Исследование температурной зависимости поверхностного натяжения растворов синтетических моющих средств

I. введение

В наше время очень большое значение для практического применения имеют свойства и качества синтетических моющих средств. На уроках физики, изучая явление поверхностного натяжения, познакомились с табличными данными  только при 20°C, а при других температурах он не известен. Поэтому главной целью в этой работе стало более глубокое изучение  зависимости коэффициента  поверхностного натяжения растворах синтетических моющих средств от температуры. В связи с этой целью ставятся следующие задачи.

1. проанализировать измерение физических свойств синтетических моющих средств в зависимости от температуры;
2. отследить диагностические исследования, полученные практическим путем;

1. сделать вывод о проделанной работе.

II. поверхностное натяжение

Вы, вероятно, неоднократно видели на водоемах водомерок – насекомых, бегающих по воде. Если внимательно приглядеться, то можно увидеть, что поверхн6ость воды под их лапками немного прогибается. Создается впечатление, что лапка лежит на упругой пленке, прогнувшейся под иглой. Чтобы объяснить, почему поверхностный слой подобен растянутый упругой пленке, рассмотрим молекулу, находящуюся на поверхности жидкости и внутри нее. Жидкости, так же как и твердые тела, обладают большой объемной упругостью, т. е. сопротивляются изменению своего объема, но, как и газы, не обладают упругостью формы. Жидкость, налитая в сосуд, заполняет его и принимает форму сосуда. Действие силы тяжести прижимает жидкость ко дну сосуда, а свободная поверхность жидкости устанавливается горизонтально. Над поверхностью жидкости находятся насыщенный пар и газообразный воздух. Таким образом, объем жидкости оказывается ограниченным стенками сосуда и газом. При этом условия, в которых молекулы жидкости находятся на границах раздела, будут отличаться от условий внутри объема жидкости.

На каждую молекулу внутри жидкости действуют силы притяжения соседних молекул, окружающих ее со всех сторон (см. рис.1).

Рис. 1.

Равнодействующая этих сил равна нулю. Равнодействующая же сил притяжения, действующих на молекулы поверхностного слоя, не равна нулю (так как над поверхностью жидкости находится пар, плотность которого во много раз меньше, чем плотность жидкости) и направлена внутрь жидкости. Под действием этой силы молекулы поверхностного слоя стремятся втянуться внутрь жидкости, число молекул на поверхности уменьшается, и площадь поверхности сокращается. Но все молекулы, разумеется, не могут уйти вовнутрь. На поверхности остается такое число молекул, при котором площадь поверхности оказывается минимальной в каждом конкретном случае  при заданном объеме жидкости, силах, действующих на жидкость.

Рис. 2

Рассмотрим первоначально молекулы, находящиеся в поверхностном слое свободной поверхности жидкости, т. е. на границе жидкость — газ. Легко понять (рис.2), что такая молекула имеет в среднем только шесть ближайших соседей, а не 12. Поэтому ее потенциальная энергия выше, чем потенциальная энергия той же молекулы внутри жидкости. Поэтому для извлечения молекулы изнутри жидкости на ее свободную поверхность надо затратить внешнюю работу.

При обратном переходе молекулы из поверхностного слоя жидкости внутрь объема ее потенциальная энергия будет уменьшаться на ту же величину. Как тело в поле тяжести стремится занять наинизшее положение с наименьшей потенциальной энергией (если ему в этом не препятствуют другие силы), так и молекулы, находящиеся на свободной поверхности жидкости, будут стремиться перейти внутрь ее объема. 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.

Если при постоянной температуре обратимым путем изменить поверхность жидкости на бесконечно малую величину dS, то необходимая для этого работа

 (1)

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

Коэффициент  является основной величиной, характеризующей свойства поверхности жидкости, и называется коэффициентом поверхностного натяжения ( > 0). Следовательно, коэффициент поверхностного натяжения измеряется работой, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу. Очевидно, в системе СИ  имеет размерность 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:

В данном случае единицей поверхностного натяжения в СИ будет 1 Н/м, что не противоречит уже названной единице: Поверхностное натяжение зависит от рода жидкости и от ее температуры: с повышением температуры оно уменьшается. Так называемые поверхностно-активные вещества (мыло, жирные кислоты) также уменьшают поверхностное натяжение.

Из сказанного ясно, что молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами, находящимися в объеме жидкости, потенциальной энергией. Обозначим ее . Эта энергия, как всегда, измеряется работой, которую могут совершить молекулы поверхности, перемещаясь внутрь жидкости под действием сил притяжения со стороны молекул в объеме жидкости.

Поскольку энергия обязана своим происхождением наличию поверхности жидкости, то она должна быть пропорциональна площади S поверхности жидкости:

Тогда изменение площади поверхности dS повлечет за собой изменение потенциальной энергии

, (2)

которое сопровождается работой

в полном соответствии с (1).

Если, как было указано, изменение поверхности S осуществляется при постоянной температуре, т. е. изотермически (и обратимо), то, как известно, потребная для этого работа равна изменению свободной энергии F поверхности:

.

(Если изменение поверхности жидкости произвести адиабатно, то ее температура изменится. Например, увеличение поверхности приведет к ее охлаждению.) Значит, избыточная потенциальная энергия поверхности жидкости, о которой говорилось выше, является свободной энергией поверхности и, следовательно,

 (3)

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

Если давление газа или пара над свободной поверхностью жидкости мало превышает атмосферное, то газ можно считать идеальным газом и пренебрегать его взаимодействием с молекулами поверхностного слоя жидкости. Поэтому при низких давлениях поверхностное натяжение жидкости практически не зависит от давления газа над жидкостью.

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 величина а должна уменьшаться. В том же направлении должно действовать и возрастание плотности насыщенного пара с повышением температуры. При приближении Т к Tk свойства пара приближаются к свойствам жидкости и условия взаимодействия, в которых находятся молекулы поверхностного слоя, перестают практически отличаться от условий внутри жидкости. Поэтому при Т = Tk, в критической точке, поверхностное натяжение жидкости а должно обращаться в нуль.

На этот факт, как уже упоминалось в предыдущем пункте, впервые указал Д. И. Менделеев в 1860 г. Для большинства жидкостей поверхностное натяжение падает с температурой практически линейно.

До сих пор мы исходили, в первом приближении, из предположения, что любая молекула взаимодействует лишь со своими ближайшими 12 соседями. Строго говоря, это, конечно, не так. Молекулы взаимодействуют и на больших расстояниях, но силы взаимодействия быстро убывают. Разделив мысленно жидкость, окружающую молекулу, на концентрические слои одинаковой толщины, как это показано на рис. 3, мы видим, что число молекул в каждом последующем слое возрастает. Следовательно, энергия взаимодействия молекул с каждым концентрическим слоем изменяется с расстоянием слоя от центральной молекулы пропорционально, но все еще очень быстро.

Рис. 3

Практически с данной молекулой внутри жидкости взаимодействует только относительно небольшое число молекул. Поэтому полную энергию любой молекулы внутри жидкости можно практически считать не зависящей от объема жидкости.

Однако, если слой жидкости достаточно тонок, то энергия молекул будет зависеть уже от его толщины. Это обстоятельство оказывается особенно существенным при наличии в жидкости растворенных ионов (диссоциировавших ионных молекул типа NaCl и др.), взаимодействие между которыми убывает значительно медленнее.

Кроме температуры и толщины слоя, на величину поверхностного натяжения жидкости существенно влияют растворенные в последней, даже в малых количествах, примеси. Если энергия взаимодействия молекулы растворенного вещества с молекулой растворителя меньше энергии взаимодействия молекул растворителя между собой, то при выходе растворенной молекулы на поверхность и вытеснении ею одной молекулы растворителя из поверхности в объем жидкости будет выделяться энергия.

Растворенные молекулы будут вытесняться на поверхность жидкости и одновременно будут понижать поверхностное натяжение раствора.

Такие вещества носят название поверхностно-активных веществ по отношению к данной жидкости. Простейшими поверхностно-активными веществами по отношению к воде являются спирты, жирные кислоты и их соли (мыла). В расплавленных металлах подобными поверхностно-активными веществами, концентрирующимися на поверхности расплава, являются обычно более легкоплавкие примеси.

III. Прибор для исследования температурной зависимости поверхностного натяжения жидкости

Рассмотрим прибор, позволяющий демонстрировать и изучать зависимость поверхностного натяжения от температуры жидкости. Он состоит из двух одинаковых сосудов 1 – это верхние части пластиковых бутылок, закрытых пробками, в которые вставлены трубки с регулируемыми зажимами 2 и тонкими трубками 3. в один из сосудов помещается нагреватель (можно использовать имеющиеся в продаже бытовые кипятильники при строгом соблюдении правил электробезопасности). Под трубками 3 помещаются емкости для сбора капель 5, которые устанавливаются на чашки учебных весов 6. сосуды устанавливаются на штативах над чашами весов (Рис. 4).

При проведении исследования в сосуды заливают воду и с помощью зажимов 2 устанавливают одинаковую скорость падения капель. Поскольку добиться одинаковой скорости падения (т.е. баланса весов) весьма затруднительно, мы рекомендуем устанавливать баланс так, чтобы чашка весов под сосудом без нагревателя слегка перевешивала. Затем на нагреватель подают напряжение,  и постепенно перевешивает чаша весов под сосудом с нагревателем.

Сосуд с нагревателем можно использовать для исследования влияния нагрева жидкости на коэффициент поверхностного натяжения, измеряемого по методу подсчета капель. Для этого в сосуд устанавливают термометр,  а сам сосуд и особенно трубки теплоизолируют для выравнивания температуры вытекающей жидкости и измеряемой термометром. Температуру следует поднимать медленно, равномерно прогревая жидкость. После ее установления первые несколько капель при проведения измерения не учитывают.

Рис. 4.

IV. Исследовательская часть.

В предыдущих пунктах рассмотрена природа поверхностного натяжения и факторы, влияющие на ее величину. В дальнейшем, при проведении экспериментов, меняются только температура (по шкале, рекомендуемой для стирки: 30, 60, 90°C) и концентрация (0,25;0,5 и 1 грамм стирального порошка на 120 грамм воды).

Алгоритм измерения поверхностного натяжения методом отрыва капель:

1. Приготовить оборудование.
2. Измерить внутренний диаметр трубки, массу емкости для сбора капель с точностью до 0,01г.
3. Настроить с помощью зажимов скорость падения капель раствора (30-40 капель в минуту.)
4. Поставить пустой стакан.
5. Отсчитать 200 капель.
6. Взвесить стакан и вычислить массу вылившейся воды.
7. Посчитать поверхностное натяжение по формуле: σ=Mg/NπD,

где  M – масса вылившейся воды;

g – модуль ускорения свободного падения;

N – число капель раствора;

D – внутренний диаметр стеклянной трубки-наконечника.

N=200; D=4,85·10-³м; g=9,81м/с²;

8. Все расчеты выполнены в системе СИ.

Таблица 1.

По данной таблице построены графики (вы можете посмотреть их в приложении), сравнивая которые можно увидеть некоторые закономерности: при увеличении концентрации у порошков-автоматов поверхностное натяжение возрастает; у порошков для ручной стирки (если сравнивать крайние точки графика) поверхностное натяжение тоже увеличивается, но на меньшее значение и по другой зависимости.

Если же концентрацию оставлять неизменной, а изменять только температуру раствора, то следует сказать, что при разной константе растворы ведут себя по-разному: например сравните Миф (автомат) при n=0,25/120 и при n=0,5/120. Такая функция резко изменяет свое поведение, но в одном случае она возрастает, а в другом – убывает. У порошков же для ручной стирки она либо незначительно уменьшается, либо резко возрастает (см. приложение).

Отсюда можно сделать вывод, что увеличение концентрации не приводит ни к чему хорошему, да и увеличение температуры не дает эффективного результата.

Проделав работу, убедился, что действительно поверхностное натяжение зависит от температуры. Чем выше температура, тем меньше коэффициент поверхностного натяжения. Чем меньше коэффициент поверхностного натяжения, тем вода лучше проникает в ткань. Значит СМС с меньшим коэффициентом лучше стирают.

V. Выводы

В данной работе были выявлены и подтверждены основные факторы, влияющие на величину поверхностного натяжения: температура и концентрация. Из теории были определены и использованы отрыва капель.

В процессе исследования установлено, что при повышении температуры растворов одинаковой концентрации поверхностное натяжение почти не изменяется: оказывается, при увеличении концентрации у порошков-автоматов поверхностное натяжение возрастает; у порошков для ручной стирки (если сравнивать крайние точки графика) поверхностное натяжение тоже увеличивается, но на меньшее значение и по другой зависимости. Если же концентрацию оставлять неизменной, а изменять только температуру раствора, то следует сказать, что при разной константе растворы ведут себя по-разному: в одном случае поверхностное натяжение возрастает, а в другом – убывает. У порошков же для ручной стирки оно либо незначительно уменьшается, либо резко возрастает. Если увеличивать температуру при концентрации n=0,25/120, то поверхностное натяжение снизится, но, например, Миф (автомат) изменяет это значение скачкообразно (по графику видна оптимальная температура 60°C), резкое изменение у Sorti, а ручной Миф имеет оптимальную температуру 90°C, т.к. функция выпуклая.

Если же увеличивать концентрацию при неизменной температуре t=30°C, то поверхностное натяжение резко снижается у Sorti, незначительно снижается у раствора Миф для ручной стирки и Bingo (автомат), незначительно увеличивается у Миф (автомат). Отсюда можно сделать вывод, что увеличение концентрации и увеличение температуры не дает эффективного результата. Т.е. использование стиральных порошков позволяет не доводить раствор до кипения, что способствует экономному расходованию энергии и меньшему загрязнению использованной воды.

Список литературы

1. З.Г.Абрамович, Т.О.Мовшевич «Курс общей физики»; М., «Наука», 1974.
2. Буров В.А., Дик Ю.И., Зворыкин Б.С. и др. Фронтальные лабораторные занятия по физике в 7 – 11 классах общеобразовательных учреждений: Кн. Для учителя. – М.: Просвещение, 1996.
3. Бутырский Г.А., Сауров Ю.А. Экспериментальные задачи по физике: 10 – 11 кл.: Кн. Для учителя. – М.: Просвещение, 1998.
4. Волков, В. А. Поурочные разработки 10 класс. [Текст] / В. А. Волков. – М.: Вако,2006.
5. Дик, Ю. И. , Ильин В. А. Физика. Большой справочник для школьников и поступающих в ВУЗы. [Текст] / Ю. И. Дик, В. А. Ильин. – М.:Дрофа,1999.
6. Кабардин О. Ф. Физика. Справочные материалы. [Текст] / О. Ф. Кабардин. – М.: «Просвещение»,1991.
7. И.В.Савельев «Курс общей физики»; М., «Наука»,1966.
8. Чуянов, В. А. Энциклопедический словарь юного физика. [Текст] / В. А. Чуянов. -  М.: «Педагогика».1984.

VII. Приложение

5

3

2

4

1