Материалы для интегрированной конференции (биология+химия) "Вода. Свойства воды"

Вода. Свойства воды.

Конференция.

Цели конференции. Рассмотреть воду как уникальное природное соединение, активную среду жизни; изучить основные теплофизические свойства воды; оценить роль воды в жизни растений, животных и человека, воспитывать бережное и экономное отношение к водным ресурсам; развивать интерес учащихся к науке, активизировать их познавательную деятельность, формировать у них чувство прекрасного, умение выделять главное, находить ответы на поставленные вопросы.

Оборудование. Компьютер с программой презентаций о воде, магнитофон, музыкальные записи, эпипроектор, экран, схемы и таблицы, приборы и материалы к демонстрациям, выставка рисунков на тему «Вода в природе», выставка книг на тему «Вода».

План конференции

• Строение воды.

• Теплофизические свойства воды.

• Вода – растворитель.

• Биологическое значение воды.

• Экологический аспект воды.

Ход конференции.

ВЕДУЩИЙ. Приветствуем вас, жители планеты Земля, именующие себя человечеством. За помощью к вам обращается отряд наблюдателей с планеты Акватоид звездной системы Тау из созвездия Кита. История нашей планеты трагична и поучительна. К сожалению, различные цивилизации Акватоида не могли мирно сосуществовать. Как правило, грубая и примитивная цивилизация уничтожала развитую и гуманную, чтобы в свою очередь оказаться уничтоженной еще более грубой. В результате бессмысленных войн и варварского использования планетных ресурсов Акватоид потерял почти всю жидкость, являющуюся основой жизни. Чтобы выжить, Организация Объединённого Разума планеты занялась поиском вещества, способного заменить жидкость жизни Акватоида. О единственном удовлетворяющем заданным параметрам веществе было найдено сообщение в архивах радиообменов с планетой Земля Солнечной системы: «Вода - самое драгоценное минеральное сырьё, это не только средство для развития промышленности и сельского хозяйства, вода – это действительный проводник культуры, это живая кровь, которая создаёт жизнь там, где её не было» (академик А.П. Карпинский). Поэтому в течении года специальная научно-исследовательская экспедиция тайно изучала вещество, которое вы земляне, называете «вода». Обращаемся к вам с просьбой быть экспертами на конференции ученых, проводивших исследования свойств воды, и журналистов Акватоида, информирующих жителей своей планеты о ходе исследований.

СОТРУДНИК ХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ. Мой доклад – о результатах химических исследований строения воды. Вещество, ради которого мы прилетели на Землю, встречается в трёх агрегатных состояниях – жидкое, твёрдое, газообразное. В научном мире Земли оно известно под названием «оксид водорода», причём по химическим свойствам его относят к амфотерным оксидам. Реже его называют «гидрид кислорода».

Формула воды – Н₂О. Молярная масса воды – 18 г/моль.

Вода имеет молекулярное строение.

Молекула Н₂О состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, что составляет 88,9% и 11,1% соответственно от массы всей молекулы.

Связи между атомами Н и О в молекулах ковалентные полярные.

Для воды характерна молекулярная кристаллическая решетка.

СОТРУДНИК ФИЗИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ. Я приведу результаты исследования физических свойств воды. Наличие воды на планете Земля (1387 млн км³) – наиболее важная причина зарождения и существования жизни. Вода на Земле присутствует не только в явном виде: четыре океана, моря, озёра, реки, - вода есть и в воздушном океане Земли, и в почве, и во всех породах слагающих земную кору. В живых организмах её содержание в среднем 60-80%. Даже в изливающейся огненной магме есть вода; когда вулканы извергают из недр Земли расплавленную лаву, то с нею выбрасывается до 40 млн т воды каждый год.

Удельная теплоёмкость воды 4200 Дж/(кгС). Это в 10 раз больше, чем у железа, в 40 раз больше, чем у золота. Большая удельная теплоёмкость воды определяет климат планеты. Вода нагревается значительно медленнее суши, забирая большое количество солнечного тепла. Полученное тепло она сохраняет дольше, чем воздух и земля, выполняя при этом терморегулирующую функцию.

Удельная теплота парообразования воды 300 000 Дж/кг. Это означает, что при испарении 1 г воды «забирает с собой» 2300 Дж теплоты. Парообразование воды это тоже её терморегулирующее свойство. Например, если бы человек не потел при физической работе, он бы перегрелся.

Удельная теплота плавления льда при 0С и давлении 760 мм рт. ст. составляет 334 000 Дж/кг. Из распространенных на Земле металлов только алюминий, железо и медь имеют удельную теплоту плавления выше 200 000 Дж/кг при соответствующих температурах плавления. Это свойство воды так же так же играет немаловажную роль в формировании климата планета Земля. Замерзание воды в реках, озёрах, морях в тоже время не позволяет переохлаждаться воздуху в данной местности. Часто можно наблюдать, как птицы в сильный мороз греются, сидя на льду.

ЖУРНАЛИСТ. Почему лёд плавает?

УЧЕНИК. При замерзании воды её плотность уменьшается, лёд становится легче воды.

ЭКСПЕРТ. Это верный ответ (демонстрирует подкрашенный плавающий в воде лёд). Стоит задуматься, почему твёрдая вода, то есть лёд, легче жидкой воды. Это свойство воды аномальное и требует дополнительных разъяснений.

У большинства веществ при кристаллизации плотность возрастает. При кристаллизации образуется кристаллическая структура, частицы вещества теряют возможность двигаться. И средние расстояния между ними уменьшаются. В результате при неизменной массе (m=pV) объём уменьшается, а плотность растёт.

Демонстрируется график V = f(t,С)

ЖУРНАЛИСТ. Каким образом аномальное изменение плотности воды с температурой влияет на облик Земли?

УЧЕНИК. Способность воды расширяться при замерзании спасает планету от оледенения. Если бы лед был тяжелее воды и опускался на дно, то многие моря, реки и озёра просто заполнились бы ледяными глыбами. Лёд не успевал бы растаять летом, и жизнь в таких водоёмах была бы невозможна.

ЭКСПЕРТ. Аномальное свойство – расширение воды при уменьшении температуры от +4С – в технике доставляет определённые трудности. Например, зимой необходимо сливать воду из радиаторов автомобилей, систем водяного отопления, если она не подогревается. При замерзании объем воды увеличивается (примерно на 11%). Если такой процесс происходит в замкнутом пространстве, то возникает громадное избыточное давление, превышающее атмосферное порой в 2500 раз. В результате вода, замерзая, разрывает горные породы, дробит многотонные глыбы, не говоря уже о трубах водяного отопления жилых помещений.

СОТРУДНИК ХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ. Из свойств воды особенно важна ее способность растворять вещества. Вода является универсальным растворителем. В воде растворяются вещества различной химической природы, образованные ковалентными полярными и ионными связями.

ЖУРНАЛИСТ. Почему вода действует как универсальный растворитель?

ЭКСПЕРТ. Разноименные электрические заряды притягиваются в воде в 80 раз слабее, чем притягивались бы в воздухе. Это происходит за счёт образования гидратированных ионов. Силы взаимного притяжения между молекулами и атомами, погруженными в воду, так4же слабее, чем в воздухе, оттого и растворяются многие труднорастворимые вещества. «Вода камень точит», - говорят у нас на Земле.

СОТРУДНИК ХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ. В воде растворяются твёрдые, жидкие и газообразные вещества. Но не все вещества одинаково хорошо растворяются в воде. Вещества бывают хорошо растворимые, малорастворимые и практически нерастворимые.

ЖУРНАЛИСТ. Существует ли величина характеризующая способность веществ растворяться в воде?

СОТРУДНИК ХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ. Для характеристики способности вещества растворяться у землян существует понятие «растворимость». Растворимость определяется массой вещества, способной раствориться в 100 г воды при определенной температуре.

ЖУРНАЛИСТ. Вы сделали акцент на температуре. Значит ли это, что растворимость зависит от температуры?

СОТРУДНИК ХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ. Совершенно верно, растворимость зависит от температуры, но не всегда одинаково; на нее влияет еще и агрегатное состояние вещества.

ЖУРНАЛИСТ. Отличаются ли свойства растворов веществ от свойств чистой воды?

СОТРУДНИК ХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ. Да, отличаются. У них разные температуры кипения и кристаллизации, некоторые растворы электропроводны, а дистиллированная вода – диэлектрик.

ЖУРНАЛИСТ. Мы поняли, что в природе встречается не чистая вода, а растворы различных веществ. А много ли в них растворено веществ?

СОТРУДНИК ХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ. Общий объем растворенных в Мировом океане солей равен 48 000 000 млрд. т. Если эти соли выпаривать и равномерно распределить по всей поверхности земного шара, то образуется слой толщиной 45 м, а если распределить эту соль только по суше, то толщина слоя составит 153 м. Иными словами, это высота 50-этажного небоскреба.

ЖУРНАЛИСТ. Очевидно, что вода растворяет твердые, жидкие и газообразные вещества. А имеет ли это свойство воды значение для живых организмов Земли?

СОТРУДНИК ХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ. Для живых организмов способность воды растворять многие вещесва имеет жизненно важное значение. Именно с водой к клеткам животных и растений поступают необходимые для жизнедеятельности вещества. Продукты жизнедеятельности удаляются из клеток тоже с водой. Вода поддерживает кислотно-основное равновесие организма.

О роли воды в живых организмах говорит тот факт, что вода в организме постоянно обновляется. В кактусах полное обновление воды происходит в течении 28 лет, а у черепах – за 1 год, у верблюдов – за три месяца, у человека – за 1 месяц. Без воды человек может прожить только 3 дня, в то время как без пищи – 30-50 дней.

Живые организмы очень чутко реагируют на потерю воды. Человек, например, тяжело переносит потерю даже 0,68% воды. При этом у него повышается температура, краснеет кожа, учащается сердцебиение, начинается головная боль. Потеря 10% воды может привести к необратимым изменениям в организме, потеря 15-20% воды при 30 ⁰С (25% при 20 ⁰С) смертельна.

Подробнее о значении воды для живых организмов и растений планеты Земля попросим рассказать сотрудников биологической лаборатории.

СОТРУДНИК БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ. Самое распространённое неорганическое соединение в живых организмах планеты Земля – вода. Например, в клетках эмали зубов ее около 10%, а в теле медузы – до 98%. В среднем в многоклеточном организме вода составляет около 80% общей массы тела.

Роль воды в клетке обусловлена её химическими свойствами. Сотрудники химической лаборатории уже объяснили наиболее важное свойство воды – растворять органические и неорганические вещества. Вода участвует в явлениях осмоса, обеспечивающего поддержание постоянства химического состава клетки. Напомним, сто осмосом называется проникновение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор какого-либо вещества. Вода поступает в клетку именно путем осмоса. Давление, которое нужно приложить к раствору, чтобы прекратить этот процесс, называют осмотическим, оно возрастает с увеличением концентрации раствора. Осмотическое давление жидкостей организма человека соответствует давлению 0,86 %-го раствора NaCl. Более концентрированные растворы принято называть гипертоническими, менее концентрированные – гипотоническими. Направление диффузии воды – в клетку или из нее – обусловлено значением осмотического давления окружающего клетку раствора. Если какие-либо клетки, например эритроциты, поместить в гипотонический раствор, вода будет поступать в них и давление ее на наружную клеточную мембрану будет возрастать до тех пор, пока клеточная оболочка не лопнет. Напротив, в гипертоническом растворе вода стремится наружу, и клетки обезвоживаются.

На явлениях осмоса основано движение воды по проводящей системе зеленых растений от корней к листьям. Вода, всасываемая корневыми волосками растений, содержит мало растворенных веществ. Проникая в клетки через мембраны и создавая в них повышенное давление, вода придает упругость листьям, лепесткам цветков, стеблям трав.

ЭКСПЕРТ. Количество воды в организме зависит от возраста. Эмбрион человека на 97% состоит из воды, а у новорожденных ее количество составляет 77% массы. К 50 годам человек немного «усыхает» и вода составляет только 60% от его массы.

Основная масса воды – 70% - сосредоточена внутри клеток, а 30% - внеклеточная вода (причем 7% - это кровь и лимфа, а большая часть (23%) омывает клетки, это вода межтканевая – интерстициальная).

Каждый, зная свой возраст и вес, может приблизительно рассчитывать массу своей внутренней гидросферы и её составляющих.

ЖУРНАЛИСТ. Почему происходит обезвоживание организма?

ЭКСПЕРТ. Обезвоживание организма происходит не клеточном уровне. Растворы солей или сахаров высокой концентрации, находящиеся вокруг клетки, вытягивают из нее воду, при этом цитоплазма отходит от стенок клетки. Это явление получило название «плазмолиз».

ЖУРНАЛИСТ. Для сохранения тканей живыми вне организма ученые Акватоида попробовали поместить их в воду, но ткани погибали. При помещении этих тканей в 0,95%-й раствор NaCl они сохраняли живучесть. Почему так происходит?

ЭКСПЕРТ. Если ткани поместить в простую воду, концентрация солей в них снижается, что приводит к гибели клеток. Если же ткани поместить в физиологический раствор (0,95% NaCl), то клетки не погибают, т. к. концентрации солей в клетке и вне ее равны.

ЖУРНАЛИСТ. Эксперименты наших учёных показали, что если прилить в кровь чистую воду, то клетки крови человека лопаются, если же поместить их в концентрированный раствор соли NaCl, то они сморщиваются. Почему же этого не происходит, когда человек пьют воду и употребляет в пищу соль?

ЭКСПЕРТ. Клетки крови не страдают от употребления человеком большого количества воды или солей в силу того, что в организме поддерживается постоянство внутренней среды. Излишки воды и солей быстро удаляются из организма через почки и кожу.

ЖУРНАЛИСТ. При подлёте к Земле на вашей зелено-голубой планете мы заметили на воде чёрные и бурые пятна непонятного происхождения. Это нас заинтересовало.

ЭКОЛОГ. Деятельность человека приводит как к значительному загрязнению природных вод. Одним из основных загрязнителей воды являются нефть и нефтепродукты. Нефть попадает в воду из естественных источников, при нефтедобыче, транспортировке, переработке и использовании нефти в качестве топлива и промышленного сырья.

Из других загрязнителей необходимо назвать металлы (например, ртуть, свинец, цинк, медь, хром, олово, марганец), радиоактивные элементы, ядохимикаты, поступающие с сельскохозяйственных полей, и стоки животноводческих ферм. Из металлов наибольшую опасность для водной среды представляют ртуть, свинец и их соединения. Накопление в водоемах органических веществ приводит к эвтрофикации вод, т. е. уменьшению содержания в воде кислород, обеднению фауны и флоры, появлению неприятного затхлого запаха.

Человечество потребляет огромное количество пресной воды – в основном на промышленные и сельскохозяйственные нужды. Наиболее водоемкие отрасли промышленности – горнодобывающая, сталелитейная, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная и пищевая. На них уходит до 70% всей воды, затрачиваемой в промышленности. Главный потребитель воды – сельское хозяйство: на его нужды уходит 60 – 80% всей пресной воды. Это означает, что ресурсы пресной воды близки к исчерпанию. Поэтому человечество должно рационально использовать и беречь воду – основу жизни на Земле.

ЭКСПЕРТ. Деятельность человека – это геологическая сила, способная и нарушить природные закономерности, и улучшить экологическое состояния природных вод.

Существует химическая и биологическая очистка сточных вод, но самая эффективная мера – применение безотходных технологий, при которых использованную воду очищают от примесей и загрязнений, а затем вновь используют в технологическом процессе. Повторное использование очищенных вод в 20-25 раз снижает потребление свежей воды и уменьшает сброс сточных вод в водоемы. Это одно из главных условий рационального использования воды.

Вода занимает особое положение среди природных богатств Земли – она незаменима.

Потребление воды связано с развитием цивилизации: чем выше ее уровень, тем больше потребляется воды. За последние 2000 лет. среднее потребление воды составило более 200 л в сутки на человека. Все это приводит к недостатку пресной воды.

Итак, человечество стало испытывать дефицит пресной воды. Чтобы избежать участи Акватоида жителям Земли необходимо:

• Бережно относиться к потреблению воды;

• Совершенствовать оборотные системы водоснабжения;

• Улучшать очистку сточных вод;

• Использовать маловодные технологии;

• Исполнять природное законодательство.

ЭКСПЕРТ. Жители Земли согласны предоставить инопланетянам временный вид на жительство при условии: они будут соблюдать принципы существования ноосферы Земли и, в частности, свойств воды как основы земной биосферы. За время пребывания на Земле вы познакомитесь со способами получения воды, которые можно использовать и на Акватоиде. Это позволит вам восстановить условия, необходимые для существования жизни на своей планете. Помните, что вода – богатство, которое нужно беречь.

УЧИТЕЛЬ ХИМИИ. Урок хотелось бы закончить словами Антуана де Сент-Экзюпери: «Вода, у тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать, тобой наслаждаются, не ведая, что ты такое. Нельзя сказать, что ты необходима для жизни! Ты сама жизнь!»

Приложения.

Использованная литература