litceysel.ru
добавить свой файл
1


Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №53» г. Брянска

тел. 524991


НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ШКОЛЬНИКОВ

«ПЕРВЫЕ ШАГИ В НАУКУ»


ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА


Исследование поверхностного натяжения

синтетических моющих средств


Физика


Выполнила:

ученица 11 А класса

Иваныкина Виктория Владиславовна


Руководитель:

учитель физики

Казачкина Татьяна Сергеевна


г. Брянск

2012 год


Введение

В работе уделено внимание широко распространенным сегодня синтетическим моющим средствам. Рассмотрены следующие вопросы: история появления, состав и принцип действия, влияние на окружающую среду синтетических моющих средств, понятие поверхностного натяжения, единица измерения, проявления в природе и методы измерения поверхностного натяжения. Описан опыт по измерению коэффициента поверхностного натяжения и представлены его результаты в виде таблиц и диаграмм.

В современном мире множество различных моющих средств различного уровня качества и цены. В жизни я столкнулась с проблемой, какое же моющее средство лучше и зависит ли его качество от цены. Качество средства определяется его способностью удалять загрязнения, т.е. от коэффициента поверхностного натяжения раствора. Поэтому, учитывая, что в школе началась проектная деятельность, я поставила перед собой следующие цели и задачи.

Цель работы:

-опытным путем измерить поверхностное натяжение некоторых синтетических моющих средств.

Задачи работы:

-рассмотреть историю появления синтетических моющих средств;

-изучить состав и принцип действия синтетических моющих средств;

-определить влияние синтетических моющих средств на окружающую среду;


-рассмотреть понятие поверхностного натяжения;

-рассмотреть различные методы измерения поверхностного натяжения;

-провести опыт и измерить поверхностное натяжение различных синтетических моющих средств.

Методы работы над проектом:

анализ источников информации, проведение эксперимента, составление таблиц и диаграмм

История появления синтетических моющих средств

«Первое мыло, самое простое моющее средство, было получено на Ближнем Востоке более 5 000 лет назад. Поначалу оно использовалось главным образом для стирки и обработки язв и ран. И только с I века н. э. человек стал мыться с мылом. Моющими средствами называются натуральные и синтетические вещества с очищающим действием, в особенности мыло и стиральные порошки, применяемые в быту, промышленности и сфере обслуживания. Мыло получают в результате химического взаимодействия жира и щелочи. Скорее всего, оно было открыто по чистой случайности, когда над костром жарили мясо, и жир стек на золу, обладающую щелочными свойствами. Взяв в руки горсть этого простейшего мыла, древний человек обнаружил, что оно легко растворяется в воде и смывается вместе с грязью. Производство мыла имеет давнюю историю, а вот первое синтетическое моющее средство появилось только в 1916 году. Разработка немецкого химика Фрица Понтера предназначалась для использования в промышленности. Эти моющие средства представляли собой алкилсульфонаты, полученные реакцией бутилового или пропилового спирта с нафталином и последующим сульфированием. В дальнейшем химический состав менялся. При этом при производстве учитывались доступность сырья, простота и минимальная стоимость производства, а не безопасность средств.

С 30-х годов XXвека, после создания менее токсичных средств, чем применялись в производстве, началось активное применение химических моющих средств в быту. С тех пор потребление бытовой химии с каждым годом только увеличивается.» [1]


Состав и принцип действия синтетических моющих средств

Мы широко используем в быту различные моющие средства: для стирки белья, мытья посуды, стен, полов, раковин, окон, для чистки ковров и мягкой мебели. В последнее время появилось огромное количество и косметических моющих средств таких как жидкое мыло, шампунь, гель для душа, пена для ванн.

«Любое моющее средство должно обладать двойной функцией: способностью взаимодействовать с загрязняющим веществом (чаще всего жиром) и переводить его в воду или водный раствор. Для этого молекула моющего средства должна иметь гидрофобную (водоотталкивающую) и гидрофильную (любящую удерживать воду) части.

В настоящее время мы широко используем синтетические моющие средства (СМС) – детергенты. Основой СМС являются синтетические поверхностно-активные вещества – ПАВ. Кроме ПАВ, в СМС входят и другие компоненты: отбеливатели, смягчители, пенообразователи, ароматические отдушки.

Оптические отбеливатели не воздействуют на структуру ткани, они поглощают ультрафиолетовые лучи, а излучают энергию в синей области видимого спектра. Ткань приобретает при этом и белизну, и яркость.

Для успешной стирки и мойки совсем не обязательна обильная пена. При использовании стиральных машин обильная пена даже нежелательна, а для чистки ковров и мягкой мебели она необходима. Поэтому существуют разные пенообразователи.

Вещества, в молекулах которых имеются гидрофобные и гидрофильные части, называют поверхностно-активными, поскольку они действуют на поверхностях, разделяющих различные по своей химической природе вещества.

Гидрофильные (полярные) части легко растворяются в воде, а гидрофобные (неполярные) отталкиваются от нее. Поэтому на границе вода-воздух, вода – масло молекулы ПАВ будут располагаться в определенном порядке: гидрофильные части направлены в воду и растворены в ней; гидрофобные части выталкиваются из нее. В результате поверхность воды покрывается своеобразным «частоколом» из молекул ПАВ, образующим слой толщиной около 0,1 нм. Такая водная поверхность обладает более низкой энергией, что связано с понижением поверхностного натяжения воды. Гидрофобная часть молекулы ПАВ будет взаимодействовать с загрязненной поверхностью, гидрофильная – с водой; частицы грязи перейдут в водный раствор вместе с молекулами ПАВ.» [2]


Влияние синтетических моющих средств на окружающую среду

«Многократный рост производства и потребления химических моющих средств привел к формированию нового, постоянно действующего химического фактора среды обитания человека.

Только за последние годы поступление синтетических моющих средств в окружающую среду достигло поистине колоссальных размеров. Обратно, вредные вещества попадают в организм человека с вдыхаемым воздухом, питьевой водой, пищей, проникают через кожу. Из-за длительного периода распада химических соединений, накопление опасных веществ в организме человека продолжается всю жизнь, приводя к необратимым изменениям и патологиям.

Многочисленная реклама в средствах массовой информации порошков, отбеливателей, мыла и прочей химии медленно, но верно внушает населению, что надо бесконечно мыть, чистить, стирать. Но при этом никто не рассказывает о вреде, который наносит химия организму человека.

Например, мало кто знает, что фосфаты, добавляемые в моющие средства, являются сильнейшим ядом и приводят к необратимым изменениям в организме и в природе. По результатам исследований, для того чтобы удалить остатки фосфатов из тканей после стирки, нужно прополоскать белье в горячей воде более 10 раз. В современных стиральных машинах используется только до трех циклов полоскания в холодной воде. Лучше всего химию удерживают натуральные ткани: шерсть, хлопок, шёлк.

На посуде также остается моющее средство, которое попадает внутрь при использовании «чистой» посуды. Чтобы окончательно смыть моющее средство необходимо его промыть несколько раз.

Моющие средства – для сантехники, плитки, пола, стекол содержат активные вещества, которые испаряясь попадают в наши дыхательные пути, а оттуда в кровь.

Учеными уже давно установлен факт вреда бытовой химии на здоровье человека. В европейских странах уже 20 лет как полностью запретили порошки, содержащие фосфаты, хлор и другие вредные вещества. Поэтому, например, порошки, производимые на заводе в нашей стране, сильно отличаются по составу от западных аналогов тех же марок и того же производителя. Производители бытовой химии, используя дешевые и более опасные ингредиенты, запрещенные на Западе, реализуют моющие средства в России, Украине, Казахстане и пр. странах, население которых не задумываются о вреде, наносимому здоровью химическими средствами.» [1]


Поверхностное натяжение

«Молекулы жидкости, например воды, удерживаются вместе силами притяжения. Эти силы тянут верхние молекулы внутрь, и поверхность жидкости изгибается. Этот эффект называемый поверхностным натяжением, хорошо виден на примере почти сферической капли воды, выскальзывающей из крана.

Именно из-за поверхностного натяжения вода сама по себе не обладает достаточным чистящим действием. Вступая в контакт с пятном, молекулы воды притягиваются друг к другу вместо того, чтобы захватывать частицы грязи. Другими словами, они не смачивают грязь.

Поверхностное натяжение — термодинамическая характеристика поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз, определяемая работой обратимого изотермокинетического образования единицы площади этой поверхности раздела при условии, что температура, объем системы и химические потенциалы всех компонентов в обеих фазах остаются постоянными.

Поверхностное натяжение имеет двойной физический смысл — энергетический (термодинамический) и силовой (механический). Энергетическое (термодинамическое) определение: поверхностное натяжение — это удельная работа увеличения поверхности при её растяжении при условии постоянства температуры. Силовое (механическое) определение: поверхностное натяжение — это сила, действующая на единицу длины линии, которая ограничивает поверхность жидкости.

Каждая молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости. В результате появляется равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости. Если молекула переместиться с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу.

Силы, действующие на молекулу внутри жидкости со стороны других молекул, взаимно скомпенсированы. Но чтобы вытащить молекулу из глубины жидкости на поверхность надо затратить положительную работу, так как близи поверхности силы межмолекулярного взаимодействия уже не скомпенсированы.


Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной энергией. Потенциальная энергия поверхности жидкости пропорциональна ее площади: , где — коэффициент поверхностного натяжения. В СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м2) или в ньютонах на метр (1 Н/м = Дж/м2).

Коэффициент поверхностного натяжения равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу: . Коэффициент поверхностного натяжения может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность.

Силы поверхностного натяжения стремятся сократить поверхность пленки. Для равновесия подвижной стороны рамки к ней нужно приложить внешнюю силу, которая уравновесит силы поверхностного натяжения по обе стороны рамки: .

Поверхностное натяжение может быть на границе газообразных, жидких и твёрдых тел. Обычно имеется в виду поверхностное натяжение жидких тел на границе «жидкость — газ». В случае жидкой поверхности раздела поверхностное натяжение правомерно также рассматривать как силу, действующую на единицу длины контура поверхности и стремящуюся сократить поверхность до минимума при заданных объёмах фаз.


В общем случае прибор для измерения поверхностного натяжения называется тензиометр.

С увеличением температуры величина поверхностного натяжения уменьшается и становится нулем при увеличении температуры до критической.

Проявления поверхностного натяжения.

Так как появление поверхности жидкости требует совершения работы, каждая среда «стремится» уменьшить площадь своей поверхности:


  • в невесомости капля принимает сферическую форму (сфера имеет наименьшую площадь поверхности среди всех тел одинакового объёма).

  • струя воды «слипается» в цилиндр.

  • На многих поверхностях, именуемых несмачиваемыми, вода (или другая жидкость) собирается в капли.» [3]

Методы измерения поверхностного натяжения

«Способы определения поверхностного натяжения делятся на статические и динамические. В статических методах поверхностное натяжение определяется у сформировавшейся поверхности, находящейся в равновесии. Динамические методы связаны с разрушением поверхностного слоя. В случае измерения поверхностного натяжения растворов следует пользоваться статическими методами. В ряде случаев равновесие на поверхности может наступать в течение нескольких часов. Динамические методы могут быть применены для определения равновесного поверхностного натяжения и динамического поверхностного натяжения. Например, для раствора мыла после перемешивания поверхностное натяжение 58 Дж/м², а после отстаивания — 35 Дж/м² . То есть поверхностное натяжение меняется. До установления равновесного оно будет динамическое.» [3]

Статические методы

Динамические методы

  • Метод Вильгельми
  • Метод лежачей капли


  • Метод определения по форме висячей капли.

  • Метод вращающейся капли

  • Метод дю Нуи (метод отрыва кольца).

  • Сталагмометрический, или метод счета капель.

  • Метод максимального давления пузырька.

Практическая часть

«Измерение коэффициента поверхностного натяжения методом счета капель»

Цель: измерить коэффициенты поверхностного натяжения растворов различных моющих средств.

Оборудование: образцы моющих средств, пипетка, весы, мензурка, пустой стакан для сбора жидкости.

Ход работы (Рис. 1-8, Приложения):

Алгоритм измерения коэффициента поверхностного натяжения раствора СМС

1. Подготовка оборудования, получение растворов (для жидких средств– разведение водой с объемной долей моющего средства 50%; для мыла – разведение водой натертого мыла с массовой долей мыла 4%).

2. Измерение диаметра D отверстия пипетки, массы пустого стакана.

3. В пустой стакан накапать 20 капель раствора, взвесить его и вычислить массу M жидкости в стакане.

4. При отрыве капли от пипетки ее вес равен силе поверхностного натяжения: F=mo*g, где mo – масса 1 капли. C другой стороны F= σ*l, где l-длина окружности отверстия пипетки и l= π*D.

Тогда σ*π*D=М*g/N, где N- число капель.

Вычислить коэффициент поверхностного натяжения по формуле

σ= М*g/(π*D* N)

g=9,8 м/с2, π=3,14, D=2,2*10-3 м

5. Занести все результаты в таблицу 1 и 2 (см. Приложение).

Для опыта я взяла 4 средства для мытья посуды (Sorti, AOS, Fairy, Прогресс) и 6 видов мыла (Luksia, Дивный сад, Duru, Хозяйственное «Аист» 72% , Хозяйственное «Меридиан» 72%, Хозяйственное «Финист» 72%). Для получения раствора средства для мытья посуды с объемной долей 50% я развела 10 мл моющего средства в 10 мл воды. Для раствора мыла с массовой долей 4% - предварительно измельченное мыло массой 1 г растворила в 24 г воды. С помощью пипетки накапала 20 капель каждого раствора (поочередно) в стакан известной массы, измерила массу жидкости со стаканом и вычислила массу 20 капель раствора. После по формуле вычислила коэффициент поверхностного натяжения.


Согласно полученным результатам для средств для мытья посуды наилучшей способностью удалять загрязнения обладает Fairy, но оно имеет и самую большую цену (т.е. оправдывает затраченные средства), худшей – Прогресс при самой маленькой цене. AOS при достаточно высокой цене обладает недостаточно высокой способностью удалять загрязнения. Лучшим соотношением цена-качество обладает Sorti: при невысокой цене по качеству оно ненамного отстает от Fairy.

По результатам для мыла лучшим качеством обладает Хозяйственное мыло «Финист» при невысокой цене. Не оправдывают свою цену Luksia и Дивный сад – они незначительно увеличили способность воды удалять загрязнения. Хорошим соотношением цена-качество обладают Duru и Хозяйственное «Меридиан».

Вывод: Проведя необходимые измерения и вычисления, я определила коэффициент поверхностного натяжения растворов моющих средств различной ценовой категории. Чем меньше коэффициент поверхностного натяжения раствора СМС, тем лучше качество моющего средства. Исходя из результатов опыта, можно сделать вывод, что качество моющего средства не всегда определяется ценой и некоторые средства не оправдывают затраченных денежных средств.

Заключение

Благодаря работе над проектом я получила много знаний, как теоретических, так и применимых в жизни. Такая сложная с первого взгляда информация о простых вещах повседневной жизни, при более детальном рассмотрении кажется не такой сложной. Но проведенный мною эксперимент имеет большую практическую ценность, нежели теория. Ведь все мы пользуемся моющими средствами, и нам важно знать об их качестве. Эту проблему и решает проведенный опыт.

Кроме того, работа над проектом дала мне множество практических навыков при работе с информацией и ее оформлением, без которых невозможно жить в нашем веке технологий.

Список литературы

1. http://www.viescience.ru/ru/science/1/15/


2. http://school.xvatit.com/index.php

3. http://ru.wikipedia.org/wiki/Поверхностное_натяжение

4. http://fizportal.ru/method-capillary

5. http://ru.wikipedia.org/wiki/Моющее_средство


Приложение.



Рис. 1. Измерение массы жидкости



Рис. 2 Образцы натертого мыла



Рис. 3 Получение раствора



Рис. 4 Измерение объема жидкости



Рис. 5 Образцы натертого мыла



Рис. 6 Измерение объема СМС



Рис. 7 Измерение объема СМС



Рис. 8 Измерение массы мыла


Таблица 1. Жидкие моющие средства для мытья посуды.

Название средства

Примерная цена за 500мл, руб.

Объемная доля средства в растворе, %

Масса жидкости M, г

Коэффициент σ, мН/м

Чистая вода

-

-

1,07

75,898

Sorti

25

50

0,60

42,559

Прогресс

12

50

0,92

62,258

AOS

40

50

0,84

59,583

Fairy

50

50

0,52

36,885



Таблица 2. Мыло туалетное и хозяйственное

Название средства

Примерная цена, руб.


Массовая доля средства в растворе, %

Масса жидкости M, г

Коэффициент σ, мН/м

Luksia

18

4

1,00

70,932

Дивный сад

12

4

0,97

68,804

Duru

15

4

0,70

49,653

Хозяйственное «Аист» 72%

10

4

0,93

65,967

Хозяйственное «Финист» 72%

12,5

4

0,62

43,978

Хозяйственное «Меридиан» 72%

8,5

4

0,69

48,943




Диаграмма 1. Цена средств для мытья посуды, руб.





Диаграмма 2. Коэффициент поверхностного натяжения растворов средств для мытья посуды, мН/м



Диаграмма 3. Цена мыла, руб.




Диаграмма 4. Коэффициент поверхностного натяжения растворов мыла, мН/м