XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Проверка качества синтетически моющих средств (СМС)

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Балабаева П.А. 1

---

1ГБОУ МО "Одинцовский "Десятый лицей"

Дибижева Л.Ю. 1

---

1ГБОУ МО «Одинцовский «Десятый лицей»»

Работа в формате PDF

1.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность

Моющими средствами называются натуральные и синтетические вещества с очищающим действием. Вопрос качества моющих средств и порошков очень актуален в наши дни, когда магазины изобилуют различными видами и марками, от выбора которых просто глаза «разбегаются». Но в связи с кризисом в экономике, цены на СМС постоянно растут, а с экрана ТВ рекламы постоянно нахваливают порошки различных марок и зазывают население покупать не самые дешевые порошки. И у населения складывается стандарт: «Чем дороже, тем лучше». Но не всегда это так, поэтому я решила разобраться, от чего зависит качество моющих средств и как можно сэкономить на их покупке.

Из источников информации, я узнала, что качество стирки зависит от поверхностного натяжения раствора. 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. Порошки же уменьшают поверхностное натяжение воды.

Объект исследования: растворы различных моющих синтетических средств.

Предмет исследования: коэффициент поверхностного натяжения жидкостей.

Цель: определить коэффициент поверхностного натяжения (КПН) популярных моющих средств и выяснить, какое из них лучше по соотношению цены и качества.

Задачи:

-сбор и изучение информации о поверхностном натяжении жидкостей;

-выбор методов измерения определения КПН;

- сбор установки и проведение эксперимента для нахождения определения КПН в различных растворах и при различной температуре;

- составление таблиц и построение графиков;

-анализ полученных результатов.

Гипотеза: коэффициент поверхностного натяжения растворов моющих средств меньше ,чем у воды и с ростом температуры он уменьшается.

Методы исследования:

-анализ и синтез;

-конструирование;

-графический метод.

Для решения своей задачи, я изучила теорию смачивания и несмачивания, выяснила причину возникновения поверхностного натяжения и методы практического определения этой величины.

Область возможного применения результатов моего исследования достаточно велика – от рекомендаций всем хозяйкам до применения на элективных курсах физики.

Глава 1

1.1 Явления смачивания и несмачивания

При соприкосновении жидкости с твердым телом поверхность жидкости искривляется. Это происходит из-за явлений смачивания и несмачивания. Если силы взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела больше, чем между молекулами жидкости, то жидкость растекается по поверхности твердого тела, т.е. смачивает и наоборот, если силы взаимодействия между молекулами жидкости больше, чем между молекулами жидкости и твердого тела, то жидкость собирается в каплю и не смачивает поверхность жидкости (приложение, рис 1).

1.2. Проявление поверхностного натяжения

Молекулы жидкости - например, воды, удерживаются вместе силами притяжения(приложение,рис.2). Эти силы тянут верхние молекулы внутрь, и поверхность жидкости изгибается. Под действием этих сил молекулы поверхностного слоя стремятся втянуться внутрь жидкости, число молекул на поверхности уменьшается, и площадь поверхности сокращается . Этот эффект, называемый поверхностным натяжением, объясняет форму сферической капли воды, выскальзывающей из крана.Но все молекулы, разумеется, не могут уйти вовнутрь. На поверхности остается такое число молекул, при котором площадь поверхности оказывается минимальной. Поскольку число молекул на поверхности жидкости пропорционально величине свободной поверхности, то стремление молекул поверхности втянуться внутрь объема жидкости означает, другими словами, стремление сократить свободную поверхность жидкости. Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами, находящимися в объеме жидкости, потенциальной энергией. Обозначим ее Е_П . Эта энергия измеряется работой, которую могут совершить молекулы поверхности, перемещаясь внутрь жидкости под действием сил притяжения со стороны молекул в объеме жидкости. В 1985 году взгляд на физическую природу поверхностного натяжения, как части внутренней энергии, при решении физической задачи был опубликован В. Вайскопфом в США. Поскольку энергия обязана своим происхождением наличию поверхности жидкости, то она должна быть пропорциональна площади S поверхности жидкости:

Е_П= σ S ,

где σ-коэффициент поверхностного натяжения

Тогда изменение площади поверхности S повлечет за собой изменение потенциальной энергии

ΔЕ_П =σΔS

Согласно теореме о потенциальной энергии работа, при перемещении молекулы вверх:

A=-ΔEп=-σΔS

Знак минус указывает на то, что увеличение поверхности (ΔS > 0) сопровождается отрицательной работой.Отсюда следует,что

σ=Eп/S

т.е. коэффициент поверхностного натяжения жидкости можно определить как свободную энергию единицы площади этой поверхности [1].

Единица поверхностного натяжения в СИ Дж/м²

Если поверхность жидкости ограничена периметром смачивания, то поверхностное натяжение можно рассматривать как силу, действующую на единицу длины периметра смачивания и направленную перпендикулярно к этому периметру (приложение,рис. 3).В том случае, если размер длины границы поверхности жидкости будет обозначен как l, а сила поверхностного натяжения плёнки, которая действует на данной границе – F, таким образом, значение коэффициента поверхностного натяжения составит:

σ = F/l

Глава2

2.1 Зависимость коэффициента поверхностного натяжения воды от температуры

С ростом температуры взаимодействие молекул жидкости несколько ослабляется, так как при увеличении кинетической энергии молекул жидкость «разрыхляется» и среднее расстояние между молекулами возрастает. Поэтому с увеличением температуры эта величина должна уменьшаться. Для большинства жидкостей поверхностное натяжение падает с температурой практически линейно. Наиболее известная зависимость поверхностного натяжения от температуры была предложена Лорандом Этвёшом, так называемое правило Этвёша[8].

2.2 Зависимость коэффициента поверхностного натяжения воды от наличия примесей.

Кроме температуры и толщины слоя, на величину поверхностного натяжения жидкости существенно влияют растворенные в последней, даже в малых количествах, примеси.Растворенные молекулы будут вытесняться на поверхность жидкости и одновременно будут понижать поверхностное натяжение раствора.Такими примесями являются мыло и порошки, то есть добавление биологически активных веществ (стиральных порошков, мыла, паст и т.д.) снижает поверхностное натяжение воды.

2.3 Методы определения коэффициента 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.

Статические методы:

-метод поднятия в капилляре;

-метод Вильгельми;

-метод лежачей капли;

-метод определения по форме висячей капли;

-метод вращающейся капли;

- метод счета капель

Динамические методы:

-метод дю Нуи (метод отрыва петли);

-метод максимального давления пузырька;

-метод осциллирующей струи.

Практическая часть

В своей практической части я определяла поверхностное натяжение растворов СМС двумя методами - динамическим и статическим. Исследования проводились с порошками «Образец1» и «Образец2»,более высокой цены.

1.Измерения поверхностного натяжения сталагмометрическим методом (метод счета капель)-статический метод.

Физические основы сталагмометрического метода заключаются в

следующем: в момент отрыва капли жидкости от нижнего конца вертикальной трубки ее вес P уравновешивается силой поверхностного натяжения F, которая действует вдоль периметра шейки капли и препятствует ее отрыву. Так как в момент отрыва

F =Р, то,

определив вес капли Р=Mg, где М-масса капли

можно вычислить поверхностное натяжение [2].

σ=mg/NπD,

где D– внутренний диаметр трубки, N-число капель

Для определения числа капель, образуемых при вытекании определенного объема жидкости, пользуются сталагмометром. Он представляет собой стеклянную трубку с расширением посередине, заканчивающуюся капилляром.

Эксперимент1

Оборудование

Для изготовления сталагмометра, с помощью которого можно определить коэффициент поверхностного натяжения, я взяла верхние части пластиковых бутылок, закрытых пробками, в которые вставили трубки с регулируемыми зажимами, использовав капельницу(приложение,рис.4 ) . В один из сосудов поместила кипятильник (приложение,рис.5 ). Сосуд с нагревателем я использовали для исследования влияния нагрева жидкости на коэффициент поверхностного натяжения. Для этого в сосуде устанавила термометр. Под трубочками поместила емкость для сбора капель , которую устанавила на чашках учебных весов. Сосуды установила на штативах над чашами весов .

При проведении исследования в сосуды залила растворы стиральных поршков двух образцов. С помощью зажимов подобрала одинаковую скорость падения капель (50-60 капель в минуту.)Затем в одном из сосудов включила нагреватель Постепенно со временем я заметила, что чашка под сосудом с нагревателем начинает перевешивать. Растворы стирального порошка были приготовлены из расчета 10г  порошка на 100мл раствора. Эксперимент проводила три раза .

Измерение

1.Измерила внутренний диаметр трубки, массу емкости (стакан) для сбора капель с точностью до 0,01г.

2.Отсчитала 100 капель.

3.Взвесила стакан с водой и вычислила массу вылившейся воды.

Поверхностное натяжение σ рассчитала по формуле:

σ=mg/NπD,

m – масса вылившейся воды;

g – модуль ускорения свободного падения;

N – число капель раствора;

D – внутренний диаметр стеклянной трубки-наконечника.

Результаты, полученные во время опыта:

масса пустого стаканчика m = 92,1 г ± 0,01 г
масса стаканчика с раствором М = 94,1 г ± 0,01г
масса раствора m₁= 2,00г ± 0,02 г, количество капель N=100
диаметр отверстия трубки D = 4,5·10 ^-3м, π =3,14 и g=9,81 м/с²

Результаты, полученные мною, занесены в таблицы и отражены на графиках.

Таблица №1

Зависимость КПН от температуры раствора порошка «Образец1» в воде

По результатам таблицы построила график.

График№1 Зависимость КПН от температуры раствора порошка «Образец1» в воде

Таблица №2 .Зависимость КПН от температуры раствора порошка «Образец2» в воде

График № 2 .Зависимость КПН от температуры раствора порошка «Образец2» в воде

Вывод: из таблиц и графиков следует, что коэффициент поверхностного натяжения растворов с ростом температуры уменьшается. Как видно, у раствора порошка «Образец1» КПН меньше, чем у «Образец2» при одной и той же температуры.

II Измерение поверхностного натяжения методом отрыва петли

(динамический метод)

Оборудование.

Динамометр типа ДПН(приложение,рис.6) с принадлежностями, штатив для фронтальных работ, вода дистиллированная,растоворы порошков 2-х образцов.

Эксперимент 2

Для измерения поверхностного натяжения проволочную петлю полностью погрузила в жидкость, а затем медленно вытянула из нее. При этом на петле образовалась пленка . Когда сила упругости пружины динамометра станет по модулю равна силе поверхностного натяжения F, пленка разрывается (приложение11).

Рассчитала поверхностное натяжение по формуле:

σ=F/2l,

где F – сила поверхностного натяжения, которую показывает динамометр,

l- ширина тонкой пленки.

Опыт проводила с двумя петлями разной длины 70 мм и 50 мм.

Таблица № 3 Измерение КПН дистиллированной воды при 20⁰С методом отрыва петли

σ (средняя)=( σ₁+ σ₂)/2=38 мДж/м²

Таблица № 4.Зависимость КПН от температуры раствора порошка «Образец 2» в воде методом отрыва петли

График № 3 . Зависимость КПН от температуры раствора порошка «Образец2» в воде методом отрыва петли.

Красный график - для петли 70мм,голубой для петли 50мм,желтый –среднее значение зависимости поверхностного натяжения от температуры

Таблица № 5.Зависимость КПН от температуры раствора порошка «Образец 1» в воде методом отрыва петли

График № 4 .Зависимость КПН от температуры раствора порошка «Образец1» в воде методом отрыва петли

Вывод

Из таблиц и графиков можно увидеть, что при увеличении температуры коэффициент поверхностного натяжения уменьшается для всех видов исследуемых жидкостей. КПН у воды больше, чем у растворов порошков.. Коэффициент поверхностного натяжения «Образец1 » ниже, чем у «Образец 2» при одной и той же температуре.

Заключение

Благодаря теоретическим и экспериментальным исследованиям я выяснила, чем меньше поверхностное натяжение, тем легче жидкость проникает в ткань, тем качество моющих средств лучше. Я ознакомилась с двумя методами определения КПН и сама сконструировали сталагмометр. Практические исследования подтвердили мою гипотезу: коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры. При повышении температуры КПН уменьшается. Добавление биологически активных веществ (стиральных порошков) снижает поверхностное натяжение воды. Также я выяснила, что цена порошка не определяет его качество. Так, порошок «Образец1» при низкой стоимости обладает лучшим качеством ,чем «Образец 2» .

Библиографический список

1.Мякишев, Г. Я.Физика: Молекулярная физика. Термодинамика. 10 кл. Углубленный уровень: учебник/ Г. Я. Мякишев, А. №. Синяков. – 2-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2014.

2. Практикум по физике в средней школе: П69 риал: Пособие для учителя/Л. И. Анциферов, Ю. И. Дик и др.; Под ред. В.А. Бурова, 3-е изд., перераб.- М.: Просвещение, 1987

3.«Удивительная физика», Л. Г. Асламазов, А. А. Варламов, изд.: «Наука», Москва, 1988 г.

Интернет ресурсы

4.http://www.studfiles.ru/preview/1826271/page:7/

5.https://ru.wikipedia.org/wiki/поверхностноенатяжение

6.http://physics.ru/courses/op25part1/content/chapter3/section/paragraph5/theory.html#.Vu2tXdKLRdg – Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение.

7.http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/032857e3-3647-bf72-cb37- c27658f70a72/00149790183808588.htm7 8.https://ru.wikipedia.org/wiki/Этвеш,_Лоранд

Конец формыПриложение

Рисунок 1.Явлениме смачивания и несмачивания

Рисунок 2. На каждую молекулу внутри жидкости действуют силы притяжения соседних молекул, окружающих ее со всех сторон.

Рисунок 3.Сила, действующая на единицу длины периметра смачивания и направленную перпендикулярно к этому периметру, есть коэффициент поверхностного натяжания жидкости.

Рисунок 4.Для изготовления учтановки , с помощью которого можно определить коэффициент поверхностного натяжения, я использовала капельницу и пластиковые бутылки.

Рисунок 5.Схема прибора, измеряющего коэффициент поверхностного натяжения. В один из сосудов поместила кипятильник (5).

Рисунок 6.Измерение коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва петли.