XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Практическое применение молекулярно-кинетической теории при оценке качества моющих средств

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Янаков С.Я. 1

---

1Государственное бюджетное общеобразовательное учреждения средняя общеобразовательная школа № 459 Пушкинского района Санкт-Петербурга ГБОУ школа № 459 Пушкинского района Санкт-Петербурга

Мутаева Н.Д. 1

---

1ГБОУ школа № 459 Пушкинского района Санкт-Петербурга

Работа в формате PDF

344.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Цивилизованное общество не представляет себе стирку без синтетических моющих средств. В современное время производители предлагают нам большой выбор в виде мыла, гелей и порошков. Оценка качества синтетических моющих средств — это важный этап при выборе продукта. Как, не поддаваясь рекламам, правильно выбрать моющее средство, определить, насколько эффективен один порошок по сравнению с другим? Что же происходит, когда мы не можем отстирать белье простой водой, а с помощью раствора порошка белье становиться чистым? На все эти вопросы дает ответ раздел физики: молекулярно-кинетическая теория жидкости, а именно, явление поверхностного натяжения. Но проблема в том, что не всегда теоретические знания находят в нашем понимании широкого практического применения. Работа нацелена на то, чтобы показать, как можно применять физические явления для решения практических задач.

Цель работы: на практике оценить эффективность средств для стирки, используя знания молекулярно-кинетической теории.

Объект исследования: растворы стиральных порошков в воде.

Предмет исследования: поверхностное натяжения жидкостей.

Гипотеза: поверхностное натяжение жидкостей уменьшается с добавлением примесей и зависит от температуры.

Задачи:

-поиск и изучение информации о поверхностном натяжении жидкостей;

- выбор методов измерения коэффициента поверхностного натяжения;

- моделирование оборудования для эксперимента;

- проведение эксперимента;

-анализ и представление полученных результатов.

Методы:

-анализ и синтез;

-моделирование;

-эмпирический;

-графический.

Практическая значимость работы–результаты исследования можно применять на внеурочных занятиях по физике, химии в колледжах и школах, как практическое применение знаний молекулярно-кинетической теории (МКТ) жидкости.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

ФИЗИКА ЖИДКОСТИ

1.1 Молекулярно-кинетическая теория жидкости

Как мы знаем из учебника физики за 7 класс, между молекулами существуют силы притяжения. Они начинают себя проявлять, когда молекулы приближаются на расстояние, равное размеру одной молекулы. Если силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела превышают силы притяжения молекул жидкости друг к другу, то жидкость растекается по поверхности твердого тела, то есть «смачивает» ее и наоборот, если силы взаимодействия между молекулами жидкости больше, чем между молекулами жидкости и твердого тела, то жидкость собирается в форму шара и не смачивает поверхность твердого тела. Поверхностным натяжением называют удерживание молекул жидкости вместе силами притяжения. Почему же жидкость принимает форму шара? Внутри жидкости молекулы окружены со всех сторон себе подобными и равнодействующая сил молекулярного взаимодействия F, действующая на них, равна нулю. На молекулы, которые находятся на поверхности, то есть на границе раздела фаз (жидкость -газ), силы, действующие со стороны жидкой и газообразной фаз, не одинаковы. Молекулярные взаимодействия в вертикальном направлении не уравновешены. Вследствие этого равнодействующая молекулярных сил F не равна нулю и направлена вглубь жидкой среды. За счет сил поверхностного натяжения верхние молекулы стремятся внутрь и жидкость приобретают форму капли. Это связано с молекулярными силами сцепления и принадлежит к так называемым поверхностным явлениям [5]. Вследствие этого число молекул на поверхности уменьшается, а площадь поверхности сокращается. Следовательно, те жидкости у которых поверхностное натяжение больше, они меньше проникают в ткани при стирке и притягиваются друг к другу вместо того, чтобы захватывать молекулу грязи. То есть, чем больше поверхностное натяжение жидкости, тем меньше будет смачивание, тем хуже качество стирки.

Впервые взгляд на физическую природу поверхностного натяжения жидкости, как части внутренней энергии, был опубликован В. Вайскопфом в США в 1985 году. Потенциальная энергия внутренних молекул меньше, чем внешних. Поскольку энергия обязана своим происхождением наличию поверхности жидкости, то она должна быть пропорциональна площади S поверхности жидкости:

Wп = σ х S,

где σ-коэффициент пропорциональности или коэффициент поверхностного натяжения (в дальнейшем КПН). Как видно, из формулы следует:

σ= Wп / S,

то есть коэффициент поверхностного натяжения жидкости (или просто поверхностное натяжение) представляет собой свободную энергию, приходящую на единицу площади этой поверхности. В системе СИ единицей поверхностного натяжения является Дж/м².

Если же поверхность жидкости представляет из себя пленку и ограничена периметром смачивания, то поверхностное натяжение можно рассматривать как силу, действующую на единицу длины периметра и направленную перпендикулярно к этому периметру .Таким образом, значение коэффициента поверхностного натяжения можно рассчитать по формуле:

σ = F/l,

где l- размер длины границы поверхности жидкости, F- сила поверхностного натяжения плёнки. В данном случае единицей поверхностного натяжения в СИ будет 1 Н/м [4].

1.2 Зависимость коэффициента поверхностного натяжения от примесей и температуры

Лорандом Этвёшом была предложена зависимость поверхностного натяжения от температуры. При увеличении температуры увеличивается кинетическая энергия молекул, а в результате этого уменьшается расстояние между молекулами, поэтому для большинства жидкостей поверхностное натяжение падает с

температурой практически линейно [7]. При приближении температуры к критической (когда стирается грань между жидкостью и паром), свойства пара приближаются к свойствам жидкости и условия взаимодействия, в которых находятся молекулы поверхностного слоя, перестают практически отличаться от условий внутри жидкости, поэтому в критической точке поверхностное натяжение жидкости обращается в нуль. Однако, количественная взаимосвязь температуры и моющей способности изучена недостаточно [2].

Кроме температуры на величину поверхностного натяжения жидкости существенно влияют растворенные в ней примеси. Растворенные в воде молекулы примесей вытесняются на поверхность жидкости и одновременно будут понижать поверхностное натяжение раствора. Длинная молекулярная цепочка моющего вещества прилипает к поверхности отстирываемого тела и снимает с него загрязнение. Это и происходит, когда порошок растворяют в воде [3].

1.3 Физические основы методов определения коэффициента поверхностного натяжения

Методов определения поверхностного натяжений много, но все они делятся на две группы: статические и динамические. Отличие их в том, что в статических методах поверхностное натяжение определяется у жидкости, поверхность которой сформирована и жидкость находится в равновесии. Динамический метод основан на разрушении поверхностного слоя жидкости. Приведем примеры.

Статические методы:

-капиллярный метод;

-методы лежачей и вращающейся капли;

- метод счета капель.

Динамические методы:

- метод отрыва петли;

-метод осциллирующей струи.

Из всех приведенных методов наиболее приемлемыми (по составу оборудования для проведения эксперимента) в школьных и домашних лабораториях являются метод отрыва петли и метод счета капель. Рассмотрим методику этих способов.

Статический метод (счет капель)

Для определения методом числа капель поверхностного натяжения пользуются прибором сталагмометром (от греческих слов stalagma — капля и metron — мера) [6].Он представляет из себя стеклянную трубку с расширением посередине и заканчивающуюся капилляром (Приложение1, рис1). 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 (Приложение 1, рис2). Так, в момент отрыва:

F =Р,

Р=m₀g,

где m₀ масса одной капли.

σπd= m₀ g,

m₀ =m/n.

Можно выразить коэффициент поверхностного натяжения:

σ =mg/nπd,(1)

где d– внутренний диаметр трубки, n-число капель, m-масса жидкости.

Динамический метод (отрыв петли)

Этот метод основан на отрыве петли при ее погружении в жидкость. Тензио́метр — один из видов приборов, используемых для измерения величины поверхностного натяжения жидкостей. В основе такого прибора лежит чувствительный динамометр (Приложение 1, рис 3). Проволочную петлю помещают в жидкость, а затем медленно вытягивают из нее. При этом на петле за счет явления поверхностного натяжения образовывается пленка. Когда сила упругости пружины динамометра станет равна силе поверхностного натяжения F, пленка разрывается. Коэффициент поверхностного натяжения можно найти по формуле:

σ = F/2l, (2)

где l-периметр пленки.

Двойка в формуле появляется за счет двух сторон пленки [6].

Вывод теоретической части: благодаря теоретическим исследованиям выяснено, чем меньше поверхностное натяжение, тем легче жидкость проникает в ткань, следовательно, тем лучше качество стирки. Раскрыт двойной физический смысл КПН, как энергетический, так и силовой. Определены физические основы методов измерения КПН и обоснован выбор этих методов для практической работы.

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА СТИРКИ ФИЗИЧЕСКИМИ

ПАРАМЕТРАМИ

В практической части работы поверхностное натяжение жидкостей определялось двумя методами - динамическим и статическим. В работе исследовались дистиллированная вода и растворы порошков в воде. Растворы стиральных порошков были приготовлены из расчета 10г порошка на 100 мл раствора. В качестве примесей для сравнения были исследованы стиральные порошки, условно, «Образец№1» и «Образец№2». Выбор дистиллированной воды обусловлен тем, чтобы уменьшить содержание поверхностно- активных веществ, которые понижают коэффициент поверхностного натяжения жидкости, так и поверхностно инактивных веществ, которые повышают поверхностное натяжение жидкости.

2.1 Измерения поверхностного натяжения динамическим методом

Исследование№1

Вместо тензиометра использовался чувствительный динамометр, измеряющий силу в миллиньютонах (ДПН).

Оборудование: динамометр типа ДПН с петлей 60мм, штатив с лапкой, вода дистиллированная, порошок «Образец№1», электронагреватель, электротермометр, чаша для жидкости (Приложение 2, рис.1).

Ход работы.

1.На штативе закрепить динамометр с петлей, под ним расположить чашу с исследуемой жидкостью.

2.Проволочная петлю полностью погрузить в жидкость с помощью подъема чаши.

3.Плавно опустить чашу вниз до тех пор, пока пленка не разорвется. Это произойдет в тот момент, когда сила упругости пружины динамометра станет по величине равна силе поверхностного натяжения F. В этот момент снять показания динамометра.

5.Электронагревателем изменить температуру жидкости, измеряя ее с помощью электротермометра.

6.Поверхностное натяжение рассчитать по формуле:

σ=F/2l,

где F – сила поверхностного натяжения, которую показывает динамометр,

l- ширина пленки.

Исследование дистиллированной воды

Результаты измерений и расчетов представлены в таблице и на графике.

Таблица № 1 Зависимость КПН дистиллированной воды от температуры (метод отрыва петли)

№	F, мH	t,0 С	Σ σ, мН/м
1	8,52	20	71,00
2	7,98	40	69,00
3	7,32	60	66,50
4	7,08	80	59,00

График № 1 Зависимость КПН дистиллированной воды от температуры (метод отрыва петли)

Исследование раствора порошка «Образец№1» в воде (метод отрыва петли)

Таблица № 2 Зависимость КПН раствора порошка «Образец№1» от температуры (метод отрыва петли)

№	F F, мH	t,oC	σ, мН/м
1	3,78	20	31,50
2	3,30	40	27,50
3	3,23	60	26,90
4	2,98	80	24,85

Анализ измерений динамическим методом: из таблицы №1 и графика №1следует, что коэффициент поверхностного натяжения воды при 20 ⁰С равен 71 мН/м, что отличается от табличного значения (72,5 мН/м). Абсолютная погрешность измерений составляет 0,0015 мН/м. При той же температуре КПН раствора порошка «Образец№1» 31,50 мН/м (таблица№2). С ростом температуры КПН воды и раствора порошка уменьшаются практически линейно.

2.2. Измерение поверхностного натяжения статическим методом

Исследование№2

Сталагмометр был сконструирован мною самостоятельно. Дно бутылки было обрезано, капельница пропущена через крышку бутылки. Под капельницей размещена емкость для жидкости (Приложение 2, рис2).

Оборудование: пластиковая бутылка, медицинская капельница, весы электронные, электротермометр, электронагреватель, штангенциркуль, емкость для сбора капель, вода дистиллированная, порошки «Образец№1», «Образец№2»

Ход работы

1.С помощью штангенциркуля определить размер диаметра отверстия

капельницы.

2.Измерить массу емкости для жидкости на электронных весах.

3. Закрепить бутылку на штативе с помощью лапки.

4. В бутылку залить исследуемую жидкость и с помощью зажима

капельницы добиться скорости 50 капель/мин.

5.С помощью электронагревателя нагреть жидкость до температуры 20⁰С,

используя электронный термометр.

6.Отсчитать 20 капель и измерить массу емкости вместе с жидкостью,

рассчитать массу жидкости.

7.Для точности нахождения массы одной капли и следовательно

нахождения среднего значения КПН, опыт повторить с количеством

капель 20, 80 ,100 и рассчитать среднее значение массы одной капли.

4. Повторить пункты 5 - 7 при температурах 40,60,80 ⁰С.

Измерения физических величин:

-диаметра трубки с помощью штангенциркуля с точностью до 0,005 мм,

d = 0,02мм± 0,005 мм;

-массу m₁ емкости для сбора капель с помощью лабораторных

электронных весов с точностью до 0,01г, m₁ = 3,33 г ± 0,01 г;

- массу сосуда m ₂ с определенным количеством капель с точностью до 0,01г.

Вычисления физических величин:

- массу вылившейся воды рассчитать по формуле:

m=m₂-m₁ (3)

- массу одной капли:

m₀=m/n (4)

-поверхностное натяжение:

σ_ср = m_0срg/πd (5)

m_0ср = (m₀₁+ m₀₂+ m₀₃) /3 (6)

g=9,81 м/с²– ускорения свободного падения; π =3,14.

Исследование дистиллированной воды. Результаты измерений и расчетов по формулам (3), (4), (5), (6) занесены в Таблицу №3 (Приложение 3).

Анализ таблицы№3: при температуре 20⁰С КПН воды, измеренный сталагмометрическим методом равно 74 мДж/м². Абсолютная погрешность измерений составляет 0,015 Дж/м². С ростом температуры КПН уменьшается.

График№2 Зависимость воды от температуры

Анализ графика№2. На графике отражены значения КПН дистиллированной воды при четырех значениях температуры. Как видно, значения, полученные двумя способами измерения, практически совпадают. Небольшая разница присутствует при 20,40, 80⁰С, что можно объяснить абсолютной погрешностью измерений от - 0,0015 мН/м до +0,0015 мН/м (результат исследований №1 и №2).

Исследование растворов порошков в воде.

Результаты измерений и вычислений для примесей представлены в Таблицах №4 и №5(Приложение 4).

2.3 Сравнительный анализ качества стирки моющих средств

На гистограмме,построенной на результатах таблиц №3,4,5 отражены КПН трех жидкостей(дистилированная вода и растворы двух моющих средств) при одинаковых температурах,полученных одним способом (сталагмометрическим). Как видно,самый высокий КПН при любых температурах имеет дистиллированная вода. Именно из-за большого поверхностного натяжения чистая вода плохо смачивает грязное пятно и тем самым практически белье не отстирывает. У раствора порошка «Образец№1» самый низкий КПН ( при t=80⁰С у воды - 61 мДж/м², «Образец№2» - 36 мДж/м2, «Образец№1» 25мДж/м2).Следовательно,растворы в воде стиральных порошков будут удалять загрязнения от ткани, так как обладают хорошей смачиваемой способностью.Обратная зависимость КПН от температуры повторяется у всех исследуемых жидкостей.Самым эффективным для стирки из двух исследуемых порошков оказался «Образец№1».

Вывод: в практической части работы поверхностное натяжение воды и водных растворов веществ определялось методом отрыва петли и сталагмометрическим методом с использованием смоделированных тензиометра и сталагмометра в бытовых условиях. Дан сравнительный анализ результатов. Выявлена зависимость КПН от температуры. Определены оценки погрешности полученных экспериментальных данных.Результаты отражены в таблицах и графиках.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В повседневной жизни мы часто встречаем явления, которые подчиняются определенным законам физики и благодаря теоретическим знаниям можно применять их на практике для решения определенных задач. Одно из таких явлений является поверхностное натяжение жидкости. В работе проанализированы способы и методы измерения поверхностного натяжения. Для более полного соответствия эксперимента в работе объектами исследования являлись реальными моющими средствами, выпускаемые промышленностью известные марки порошков.

В результате теоретического исследования выяснено:

-чем меньше поверхностное натяжение, тем легче жидкость проникает в ткань, тем качество моющих средств лучше.

В результате практического исследования:

-смоделирован аналог сталагмометра;

-описан ход исследовательской работы;

-измерены КПН двумя методами: отрыва петли и счет капель;

-исследована зависимость КПН от температуры-для всех жидкостей с повышением температуры поверхностное натяжение уменьшается;

-результаты исследований отражены в таблицах и графиках, диаграмме;

-проведен сравнительный анализ результатов- определен самый эффективный порошок из исследуемых;

-даны оценки абсолютных погрешностей измерений.

Цель работы достигнута: на практике дана оценка эффективности средств для стирки, используя знания молекулярно-кинетической теории. Практические исследования подтвердили мою гипотезу: добавление биологически активных веществ снижает поверхностное натяжение, тем самым повышает качество стирки. КПН с повышением температуры понижается. Таким образом, повышенная температура растворов моющих свойств повышает эффективность стирки. Самым трудоемким для меня в процессе работы было использования метода счета капель, хотя я считаю, что метод отрыва петли более точный. Оценка степени эффективности различных видов современных моющих средств позволяет решить проблему отрыва теоретических знаний от практического их применения, тем самым мотивирует учеников на изучение и лучшее понимание раздела молекулярно-кинетической теории. Результаты работы могут быть применены как обучающимся, так и учителям на внеурочных занятиях как по физике, так и по коллоидной химии, используя ход работы, как Инструкцию к практической работе.

СПИСОК ИНФОРМАЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.АдамсонА., Физическая химия поверхностей, пер. с англ., M., 1979;

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

Просвещение, 1987

3.Волков В. А. Поверхностно-активные вещества в моющих средствах и усилителях химической очистки. М.: Легпромбытиздат. 1985. 200 с.

4. Мякишев, Г. Я. Физика: Молекулярная физика. Термодинамика. 10 кл.

Углубленный уровень: учебник/ Г. Я. Мякишев, А. №. Синяков. – 2-е изд.,

стереотип. – М.: Дрофа, 2014.

5.Оно С., Кон до С., Молекулярная теория поверхностного натяжения в жидко-стях, пер. с англ., M., 1963;

6. Русанов А. И., Фазовые равновесия и поверхностные явления, Л., 1967;

7. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Этвеш_Лоранд

8. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://class-fizika.narod.ru/stir1.htm

9. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://physics.ru/courses/op25part1– Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Рис1. Сталагмометр Рис 2. Силы, действующие на каплю Рис 3. Тензиометр

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Рис 1. Измерения КПН методом отрыва петли

Рис 2. Измерение КПН методом счета капель

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Таблица № 3. Зависимость КПН воды от температуры

Приложение 4

Таблица № 4. Зависимость КПН водного раствора порошка

«Образец №1» от температуры

Таблица № 5. Зависимость КПН водного раствора порошка

«Образец№2» от температуры