ΜΙΑ ΣΤΑΓΟΝΑ ΝΕΡΟ
Εισαγωγή
Το νερό είναι η πιο συνηθισμένη ουσία στην επιφάνεια της Γης. Χωρίς νερό, η ύπαρξη ζωής δεν θα ήταν δυνατή. Το σώμα σας αποτελείται από περίπου 70% νερό. Κοιτάξτε την παρακάτω εικόνα - Το νερό μπορεί να υπάρχει σε 3 καταστάσεις:
- Στερεή (πάγος)
- Υγρή (νερό) και
-
Αέρια (υδρατμοί)
Η κατάστασή του μπορεί να αλλάξει με τη θέρμανση ή την ψύξη (ή με την αλλαγή της πίεσης)
Πώς αλλάζει η κατάσταση του νερού;
Όταν ο πάγος θερμανθεί λίγο, αρχίζει να λιώνει και μετατρέπεται σε υγρό. Όταν συνεχίζετε τη θέρμανση, στους 100 βαθμούς Κελσίου περίπου, μετατρέπεται σε αέριο.
Γιατί συμβαίνει αυτό;
Το νερό είναι ένα μόριο με χημικό τύπο H2O, δηλ. δύο άτομα υδρογόνου ενωμένα με ένα άτομο οξυγόνου.
Τα σωματίδια στο στερεό πάγο είναι στενά πακεταρισμένα μεταξύ τους και ενωμένα με χημικούς δεσμούς που καλούνται δεσμοί υδρογόνου. Συνεχώς δονούνται. Όταν θερμαίνετε τον πάγο, η ενέργεια που προσφέρετε καθιστά τις δονήσεις μεγαλύτερες. Μερικοί δεσμοί σπάνε και τα σωματίδια είναι ελεύθερα να κινηθούν λίγο - στο σημείο αυτό ο πάγος γίνεται νερό. Καθώς εφαρμόζεται περισσότερη θερμότητα, τα σωματίδια λαμβάνουν αρκετή ενέργεια ώστε να σπάσουν όλοι οι δεσμοί τους και ελευθερώνονται ως αέριο ή ατμός.
Die physikalische Eigenschaft
Η φυσική ιδιότητα της ύλης που περιγράφει πόσο στενά πακεταρισμένα είναι τα ξεχωριστά σωματίδια μιας ουσίας καλείται Πυκνότητα. Η πυκνότητα (D) είναι μια μονάδα μέτρησης της ποσότητας της ύλης (μάζα ή m) σε ένα δεδομένο χώρο (όγκο ή V) και εκφράζεται από το λόγο:
D = m/V.
Η διαφορά στις πυκνότητες της ύλης στη Γη αποτελεί την κινητήρια δύναμη των ρευμάτων των ωκεανών, του ανέμου και των τεκτονικών πλακών. Συνήθως η πυκνότητα της ύλης αυξάνεται καθώς μετατρέπεται από αέρια σε υγρή μορφή και επίσης όταν μετατρέπεται από υγρή σε στερεή μορφή. Η πυκνότητα επίσης αυξάνεται όσο μειώνεται η θερμοκρασία, επειδή αυτή προκαλεί μικρότερες δονήσεις των ατόμων. Επειδή τα άτομα δεν κινούνται τόσο πολύ, πακετάρονται πιο κοντά ή πυκνότερα μεταξύ τους. Ωστόσο το νερό διαφέρει!
Το νερό διαθέτει μερικές πολύ ασυνήθιστες φυσικές και χημικές ιδιότητες που το καθιστούν μία από τις σημαντικότερες ουσίες στον πλανήτη μας.
Παρακολουθήστε το βίντεο όπου ο αστροναύτης της ESA, Φρανκ ντε Γουίν, πραγματοποιεί μερικές επιδείξεις για να δείξει τον τρόπο που συμπεριφέρεται το νερό σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας στο Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Οι εκπαιδευτικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτό το βίντεο σε συνδυασμό με τις παρακάτω εκπαιδευτικές σημειώσεις για να είναι τα μικρά παιδιά σε θέση να συγκρίνουν τον τρόπο που συμπεριφέρεται το νερό στη Γη και το Διάστημα.
1. Γιατί το στερεό νερό (πάγος) είναι ασυνήθιστο;
Θα αναμένατε ότι μια στερεή ουσία, όπως ο πάγος, θα βυθιζόταν. Ωστόσο, γνωρίζετε ότι όταν βάζετε μερικά παγάκια στο ποτό σας, αυτά επιπλέουν.
Γεμίστε μια πλαστική φιάλη με νερό και κλείστε το καπάκι. Τοποθετήστε την στον καταψύκτη και δείτε πώς είναι επόμενη ημέρα. Θα παρατηρήσετε ότι το καπάκι μπορεί να έχει πεταχτεί και η φιάλη μοιάζει σαν να έχει διασταλεί.
Η στερεή μορφή του νερού (πάγος) είναι ΛΙΓΟΤΕΡΟ πυκνή από την υγρή μορφή. Η πυκνότητα του καθαρού νερού στους τέσσερις βαθμούς Κελσίου είναι 1,0g/cm3, ενώ η πυκνότητα του πάγου στους μηδέν βαθμούς Κελσίου είναι μόνο 0,92 g/cm3. Το υγρό νερό και ο πάγος έχουν διαφορετικές πυκνότητες επειδή στον πάγο τα μόρια είναι πιο απομακρυσμένα μεταξύ τους, καταλαμβάνοντας μεγαλύτερο χώρο σε σχέση με μόρια του υγρού νερού.
Στο διάστημα:
Ο Φρανκ παίρνει ένα μικρό κομμάτι πάγο και το τοποθετεί σε μια σταγόνα νερού. Τι συμβαίνει στον πάγο μέσα στη σταγόνα νερού; Επιπλέει ή βυθίζεται ή συμβαίνει κάτι άλλο;
Απαντήσεις:
Στο Διεθνή Διαστημικό Σταθμό όλα βρίσκονται σε ΕΛΕΥΘΕΡΗ ΠΤΩΣΗ και έτσι φαίνεται ότι δεν υπάρχει η δύναμη της ΒΑΡΥΤΗΤΑΣ. Χάρη στη βαρύτητα δεν επιπλέουμε εδώ στη Γη. Εάν πετάξετε κάτι, πάντα καταλήγει στο έδαφος. Ωχ!
Αυτή η έλξη όπου όλα προσελκύονται στη γη καλείται δύναμη της βαρύτητας. Συνεπώς, όπως και οι αστροναύτες (και οτιδήποτε δεν είναι καλά στερεωμένο!), τα πάντα στο ΔΔΣ επιπλέουν. Ακόμη και το νερό. Ο πάγος δεν θα επιπλέει ούτε θα βυθιστεί, αλλά απλώς θα κινείται γύρω από τη σταγόνα νερού.
2. Πολικότητα του νερού
Το νερό είναι ένα διπολικό μόριο. Ο χημικός τύπος του νερού είναι H2O, δηλαδή δύο άτομα υδρογόνου ενωμένα με ένα άτομο οξυγόνου.
Το μόριο του νερού δεν έχει ολικό φορτίο. Αλλά υπάρχει ένα μικρό αρνητικό φορτίο στην περιοχή του ατόμου οξυγόνου και ένα μικρό θετικό φορτίο κοντά στα άτομα υδρογόνου. Αυτό καλείται δίπολο. Το συνολικό φορτίο στο μόριο του νερού είναι μηδέν. Τα θετικά φορτία και τα αρνητικά φορτία είναι ίσα και έτσι το ένα εξουδετερώνει το άλλο.
Δοκιμή: Επίδειξη της διπολικής φύσης του νερού
Υλικά:
- Εργασία σε μια πηγή νερού (π.χ. μια βρύση)
- Μια γυάλινη ράβδος ή ένας πλαστικός χάρακας
Μέθοδος:
- Αφήστε να τρέξει μια μικρή ροή νερού από τη βρύση.
- Φέρτε το χάρακα ή τη ράβδο σας κοντά στη ροή νερού. Συμβαίνει κάτι;
- Τώρα τρίψτε το χάρακα ή τη ράβδο σας αρκετές φορές σε ένα πανί ή μπλουζάκι. Φέρτε το κοντά στο νερό. Τι συμβαίνει τώρα; Γιατί πιστεύετε ότι συμβαίνει αυτό;
Στο Διεθνή Διαστημικό Σταθμό, ο Φρανκ ντε Γουίν χρησιμοποιεί ένα κομμάτι πλαστικό (αντί για ράβδο) για να δημιουργήσει ένα φορτίο (π.χ. θετικό + φορτίο). Τρίβοντας το πλαστικό στο ρούχο του, προκαλεί τη δημιουργία θετικού φορτίου στην επιφάνεια. Όταν το φέρνει πιο κοντά στη σταγόνα νερού, το φορτίο στο πλαστικό προσελκύει το αντίθετο φορτίο στα μόρια του νερού (το αρνητικό φορτίο από το οξυγόνο).
Ερώτηση κρίσης Γιατί ο Φρανκ δεν μπορεί να έχει μια ροή νερού στο ΔΔΣ; Τι συμβαίνει στη σταγόνα νερού όταν φέρνει το πλαστικό πιο κοντά σε αυτή;
Απάντηση:
Η ράβδος ή ο χάρακας θα προσελκύσει τη ροή προς το μέρος της επειδή υπάρχει θετικό φορτίο στη ράβδο που θα προσελκύσει το αρνητικό φορτίο στο μόριο νερού.
Όταν ο Φρανκ φέρνει το πλαστικό πιο κοντά στο νερό, η σταγόνα θα μετακινείται καθώς αυτός μετακινεί το φορτισμένο πλαστικό. Το αρνητικά φορτισμένο οξυγόνο προσελκύεται από το θετικό φορτίο στο φορτισμένο πλαστικό.
Ο Φρανκ δεν μπορεί να χρησιμοποιήσει ροή νερού στο ΔΔΣ επειδή όλα επιπλέουν (βρίσκονται σε ελεύθερη πτώση) και το νερό θα μπορούσε εύκολα να εισχωρήσει στον ηλεκτρικό εξοπλισμό και να προκαλέσει ζημιά. Το νερό πρέπει να βρίσκεται σε ειδική σακούλα πόσης και στη συνέχεια πρέπει να σκουπιστεί.
3. Διαλυτότητα του νερού
Μια πολύ σημαντική ιδιότητα του νερού είναι η ικανότητά του να διαλύει πολλά στερεά και αέρια. Τι συμβαίνει όταν προσθέτετε ζάχαρη (ένα στερεό) στον καφέ σας;
Η ζάχαρη είναι διαλυτή στο νερό. Μερικά είδη είναι αδιάλυτα (δεν διαλύονται). Μπορείτε να σκεφτείτε κάποια;
Το νερό είναι διαφανές, οπότε όταν διαλύετε κάτι σε αυτό, το νερό μπορεί να αλλάξει χρώμα
Δοκιμή: Τι διαλύεται
Υλικά:
Κύβος ζάχαρης, κόκκοι αλατιού, στιγμιαίος καφές και καβουρδισμένος καφές, μικρά κομμάτια ξύλο (ρινίσματα, άχυρο), μικρά ρινίσματα πλαστικού, ρινίσματα κεριού, γυάλινα βαζάκια, κουτάλι ή αναδευτήρας, πηγή νερού και χώρος απόρριψης αποβλήτων.
Μέθοδος:
- Προσθέστε τα διάφορα υλικά, ένα τη φορά, μέσα σε ένα βαζάκι με νερό και δείτε εάν η ουσία διαλύεται ή όχι. Μπορεί να χρειαστεί να ανακατέψτε.
- Φτιάξτε έναν πίνακα στον οποίο θα φαίνεται τι διαλύεται και τι όχι.
Στη Γη, μπορούμε να δούμε καθαρά εάν κάτι διαλύεται, ειδικά εάν έχει χρώμα. Μοιάζει να «εξαφανίζεται» στο νερό. Όταν το προσθέσουμε στο τσάι /καφέ μας, έχει γλυκιά γεύση. (ΜΗΝ ΔΟΚΙΜΑΣΕΤΕ ΤΙΠΟΤΑ στην αίθουσα διδασκαλίας!).
Στο Διάστημα, όπου οι συνθήκες είναι διαφορετικές από αυτές στη Γη, θα διαλυθεί η ζάχαρη στο τσάι; Γνωρίζουμε ότι όλα επιπλέουν αλλά η ζάχαρη θα επιπλέει στο νερό ή θα διαλυθεί πραγματικά;
Ο Φρανκ θα προσπαθήσει να διαλύσει ζάχαρη στο δοχείο με το τσάι του. Τι πιστεύετε ότι θα συμβεί εάν το νερό ήταν πιο ζεστό; Ή αν το ανακατεύατε;
Οι αστροναύτες λαμβάνουν ειδικές σακούλες που περιέχουν τσάι και ζάχαρη. Πρέπει να προσθέσουν ζεστό νερό και να ανακινήσουν τη σακούλα για να διαλυθεί η ζάχαρη και να αναμιχθεί με το τσάι. Πώς θα γνωρίζει ο Φρανκ ότι το τσάι του είναι γλυκό;
Απάντηση:
Ο Φρανκ δοκιμάζει το τσάι του και είναι γλυκό. Οπότε στο διάστημα, η ζάχαρη όντως διαλύεται στο νερό.
