Цель: дать целостное представление о воде с точки зрения естественных наук (биологии, химии, физики, географии, экологии).
Оборудование:
- иллюстрированный материал; кристаллизатор с холодной водой;
- иголка;
- дистиллированная вода;
- минеральная вода;
- лакмусовая бумага.
Тип урока: семинар.
Действующие лица:
- учитель;
- ученики 11-го класса в роли биолога, ботаника, зоолога, географа, физика, химика, эколога.
Необходимая составная часть всего живого. Вода! У тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха; тебя не опишешь, тобой наслаждаешься, не понимая, что ты такое. Ты не просто необходима для жизни, ты и есть сама жизнь. С тобой во всем существе разливается блаженство, которое не объяснишь только нашими пятью чувствами… Ты величайшее в мире богатство… Антуан де Сент-Экзюпери
Учитель:
Во время урока вам необходимо заполнить таблицу:
| БИОЛОГИЯ | ФИЗИКА | ХИМИЯ | ЭКОЛОГИЯ |
Географ:
Вода – самое распространенное на Земле вещество. Почти 3/4 поверхности земного шара покрыто водой, заполняющей все природные водоемы и образующей океаны, моря, реки и озера. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; огромными массами снега и льда лежит вода круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. Не только на поверхности земли, но и в ее недрах находится вода, пропитывающая почву и различные горные породы, образуя грунтовые воды, дающая начало источникам и ключам. Водная оболочка планеты – гидросфера.
Вода играет определяющую роль в геологической истории Земли, в формировании климата и погоды, в круговороте веществ, в физиологической и биологической сферах жизни.
– В северных морях водоросли растут лучше, чем в морях южных морей. Почему? (В холодной воде растворяется больше кислорода, который необходим для дыхания).
Эколог:
Средняя глубина Мирового океана 3,8 км. В нем растворены соединения до 100 хим. элементов. Особенно важны растворенные в воде кислород и углекислый газ, участвующие в фотосинтезе и дыхании. Водную оболочку населяют живые организмы: в толще воды находится – планктон, а бентос – прикреплен ко дну.
Ботаник:
Вода часто выступает в качестве лимитирующего фактора для наземных организмов. Влажность почвы в значительной мере обуславливает смену растительных поясов с севера на юг. По способности переносить недостаток воды растения делятся на ксерофиты (высокая выносливость – кактус, можжевельник, сосна), мезофиты (средняя выносливость – ясень, береза), гидрофиты (низкая выносливость – рогоз, кувшинка, ряска).
Существуют адаптации у растений к засушливым условиям среды: опушение листьев, превращение их в колючки, утолщение стеблей и листьев, длинные корни, раннее цветение.
Необходимо отметить, что размножение у многих растений (водорослей, мхов, хвощей, плаунов, папоротников) происходит с участием воды.
Учитель:
– Как можно решить проблему заболачивания? (Посадить влаголюбивые растения).
– Мох выдерживает большие морозы и сильную жару, растет при слабом освещении, но очень нуждается в воде. Почему? (Мох всасывает воду ризоидами – зеленый мох или нижней частью стебля – сфагнум, при недостатке влаги развитие мха задерживается, и растение гибнет. К тому же вода нужна для размножения мхов).
– Какое растение поднимается из воды с восходом солнца и вновь опускается на дно после захода солнца? (Кувшинка, водяная лилия).
Зоолог:
А у животных приспособления к засухе следующие: переждать в норах жару, летняя спячка в слизевом коконе (дождевой червь) и в норах (суслик), накопить жир, который, расщепляясь, дает воду (верблюды, грызуны), осуществлять миграции.
Необходимо отметить, что у многих животных размножение протекает в воде (рыбы, земноводные).
Учитель:
– Какой грызун строит плотины на реках? (Бобр).
– Где раки зимуют? (В ямах на дне реки).
– Какое животное способно выпить 250 л. воды сразу? (Верблюд).
Биолог:
Вода – растворитель. Полярность молекул воды делает ее прекрасным растворителем для других полярных соединений. Вещества, растворяющиеся в воде, называются гидрофильными, не растворяющиеся – гидрофобными. К первым относятся сахара, спирты, альдегиды, аминокислоты, азотистые основания; ко вторым – жирные кислоты, холестерин и некоторые другие. Промежуточное положение занимают амфипатические соединения, например липиды.
Транспортная функция. Передвижение по организму воды с растворенными в ней веществами позволяет переносить последние, доставляя их к различным частям организма. Вода принимает участие в удалении ненужных продуктов из организма.
Вода – термостабилизатор и терморегулятор. Высокая теплоемкость воды позволяет ей смягчать влияние на организм значительных перепадов температуры в окружающей среде. Кроме того, у воды высокая теплопроводность, что позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объеме.
Способность молекул воды при испарении уносить с собой значительные количества тепла (высокая теплота испарения), охлаждая организм, используется при потоотделении у млекопитающих, тепловой одышке у крокодилов и транспирации у растений, предотвращая перегрев.
Вода – реагент. Вода служит не только средой протекания химических реакций, но и участвует во многих из них. Так, образование биополимеров из мономеров сопровождается образованием молекул воды, а расщепление полимеров (гидролиз) ее затратой. В процессе фотосинтеза Н2О служит источником водорода.
Структурная функция. Цитоплазма клеток содержит от 60 до 95 % воды, и именно она придает клеткам их нормальную форму. У растений вода определяет тургесцентность клеток, а у некоторых животных выполняет опорные функции, являясь гидростатическим скелетом (иглокожие, круглые черви и др.). (Опыт: в первый стакан с чистой водой опустить нарезанный картофель, а во второй стакан нарезанный картофель опустить в соленую воду. Наблюдаем, что во втором стакане картофель становится мягким, так как происходит явление осмоса).
У человека:
Основным источником потери тепла является потоотделение 80%. В течение суток через кожу выделяется 0,5 л Н2О.
Человек без пищи может прожить месяц, без воды – около недели. Чем это можно объяснить? (Т.к. все жизненные процессы в организме идут в водно – солевых растворах. Вода выделяется из организма с мочой, потом, через кожу, с остатками непереваренной пищи, при дыхании).
Учитель:
– Почему паук-водомерка может бегать по поверхности воды?
Физик:
Лапки паука-водомерки не смачиваются водой и поэтому как бы отталкиваются от нее, не нарушая поверхностного слоя.
(Опыт: в кристаллизатор с холодной водой нужно опустить тонкую иголку. В результате опыта наблюдаем, что иголка держится на поверхности воды).
Необходимо указать физические характеристики воды. Вода имеет самую высокую теплоемкость (4,284 кДж кг. град.) среди жидкостей.
Учитель:
– А как это может влиять на нас с вами?
Физик:
Вода занимает около 75% поверхности Земного шара. Она медленно нагревается,
аккумулируя тепло, а потом также медленно остывает, отдавая накопленное тепло, поэтому всегда вблизи больших водоемов не так резки перепады температур днем и ночью, как на континенте, а особенно в пустыне.
У нас в Северодвинске зимой всегда теплее на 1–3°С чем в Архангельске, а летом наоборот прохладнее, хотя расстояние между нашими городами всего 25 км. по прямой.
Учитель:
– А какую особенность воды можно назвать самой удивительной для жизни на земле?
Физик:
Плотность воды по мере охлаждения возрастает не монотонно до 0°С (температуры замерзания), а имеет максимум при +4°С и затем несколько уменьшается. При замерзании плотность резко уменьшается и составляет для льда 0,91г/ см3. Это значит, что лед легче воды, следовательно, он плавает. Это позволяет закрыть водоем плотно, как крышкой кастрюлю. Из жизненного опыта вам известно, что кастрюля, закрытая крышкой остывает медленнее, чем открытая. Реки, озера и моря затянутые льдом остывают медленно, и до дна промерзнуть не успевают даже за долгую зиму на Севере, еще надо учесть, что самая тяжелая вода при температуре + 4°С. Кроме того вода является плохим проводником тепла. (Показать опыт с кипячением воды, когда на дне пробирки лед). Все это дает возможность растениям и другим живым организмам благополучно перезимовать. При этом не надо забывать, что лед имеет большую удельную теплоту плавления (в 13,5 раза больше, чем у свинца), поэтому вода при замерзании выделяет большое количество теплоты, которая передается окружающей среде, поэтому мы часто в морозные дни можем видеть птиц на льду.
Учитель:
– А почему вода растворяет вещества?
Химик:
В силу высокой полярности молекул воды вода является растворителем других полярных соединений, не имея себе равных.
Молекулы воды не линейны – угол между связями равен 104° 27'.
Связи ковалентны, полярны, т.е. некоторый положительный заряд несут атомы водорода, а отрицательный – атом кислорода. Вследствие этого связанный атом кислорода способен притягивать атом водорода соседней молекулы с образованием водородной связи, что существенно повышает общую энергию связи. Т.о. молекулы в воде ассоциированы. В кристаллах льда водородные связи еще сильнее.
Весовой состав воды выражается следующими числами: 11,11% водорода и 88,89% кислорода. Отсюда простейшая формула воды будет Н2О.
Известна тяжелая и легкая вода. При электролизе обыкновенной воды, содержащей наряду с молекулами Н2О также незначительное количество молекул D2О, образованных тяжелым изотопом водорода, разложению подвергаются преимущественно молекулы Н2О. поэтому при длительном электролизе воды остаток постепенно обогащается молекулами D2О.
Тяжелая вода хуже растворяет соли, чем обыкновенная вода. Тяжелая вода получила практическое применение в качестве замедлителя реакций в ядерных реакторах.
Учитель:
– Бывает, что, набирая воду впрок, наши бабушки кладут на дно ведра серебряную ложку. Зачем? (Ионы серебра убивают микроорганизмы, и вода дольше не портится).
– Что вы знаете о структурировании воды?
Химик:
Химические свойства воды определяются ее составом и строением.
Молекулу воды можно разрушить только внешним воздействием. Вода начинает заметно разлагаться только при 2000°С (термическая диссоциация) или под действием ультрафиолетового излучения (фотохимическая диссоциация). На воду также действует радиоактивное излучение. При этом образуется водород и пероксид водорода Н2О2.
Щелочи и щелочноземельные металлы разлагают воду с выделением водорода при обычной температуре, а магний и цинк – при кипячении. Железо реагирует с водяным паром при красном калении.
- Вода является одной из причин коррозии – ржавления металлов.
- Благородные металлы с водой не реагируют.
- Вода взаимодействует со многими неметаллами.
- Н2О + О —> Н2О2 атомарный кислород превращает воду в пероксид водорода.
- Вода “горит” в струе фтора.
- Хлор при 100° С или на свету разлагает воду с выделением атомного кислорода Н2О + Cl2 —> 2НCl + О.
- Растворимые в воде солеобразующие оксиды, взаимодействуя с ней, дают кислоты и основания.
- Многие соли и другие вещества гидролизуются водой.
Учитель: В Московском Кремле с первой половины XVI в. до 30 годов XVIII в. функционировал водопровод со свинцовыми трубами и резервуарами. В этот же период наблюдался высокий уровень детской смертности и наследственных уродств членов царской семьи. Объясните причины этих явлений. (Свинец, растворенный в водопроводной воде, способен вызвать отравления, накапливаться в тканях, разрушать половые клетки).
Эколог:
Природная вода никогда не бывает совершенно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит различные примеси, которые захватывает из воздуха (растворенные газы, пыль, микроорганизмы). Просачиваясь сквозь верхние слои земли, вода растворяет по пути различные вещества. Поэтому колодезная, ключевая, речная и озерная вода всегда содержит растворенные вещества (0,01 – 0,05%). Морская вода содержит до 4% растворенных веществ, главную массу которых составляет поваренная соль.
Химик:
Вода, содержащая большое количество солей кальция и магния, называется жесткой в отличие от мягкой воды, например дождевой, в которой растворенных веществ немного. Жесткая вода дает мало пены с мылом.
(Опыт: взять 3 пробирки, в первую налить сок, во вторую дистиллированную воду, в третью минеральную воду. В каждую пробирку опустить индикаторную бумажку. В результате наблюдаем, что в первой пробирке рн = 2, во второй рн = 5,5, в третьей рн = 7,5).
Эколог:
Кроме растворимых примесей, природная вода всегда содержит во взвешенном состоянии твердые частицы песка, глины, остатки растений и животных, а также всевозможные микроорганизмы. Среди последних могут быть и болезнетворные, которые, попадая в организм человека и животных, вызывают различные заболевания.
Чтобы освободить воду от взвешенных в ней частиц, ее подвергают фильтрованию сквозь слой какого-нибудь пористого вещества, например угля, обожженной глины и т.п. при фильтровании воды в большом масштабе пользуются исключительно фильтрами из песка и гравия. Фильтры задерживают также большую часть бактерий. Для обеззараживания питьевой воды ее хлорируют. Совершенно чистую воду, не содержащую также и растворенных веществ, получают путем перегонки (дистилляции).
Учитель:
– Назовите естественные фильтры в природе. (Песок, известняк).
– Вы находитесь в походе, и местные источники воды вызывают у вас сомнение. Как обезопасить себя с помощью простых и надежных средств? (Можно заразиться различными инфекционными и глистными заболеваниями. Простой способ избежать этого – кипячение воды).
– Не секрет, что сегодня водопроводная вода содержит большое количество примесей. Одни люди эту воду отстаивают, другие кипятят. Кто прав? (Водопроводную воду отстаивать нужно обязательно, независимо от того, будете ли вы ее кипятить).
Эколог:
Вода – это уникальное вещество природы, которое необходимо защищать!
Чистыми должны быть воды
Океанов, моря, рек.
И об этом должен помнить
Каждый умный человек.
Учитель:
Обобщение изученного материала в виде фронтального опроса.
Домашнее задание.
На альбомном листе отобразите уникальность воды в природе. (Творческое задание).