Детский научно-исследовательский проект «Три состояния воды»
Детский научно-исследовательский проект «Три состояния воды»
Вода! У тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха.
Тебя невозможно описать, тобой наслаждаются,
не ведая, что ты такое! Нельзя сказать, что ты
необходима для жизни: ты — сама жизнь. Ты
наполняешь нас радостью, которую не объяснишь
нашими чувствами… Ты самое большое богатство
Антуан де Сент-Экзюпери
Вода-это жидкий состав, который не имеет запаха, вкуса и цвета. Это тайна из тайн. Человеку стоит поглубже вглядеться в её суть. Вода-главное чудо планеты, это исток, из которого питается жизнь! Вода занимает особое положение среди природных богатств Земли, она – незаменима, она была Вода — весьма распространённое на Земле вещество. Почти три четвёртых поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки и озера.
Вода имеет очень большое значение в жизни растений, животных и человека. Говорят, что в природе вода может находиться в трех различных состояниях,таких как: газообразное, жидкое, твердое. Я решил проверить так ли это.
1.1. Цели и задачи.
Тема моей исследовательской работы «Три состояния воды». Это тема является вечно актуальной, т. к. именно она определяет на Земле особенности климата, погоды. А, следовательно, является одним из основных условий жизни на Земле.
Цель — доказать, что вода в природе способна переходить из одного состояния в другое.
— изучить литературу по донной теме;
— доказать с помощью экспериментов, что вода переходит из одного состояния в другое при воздействии температуры.
— расширять представление детей о воде и ее состоянии (способность течь, испаряться, твердеть).
Объектом исследования является вода.
Предмет исследования – переход воды из одного состояния в другое.
Мной использовались следующие методы: наблюдение, сравнение, анализ, обобщение, эксперимент.
Вода покрывает около 2/3 поверхности нашей планеты. Человек состоит из воды примерно на 65%.Человеку необходима живая вода, так же, как и большинству животных. Растениям также нужна вода в почве. Жизнь, как мы понимаем её, невозможна без воды. Хотя бы уже поэтому её можно считать волшебной.
1.3.Гипотеза: вода в различных состояниях и при взаимодействии с другими веществами обладает удивительными свойствами.
2. Теоритическая часть
Вода — это то вещество, без которого не возможна жизнь на Земле. Ученые до сих пор спорят о появлении воды на Земле. Две группы исследователей, работающих друг от друга независимо, сделали вывод, что вода на планете возникла благодаря «мокрому» астероиду. Происхождение воды на планете, так же не ясно, как и происхождение самой планеты. Существуют гипотезы о том, откуда взялась вода. Одни ученые считают, что Земля вначале была холодным метеоритом, другие, что раскаленным огненным шаром. Ученые утверждающие о происхождении нашей планеты говорят, что вода являлась часть того самого метеорита в виде льдистого или снегоподобного вещества. Сторонники «горячей» теории происхождения, утверждают что вода выделилась как пот, из разогретой магмы Земли в процессе ее остывания и отвердения. Вода постепенно проникала на поверхность, сохраняясь в низинах образовывая моря и океаны. А из-за того, что Солнце неравномерно нагревало Землю, в природе начался круговорот воды, начали появляться реки, озера и водоемы. Самым главным поставщиком пресной воды на планете являются атмосферные осадки, непосредственно наполняющие озера, реки и ручьи. Особой чистотой отличаются горные озера, они подпитываются водой, которая образуется при таянии льдов и снегов. Воды в реках нашей планеты примерно раза в три больше чем в озерах. По протяженности рек, Россия имеет первое место. Происхождение слова «вода» точно неизвестно. Оно возникло еще в глубокой древности, и с тех самых пор, так говорят о любой «живой» жидкости, без которой невозможно наше существование, а также и всей природы. Происхождение слова «вода» имеет еще одно объяснение. Вода очень похожа на слово «Веда» – Да, что означает – добрая истина. Таким образом, зашифровано имя воды. И это свойство ей дано именно в русском языке.С давнего времени высшие умы человечества задавали себе вопрос: в чём суть воды, какое значение она в человеческой жизни? Первое научное открытие в данной области, которое до нас дошло, называется «Учение о четырёх стихиях». Оно было написано вIV веке до н. э. древнегреческим философом Аристотелем. В состав четырёх стихий входят земля, огонь, вода и воздух. Причём вода служит источником холода и влаги. В последующее время вода все также приковывала к себе внимание лучших ученых умов своего времени. До XVIIIвека н. э. это вещество считалось отдельным химическим элементом. Данные о том, что вода есть химическое соединение стали известны лишь в XIX веке. Лишь путем экспериментов было доказано, что вода есть химическое соединение, а не химический элемент. Таким образом, посредством длительных исследований была получена классическая формула воды.
2.2. Состав
Вода – особенная жидкость. Молекула воды состоит из 2 атомов водорода и одного атома кислорода. Таким образом, её химическая формула – Н2О. Мы привыкли, что вода — это прозрачная жидкость без цвета и вкуса. Но она бывает и твёрдой, и газообразной. Лёд и снег — это тоже вода. А в воздухе всегда есть вода в виде пара. Вода может быть в трёх состояниях: жидком, газообразном (пар, туман) и твёрдом (лёд, снег, град, иней). Состояние воды зависит от температуры. Если на улице тепло, то вода жидкая. На морозе вода замерзает и превращается в лёд. А при нагревании она испаряется и становится водяным паром. Превращение жидкой воды в лёд происходит при температуре ниже 0 градусов. Это замерзание. Лёд начинает таять, если температура выше 0 градусов. Происходит таяние льда. Превращение жидкой воды в пар — это испарение. Испарение происходит при любой температуре, а полностью вода становится газообразной, если температура выше 100 градусов. Водяной пар превращается в жидкую воду при температуре ниже 100 градусов. Процесс называется конденсация. В повседневной жизни мы можем встретить воду в любом из её трёх состояний, и её форма постоянно меняется. Жидкая вода испаряется, то есть переходит из жидкого в газообразное состояние. Газообразная форма воды – это водяной пар. Водяной пар конденсируется или превращается из пара в жидкость. Если нагреть воду до 100 градусов, она кипит и превращается в горячий водяной пар. При 0 градусах вода замерзает и превращается в твёрдый лёд.
3. Практическая часть.
3.1 Опыты и эксперименты
Для того чтобы доказать, что вода переходит из одного состоянияв другое я провел несколько экспериментов и опытов:
№ п/п Что делал Что наблюдали Выводы
«Замораживаем воду». Поставил в морозильную камеру стакан с водой, где t = — 19 0С.
Через каждые 20 минут измерял температуру воды. 10.00 ч. – t воды =200С
10.20 ч. – t воды =50С
12.40 ч. – t воды =00С (появились кристаллики льда)
13.00 ч. – t воды =00С (кристалликов льда стало больше)
13.20 ч. – t воды =00С (осталось всего 1/3 воды в жидком состоянии, остальная часть превратилась в лёд)
13.40 ч. – полное замерзание воды, стакан треснул.
Постепенное понижение температуры воды происходит вследствие понижения температуры воздуха.
Температура воды не опускается ниже температуры замерзание, а именно ниже 00С.
При отрицательной температуре вода переходит из жидкого состояния в твёрдое – кристаллизация.
При замерзании объём воды увеличивается (примерно на 10 %).
2 «Размораживаю кубики льда»
Из морозилки достал несколько кубиков льда и оставил на столе при комнатной температуре +200С.
Через каждые 20 минут наблюдал что происходит. 12.00 ч. — льдинки в замершем состоянии.
12.20 ч. — лёд начал таять.
12.40 ч. — лёд полностью растаял, образовалась вода. При t=00С лёд начинает таять. т. е. вода переходит из твёрдого состояния в жидкое.
3 Налил в ладошку воды Воду трудно удержать, она вытекает. Вода может находиться в жидком состоянии.
Налил воду в нагревательный прибор (кастрюлю, измерил температуру воды термометром через определённые промежутки времени.
10.00 ч. – t воды =200С
12.10 ч. – t воды =450С
12.20 ч. – t воды =650С
12.40ч — t воды =1000С, вода закипела (образовались пузыри, появился пар
влажности воздуха изменился:
относительная влажность воздуха увеличилась при нагревании воды. При нагревании температура воды растёт, t кипения воды =1000С
5. Установил холодное стёклышко над нагревательным прибором с водой. Стекло быстро «запотело», то есть образовались водяные капли, которые увеличивались – конденсация. Когда вода нагревается, она превращается в пар. Мы выяснили что, вода еще бывает газообразном состоянии.
В результате проведенных экспериментов я доказал, что вода в природе способна переходить из одного состояния в другое при воздействии температуры. Я на собственном опыте убедился, что вода при нагреве – интенсивно испаряется, при охлаждении – замерзает, превращаясь в снег и лёд.
3.3. Выводы.
Мне было интересно работать над проектом. Больше всего мне понравилось самому проводить опыты и таким образом изучать воду.
Я узнал что вода – единственное на земле вещество, которое может в природных условиях находиться одновременно во всех трех состояниях: в твердом, жидком и газообразном. Каждое состояние воды имеет свои свойства.
Детский исследовательский проект по естествознанию (неживая природа) «Небесные тела, влияющие на Землю» Слайд №2. Меня зовут Александр Палухин, мне 6 лет. Слайд №3. Предлагаю вашему вниманию свою исследовательскую работу: «Небесные тела, влияющие.
Источник
Такая разная вода: два жидких агрегатных состояния H2O
Как нам всем известно в природе существует четыре основных агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазма. Вода, будучи неотъемлемой составляющей и движущей силой жизни на планете, может при разных условиях пребывать в трех состояниях: в жидком, твердом (лед) и газообразном (пар). Однако ученые из Стокгольмского университета (Швеция) выяснили, что у воды имеется два разных жидких состояния. Первое мы наблюдаем на постоянной основе, а вот второе проявляется при температуре -63 °C. Как ученым удалось сделать это открытие, какими свойствами обладает вода во втором жидком состоянии, и какова его роль? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Фундаментом для подобного рода исследований стало обнаружение расхождения изотермической сжимаемости и теплоемкости (CP) при переохлаждении воды. Ученые начали поиски объяснений этих странных процессов.
Одна из самых распространенных теорий утверждает, что существует переход жидкость-жидкость (LLT от liquid-liquid transition) в переохлажденной воде между жидкостью высокой плотности (HDL от high-density liquid) и жидкостью низкой плотности (LDL от low-density liquid), который заканчивается в критической точке жидкость-жидкость (LLCP от liquid-liquid critical point) при положительном давлении. Аномальное поведение воды в соответствии с этой теорией объясняется колебаниями, исходящими от LLCP.
Относительно недавно были проведены дополнительные опыты, в ходе которых было обнаружено, что структура переохлажденной воды непрерывно изменяется при охлаждении до 227 К под давлением 1 бар. Это указывает на однофазное поведение без LLT при атмосферном давлении. Следовательно, это подразумевает, что если LLT действительно существует, то LLCP должен находиться при давлении (P) > 1 бар.
Эксперименты по рассеянию нейтронов в воде позволили предположить, что различные фазы HDL и LDL могут быть идентифицированы по их четко определенным положениям пиков в структурном факторе (математическое описание того, как материал рассеивает падающее излучение).
В частности, положение первого пика в О–О рассеянии сильно чувствительно к существованию тетраэдрических структур (LDL) или межузельных молекул между первой и второй оболочками (HDL). Следовательно, наиболее подходящим способом обнаружения LLT в переохлажденной воде может быть отслеживание структуры жидкости с помощью рассеяния рентгеновских лучей или нейтронов. Основная сложность таких опытов заключается в том, что их нужно проводить при разном давлении и очень быстро, пока не произошла кристаллизация.
В данном труде был использован метод компрессии-декомпрессии, когда начальное повышение давления было вызвано нагревом, индуцированным лазерным импульсом. Когда временной масштаб индуцированного лазером высвобождения энергии намного короче, чем время прохождения звука через образец, нагрев является изохорным*, а давление внутри образца значительно возрастает.
Изопроцесс* — термодинамический процесс, когда количество вещества и какой-то параметр его состояния (давление, объем, температура или энтропия) остаются неизменными.
После окончания сверхбыстрого лазерного импульса образец быстро расширяется по мере того, как внутреннее давление уменьшается, приближаясь к значениям давления окружающей среды. Однако, если динамика жидкости достаточно быстрая, чтобы расслабить образец до наступления расширения, квазиравновесное поведение будет наблюдаться во время процесса декомпрессии.
Образцы изучались с помощью рассеяния рентгеновских лучей с разными временными задержками во время декомпрессии. В ходе наблюдений было выявлено резкое изменение структурного фактора, которое указывает на прерывистый LLT. Кроме того была обнаружена кристаллизация льда, происходящая значительно позднее. Это подтверждает, что LLT является метастабильным состоянием и отличается от перехода жидкость-лед.
Результаты исследования
Аморфный лед* получают посредством быстрого охлаждения воды, так что ее молекулы не успевают сформировать кристаллическую решетку (т.е. молекулы расположены случайным образом).
Изображение №1
Толщина выбранных для наблюдения образцов варьировалась либо от 35 до 55 мм, либо от 15 до 25 мм. На образец воздействовал инфракрасный импульс с длиной волны 2 мм в течение 100 фс. Импульс увеличивал температуру и возбуждал комбинацию O–H и H–O–H.
ИК импульс с длиной волны 2 мм может перегреть и частично растопить лед за 10 нс. Такое частичное плавление наблюдалось для гексагонального образца льда (Ih) толщиной 100 мм (1B). Когда эквивалентный нагрев был применен к образцам HDA (толщиной 3 , а изохорный нагрев поддерживал плотность сразу после ИК-накачки. Измерение плотности и температуры переохлажденной воды в зависимости от давления после воздействия ИК импульса показало, что значения давления составляли от 2.5 до 3.5 кбар.
После активации ИК импульса началась самопроизвольная декомпрессия, во время которой температура оставалась примерно постоянной, пока через
100 мс охлаждение за счет теплопроводности не стало существенным.
Данная изотермическая декомпрессия снижала давление в образце. В этот момент проводили измерения с помощью интенсивных импульсов рентгеновского излучения -1 , что согласуется с ранее проведенными исследованиями HDA.
Через 8.4 нс после подачи ИК импульса образцы подверглись нагреву. В этот момент было замечено, что положение пика оставалось постоянным и близким к положению пика жидкой воды при 300 К и давлениях от 2 до 3 кбар. Через 16.8 нс на графике появляется плечо при q = 1.7 Å -1 , что аналогично положению q для LDA и LDL. Интенсивность этого пика увеличивалась по мере продолжения декомпрессии до временной задержки в 3 мс. При более длительных задержках (от 3 мс до 1 мс) наблюдалось развитие пиков Брэгга, соответствующих фазе льда Isd, которые увеличивались со временем. При окончательном измерении временной задержки (1 мс) все образцы превращались в лед.
На графике 2В показаны временные задержки для образцов толщиной от 15 до 25 мм, где степень преобразования HDL в LDL была выше, чем у образцов с большей толщиной. Спустя 1 мс соотношение двух компонентов составляет почти 1:1. Это, вероятнее всего, связано с тем, что в более тонких образцах процесс нагрева протекает более равномерно. В более толстых образцах ИК излучение поглощается больше на передней поверхности, чем на задней, что приводит к большему градиенту температур. Две наблюдаемые взаимопревращающие фазы имеют q-положения вблизи HDL и LDL, как и было предсказано на основе экстраполяции данных по зависящему от температуры и давления рассеянию нейтронов водой при более высоких температурах.
Сценарии, показанные на 1D—1F, могут быть только в том случае, если образец после ИК импульса был жидкостью, а не аморфным твердым телом, и оставался жидким во время процесса декомпрессии.
Сразу после ИК импульса образец перемещался в точку на фазовой диаграмме, лежащую выше температуры гомогенного образования льда (TH), что соответствует быстрой жидкоподобной диффузии. В этой области вода была метастабильной жидкостью в течение нескольких минут, прежде чем превратилась в кристаллические фазы льда.
Чтобы понять, как сразу после нагрева HDA ИК импульсом возникает жидкоподобная диффузия, ученые метод классической молекулярной динамики для модели воды ST2 (исследование по данной теме доступно по ссылке: Improved simulation of liquid water by molecular dynamics).
Наблюдаемое температурное смещение в 25 К означает, что экспериментальная температура 205 К соответствует
230 К для ST2 воды.
Изображение №3
На 3А показано среднеквадратичное смещение (MSD) молекул ST2 как функция времени после быстрого нагревания (при 3000 К/нс) образца HDA. Начиная с 80 К, HDA нагревали до одной из трех различных конечных температур в диапазоне от 200 до 250 К. Если бы была задержка для перехода образца в жидкое состояние, то среднеквадратичное смещение было бы изначально постоянным, а затем линейно увеличивался бы после задержки.
В ходе моделирования системы было обнаружено, что среднеквадратичное смещение увеличивается со временем линейно, как и ожидалось для диффундирующей жидкости. Из этих результатов следует, что в течение 20 пс после быстрого нагрева HDA в системе образуется жидкое состояние. Этот процесс был намного быстрее, чем частичное таяние льда фазы Ih посредством ИК импульса, которое длилось
Тем не менее травление кристаллов, т.е. переход между фазами со значимыми отличиями в структурах до и после, является процессом, требующим активации (т.е. преодоления барьера свободной энергии).
Используемые в опытах образцы льда выдерживали от 0.5 до 5 часов при температуре 115 К, потому они еще до нагрева находились в ультравязком жидком состоянии. Образцы не столкнулись с барьером свободной энергии при нагревании от 115 до 205 К. Это согласуется с тем, что HDA и HDL структурно тесно связаны, и в результате начало быстрой диффузии было моментальным.
Коэффициент диффузии (D) для жидкой воды при 205 К и 3 кбар, полученный при анализе экспериментальных данных, составил D = 2 х 10 -11 м 2 /с. Дабы преобразовать D в показатель времени для жидкоподобной диффузии, необходимо было сначала определить t1 = (1 nm 2 )/6D, где t1 — среднее время, необходимое среднеквадратичному смещению для достижения 1 нм 2 , что эквивалентно диффузии, превышающей диаметр молекулы воды в три раза. Расчеты и наблюдения показали, что сразу после ИК импульса t1 составляет 8 нс. Для ST2 модели, когда температура системы была в диапазоне от 220 до 240 К, а плотность 1.2 г/см 3 , время t1 составляло от 0.5 до 2 нс (3B). Даже после самой короткой временной задержки, образец, полученный после ИК импульса, имел достаточно времени, чтобы перейти в жидкое состояние HDL.
Временной показатель жидкоподобной релаксации в областях низкой плотности, образовавшихся в образцах при декомпрессии, можно было оценить несколькими способами. Предыдущие измерения в тонких слоях LDL воды при 1 бар и 205 К показали D = 2 х 10 -13 м 2 /с, что соответствует t1 = 800 нс. Это примерно в 100 раз больше, чем у HDL, образовавшихся после ИК импульса. В соответствии с этими данными было установлено, что для ST2 воды t1 увеличивался примерно в 50 раз, когда система преобразовывалась из чистого HDL в чистый LDL (3B). Также было выявлено моментальное изменение плотности ST2 модели при T > 200 К во время быстрой декомпрессии (3С).
Эксперименты и моделирование показали, что жидкостное равновесие системы при 205 К в LDL образовывалось за время в 50-100 раз большее, чем для HDL. Следовательно, если есть возможность достичь жидкостного равновесия в течение нескольких наносекунд, то этого же можно достичь и в течении сотен наносекунд. Если это так, то отдельные фазы с высокой и низкой плотностью, наблюдаемые в субмикросекундном временном масштабе, можно воспринимать как квазиравновесные жидкие фазы.
При учете сценариев, показанных на 1С—1Е, должно происходить быстрое преобразование в лед или непрерывное преобразование жидкого состояния. Однако этого не происходило. Образование кристаллического льда могло бы происходить в масштабах времени, более чем на один порядок превышающих преобразование в LDL. Из этого следует, что экспериментальные данные могут быть количественно согласованы только со сценарием, показанным на 1F.
Изображение №4
Дабы лучше понять, как происходит образование LLT, были проанализированы отличия в рассеянии для образцов разной толщины (от 35 до 55 мм). Это позволило оценить фракционную заселенность каждой фазы в образце как функцию временной задержки (4A).
На 16.8 нс наблюдается лишь небольшая доля LDL, которая достигала максимума (
40% от общей интенсивности рассеяния) спустя 3 мс. Этот процесс сопровождается соответствующим уменьшением доли HDL. На временной отметке в 3 мс появляется кристаллический лед, который в последствии преобладает по всей системе. Образование льда происходило во временном масштабе, более чем на один порядок превышающем переход от HDL к LDL. Это указывает на то, что LLT, хоть и является метастабильным фазовый переход, он все же отличается от перехода жидкость-лед.
Из-за динамического характера процесса декомпрессии ожидалось, что преобразование HDL в LDL будет происходить в области на графике между линией HDL-LDL сопряжения и пределом метастабильности фазы HDL. В этой области переход должен проявляться в короткие промежутки времени в виде локализованных LDL флуктуаций, за которыми следует зарождение и рост LDL доменов. На 4В (график малоуглового рентгеновского рассеяния, SAXS) отчетливо видны небольшие флуктуации LDL.
Полное преобразование образца в LDL было прервано процессом образования льда. Однако для тонких образцов соотношение HDL:LDL достигало значения 1:1 за 1 мс до появления льда (2В).
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В данном труде ученые установили наличие второго жидкого состояния для воды, возникающего при 205 К. Результаты экспериментов показали, что переход жидкость-жидкость (LLT) происходит в условиях (давление и температура), при которых обычно происходит только кристаллизация.
Кроме того, наблюдаемый для LLT временной масштаб (от наносекунд до микросекунд), согласуется с предыдущей экспериментальной оценкой, основанной на экстраполяциях от 10 мс при 174 К до наносекунд и микросекунд при 220 К с использованием температурно-зависимых кинетических измерений.
Ученые отмечают, что ранее подобных наблюдений не было ввиду отсутствия соответствующего оборудования. В современных лабораториях есть возможность проводить рентгеновские исследования процессов, которые протекают молниеносно. В добавок к этому существует множество методик моделирования, позволяющих предугадать ход исследуемых процессов до фактических наблюдений. Фактор скорости крайне важен, когда речь идет об исследовании воды в момент ее преобразования в лед. За счет «быстрых» рентгеновских лучей ученым удалось наблюдать процесс преобразования одной жидкости в другую, что предшествует образованию льда. Следовательно, при определенных условиях вода из жидкого состояния переходит в другое жидкое состояние.
Результаты этого колоссального труда открывают новые возможности перед исследователями воды, позволяя разрешить многолетние споры вокруг живительной жидкости и ее необычных свойств.
В будущем ученые намерены провести дополнительные исследования своего открытия, поскольку остается еще немало вопросов касательно свойств второго жидкого состояния воды и его важности в процессах, протекающих на планете. По некоторым предположениям наличие двух жидких фаз воды может каким-то образом быть связано с биологическими процессами в живых клетках.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. 🙂
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Источник
