Исследование поверхностного натяжения мыльных растворов

Исследование  поверхностного натяжения  мыльных растворов

Баинов  Борис, МАОУ Гимназия № 33, Цыбиктаров Баир, МАОУ СОШ № 25 г. Улан-Удэ

    В нашей работе мы исследовали поверхностное  натяжение мыльных растворов.

    Цель  работы: изучение влияния моющих средств на поверхностное натяжение воды.

   Для достижения указанной цели нами были решены следующие задачи:

1. Изучение  литературы по теме «Поверхностное  натяжение жидкостей»

2. Изучение  влияния моющих средств на  значение коэффициента поверхностного  натяжения на основе эксперимента.

3. Исследование  зависимости коэффициента поверхностного  натяжения мыльных растворов  от концентрации.

4. Исследование  влияния жесткости воды на  коэффициент  поверхностного  натяжения мыльных растворов.

5. Изучение  температурной зависимости поверхностного натяжения жидкостей.

6. Анализ  результатов эксперимента

    Метод исследования: метод отрыва капель.

    Объект  исследования: мыльные растворы различной концентрации и температуры; вода различной жесткости и температуры.

    Предмет исследования: поверхностное натяжение жидкостей

    При выполнении данной работы использовался  метод счета капель, который  считается  одним из простых способов измерения  поверхностного натяжения с технической  точки зрения [3]. В основе расчетов лежит закон, согласно которому вес капли, отрывающейся от пипетки, пропорционален поверхностному натяжению жидкости ( σ ) и радиусу пипетки (R) , то есть  m₁=2π R σ /g, где g - ускорение свободного падения, а m₁ - масса капли исследуемой жидкости.

  При выполнении эксперимента использовались следующие приборы и принадлежности:  напорный сосуд, соединенный с краном,  воронка, электронные весы, стакан, исследуемые жидкости, моющие средства.

  На  первом этапе производился подсчет  капель воды, коэффициент поверхностного натяжения которой был известен и взят из табличных данных. При подсчете капель воды и  исследуемых жидкостей напорный сосуд наполнялся ими до определенной метки. Затем после  открывания крана мы подсчитывали число капель воды и исследуемых жидкостей, при этом выливали каждый раз один и тот же объем воды.

  Масса жидкостей может быть определена следующим образом: m= m₁ ·n, m₁ - масса одной капли, n- число капель жидкости. Тогда объем жидкости выразим следующим образом:

  Учитывая, что объем выливаемых жидкостей одинаков, запишем формулу для вычисления коэффициента поверхностного натяжения:  , где k, θ, d - число капель, коэффициент поверхностного натяжения, плотность воды, а σ, n, ρ - число капель, коэффициент поверхностного натяжения, плотность исследуемых жидкостей.

  В качестве исследуемых жидкостей  нами использовались мыльные растворы, полученные добавлением в воду следующих  моющих средств: порошков «Ace» и «Ariel», средства для посуды «Миф», хозяйственного мыла.  

  Для решения задачи о влиянии моющих средств на коэффициент поверхностного натяжения воды мы провели эксперимент  с указанными растворами. Результаты эксперимента представлены в таблице 1.  

  Таблица 1.

  Влияние моющих средств на коэффициент поверхностного натяжения воды .

 

  Из  таблицы 1 следует, что  коэффициент поверхностного натяжения воды с  введением примесей в виде моющих средств  уменьшается.

  При исследовании зависимости коэффициента поверхностного натяжения мыльных  растворов от концентрации мы использовали 5%, 10% и 15% мыльные растворы со стиральным порошком « Ariel».

  В начале эксперимента нами были подготовлены соответствующие растворы. При этом мы воспользовались формулой из химии  для определения концентрации раствора: C=m_П /(m_П+m_В), где m_{П —} масса порошка,  m_В — масса воды. В соответствии с формулой для приготовления 5% раствора необходимо  взять на 50 мл воды 2,6 г порошка, 10% раствора — на 50 мл воды — 5,5 г порошка, 15% - 8,8 г порошка на 50 мл воды. 

  Результаты  проведенного эксперимента приведены  в таблице 2. 
 

  Таблица 2

  Зависимость коэффициента поверхностного натяжения мыльных  растворов от концентрации

 

  Из  таблицы 2 следует, что  с увеличением  концентрации порошка  в водном растворе коэффициент поверхностного натяжения уменьшается.

  Жесткость воды обусловлена наличием в ней  растворенных солей кальция и  магния. Вода с большим содержанием таких солей называется жёсткой, с малым содержанием — мягкой. Для численного выражения жёсткости воды указывают концентрацию в ней катионов кальция и магния. Рекомендованная единица СИ для измерения концентрации — моль/м³.

  Для исследования зависимости коэффициента поверхностного натяжения мыльных  растворов от жесткости воды нами был проведен следующий эксперимент [5].

  Известно, что для образования пены необходимо уменьшить поверхностное натяжение  воды. Поэтому мы рассмотрели процесс  пенообразования в жесткой и  мягкой воде. В качестве жесткой  воды мы использовали водопроводную  воду, а в качестве мягкой  - кипяченную.

    Кипячение воды уменьшает ее жесткость, так как в результате термически нестойкие гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются с образованием накипи:

Ca(HCO3)₂→ CaCO₃↓ + CO₂+ H₂O.

   Для исследования мы использовали колбы одинакового  объёма (100 мл). Для точности эксперимента мы брали равные объёмы воды и к ним добавляли  равные объёмы моющего средства «Миф». Для большей лёгкости и точности исследования в качестве измерителя объёма мы использовали медицинский шприц на 2 и 10 мл. Все измерения проводились при комнатной температуре. Далее отмерили по 20 мл кипяченной и водопроводной воды и налили  их в колбы. Затем добавили  по 2 мл раствора «Миф» и один раз встряхнули. В таблице 3 приведены результаты  исследования.

  Таблица 3.

  Влияние жёсткости воды на коэффициент поверхностного натяжения воды

 

  Из  эксперимента следует, что с ростом жёсткости  воды объём полученной пены  уменьшается, следовательно,  коэффициент поверхностного натяжения увеличивается.

    Для исследования зависимости коэффициента поверхностного натяжения мыльного раствора   от температуры мы провели  следующий эксперимент. Для получения  мыльных растворов мы использовали воду при различной температуре: при температуре 10 градусов по Цельсию и при температуре   20 градусов по Цельсию.

    Результаты  проведенного исследования приведены  в таблице 4.

    Таблица 4.

    Зависимость  коэффициента поверхностного натяжения мыльных растворов от температуры

 

    Из таблицы 4 следует, что с увеличением температуры  коэффициент поверхностного натяжения    воды и мыльного раствора (5%) уменьшается.

  Анализ  выводов исследования:

1. Коэффициент поверхностного натяжения воды с введением примесей в виде моющих средств уменьшается почти в 3 раза.