Роль и место самостоятельной работы на уроках и во внеурочное время в формировании научного мировоззрения и экологической культуры учащихся (стр. 6 из 13)

Удельная теплота парообразования воды составляет 2300 кДж/кг (карточка 7). Это означает, что при испарении 1 г воды поглощается 2300 Дж теплоты. Данное свойство воды тоже важно для терморегуляции: например, если бы люди не потели при совершении работы, то они перегревались бы. Пот, основой которого является вода, при испарении понижает температуру тела.

Значительна и удельная теплота плавления льда. При 0° С и атмосферном давлении она составляет 334 кДж/кг (карточка 8). Из распространенных на Земле металлов только алюминий, железо и медь имеют удельную теплоту плавления выше 200 кДж/кг (при соответствующих температурах плавления). Таким образом, замерзая, вода выделяет тепло и согревает окружающий воздух. Это свойство воды также играет немаловажную роль в формировании климата планеты: замерзание воды в реках, озерах, морях не позволяет переохлаждаться воздуху в данной местности, поэтому часто можно наблюдать, как птицы в сильный мороз греются, сидя на льду.

Журналист.Объясните, почему лед плавает.

На этот вопрос отвечают учащиеся, затем слово берет учитель физики (эксперт-физик), который демонстрирует подкрашенный плавающий лед.

Эксперт-физик. Стоит задуматься, почему твердая вода (т. е. лед) легче жидкой. Это свойство воды аномальное и требует дополнительных разъяснений.

У большинства веществ при затвердевании образуется кристаллическая структура, средние расстояния между частицами при этом сокращаются, таким образом, объем уменьшается, а плотность растет.

При снижении температуры воды до +4°С расстояния между молекулами и небольшими ассоциатами (группами молекул) тоже становятся меньше, а также уменьшаются размеры самих молекул за счет снижения интенсивности колебаний атомов в них, что и приводит к увеличению плотности воды. Но затем происходит процесс кристаллизации с образованием дополнительных водородных связей, которые образуют ассоциаты крупных размеров с полостями внутри (карточки 9, 10). Именно это и приводит к уменьшению плотности, а следовательно, к возрастанию объема (карточка 11).

Журналист.Каким образом аномальное изменение плотности воды влияет на облик Земли?

Отвечают учащиеся.

Эксперт-физик. Это свойство необходимо всегда учитывать. Например, надо сливать воду из радиаторов автомобилей, из системы 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. Замерзая, вода может разрывать горные породы, дробить многотонные глыбы, не говоря уже о трубах водяного отопления жилых помещений.

Учитель демонстрирует треснувшую стеклянную бутылку с замерзшей водой.

Сотрудник химической лаборатории.

Из свойств воды особенно важна ее способность растворять вещества. Вода — универсальный растворитель. В ней могут растворяться вещества различной химической природы, образованные ковалентными полярными и ионными связями. В воде могут растворяться твердые, жидкие и газообразные вещества. Но не все они одинаково хорошо растворяются в воде. Вещества бывают хорошо растворимые, малорастворимые и практически нерастворимые.

Докладчик демонстрирует таблицу растворимости, затем показывает через кодоскоп, как постепенно растворяются кристаллы различных окрашенных солей, помещенные на мокрую фильтровальную бумагу.

Журналист.Какой величиной характеризуется способность веществ растворяться в воде?

Сотрудник химической лаборатории.Эта величина — растворимость, которая определяется массой вещества, способной раствориться в 100 г воды при определенной температуре.

Журналист.Растворимость зависит от температуры?

Сотрудник химической лаборатории.Да, но не всегда одинаково; на нее влияет еще и агрегатное состояние вещества.

Демонстрирует заранее подготовленный стакан с водой, на стенках которого появились пузырьки воздуха. Проводит опыты — растворение газов в холодной и горячей воде, растворение сахара в холодной и горячей воде. Делает вывод, что при повышении температуры растворимость твердых веществ увеличивается, а газообразных — уменьшается.

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

Сотрудник химической лаборатории.Да, они имеют разные температуры кипения и кристаллизации, некоторые растворы электропроводны, а чистая вода — диэлектрик.

Испытывает электропроводность раствора поваренной соли и дистиллированной воды.

Журналист.Молярная масса воды равна 18 г/моль. В обычном состоянии вода — жидкость. Как можно объяснить, что вещества, имеющие большее значение молярной массы (например, углекислый и сернистый газы, метан), находятся при тех же условиях в газообразном состоянии?

Эксперт-химик. Действительно, температуры плавления и кипения воды аномально высоки в сравнении с соответствующими температурами водородных соединений аналогов кислорода (рис. 2). Если бы вода подчинялась этой закономерности, то ее температура кипения была бы равна примерно - 75^о С, а температура замерзания составила бы - 90^о С. Но тогда она не смогла бы стать эликсиром жизни.

Рис. 2. Зависимость температур плавления и кипения веществ от молекулярной массы: 1 — t_nn; 2 — t_кип

Молекулы воды, образованные ковалентной полярной связью, электростатически притягиваются друг к другу {демонстрирует схему образования водородных связей). Такое взаимодействие называют водородной связью. Водородные связи могут связывать три, четыре, пять, шесть молекул воды, образуя ассоциаты (карточки 12-15), имеющие значительно большие значения молярных масс, поэтому вода при обычных условиях — жидкость. Между молекулами водородных соединений других элементов подгруппы кислорода водородные связи не возникают, и эти вещества при обычных условиях газообразны. Образованием водородных связей можно объяснить и хорошую растворимость некоторых веществ.

Журналист. Мы поняли, что на Земле 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. тонн. Если эти соли выпарить 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 - это высота 50-этажного небоскреба.

Журналист.Имеет ли значение для живых организмов Земли способность воды растворять твердые, жидкие и газообразные вещества?

Сотрудник биолаборатории. Именно с водой к клеткам животных и растений поступают необходимые для жизнедеятельности вещества, продукты жизнедеятельности удаляются из клеток тоже с водой.

Вода участвует в явлениях осмоса, играющего важную роль в поддержании постоянства химического состава клетки. Осмос — это 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%-ного раствора хлорида натрия. 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, 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, содержит мало растворенных веществ. Проникая в клетки через мембраны и создавая в них повышенное давление, вода придает упругость листьям, лепесткам цветков, стеблям трав.

Вода поддерживает кислотно-основное равновесие организма — это чисто химическая роль воды. Под действием специальных ферментов она вступает в реакции гидролиза, при которых образуются вещества, необходимые для жизни клетки.

Эксперт-биолог.Вода - самое распространенное неорганическое соединение в живых организмах нашей планеты. Например, даже 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.

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% - вне клеток (7% — это кровь и лимфа, а большая часть омывает клетки, это вода межтканевая — интерстициальная).

Вода в организме постоянно обновляется. В кактусах полное обновление воды происходит в течение 28 лет, у черепах - за 1 год, у верблюдов — за 3 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 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^о С (25% при 20° С) смертельна.