DANE INFORMACYJNE

2. DANE INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: • Gimnazjum nr 60 im. Cyryla Ratajskiego w Poznaniu • ID grupy: 98/15_mf_g2 • Opiekun: Adam Szewczyczak • Kompetencja: • matematyczno - fizyczna • Temat projektowy: • „Woda” • Semestr/rok szkolny: • Semestr III/ rok 2010/2011

3. „Początkiem wszechrzeczy jest woda” • Tales z Miletu • Greccy filozofowie w VI wieku p.n.e. zadając pytanie o początek�świata próbowali wskazać substancję, z której wszystko powstało. Tales z Miletu wybrał wodę- głosił, że wszechświat to ogromny organizmu utrzymujący się przy życiu dzięki niej. W teorii tej tkwi ziarno prawdy.

4. Wszechobecna woda • Woda jest najbardziej rozpowszechnionym i najbardziej znanym płynem na Ziemi. Z wodą robimy prawie wszystko: • wodę pijemy • wodą się myjemy • w wodzie pływamy • wodą podlewamy nasze uprawy • wodą gasimy pożary • wodę wykorzystujemy w prawie każdej dziedzinie gospodarki

5. Wszechobecna woda • Wody używamy nawet jako broni. • Niestety woda jest też czasem dla ludzi przekleństwem:

6. Dlaczego woda? • To wszystko przyczyniło się do naszego zainteresowania wodą, a dokładniej: • znaczeniem wody w życiu człowieka • własnościami chemicznymi wody • własnościami fizycznymi wody • stanami skupienia wody • Celem naszego projektu było przygotowanie prezentacji multimedialnej przedstawiającej niezwykłe własności zwykłej wody.

7. Pochodzenie wody • Wśród naukowców istnieje kilka hipotez pojawienia się na naszej planecie wody: • hipoteza geotermalna opierająca się na obecności wody w magmie; woda powstaje podczas ostatniego etapu krzepnięcia magmy, w wyniku skraplania wytrącanej z niej pary wodnej. • hipoteza solarna – woda wytworzyła się na skutek łączenia się w atmosferze ziemskiej tlenu i wodoru, który dotarł do Ziemi razem z wiatrem słonecznym. • hipoteza ziemska - woda powstała na Ziemi w wyniku odgazowania wody znajdującej się w skałach budujących płaszcz ziemski.

8. Pochodzenie wody • Najpopularniejsza wśród naukowców hipoteza 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.

9. Badacze wody • Daniel Gabriel Fahrenheit (1686 – 1736) • Fizyk i inżynier pochodzenia niemieckiego. Wynalazca termometru rtęciowego, twórca skali temperatur używanej w niektórych krajach anglosaskich. • W 1721 opisał zjawisko przechłodzenia wody. Stwierdził także zależność temperatury wrzenia wody od ciśnienia.

10. Badacze wody LAVOISIER ANTOINE LAURENT (1743 – 1794) HENRY CAVENDISH (1731 – 1810) Wspólnie udowodnili, że woda jest związkiem chemicznym, powstającym podczas spalania wodoru.

11. Badacze wody • Anders Celsius (1701 – 1744) – szwedzki fizyk i astronom. • W 1742 opracował skalę temperatur nazywaną skalą Celsjusza i stosowaną powszechnie w wielu krajach. • Celsius proponował wykorzystanie w pomiarach temperatury dwóch punktów – topnienia lodu oraz wrzenia wody – i podzielenia skali pomiędzy nimi na 100 stopni, przy czym punktowi topnienia miało odpowiadać 0 stopni, natomiast punktowi wrzenia – 100. Już

12. Badacze wody JOSEPH LOUIS GAY – LUSSAC (1778 – 1850) francuski chemik i fizyk Udowodnił, że woda składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Wzór wody to H2O.

13. Znaczenie wody

14. Woda to drugi obok tlenu element przyrody warunkujący istnienie życia. Zapewnia ona nie tylko życie ludziom, zwierzętom, czy roślinom, ale także umożliwia ich rozwój. To od niej są zależne wszystkie procesy zarówno w organizmie istot żywych jak i poza nimi.

15. Biologiczne znaczenie wody • Biologiczne znaczenie wody sprowadza się do pięciu najważniejszych funkcji: • - jest podstawą płynów ustrojowych, • - reguluje temperaturę, ciśnienie atmosferyczne i pH, • - uczestniczy w przebiegu wielu procesów przemiany materii, • - utrzymuje odpowiednie wymiary i kształty komórek, • - stanowi środek transportu wewnątrzustrojowego oraz środowisko niezbędne do usuwania końcowych produktów metabolizmu i metabolitów szkodliwych.

16. ZNACZENIE WODY DLA 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.

17. ZNACZENIE WODY DLA CZŁOWIEKA • Ponadto 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. Dlatego też woda jest tak ważna i trzeba pamiętać o uzupełnianiu jej strat, które powstają w trakcie oddychania, przy wydalaniu moczu, ponadto tracimy ją razem z potem przez skórę. Taka utrata wody jest naturalna i zapewnia oczyszczanie organizmu z toksyn.

18. ZNACZENIE WODY DLA CZŁOWIEKA • Należy jednak dążyć do tego, aby bilans wodny był zrównoważony, a więc, żebyśmy dostarczali do organizmu tyle wody ile jej wydalamy. Dla dorosłego człowieka bilans ten wynosi 2,5 - 3 litrów dziennie, a u dziecka natomiast 1,5 - 2,5 litrów. Warto również pamiętać o tym, że woda to źródło składników mineralnych, które warunkują prawidłowy rozwój i funkcjonowanie organizmu.

19. Woda do picia • Za dobrą wodę do picia uważa się taką wodę, która odpowiada podstawowym wymaganiom sanitarno-epidemiologicznym: • a) woda powinna być klarowna, bezbarwna, bezwonna i orzeźwiająca w smaku, • b) nie powinna zawierać bakterii chorobotwórczych, pasożytów zwierzęcych oraz ich larw i jaj ani związków trujących, nadmiernych ilości związków wapnia, magnez, żelaza i manganu, • c) nie może zawierać składników lub domieszek szkodliwych dla zdrowia i ujemnie wpływających na jej walory smakowe,

20. Woda do picia • d) musi być stale chroniona i zabezpieczana przed zanieczyszczeniem, • e) woda przeznaczona do picia powinna zawierać w odpowiedniej ilości te składniki, które są dla organizmu ludzkiego potrzebne, a których woda jest głównym źródłem (np. jod, fluor).

21. ZNACZENIE WODY DLA CZŁOWIEKA • Ponadto woda jest wykorzystywana do utrzymywania czystości w otoczeniu człowieka oraz zaspokajania potrzeb higieny osobistej. Ilość zużywanej wody jest wskaźnikiem kultury sanitarnej i zdrowotnej społeczeństwa, bowiem im wskaźnik ten jest wyższy, tym zużycie wody jest większe. • Nie sposób również zapomnieć o walorach rekreacyjnych wody. Wszystkie w miarę czyste zbiorniki wodne, czy rzeki stanowią atrakcje turystyczne, są wykorzystywane do zakładania kąpielisk i uprawiania sportów wodnych.

22. 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. • Ponadto 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.

23. Właściwości fizyczne i chemiczne wody

24. Właściwości wody • bez zapachu • bez smaku • bezbarwna • nie ma określonego kształtu (swój kształt dostosowuje do naczynia, w którym się znajduje), • jest mało ściśliwa i rozprężliwa (trudno zmienić jej objętość), • lepkość, czyli inaczej tarcie wewnętrzne powodujące opór przeciwko płynięciu,

25. Cząsteczka wody • Z punktu widzenia chemika woda (tlenek wodoru) jest związkiem chemicznym składającym się z 2 atomów wodoru i jednego atomu tlenu. • Wzór chemiczny: H2O • Wzór strukturalny: • Wzór elektronowy: H H O H. .H . . . O. ..

26. Model Cząsteczki wody w dwóch wymiarach • W rzucie na płaszczyznę ma wygląd trójkąta równoramiennego z atomem tlenu w jednym narożu trójkąta i atomami wodoru w pozostałych dwóch. • Boki tego trójkąta mają długości: 1,013 x 10-10m (wiązanie H - O) oraz 1,63 x 10-10m (średnie odległości między atomami wodoru). • Kąt między wiązaniami H - O ma wartość 104° 27’.

27. Model Cząsteczki wody w trzech wymiarach • W trzech wymiarach cząsteczka wody ma kształt czworościanu foremnego z atomem tlenu w środku i atomami wodoru oraz wolnymi parami elektronowymi w wierzchołkach.

28. Własności polarne wody • Z przedstawionych wzorów i modeli widzimy, że cząsteczka wody nie ma budowy liniowej, a ma budowę kątową. Spowodowane to jest obecnością na atomie tlenu dwóch wolnych par elektronowych a w samej cząsteczce występuje przesunięcie elektronów ku atomowi tlenu. Konsekwencją przesunięcia elektronów ku atomowi tlenu jest powstanie dipola, gdzie na atomach wodoru mamy zaznaczony znak "+" a na tlenie znak "-". • Dipol to cząsteczka w której możemy wyróżnić bieguny - dodatni i ujemny.

29. Doświadczenie • Przebieg doświadczenia: • 1. Elektryzujemy rurkę lub laseczkę pocierając o sweter lub włosy. • 2. Zbliżamy naelektryzowany przedmiot do strużki wody z kranu na odległość kilku milimetrów. Nie dotykamy przedmiotem strużki! • 3. Obserwujemy zachowanie strużki wody.

30. doświadczenie • Analiza doświadczenia: • Cząsteczka wody jest elektrycznie neutralna, ale elektrony w wiązaniach chemicznych wodoru z tlenem są przesunięte w stronę atomu tlenu. • Gdy zbliżamy ujemnie naelektryzowane ciało do strużki wody, cząsteczki wody przekręcają się: strona mająca ładunek ujemny (czyli tego samego znaku co rurka) ustawia się dalej od rurki, a strona mająca ładunek dodatni (czyli przeciwnego znaku niż rurka) ustawia się bliżej rurki. Ładunki przeciwnego znaku znajdują się zatem bliżej rurki, a więc są mocniej przyciągane przez naelektryzowaną rurkę. To powoduje, że rurka przyciąga cząsteczki wody i strużka wygina się w stronę rurki.

31. zastosowanie • Polarne właściwości wody zostały wykorzystane przy konstruowaniu kuchenki mikrofalowej. • W jaki sposób? • Gdy woda ta znajdzie się w obszarze silnego pola magnetycznego jej cząsteczki, posiadające budowę polarną, mają tendencje do ustawiania się zgodnie z kierunkiem działającego na nie pola. W trakcie więc ustawiania się cząsteczek wody, w kierunku przyłożonego pola elektromagnetycznego zderzają się one z sąsiednimi cząsteczkami, w wyniku czego ich część elektrostatycznej energii, zamienia się na energię cieplną. Zmieniając więc w sposób ciągły, kierunek przyłożonego pola elektromagnetycznego, cząsteczki wody podążają za jego kierunkiem i wytwarzają coraz więcej energii cieplnej, podwyższając temperaturę danego związku organicznego, który zawiera wodę.

32. Kohezja i adhezja • Polarne właściwości wody są podstawą takich zjawisk jak: • kohezja (wzajemnie przyciąganie się cząsteczek wody), która zapewnia dużą wytrzymałość słupa wody na rozciąganie. • adhezja (przyciąganie wody przez naładowane elektrycznie powierzchnie np. ściany komórkowe)

33. doświadczenie • Przyrządy: • szklanka, woda, monety • Przebieg doświadczenia: • Napełnij szklankę wodą po brzegi. • Powoli, ostrożnie wrzucaj monety. • Wnioski: • Zanim woda się rozlała, w szklance zmieściło się o wiele więcej monet, niż mogłoby się wydawać. Cząsteczki wody oddziałują na siebie, przyciągając się, dlatego woda nie wylewa się lecz tworzy wybrzuszenie nad krawędzią szklanki.

34. doświadczenie Przyrządy: 2 rurki o różnej grubości, płaska miska z wodą Przebieg doświadczenia: • Obie rurki trzymając pionowo umieść w wodzie. • Zmierz do jakiej wysokości uniesie się woda w każdej z nich. Wnioski:Woda w cieńszej rurce podniosła się wyżej niż w grubszej. Pomiędzy powierzchnią rurek a wodą działają siły adhezji i wskutek ich działania słupek wody unosi się w górę. W cieńszej podniósł się wyżej, ponieważ waga słupa wody jest w niej mniejsza niż w grubszej.

35. Asocjacja cząsteczek woDy • Cząsteczki wody mają zdolność asocjacji, czyli łączenia się pojedynczych cząsteczek w większe, spowodowane tworzeniem się międzycząsteczkowych wiązań wodorowych. • Asocjacja nadaje wodzie określone właściwości takie jak np. rozpuszczalność.

36. Woda jako rozpuszczalnik Woda jest dobrym rozpuszczalnikiem wielu substancji. • Tworzy mieszaniny jednorodne, czyli roztwory właściwe - mieszaniny, w których cząsteczki substancji rozpuszczanej mają rozmiary mniejsze od 10-9 m. • Tworzy mieszaniny niejednorodne, czyli • zawiesiny - mieszaniny, w których cząsteczki substancji rozpuszczanej mają rozmiary większe od 10-7 m. • koloidy - mieszaniny, w których cząsteczki substancji rozpuszczanej mają rozmiary od 10-9 m do 10-7 m.

37. doświadczenie • Rozpuści się, czy nie?

38. Prawo pascala Ciśnienie zewnętrzne wywierane na ciecz lub gaz znajdujące się w naczyniu zamkniętym rozchodzi się jednakowo we wszystkich kierunkach. Twórcą powyższego prawa jest Blaise Pascal (1623 – 1662) – francuski matematyk, fizyk i filozof religii. Miał on znaczący wkład w konstrukcję mechanicznych kalkulatorów i mechanikę płynów; sprecyzował także pojęcia ciśnienia i próżni, uogólniając prace Torricelliego.

39. doświadczenie • Przyrządy: mała lekka piłeczka, strzykawka z wodą • Przebieg doświadczenia: • Piłeczkę nakłuwamy robiąc małe otworki na całej powierzchni, napełniamy wodą. • Strzykawkę napełniamy woda i wbijamy w piłeczkę uszczelniając połączenie. • Przesuwamy tłok w strzykawce. • Wnioski: • Przesuwając tłok w strzykawce możemy obserwujemy symetryczny wypływ wody we wszystkich kierunkach.

40. doświadczenieNurek kartezjusza • Potrzebne przyrządy: • plastikowa butelka, woda, słomka do napojów z harmonijką, plastelina • Przebieg doświadczenia: • 1. Napełnienie butelkę wodą z kranu. • 2. Włożenie nurka (słomki z plasteliną) do butelki tak, aby harmonijka słomki znajdowała się u góry. • 3. Zakręć mocno butelkę za pomocą zakrętki. Nurek powinien pływać w butelce tuż przy zakrętce. Jeżeli nurek tonie, wyjmij go i usuń część plasteliny. • 4. Ściśnij ścianki butelki.

41. doświadczenieNurek kartezjusza • Obserwacje: • Podczas ściskania butelki nurek tonie, gdy przestajemy ściskać wypływa na wierzch.

42. doświadczenieNurek kartezujsza • Wnioski: • Gdy naciskamy na ścianki butelki, ciśnienie to przenosi się na wszystkie części: na samego nurka, wodę i na powietrze znajdujące się w górnej części nurka. Ciśnienie to jest na tyle małe, że nie może nic zrobić ani plastelinie, ani słomce. Nie może nawet ścisnąć wody, bo woda jest nieściśliwa. Ciśnienie to jednak może spowodować ściśnięcie powietrza wewnątrz nurka. Gdy powietrze jest ściskane, do słomki dostaje się więcej wody. Woda ta dociąża nurka i nurek zaczyna tonąć. Gdy przestajemy ściskać butelkę, przestajemy wywierać dodatkowe ciśnienie, powietrze się rozpręża, część wody wylewa się ze słomki i wszystko wraca do początku. Nurek wypływa do góry.

43. Napięcie powierzchniowe • Napięcie powierzchniowe jest zjawiskiem, które powoduje, że powierzchnia cieczy zachowuje się jak napięta błonka. • Dzięki napięciu powierzchniowemu małe owady mogą biegać po powierzchni wody nie zanurzając się, małe przedmioty o gęstości większej od gęstości wody (szpilka, żyletka, spinacz biurowy) mogą pływać po jej powierzchni, a pająk topik może zbierać pod wodą powietrze w dzwonie zrobionym z pajęczyny. Napięcie powierzchniowe powoduje, że ciecze  przyjmują kształt kropli.

44. Napięcie powierzchniowe • Napięcie powierzchniowe powoduje, że na brzegu powierzchni działa siła F proporcjonalna do długości l tego brzegu:  F = s l. • Współczynnik proporcjonalności w tym wzorze nosi nazwę współczynnika napięcia powierzchniowego. Jego wartość dla czystej wody wynosi 0,07 N/m. • Siła F jest skierowana od brzegu w stronę powierzchni cieczy (stycznie do niej), a zatem dąży do zmniejszenia pola powierzchni. • Wynika stąd, że wytworzenie powierzchni swobodnej S wymaga wykonania pracy L = s S. 

45. Napięcie powierzchniowe a temperatura • Napięcie powierzchniowe silnie zależy od temperatury cieczy. Zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury i spada do zera w temperaturze krytycznej (dla wody 374,2 °C). • Podczas zwiększania temperatury rośnie energia kinetyczna cząsteczek wewnątrz cieczy a także rośnie nieuporządkowanie na powierzchni cieczy na skutek coraz silniejszej tendencji do przechodzenia cieczy w stan pary. Energia konieczna do wyciągnięcia cieczy z wnętrza na powierzchnię, dostarczona z zewnątrz staje się coraz mniejsza i napięcie powierzchniowe maleje.

46. Substancje powierzchniowo czynne • Niektóre substancje, gromadząc się na powierzchni wody, zmniejszają jej napięcie powierzchniowe. Substancje o takich właściwościach nazywamy powierzchniowo czynnymi. Należą do nich środki myjące i piorące, białko, związki humusowe i inne.

47. doświadczenie • Potrzebne przyrządy: • miseczka z wodą, pieprz, płyn do mycia naczyń • Przebieg doświadczenia: • Miseczkę napełnij wodą i na jej powierzchnię nasyp trochę mielonego pieprzu. • Dotknij palcem powierzchni wody. • Na palec wpuść kroplę płynu do mycia naczyń i dotknij powierzchni wody.

48. Doświadczenie • Obserwacje: • Pieprz, którym posypano powierzchnię wody w talerzu, ucieka od palca pobrudzonego płynem do zmywania. • Wnioski: • Płyn do zmywania „psuje” napięcie powierzchniowe i pieprz nie jest odpychany, lecz odciągany tam, gdzie ono jeszcze działa. Nawet bardzo małe zanieczyszczenie zmniejsza skłonność wody do zbierania się w krople. To jest właśnie funkcja mydła i innych środków powierzchniowo czynnych: one wcale nie myją, tylko pozwalają robić to wodzie przez obniżenie jej napięcia powierzchniowego, dzięki czemu woda wnika w maleńkie szczeliny między brudem a rzeczą mytą czy praną.

49. Co robi płyn do mycia naczyń? • Płyn do zmywania „psuje” napięcie powierzchniowe i pieprz nie jest odpychany, lecz odciągany tam, gdzie ono jeszcze działa. Nawet bardzo małe zanieczyszczenie zmniejsza skłonność wody do zbierania się w krople. To jest właśnie funkcja mydła i innych środków powierzchniowo czynnych: one wcale nie myją, tylko pozwalają robić to wodzie przez obniżenie jej napięcia powierzchniowego, dzięki czemu woda wnika w maleńkie szczeliny między brudem a rzeczą mytą czy praną.

50. Menisk • Menisk – przyleganie cząsteczek do ścianek naczynia, w którym się znajdują. Zależy od tego czy siły międzycząsteczkowe (siły spójności) są większe lub mniejsze od sił przylegania do ścianek naczynia. • Jeśli siły przylegania są większe od sił spójności to mówimy, że ciecz zwilża ścianki naczynia i tworzy się wtedy menisk wklęsły. Tak zachowuje się woda w szklanej rurce.