Dane informacyjne

2. Dane informacyjne • Nazwa szkoły: • ZESPÓŁ SZKÓŁ IM. KAROLA MARCINKOWSKIEGO • ID grupy: • 98/33_MF_G1 • Kompetencja: • MATEMATYCZNO – FIZYCZNA • Temat projektowy: • WODA • Semestr/rok szkolny: • 3/ 2010/2011

3. Wprowadzenie Woda jest najbardziej rozpowszechnionym, najbardziej znanym i jednocześnie najbardziej zagadkowym płynem na Ziemi i prawdopodobnie nie tylko na naszej planecie. Wodę pijemy, myjemy się nią, pływamy po niej, podlewamy nią pola, gasimy pożary, wykorzystujemy praktycznie w każdej dziedzinie gospodarki i techniki. Jak głęboko sięga nasza wiedza o tym płynie, oprócz skąpych wiadomości zaczerpniętych ze szkoły? Czy wszystkie jej niezwykłe właściwości jesteśmy w stanie objaśnić i wykorzystać? Przyjrzyjmy się zatem wodzie bliżej.

4. Wodajako związek chemiczny Woda to związek chemiczny składający się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu, o wzorze sumarycznym H2O. Cząsteczka wody jest pod każdym względem niesymetryczna. Atomy wodoru tworzą na jednym z jej końców ładunek dodatni, natomiast elektrony atomu tlenu na innym końcu – ładunek ujemny. Dzięki temu cząsteczka wody jest dipolem elektrycznym, tzn. możemy wyróżnić w niej bieguny - dodatni i ujemny .

5. Wodajako rozpuszczalnik Najbardziej rozpowszechnionym zastosowaniem wody jest wykorzystanie jej jako rozpuszczalnika. Nie jest ona rozpuszczalnikiem uniwersalnym, który rozpuszcza wszystko. Słabo rozpuszcza substancje pochodzenia organicznego, natomiast bardzo dobrze substancje, w których występuje wiązanie jonowe. Cząsteczki wody jako dipole łatwo mogą oddziaływać na cząsteczki w których występują jony, a te jak wiemy są obdarzone ładunkiem dodatnim i ujemnym. Ujemny biegun dipola wody przyciągany jest przez jon dodatni (kation) i odwrotnie dodatni biegun dipola jest przyciągany przez jon ujemny (anion). To wzajemne przyciąganie ułatwia wzajemne przenikanie a tym samym rozpuszczanie substancji.

6. Wodajako rozpuszczalnik - przykład Rozpuszczanie soli kuchennej (NaCl) w wodzie

7. Wodajako rozpuszczalnik – c.d. Rozpuszczając różne substancje w wodzie zauważamy, że jedne rozpuszczają się bardzo łatwo i szybko a inne z trudnością lub wcale nie ulegają rozpuszczeniu. Np. sól i cukier bardzo dobrze rozpuszczają się w wodzie, natomiast piasek, mąka i gips nie rozpuszczają sie w wodzie. Postanowiliśmy sami sprawdzić rozpuszczalność niektórych substancji w wodzie. Spójrzcie na wyniki:

8. Wodajako rozpuszczalnik – c.d. • mąka • cukier

9. Właściwości fizyczne wody Woda jest substancją bezbarwną, bez smaku i zapachu. W warunkach normalnych jest cieczą, która przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym krzepnie w temperaturze 0°C a wrze w temperaturze 100°C. Woda jest jedną z nielicznych substancji, które wykazują w pewnym zakresie temperatur odwrotną rozszerzalność cieplną: podczas krzepnięcia w temperaturze 4°C - 0°C woda, zamiast, tak jak inne substancje, zmniejszać swojej objętości, rozszerza ją. Proces ten łatwo można zaobserwować wkładając do zamrażalnika szczelnie wypełnioną wodą butelkę. W wyniku zwiększania swojej objętości podczas zamarzania, woda rozrywa butelkę.

10. Właściwości fizyczne wody – c.d. • temperatura topnienia pod ciśnieniem 1 atm: 0 °C = 273,152519 K • temperatura wrzenia pod ciśnieniem 1 atm: 99,97 °C = 373,12 K • punkt potrójny 0,01 °C = 273,16 K, 611,657 Pa • gęstość w temperaturze 3,98 °C: 1 kg/l • temperatura krytyczna: 647,096 K(ok. 374 °C) • ciśnienie krytyczne: 22,064 MPa • ciepło właściwe: 4187 J/(kg·K)

11. Właściwości fizyczne wody – c.d. • ciepło parowania: 2257 kJ/kg • ciepło topnienia: 333,7 kJ/kg • masa cząsteczkowa: 18,01524 Da • względna przenikalność elektryczna w stałym polu elektrycznym: 87,9 (0 °C), 78,4 (25 °C), 55,6 (100 °C) • twardość (woda chemicznie czysta: 0) • odczyn (woda chemicznie czysta: pH 7,0)

12. Skąd się wzięła woda na naszej planecie? Wśród naukowców istnieje kilka hipotez pojawienia się wody na naszej planecie. Pierwsza - Hipoteza geotermalna, opiera się na fakcie obecności wody w magmie. Jej obecność wynosi ok. 1-8%. Para wodna w gorącej magmie w temperaturze poniżej wartości krytycznej ulega skropleniu tworząc roztwory hydrotermalne. Kiedy wulkan jest aktywny woda zostaje uwolniona do atmosfery lub hydrosfery. Wody, które powstały z krzepnięcia magmy, nazywamy wodami juwenilnymi.

13. Skąd się wzięła woda na naszej planecie? – c.d. Druga - Hipoteza solarna mówi, że wiatr słoneczny niesie za sobą jądra (atomy) wodoru, które wchodzą w reakcję z tlenem, który sublimuje w średnio szary obłok. Trzecia hipoteza (najpopularniejsza wśród naukowców) zakłada, że przyniosły ją lodowe komety i asteroidy uderzające w Ziemię w czasach jej młodości, blisko 4 miliardy lat temu. Wcześniej Ziemia miała być sucha i bardzo gorąca. Teorię tę zdaje się potwierdzać obserwowana w wodzie morskiej proporcja izotopów wodoru, podobna do tej, jaką obserwuje się w bogatych w wodę asteroidach.

14. Skąd się wzięła woda na naszej planecie? – c.d. Czwarta - japońscy naukowcy twierdzą, że powstanie wody miało miejsce na ziemi. Ich zdaniem, woda mogła powstać bezpośrednio na Ziemi, przez reakcję bogatej w wodór atmosfery z tlenkami obecnymi w skorupie ziemskiej. Istnienie gęstej wodorowej atmosfery wokół młodej Ziemi potwierdza analiza późniejszych zmian kształtu orbity naszej planety. Duży udział deuteru, ciężkiego izotopu wodoru w wodzie morskiej, da się wytłumaczyć długotrwałymi procesami chemicznymi, a także stopniowym uwalnianiem się lżejszego wodoru poza atmosferę.

15. Występowanie wody Woda jest najpowszechniejszym związkiem chemicznym na naszej planecie - jej ilość szacuje się na 2,2‧1018 ton. Oznacza to, iż jeśli każda tona wody byłaby wielkości główki od szpilki, to można by było nią wybrukować drogę od Ziemi do Księżyca o szerokości 10 km. Woda w przyrodzie może występować w trzech stanach skupienia. W stanie stałym występuje w postaci: • lądolodu i lodu, - opadów atmosferycznych jako: gard, śnieg, - szadzi.

16. Występowanie wody – c.d. W stanie ciekłym obserwujemy ją jako: • rzeki i wszelkiego rodzaju cieki wodne, • jeziora, - morza, - oceany, • opady atmosferyczne w postaci deszczu. W postaci gazowej obserwujemy ją jako para wodna.

17. Rodzaje wody • Woda królewska – mieszanina 3 objętości stężonego kwasu solnego i 1 objętości kwasu azotowego (V); ,,rozpuszcza” wszystkie metale – także złoto. • Woda gulardowa – bezbarwna ciecz o słodkawym smaku, trująca. Nazwa pochodzi od nazwiska Goulard. Jest zasadowym roztworem octanu ołowiu (III). • Woda ciężka – zamiast atomów wodoru zawiera w cząsteczce 1 lub 2 atomy deuteru; jest stosowana w reaktorach jądrowych. • Woda siarkowodorowa – wodny roztwór siarkowodoru w stosunku objętościowym 3:1, bezbarwny, o przykrej woni.

18. Rodzaje wody – c.d. • Woda twarda – woda zawierająca rozpuszczone związki magnezu i wapnia. • Woda utleniona – 3 procentowy wodny roztwór nadtlenku wodoru, stosowany do dezynfekcji. • Woda bromowa – nasycony wodny roztwór bromu stosowany w laboratoriach i przemyśle jako utleniacz. • Woda amoniakalna – wodny roztwór amoniaku o ostrym zapachu, stosowany jako ciekły nawóz sztuczny. • Woda mineralna – woda zawierająca w swoim składzie między innymi dwutlenek węgla oraz rozpuszczone pierwiastki i związki chemiczne.

19. Rodzaje wody – c.d. • Woda krystalizacyjna – cząsteczki wody wbudowane w różny sposób w sieć przestrzenną kryształu. • Woda sodowa – woda nasycona pod ciśnieniem dwutlenkiem węgla, stosowana jako napój. • Woda pogazowa – uboczny produkt otrzymywany w procesie suchej destylacji węgla. • Woda destylowana – woda oczyszczona, niezawierająca rozpuszczonych soli, stosowana w laboratoriach i akumulatorach samochodowych. • Woda wapienna – nasycony roztwór wodny wodorotlenku wapniowego, mętnieje pod wpływem dwutlenku węgla. • Woda gorzka – woda zawierająca rozpuszczone związki magnezu.

20. Woda w organizmach żywych Każda żywa istota posiada w swoim składzie wodę. Niektóre stworzenia morskie mają ciało ukształtowane prawie wyłącznie z wody, jak na przykład meduzy (98% masy ciała) czy glony (97% masy ciała), inne posiadają ją w mniejszych ilościach. Na przykład truskawka składa się z wody w 90%, ryby słodkowodne 80%, banan 75%, jajko 75%. Także człowiek został „zaprogramowany” w procesie ewolucji w taki sposób, że woda nie tylko stanowi główny „składnik” organizmu (60% - 70% masy ciała), lecz jest konieczna do jego przeżycia.

21. Przykładowy udział wody w organizmach

22. Znaczenie wody w życiu człowieka • O wadze wody dla życia człowieka przesądza chociażby fakt, że organizm człowieka zawiera jej około 65 %. Poziom ten zależy oczywiście od wieku i płci. Jest niezbędna w podtrzymywaniu wszystkich procesów biologicznych w organizmie człowieka i pełni następujące funkcje: - jest podstawą płynów ustrojowych, - rozpuszcza pokarm i odpowiada za jego transport, • wspomaga wchłanianie pożywienia z jelit i odżywianie komórek, • usuwa szkodliwe produkty przemiany materii, - bierze udział w reakcjach biochemicznych, - reguluje temperaturę, - zwilża błony śluzowe, stawy i gałkę oczną.

23. Znaczenie wody w życiu człowieka – c.d. • O tym, jak niezbędna jest woda dla człowieka świadczy to, że bez jedzenia człowiek może wytrzymać nawet miesiąc, natomiast bez wody zaledwie kilka dni. Odwodnienie organizmu w 3% powoduje uczucie zmęczenia, bóle głowy, wywołuje zaburzenia w funkcjonowaniu organizmu, natomiast utrata wody w 20% jest już śmiertelna. • Woda jest wykorzystywana do utrzymywania czystości w otoczeniu człowieka oraz zaspokajania potrzeb higieny osobistej. • Nie sposób również zapomnieć o walorach rekreacyjnych wody. Wszystkie w miarę czyste zbiorniki wodne, czy rzeki stanowią atrakcje turystyczne. • Woda jest także niezastąpiona w rolnictwie, leśnictwie, a także różnych gałęziach przemysłu.

24. Znaczenie wody w życiu człowieka – c.d. • Znaczny wpływ na życie człowieka wywiera również woda jako czynnik klimatotwórczy. Podstawowe znaczenie wody w tym zakresie polega na tym, że pochłaniając duże ilości ciepła pochodzącego ze Słońca, chroni Ziemię przed przegrzaniem, w ten sposób umożliwia trwanie życia na naszej planecie. • Ponad to wpływa na rzeźbę terenu. Bardzo dużą rolę w formowaniu powierzchni Ziemi odgrywają rzeki. Sztormy i pojedyncze fale kształtują delty rzek i wybrzeża. Natomiast działalność erozyjna lodowców powoduje powstawanie wysokich i stromych klifów, dolin, jezior rynnowych czy przepięknych fiordów. • Płynąca woda jest niewyczerpalnym i ekologicznym źródłem energii. Może być wykorzystywana przez człowieka do napędzania np. kół młyńskich a w hydroelektrowniach do wytwarzania elektryczności.

25. Znaczenie wody w życiu człowieka – c.d. Nie ma wątpliwości co do tego, że woda jest niezbędnym składnikiem warunkującym życie człowieka i egzystencję wszystkich organizmów żywych na Ziemi. Jest żywiołem, który istnieje od zawsze, od początku świata. Wykorzystujemy ją nie tylko bezpośrednio w gospodarstwie domowym, turystyce, czy energetyce, ale również korzystamy z bogactw jakie kryją w sobie zbiorniki wodne. Bez wody nie jesteśmy w stanie żyć, a często niestety nie zdajemy sobie z tego sprawy i zapominamy jak bardzo jest ważna.

26. Znaczenie wody w życiu człowieka – c.d. Woda ma jednak swoje drugie oblicze. Jej niszczycielski charakter widzimy podczas powodzi, których częstymi przyczynami są intensywne opady deszczu, wiosenne roztopy, tamowanie biegu rzeki przez zapory utworzone przez kry oraz uszkodzenia tam.

27. Woda w Kosmosie NASA odkryła wodę na Marsie 31 lipca 2008 roku. Obecność wody na Księżycu w głębi zacienionego krateru została wykazana podczas misji LCROSS 8 października 2009 r. Występowanie znaczących ilości wody na innych ciałach niebieskich nie zostało wykazane, chociaż istnieją pośrednie dowody jej występowania, np. na niektórych księżycach Jowisza. Dotychczasowy rekord najodleglejszej wody należał do galaktyki położonej w odległości 7 miliardów lat świetlnych od Ziemi. Najnowsze obserwacje kosmosu pozwoliły poprawić ten rekord o połowę. Najdalsza znana woda znajduje się aż 11 miliardów lat świetlnych od nas. Astronomowie z Obserwatorium Genewskiego w Szwajcarii znaleźli dziwaczną planetę oddaloną o 33 lata świetlne od Ziemi. Jest ona wielkości Neptuna i w większości składa się z gorącego lodu.

28. Woda w przyrodzie Woda znajduje się w ciągłym ruchu. Pod wpływem ciepła słonecznego, morza, rzeki i jeziora parują, czego dowodem są unoszące się wysoko w atmosferze chmury, będące skupiskiem pary wodnej, skondensowanej w małe krople lub kryształki lodu. „Popychane” przez wiatr chmury przemieszczają się nad chłodnymi regionami, a tworzące je krople zwiększają swoją objętość i spadają na ziemię w postaci deszczu, śniegu lub gradu. Woda opadowa przesiąka w głąb ziemi, poprzez spływ powierzchniowy oraz podziemny zasila wody stojące i płynące. W wyniku parowania i transpiracji – wydalania wody przez rośliny, powraca ona do atmosfery. Proces zaczyna się od nowa.

29. Woda w przyrodzie – c.d.

30. Niezwykłe własności wody Przy wymienianiu niezwykłych właściwości wody nie można pominąć takich jak: zeszklenie wody, przechłodzenie wody, czwarty stan skupienia, właściwości topniejącej wody, obróbka magnetyczna wody, woda żywa i martwa, a także właściwości dotyczące pojemności cieplnej wody. • Zeszklenie wody – proces ten obserwujemy gdy prędkość chłodzenia jest wyższa niż prędkość z jaką wzrastają kryształy lodu. Właściwości takiego bezpostaciowego „lodu” są inne niż „normalnego”.

31. Niezwykłe własności wody – c.d. • Przechłodzenie wody – jest to niezwykły stan, w którym woda jest nadal cieczą ale jej temperatura wynosi mniej niż 0°C. By móc osiągnąć takie zjawisko należy spełnić kilka warunków takich jak: - stosunkowo niewielka masa wody (do ok 30 – 50g), - niskie tempo chłodzenia (ok 1- 1,5o C/ min), - brak domieszek i pęcherzyków powietrza, - zupełny bezruch, w tym także brak wibracji, - idealnie gładka powierzchnia formy, - brak oddziaływań zewnętrznych, w tym strumieni promieniowania mogących wywołać konsekwencję w objętości wody, - pożądana jest wstępna obróbka magnetyczna wody.

32. Niezwykłe własności wody – c.d. • Czwarty stan skupienia – jest to woda, która jest zawarta w organizmie żywym i osiąga temperaturę 4oC (wykazuje wtedy największą gęstość), jednak nie zamienia się ona w kryształy lodu, które mogłyby rozerwać komórki organizmu. Ciało, w którym taka woda się znajduje nazywany jest stanem anabiozy. Polega to na tym, że człowiek przechodzi w stan „uśpienia”, czyli ustają wszelkie procesy życiowe. • Właściwości topniejącej wody – woda pochodząca ze świeżo stopionego lodu posiada bardziej uporządkowaną strukturę przez co korzystnie wpływa na organizm ludzki.

33. Niezwykłe własności wody – c.d. • Obróbka magnetyczna wody – oddziaływanie pola magnetycznego powoduje nadanie właściwości wody podobnych do tej świeżo stopniałej. Taka magnetyczna woda wykorzystywana jest w celu polewania sadów i ogrodów co powoduje zwiększenie plonów o ok. 30%. W technikach chłodnictwa i klimatyzacji wykorzystuje się taką wodę jako środek intensyfikacji wymiany ciepła i zmniejsza zanieczyszczenia osadami wewnętrznych powierzchni rur i kanałów. Następuje także zmniejszenie szybkości tworzenia się szronu na powierzchniach chłodnic powietrza.

34. Niezwykłe własności wody – c.d. • Woda żywa i martwa – jest określana jako odmiana ciekłej wody w postaci dwóch spinorów: dodatniego i ujemnego (w przybliżeniu można je nazywać jako woda- kwas i woda-zasada). • Pojemność cieplna wody – woda charakteryzuje się największą pojemnością cieplną ze wszystkich cieczy (wartość ta osiąga ok. 4,18 kJ/kg*K). Woda, która występuje w pozostałych dwóch stanach skupienia tj. w postaci pary wodnej lub lodu posiada ok. dwa razy mniejszą pojemność cieplną. Takie cechy wody pozwalają na sformułowanie tezy, że wszelkie duże zbiorniki wodne takie jak morza i oceany można traktować jak gigantyczne zasobniki ciepła, które w znacznym stopniu łagodzą dobowe wahania temperatury.

35. Woda jako środowisko życia Gdyby nie pojawienie się wody, nie byłoby szansy na narodzenie się życia na Ziemi – większość teorii i badań dowodzi, że pierwsze, prymitywne formy żywe na naszej planecie pojawiły się właśnie w środowisku wodnym. Środowisko wodne charakteryzuje się znacznie mniejszymi wahaniami temperatur w porównaniu z lądem. Zależność ta jest spowodowana dużą pojemnością cieplną wody, co skutkuje możliwością pochłaniania lub oddawania znacznej ilości ciepła bez gwałtownych zmian temperatury. Obecnie różne typy środowisk wodnych stanowią miejsce życia wielu gatunków roślin i zwierząt.

36. Woda jako środowisko życia – c.d. Zasadnicze różnice między środowiskiem wodnym a lądowym:

37. Przemiany fazowe wody • Topnienie - przemiana fazowa, polegająca na przejściu substancji ze stanu stałego w stan ciekły. • Krzepnięcie - proces przechodzenia ciała ze stanu ciekłego w stan stały. • Parowanie (ewaporacja) - proces zmiany stanu skupienia, przechodzenia z fazy ciekłej danej substancji w fazę gazową (parę) zachodzący z reguły na powierzchni cieczy. • Skraplanie lub kondensacja – zjawisko zmiany stanu skupienia, przejścia substancji z fazy gazowej w fazę ciekłą.

38. Przemiany fazowe wody • Sublimacja – przemiana fazowa bezpośredniego przejścia ze stanu stałego w stan gazowy z pominięciem stanu ciekłego. • Resublimacja (desublimacja) – przejście fazowe, polegające na bezpośrednim przechodzeniu substancji z fazy gazowej (pary) w fazę stałą z pominięciem stanu ciekłego.

39. Ciepło właściwe wody Ciepło właściwe – ciepło potrzebne do zwiększenia temperatury ciała o jednostkowej masie o jedną jednostkę. c = ΔQ/m‧ΔT, ΔQ – dostarczone ciepło; m – masa ciała; ΔT – przyrost temperatury. Woda w różnych stanach skupienia ma różną wartość ciepła właściwego. Wartość tego ciepła dla wody w stanie ciekłym to ok. 4200 J/kg‧K.

40. Zadanie nr 1 Zadanie: Ile ciepła trzeba dostarczyć 200g wody, aby ogrzać ją 5 0 C? Rozwiązanie: Q = 4200J/kg*0,2kg*5 0C= 4200J Odpowiedź: Należy dostarczyć 4200J ciepła.

41. Ciepło parowania Ciepło parowania - ilość energii potrzebnej do odparowania jednostki masy danej substancji, przy stałym ciśnieniu i temperaturze. W układzie SI jednostką ciepła parowania jest J/kg. cp = Q/m cp – ciepło parowania (w temperaturze wrzenia) m – masa ciała (cieczy) Q – ilość ciepła potrzebna do wyparowania cieczy w temperaturze wrzenia

42. Ciepło skraplania Ciepło skraplania - ilość energii oddana podczas skraplania pary o masie m. W układzie SI jednostką ciepła skraplania jest J/kg. cs = Q/m cs – ciepło skraplania ( w temperaturze wrzenia)m – masa paryQ – ilość ciepła oddana podczas skraplania

43. Ciepło topnienia Ciepło topnienia - ilość energii potrzebna do stopienia ciała o masie m. W układzie SI jednostką ciepła topnienia jest J/kg. ct = Q/m ct – ciepło topnienia m – masa ciałaQ – ilość ciepła potrzebna do stopienia ciała

44. Ciepło krzepnięcia Ciepło krzepnięcia - ilość energii oddana przy krzepnięciu przez ciało o masie m. W układzie SI jednostką ciepła krzepnięcia jest J/kg. ck = Q/m ck – ciepło krzepnięcia (=ciepłu topnienia)m – masa ciałaQ – ilość ciepła oddana przez ciało podczas krzepnięcia

45. Zdjęcia Oto zdjęcia z zajęć, na których liczyliśmy zadania z ciepła skraplania, parowania, itd.

46. Zdjęcia Liczyliśmy też zadania z bilansu cieplnego.

47. Zdjęcia Bilans cieplny – c.d.

48. Napięcie powierzchniowe wody Napięcie powierzchniowe – zjawisko fizyczne występujące na styku powierzchni cieczy z ciałem stałym, gazowym lub inną cieczą. Zjawisko to polega na powstawaniu dodatkowych sił działających na powierzchnię cieczy w sposób kurczący ją tak, że zachowuje się ona jak sprężysta błona. Zjawisko to ma swoje źródło w siłach przyciągania pomiędzy molekułami cieczy. Występuje ono zawsze na granicy faz termodynamicznych, dlatego zwane jest też napięciem międzyfazowym.

49. Doświadczenie – napięcie powierzchniowe wody Metalowy pierścień zanurzamy w płynie do robienia baniek. Obserwujemy naprężenie nitki pod wpływem sił napięcia powierzchniowego.

50. Naczynia połączone • Naczynia połączone - co najmniej dwa naczynia skonstruowane tak, że ciecz może swobodnie między nimi przepływać, na przykład przez połączenie znajdujące się w dnie każdego z nich. • W obecności jednorodnego pola grawitacyjnego wlewając do któregokolwiek z naczyń połączonych jednolitą ciecz, jej poziom w każdym z naczyń ustali się na tej samej wysokości. Zjawisko to wykorzystuje się między innymi do konstrukcji poziomnicy rurkowej, wieży ciśnień i wielu innych urządzeń hydrotechnicznych.