оптимально взаємодіють з молекулами води.

2. Терморегуляція. Здатність організму підтримувати постійну температуру тіла обумовлена фізичними властивостями води: Вода має велику теплоємність. Навіть холоднокровні тварини здатні підтримувати відносну постійність температури тіла при короткочасних коливаннях температури навколишнього середовища завдяки фізичним властивостям рідини, що міститься в їх організмі. Саме тому, що питома теплоємність води має мінімум біля 37о. С, нормальна температура тіла людини, знаходиться в діапазоні температур 36-38о. С (внутрішні органи мають більшу температуру, ніж зовнішні). Вода має високий ступінь теплопровідності. Завдяки цьому тепло легко відводиться з глибоко розташованих частин тіла;Вода постійно випаровується з поверхні легенів і шкіри (до 2 кг за добу). При випаровуванні завдяки високій питомій теплоті пароутворення втрачається значна кількість тепла, що має значення для процесів фізичної теплорегуляції. Терморегуляція – це, здатність організму підтримувати майже постійну температуру тіла, не дивлячись на різні температурні умови зовнішнього середовища. Тепло утворюється в організмі безперервно в результаті окислювальних процесів, що відбуваються у всіх органах і тканинах. Наприклад, при гліколізі 60% енергії виділяється у вигляді тепла: Глюкоза + 2 АДФ + 2 Н3 PO4 + 2 НАД+ → 2піруват + 2 АТФ + 2 Н2 O + 2 НАДН(Н+) + енергія

3. Водний обмін. Складова частина водного обміну – водний баланс. Він визначає співвідношення між кількостями води, що поступила і виділилася, в організмі. Постійний відсотковий вміст води в тканинах тіла є вельми важливою умовою його існування і нормальної життєдіяльності. Порушення цієї постійності може викликати значні зміни у функціональному стані організму. Випаровуючись, вода забирає з організму шкідливі речовини та продукти обміну.

4. Медичні аспекти води сприяє пониженню кров'яного тискувиводить токсини, шлаки і надлишки солейзапобігає утворенню каміння в ниркахяк би "мастить" суглоби, виконуючи тим самим роль амортизації для спинного мозкурегулює температуру тіла забезпечує еластичність шкіринеобхідна для нормального травленнядозволяє зменшити жирові накопичення і знизити вагу

Людський організм погано переносить обезводнення. Втрата 1–1,5 л води вже викликає необхідність відновлення водного балансу, сигналом чого є відчуття спраги, залежне від збудження питного центру. Коли людина втрачає 6–8% своєї ваги за рахунок дефіциту води в його організмі наступають розлади ряду функцій: порушується обмін речовин; наростає кількість молочної кислоти; окислювальні процеси знижуються; збільшується в'язкість крові. Температура тіла підвищується, пульс швидшає, шкіра червоніє, частішає дихання, що переходить в задишку. Порушується секреція травних залоз. Апетит зникає повністю. Шкіра стає в'ялою в результаті зменшення вологи в підшкірному шарі. З'являються м'язова слабкість, запаморочення, головний біль і млявість. Якщо тіло людини втратить понад 10% своєї ваги за рахунок дефіциту води, то патологічні явища стають незворотними. При цьому западають очні яблука, погіршується зір, на шкірі утворюються мікротріщини. З'являються спазми в горлі. Розвивається анурія (відсутність сечі). Можливе марення. Дослідами над тваринами доведено, що вони гинуть при втраті 20–22% води, що знаходиться в тілі; хворобливі розлади (дратівливість, слабкість в кінцівках і ін.) наступають вже тоді, коли втрата води досягає 10%. Хворобливі явища можуть наступити і коли людина споживає зайву кількість води. В цьому випадку наступають симптоми інтоксикації. З'являється слинотеча, нудота, блювота, температура тіла падає. Посилюється діурез (більше виділяється рідині, ніж поступає). Порушується координація рухів, з'являються судоми, м'язова слабкість і головний біль.

Вода – це життя. Вода – це те,що дала нам природа. Вона вичерпується. 500 млн людей живе в пустелях, це більше, ніж населення Європи. 90 % інфекційних хвороб є наслідком нестачі чистої води. 5000 людей помирають щодня від забрудненої питної води. 1 млрд людей не має доступу до чистої питної води. До 2025 року біля 2 млрдів людей страждатимуть від нестачі води. На сільське господарство припадає 70% споживання води людством. Токсичні пестициди та хімічні добрива , потрапляючи в воду, забруднили її. 3/4 рибних промислових районів виснажені. Зникають водоносні пласти, які не відновлюються. Доля річок Йордан та Колорадо сумна. По всій планеті кожна десята повноводна річка не впадає в море по кілька місяців на рік. Рівень мертвого моря кожний рік зменшується на 1 метр. Арктична полярна шапка втратила 40% своєї товщини за останні 40 років внаслідок глобального потепління. Рівень Світового океану в 20 столітті піднявся на 20 см. В екосистемі нашої планети немає кордонів. Ми не повинні перетворити Землю на ворожу нам планету.

ДЯКУЮ ЗА УВАГУ!