Физика и химия мыльного пузыря

Размещено на http://www.allbest.ru/

Физика и химия мыльного пузыря

Автор: ученик 7 «В» ГБОУ СОШ 1223,

Вайсберг Григорий Александрович

Руководители: учитель физики ГБОУ СОШ 1223,

Самохвалова А.Н.

Введение

Думаю, что не ошибусь, если скажу, что в детстве все пускали мыльные пузыри. Даже когда моешь руки, трудно удержаться и не растянуть переливающуюся поверхность. Пускать мыльные пузыри - дело это не хитрое. Стоит один раз показать ребёнку, что надо делать и вот уже малыш сам может почувствовать себя волшебником. В детстве мы все просили родителей купить нам тюбики с раствором для мыльных пузырей. Но как же я расстраивался, когда раствор заканчивался или случайно проливался, когда я бежал за красивым переливчатым пузырём. В детстве, мама научила меня выдувать пузыри из мыльной пены на руках, но они не отрывались от рук, а сразу лопались. Мне уже тогда захотелось придумать такой мыльный раствор, который можно было бы сделать самому в любое время, когда захочется.

Мне было интересно, почему пузыри получаются разного размера? Почему одни пузыри лопаются, а другие долго летают? Почему некоторые летят вверх, а некоторые, упав на поверхность, не лопаются? Но ответы на эти вопросы долго оставались для меня загадкой. Начав изучать физику, я понял, что строение, жизнь и движение пузырей подчиняются законам такой науки, как физика, а раствор для мыльных пузырей можно исследовать с помощью химических экспериментов.

«Выдуйте мыльный пузырь, - писал великий английский ученый Кельвин, - смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики». Ну, что же, отличный объект для исследования, я обратился к моей учительнице физики, Антонина Николаевна, сказала, что с удовольствием поможет мне в изучении физических законов, влияющих на жизнь мыльного пузыря. А ещё случай свёл меня с замечательным человеком, руководителем химической лаборатории центра «Полигон». Владимир Юрьевич согласился помочь мне в изучении химического состава раствора и проведении химических экспериментов.

Итак, объект моего исследования - это законы физики и химии, имеющие отношение к появлению, жизни и гибели мыльного пузыря.

Предметом исследования стали изготовленные составы растворов и выдуваемые из них мыльные пузыри.

Цель работы: Изучить явление образования мыльных пузырей и факторы, влияющие на их поведение. Опытным путём найти оптимальный состав для изготовления мыльных пузырей, в домашних условиях.

Проблема исследования: В момент жизни, когда хочется попускать мыльные пузыри, не всегда есть возможность их купить. Гипотеза: В домашних условиях можно приготовить большой объём раствора мыльных пузырей, соответствующий покупному по качеству, но его цена будет ниже.

Задачи Проекта
Химия	Физика
Провести опыты с разными составами раствора мыльных пузырей, для получения оптимального результата.	Выяснить, почему пузыри всегда принимают форму сферы
	Узнать от чего зависит цвет мыльный пузырь
	Изучить зависимость свойства м.п. в разных погодных условиях
	Изучить движение мыльного пузыря
	Узнать, почему и как лопается мыльный пузырь

В работе были использованы методы исследований: теоретический анализ и синтез литературы, моделирование, эксперимент, наблюдение, обобщение опыта и объяснение причин увиденных явлений.

Как же они появляются и что же это такое - «мыльный пузырь»? Можно ли дома самому приготовить состав для мыльных пузырей и что для этого нужно? Бывают ли гигантские мыльные пузыри, кто и как их создает? На все эти вопросы я попытался ответить в ходе моего исследования.

1. Основная часть

1.1 История изучения и применения свойств мыльного пузыря

Изучая информацию в интернете, я понял, что современные исследования учеников по тайнам мыльного пузыря основаны на книге английского физика Бойза «Мыльные пузыри. Их цвет и силы, придающие им форму». Бойз писал о мыльных пузырях, как о чудесном объекте для наблюдения и экспериментов. Этот физик-экспериментатор доказал, что силы, которые придают форму пузырю, присутствуют во всех жидкостях. Без этих сил, встречающихся на каждом шагу, «не обходится заваривание чая, они помогают закрыть протекающий кран на кухне, о них помнят, когда хотят нырнуть в воду. Бельгийский физик Жозеф Плато экспериментально установил в XIX веке правила, которым подчиняются пузыри присоединении, а в 1976 году их математически доказал Жаном Тейлор. » [6]

«Сейчас невозможно сказать, когда люди впервые обратили своё внимание на свойства мыльных пузырей. Во время раскопок древнего города Помпеи археологи обратили своё внимание на изображенных на фресках древних жителей этого города надувающих мыльные пузыри. Видимо, уже тогда у людей появился интерес к необычным свойствам этих необычных созданий и заинтриговал их своей переливчатостью радужный окрас пузырей»[9].

Ученые физики проводили разные опыты, изучая поведение мыльных пузырей в различных условиях. За все время выдано несколько тысяч патентов, где так или иначе принимали участия мыльные пузыри.

«Так, например, при замораживании мыльного пузыря было сделано множество полезных наблюдений, на основе которых сейчас широко применяется технология заморозки клеток, органов для пересадки и целых живых организмов. Моделирование поведения биологических субстанций при минусовых температурах, на основе мыльного пузыря, помогло в криоконсервации при изучении проблемы бессмертия.

Во все времена интерес людей ко всему необычному использовался в шоу бизнесе, где демонстрировались чудеса обращения с мыльными пузырями. В ходе этих шоу программ артисты виртуозно манипулировали несколькими десятками пузырей, создавали самые причудливые конструкции, помещали в мыльную оболочку различные предметы, животных, людей. А вот создание гигантских мыльных пузырей, даже стало своего рода соревнованием. В знаменитой книге рекордов Гиннеса целый раздел посвящен подобным достижениям.1996 г. -- Алан Маккей пустил мыльный пузырь длиной 32 м; 1997 г. -- Фэн Янг соорудил самую большую в мире стену из мыльных пузырей высотой около 48 м и площадью 370 кв. м; 2007 г. -- Сэм Хист разместил в мыльном пузыре высотой 1,5 м и шириной 3,3 м 50 человек»[7].

1.2 Исследование физических свойств мыльного пузыря

Мыльный пузырь -- это тонкая пленка мыльной воды, которая формирует шар с переливчатой поверхностью.

Пленка пузыря состоит из тонкого слоя воды, заключенного между двумя слоями молекул, чаще всего мыла.

«Плёнка мыльного пузыря представляет собой одну из самых тонких материй, которые можно увидеть невооружённым глазом. «Тонкий, как волос», «тонкий, как папиросная бумага» - это огромный размер толщины рядом с толщиной стенки мыльного пузыря, которая в 5000 раз тоньше волоса и папиросной бумаги».[3]

Поверхностное натяжение и форма мыльного пузыря

В чем же секрет мыльных пузырей? « В мыльном пузыре обнаруживается то самое явление, которое создает «кожу» у воды. Только состав раствора для пузырей подбирается так, чтобы пленка была более прочной и упругой. Эта пленка на поверхности жидкости всегда натянута. Поэтому и явление называют поверхностным натяжением.

Можно провести лёгкий эксперимент, чтобы лишний раз убедиться в упругости поверхностной пленки. Проволочное кольцо надо окунуть в мыльный раствор, мы увидим, что на нем образуется мыльная пленка. Сворачиваем из кусочка нитки петельку, смачиваем ее мыльным раствором и аккуратно кладем ее на пленку. Петелька ляжет, как легла, неровно, и неаккуратно. А если прикоснуться каким либо предметом к мыльной пленке внутри петельки, она растянется. Внутри петли мыльная пленка лопнет, а та, что осталась снаружи, растянет нитку в красивое кольцо. Это кольцо будет растягиваться натяжением мыльной пленки, оставшейся между краем петли и мыльным кольцом».[5]

Происходит так, потому что в состав оболочки пузыря, кроме воды, входит мыло и глицерин. Мыло уменьшает поверхностное натяжение воды, а глицерин - уплотняет ее. Это позволяет получить очень тонкую стенку мыльного пузыря. Она легко растягивается, но не рвется. Она довольно прочная, учитывая ее толщину. Стенка мыльного пузыря входит в число тех немногих микроскопических объектов, которые можно увидеть невооруженным глазом.

Почему же пузырь круглый?

Ответ можно найти, изучив закон поверхностного натяжения. Он заключается в том, что силы поверхностного натяжения стремятся придать мыльному пузырю максимально компактную форму.

Поверхностным натяжением называют способность жидкости сокращать свою поверхность до минимально возможной плотности.

«Самая компактная форма в природе -- это сфера. При сферообразной форме воздух внутри пузыря равномерно давит на все участки его внутренней стенки (до тех пор, пока пузырь не лопнет). Плёнка мыльного пузыря всегда стремится минимизировать свою площадь поверхности. Это связано с тем, что свободная энергия жидкой плёнки пропорциональна площади её поверхности и стремится к достижению минимума»[3].

В сильный дождь можно увидеть водные пузыри на лужах, водные пузыри бывают, когда в кастрюле кипит вода или бульон.

Пузырь существует потому, что закон поверхностного натяжения делает поведение поверхности воды похожим на поведение чего-нибудь пластичного. Но пузырь, сделанный только из воды, нестабилен и быстро лопается. Для того чтобы стабилизировать его состояние, в воде растворяют какие-нибудь поверхностно-активные вещества (ПАВы), например, мыло которое уменьшает поверхностное натяжение примерно до трети от поверхностного натяжения чистой воды.

«Повемрхностно-актимвные веществам (ПАВ) -- химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела термодинамических фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения.

Основной количественной характеристикой ПАВ является поверхностная активность -- способность вещества снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз -- это производная поверхностного натяжения по концентрации ПАВ при стремлении С к нулю». [3]

Когда мыльная плёнка растягивается, концентрация молекул мыла на поверхности пузыря уменьшается, увеличивая при этом поверхностное натяжение. Таким образом, мыло усиливает слабые участки пузыря, сдерживая и не давая им растягиваться дальше. К тому же, мыло предохраняет воду от испарения, тем самым делая время жизни пузыря еще больше.

Силы натяжения формируют сферу потому, что сфера имеет наименьшую площадь поверхности при данном объёме. Сферическая форма пузыря может быть сильно искажена потоками воздуха, самим процессом надувания пузыря или формой рамки, через которую пузырь формируется (создание цилиндра между двух рамок). Однако, если оставить пузырь плавать в спокойном воздухе, его форма очень скоро вновь станет почти сферической.

«Изучение свойств и условий существования мыльного пузыря получило своё продолжение в решении проблемы минимальной поверхности, сложной математической задачи. Эта задача была названа теорией двойного пузыря. С 1884 года было известно, что мыльный пузырь имеет минимальную площадь поверхности при заданном объёме, но только в 2000 году было доказано, что два объединённых пузыря также имеют минимальную площадь поверхности при заданном объединённом объёме. Решение этой задачи и было названо теоремой двойного пузыря.

В случае соединения двух пузырей, они принимают форму с наименьшей возможной площадью поверхности. Их общая стенка будет выпячиваться внутрь большого пузыря, так как меньший пузырь имеет большее внутреннее давление. В случае, если пузыри будут одинакового размера, то их общая стенка станет плоской».[4]

Правила, которым подчиняются пузыри при соединении, были экспериментально установлены в XIX веке бельгийским физиком Жозефом Плато и доказаны математически в 1976 г. Жаном Тейлором.

«Если пузырей больше чем три, они будут располагаться так, что возле одного края могут соединяться только три стенки, при этом углы между ними будут равны 120°, в силу равенства поверхностного натяжения для каждой соприкасающейся поверхности. Линии соединения поверхностей пересекаются в одной точке по четыре штуки, причём угол между любыми двумя равен ?109,47°.

Пузыри, не подчиняющиеся этим правилам, в принципе могут образовываться, однако будут сильно неустойчивыми и быстро примут правильную форму либо разрушатся. Пчёлы, которые стремятся уменьшить расход воска, соединяют соты в ульях также под углом 120°, формируя, тем самым, правильные шестиугольники».[4]

1.3 Интерференция и отражение

Красота мыльных пузырей проявляется в переливах света на их поверхности. Когда надуваешь пузырь, видно движение цветных волн по его поверхности. Они создают неповторимую живую радужную окраску, которой трудно не любоваться. Откуда берется такая красота в простом «водном» пузыре?

Известно, что свет имеет волновую природу. Как волны в пруду, отраженные от берега, накладываются друг на друга и создают картинку из волн, так и свет - накладываясь друг на друга, его отраженные лучи дают в результате разный цвет. Но и это еще не все!

Переливчатые «радужные» цвета мыльных пузырей получаются за счёт интерференции световых волн и определяются толщиной мыльной плёнки.

«Интерференция -- изменение в характере звуковых, тепловых, световых и электрических явлений, объясняемое колебательным движением: в первом случае частиц звучащего тела, в остальных трех -- колебанием.

Интерференция света -- частный случай интерференции для видимой области электромагнитного спектра».[1] Это наложение друг на друга световых волн разной длины, т.е. разного цвета. При этом в местах, где эти волны усиливают друг друга, получается конкретный цвет.

«При прохождении света сквозь плёнку пузыря, часть его отражается от внешней поверхности, в то время как другая часть проникает внутрь плёнки и отражается от внутренней поверхности. Наблюдаемый в отражении цвет излучения определяется интерференцией этих двух отражений. Поскольку каждый проход света через плёнку пузыря создает сдвиг по фазе пропорциональный толщине плёнки и обратно пропорциональный длине волны, результат интерференции зависит от двух величин. Отражаясь, некоторые волны складываются в фазе, а другие в противофазе, и в результате белый свет, являясь сложным и состоящим из волн разной длины, сталкиваясь с плёнкой, отражается с оттенком, зависящим от толщины плёнки.

Пузырь меняет цвет или как нам кажется «переливается» из-за того, что плёнка становится тоньше при испарении воды. Более толстая плёнка убирает из белого света красный компонент, делая тем самым оттенок отражённого света сине-зелёным. Более тонкая плёнка убирает жёлтый (оставляя синий свет), затем зелёный (оставляя пурпурный), и затем синий (оставляя золотисто-жёлтый). В результате, стенка пузыря становится тоньше, чем длина волны видимого света, все отражающиеся волны видимого света складываются в противофазе и мы перестаем видеть отражение совсем (на тёмном фоне эта часть пузыря выглядит «чёрным пятном»). Когда это происходит, толщина стенки мыльного пузыря становится меньше 25 нанометров, и значит пузырь скоро лопнет.

Эффект интерференции также зависит от угла, с которым луч света сталкивается с плёнкой пузыря. Таким образом, даже если бы толщина стенки была везде одинаковой, мы бы всё равно наблюдали различные цвета из-за движения пузыря. Но толщина пузыря постоянно меняется из-за гравитации, которая стягивает жидкость в нижнюю часть так, что обычно мы можем наблюдать полосы различного цвета, которые движутся сверху вниз».[10]

Все названные причины создают постоянно движущиеся цветные волны, которыми можно было бы долго любоваться, не будь они так скоротечны, ведь жизнь мыльного пузыря очень коротка.

Итак, наш пузырь кажется нам разноцветным и радужным из-за физического явления -- интерференции. Солнечные лучи преломляются и переливаются разными цветами радуги в зависимости от длины световых волн, угла преломления (шар постоянно движется) и толщины стенок пузыря. «Когда будете наблюдать за мыльными пузырями в следующий раз, вспомните, что видите не сам пузырь, а красивейшие световые эффекты в нем, ведь сам пузырь теоретически увидеть невозможно! Если только у вас нет микроскопа с увеличением в 40000 раз…»[9]

1.4 Зависимость свойств мыльных пузырей от температуры воздуха

Одно из разочарований детства - это сложность в пускании мыльных пузырей зимой. На морозе пузыри почти сразу переставали выдуваться. Но если раствор держать в тепле, и выдуть пузырь на сильном морозе -20°C ,-25°C сразу же в разных точках поверхности пузыря возникают мелкие кристаллики, которые быстро разрастаются и, наконец, сливаются в единую картину, по красоте, не уступающей морозным рисункам на окне.

Помня об этом, я решил узнать, почему так происходит и при каких условиях. Одним довольно интересным фактом является то, что мыльный пузырь можно заморозить. И при этом он не разобьется, опустившись на землю, а станет пластичным, и если на него слегка надавить, то на нем появятся вмятины - видимые следы деформации. Пузыри, надутые при такой температуре, всегда будут небольшими, так как они будут быстро замерзать, и если продолжать их надувать, то они лопнут. Замерзает мыльный пузырь при температуре около -12 °С. Происходит это из-за того, что вода, входящая в состав мыльного пузыря быстро замерзает на сильном морозе и можно наблюдать образование кристаллов льда. Т.е. мыльный пузырь кристаллизируется, получается хрупкий шар.

«Итак, если при низкой температуре надуть мыльный пузырь тёплым воздухом, то он замёрзнет почти в идеальной сферической форме, но по мере того, как воздух будет охлаждаться и уменьшаться в объёме, пузырь может частично разрушиться, и его форма будет искажена».[9]

Хорошо, что для проведения эксперимента мне пришлось вновь пускать мыльные пузыри зимой. Вновь на моих глазах произошло чудо - мыльный пузырь предстал перед моим взором во всей своей красе, мне, даже, удалось подержать его в руках, почувствовав его форму. Необходимым условием выдувания «рождественских» мыльных пузырей является отсутствие ветра.

1.5 Движение пузыря в воздухе

Итак, я выдуваю мыльный пузырь, отделяю его от трубки. Пузырь сначала поднимется немного вверх и только потом, переливаясь всеми цветами радуги, начинает опускаться. Почему же пузырь сначала поднялся?

Произошло это потому, что начало действовать физическое явление, когда более лёгкое вещество всплывает над более тяжёлым. Оказывается, более тёплый выдыхаемый в пузырь воздух, имеет меньшую плотность, т.к. там молекулы движутся быстрее и им нужно больше пространства. А раз воздух в пузыре менее плотный, значит он легче окружающего его воздуха, вот он и взлетает. По этому закону в природе происходит движение атмосферных слоёв, подпадая под понятие конвекции.

При естественной конвекции в природе, нижние слои атмосферы нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова до наступления некоторого равновесия.

Мыльный пузырь наполнился горячим дыханием. Теплый воздух в пузыре был легче воздуха в комнате. Но потом он остыл, и пузырь опустился. Особенно это явление стало хорошо заметно при пускании пузырей на улице в морозную погоду.

Красивый опыт с летающим пузырем мы сделали в стеклянной банке. На дно банки насыпали соду и налили раствор соляной кислоты. Попав на соду, раствор зашипел, забурлил, запузырился. Когда кипение в чашечке закончилось, воздух в банке стал спокойным. Проверить наличие углекислого газа, можно поднеся зажженную спичку. Она сразу потухла и мы попытались выдуть пузыри внутрь банки. Дело это оказалось сложным, пузыри никак не хотели лететь внутрь, видимо, газ сразу выталкивал пузыри обратно.

Тогда мы взяли сосуд с широким горлышком и повторили эксперимент. Нам удалось выдуть пузырь внутрь, и он начал летать внутри! Один, даже, завис на какое-то время и висел неподвижно.

Почему так происходит?

Секрет в том, что при действии соляной кислоты на соду получается углекислый газ. Он бесцветен, как воздух, но тяжелее по весу и поэтому оседает на дно банки. А пузырь наполнен воздухом, он легче! Вот поэтому он и всплывает. Но постепенно углекислый газ проходит внутрь пузыря сквозь тоненькую его оболочку. И тогда пузырь тонет или лопается.

Как и почему взрывается мыльный пузырь?

Задумывались ли вы над тем, как это происходит? Нам кажется, что это мгновенное действие. К процессу исчезновения пузырей можно отнести слова Винни-Пуха про мёд: «Мёд если есть, то его сразу нет». Вот так и мыльный пузырь только что есть и вот он исчез в воздухе. Но знаете ли вы, что действие это направленное, а не хаотичное? Ученые подсчитали, что лопается мыльный пузырь за одну тысячную долю секунды, потому для того, чтоб увидеть это чудо им понадобилась камера способная снимать до 5000 кадров в секунду.

«Фотографу из Великобритании Ричарду Хиксу удалось получить очень красивые снимки этого процесса. Помощницей Хикса стала его жена Сара. Именно она выдула и затем лопнула этот замечательный пузырь.

Госпожа Хикс пальцем нарушила поверхностное натяжение пузыря, и он лопнул. А в это время Ричардс с макро-камерой проводил съемку. Вот результат:

На замедленной пленке было видно, что как только целостность мыльного пузыря нарушалась, его оболочка постепенно начинала разрушаться с места повреждения и далее по всей окружности»[5].

Я попытался повторить этот опыт с моей домашней камерой, результат оказался не такой наглядный, видимо, для этих снимков нужен фотоаппарат с очень большой выдержкой.

«Следует отметить еще, что обычные представления о недолговечности мыльных пузырей не вполне правильны: при надлежащем обращении удается сохранить мыльный пузырь в продолжение нескольких месяцев. Английский исследователь Джеймс Дюар (прославившийся своими работами по сжижению воздуха), первым развеял существовавший долгое время миф о недолговечности жизни мыльного пузыря. Он проводил опыты по консервации мыльного пузыря в изобретенном им сосуде с двойными стенками, хорошо защищенных от пыли, высыхания и сотрясения воздуха, так ему удалось сохранять пузыри больше месяца.

Позже это изобретение легло в основу колб для термосов, емкостей для перевозки жидких газов и многих других полезных приспособлений».[5]

1.5 Любопытная особенность поведения мыльных пузырей

Как говорится, голыми руками мыльный пузырь не возьмёшь.

Когда пузырь упал на мой мохнатый тапок, мне удалось его подбросить. Удалось даже поиграть мыльным пузырём, подкинув его несколько раз. А когда я стал пускать пузыри на ковёр с длинным ворсом, то с мыльными пузырями удалось поиграть по-другому: они катались от лёгкого дуновения.

В чём причина того, что на ворсистой поверхности мыльный пузырь не расплющивается, как на гладкой поверхности и может даже пружинить на ней как мячик?

Пузыри лопаются в двух случаях - когда плёнка касается чего-то сухого (например, поверхности) или высыхает сама (со временем). На ворсистых поверхностях (коврах и т.п.) всегда есть некоторый электростатический заряд. Мыльные пузыри очень лёгкие, поэтому возникающего (хоть и очень слабого) электростатического разряда между пузырём и поверхностью, хватает для того, чтобы пузырь на неё не опускался. Поскольку пузырь не успевает коснуться ворсистой поверхности из-за действия сил электростатического отталкивания, то он и не лопается.

2. Химические исследования раствора мыльных пузырей

2.1 Состав раствора мыльных пузырей

Взявшись за поиски состава раствора для мыльных пузырей. Я заметил, что производители, которые научились делать раствор для выдувания удивительных по размеру и прочности мыльных пузырей не спешат разглашать свои секреты. Ни на одной этикетке я не нашёл состава мыльных пузырей. Всё, что готовы раскрыть производители умещается во фразах «специальный мыльный раствор» или « «в состав входят высококачественные безвредные компоненты» Поэтому, я решил создать раствор для мыльных пузырей самостоятельно. Я хочу из многочисленных составов растворов, найденных в интернете, выявить самый лучший, чтобы из раствора получались долго летающие мыльные пузыри больших размеров.

2.2 Изучение химического состава раствора мыльного пузыря

Осуществив поиск разных составов раствора мыльных пузырей в интернете, я обратился к моему руководителю по химическому направлению исследования Владимиру Юрьевичу с просьбой помочь мне в изучении свойств состава мыльного раствора. А дальше произошла удивительная вещь. Вместо скучного изучения теории по учебникам химии, Владимир Юрьевич провёл для меня удивительный урок в незнакомый ещё мне мир химии. Я узнал об удивительных свойствах разных веществ, провёл настоящий химический опыт и сам собрал модель атома глицерина.

Итак, первое с чего началось знакомство с миром химии, это строение веществ и схематичное изображение молекулы вещества.

Мы определили, что основными компонентами всех найденных растворов являются вода, глицерин и мыло (шампунь или моющее средство).

С водой мы разобрались довольно легко, её формула оказалась известна и мне, хоть у меня ещё и не было уроков химии.

Итак, формула воды Н2О, т.е. состоит молекула воды из двух атомов кислорода и атома водорода. Глицерин - это вид спирта, он используется в косметических средствах как смягчающее и успокаивающее средство. Добавляется в зубные пасты, клеи и кондитерские изделия для предотвращения их высыхания.

Молекула глицерина оказалась сложнее.

«Одним из важных свойств мыльных растворов является их способность понижать поверхностное натяжение на границе с жирами, твердыми телами, воздухом и другими, не смешивающимися с водой веществами. По этому признаку раствор мыла в воде относят к поверхностно-активным веществам. Чем выше поверхностная активность водных растворов мыла, тем больше они понижают натяжение в поверхностном слое, тем выше моющее действие мыла.

Молекула мыла состоит из двух неравных частей -- полярной и неполярной. При растворении в воде мыло своей полярной группой погружается в водный раствор, в то время как неполярная углеводородная группа из воды выталкивается. Если в водный раствор мыла попадает капелька жира, масла или другого неполярного вещества, то углеводородная часть растворится в нем, в то время как карбоксил застревает в воде.

Таким образом, мыло связывает водный раствор с нерастворимыми в нем жировыми и жироподобными веществами. Это можно себе представить так, что молекула мыла является булавкой, шляпка которой находится в водном растворе, а острие -- в капельке масла. Так как в растворе находится большое количество молекул мыла, то они образуют вокруг капельки жира сплошной «частокол» в виде довольно прочной упругой пленки, удерживающей капельку в водном растворе. Схематично этот процесс показан на рисунке»

«Глицерин добавляют для увеличения полярности длинных молекул растворителя, один из концов которых (гидрофильный) любит воду, а другой (гидрофобный) предпочитает жир. В результате в двойной мыльной пленке все водолюбивые хвосты молекулы мыла ориентированы внутрь пленки, водоотталкивающие -- наружу.

Собственно, по этой причине мыло и удаляет грязь -- остатки органического и неорганического происхождения. Молекулы мыла со всех сторон облепляют частицы грязи гидрофобными хвостами внутрь, образуя так называемую мицеллу -- растворимую в воде оболочку вокруг нерастворимого кусочка грязи. Избыток соли в растворе нарушает образование мицелл. Вот почему невозможно качественно помыться в морской воде, и пузыри из соленой воды не получаются».[3]

Пришло время провести эксперимент и найти самый лучший состав для получения желаемого результата.

Получается, что в таком простом мыльном деле есть немало хитростей. Конечно, почти всё зависит от состава раствора мыльных пузырей.

2.3 Поиск и классификация составов раствора мыльных пузырей

Для подбора разных составов раствора для мыльных пузырей я использовал поисковую систему Интернета. На разных сайтах предлагались разные варианты растворов. На некоторых можно было узнать об исследованиях, проводимых учениками. Тогда можно было взять для исследования лучший, по их мнению, раствор.

Многие растворы были записаны в виде соотношения частей, многие виде натурального измерения частей состава в мл. Собрав большую коллекцию предлагаемых вариантов, я перевёл все найденные составы в соотношение частей. После этого стало понятно, что многие растворы одинаковы по соотношению. После сортировки я отобрал 6 разных составов.

Таблица 1 Изучение составов растворов

Номер раствора	Глицерин	Шампунь	Вода
1	1	3	16
2	1	3	8
3	1	1	4
4	1	2	6
5	1	2	16
6	1	2 (Fairy)	6

Сравнение показателей растворов, таблица результатов эксперимента

Исследование началось! Суть эксперимента:

Были подготовленные отобранные составы, с соблюдением соотношения частей растворов. Каждый состав был разведён в свой стакан, которые были пронумерованы.

Эксперимент состоял из трёх этапов:

1) Пузыри всех составов проверялись на продолжительность жизни. Из каждого состава выдувался 1 пузырь и засекалось время до его лопанья.

Первый этап эксперимента показал, что самый живучий пузырь был получен из растворов номер пять и шесть.

2) Пузыри всех составов проверялись на размер. Для этого каждый состав проверялся несколько раз.

Второй этап выделил лидерами второй и шестой номер.

3) Составы проверялись на возможное количество выдуваемых пузырей.

На третьем этапе победителями стали составы номер два и шесть.

Победителем эксперимента стал раствор под номером шесть, отличительной особенностью которого стало использование моющего средства Fairy. Состав победителя: 1 часть глицерина, 2 части Fairy, 6 частей воды.

Таблица 2 Изучение результатов экспериментов

Номер раствора	Время (мин)	Размер (см)	Количество
1	3	15	1-2
2	1	20	6-10
3	2	10	4-6
4	4	15	2-3
5	5	12	2-5
6	5	20	5-10
Покупной	5	18	14-20

Эксперимент «гигантские пузыри»

После этого я сравнил раствор-победитель с его покупным аналогам. Вывод: в тех же экспериментах растворы продемонстрировали очень похожие результаты.

Просматривая ассортимент предлагаемых на рынке растворов мыльных пузырей, я обратил внимание, что некоторые из них стоят намного дороже и особенностью их является возможность выдувания огромных пузырей. Мне стало интересно, а способен ли мой победитель посоревноваться с более дорогим раствором.

Для этого мне пришлось уговорить маму потратиться на дорогой раствор, но чего не сделаешь ради науки! И я приступил ко второй части эксперимента. Его сутью стало сравнение размеров гигантских пузырей, выдуваемых из моего раствора победителя и из покупного раствора для гигантских пузырей.

Эксперимент удался!

Мой раствор оказался не хуже покупного в показателе выдувания гигантских пузырей. Мой раствор позволял выдувать пузыри размером больше меня.

Стало не понятно, в чём же причина такого удорожания. Конечно, этот размер требует большого количества раствора, поэтому он продаётся большим объёмом. Но если соотнести цену к такому же объёму как у маленькой тары, то цена всё равно будет выше.

Стоимость стандартных 60мл колеблется между 20 и 25 рублями. Стоимость литровой бутылки раствора для гигантских пузырей составляет 200 рублей. мыльный пузырь раствор химический

Вполне возможно, что в этот раствор и добавляются какие-то химические секретные добавки. Но так ли они дороги и как много их добавляется в раствор? Думаю, что здесь играет большую роль «загадочность» и реклама гигантизма. Это дополнительная промо-акция о том, что существует ещё и «особый» раствор. Стоимость 1 литра моего раствора-победителя составляет примерно 75 рублей.



Т.к. пропорция состава - это соотношение 1:2:6, за одну часть берём 120мл жидкостей, значит для 1 литра раствора необходимо 120 мл глицерина, 240мл средства Fairy и 720мл воды.

Получается: 3 пузырька глицерина стоимостью 16 рублей = 48 рублей, 240 мл средства Fairy стоимостью 25 рублей. Стоимость воды для меня равна нулю. Данный состав стоит 73 рубля.

Таким образом, мой раствор, полученный в домашних условиях можно использовать и для домашнего шоу мыльных пузырей, единственным препятствием для этого может стать только размер пространства, не позволяющий развернуться во всю мощь для активных участников шоу.

Заключение

Итак, пришло время подвести итоги проделанной работы. Прежде всего, хочу поблагодарить руководителей моей работы Антонину Николаевну и Владимира Юрьевича. Без их помощи я бы не смог понять многих моментов в изучении физико-химических процессов, связанных с возникновением и жизнью мыльного пузыря. Кроме того, я узнал много новых научных законов, действующих в нашей жизни, буквально на каждом шагу.

Благодаря помощи руководителей моей работы достигнута цель проекта: Опытным путём найден оптимальный состав раствора для изготовления мыльных пузырей в домашних условиях. Изучено явление образования мыльных пузырей и факторы, влияющие на их поведение.

Запланированные задачи по реализации проекта выполнены в полном объёме:

1) Проведены опыты с разными составами раствора мыльных пузырей и получен оптимальный состав в лаборатории центра «Полигон»

2) Изучено изменение свойств мыльного пузыря при разной температуре воздуха

3) Для изучения действия законов физики, применимых к жизни мыльного пузыря, я посетил музей «Экспериментаниум»

4) Выяснено, как лопается мыльный пузырь, а так же от чего зависит цвет мыльного пузыря.

Проводя исследование физико-химических свойств мыльного пузыря я, с одной стороны, вернулся в детство и развлёкся, пуская мыльные пузыри, а с другой, окунулся в мир научных исследований. Сейчас подводя итоги, точно могу сказать, что научная работа хоть и намного сложнее, но всё-таки интереснее и, конечно, результативнее простого выдувания пузырей.

Мама с сестрой готовы поспорить со мной по этому вопросу, они говорят, что простое выдувание пузырей тоже имеет свой результат. Он может быть не так заметен, но подарить другому человеку или даже себе хорошее настроение очень важное дело, а ещё глядя на летящие мыльные пузыри можно пофилософствовать о скоротечности жизни или пофантазировать о полёте вместе с переливающимся чудом. Я не буду с ними спорить, оставлю за женщинами право на фантазии о переливающемся чуде. Сам же я с удовольствием погружусь в новое научное исследование.

Пуская мыльные пузыри, имеешь дело с очень интересным физическим объектом, изучая свойства которого, лучше узнаёшь законы мира, в котором мы живём. При проведении исследования знакомство с силой поверхностного натяжения определило следующее направление моего исследования. Перспективу работы я вижу в более углублённом изучении закона действия силы поверхностного натяжения, его актуальности использования во многих практических технологиях.

Спасибо за изучение работы!

Список использованных источников

1. Учебник физики 10 класс, Л.И. Анциферов, Москва 2002г, гл. 30, «Свойства жидкостей», с. 305.

2. Физика «Справочные материалы», О.Ф. Кабардин, Москва, изд. «Просвещение», 1988г, раздел 2, «Молекулярная физика», с.83.

Размещено на Allbest.ru