Kapka vody
Úvod
Voda je nejběžnější látkou na povrchu Země. Bez ní by život nemohl existovat. Vaše tělo je asi ze 70 % tvořeno vodou. Podívejte se na následující obrázek - voda může existovat ve 3 skupenstvích:
- pevném (led),
- kapalném (voda) a
-
plynném (vodní pára)
Skupenství vody lze měnit zahřátím nebo ochlazením (nebo změnou tlaku).
Jak se mění skupenství vody?
Když se led mírně zahřeje, začne tát a mění se na kapalinu. Pokud v zahřívání pokračujete, asi při 100 °C se změní na plyn.
Proč se to stane?
Voda je molekula, která má chemický vzorec2O, a má tedy dva atomy vodíku navázané na jeden atom kyslíku. Částice v pevném skupenství, ledu, jsou uloženy těsně u sebe a spojeny chemickými vazbami, které se nazývají vodíkové můstky. Neustále vibrují. Když led zahřejete, vložená energie vibrace zvětší. Některé z vazeb se poruší, částice se uvolní a mohou se tak trochu pohybovat - v tomto okamžiku se z ledu stává kapalina. Se zvýšením přísunu tepla získají částice dostatečnou energii na rozložení všech vazeb a unikají ve formě plynu (páry).
Fyzikální vlastnost vodou
Fyzikální vlastnost hmoty, která popisuje, jak těsně jsou částice v látce uspořádané, se nazývá hustota.
Hustota (D) je měřítkem množství materiálu (hmotnost neboli m) v daném prostoru (objem neboli V) a je vyjádřena poměrem:
D = m/V.
Rozdíly v hustotě zemské hmoty jsou tím, co řídí mořské proudy, vítr a deskovou tektoniku.
Hustota hmoty se obvykle zvyšuje při změně z plynného na kapalné skupenství a znovu při změně z kapalného skupenství na tuhé. Hustota se též zvyšuje při poklesu teploty, neboť pokles teploty způsobuje snížení vibrací atomů. Atomy se tolik nepohybují, a proto je jejich uspořádání těsnější, tj. hustší. Voda je však odlišná! Voda má některé velmi neobvykle fyzikální a chemické vlastnosti, které ji činí jednou z nejdůležitějších látek na naší planetě.
Podívejte se na video s kosmonautem ESA Frankem De Winne, který ukazuje, jak se voda chová ve stavu beztíže na Mezinárodní vesmírné stanici. Pedagogové mohou tento klip použít společně s následujícími poznámkami k lekcím, aby malé děti mohly porovnat chování vody na Zemi a ve vesmíru.
1. Solid water – how unusual is this solid!
Proč se voda v pevném skupenství (led) chová jinak?
Předpokládali byste, že se pevná látka, jako je voda, potopí. Víte však, že když si dáte několik kostek ledu do nápoje, plavou. Naplňte umělohmotnou láhev vodou a zavřete ji. Dejte ji do mrazničky a další den se podívejte, jak vypadá. Uvidíte, že víčko možná odskočilo a láhev vody vypadá, jako by se zvětšila.
Pevná forma vody (led) má NIŽŠÍ hustotu než tekutá forma. Hustota čisté vody při čtyřech stupních Celsia je 1,0 g/cm3, zatímco hustota ledu při nula stupních Celsia je pouze 0,92 g/cm3. Voda v tekutém stavu a led mají různou hustotu, protože v ledu jsou molekuly od sebe více vzdáleny a vyplní tak větší prostor než v molekule tekuté vody.
Ve vesmíru: Frank vezme kousek ledu a vloží jej do kapky vody. Co se stane s ledem v kapce vody? Bude se vznášet, klesne nebo se zachová jinak?
Odpovědi:
Na Mezinárodní vesmírné stanici je vše ve VOLNÉM PÁDU a neměla by tu tedy působit GRAVITACE. Gravitace je síla, která nám brání v tom, abychom se zde na Zemi vznášeli. Když něco hodíte, vždy to dopadne na zem. Au!
Tato tíže přitahující všechno k Zemi se nazývá gravitační síla. Na ISS se proto všechno vznáší stejně jako kosmonauti (a vše, co není pevně připevněno!). I voda. Led se nebude vznášet ani neklesne, ale bude se prostě pohybovat ve vodní kapce.
2. Polarita vody
Voda je bipolární molekula.Voda má chemický vzorec H2O, což jsou dva atomy vodíku navázané na jeden atom kyslíku. Molekula vody nemá žádný celkový náboj. V místě kyslíkového atomu je však slabý záporný náboj a v místě atomů vodíku je slabý kladný náboj. Tento jev se nazývá dipól. Celkový náboj molekuly vody je nulový. Kladné náboje a záporné náboje se vzájemně rovnají, takže se vyruší.
Vyzkoušejte: Demonstrace bipolárního charakteru vody
Pomůcky:
- Zdroj vody (například vodovodní kohoutek)
- Skleněná tyčinka nebo umělohmotné pravítko
Postup:
- Nechte z kohoutku téci malý proud vody.
- Vezměte pravítko nebo tyčinku a přiložte je k proudu vody. Stalo se něco?
- Nyní přetřete pravítko nebo tyčinku několikrát látkou nebo tričkem. Přiložte je do blízkosti vody. Co se děje teď? Proč myslíte, že se to stalo?
Na Mezinárodní vesmírné stanici používá Frank De Winne pro vytvoření náboje (např. kladný náboj +) kousek umělé hmoty (místo tyčinky). Tím, že otře umělou hmotu oděvem, způsobí, že se na jejím povrchu vytvoří kladný náboj. Když přiloží umělou hmotu do blízkosti kapky vody, náboj na umělé hmotě přitáhne opačný náboj na molekule vody (záporný náboj kyslíku).
Otázka k zamyšlení?
Proč Frank nemůže mít na ISS proud vody? Co se stane s kapkou vody, když k ní Frank přiloží umělou hmotu?
Odpověď:
Tyčka nebo pravítko přitáhne proud k sobě, neboť na tyčce je kladný náboj, který přitáhne záporný náboj na molekule vody.
Když Frank přiblíží umělou hmotu k vodě, měla by se kapka pohybovat spolu s tím, jak pohybuje umělou hmotou s kladným nábojem. Kyslík, který má záporný náboj, bude přitahován ke kladnému náboji umělé hmoty.
Frank nemůže použít proud vody, protože na ISS se vše vznáší (je ve volném pádu) a voda by se mohla snadno dostat do elektrických zařízení a poškodit ho. Vodu musí Frank vzít ze speciálního vaku s pitnou vodou a pak ji musí setřít.
3. Rozpustnost ve vodě
Voda má jednu velmi důležitou vlastnost - je schopná rozpouštět mnoho pevných látek a plynů. Co se stane, když si do kávy dáte cukr (pevná látka)?
Cukr je rozpustný ve vodě. Některé věci jsou nerozpustné (nerozpustí se). Napadnou vás nějaké?
Voda je čirá, takže, když v ní něco rozpustíte, může změnit barvu.
Vyzkoušejte: Co se rozpustí?
Pomůcky:
kostka cukru, zrnka soli, rozpustná káva a kávová sedlina, malé kousky dřeva (hobliny, seno), hoblinky plastu, kousíčky vosku, sklenice, lžíce nebo tyčinka na promíchání, zdroj vody a místo pro likvidaci odpadu.
Postup:
- Do vody ve sklenici vložte jednotlivě různé materiály a podívejte se, zda se látka rozpustí, nebo ne. Možná budete muset vodu zamíchat.
- Udělejte tabulku, z níž bude patrné, co se rozpustí a co nikoli.
Na Zemi můžeme jasně vidět, zda se něco rozpustí, zvláště když je rozpouštěná látka barevná. Zdá se, že ve vodě „zmizela“. Když jej přidáme do čaje/kávy, chutná sladce. (Ve třídě NIC NEOCHUTNÁVEJTE!)
Ve vesmíru, kde jsou podmínky jiné než na Zemi? Víme, že se vše vznáší, vznášel by se ale cukr ve vodě, nebo by se skutečně rozpustil?
Frank zkusí rozpustit cukr ve svém vaku na čaj. Co myslíte, že by se stalo, kdyby byla voda teplejší? Nebo zamíchaná? Kosmonauti mají speciální vaky, které obsahují čaj a cukr. Do vaku musejí přidat teplou vodu a musejí jím zatřepat, aby se cukr rozpustil a promíchal se s čajem. Jak bude Frank vědět, že je čaj sladký?
Odpověď:
Frank čaj ochutná. Čaj je sladký, takže se cukr ve vodě ve vesmíru skutečně rozpouští.
