Исследования зависимости коэффициента поверхностного натяжения воды с содержанием синтетических моющих средств

Стремление поверхности жидкости сокращаться до возможного минимума можно наблюдать на многих яв­лениях. Ещё Галилей задумывался над вопросом: почему капли росы, которые он видел по утрам на листьях капу­сты, принимают шарообразную форму? Утверждение, что жидкость не имеет своей формы, оказывается не совсем точным. Собственная форма жидкости — шар как наиболее ёмкая форма.

В наше время очень большое значение для практического применения имеют свойства и качества синтетических моющих средств (СМС). На уроках физики, изучая явление поверхностного натяжения, познакомились с табличными данными для некоторых жидкостей. Главной целью в этой работе стало более глубокое изучение  зависимости коэффициента  поверхностного натяжения воды от добавления синтетических моющих средств.

 В связи с этой целью ставятся следующие задачи:

• рассмотреть физические основы поверхностного натяжения воды;
• рассмотреть физические основы синтетических моющих средств;
• проанализировать измерение физических свойств синтетических моющих средств;
• отследить диагностические исследования, полученные практическим путем;
• сделать вывод о проделанной работе.

Посмотрим опыты, доказывающие, что однородная жидкость принимает форму с минимальной свободной по­верхностью.

Вариант опыта Плато (1849г.). Поводом, побудившим бельгийского профессора к таким опытам, был случай. Нечаянно он налил в смесь спирта и воды небольшое количество масла, и оно приняло форму шара. Размышляя над этим фактом, Плато наметил ряд опытов, которые впо­следствии блестяще были выполнены его друзьями и учениками. Сам Плато не мог любоваться этими опытами, т.к. совершенно ослеп в 1843г. Но в своём дневнике по поводу этого явления профессор записал полезное для нас, сегодняшних исследователей, правило: «Вовремя удивляться».

В стакан наливаем подсолнечное масло и из пипетки капаем в него подкрашенную марганцовкой воду. Наблюда­ем шарики воды разного размера, медленно падающие на дно и образующие там причудливые скопления. Жидкость, притягивая молекулы поверхностного слоя, сжимает саму себя. Жидкость имеет собственную шарообразную форму.

Опыт с мыльными пузырями. Стремление жидкости к минимуму потенциальной энергии можно наблюдать с по­мощью мыльных пузырей. Стенки мыльного пузыря, или мыльная плёнка, представляют собой двойной поверхност­ный слой. Если выдуть мыльный пузырь, а потом прекратить надувание, то он станет уменьшаться в объёме, выжимая из себя струю воздуха.

Опыты с уменьшением и увеличением коэффициента поверхностного натяжения жидкости. В широкий стеклянный сосуд наливаем воду. На поверхность бросаем кусочки пенопласта.

а) Прикоснёмся к центру поверхности воды кусочком мыла — кусочки пенопласта начинают двигаться от центра к краям сосуда. Тот же эффект мы наблюдали, когда капа­ли в центр сосуда бензином, керосином, эфиром, спиртом, моющими средствами. Из опытов видно, что поверхностное на­тяжение этих веществ меньше, чем у воды (подкрашенной марганцовкой). Они используются для удаления грязи, жирных пятен, сажи, т.е. не растворимых в воде веществ.

Из-за достаточно высокого поверхностного натяжения вода сама по себе не обладает очень хорошим чистящим действием. Вступая в контакт с пятном, например, молеку­лы воды притягиваются друг к другу больше, чем к части­цам нерастворимой грязи.

Мыло и синтетические моющие средства (СМС) содер­жат вещества, уменьшающие поверхностное натяжение воды. Первое СМС появилось в 1916 г., его изобрёл не­мецкий химик Фриц Гюнтер для промышленных целей. Бытовые СМС, более или менее безвредные для рук, стали выпускаться в 1993 г. Сейчас производство СМС стало важ­ной отраслью химической промышленности. Эти вещества называют поверхностно-активными веществами (ПАВ), поскольку действуют они на поверхности жидкости.

Молекулы ПАВ можно представить в виде головастиков. Головами они «цепляются» за воду, а «хвостами» — за жир. Когда ПАВ смешиваются с водой, их молекулы на поверх­ности обращены «головами» вниз, а «хвостиками» наружу. Раздробив таким образом поверхность воды, эти молекулы значительно уменьшают эффект поверхностного натяже­ния, тем самым помогая воде проникнуть в ткань. Этими же «хвостиками» молекулы ПАВ захватывают попадающиеся им молекулы жира (рис. 1). При мытье посуды, стирке с использо­ванием ПАВ поверхность кожи рук страдает в той или иной степени от обезжиривания, наблюдается сухость кожных покровов, могут образовываться трещины.

Рисунок 1. Образование мицеллы из мыльных молекул вокруг частички жира или грязи

б) Теперь прикоснёмся к центру поверхности воды ку­сочком сахара (или соли) — кусочки пенопласта (бумаги) начинают двигаться от краёв сосуда к центру. Значит, поверхностное натяжение водного раствора сахара или соли больше, чем чистой воды. Мы думаем, что отстирать белье, загрязнённое не растворимыми в воде веществами, в мор­ской воде, например, тяжелее, чем в речной, т.к. притяжение между молекулами солёной воды ещё больше, чем чистой, и ещё больше, чем молекул воды и «грязи».

в) Нальём в блюдце молоко, чтобы оно закрывало дно. Капнем на поверхность 2—3 капли зелёнки (или йода). Наблюдаем, как зелёнка «увлекается» от центра к краям. Две капли зелёнки покрывают всю поверхность молока! Значит, поверхностное натяжение зелёнки намного меньше, чем молока. Если же на поверхность зелёнки капнуть жидкость для мытья посуды, то увидим, как эта  жидкость    рас­течётся по всей поверхности, а это значит, что поверхност­ное натяжение моющего средства меньше, чем зелёнки.

г) Удалим с поверхности ткани жировое пятно. Смочим для этого бензином ватку (или марлю) и будем этой ваткой смачивать края пятна (а не само пятно!). Бензин уменьшает поверхностное натяжение, поэтому жир собирается к центру пятна и оттуда его можно удалить этой же ваткой (если же смачивать само пятно, то оно может увеличиться в размерах вследствие уменьшения поверхностного натяжения).

Исследование поверхностного натяжения некото­рых жидкостей методом отрыва капель.

Вычислили коэффициент поверхностного натяжения по формуле:

Результаты измерений и  вычислений занесли в таблицу 1:

Таблица 1 

Выводы:

1.Поверхностное натяжение уменьшается в шампунях в ряду —  «Чистая Линия», «SHAMTU»,«TIMOTEI». В жидких мылах— «Maynay», «Антибактериальное », «Бархатные Ручки». В средствах для мытья посуды— «Пемо Люкс», «МИФ», «AOS».

2.При всех остальных одинаковых характеристиках, влияющих на качество мытья, из исследованных шампуней лучше использовать «TIMOTEI» , из исследованных жидких мыл — «Бархатные ручки», из средств для мытья посуды— «АОS», т.к. именно их растворы обладают наименьшим поверхностным натяжением.

Однако все испытанные образцы, имея небольшой коэффициент поверхностного натяжения, способны растворять жирные вещества. Так что право выбора остается за потребителем: кому что нравится!

Библиографический список

1. Физика: Учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования / В.Ф. Дмитриева.- 6-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2005.
2. http://znanija.com
3. Богданов К. Ю. Синтез наук – оружие познания XXI века. Элективный курс. Уроки 21-22. Физика стирки и чистки: как моют мыло и УЗ. – «Физика» №1 – М.: Издательский дом «Первое сентября», 2007.