Проєкт "Походження води і її властивості"

Працюючи над навчальним дослідницьким проєктом з фізики на тему "Походження води і її властивості", учень 9 класу гамназії вивчає інформацію про виникнення води на Землі. При вивченні знайдених матеріалів автор розглядає теорії позаземного та земного походження води, робить власні висновки.

Докладніше про проєкт:

Виконуючи в 9 класі дослідницьку роботу в рамках учнівського проєкту з фізики на тему "Походження води і її властивості" школяр вивчає агрегатні стани води, а саме досліджує теорію твердого, рідкого та газоподібного стану води. В міні-проєкті (рефераті) подається цікава інформація про можливе походження води, детельний матеріал про її властивості.

Матеріал учнівського творчого проєкту про походження води і її властивості містить теоретичну інформацію, яка відображає дослідження наявності води на інших небесних тілах нашої Сонячної системи. Розглядається кожна планета, а також супутники цих планет, наводиться перелік літератури та джерел мережі Інтернет.

Зміст

Вступ
1. Теорії виникнення води на Землі.
1.1. Позаземне походження води.
1.2. Земне походження води.
2. Агрегатні стани води.
2.1. Твердий стан.
2.2. Рідкий стан.
2.3. Газоподібний стан.
3. Чи є вода на інших небесних тілах?
Висновки
Список літератури

Чи не звертали ви увагу на те, що все або майже все, що відбувається в світі навколо нас, так чи інакше пов’язане з водою? Вода – це гідросфера Землі: її океани, річки, озера. Три відсотки всієї маси води на планеті міститься в атмосфері. При виверженнях із земних глибин вириваються водяні пари…

Вода є не тільки на Землі. Нещодавно в нашій галактиці виявили величезні скупчення водяної пари — справжні космічні хмари, розміри яких сягають сотень мільйонів кілометрів. Вода входить до складу комет. Сліди її знайдені в атмосфері Марса і деяких зірок…

Однак найголовніше — це те, що вода пов’язана з існуванням життя. Колискою життя, її первинних форм, мабуть, був океан. Подальший хід біологічної еволюції тісно пов’язаний з перетвореннями, що йдуть у водному середовищі. Видалення води означає загибель або припинення процесів обміну. Висушені насіння рослин можуть зберігатися тисячоліттями, але в такому стані вони не виявляють ознак життя. Але варто їх змочити, і вогник життя робиться помітним — починається проростання, і життєві процеси поновлюються.

Планети, де, за всіма даними, немає води, — мертві. Якщо можна говорити про якісь форми життя на інших космічних тілах, то лише в тому випадку, якщо там буде виявлена вода. Чим чудова вода? Чому вона відіграє таку важливу роль у всьому на нашій планеті?

Вода - це найбільш поширена речовина на Землі, що відіграє важливу роль у житті всіх організмів, та процесах на планеті. ЇЇ шлях - від появи до створення життя на землі, а також її унікальна властивість існувати в трьох агрегатних станах за дуже близьких температур, завжди привертала увагу дослідників, та залишала питання, які ще не отримали відповіді. І досі, коли здавалося б формулу H₂O знає кожен другий, вода все одно підкидає вченим все нові і нові питання.

Важко переоцінити значення води в нашому житті, адже вода – це справжнє природне багатство.

В навчальному дослідницькому проєкті про походження води ми дізнаємося різні аспекти і фізичні властивості води, починаючи з теорій її виникнення на Землі. Величезне розмаїття гіпотез та теорій щодо походження води розкриває глибинну і складність цього процесу. Від позаземного походження до процесів, які відбувалися на нашій планеті, ми розглянемо різноманітні наукові підходи, які спробують розгадати та пояснити цю загадку.

Мета проєкту: з'ясувати дослідити різні аспекти і фізичні властивості води, починаючи з теорій її виникнення на Землі.

Ми розглянемо основні агрегатні стани води, та розглянемо їхні унікальні властивості, та важливість у природних процесах. Розуміння їх властивостей дозволить нам глибше зрозуміти воду як речовину.
А також, в рамках дослідницької роботи над проєктом з фізики про походження води і її властивості ми дослідимо можливість наявності води на інших небесних тілах. Це питання стає все більш актуальним у контексті досліджень космосу та пошуку позаземного життя.

Отже, задачі роботи наступні:
- дослідити різні аспекти і фізичні властивості води;
- дослідити теорію виникнення води на Землі;
- дослідити можливість наявності води на інших небесних тілах нашої Сонячної системи.

1.1 Позаземне походження води

Вода ... Без неї неможливо уявити життя на Землі. Вона займає 71% площі Землі. Вона являється унікальним розчинником, і з'являється питання: як вода потрапила на Землю, і який шлях вона пройшла? На сьогоднішній день існує декілька гіпотез утворення води на Землі. Перш за все, маються прихильники космічного походження води. Спочатку розберемося з появою гідрогену і оксигену.

Гідроген - найрозповсюдженіший елемент у Всесвіті. 98% усієї матерії, це гідроген. Він з'явився під час великого вибуху. До вибуху матерії не було, а Всесвіт був менше планківської довжини (1,6 × 10-35 метрів). Матерія, в основному гідроген, з'явилася в ході квантових флуктуацій. Зараз ці флуктуації утворюють віртуальні частинки (нейтрони, протони, електрони, позитрони, кварки). Ці частинки з'являються парами, наприклад: протон + антипротон. Вони моментально зникають. Але в тих умовах Всесвіт дуже швидко розширювався, і частинки та античастинки не могли анігілюватися. Правда, потім звичайної матерії стало більше, ніж антиматерії. Пояснення цьому досі немає.

Оксиген, як і всі елементи, від гелію He до феруму Fe, з'явився в ході термоядерних реакцій. Із легких атомів утворюються більш важкі атоми, і при цьому виділяється багато енергії. Для зливання ядер атомів також треба багато енергії. Річ у тім, що для термоядерного синтезу треба гігантські температури, настільки гігантські, що речовина перетворюється в плазму, і електрони відриваються від ядер. Тут в діло входить електростатичне відштовхування частинок з однаковим зарядом. В нашому випадку відштовхування протонів. Тому треба їх розігнати до швидкостей, при яких частинки не зможуть відштовхуватися.

Прикладом термоядерного синтезу для оксигену є тритієве злиття з вуглецем при температурі близько 15 000 000 градусів Цельсія і тиску 1500 кілоПаскаль. Тритій - це ізотоп гідрогену, у якого є два нейтрони. При злитті тритія з вуглецем утворюється оксиген і дві частинки альфа-випромінювання. Тепер ми маємо два гідрогена і один оксиген, але просто з'єднати їх не вийде. Потрібні певні умови, а саме температура 2 000 градусів Цельсія і тиск 20 мегаПаскаль. Такі умови присутні на Сонці в хромосфері, а також у надрах планет на рівні мантії.

1.2 Земне походження води

Ми з’ясували в дослідницькому проєкті, як вода з'явилася поза Землею, але яким був шлях води до Землі? Спочатку це здається очевидним: так як вода утворилася в фотосфері і короні, вона була виштовхнута сонячним вітром, і деяка частина потрапила на Землю.

Цей фізичний процес дійсно зробив свій вклад у виникнення води на Землі, але це всього 3-9% усієї води, що у нас є. Більша частина води потрапила на Землю іншим шляхом. Сонячні вітри відносять воду, а точніше водяний пар, в область під назвою геліопауза; там він кристалізується і осідає на метеоритах, астероїдах і кометах. Спочатку вважали, що найбільший внесок зробили комети, адже в них є в середньому 85% льоду, але було виявлено, що вода на Землі має приблизно 150 частин дейтерію на мільйон часток гідрогену, тоді як в льоді комети - приблизно 300 частин на мільйон.

Дейтерій - це ізотоп гідрогену, у якого є один нейтрон. Насправді, найбільший вклад у появу води на Землі роблять метеорити, а саме "вуглецеві хондрити" - це особливий тип метеоритів, які складаються з кристалічної води, карбонатів та деяких металів. У їхній структурі є хондрули - кам'янисті, металічні сфери розміром від 10 мікрометрів до 100 мікрометрів. У них така ж кількість дейтерію, як і на Землі - 150 частин на мільйон частин гідрогену. Проте хоч цей процес вважається основним, він приніс на Землю лише 13-22% води.

Згідно з іншою гіпотезою, вода має земне походження: вона з’явилася з гірських порід, що складають земну мантію, ставши наслідком дегазації магми і подальшої конденсації пари атмосфери. Справді, при виверженнях вулканів розплавлені гірські породи виливалися на земну поверхню, і з них виділялися леткі компоненти – різноманітні гази і водяні пари.

Треба розуміти, що якщо у масі є великий об'єм якоїсь речовини, не тільки води, то за її утворенням стоїть велика кількість фізичних і хімічних процесів. Ось деякі процеси, які допомогли появі води на Землі: отримання води до появи Землі, до того, як появилася Земля, вода частично прилипала до космічного пилу, який збирався в метеорити, ті в астероїди, ті в протоземалі, ті в планети.

В дослідницькій роботі про походження води і її властивості ми вже з’ясували, в яких умовах утворюються гідроген і оксиген, і знаємо, в яких умовах вони утворюють воду. В Землі є такі місця з такими умовами глибоко під корою. Невеличкі термоядерні реакції досі відбуваються в ядрі. Особливе підсилення цих процесів було після зіткнення Землі з планетою "Тея".

Також воду утворюють деякі реакції, в речовинах яких є гідроген і оксиген:

Агрегатні стани води відіграють важливу роль у підтримці життя на Землі, взаємодіючі між собою, переходячи один у одного. Вони впливають на клімат, і від них залежать геологічні явища та вигляд живих організмів. І цікаво дізнатися, якими фізичними законами вони керуються, як переходять один в одного і як впливають на наше життя?

2.1. Твердий стан

Лід — це твердий стан води, який утворюється при температурі 0⁰C, якщо тиск дорівнює 1 атмосфера або 101,324 кПаскаль, При меншому тиску температура замерзання буде менша. Лід має незвичайну властивість: на відміну від інших речовин, при замерзанні відстань між молекулами не зменшується, а збільшується. Таку властивість мають біметали, композитні матеріали з двох або більше металів з різними коефіцієнтами теплового розширення. Тому лід не тоне в воді, а спливає.

Лід на поверхні річок і озер захищає воду від замерзання, тому що густина льоду менша, ніж у води. Чим менше густина, тим менше теплопровідність. У двовимірному просторі молекули льоду описують шестикутник, у тривимірному — гексагон. Проте, при швидкому замерзанні молекули води не встигають утворити правильну фігуру, і лід не розширюється. Такий лід називають лід Ic, а лід з гексагональною решіткою — лід Ih.

Є багато видів льоду, які мають свої властивості та умови виникнення. Більшість льодів має аморфну структуру, що впливає на їхні властивості. Ці різновиди льоду переважно знаходяться на льодяних планетах, таких як Нептун і Уран. Лід утворюється навколо льодяних ядер мікроскопічних пилинок. Цікавий експеримент: якщо взяти дистильовану воду і охолодити до температури нижче нуля, вона не замерзне. Але якщо її перевернути, в воді утворяться бульбашки повітря, навколо яких за лічені секунди утвориться лід.

2.2. Рідкий стан

Рідкий стан води дуже цікавий для вивчення, особливо з хімічної точки зору, бо вода — унікальний розчинник, що означає, що вона може розчинити велику кількість речовин. Саме тому ми на 70-40% складаємося з води, а не з якоїсь іншої речовини. Хоча в світі є багато розчинників, і якщо існує позаземне життя, можливо, воно використовує інші речовини: аміак, рідкий метан, деякі метали в рідкому стані, а також деякі силікати. Вода існує при температурах від 1 до 90 градусів по Цельсію, але це тільки при тиску в 1 атмосферу або 101,324 кілоПаскаль. При високому тиску вода може лишатися рідкою і при температурі 374 градуси по Кельвіну. Зробити так, щоб вода лишалась рідкою при мінусовій температурі, можна двома способами: перший — пониження тиску, другий — розчинення солі з утворенням іонних зв'язків; такий розчин має нижчу точку замерзання.

Дистильована вода не проводить струм, але якщо в ній будуть домішки, то ці домішки будуть пропускати електричний струм. Вода має високу теплоємність, що робить її одним з найважливіших факторів клімату; також висока температура пароутворення означає, що на випаровування води потрібно дуже багато енергії. Наприклад, для нагрівання одного кілограма води треба 126 кДж, для плавлення — 330 кДж, а для випаровування — 2260 кДж.

Одна з цікавих властивостей — це дуже високий поверхневий натяг; він настільки сильний, що можна покласти на воду, якби це абсурдно не звучало, тонкий металічний об’єкт, наприклад, монету, у якої густина набагато більша густини води: 8,91 г/см³ проти 1 г/см³.

Вода має ковалентні зв'язки. Це, коли два атоми ділять між собою два електрони, із-за цього з'являються дипольні властивості: атом оксигену заряджається негативно, а два атоми гідрогену — позитивно, тому вода дуже гарно розчиняє іони.

2.3. Газоподібний стан

Особливістю води є те, що її молекули здатні при коливанні температури змінювати характер зв`язку один з одним. Основні властивості її при цьому не змінюються. Якщо нагрівати воду, її молекули починають рухатися швидше. Ті, які стикаються з повітрям, розривають свої зв`язки і змішуються з його молекулами. Вода в газоподібному стані зберігає всі свої якості, але набуває також властивості газу. Її частинки знаходяться на великій відстані одна від одної і інтенсивно рухаються. Найчастіше такий стан називають водяною парою. Це безбарвний прозорий газ, який за певних умов знову перетвориться на воду. Він повсюдно поширений на Землі, але найчастіше його не видно.

Приклади води в газоподібному стані - це хмари, туман або водяна пара, яка утворюється при кипінні рідини. Крім того, вона скрізь перебуває у складі повітря. Вчені помітили, що при його зволоженні дихати стає легше.

У тому випадку, коли в повітрі багато водяної пари, говорять про його підвищену вологість.
Вода постійно випаровується, навіть лід може випаровуватися, пропускаючи рідкий стан. На молекулярному рівні молекули взаємодіють між собою, розподіляючи енергію, і якщо одна молекула отримує достатньо енергії (більше 40,7 кілоджоулів), вона випаровується.

Випаровування води є важливим процесом, який підтримує життя на Землі: водяна пара, яка піднімається в атмосферу, конденсується, утворюючи хмари. А ті опадають у виді дощу і снігу, забезпечуючи воду для рослин, тварин і людей. Завдяки цьому процесу в річках ніколи не закінчується вода, і у нас є прісна вода, так як вона випаровується без солі.

Випаровування також відіграє роль у регулюванні температури поверхні Землі, зменшуючи екстремальні коливання температури. Згадаємо про її велику теплоємність. Наприклад, на Марсі, де атмосфери майже немає, різниця в температурі 100 градусів; на Венері з її щільною атмосферою — менше одного градуса. Земля ж має різницю в 60 градусів, що добре для видового різноманіття.

На випаровуванні засновано деякі біологічні механізми, наприклад, виділення поту, який випаровується, забираючи з собою теплову енергію; щось подібне є і у рослин, називається транспірація.

Величина поверхні, з якої відбувається випаровування, безпосередньо впливає на кількість водяної пари, яка виходить в атмосферу, бо є молекули, у яких достатньо енергії для випаровування. Але якщо вони знаходяться не на поверхні, то вони просто зіткнуться з іншими молекулами і віддадуть їм частину своєї енергії. Більша поверхня сприяє більшому випаровуванню, оскільки саме на поверхні воно відбувається. Це використовується багато де: наприклад, ті ж самі Градирні мають велику площу, щоб вода ефективніше випаровувалася і відводила тепло, дистиляція в теплообмінниках. Також це використовується і в іншому напрямку: тонкі лабораторні пробірки мають малу площу, щоб реагент не сильно випаровувався і пропорції речовин були більш точні.

Вітер також відіграє ключову роль у процесі випаровування води. Швидкість та вологість вітру впливають на випаровування. Вітер може прискорювати випаровування, розганяючи більш насичені вологою шари повітря із поверхні води, і дозволяючи молекулам води змінити агрегатний стан, що прискорює процес випаровування.

Чи є вода на інших планетах, скільки її і чи є там життя? Ці питання напевно задавав кожен, але відповідь не така проста. Не можна сказати “Так, теоретично це можливо”. Щоб правильно відповісти на це питання, треба враховувати багато факторів, які можуть сильно відрізнятися від планети до планети.

Почнемо із сонячної системи.

Меркурій - у нього майже немає атмосфери і середня температура +427°С, тому рідкої води там не може бути.

Венера - у неї є дуже густа атмосфера - 67 кг/м3, але температура там ще вище, +462 °C. Тому на Венері тільки 0.002% водяної пари в атмосфері.

Марс - на цій планеті є багато води і температура в середньому -60°С. Влітку на екваторі +20°С, а на полюсах температура досягає -120°С. Основна кількість води знаходиться в льодових шапках, до того ж вони займають 15% усієї площі Марсу. Але це не може зрівнятися з 71% води на Землі.

Юпітер і Сатурн - це дуже маловивчені планети. Але більшість астрономів впевнені, що під густою атмосферою знаходяться океани води. В атмосфері були знайденні пари води, її було приблизно 0,4% на Юпітері і 0,5% на Сатурні. Щось говорити про рідку воду в центрі дуже важко, бо найглибше під атмосферу Юпітера зазирнув апарат Галілео на глибину150 км. А апарат Косінні занурився на глибину приблизно 200 км в атмосферу Сатурна.

Уран і Нептун - це дві планети – гіганти, які мають дуже багато льоду 20-25%.

У результаті бомбардування місячного кратера, проведеного 9 жовтня 2009 року НАСА з використанням космічного апарату LCROSS, вперше були отримані достеменні свідчення наявності на супутнику Землі водяного льоду у великих обсягах.

Рідка вода, імовірно, є під поверхнею деяких супутників планет, найімовірніше, на Європі, супутнику Юпітера.

Вода – джерело життя на Землі, велика природна цінність, що покриває 71% поверхні нашої планети, найпоширеніша хімічна сполука і необхідна основа для існування всього живого на планеті. Високий вміст в рослинах (до 90%) і в тілі людини (близько 70%) лише підтверджує важливість цього компонента.

Походження води на Землі так само неясно, як і походження самої нашої планети. Є кілька гіпотез того, звідки взялася вода. Залежно від відповіді на це питання вчені розділилися на два табори – прихильників метеоритного і прихильників “гарячого” походження Землі.

Вода навколо нас може перебувати в трьох станах:

• рідкому – океани, моря, річки, озера;
• твердому – льоди і сніги;
• газоподібному – туман, хмари.

Та й сама людина складається з води.

Одним з найважливіших питань, пов'язаних з освоєнням космосу людиною і можливістю виникнення життя на інших планетах, є питання про наявність води за межами Землі в достатній концентрації. Відомо, що деякі комети більше, ніж на 50 % складаються з водяного льоду. Не варто, втім, забувати, що не будь-яке водне середовище придатне для життя — зокрема, акумуляторна батарея містить 25 %-ий розчин сірчаної кислоти у воді (але життя в ньому, очевидно, є малоймовірним, тим більше, його виникнення).

У води немає кольору, смаку, запаху. У неї нульова калорійність. У ній вражаючим чином одночасно поєднується простота і складність. Вона має всього 3 атома: 2 - водню і 1 - кисню. Але вчені, навіть знаючи, з чого складається вода, досі не можуть зрозуміти, як ці частинки між собою взаємодіють. Для них це, як і раніше, справжня загадка.

Одне ясно напевно: значення води величезне, так як без неї просто б не було ніякого життя.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Походження води на Землі — Вікіпедія (https://uk.wikipedia.org/wiki/Походження_води_на_Землі)
2. Вода: фізичні та хімічні властивості (https://www.poznavayka.org/uk/fizika-uk/voda-fizichni-ta-himichni-vlastivosti/)
3. Властивості води (https://moyaosvita.com.ua/prurodoznavstvo/vlastivosti-vodi-2/)
4. Позаземна вода — Вікіпедія (https://uk.wikipedia.org/wiki/Позаземна_вода)
5. Вода в космосі | Блог Ecosoft (https://ecosoft.ua/ua/blog/voda-v-kosmose/)