Свойства воды

Муниципальное Образовательное Учреждение

"Лицей № 40"

Курсовая работа по теме

"Свойства воды"

Работу выполнила: ученица 11 "В" класса

Иванова К.В.

Научный руководитель: Осауленко А.Б.

Петрозаводск 2013

Оглавление

Введение

Исторические сведения о воде

Основные сведения о воде

Круговорот воды в природе

Виды образования от разных изменений

Скорость обновления воды

Типы воды

Свойства воды

Вода как диполь

Поверхностное натяжение воды

Вода как растворитель

Вязкость воды

Теплоемкость воды

Электропроводность воды

Радиоактивность воды

Лед - вода в твердом состоянии

Влияние музыки на кристаллы воды в твердом состоянии

Применение воды

Используемые сайты в сети Интернет

Введение

Большая часть нашей планеты покрыта водой. Океаны и моря составляют три четверти земной поверхности, на которой так же имеется бесчисленное количество рек и озёр. Снег и лёд на вершинах гор - это замёрзшая вода. Значительная часть заменой воды находится в атмосфере. Каждое облако содержит тысячи, а иногда миллионы тонн воды в форме испарений. Время от времени эти испарения превращаются в воду и выпадают на землю в виде дождя. Даже воздух, которым мы дышим, содержит некоторое количество влаги.

Человеческое тело приблизительно на 70% состоит из воды. Клетки нашего тела содержат большое количество различных веществ, но ни одно из них так не важно, как вода. Вода - это большая часть циркулирующей в нашем теле крови. И так не только у людей: большая часть тела всех живых существ - это вода. Кажется, что без воды жизнь невозможна. Вода представляет собой субстанцию, каждое физическое и химическое свойство которой создано для жизни. В книге "Уникальность биологических материалов" биохимик А.Е. Нидхем отмечает необходимость воды для зарождения жизни. Если бы существовали только твёрдые вещества или газы, жизнь бы никогда не возникла. Причина в том, что атомы твёрдых веществ расположены слишком близко друг к другу. Они статичны и не позволяют развиваться необходимым для жизни динамическим процессам. В газах, с другой стороны, атомы движутся свободно и хаотично: в такой среде функционирование сложных механизмов жизненных форм также невозможно. Короче говоря, существование жидкой среды абсолютно необходимо, и самая идеальная жидкость для этой цели - вода.

Учёные давно обратили внимание на то, что вода обладает свойствами, соответствующими требованиям жизни. Первая попытка детально исследовать этот предмет была предпринята натуралистом Вильямом Вивелом в книге "Астрономия и общая физика в отношении к теологии природы", опубликованной в 1832 году. Исследуя тепловые свойства воды, Вивел обнаружил, что некоторые из них нарушают общепринятые законы природы. Он пришёл к заключению, что в этих несоответствиях присутствует божественный замысел, и они являются доказательством того, что вода была сотворена для жизни. Наиболее основательный анализ пригодности воды для поддержания жизни на Земле был сделан профессором Гарвардского университета Лоуренсом Хендерсоном спустя столетие после публикации работы Вивела в книге "Гармония окружающей среды".

Дальнейшие исследования показали, что за незатейливой формулой Н2О скрывается вещество, обладающее уникальной структурой и не менее уникальными свойствами. Исследователи, пытавшиеся на протяжении двух столетий раскрыть секреты воды, часто заходили в тупик. Да и сейчас учёные понимают, что вода остаётся трудным объектом для исследований, её свойства до сих пор не всегда до конца прогнозируемы.

вода кристалл свойство диполь

Исторические сведения о воде

Идея древних философов о том, что все в природе образуют четыре элемента (стихии): земля, воздух, огонь и вода, просуществовала вплоть до Средних веков. В 1781 Г. Кавендиш сообщил о получении им воды при сжигании водорода, но не оценил в полной мере важности своего открытия. Позже (1783) А. Лавуазье доказал, что вода вовсе не элемент, а соединение водорода и кислорода. Й. Берцелиус и П. Дюлонг (1819), а также Ж. Дюма и Ж. Стас (1842) установили весовой состав воды, пропуская водород через оксид меди, взятый в строго определенном количестве, и взвешивая образовавшиеся медь и воду.

Исходя из этих данных, они определили отношение Н: О (водорода к кислороду) для воды. Кроме того, в 1820-х годах Ж. Гей-Люссак измерил объемы газообразных водорода и кислорода, которые при взаимодействии давали воду: они соотносились между собой как 2: 1, что, как мы теперь знаем, отвечает формуле Н₂О. Казалось бы, о воде человечество знает все. Тем не менее вопрос о происхождении воды на Земле до сих пор остается открытым. Одни ученые считают, что вода образовалась в результате синтеза водорода и кислорода, выделяющихся из недр Земли, другие, например академик О.Ю. Шмидт, считают, что вода на Землю привнесена из космоса при образовании планеты. Вместе с космической пылью и минеральными частица на нарождающуюся Землю падали кусочки и глыбы космического льда. При разогревании планеты лед превратился в водяной пар и воду.

Основные сведения о воде

—  Химическая формула Н₂О.

—  Жидкость без запаха, вкуса, цвета.

—  Без воды невозможно существование живых организмов.

—  Около 65 % человеческого тела составляет вода.

—  Три основных состояния - жидкое, газообразное, твердое

Рисунок 1 - Отображение агрегатных состояний воды

Круговорот воды в природе

Круговорот воды в природе (гидрологический цикл) - процесс циклического перемещения воды <#"800589.files/image002.gif">

Рисунок 2 - Круговорот воды в природе

Типы воды

—  Мягкая и жёсткая вода - по содержанию катионов кальция и магния

—  По изотопам молекулы:

ü  Лёгкая вода (по составу почти соответствует обычной)

ü  Тяжёлая вода (дейтериевая)

ü  Сверхтяжёлая вода (тритиевая)

—  Пресная вода

—  Дождевая вода

—  Морская вода

—  Подземные воды

—  Минеральная вода

—  Солоноватая вода

—  Питьевая вода, Водопроводная вода

—  Дистиллированная вода и деионизированная вода

—  Сточные воды

—  Ливневая вода или поверхностные воды

—  Поливода

Свойства воды

—  Диполь

—  Высокое поверхностное натяжение

—  Растворитель

—  Высокая вязкость

—  Большая теплоемкость

—  Электропроводность

—  Радиоактивность

Вода как диполь

Вода в нормальных атмосферных условиях сохраняет жидкое агрегатное состояние, тогда как аналогичные водородные соединения являются газами. Это объясняется особыми характеристиками. Атомы водорода присоединены к атому кислорода, образуя угол 104,45°, и эта конфигурация строго сохраняется. Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По этой причине молекула воды является активным диполем, где кислородная сторона отрицательна, а водородная положительна. В результате молекулы воды притягиваются своими противоположными полюсами, и образуют полярные связи, на разрыв которых требуется много энергии. В составе каждой молекулы ион водорода (протон) не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, в результате чего он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома кислорода соседней молекулы, образуя водородную связь с другой молекулой. Каждая молекула связана с четырьмя другими посредством водородных связей - две из них образует атом кислорода и две атомы водорода.

Комбинация этих связей между молекулами воды - полярной и водородной и определяет очень высокую температуру её кипения и удельную теплоты парообразования. В результате этих связей в водной среде возникает давление в 15-20 тыс. атмосфер, которое и объясняет причину трудносжимаемости воды, так при увеличении атмосферного давления на 1 Бар, вода сжимается на 0,00005 доли её начального объёма.

Поверхностное натяжение воды

Вода обладает также высоким поверхностным натяжением среди жидкостей, уступая в этом только ртути. Проще всего уловить характер сил поверхностного натяжения, наблюдая образование капли у неплотно закрытого крана. Всмотритесь внимательно, как постепенно растет капля, образуется сужение - шейка и капля отрывается. Поверхностный слой воды ведет себя, как растянутая эластичная пленка. Осторожно положите швейную иглу на поверхность воды. Поверхностная пленка прогнется и не даст игле утонуть. По этой же причине легкие насекомые - водомерки могут быстро скользить по поверхности воды. Прогиб пленки не позволяет выливаться воде, осторожно налитой в достаточно частое решето.

Ткань - это то же решето, образованное переплетением нитей. Поверхностное натяжение сильно затрудняет просачивание воды сквозь нее, и поэтому ткань не промокает мгновенно. Благодаря силам поверхностного натяжения происходит образование пены. При соприкосновении жидкости с твердым телом наблюдается явление смачивания или несмачивания. Если силы взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела больше, чем между молекулами жидкости, то жидкость растекается по поверхности твердого тела, т.е. смачивает и наоборот, если силы взаимодействия между молекулами жидкости больше, чем между молекулами жидкости и твердого тела, то жидкость собирается в каплю и не смачивает поверхность жидкости.

В природе часто встречаются тела, имеющие пористое строение. Такую структуру имеют бумага, кожа, дерево, почва, многие строительные материалы. Вода или другая жидкость, попадая на такое твердое тело, может впитываться в него, поднимаясь вверх на большую высоту. Так поднимается влага в стеблях растений, керосин поднимается по фитилю, ткань впитывает влагу. Такие явления называются капиллярными. В узкой цилиндрической трубке смачивающая жидкость за счет сил молекулярного взаимодействия поднимается вверх, принимая вогнутую форму. Под вогнутой поверхностью появляется дополнительное давление, направленное вверх, в связи с чем уровень жидкости в капилляре выше уровня свободной поверхности. Несмачивающая же жидкость принимает выпуклую поверхность. Под выпуклой поверхностью жидкости возникает обратное дополнительное давление, направленное вниз, так что уровень жидкости под выпуклой поверхностью ниже, чем уровень свободной поверхности.

Вода как растворитель

Одно из наиболее удивительных свойств воды - ее способность растворять многие вещества с образованием водных растворов. Растворы - очень важное состояние вещества; они имеют весьма большое значение для промышленности и для жизненных процессов. Вода океанов представляет собой водный раствор, содержащий тысячи компонентов: ионы металлов и неметаллов, комплексные неорганические ионы, множество различных органических веществ. Именно в этом растворе впервые возникли и развились живые организмы, и из него они получали ионы и молекулы, необходимые для их роста и жизни. Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ с водой.

Вода хорошо растворяет полярные вещества. 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.

Вода является растворителем для многих веществ. Она используется для очистки как самого человека, так и различных объектов человеческой деятельности. Вода используется как растворитель в промышленности.

Вязкость воды

Вязкость вода - свойство жидкости, обусловливающее при движении возникновение силы трения. Является фактором, осуществляющим передачу движения от слоев воды, перемещающихся с большой скоростью, к слоям с меньшей скоростью.В. в. зависит от температуры и концентрации раствора. Физически она оценивается коэффициент вязкости, который входит в ряд формул движения воды. Ньютон установил, что сила (F) внутреннего трения между двумя слоями жидкости, движущимися с различными скоростями, зависит от природы жидкости и прямо пропорциональна площади (S) соприкасающихся слоев и градиенту скорости (dv/dz) между ними

F = ηSdv/dz,

где η - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом вязкости или просто вязкость жидкости.

Теплоемкость воды

При нормальных условиях вода слабо диссоциирована и концентрация протонов (точнее, ионов гидроксония H₃O⁺) и гидроксильных ионов HO⁻ составляет 0,1 мкмоль/л. Но поскольку вода - хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту.

Удельная теплоемкость вещества показывает количество энергии, которую необходимо сообщить/отобрать, для того, чтобы увеличить/уменьшить температуру одного килограмма вещества на один градус Кельвина.

То есть в других словах, если например удельная теплоемкость воды равняется 4,2 кДж/ (кг*К) - это значит, что для того, чтобы нагреть один кг воды на один градус, необходимо передать этому кг воды 4,2 кДж энергии.

Удельная теплоемкость для любого вещества есть величина переменная, то есть она зависит от температуры и агрегатного состояния вещества. Если продолжать пример с водой, то ее удельная теплоемкость для 0°С равняется 4,218, а при 40°С 4,178 кДж/ (кг*К). Для льда теплоемкость еще ниже - ( - 2,11 кДж/ (кг*К)) для льда с температурой 0°С.

Что касается воды, необходимо отметить, что это жидкость с самым высоким значением удельной теплоемкости. Другими словами, чтобы обеспечить заданное количество температуры, вода должна поглотить или отдать количество тепла значительно больше, чем любое другое тело такой же массы.

Теплота её испарения выше теплоты испарения любых других жидкостей, а теплота кристаллизации уступает лишь аммиаку. В качестве теплоносителя воду используют в тепловых сетях, для передачи тепла по теплотрассам от производителей тепла к потребителям. Воду в качестве льда используют для охлаждения в системах общественного питания, в медицине. Большинство атомных электростанций используют воду в качестве теплоносителя.

Электропроводность воды

Электропроводимость (электропроводность) воды это её способность, как раствора электролитов пропускать электрический ток, выраженная в числовой форме. Растворы электролитов характеризуются определенным сопротивлением, величина которого прямо пропорциональна расстоянию между электродами L и обратно пропорциональна площади электродов S, опущенных в раствор: R = ρ (L / S).

Коэффициент пропорциональности ρ называется удельным сопротивлением. При L = 1 см и S = 1 см²; ρ = R. Для того чтобы измерить электропроводность воды используют специальные приборы - кондуктометры. Принцип действия такого устройства основан на прямой зависимости электропроводности воды от количества соединений, растворенных в этой воде. На сегодняшний день, благодаря широкому спектру оборудования можно легко измерить проводимость как сверхчистой воды, обладающей очень низкой проводимостью, так и насыщенной химическими соединениями с высоким уровнем проводимости.

Радиоактивность воды

Радиоактивность воды обусловлена присутствием в водах радиоактивных веществ, поступающих из атмосферы и вымываемых из почв и горных пород. В водах присутствуют как естественные радиоактивные изотопы (⁴⁰K, ²²²Rn, ²²⁶Ra, ²³⁸U и др.), так и искусственные (в основном ⁹⁰Sr, ⁹⁰Y и ¹³⁷Cs), возникшие вследствие ядерных взрывов. Содержание естественных радиоактивных веществ в водах в зависимости от их происхождения колеблется в значительной степени (см. табл.).

Искусственные радиоактивные вещества в воды поступают вместе с осадками из атмосферы.

Лед - вода в твердом состоянии

Масару Эмото - японский исследователь. С помощью разработанной им скоростной фотосъемки научился получать изображения структуры воды в момент замерзания. Воде давали прослушать классическую музыку разных композиторов, фотографировали полученные кристаллы.

Влияние музыки на кристаллы воды в твердом состоянии

Применение воды

Вода играет уникальную роль как вещество, определяющее возможность существования и саму жизнь всех существ на Земле. Она выполняет роль универсального растворителя, в котором происходят основные биохимические процессы живых организмов. Уникальность воды состоит в том, что она достаточно хорошо растворяет как органические, так и неорганические вещества, обеспечивая высокую скорость протекания химических реакций и в то же время - достаточную сложность образующихся комплексных соединений.

Благодаря водородной связи, вода остаётся жидкой в широком диапазоне температур, причём именно в том, который широко представлен на планете Земля в настоящее время.

Поскольку у льда плотность меньше, чем у жидкой воды, вода в водоемах замерзает сверху, а не снизу. Образовавшийся слой льда препятствует дальнейшему промерзанию водоема, это позволяет его обитателям выжить.

Выращивание достаточного количества сельскохозяйственных культур на открытых засушливых землях требует значительных расходов воды на ирригацию, доходящих до 90 % в некоторых странах.

Живое человеческое тело содержит от 55 % до 78 % воды, в зависимости от веса и возраста. Потеря организмом человека более 10 % воды может привести к смерти. Для нормального функционирования организма человеку нужно усвоить около 3 литров воды за день в зависимости от температуры и влажности окружающей среды, физической активности и т.д.

В пожаротушении вода зачастую используется не только как охлаждающая жидкость, но и для изоляции огня от воздуха в составе пены.

Многими видами спорта занимаются на водных поверхностях, на льду, на снегу и даже под водой. Это подводное плавание, хоккей, лодочные виды спорта, биатлон и др.

Вода используется как инструмент для разрыхления, раскалывания и даже резки пород и материалов. Она используется в добывающей промышленности, горном деле и в производстве. Достаточно распространены установки по резке водой различных материалов: от резины до стали. Вода, выходящая под давлением несколько тысяч атмосфер способна разрезать стальную пластину толщиной несколько миллиметров, или более при добавлении абразивных частиц.

.        http://interesko. info/osnovnye-svojstva-vody/ <http://interesko.info/osnovnye-svojstva-vody/>

.        <http://www.coolreferat.com/Свойства_воды>

.        <http://www.ukzdor.ru/voda.html>

.        <http://www.watermap.ru/articles/fizicheskie-svojstva-vody>

.        http://chemworld. narod.ru/public/water.html <http://chemworld.narod.ru/public/water.html>

.        http://edu. greensail.ru/encyclopedia/fiz_chim/ <http://edu.greensail.ru/encyclopedia/fiz_chim/>