Исследовательская работа " Зависимость коэффициента поверхностного натяжение от концентрации растворов стиральных порошков"

Муниципальная  бюджетная  общеобразовательная организация Мучкапская средняя общеобразовательная школа   Мучкапского района  Тамбовской области   Зависимость коэффициента  поверхностного натяжение  от концентрации растворов стиральных порошков Выполнил: обучающийся 11 «В» класса Овсянников Александр Дмитриевич   Руководитель: учитель физики  Жалнина Екатерина Анатольевна  р.п. Мучкапский 2018 г. СОДЕРЖАНИЕ    3.1.   Зависимость   коэффициента   поверхностного   натяжения   от Введение 1.Основные компоненты современных порошков 2. Поверхностное натяжение 3. Ход исследования   насыщенности раствора    3.2.   Зависимость качества стирки от концентрации раствора      3.3. Зависимость качества стирки и   коэффициента поверхностного натяжения от температуры в чистой воде и в 4% растворе порошка Заключение Список использованных источников Приложение 3 4­5 6­7 7­8 8­9 9­10 10­11 12 13 14­17 2 ВВЕДЕНИЕ Результат хорошей стирки, а также срок службы ткани, гарантирует правильно выбранный стиральный порошок.      Для   того  чтобы  сохранить  чистоту  вещей  и  удобства   их  ношения, каждая хозяйка хочет для себя найти  лучший стиральный порошок. Только  сделать это как?   Ведь   прилавки   магазинов   пестреют   различными   видами   порошков.   Приятно     пахнущий   порошок   должен   обладать   всеми   необходимыми качествами:   отбеливание, выведение пятен,  сохранение цвета.  Немало важным является тот факт, что стиральное средство не должно вызывать аллергии   и мог  подходить  для всех типов вещей. Я   считаю, среднестатистических семей в непростой экономической ситуации.   что   тема   данной   работы   является   актуальной   для Объект   исследования:   Стиральные   порошки:     «Ушастый   нянь»,   «Ариэль», «Лоск». Предмет   исследования:   коэффициент   поверхн6остного   натяжения   растворов порошков, качество стирки. Гипотеза: Коэффициент поверхностного натяжения раствора порошка влияет на качество стирки. Цель:  Изучить   зависимость   качества   стирки   и   коэффициент   поверхностного натяжения от  концентрации  растворов порошков. Изучить литературу по данной теме. Собрать установку для эксперимента Рассмотреть   зависимость   коэффициента   поверхностного   натяжения   от Исследовать   как   зависит   качество   стирки   от   коэффициента Задачи:    насыщенности раствора и от температуры.  поверхностного натяжения.  Проанализировать полученные результаты. 3 1. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ СОВРЕМЕННЫХ ПОРОШКОВ Вещества   поверхностно­активные   (ПАВ)   являются   главным   компонентом стиральных порошков. Их задача адсорбировать грязь и частички пыли.                  Рисунок 1.     Механизм работы ПАВов  Мыло   является   самым   простым ПАВом   –   это   натриевая   соль. Молекула мыла состоит из десятка и более   звеньев   СН2,   которые соединены друг с другом. К одному концу(голове) прикреплена карбоксильная   группа   СО2.Важным   Рисунок 2 Схематическое изображение мыльной молекулы стеарата натрия(а), положение ионов молекул на поверхности пленки воды(б). свойством молекулы мыла является ее   асимметрия.   «Голова»   молекулы   в   растворе   заряженна   отрицательна   и притягивается   к   положительным   полюсам   диполей   молекулы   воды.    Другой конец   электрически   нейтрален   инертен   к   воде   (рис.   2)   Мыльная   молекула стеарата   натрия   попадая   в  воду  диссоциирует   на    положительный   ион  Na  и отрицательное   основание   жирной   кислоты.   Отрицательные   ионы   молекул выстраиваются таким образом, чтобы с водой соприкасались только «головы», а «хвосты» торчали наружу. На поверхности воды, находясь «головой вниз», они не стремятся внутрь, а отталкиваются   друг от друга. Если в воде растворено мыло, то увеличить поверхность воды легче и жидкость может  проникать в щели  между нитями ткани.  4 Капля чистой воды (a) почти не  растекается по     большинству поверхностей (b). Капля воды с добавкой Рисунок.   3мыла   (с)   хорошо   смачивает поверхности (d). Такая   поверхность   воды   имеет   поверхностное   натяжение   меньше.   Это обеспечивает   быстрому   и   полному   смачиванию   загрязненных   поверхностей. Смачивающая способность увеличивается за счет, снижения степени натяжения поверхности воды. Частица,   покрытая   молекулами   ПАВ,   отделяется   от   поверхности   ткани     и уходит в раствор в виде эмульсии или суспензии. Фосфаты  являются смягчителем воды, т.е устраняют ее жесткость. Повышают свойства и эффективность средства в несколько раз. Щелочные компоненты( сода, жидкое стекло) способствуют повышению уровня рН   в   моющем   растворе   и   усиливают   эффективность   удаления   жирного загрязнения.  Оптический отбеливатель ­ вещества, которые способны вернуть белью белизну. Кислородосодержащие   отбеливатели   удаляют   пятна   растительного происхождения. Энзимы (биодобавки) – способствуют удалению органического загрязнения. Антиресорбенты  не дают загрязнению оседать повторно на ткани. Отдушки и ароматизаторы   устраняют неприятный запах и придают свежесть белью. На качество стирки не влияют. 5 2. ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ 2   Внутри жидкости со стороны других молекул на   молекулу   1действуют   равномерно   илы   и равнодействующая   этих   сил   близка   к   нулю. Силы,   которые   действуют     на   молекулу   2   со стороны   молекул   жидкости   сильнее,   чем   со 1 стороны   пара   и   газа,   с   которым   граничит жидкость. Молекулы поверхностного слоя стремятся внутрь жидкости, образуя пленку.   Данное   явление   называют   поверхностным   натяжением.   Сила поверхностного натяжения – равнодействующая сил, которая действует на все молекулы   находящиеся   на   границе   поверхности   свободной.   Если   молекула переместиться   с   поверхности   внутрь   жидкости,   силы   между   молекулами совершат   положительную   работу.   Чтобы   вытащить   молекулы   из     глубины жидкости на поверхность, надо затратить положительную работу А вн   против сил   поверхностного   натяжения,   пропорциональную   изменению   площади  – коэффициент поверхностного поверхности:   А вн =   Е р =  .σ  S  (1), где  σ натяжения жидкости. Из равенства (1) следует, что    Таким   образом,   вн /  S  = Е р /  S.   равен   работе,   необходимой   для   увеличения   площади σ  = Аσ поверхности при постоянной температуре на единицу площади.  Связь коэффициента поверхностного натяжения с силой поверхностного натяжения. На   рис.5   показан   прямоугольный   каркас   с подвижной   стороной,   позволяющей   изменять площадь   поверхности   мыльной   пленки.   Под Рисунок 5 6 действием   внешней   силы    Fвн     подвижную   сторону   каркаса   переместить   на расстояние    х,   для   увеличения   площади   свободной   поверхности   мыльного раствора жидкости на   S. Т.к мыльная пленка имеет две свободные поверхности, то внешняя сила равна двум силам поверхностного натяжения             Fвн = 2*Fн.  Внешняя сила при этом совершает механическую работу: А вн = Fвн*  х=2*Fн*  х  (2). При сравнении   выражений   (1)   и   (2)   получаем,   что   Fн/L  коэффициент   =   σ поверхностного натяжения равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины границы свободной поверхности.   Коэффициент   поверхностного   натяжения   зависит   от   рода   жидкости,   от температуры,   от   наличия   примесей.   При   увеличении   температуры   он уменьшается. В СИ  измеряется в Дж/м2 или Н/м. 3. ХОД ИССЛЕДОВАНИЯ При проведении эксперимента по определению коэффициента поверхностного натяжения       я   использовал     самый   простой   и   доступный   метод   –   метод проволоки.   Я   использовал   установку, состоящую из равно плечного рычага, на одном   плече   крепилась   тонкая проволока,   на   другом   легкая   чаша, сделанная   мной   из   фольги,   которая заполнялась бумагой.    Когда   проволока   поверхности   жидкости,   вес   бумаги   в   чаше   был   равен   силе   поверхностного   отрывалась   от натяжения: Р=Fпов 7 Fпов=  *2σ l, где l­ длина проволоки, а  Р=mg, то коэффициент поверхностного натяжения можно рассчитать так:   = σ mg/2l 3.1. ЗАВИСИМОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ОТ НАСЫЩЕННОСТИ РАСТВОРА В   ходе   проведения   эксперимента   я   установил   зависимость   поверхностного натяжения от насыщенности (концентрации)  раствора порошка при комнатной температуре.   № %­ное содержание ра­ра Длина проволоки, l, м Сила поверхностного натяжения Fпов, Н Коэффициент поверхностного натяжения   = σ mg/2l, Н/м 1 2 3 4 2 4 6 8 0,1 0,1 0,1 0,1 0,0028 0,004 0,0034 0,0026 0,014 0,02 0,017 0,013 Зависимость коэффициента поверхностного натяжения   раствора порошка « Лоск» 8 При   увеличении   концентрации   σ   сначала   возрастал,   а   потом   уменьшался. Наиболее эффективная концентрация та, которую рекомендуют на упаковке. 3.2. ЗАВИСИМОМТЬ КАЧЕСТВА СТИРКИ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА ПОРОШКА Для того чтобы определить как зависит качество стирки от насыщенности  раствора я делал насколько опытов:  одинакового состава.  растворах разной концентрации. Образцы хлопчатобумажной ткани я измазал водорастворимой грязью  Образцы были постираны при комнатной температуре 22,5 градусов в  Способы стирки:     Первая стирка – 40 оборотов стеклянной палочкой Полоскание Вторая стирка – 40 оборотов стеклянной палочкой. 9 Такое   же   исследование   я   провел   и   для   других   порошков.   Проанализировав полученные   результаты,   я   сделал   вывод,   что   качество   стирки   возрастает   с уменьшением коэффициента поверхностного натяжения.  Проведенные исследования с синтетической тканью показали, что она быстрее отстирывается, чем хлопчатобумажная. 3.3  ЗАВИСИМОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЧИСТОЙ ВОДЕ И В 4 % РАСТВОРЕ ПОРОШКА. зависит Чтобы   определить, коэффициент поверхностного натяжения,  и   как   качество стирки от температуры я проводил измерения и застирывание  при 90 градусах, 70, 50 и 30.   Чистая вода t, C 90  σ, H/м 0,018 0,015 70 30 50 0,028 0,038 4% раствор порошка 50 90 0,017 0,038 70 0,019 30 0,041 10 Зависимость коэффициента поверхностного натяжения воды от температуры (σ t) Зависимость коэффициент поверхностного натяжения раствора (4%) от температуры  (σ t) Полученные   результаты   позволяют   сделать   вывод   о   том,   что   коэффициент поверхностного   натяжения   уменьшается     при   увеличении   температуры,   а качество стирки возрастает. 11 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В   ходе   данной   работы   мной   была   изучена   теория   поверхностного натяжения   и   основные   составляющие   компоненты   порошков.   При   помощи экспериментальной установки я установил, что коэффициент поверхностного натяжения   зависит   от   насыщенности   раствора   и   от   температуры.   Было исследовано от чего зависит   качество стирки.  Проанализировав   результат   исследования,   я   сделал   вывод,   что   при комнатной температуре наименьший коэффициент поверхностного натяжения раствора   порошков   не   зависит   от   вида   порошка   и   равен     0,02Н/м,   при оптимальной   концентрации   4%.   При   этих   же   условиях   достигается   лучшее качество стирки. Гипотеза   о   том,   что  коэффициент   поверхностного   натяжения   раствора порошка влияет на качество стирки, подтвердилась. 12 Цель, которая была поставлена мной в начале исследования, достигнута. В заключение отмечу, что в данной работе мной был исследован  один вид загрязнений и два вида ткани. Исследование других тканей и загрязнений будут в дальнейшем исследованы. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Буров В.А. и др. «Фронтальные лабораторные занятия по физике в 7­11 классах общеобразовательных учреждений». М.: Просвещение учеб. Лит., 1996. 2. Лабораторные занятия о физике /Под ред. Гольдина Л.Л.­ М.: Наука, 1983. 3. Павлов   В.И.   Механика,   молекулярная   физика   в   средней   школе.   М.: Просвещение,1970. 4. Покровский А.А., Зворыкин Б.С. Фронтальные лабораторные занятия по Физика:  Учеб.  Для10­го  кл.  общеобразоват. Учреждений/  Г.Я. Мяишев, физике в средней школе. – М.,1956. 5. Б.Б. Буховцев.­ 6­е изд.­ М.: Просвещение,1998. 6. 7.  /  tensiometr    .  php   /  pov   .  ry   /  rruss    _  kruss  _  him   .  php http  http   ://   www   ://   tirit  .  infolab    /  tenz  .  org        13 ПРИЛОЖЕНИЕ Приготовление растворов Фото №1.                                                    Фото №2 Фото №3                                                     Фото №4 14 Измерение силы поверхностного натяжения Фото №5                                                      Фото №6         Фото №7                                                   Фото №8     15 Измерение температуры Фото №9 16 Фото№10 Результаты стирки Фото №11 (холодным р­ом)                        Фото №12 Фото №13(р­ом разной температуры) 17 18