Интегрированный урок по химии и физике "Свойства воды"

Интегрированный урок по химии и физике в 8 класс

«Удивительные свойства воды»

Цели. Показать учащимся, что вода – это уникальное природное соединение, активная среда для жизни растений, животных и человека; изучить химические и физические свойства воды; развивать интерес к химии и физике; активизировать деятельность учащихся; сформировать умение выделять главное, сравнивать, обобщать, находить ответы на поставленные нестандартные вопросы.

Оборудование. Решето (ситечко), пипетка, стакан с водой, набор капилляров, лезвие безопасной бритвы, иголка, кольцо с ниткой, мыльный раствор; таблица «Удельная теплоемкость, теплота парообразования некоторых веществ» (на каждой парте).

1. Растворение СuSО₄, обезвоживание голубого СuSО₄ 5Н₂О.

2. «Без воды процесса нет».

3. Растворение сахара, мела, жира, крахмала.

4. Проводимость электрического тока дистиллированной водой, раствором СuSО₄ и твердым СuSО₄.

5. «Мыльные пузыри».

6. «Несгораемый платочек».

Цитата (на доске): «Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных процессов. Нет земного вещества – минерала горной породы, живого тела, которое ее бы не включало.» (В.И. Вернадский)

Учитель химии. Назовите самый известный жидкий оксид на Земле, с которым вы встречаетесь ежедневно.

Ученики. Это вода

Учитель. Действительно, вода – вещество, казалось бы, обыкновенное и хорошо знакомое нам. Но при всей своей кажущейся простоте вода до сих пор преподносит загадки, причем одна сложнее другой. Что же такое вода? Почему мы «без воды и ни туды и ни сюды»? Почему вода играет такую важную роль? Почему ее свойства поражают ученых? Тема сегодняшнего урока «Удивительные свойства воды». Мы выясним, в чем удивительность этих свойств и как это используется в нашей повседневной жизни.

Ученики делают короткие сообщения о значении воды.

1-й ученик. Вода – одно из самых распространенных на Земле соединений. Водная оболочка Земли(вода морей и океанов, озер и рек) – гидросфера – занимает 71 % земной поверхности. Вода входит в состав комет, большинства планет Солнечной системы и их спутников. В связанном состоянии вода находится в земной коре – литосфере. В глубинных слоях Земли воды содержится больше, чем на поверхности. В атмосфере находится примерно 1,3 10¹³т воды. Молекулы воды обнаружены в межзвездном пространстве. Вода входит в состав многих минералов и горных пород, присутствует в почве, во всех живых организмах. Запасы воды на Земле составляют 1,39 10¹⁸ т во всех живых организмах. Из этого богатства на долю пресной воды приходится 28 %, причем 2,2 % из них недоступны людям. Это ледяной щит Северно–Ледовитого океана, Гренландии, Антарктиды. Таким образом, вода играла и играет важную роль в геологической истории Земли.

2-й ученик. Вода содержится в организмах животных, человека и растениях. В организмах млекопитающих средняя массовая доля воды – 70%,

76

в организмах рыб 80 %, в водорослях – 90 %. Человек примерно на 65 % состоит из воды. Потеря организмом примерно 10 % воды может привести к его смерти. Без воды человек может прожить только три дня, в то время как без пищи – 30-40 дней. Высокое содержание воды в клетке – необходимое условие ее жизнедеятельности. Воду мы используем в быту для питья, приготовления пищи, стирки мытья, в промышленности – как растворитель и охлаждающий агент, в сельском хозяйстве – для полива и орошения. Вода нужна практически во всех отраслях народного хозяйства.

Учитель физики. Вода – жидкость без цвета, запаха и вкуса. Она может находиться в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом, газообразном. Агрегатные состояния определяются различным расстоянием между молекулами и наличием межмолекулярных водородных связей.

При определенных условиях одно агрегатное состояние может переходить в другое),да кипит при 100 ^оС и замерзает при 0 ^ос).

На доске:

плавление кипение

замерзание конденсация

При охлаждении вода снижается, как и подавляющее большинство веществ, но лишь до +4 ^оС. При приближении температуры к +4 ^оС сжатие воды замедляется, приостанавливается, а при дальнейшем охлаждении, вплоть до точки замерзания (0 ^оС), вода расширяется (бутылка с водой на морозе лопается, дно железных бочек выпирает). Замерзание воды сопровождается новым скачкообразным расширением: плотность воды при замерзании уменьшается на 1/9 часть, поэтому лед всегда находится на ее поверхности.

77

Если бы лед был тяжелее воды, исчезли бы айсберги – гроза северных морей, но появились бы не менее опасные ледяные мели. В водоемах лед, образуясь, опускался бы на дно, и они промерзали бы уже в первые зимние морозы, убивая все живое.

Что же такое вода с точки зрения ее строения? Какие взгляды существуют в науке по этому вопросу?

Ученик. В древности говорили: «Вода – одно из начал всего существования на Земле». «Вода – простое и неделимое» - так считали тогда. «Нет, - сказал Лавуазье, - вода состоит из кислорода и водорода; ее можно получить с помощью химической реакции».

24 июня 1783 г. выдающемуся французскому химику Антуану Лорану Лавуазье и его коллеге Пьеру Лапласу в присутствии других ученых удалось синтезировать воду из кислорода и водорода (горение водорода) и дать правильное толкование этого эксперимента. Так стало известно, что вода состоит из двух элементов – водорода и кислорода. Современникам Лавуазье казалось, что природа воды наконец-то выяснена и ее состав известен. Однако время показало, что это были только первые шаги на долгом и трудном пути исследования свойств и структуры воды.

Учитель химии. Свойства и структура воды влияют на свойства многих веществ, на протекание химических реакций.

Опыт 1. Демонстрация веществ: CuSO₄ 5Н₂О (голубой) и безводного CuSO₄ (белый). Обезвоживание СuSО₄ 5 Н₂О.

Опыт 2. «Без воды процесса нет»

Оборудование и реактивы. Большой химический стакан, пипетка, керамическая плитка (укрепленная в держателе), ступка с пестиком, алюминиевая пыль, кристаллический йод, вода.

Отвесить 0,3 г. алюминия и 4 г мелко растертого йода (вещества должны быть сухими). Тщательно перемешать, поместить на керамическую плитку. Смесь

78

собрать конусом и сделать в нем небольшое углубление. Керамическую плитку поставить в химический стакан, закрыть крышкой, в центре которой вставлена пипетка с водой. При попадании воды на смесь сначала появляется дымок, а затем разгорается пламя с клубами фиолетового дыма. Реакция экзотермическая. Вода – в роли катализатора реакции:

Al + J = AlJ.

Учитель химии. Если растереть в ступке таблетку фенолфталеина и добавить несколько гранул щелочи, то между этими веществами реакция не наблюдается. Что надо сделать, чтобы реакция происходила? (Добавить воды).

Учитель физики. Среди самых распространенных жидкостей вода имеет наибольшую удельную теплоемкость (см. таблицу «Удельная теплоемкость»). Ни одно вещество не требует такой затраты тепла для повышения температуры на 1 ^оС. Аномально высокая теплоемкость воды в очень большой степени определяет климат Земли. Летом в приморской местности, где сосредоточены большие массы воды, которая медленно нагревается, поглощая огромные количества солнечного тепла, летний зной уменьшается. Зимой вода возвращает это тепло, смягчая зимнюю стужу. Поэтому в приморских странах лето прохладнее, а зима теплее, внутри континента, вдали от больших водных вместилищ.

Иногда о ком-либо говорят: «Да он же «золотой человек»!» А если бы на самом деле у человека была бы удельная теплоемкость золота? Такое даже вообразить страшно! От стакана горячего чая его температура повышалась бы на 8 – 10 ^оС, а ведь мы чувствуем себя больными при повышении температуры даже на доли градуса.

При перегреве тела происходит испарение воды (с потом) с поверхности тела. Тем поддерживается постоянная температура тела.

79

Основой пота является вода. Известно, что за целый день тяжелой физической работы (например, при колке дров) Человек теряет до 10 л пота. Удельная теплота парообразования пота несколько выше, чем температура парообразования воды.

Если бы пот во время работы не выделялся, не испарялся, то тело при этом не охлаждалось, и человек мог бы перегреться. Несложные расчеты показывают, что за день такой работы человек бы «накалился бы» до 100 ^оС. А если бы основой пота была эфироподобная вода? Тогда должно было бы выделиться в 6 раз больше (пришлось бы больше выпить жидкости, сердце вынуждено было бы в 6 раз больше перекачивать крови, но для этого и размеры сердца должны быть больше). Если удельная теплота плавления у льда была не столь высока, то даже небольшое количество теплоты могло бы сразу расплавить снег и лед; быстрое таяние снегов и льдов вызвало бы большие наводнения; талая вода, сбегая с полей и лугов, не напоить молодые растения; весны стали бы совершенно другими…

Учитель химии. Вода – важнейшее соединение водорода. Формула Н₂О знакома всем, даже людям знакомым с химией понаслышке.

«…Вода благословила листья!

Она блистала, столь чиста,

Что ни напиться, ни умыться.

И это было не спроста:

Ей не хватало ивы, тала

И горечи цветущих лоз.

Ей водорослей не хватало

И рыбы, жирной от стрекоз,

Ей не хватало быть волнистой,

Ей не хватало течь везде,

Ей жизни не хватало чистой

Дистиллированной Воде!»

80

Чистой (дистиллированной) воды в природе не существует. Наиболее чистой считается вода, выпадающая в виде атмосферных осадков. Почему?

Природная вода не может быть химически чистой, т.к., совершая круговорот, участвует во многих химических и физических процессах живой и неживой природы. Поэтому такая вода содержит самые разнообразные примеси: минеральные вещества, газы, а также коллоидные и крупнодисперсные частицы и микроорганизмы.

Основное свойство воды – ее растворяющая способность. Вода растворяет газообразные жидкие и твердые вещества (и даже золото; расчеты показывают, что в воде всех морей и океанов содержится примерно 8 млрд т золота). Вода – растворитель, причем очень хороший. Но не все вещества одинаково растворяются в воде. По способности растворяться в ней вещества делятся на:

ВЕ Щ Е С Т В А

Хорошо растворимые (сахар, соль)

Малораство-

римые

(мел, гипс)

Практически

Нерастворимые

(хлорид серебра, жир, крахмал)

(Демонстрация опыта 3 «Растворение сахара, мела, жира, крахмала)

Способность воды растворять многие вещества в значительной степени определяет чистоту нашей атмосферы. Представьте себе сколько пыли и ядовитых веществ выбросили в атмосферу вулканы за время существования Земли. Но столько же лет с небес льются дождевые потоки,

81

которые «промывают» атмосферу, растворяют газы и осаждают пылевые частицы.

Учитель физики. Вспомним отношение воды и растворов к прохождению электрического тока. (Демонстрация опыта 4 «Проводимость электрического тока дистиллированной водой, раствором СuSО₄ и твердым СuSО₄».)

Вывод: вода дистиллированная – диэлектрик, а растворы солей, кислот и щелочей – проводники.

Говоря о свойствах воды, нельзя обойти молчанием силы поверхностного натяжения. В природе и в нашей жизни они играют немалую роль, но к их действию мы настолько привыкли, что не замечаем их, если не развлекаемся пусканием мыльных пузырей. (Демонстрационный опыт 5 «мыльные пузыри».) Без существования этих сил мы не могли бы писать чернилами, невозможно бы намылить руки – пена не образовывалась бы. Слабый дождик промочил бы одежду насквозь, а радугу нельзя было бы увидеть ни при какой погоде. Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений.

Опыты

1. С пипеткой по образованию капель.

2. Положить лезвие бритвы, иголку на поверхность воды (пленка прогнется, но не даст лезвию утонуть).

3. Скольжение водомерки по поверхности воды как конькобежцев по льду.

4. Поверхностное натяжение пленки не позволяет выливаться воде, осторожно налитой в достаточно частое решето. Так что «носить воду в решете» в принципе можно.

Учитель физики. Ткань - тоже решето, образованное переплетением нитей. Поверхностное натяжение препятствует просачиванию воды сквозь ткань, и поэтому она не промокнет насквозь мгновенно. Под действием сил поверхностного натяжения жидкость стремиться сократиться так, чтобы

82

площадь ее поверхности стала минимальной. На границе жидкость – твердое вещество, наблюдаются явления смачивания и несмачивания.

Опыты

1. отрыв стекла от поверхности воды.

2. поведение капли воды на стекле и парафине.

УЧИТЕЛЬ ФИЗИКИ. Явление смачивания можно наблюдать в узких трубках-капиллярах.

Опыты

1. Подъем воды в капилляре.

2. Опускание мела в воду (наблюдается выделение пузырьков воздуха до тех пор, пока весь воздух в порах не будет вытеснен водой).

Учитель физики. Чрезвычайно важно для растений – сохранение воды в почве. Почва имеет рыхлое строение, между ее частицами находятся промежутки. Эти промежутки представляют собой капилляры. По капиллярным ходам вода поднимается к корневой системе растений и снабжает их необходимой влагой и питательными солями. По капиллярам находящимся в почве вода поднимается вверх и интенсивно испаряется. Между рядами посевов стремятся чаще рыхлить почву, тем самым разрушая образующуюся корку. Почему этот вид работ часто называют «сухим поливом»?

(Чтобы уменьшить испарение воды, нужно разрушить капилляры – это достигается рыхлением почвы. Иногда требуется, наоборот, усилить приток влаги по капиллярам, тогда почву приукатывают, увеличивая этим количество капиллярных каналов.)

В быту капиллярные явления имеют место при самых разных обстоятельствах: использование промокательной бумаги, полотенца, салфетки и т.д.

Демонстрационный опыт 6 «Несгораемый платок»

83

Оборудование и реактивы. Носовой платок, горелка, тигельные щипцы, длинная лучинка, этиловый спирт.

Намочить и отжать носовой платок, хорошо пропитать его спиртом. Захватить один из концов тигельными щипцами и поднести к платку длинную лучину. Спирт сразу вспыхивает, и создается впечатление, что горит платок. Это горит спирт, находящийся в капиллярах ткани, а сам платок остается невидимым. Горение прекращается, когда весь спирт израсходуется.

Поднятие керосина, расплавленного стеарина по фитилям обусловлено наличием в фитилях капиллярных каналов. В строительном деле приходится учитывать подъем влаги из почвы по порам строительных материалов. Из-за этого отсыревают стены здания. Для защиты фундамента и стен от воздействия грунтовых вод и сырости применяют гидроизоляцию, покрывая фундамент горячим (жидким) битумом или обкладывая его водонепроницаемым материалом (толь или рубероид).

Учитель химии. Где вода, там и жизнь! Например, высушенные семена растений могут сохраняться тысячелетиями, не проявляя признаков жизни. Но стоит их смочить, и огонек жизни делается заметным. Существует одно поучительное предание. Царь Дкатусена, правивший на острове Шри-Ланка в V в. Нашей эры, в ответ на требование мятежников показать тайники, где спрятаны несметные царские сокровища, привел своих врагов к созданному им искусственному озеру Калавена, имевшему 80 км в диаметре. Озеро спасало жителей во время засухи… Царь зачерпнул пригоршню воды и сказал: «Друзья мои, это и есть мое богатство!»

Подведение итогов урока.

Задание на дом.

Учитель оценивает работу учеников.

Вопросы для закрепления материала

(мини-викторина)

84

1. Как влияет большая удельная теплота плавления льда на скорость весеннего таяния снега и влажность почвы?

2. Если закупоренную бутылку с водой выставить на мороз, то вода, замерзая, разорвет бутылку. Опасно ли в этом смысле ставить закупоренную бутылку с водой в тающий лед при 0 ^оС?

3. чем объяснить, что в начале осени в реках и озерах вода не замерзает, хотя температура воздуха на несколько градусов ниже нуля?

4. Большой сосуд с водой, помещенный в погреб, предохраняет овощи от замерзания?

5. Почему вспотевшему человеку вредно выходить на холодный сухой воздух?

6. Чем объяснить, что во время сильных морозов в лесу трещат деревья?

7. Когда вам придется побывать на пруду или озере, где растут кувшинки, обратите внимание на то, как ровно расположены их листья на воде. Если вы приподнимете эти листья над водой или, наоборот, погрузите их в воду, то они потеряют свою типичную расправленную форму и изогнутся. Чем вы это объясните?

8. Будет ли портится зерно, если его ссыпать на сухом укатанном току под навес?

9. Почему водой можно погасить костер?

10. Как греются в мороз дикие утки?

11. Если даже в жаркий день сорвать лист находящегося под лучами солнца дерева и приложить его к щеке, то можно почувствовать, что он охлаждает лицо. Почему?

12. В прорезиненной одежде жара переносится труднее. Почему?

13. Почему роса на листьях многих растений собирается в капли, а не растекается по всему листу?

14. Почему молодняк сельскохозяйственных животных нельзя содержать в сырых помещениях?

85

1. Почему раньше женщины мыли волосы дождевой и снеговой водой, а сейчас это не рекомендуется?

2. Почему такой популярностью пользуются бытовые фильтры для очистки воды?