Урок-конференция "Вода, вода — кругом вода"

Разделы: Физика, Химия, Биология

Цель: показать проявление общих закономерностей природы с точки зрения химии, физики, биологии на примере воды.

Задачи:

рассмотреть это вещество и его строение с точки зрения физики, химии, биологии;
раскрыть сущность воды, ее значимость физических, химических свойств;
показать значение воды в жизни живого;
рассмотреть вопрос необходимости охраны воды.

На доске эпиграф: “Воде была дана волшебная власть стать соком жизни на Земле”. (Леонардо да Винчи)

План конференции:

Организационный момент.
Физические свойства воды и ее аномалии.
Химические свойства воды и их объяснение с точки зрения химии.
Биологическое значение воды
Вода города Нижний Тагил
Экологические проблемы воды города Нижний Тагил.
Анализ и очистка воды в бытовых условиях.
Подведение итогов конференции.

Домашнее задание: придумать герб водяного царства и представить его обоснование.

НАЧАЛО КОНФЕРЕНЦИИ

Звучит музыка и демонстрируется фрагмент видеофильма “Вода в природе”.

Ученик. Ни на одной планете нет такого количества воды, как на Земле. Вода повсюду. Она и вокруг нас: в океанах и морях, реках и озерах, в дожде и снеге, в льдинах и водопроводных трубах, в питье и в пище. Она и в нас самих: мы на 2/3 сделаны из воды. Вода занимает 3/4 поверхности Земли. Около 1/5 суши покрыто твердой водой (льдом и снегом), добрая половина ее всегда закрыта облаками, которые состоят из водяных паров и мельчайших капелек воды, а там, где никаких облаков нет, в воздухе всегда есть водяные пары.

Вода вылепила лицо нашей планеты. Вся земная жизнь рождена водой и не может существовать без нее. Мы дети воды.

На гербе “водяного царства” можно написать девиз “никому не уступлю”. Смысл его – велика роль воды в жизни Земли.

Вероятно, мало кто из вас задумывался над удивительными свойствами воды, и это, пожалуй, понятно – ведь вода повсюду окружает нас, она очень обычна на нашей планете. Ну, а обычное никогда не кажется удивительным. Однако сама обыденность необычна. Ведь никакое другое вещество не встречается на Земле в таких количествах, да еще одновременно в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном.

Так давайте зададимся вопросом: “Что же такое вода, и какова ее роль?”

ВЫСТУПЛЕНИЕ ФИЗИКОВ

1-й ученик (тема выступления: “Физические свойства воды”).

Вода – поразительная жидкость – у нее есть аномалии. Для воды будто законы не писаны! Но, благодаря ее капризам, не могла бы родиться и развиваться жизнь.

Первая аномалия: воде по ее химической структуре положено плавиться и кипеть при низких температурах, которых на Земле не бывает. Не было бы, значит, на Земле ни твердой, ни жидкой воды. А был бы один пар. А она кипит при 100? С.

Вторая аномалия: высокая теплоемкость. У воды она в 10 раз больше, чем у железа. Из-за исключительной способности воды поглощать тепло температура при ее нагревании и охлаждении изменяется незначительно, поэтому морским обитателям никогда не угрожает ни сильный перегрев, ни чрезмерное охлаждение.

Третья аномалия: у воды очень высокая удельная теплота парообразования. Если бы у воды не было этого свойства, многие озера и реки летом быстро бы пересохли до дна, и вся жизнь в них погибла.

Четвертая аномалия: замерзая, вода расширяется на 9% по отношению к прежнему объему. Поэтому лед всегда легче незамерзшей воды и всплывает вверх. Под такой “шубой” даже зимой в Арктике морским животным не очень холодно.

2-й ученик (тема выступления: “Увеличение плотности воды при увеличении температуры от 0°до 40° С”):

Все вещества, когда их нагревают, расширяются, а при охлаждении сжимаются. Вода тоже сжимается, пока температура падает, но при +4?С наступает предел. Тут она снова начинает расширяться, хотя температура продолжает понижаться. Поэтому самой плотной и тяжелой вода бывает при +4?С. Зимой, охладившись до +4?С, она опускается на дно. Вот почему на дне пруда, озера, реки под слоем льда сравнительно тепло и обитатели водоемов имеют возможность жить.

3-й ученик (тема выступления: “Сила поверхностного натяжения”).

Первый взгляд на чай, налитый в чашку, подтверждает известное положение, что жидкость своей формы не имеет, а принимает форму сосуда, в который она налита.

(Демонстрация опыта “Бездонный бокал”).

Возьмем стакан, наполненный до краев водой. Будем бросать в него монетки. Ни одна капля не пролилась, зато поверхность воды вздулась, образовав “горку”.

Все системы стремятся уменьшить свою энергию. Точно так же сила поверхностного натяжения стремится сократить до минимума площадь поверхности жидкости. Из всех геометрических форм шар обладает при данном объеме наименьшей поверхностью. Так что собственная форма жидкости – шар. Большое количество жидкости не может сохранить шарообразную форму: она изменяется под действием силы тяжести. Если устранить действие силы тяжести, то под действием молекулярных сил жидкость примет форму шара.

(Демонстрация опыта Плато).

Если взять смесь воды и спирта и поместить в нее каплю жидкого масла, то в какой-то момент сила тяжести уравновесится силой Архимеда и образуется масляный шар, свободно покоящийся в смеси. Этот шар от разлета по молекулам удерживает сила поверхностного натяжения.

Роль поверхностного натяжения в жизни очень разнообразна. Например, существуют целые виды мелких насекомых и паукообразных, передвигающихся за счет поверхностного натяжения. Наиболее известны водомерки, которые опираются на воду кончиками лапок. Сама же лапка покрыта водоотталкивающим налетом. Поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, но за счет силы поверхностного натяжения водомерка остается на поверхности.

4-й ученик (тема выступления: “Капиллярные явления”).

Мы только что говорили, что в обычных сосудах вода принимает горизонтальную поверхность. Однако и здесь требуется поправка. Приглядитесь внимательнее, и вы заметите, что у краев поверхность жидкости приподнята и образует вогнутую форму. Это – тоже следствие поверхностного натяжения. Молекулы жидкости взаимодействуют между собой и с молекулами сосуда. В зависимости от того, какая из этих сил больше, будет наблюдаться явление смачивания (вогнутая поверхности) или не смачивания (выпуклая форма).

Благодаря капиллярным явлениям влага поднимается, и растения имеют возможность питаться.

ВЫСТУПЛЕНИЕ ХИМИКОВ

А теперь давайте рассмотрим воду с точки зрения химии.

1-й ученик. Необычные свойства воды объясняются ее строением. Молекула воды – уголковая – угол между связями Н-О-Н равен 104° 27` . В молекуле воды имеются две полярные ковалентные связи Н — О:

Они образованы за счет перекрывания двух одноэлектронных S-облаков двух атомов водорода.

В молекуле имеются четыре полюса зарядов: два – положительные и два отрицательные. Положительные заряды сосредоточены у атомов водорода, так как кислород электроотрицательнее водорода. Два отрицательных полюса приходятся на две электронные пары кислорода, таким образом молекула воды является диполем:

Подобное представление о строении молекулы воды позволяет объяснить многие свойства воды, в частности структуру льда. В кристаллической решетке льда каждая из молекул окружена четырьмя другими. В плоскостном изображении это можно представить так:

На схеме видно, что связь между молекулами осуществляется посредством атома водорода.

Положительно заряженный атом водорода одной молекулы воды притягивается к отрицательно заряженному атому кислорода другой молекулы воды. Такая связь получила название водородной.

По прочности водородная связь примерно в 15-20 раз слабее ковалентной связи. Поэтому водородная связь легко разрывается, что наблюдается, например, при испарении воды.

Структура жидкой воды напоминает структуру льда. В жидкой воде молекулы также связаны друг с другом посредством водородных связей. Однако структура воды менее “жесткая”, чем льда. Вследствие теплового движения молекул в воде одни водородные связи разрываются, другие образуются.

В силу высокой полярности молекул Н₂О вода является растворителем других полярных соединений, не имея себе равных.

2-й ученик. Свойства и строение воды во многом определяют различные особенности растворов. Прежде всего, выясним, что такое раствор. Как взаимодействует растворенное вещество и растворитель?

Растворяемое вещество в растворе распадается на ионы. Как ведут себя ионы в растворе, долгое время оставалось неясным.

В конце ХIХ века (1889-1990 гг.) И.А. Каблуков и, почти одновременно с ним, В.А. Кистяковский пришли к выводу, что ионы движутся не одни, а увлекают с собой некоторое количество воды и чем меньше радиус иона, тем большее количество воды ион может удерживать вокруг себя. Такое явление стало называться гидратацией. Гидратированый ион окружен молекулами воды. Эта блестящая идея пролила свет на многие вопросы.

Оказалось, что вода сама вступает во взаимодействие с растворенным веществом. По растворимости в воде все вещества делятся на гидрофильные, хорошо растворимые в воде, например, кислоты, щелочи, соли и гидрофобные – трудно или вообще не растворимые в воде – это жиры, жироподобные вещества и каучуки. В воде протекают многие реакции, как химические, так и биохимические. Так каково же значение воды?

ВЫСТУПЛЕНИЕ БИОЛОГОВ

Учитель. Какую же роль выполняет в живом организме вода?

1-й ученик. Вода нужна для нашего организма как растворитель питательных веществ, и как переносчик их, и как среда, в которой протекают различные процессы, связанные с нашей жизнедеятельностью. Выделяясь потовыми железами и испаряясь с поверхности кожи, вода регулирует температуру нашего тела. Кроме того, вода необходима для удаления из организма различных вредных веществ, образующихся в результате обмена. Содержание воды в отдельных органах и тканях тела почти постоянно.

Питательные вещества попадают в кровь через стенки пищеварительного канала. Через эти стенки могут проникать только вещества, растворенные в воде, только жидкости. Если бы кусок сахара не растворился в слюне и в желудочном соке, глюкоза не попала бы в кровь. Белок яйца, крахмал хлеба и картофеля не растворяются в воде, но желудочный и кишечный соки содержат особые вещества – ферменты, которые расщепляют белок и крахмал и переводят их в вещества растворимые. Это расщепление идет только в воде. Кровь, состоящая на четыре пятых из воды, разносит питательные вещества по всему организму.

2-й ученик. Ни одно живое существо не может жить в абсолютно сухом пространстве и не может оставаться живым, лишившись воды. Каждый организм может потерять только вполне определенную часть содержащейся в нем воды. У человека потеря 10% воды вызывает целый ряд расстройств, а потеря 20% воды – смерть. Некоторые животные менее чувствительны к потере воды. Какое бы животное или растение мы ни взяли, в него входит вода как одна из главных составных частей. Обитатели водоемов, как правило, содержат в себе больше воды, чем жители суши. В теле рыб, например, до 70-80% воды, а в медузе – больше 95%. В травянистых растениях суши процент воды доходит до 85%. Организмы млекопитающих животных и человека содержат воды меньше.

3-й ученик. Но нельзя забывать, что в истории нашей планеты вода имеет исключительное значение. Пожалуй, никакое другое вещество не может сравниться с водой по своему влиянию на ход тех величайших изменений, которые претерпела Земля за многие сотни миллионов лет своего существования.

Там, где есть жизнь, всегда есть вода. Жизнь без воды невозможна.

Учитель. Эту мысль ребята доказывали, выполняя домашнее задание, создавая герб водяного царства. Лучшую защиту герба представляем вашему вниманию.

Ученик. На своем гербе мы постарались изобразить невидимую нить, связывающую все живые существа, которые зависят от воды. Основная мысль нашего герба: “Ни одно живое существо, ни одна травинка не может прожить без воды, где нет воды, там нет жизни”. Из этого тезиса мы сделали вывод, что именно поэтому вода окружает нас повсюду, является важнейшим компонентом питания, содержится в нас самих.

Для подтверждения главной (основной) мысли мы нашли много картинок с изображением рек, озер, прудов и выстроили из них мозаику в виде капли, тем самым подчеркнув, что вода окружает нас повсюду, что капля воды играет большую роль в нашей жизни.

Поверх капли мы изобразили светлый силуэт человека, цвет которого гармонирует с окружающим его фоном. Почему силуэт человека изображен белыми линиями, слившейся с каплей? Да, потому, что мы хотели показать, что вода везде – и внутри нас. Человек всецело зависит от воды, он сливается с фоном, так как человек – это часть Земли, а не ее хозяин и властелин.

Нам кажется, что наш герб полностью отражает главную мысль: “Никто не может прожить без воды”.

Учитель. Огромное значение воды и важность проблем, связанных с ее загрязнением ни у кого не вызывает сомнений.

Давайте ребята подумаем и перечислим причины нехватки пресной воды.

Ученики предлагают варианты.

Увеличение численности населения.
Развитие промышленности.
Загрязнение водоемов промышленными и бытовыми стоками.

1-й ученик. Потребление воды только в прошлом веке возросло в 7 раз и в настоящее время составляет около 3,5 тыс.м³ в год и с каждым годом все возрастает. Растет загрязнение рек промышленными и бытовыми отходами. Промышленность ежегодно сбрасывает в реки 160 м³ стоков. Они загрязняют 4 тыс.м³ речных вод, т.е. 10%. Ежегодно в море вытекает около миллиона тонн нефти из буровых вышек, портов, промышленных предприятий и т.д.

ВЫСТУПЛЕНИЕ ЭКОЛОГОВ

В Свердловской области концентрация промышленного производства превышает среднее по России в 4,6 раза, но возраст многих производств достиг 50 лет, а их износ превышает 50% и более. В результате этого существующие технологии на многих производствах не могут справляться с все возрастающим загрязнением воды. И хотя в последние годы уровень загрязнения несколько снизился, что связано со спадом производства, загрязнение воды значительно.

Ежегодно в водоемы области сбрасывается около 1 млрд. 800 млн. м³ промышленно-бытовых и сточных вод. Из них более 42% являются не очищенными. Из существующих очистных сооружений нормально работают 38%. Остальные работают неэффективно.

В последние годы загрязнителями стали сельскохозяйственные предприятия. Они сбрасывают в воду нитраты и ядохимикаты. Их количество в воде увеличилось в 4 раза.

Для здоровья населения важно не только достаточное количество воды, не менее важно, чтобы она была определённого качества.

По данным Всемирной организации здравоохранения, ежегодно в мире из-за низкого качества питьевой воды умирает около 5 миллионов человек; инфекционная заболеваемость населения, связанная с неудовлетворительным водоснабжением, достигает 500 миллионов случаев в год. Больше 60% населения Свердловской области потребляют питьевую воду, не соответствующую гигиеническим нормативам.

Ежегодно в водный бассейн Тагила сбрасывается около 86 миллионов загрязненных вод, в том числе примерно 42 млн. т совсем неочищенных. Основными загрязнителями являются: НТМК – 51% общегородского сброса; Пластмасс – 35,2%; ВМЗ – 5,2; химический завод – 3,0% УВЗ – 2,5%. Содержание марганца выше нормы в 50 раз; цинка в 60, а меди в 30 раз, кальция и магния в 24 раза.

Резко ухудшилось состояние водоемов, что характеризуется следующими признаками; появление плавающих веществ на поверхности воды (прозрачности, цвета, появления запаха, привкуса), изменение химических свойств, уменьшение растворенного в воде кислорода.

Вода обладает чрезвычайно ценным свойством — непрерывного самоводообновления под влиянием солнечной радиации. Оно заключается в перемешивании загрязненной воды со всей ее массой, в дальнейшем процессе минерализации органических веществ и отмирании бактерий.

Агентами самоочищения являются бактерии, грибы и водоросли. В ходе бактериального самоочищения через 24 часа остается не более 50% бактерий, через 96 часов – 0,5%.

Чтобы обеспечить самоочищение загрязненных вод, необходимо их многократное разбавление чистой водой.

Демонстрация опыта

Мы предлагаем эксперимент, демонстрирующий наиболее простые способы очистки воды:

Осаждение.
Разбавление.
Отстаивание.
Фильтрование.

Тест проверки качества воды производится путем перманганатометрического титрования.

Учитель. Способов воспроизводства в больших объемах воды не существует, не существует также и заменителей воды, поэтому необходимо обращаться с самым ценным природным ресурсом с величайшей осторожностью. Значение проблемы воды для здоровья человека в современном мире подчёркнуто тем, что ООН объявила Международным десятилетие обеспечения доброкачественной питьевой водой.

Чтобы подвести итог нашему разговору, предложите свои меры экономии пресной воды в быту (ученики работают группами). Время работы 3 минуты.

От каждой группы по одному представителю высказывают свои предложения и вывешивают листы на доске.

Учитель подводит общий итог работы конференции.

Рисунок 1. Общий вид конференции