Проект" Кристаллизация мыльного пузыря".

Цель исследования: изучение кристаллизации мыльного пузыря и выявление зависимости скорости кристаллизации от доли мыльного средства в растворе. Методы исследования: анализ, наблюдение, эксперимент, гипотеза. Задачи работы: сбор и изучение информации по выбранной теме, проверка зависимости скорости кристаллизации мыльного пузыря от доли мыльного средства в растворе, построение графиков и диаграмм, создание электронной презентации по теме. 1 Оглавление. Введение. Основная часть. 1. Из чего состоит мыльный пузырь и почему имеет форму сферы. 2. Почему пузырь, надутый теплым воздухом, в процессе кристаллизации деформируется? 3. Опыты по кристаллизации мыльного пузыря, полученного из растворов с различным содержанием моющего средства. 4. Сравнение результатов скорости кристаллизации от содержания моющего средства в растворе. 5. Что происходит с мыльным пузырем при его переходе из области с комнатной температурой в область пониженной температуры? 6. Выводы. Заключение. 2 Глоссарий. «Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него. Вы можете всю жизнь заниматься его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики». Уильям Томсон Кельвин. Наверное, все в детстве любили выдувать мыльные пузыри, ведь это очень интересное занятие. А изучать их с точки зрения физики – не менее занимательно. Начнем со строения пленки мыльного пузыря. Пленка пузыря образована тремя слоями, состоящими из молекул, наружный – из молекул мыла, средний – из молекул воды (с некоторым содержанием молекул мыла, расположенных беспорядочно), внутренний – также из молекул мыла. Молекула мыла имеет такую структуру: один ее конец является гидрофильным (взаимодействует с водой), т.е. обращен к поверхности водного слоя пленки, а другой гидрофобным (который отталкивает воду), т.е. обращен концу. противоположно другому 3 Молекулы мыла адсорбируются на поверхности воды, тем самым уменьшая поверхностное натяжение воды. Т.е. при понижении поверхностного натяжения пузырь должен принять такую форму, чтобы площадь его поверхности была минимальна. Газ, находящийся в самом пузыре, стремится расшириться, а пленка пузыря наоборот, стремится максимально уменьшить свою внешнюю поверхность. Поэтому пузырь должен иметь форму с наименьшей площадью поверхности при данном объеме и иметь наибольший возможный объем. 4 («Как известно из геометрии, сфера при данной площади замкнутой поверхности обеспечивает максимальный заключенный в ней объем, а именно в этом газ и нуждается. Условия оптимального решения можно сформулировать, имея ввиду и интересы поверхности. Форма сферы при данном объеме газа обеспечивает минимальную поверхность, а именно в этом поверхность и нуждается.» И. В. Гегузин, книга «Пузыри»). Молекулы мыла выстраиваются на поверхности водной пленки одним слоем, полностью покрывая данную часть, с обеих сторон от поверхности водного слоя пленки. При этом молекулы мыльного вещества не дают испаряться воде в пленке, тем самым пленка не истончается. Но, как известно 5 из наблюдений, пленка при выдувании пузыря растягивается. Об этом свидетельствует увеличение объема пузыря. Объем пузыря может увеличиваться до тех пор, пока молекулы мыла способны покрыть всю поверхность пленки. В противном случае в местах, где молекул мыла нет, водная часть пленки испаряется, истончается, и пузырь лопается. Пузырь также может лопнуть и по другим причинам – например, из-за действия какой-либо внешней силы. Кристаллизация пленки мыльного пузыря – это переход жидкой пленки в твердое состояние. При кристаллизации по истечении некоторого времени после начала процесса пленка мыльного пузыря начинает мутнеть – она переохлаждается, затем происходит кристаллизация. В дальнейшем пузырь начинает покрываться узорами, похожими на узоры, которые образуются на стекле – он кристаллизуется. 6 При наблюдении за пузырем, надутым при комнатной температуре, можно увидеть движения небольших потоков воды вниз (это происходит вследствие силы тяжести), а также его вращение. В объеме пузыря температура между 7 поверхностями неодинакова, поэтому возникают различные воздушные потоки, действующие с некоторой силой на внутреннюю поверхность пленки. Эти силы и вызывают вращение пузыря. В процессе кристаллизации мыльного пузыря эти движения и вращение постепенно замедляются и в итоге прекращаются вообще. При замораживании пузыря он, находясь на трубочке, через некоторое время отделяется от нее. При этом на его поверхности образуется разрыв. При небольшом разрыве поверхность пленки не стремится вернуть свою целостность, т.к. кристаллы не находятся в активном движении, но и не стремится разрушиться полностью. Если закристаллизовавшийся мыльный пузырь упадет на поверхность, он не лопнет и не разлетится на осколки. Пленка такого пузыря пластична, поэтому на нем появятся вмятины, искажения, в некоторых местах части пленки закрутятся в трубочку. 8 Пластичность пленки объясняется малостью ее толщины. По всей толщине поликристаллической пленки обычно располагается один монокристаллик. Если на пленку действует сила, монокристаллики могут скользить относительно друг друга, тем самым пленка приобретает пластичность. (на основе материала из книги И. В. Гегузина «Пузыри»). деформирующая какая-либо Теперь ответим на поставленный вопрос: «Почему пузырь, надутый теплым воздухом, в процессе кристаллизации деформируется?»Пузырь имеет форму сферы. А это значит, что при комнатной температуре давление, которое создает газ в объеме пузыря на внутренние стенки пленки, равно давлению атмосферного воздуха на внешнюю стенку пленки. 9 чем давление окружающего воздуха, Мы надуваем пузырь теплым воздухом, при перенесении пузыря в морозильную камеру, воздух в объеме охлаждается, уменьшается его объем. Это значит, что его давление меньше, и окружающий воздух действует на пленку с большей силой, чем воздух внутри пузыря. Эта сила и вызывает деформацию – местами пленка пузыря оказывается вогнутой в объем пузыря. 10 Теперь рассмотрим, зависит ли скорость кристаллизации пузыря от доли мыльного средства в растворе. Гипотеза: Скорость кристаллизации мыльного пузыря зависит от доли мыльного средства в растворе. В результате работы подтвердим или опровергнем данную гипотезу, а также выявим эту зависимость. 11 Оборудование для опыта, вещества: вода, средство для мытья посуды «Ферри и Аоs», термометр, 4 лабораторные мензурки, 2 стакана, палочка, шприц (20 мл), трубка для выдувания пузырей, секундомер, фотоаппарат, морозильная камера. Краткий план действий: 1.Взять 4 мензурки, сделать растворы из воды и моющего средства с разным содержанием средства. 2.Взять первый раствор, выдуть из него пузырь и поместить в морозильную камеру, предварительно включив секундомер. 3.Пронаблюдать за процессом кристаллизации (за временем кристаллизации). 4.Сделать вышесказанное 2-3 с другими растворами. 5.Взять 2 стакана, наполнить один водой, другой – мыльным средством. (Уровни воды и мыльного средства в стаканах одинаковы.) 6. Поместить их в морозильную камеру, примерно на 25 минут. 7. После этого достать и проверить на степень кристаллизации. Сделать вывод: Подтвердить или опровергнуть 8. предложенную гипотезу. Ход работы: 12 1.Для начала измерим температуру в морозильной камере, она равна -18 С. 2.Возьмем 4 мензурки, шприц, моющее средство и воду. Объем раствора в мензурках - 60 мл (60 мл = 100 %). 3. Сделаем раствор №1 с содержанием моющего средства 1%. Расчеты: 60 мл = 100 %, значит 0.6 мл = 1 % (содержание моющего средства). 60 мл – 0.6 мл = 59.4 мл (объем воды). 4.С помощью шприца наберем в мензурку рассчитанное 13 количество воды и моющего средства. В процессе диффузии мыльное средство растворится в воде. 5.Далее сделаем следующие три раствора по вышеописанному. Результаты расчетов для растворов с 1%, 25%, 50%, 80% моющего средства: Содержание моющего средства в растворе Объем воды (в мл) Объем моющего средства (в мл) 1 % 25 % 50 % 80 59,4 0,6 45 15 % 30 12 30 48 6.Надуем мыльный пузырь из 1%-ного раствора, поместим его в 14 морозильную камеру и включим секундомер. Как известно, мыльный пузырь вращается и при кристаллизации его вращение замедляется. Выключим секундомер тогда, когда вращение пузыря закончится, он остановится (это можно увидеть невооруженным глазом). При окончании вращения пузырь падает на поверхность в морозильной камере. 7.Зафиксированное секундомером время кристаллизации пузыря: из 1%-ного раствора 15.25 сек. - 15.2 сек. (фото №1.) Фото №1 Фото №1 Кристаллизация пузыря из 1%-ного раствора Показания секундомера Фото №2 Фото №2 15 Кристаллизация пузыря из 25%-ного раствора Показания секундомера Фото №3 Фото №3 Кристаллизация пузыря из 50%-ного раствора Показания секундомера Фото №4 Фото №4 Кристаллизация пузыря из 80%-ного раствора Показания секундомера Из 25%-ного раствора 20.75 сек. - 20.8 сек. (Фото № 2) Из 50%-ного раствора 28.72 сек. ~ 29 сек. (Фото № 3) Из 80%-ного раствора 37.94 сек. ~ 38 сек. (Фото № 4) 16 Кристаллизация пузыря из 1%-ного раствора 40 30 Кристаллизация пузыря из 25%-ного раствора 20 10 Кристаллизация пузыря из 50%-ного раствора 0 Время кристаллизации (в секундах) Кристаллизация пузыря из 80%-ного раствора Процесс кристаллизации 17 Время кристаллизации (в секундах) 40 37.99 35 30 25 28.77 20.78 20 15 15.24 10 5 0 0 0 0 0 Кристаллизация пузыря из 1%-ного раствора Кристаллизация пузыря из 25%-ного раствора Кристаллизация пузыря из 50%-ного раствора Кристаллизация пузыря из 80%-ного раствора Процесс кристаллизации Моющее средство AOS. 18 40 35 30 Кристаллизация пузыря из 1% раствора 25 Кристаллизация пузыря из 25% раствора Время кристаллизации в секундах 20 15 Кристаллизация пузыря из 50% раствора 10 Кристаллизация пузыря из 80% раствора 5 0 0 0 0 0 Процесс кристаллизации Моющее средство FAIRY. 37.6 29.5 21.3 16.5 19 Получается, что скорость кристаллизации мыльного пузыря зависит от доли моющего или другого мыльного средства. И чем меньше доля средства, тем быстрее кристаллизация. Значит, можно сказать, что предложенная гипотеза верна. Подкрепим это еще одним опытом. 1.Возьмем 2 стакана: один с водой, второй с мыльным средством и поставим их в морозильную камеру одновременно. 2.Приблизительно через 25 минут достанем их из морозильной камеры. 20 3.Теперь проверим их на «степень кристаллизации». Для этого поместим палочку сначала в стакан с мыльным средством , AOS. 21 а затем с водой. FAIRY. Вода оказалась тверже, закристаллизовалась, скорость ее кристаллизации больше. значит, она быстрее 22 гипотеза предложенная «Скорость Получается, кристаллизации мыльного пузыря зависит от доли мыльного средства в растворе» верна и подлежит подтверждению. Также верно утверждение «Чем меньше доля мыльного средства, тем быстрее происходит кристаллизация пузыря». Теперь рассмотрим, что происходит с мыльным пузырем при его переходе из области с комнатной температурой в область пониженной температуры. Для этого нужно надуть пузырь над морозильной камерой (на высоте приблизительно 30-40 см) и пустить его в свободное падение. При этом наблюдается явление: Сначала пузырь свободно падает, затем, встретив на своем пути область пониженной температуры, начинает подниматься вверх до определенного уровня (до выравнивания температур внутри пузыря и морозильной камеры). Это происходит потому, что теплый воздух легче холодного (плотность теплого воздуха меньше), и пузырь, наполненный теплым воздухом, поднимается вверх под действием выталкивающей силы. Выводы: 1.Пузырь, надутый теплым воздухом, в процессе кристаллизации деформируется. Деформация пузыря происходит из-за разности давлений в объеме пузыря и окружающего воздуха. 2.Скорость кристаллизации мыльного пузыря зависит от доли мыльного 23 средства в растворе. Чем меньше доля ,тем быстрее кристаллизация. 3.При падении пузыря из области с комнатной температурой в область пониженной температуры (-18 С), он начинает подниматься вверх под действием выталкивающей силы. ГЛОССАРИЙ. Адсорбция – концентрация одного вещества на поверхности раздела фаз. Воздушные потоки – движущиеся потоки воздуха. Выталкивающая сила газа – направленная вверх равнодействующая сил давления газа, действующих на поверхность погруженного в газ тела. Давление газа – возникает вследствие ударов молекул газа о стенки сосуда. Деформация – изменение объема или формы тела. Деформирующая сила – сила, из-за действия которой на тело возникает деформация. 24 взаимное проникновение молекул одного Диффузия - вещества между молекулами другого вещества. Испарение – процесс перехода жидкости в газообразное состояние. Кристаллизация – процесс образования кристаллов. Монокристаллик – кристалл, представляющий собой однородное тело (все части кристалла имеют однородные свойства). Поверхностное натяжение – сила, действующая со стороны поверхностного слоя на единицу длины контура, ограничивающего этот слой. Поликристаллическая пленка (поликристаллическое тело) – тело, представляющее собой беспорядочные скопления многочисленных мелких кристаллов. Свободное падение – падение тела под действием силы притяжения Земли. Сила тяжести – сила, с которой Земля притягивает тело, находящееся на ее поверхности или вблизи нее. Температура – мера средней кинетической энергии молеку. Литература. 1. Блудов М.И. Беседы по физике.- М.: Просвещение, 1972год.-Ч. 1.-С.120-126 (Физика поверхностей). 2. Гегузин Я.Е. Пузыри-М.: Вербум, 1985 год.- С.39-46. 3. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики.- М.: Наука, 1973год.- Ч. 1.- С.503-536 (Свойства жидкостей). 25 4. Мякишев М.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Учебник физики, 10 класс. – М.: Просвещение, 2012год. 5. Материалы из интернета по теме: а) Мыльные пузыри. http://yandex.ru/yandsearch?text=%D0%BC%D1%8B%D0%BB %D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B5+%D0%BF %D1%83%D0%B7%D1%8B%D1%80%D0%B8+ %D1%84%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%88%D0%BE %D0%BF&from=fx3&clid=46510. б) Поверхностное натяжение. http://www.akvadizain.ru/chemicals/catalog/209/217. http://ru.wikipedia.org/wiki/%CF%EE%E2%E5%F0%F5%ED%EE %F1%F2%ED%EE%E5_%ED%E0%F2%FF%E6%E5%ED%E8%E5. http://images.yandex.ru/yandsearch? stype=image&lr=11101&noreask=1&text=%D0%BF%D0%BE %D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%85%D0%BD%D0%BE %D1%81%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B5%20%D0%BD %D0%B0%D1%82%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD %D0%B8%D0%B5%20%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D1%8B. 26 27