Исследование коэффициента поверхностного натяжения моющих средств

Размещено на http://www.allbest.ru/

МАОУ «Нежинский лицей Оренбургского района»

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПРОЕКТ

ИССЛЕДОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ МОЮЩИХ СРЕДСТВ

Выполнил: Баловнев Николай Валерьевич

Руководитель: Борцова Зинаида Алексеевна

Нежинка

2015



Содержание

Введение

1. Межмолекулярные силы

1.1 Поверхностное натяжение

1.2 Метод пузырька

1.3 Метод проволочной рамки

1.4 Метод капли

1.5 Опыт «Пробирка»

1.6 Опыт «Плато»

1.7 Роль поверхностного натяжения в жизни

2. Практическая часть

Заключение

Литература

физический поверхностный натяжение межмолекулярный



Введение

Такие силы, как тяготение, упругость и трение, бросаются в глаза; мы ощущаем их непосредственно каждый день. Но в окружающем нас мире повседневных явлений действует еще одна сила, на которую мы обычно не обращаем никакого внимания. Сила эта сравнительно невелика, ее действия никогда не вызывают мощных эффектов. Она даже в последнее время исключена из программ приемных экзаменов для поступающих в вузы. Тем не менее, мы не можем налить воды в стакан, вообще ничего не можем проделать с какой-либо жидкостью без того, чтобы не привести в действие силы, о которых у нас сейчас пойдет речь. Это силы поверхностного натяжения.

Сила поверхностного натяжения - это сила, обусловленная взаимным притяжением молекул жидкости, направленная по касательной к ее поверхности.

Действие сил поверхностного натяжения приводит к тому, что жидкость в равновесии имеет минимально возможную площадь поверхности. При контакте жидкости с другими телами жидкость имеет поверхность, соответствующую минимуму ее поверхностной энергии.

Силы «слабого» взаимодействия играют большую роль в жизни растений и организмов, а также применяются человеком в технике и производстве.

Примерами явлений основанных на «слабом» взаимодействии являются поверхностное натяжение воды, смачивание и не смачивание жидкости, а также питание растений основано на сосудистой системе.

В настоящее время «слабое» взаимодействие находит всё более новое применение в различных областях жизни человека, поэтому мы в нашей работе рассмотрим теорию и возможности применения «слабых» сил на практике.

Актуальность темы состоит в том, что знания о природе «слабых» сил широко используются в различных областях науки и технике, медицине, повседневной жизни человека. Новые знания помогают нам заглянуть в пределы невидимого. Процесс познания природы бесконечен, но в любой своей части, любой области природы познаваем. Для её познания нужен синтез опыта с глубокой теоретической мыслью.

Объект исследования - процесс возникновения «слабых» сил.

Предмет исследования - условия проявления «слабых» сил.

Цель исследования - теоретически обосновать и экспериментально проверить проявление сил «слабого» взаимодействия.

Гипотеза - возможности применения «слабых» сил становятся благоприятными при соблюдении следующих условий:

- если изучение «слабых» сил ведется теоретически и в процессе наблюдения;

- если наблюдение ведется непрерывно.

Для достижения поставленной цели, были сформулированы следующие задачи:

- изучить научную популярную литературу по данной проблеме;

- изучить природу «слабых» сил;

- рассмотреть представление о природе «слабых» сил различных представителей науки;

- провести опыты для выявления зависимости «слабых» сил от следующих факторов: род жидкости, температуры жидкости, объёма жидкости и площади жидкости.

Для проведения исследования мы использовали следующие методы познания:

1.Общелогические методы (анализ, синтез, обобщение, классификация).

2.Научные методы эмпирического исследования (наблюдение, описание, сравнение).

3.Научные методы теоретического исследования (формализация, аксиоматизация мысли и эксперимент).



1. Межмолекулярные силы

1.1 Поверхностное натяжение

Повемрхностное натяжемние -- термодинамическая характеристика поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз, определяемая работой обратимого изотермокинетического образования единицы площади этой поверхности раздела при условии, что температура, объём системы и химические потенциалы всех компонентов в обеих фазах остаются постоянными. Понятие «поверхностное натяжение» впервые ввел Я. Сегнер (1752 год).

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.

Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует и пропорциональна длине этого участка. Сила поверхностного натяжения прямо пропорциональна длине l границы поверхностного слоя:

F_пов=О*l ,

где o-поверхностное натяжение, l-единица длины)

Коэффициент пропорциональности -- сила, приходящаяся на единицу длины контура -- называется коэффициентом поверхностного натяжения. Он измеряется в ньютонах на метр.

Но более правильно дать определение поверхностному натяжению, как энергии (Дж) на разрыв единицы поверхности (мІ). В этом случае появляется ясный физический смысл понятия поверхностного натяжения.

Энергия поверхностного слоя жидкости пропорциональна его площади S:

E_пов= О*S ,

где: o-коэффициент пропорциональности, S-площадь поверхности жидкости.

В 1983 году было доказано теоретически и подтверждено данными из справочников, что понятие поверхностного натяжения жидкости однозначно является частью понятия внутренней энергии (хотя и специфической: для симметричных молекул близких по форме к шарообразным). Приведенные в этой журнальной статье формулы позволяют для некоторых веществ теоретически рассчитывать значения поверхностного натяжения жидкости по другим физико-химическим свойствам, например, по теплоте парообразования или по внутренней энергии.

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.

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. Маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости, так как сила давления на поверхность воды меньше силы, препятствующей увеличению площади жидкости.

Некоторые насекомые (например, водомерки) способны передвигаться по воде, удерживаясь на её поверхности за счёт сил поверхностного натяжения.

На многих поверхностях, именуемых не смачиваемыми, вода (или другая жидкость) собирается в капли.

Жидкости, так же как и твердые тела, обладают большой объемной упругостью, т.е. сопротивляются изменению своего объема, но, как и газы, не обладают упругостью формы. Поверхность жидкости, соприкасающейся с другой средой, например с ее собственным паром, с какой-либо другой жидкостью или с твердым телом (в частности, со стенками сосуда, в котором она содержится), находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости.

Возникают эти особые условия потому, что молекулы пограничного слоя жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены молекулами той же жидкости не со всех сторон. Часть «соседей» поверхностных молекул - это частицы второй среды, с которой жидкость граничит. Она, эта среда, может отличаться от жидкости как природой, так и плотностью частиц. Имея же разных соседей, молекулы поверхностного слоя и взаимодействуют с ними различным образом. Поэтому силы, действующие на каждую молекулу в этом слое, оказываются неуравновешенными: существует некоторая равнодействующая сила, направленная либо в сторону объема жидкости, либо в сторону объема граничащей с ней среды. Вследствие этого перемещение молекулы из поверхностного слоя в глубь жидкости или в глубь среды, с которой она граничит, сопровождается совершением работы (внутри жидкости молекулы, со всех сторон окруженные точно такими же частицами, находятся в равновесии, и их перемещение истребует затраты работы Величина и знак этой работы зависят от соотношения между силами взаимодействия молекул поверхностного слоя со «своими» же молекулами и с молекулами второй среды.

В случае, если жидкость граничит со своим собственным паром (насыщенным), т. е. в случае, когда мы имеем дело с одним веществом, сила, испытываемая молекулами поверхностного слоя, направлена внутрь жидкости. Это объясняется тем, что плотность молекул в жидкости много больше, чем в насыщенном паре над жидкостью (вдали от критической температуры), и поэтому сила притяжения, испытываемая молекулой поверхностного слоя со стороны молекул жидкости, больше, чем со стороны молекул пара.

Отсюда следует, что, перемещаясь из поверхностного слоя внутрь жидкости, молекула совершает положительную работу. Наоборот, переход молекул из объема жидкости к поверхности сопровождается отрицательной работой, т. е. требует затраты внешней работы.

Представим себе, что по тем или иным причинам поверхность жидкости увеличивается (растягивается). Это значит, что некоторое количество молекул переходит из объема жидкости в поверхностный слой. Для этого, как мы только что видели, надо затратить внешнюю работу. Другими словами, увеличение поверхности жидкости сопровождается отрицательной работой. Наоборот, при сокращении поверхности совершается положительная работа.

1.2 Метод пузырька

«Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики», - писал великий английский физик лорд Кельвин.

В частности, мыльная пленка является прекрасным объектом для изучения поверхностного натяжения. Сила тяжести здесь практически роли не играет, так как мыльные пленки чрезвычайно тонки и их масса совершенно ничтожна. Поэтому основную роль играют силы поверхностного натяжения, благодаря которым форма пленки всегда оказывается такой, что ее площадь минимально возможная в данных условиях. Почему пленка обязательно мыльная? Все дело в структуре мыльной пленки. Мыло богато так называемыми поверхностно-активными веществами, концы длинных молекул которых по-разному относятся к воде: один конец охотно соединяется с молекулой воды, другой к воде безразличен. Поэтому мыльная пленка обладает сложной структурой: образующий ее мыльный раствор как бы «армирован» частоколом упорядоченно расположенных молекул поверхностно-активного вещества, входящего в состав мыла.

Вернемся к мыльным пузырям. Наверное, каждому доводилось не только наблюдать эти удивительно красивые творения, но и пускать их. Они сферичны по форме и долго могут свободно парить в воздухе. Давление внутри пузыря оказывается больше атмосферного. Избыточное давление обусловлено тем обстоятельством, что мыльная пленка, стремясь еще больше уменьшить свою поверхность, сдавливает воздух внутри пузыря, причем чем меньше его радиус, тем большим оказывается избыточное давление внутри пузыря.

Свободная поверхность жидкости стремится сократиться. Это можно наблюдать в случае, когда жидкость имеет форму тонкой пленки. Примером такого состояния могут служить мыльные пленки, подобные тем, которые вы получили в детстве, выдувая мыльные пузыри. Так как толщина мыльных пленок очень мала, жидкость в пленке можно рассматривать как два поверхностных слоя, не учитывая влияния молекул, находящихся между слоями. Получив мыльный пузырь от трубки, с помощью которой он был получен. Вы заметите, что пузырь уменьшается. Это свидетельствует о сокращении поверхности мыльной пленки.



1.3 Метод проволочной рамки

Возьмите проволочный четырехугольный каркас и соедините его противоположные вершины тонкой ненатянутой нитью. Опустив каркас в мыльную воду, вы заметите, что вытянутый из воды каркас затянут мыльной пленкой. Проколов пленку по одну сторону нити, вы увидите, что нить примет форму дуги. Опыт свидетельствует о том, что поверхность мыльной пленки сокращается.

Свойство поверхности жидкости сокращается можно истолковать как существование сил, стремящихся сократить эту поверхность. С помощью описанного ниже опыта можно найти способ измерения сил поверхностного натяжения. Если опустить в мыльную воду проволочный каркас, вынув его из воды, легко заметить, что верхняя часть каркаса (до упора) затянута мыльной пленкой. Если потянуть за подвижную сторону этой рамки вниз, то пленка растянется, а если подвижную сторону отпустить, то пленка сократится.

При равномерном растяжении x пленки сила F₀ совершает работу:

A=F₀ *x

Пленка, образовавшаяся на рамке, представляет собой тонкий слой жидкости и имеет две свободные поверхности.

Поверхностное натяжение измеряется силой, с которой поверхностный слой действует на единицу длины того или иного контура на свободной поверхности жидкости по касательной к этой поверхности.

1.4 Метод капли

Проще всего уловить характер сил поверхностного натяжения, наблюдая образование капли у плохо закрытого или неисправного крана. Пока капля мала, она не отрывается: ее удерживают силы поверхностного натяжения (поверхностный слой выполняет роль своеобразного мешочка). Чем больше капля, тем большую роль играет потенциальная энергия силы тяжести. Всмотритесь внимательно, как постепенно растет капля, образуется сужение - шейка, и капля отрывается.

Отрыв капли происходит в тот момент, когда ее вес становится равным равнодействующей сил поверхностного натяжения, действующих вдоль окружности шейки капли. Не нужно много фантазии, чтобы представить себе, что вода как бы заключена в эластичный мешочек, и этот мешочек разрывается, когда вес превысит его прочность.

В действительности, конечно, ничего, кроме воды, в капле нет, но сам поверхностный слой воды ведет себя как растянутая эластичная пленка.

А видели вы когда-нибудь очень большие капли?

В обычных условиях таких капель нет. И это не случайно - капли большого диаметра неустойчивы и разрываются на маленькие.

1.5 Опыт «Пробирка»

Первый взгляд на чай, налитый в чашку, подтверждает известное положение, что жидкость своей формы не имеет, а принимает форму сосуда, в который она налита. Возьмем пробирку, наполненную водой. Перевернем на книгу или открытку и будем постепенно вытаскивать открытку. Ни одна капля не пролилась, зато поверхность воды вздулась, образовав «горку». Все системы стремятся уменьшить свою энергию. Точно так же сила поверхностного натяжения стремится сократить до минимума площадь поверхности жидкости. Из всех геометрических форм шар обладает при данном объеме наименьшей поверхностью. Так что собственная форма жидкости - шар. Большое количество жидкости не может сохранить шарообразную форму; она изменяется под действием силы тяжести. Если устранить действие силы тяжести, то под действием молекулярных сил жидкость примет форму шара.

1.6 Опыт «Плато»

Если взять смесь воды и спирта и поместить в нее каплю жидкого масла, то в какой-то момент сила тяжести уравновесится силой Архимеда и образовавшийся масляный шар, свободно покоящийся в смеси. Этот шар от разлета по молекулам удерживает сила поверхностного натяжения. Устранить действие силы тяжести при изучении поверхностного натяжения жидкостей впервые догадался в середине прошлого века бельгийский ученый Ж. Плато, свой метод Плато применил для исследования различных явлений.

Рис. 1. Капля масла в водном растворе спирта

1.7 Роль поверхностного натяжения в жизни

Роль поверхностного натяжения в жизни очень разнообразна. Осторожно положите иглу на поверхность воды. Поверхностная пленка прогнется и не даст игле утонуть. По этой же причине легкие водомерки могут быстро скользить по поверхности воды, как конькобежцы по льду.

Прогиб пленки не позволит выливаться воде, осторожно налитой в достаточно частое решето. Так что можно «носить воду в решете». Это показывает, как трудно порой, даже при желании, сказать настоящую бессмыслицу. Ткань - это то же решето, образованное переплетением нитей. Поверхностное натяжение сильно затрудняет просачивание воды сквозь нее, и потому она не промокает насквозь мгновенно.

В своем стремлении сократиться поверхностная пленка придавала бы жидкости сферическую форму, если бы не тяжесть. Чем меньше капелька, тем большую роль играют поверхностные силы по сравнению с объемными (тяготением). Поэтому маленькие капельки росы близки по форме к шару. При свободном падении возникает состояние невесомости, и поэтому дождевые капли почти строго шарообразны. Слабый дождик промочил бы нас насквозь. Из-за преломления солнечных лучей в этих каплях возникает радуга. Не будь капли сферическими, не было бы, как показывает теория, и радуги.

Существуют целые виды насекомых мелких и паукообразных, передвигающихся за счет поверхностного натяжения:

1. Муравей, пытающийся напиться из капли росы. Капля «сминается», но сила поверхностного натяжения не дает насекомому проникнуть в нее языком. Это вода, которая не течет, вода, которую трудно пить.

2. Наиболее известны водомерки, которые опираются на воду кончиками лап. Сама же лапка покрыта водоотталкивающим налетом. Поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, но за счет силы поверхностного натяжения водомерка остается на поверхности.

- Без этих сил мы не могли бы писать чернилами. Обычная ручка не зачерпнула бы чернил из чернильницы, а автоматическая сразу же поставила бы большую кляксу, опорожнив весь свой резервуар;

- Нельзя было бы намылить руки: пена не образовалась бы;

- Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений;

- Пострадали бы важные функции нашего организма.

Проявления сил поверхностного натяжения столь многообразны, что даже перечислить их нет никакой возможности. Но почему возникают эти силы, мы обязаны хотя бы кратко рассказать.

Если большая группа индивидуумов наделена свойством притягивать друг друга или индивидуумы по своей воле устремляются друг к другу, то результат будет один: они соберутся в ком, подобный пчелиному рою. Каждый индивидуум «стремится» внутрь этого кома, в результате чего поверхность кома сокращается, приближаясь к сфере. Перед вами модель возникновения поверхностного натяжения.

Молекулы воды (или другой жидкости), притягиваемые друг к другу силами Ван-дер-Ваальса,- это и есть собрание индивидуумов, стремящихся сблизиться. Каждая молекула на поверхности притягивается своими собратьями и потому имеет тенденцию к погружению вглубь как в жидких, так и в твердых телах. Но жидкость, в отличие от твердых тел, текуча из-за перескоков молекул из одного «оседлого» положения в другое. Это позволяет жидкости принимать форму, при которой число молекул на поверхности было бы минимальным, а минимальную поверхность при данном объеме имеет шар. Поверхность жидкости сокращается, и мы воспринимаем это как поверхностное натяжение.

Здесь обнаруживается, что происхождение поверхностных сил совсем иное, чем упругих сил растянутой резиновой пленки. И это действительно так. При сокращении резины упругая сила ослабевает, а силы поверхностного натяжения никак не меняются по мере сокращения поверхности пленки, так как среднее расстояние между молекулами не меняется.

Таким образом, возникновение поверхностных сил нельзя объяснить столь просто и наглядно, как сил упругости, где все связано с изменением расстояний между молекулами. Здесь все сложнее, ибо силы поверхностного натяжения проявляются при сложной перестройке формы всей жидкости без изменения ее объема.

Рассмотрены методы и технические средства сбора нефтепродуктов с поверхности воды. На основе анализа, в том числе и теоретического, с учетом зарубежного опыта обоснован приоритет метода сбора нефти с поверхности небольших акваторий за счет сил поверхностного натяжения, а при аварийных разливах - приоритет метода центробежной сепарации в поле слабых сил.

Нефть и ее продукты в водах поверхностного стока могут находиться в двух состояниях. Первое состояние - эмульсионное, когда двухфазная жидкость представляет собой неоднородную систему, которая состоит из капель воды, распределенных между молекулами нефти или ее продуктов. Размер частиц в эмульсиях составляет 10-7 - 10-5 м. Второе состояние - стратифицированная жидкость, независимо от толщины нефти или ее продуктов на поверхности воды.

При эмульсионном состоянии нефти и ее продуктов в воде их выделение наиболее доступно следующими методами:

- сепарация в поле больших центробежных сил. Метод реализуется на центрифугах и характеризуется возможностью обработки лишь небольших объемов воды и высокими энергозатратами, что не позволяет использовать его при очистке вод поверхностного стока;

- фильтрование, как на напорных, так и на безнапорных фильтрах.

Рис. 2. а) скрепки на поверхности жидкости, б) водомерка на поверхности



2. Практическая часть

Цель: показать практическую значимость силы поверхностного натяжения жидкости в живой и неживой природе.

Задачи:

1)Рассмотреть раличные виды синтетических моющих средств и измерить их коэффициент поверхностного натяжения.

2)Выявить зависимость между ценой моющего средства и его коэффициента поверхностного натяжения.

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 XX века, 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.»

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.»

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.»

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/мІ, а после отстаивания -- 35 Дж/мІ . То есть поверхностное натяжение меняется. До установления равновесного оно будет динамическое.»

«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

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=m_o*g,

где m_o - масса 1 капли. C другой стороны

F= у*l,

где l-длина окружности отверстия пипетки и

l= р*D.

у*р*D=М*g/N,

где N- число капель.

Вычислить коэффициент поверхностного натяжения по формуле

у= М*g/(р*D* N) g=9,8 м/с², р=3,14, D=2,2*10^-3 м



5. Занести все результаты в таблицу.

Для опыта взяли 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 развел 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 вычислил массу 20 капель раствора. После по формуле вычислил 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, определили 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

В первой половине XIX века на основе представления о поверхностном натяжении была развита математическая теория капиллярных явлений (П. Лаплас, С. Пуасети, К. Гаусс, А. Ю. Давидов).

В XX веке разрабатывались методы регулирования поверхностного натяжения с помощью ПАВ и электрокапиллярных эффектов (И. Ленгмнор, П. А. Ребиндер, А. Н. Фрумкин).

В настоящее время существует актуальная проблема - развитие молекулярной теории поверхностного натяжения, влияние кривизны поверхности на поверхностное натяжение.

Удивительно разнообразны проявления поверхностного натяжения жидкости в природе и технике. Поверхностное натяжение играет важную роль не только в физиологии нашего организма и нас самих, но и в жизни насекомых.



Литература

1)Ковалёв П.Г. Молекулярная физика, электродинамика. - Ростов: Университетское, 1975.

2)Ахматов А.С. Молекулярная физика. - М., 1963.

3)Покровский А.А., Зворыкин Б.С. и др. Демонстрационные опыты по молекулярной физике и теплоте. - М., 1960.

4)Покровский А.А., Зворыкин Б.С. Фронтальные лабораторные занятия по физике в средней школе. - М., 1956.

5)Бакушинский В.Н. Организация лабораторных работ по физике в средней школе. - М., 1946.

6)Лабораторный практикум по физике / Под ред. Ахматова А.С. - М.: Высшая школа, 1980.

7)Агапов Б.Т., Максютин Г.В., Островерхов П.И. Лабораторный практикум по физике. - М.: Высшая школа, 1982.

8)Евграфова Н.Н., Каган В.Л. Руководство к лабораторным работам по физике. - М.: Высшая школа, 1970.

9)Лабораторные занятия по физике / Под ред. Гольдина Л.Л. - М.: Наука, 1983.

10)Беклемишев А.В. Методика и организация лабораторных занятий по физике в высшей школе. - М.: Советская наука, 1952.

11)Фетисов В.А. Лабораторные работы по физике. - М., 1961.

12)Павлов В.И. Механика, молекулярная физика. М., 1955.

13)Подгорнова И.И. Молекулярная физика в средней школе. М.: Просвещение, 1970.

14)Яковлев В.Ф. Курс физики. Теплота и молекулярная физика. - М.: Просвещение, 1976.

15)Стрючков И.А., Краев П.И. Руководство к лабораторным работам по молекулярной физике. - Ашхабад, 1981.

16)Павленко Ю.Г. Молекулярная физика. - М., 1992.

17)Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. - Л.: Наука, 1974.

18)Деденко Л.Г., Керженцев В.В. Математическая обработка и оформление результатов эксперимента. - М., 1977.

19)Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. - Л., 1985.

20)Журнал физической химии. 1983.

Размещено на Allbest.ru