Интегрированный урок-лекция "О водородных связях, тепловых свойствах воды, или Почему лед не тонет?" 10-й класс
статья по биологии (10 класс) по теме

Интегрированный урок-лекция "О водородных связях, тепловых свойствах воды, или Почему лед не тонет?" 10-й класс

• Смирнова Ольга Константиновна, учитель биологии

Разделы: Физика, Химия, Биология

Интегрированный урок-лекция №1 (биология, химия, физика)
для учащихся 10 профильного класса по теме

“О водородных связях, о тепловых свойствах воды или почему лёд не тонет?”

из цикла “Молекулярно-кинетическая теория”

Цель урока: вырабатывание единой естественнонаучной картины мира; научиться анализировать явления; увеличить области познания учеников.

Ход урока

Учитель химии: Почему плавает лёд? Как будто бы детский вопрос, а ответить на него не так просто. Можно сказать, что плотность льда меньше, чем воды. Но почему? Выясним, как расположены молекулы воды и льда. В химическом строении воды обратим внимание на то, что связи Н-О в молекуле воды поляризованы и что угол между ними около 105° (рисунок 1 “а” и “б”), так что молекулы воды можно представить виде треугольника.

Вследствие того, что электронные облака атомов водорода в молекуле воды оттянуты к атому кислорода, ядра атомов водорода способны взаимодействовать с неподелёнными парами электронов атомов кислорода соседних молекул воды – между молекулами воды образуются водородные связи. Каждая молекула воды имеет два атома водорода и две неподелённые пары электронов, значит. она может образовывать с четырьмя соседними молекулами воды. Именно такая структура воды в состоянии льда (рисунок 2 “а”). Из-за относительной длины связей Н-О структура льда не плотная, в ней имеются пустоты, соизмеримые с размерами молекул воды. При плавании льда, его кристаллическая решетка разрушается не до отдельных молекул, образуются их ассоциаты. Это явление состоит в том, что молекулы воды соединяются в удвоенные, утроенные и т.д. ассоциированные молекулы. При этом, конечно, могут быть и отдельные молекулы. Они заполняют пустоты, которые имелись в кристаллической структуре льда (рисунок 2 “б”),

поэтому плотность воды при повышении температуры от 0° до 4 °С увеличивается. Дальнейшее увеличение температуры приведёт к увеличению расстояния между молекулами и ассоциатами, а также размеров молекул вследствие увеличения интенсивности колебаний атомов в молекулах – плотность воды уменьшается.

В жидком состоянии вода состоит из отдельных молекул и ассоциатов типа (Н2О)·Х. При повышении температуры водородные связи в них разрываются, на что затрачивается значительная энергия. Поэтому вода среди самых распространённых в природе жидкостей имеет наибольшую удельную теплоёмкость. Это свойство и обуславливает её большую роль в природе. Так, благодаря большой теплоемкости Мирового океана, сглаживает резкость температурных переходов от зимы к лету и наоборот, что позволяет живым организмам постепенно приспосабливаться к новым сезонным условиям. Вода стоит на первом месте среди веществ. Которые входят в состав клетки (80% массы клетки), что способствует поддержанию стабильности температуры тела организма. Все слышали, как о ком-то говорят: “Да он же золотой человек!”. А если человек на самом деле был бы из “ золота”, в частности, если бы удельная теплоёмкость его тела такой же как у золота? Такое даже вообразить страшно: от стакана горячего чая его температура повысилась бы на 8-10°С, а ведь мы чувствуем себя больными при повышении температуры нашего тела даже на доли градусов.

Учитель биологии: Особенности строений молекул воды, их способностью образовывать водородные связи объясняются и другие удивительные свойства воды, которые делают её жидкостью, незаменимой в живой природе. Например, в живой природе большое значение имеет тот факт, что вода обладает большой удельной теплотой парообразования (обуславливается это тем, что перед переходом воды из жидкого в газообразное необходимо разрушать водородные связи в ассоциациях воды, на что затрачивается гораздо большая энергия, чем на разрыв межмолекулярных связей, например, эфира или спирта). Благодаря испарению воды с поверхности организма регулируется его температура. Даже в жару листья растений кажутся прохладными, так как них всё время испаряется вода, а как мы знаем при испарении воды масса 1 грамм, тело теряет 2430 Дж энергии. Например, одно растение кукурузы или подсолнечника испаряет за время своего существования около 200 кг воды.

Учитель физики: Представьте теперь. Что у воды такая же удельная теплота парообразования, как у эфира (для воды она = 2,26 · 1016 Дж/кг). “Эфироподобной” воды испарялось бы почти в 6 раз больше. Что за туман бы стоял над кукурузным полем или в берёзовой роще!

Учитель биологии: Даже на размерах живых организмов отразилось бы изменение этого свойства воды. Известно, что за целый день тяжёлой физической работы(например при колке дров) человек теряет до 10 литров пота. Удельная теплота парообразования пота несколько больше, чем воды (2,436 · 1016 Дж/кг). Если бы пот во время работы не выделялся и не испарялся, то тело не охлаждалось бы, и человек мог бы перегреться. Не сложные расчёты показывают, что за день такой работы человек нагрелся бы до 100°С, так как основой пота является вода, именно она обуславливает большую удельную теплоту парообразования пота.

А если бы основой пота была бы “эфироподобная” вода? В таком случае при тяжелой работе в организме человека должно было бы выделиться в раз больше пота, человеку пришлось бы во столько же раз больше выпить жидкости. А так как вода в каждую клетку приносится кровью, то сердцу за это же время пришлось бы перекачать в 6 раз больше крови. Представьте, как должны были бы измениться размеры сердца человека, да и не только сердца, а и всех органов.

Учитель химии: Изменись хотя бы одна характеристика воды, и окружающий мир станет другим. Скажем, если бы удельная теплота плавления льда стала бы такой же, как, например, удельная теплота плавления свинца. Тогда затрачивалось бы в несколько раз меньше количества теплоты, чтобы расплавить снег и лёд, быстрое таяние снегов и льдов вызывало бы большие наводнения, талая вода сбегала бы с полей, лугов не успев напоить молодые растения, вёсны стали бы совершенно другими…

Учитель биологии: Можно долго фантазировать на эту тему , но вода – самая удивительная жидкость на Земле – по своим свойствам превосходит всякую фантазию. Благодаря им, вода является основой крови, лимфы, слюны, желчи, желудочного сока, растительных соков…

В каждой капле воды – множество жизней. Здесь обитают представители всех типов низших растений, большинства типов беспозвоночных животных и почти всех классов позвоночных животных. В воде животные и растения прошли долгий путь развития, а уже потом, когда появились высокоорганизованные формы, некоторые из них вышли на сушу. Мелкие микроскопические организмы, находящиеся во взвешенном состоянии в толще воды, составляют планктон – основной “трансформатор” солнечной энергии в водной среде. В этом смысле вода – живая. “Вода! Ты не просто необходима для жизни, ты сама жизнь!..” - писал Антуан де Сент-Экзюпери. Чтобы на Земле продолжалась жизнь, необходимо беречь природные водоёмы. Ведь их обитатели очень чувствительны ко всему чужеродному. Например, караси ощущают растворимые в воде вещества в концентрации г/см?

Если в воду попадут инородные, отравляющие вещества, то экологическая система, которая слагалась и поддерживалась на протяжении тысячелетий, будет нарушена. Бездушность или бездумность людей за короткое время может уничтожить то, что создавалось в природе веками. Каждый из живых на Земле дожжен беречь жизнь рек и озёр. Ведь это и твоя жизнь, и жизнь тех, кто будет после тебя.

Интегрированный урок-лекция №2 (биология, химия, физика)
для учащихся 10 профильного класса по теме:

“О гидрофильных и гидрофобных связях”

из цикла “Молекулярно-кинетическая теория”

Цель урока: вырабатывание единой естественнонаучной картины мира; научиться анализировать явления; увеличить области познания учеников.

Ход урока

Учитель биологии: Выражение “Воздушный замок” не настолько фантастично, как мы думаем. Паук-серебрянка способен построить себе дом, который по праву можно назвать “воздушным замком”. Это настоящий воздушный колокол. В нём паук спокойно может провести зиму: кислород, который всегда есть в воде, вследствие диффузии будет проникать через плёнку колокола, и таким же путём будет выходить углекислый газ. Чтобы построить дом паук-серебрянка более двух часов трудился над тем, чтобы сплести паутину, натянуть её между стеблями травы. Потом много раз поднимался на поверхность, нырял под воду с пузырьками воздуха между волосков на теле и под паутиной снимал их с себя. Вот они собрались под паутиной в один большой пузырь, благодаря выталкивающей силе паутина прогнулась, поэтому форма дома получилась в виде купола. Наверное, дом показался пауку тесным, и он снова поднялся на поверхность за новой порцией воздуха. И снова нырнув под воду, паук оказался окруженным как бы целлофановым блестящим мешочком.

А что, если бы ему действительно приходилось воздух “упаковывать”? Из какого вещества он мог бы образовать плёнку? Об этом стоит подумать.

Учитель химии: Представьте растекающуюся по поверхности воды камфару или олеиновую кислоту. Эти вещества принадлежат к поверхностно-активным веществам (ПАВ), Они способны образовывать плёнки на поверхности воды. Молекулы таких веществ состоят из двух частей: неполярной (например, состоящей из углеводородных радикалов - СН2,- СН3) и полярной (например, состоящей из групп – ОН, -СООН и др.). “Отношения” полярных и не полярных с молекулами воды складываются по-разному, что обусловлено строением воды.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода (рис. “а”), вследствие чего молекула воды представляет собой систему двух одинаковых по значению и различных по знаку электрических зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, - диполь (рис. “б”)

Поэтому молекулы воды охотно вступают во взаимодействия с полярными молекулами или полярными группами молекул. Вещества, в которых они преобладают, гидрофильные - “любят воду”. С неполярными молекулами или неполярными группами молекул молекулы воды контактируют не охотно: молекулы воды сильнее притягиваются друг к другу, чем к неполярным молекулам или группам молекул. Последние как бы отталкиваются от молекул воды –“ боятся её”. Эти вещества, состоящие из неполярных молекул или молекул, в которых преобладают неполярные группы, гидрофобные, вода плохо смачивает их и слабо растворяет.

У ПАВ молекулы состоят из двух частей – гидрофильной и гидрофобной. Гидрофильная часть этих молекул обусловливает распределение веществ по поверхности воды – полярные части молекул вступают в электростатические взаимодействия с молекулами воды, они как бы “купаются” в воде. Гидрофильная часть молекул “отталкиваются” от молекул воды. Выносит вещество на поверхность – эти части молекул “торчат” под водой (рисунок “а”; R-группа).

Между частями молекул ПАВ должно быть определённое соотношение, т.е. гидрофобно-гидрофильный баланс. Если гидрофильная часть слабее гидрофобной, то молекулы вещества не будут образовывать на поверхности воды плёнки, а соберутся в капли подобные каплям жира на поверхности бульона.

Гидрофильность; гидрофобность.

Если же гидрофильная часть молекулы гораздо сильнее гидрофобной, то вещество будет растворяться в воде, не будет выталкиваться водой на поверхность, т.е. не будет обладать поверхностной активностью.

Учитель биологии: Многие обитатели озёр к гидрофобности или гидрофильности вещества. Утка, сколько бы ни ныряла за кормом, остаётся сухой т.к. она регулярно смазывает перья гидрофобными веществами – жиром. Шустрые водомерки и береговые пауки обуты в гидрофобные “башмачки”, их ноги не прокалывают воду, а прогибают её.

Как привольно обитателям озера летом! А что будет с ними зимой, когда вместо цветочной пыльцы над озером будут летать снежинки? Многие из них спрячутся на дне и впадут в зимнюю спячку. Хорошо ещё, что озеро покроется льдом. А если бы вода, как большинство тел, при охлаждении сжималась, и лёд не плавал?

Из цикла “Молекулярно-кинетическая теория”

Задачи и вопросы для закрепления темы: 
“О водородных связях, о тепловых свойствах воды или почему лёд не тонет?”. 
“О гидрофильных и гидрофобных связях”

1. Прочитайте отрывок из стихотворения П. Дудника:

Говорят, что на восемьдесят процентов
Из воды состоит человек.
Из воды – добавляю – родных его рек.
Из воды – добавляю – дождей, что его напоили.
Из воды – добавляю – из древней воды родников,
Из которых его и деды, и прадеды пили…

Как вы понимаете этот текст с точки зрения своих знаний о составе живого вещества и о роли воды в живой природе?

2. Почему Альпийские растения низкорослые? Почему во всех частях этих растений сахар накапливается больше, чем у таких же растений, находящихся не в Альпийской зоне?

Ответ: Колебания t° воздуха проявляются над землей в меньшей степени. Густой клеточный сок, в котором много сахара, замерзает при более низкой температуре, чем вода. Вследствие этого растения легче переносят внезапные заморозки.

3. В низовьях Днестра и Дуная живет умбара или рыбка евдошка. Дышит она не так, как другие рыбы. Плавательный пузырь у нее связан с глоткой широким протоком. Высунувшись из воды, рыба набирает воздух в пузырь, который густо оплетен кровеносными сосудами. Из пузыря кислород проникает в кровь. Воздух, насыщенный углекислым газом, рыба выталкивает через рот. Чем объяснить такие изменения в органах дыхания этой рыбы.

Ответ: В воде пойменных рек, озер мало кислорода, поэтому рыба приспособилась получать кислород из воздуха.

4. В теле взрослого человека имеется до 160 млрд. капилляров. Благодаря этому, каждая клетка, через тканевую жидкость снабжается необходимыми питательными веществами и кислородом. Смачивает ли кровь стенки капилляров?

Ответ: Смачивания кровью стенок капилляров не происходит, так как их поверхность достаточно гладкая и упругая.

5. Какие физические процессы играют роль при приживании привоя к дикому дереву?

Ответ: Диффузия.

6. Почему перед заморозками рассаду помидоров, огурцов следует обильно поливать?

Ответ: Температура над влажной почвой меняется медленней.

7. Большой сосуд с водой, помещенный в погреб, предохраняет овощи от замерзания. Почему?

Ответ: Вследствие большой удельной теплоемкости и удельной теплоты плавления вода – хороший аккумулятор энергии. При большом понижении температуры воздуха вне погреба, внутри него температура значительно не снижается, так как сосуд с водой становится нагревателем.

8. Какая почва прогревается солнцем быстрее: влажная или сухая?

Ответ: Сухая почва нагревается сильнее, чем влажная, так как значительная часть тепла пойдет на нагрев влаги в почве.

9. Почему в лиственных лесах прохладно даже в жару?

Ответ: Вода, испаряясь с листа, охлаждает его.