Тонкие пленки в жидкостях

Оглавление.

Аннотация

Введение….....................................................................................................................................3

1. Исследование образования  тонких пленок на поверхности водоемов и экологические последствия…….……………...…………………………………………………………..……..4

2. Методы измерения размеров молекул……………………………………………………….6

3. Измерение размеров молекул подсолнечного масла, нефти и бензина…………………...9

4. Методы  подсчета площади  и диаметра  пятна тонких пленок……………………..…...12

Заключение……………………………………………………………………………………..13

Список литературы…………………………………………………………………………….14

Приложение I…………………………………………………………………………………...15

.

Тонкие пленки  в жидкостях. Коровин Илья.

Краснодарский край, Каневской район, ст. Придорожная

МБОУ СОШ № 10, 9 класс.

Введение.

Представленная работа посвящена теме исследования тонких пленок на поверхности воды и других жидкостей. Актуальность настоящей работы обусловлена большим интересом к теме данного исследования в современной науке, т. к.  образование тонких пленок на поверхности морей и рек приводит к экологическим катастрофам.

Цель исследования: В рамках достижения данной цели автором были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать образование тонких пленок на поверхности водоемов и экологические последствия.
2. Изучить методы измерения размеров молекул.
3. Измерить размеры молекул подсолнечного масла, нефти и бензина.
4. Проверить образование  тонких пленок на поверхности пресной и соленой воды.
5. Предложить методы  подсчета площади и диаметра тонких пленок на поверхности воды при техногенных катастрофах.

              В ходе решения вышеуказанных задач, были использованы следующие методы исследования:        

1. Изучение методов определения  размеров молекул.
2. Метод сравнительного анализа пленок на пресной и соленой воде.
3.  Вывод формулы для быстрого расчета площади поверхности тонкой пленки, образующейся в реках и морях.

Тонкие пленки  в жидкостях. Коровин Илья.

Краснодарский край, Каневской район, ст. Придорожная

МБОУ СОШ № 10, 9 класс.

1. Исследование образования  тонких пленок на поверхности водоемов и экологические последствия.

Нефть и нефтепродукты — основные загрязнители океанов. Разливаясь на поверхности воды они образуют  тонкие пленки большой площади толщиной примерно в одну молекулу.  Все серьёзные случаи загрязнения океана связаны с нефтью.

Разлив нефти — попадание нефти в окружающую среду в результате действий человека. В это понятие также входят аварии танкеров, аварии на нефтяных платформах, буровых установках, скважинах, а также выброс любых веществ, полученных от переработки сырой нефти. Ликвидация последствий подобных происшествий занимает от нескольких месяцев до нескольких лет. Та́нкер (англ. tanker) — морское или речное грузовое судно, предназначенное для перевозки наливных грузов. Объём одного танка может составлять от 600 до 10 000 м³ и более для крупнотоннажных танкеров. Наиболее распространены танкеры для перевозки нефти и нефтепродуктов, но танкеры используют для перевозки и других жидких грузов. Крушения крупных танкеров. Крушение танкера Торрей Каньон в марте 1967 года около Ландс Энд в Великобритании. Согласно подсчётам, тогда в море попало около 106 тысяч тонн нефти. Крушение танкера Амоко Кадис на бретонском побережье Франции в 1978 году, произошедшее из-за поломки двигателя танкера, в результате разбившегося о скалистый берег. Погибли тысячи перелётных птиц. В 1989 г. танкер «Эксон Вальдес» сел на мель в районе Аляски, и нефтяное пятно в результате разлива почти 11 млн галлонов (ок. 50 тыс. т) нефти растянулось на 1600 км вдоль побережья. [1]

Взрыв нефтяной платформы Deepwater Horizon, произошедшая 20 апреля 2010 года в Мексиканском заливе на нефтяной платформе Deepwater Horizon.  Последовавший после аварии разлив нефти стал крупнейшим в истории США и превратил аварию в одну из крупнейших техногенных катастроф по негативному влиянию на экологическую обстановку.  Нефтяное пятно достигло площади 75 тысяч квадратных километров. Это всего лишь несколько примеров крупных экологических катастроф, связанных с образованием тонких пленок из углеводородов. В связи с этим изучение и расчеты образования пятен на поверхности водоемов считаем важной задачей которая требует определенных методов решения. Один из которых предложен в данной работе. [2]

Тонкие пленки  в жидкостях. Коровин Илья.

Краснодарский край, Каневской район, ст. Придорожная

МБОУ СОШ № 10, 9 класс.

2. Методы измерения размеров молекул.

1 метод.

В молекулярной физике главные «действующие лица» — это молекулы, невообразимо маленькие частицы, из которых состоят все на свете вещества. Ясно, что для изучения многих явлений важно знать, каковы они, молекулы. В частности каковы их размеры. Когда говорят о молекулах, их обычно считают маленькими упругими твердыми шариками. Следовательно, знать размер молекул значит знать их радиус.

В одном используется свойство некоторых (очень немногих) жидкостей растекаться в виде пленки толщиной в одну молекулу.

Существует, однако, очень простой, хотя и не самый точный, способ вычисления радиусов молекул (или атомов).  Он основан на том, что молекулы вещества, когда оно находится в твердом или жидком состоянии, можно считать плотно прилегающими друг к другу. В таком случае для грубой оценки можно считать, что объем V некоторой массы m вещества просто равен сумме объемов содержащихся в нем молекул. Тогда объем одной молекулы мы получим, разделив объем V на число молекул N.

Число молекул в теле массой m равно, как известно, , где М — молярная масса вещества NA — число Авогадро. Отсюда объем V0 одной молекулы определяется из равенства

 .

В это выражение входит отношение объема вещества к его массе. Обратное же отношение  есть плотность вещества, так что

 .

Плотность практически любого вещества можно найти в доступных всем таблицах. Молярную массу легко определить, если известна химическая формула вещества.

Объем одной молекулы, если считать ее шариком, равен , где r - радиус шарика. Поэтому

 .

откуда мы и получаем выражение для радиуса молекулы:

 .

Первый из этих двух корней — постоянная величина, равная ≈ 7,4 · 10-9 моль1/3, поэтому формула для r ринимает вид

 .

Например, радиус молекулы воды, вычисленный по этой формуле, равен                   rВ ≈ 1,9 · 10-10 м. [3]

2 метод: Метод Ленгмюра и Дева

Исследуемая жидкость должна растворяться в спирте (эфире) и быть легче воды, не растворяясь в ней. При попадании капли раствора на поверхность воды спирт растворяется в воде, а исследуемая жидкость образует пятно площадью S и толщиной d (порядка диаметра молекул).

Если допустить, что молекула имеет форму шара, то объем одной молекулы равен: где d – диаметр молекулы.

 В микропипетку набираю 0,5 мл раствора и, расположив ее над сосудом, отсчитываю число капель n, содержащихся в этом объеме. Проделав опыт несколько раз, нахожу среднее значение числа капель в объеме 0,5 мл, а затем подсчитываю объем исследуемой жидкости в капле: м3,где n – число капель в объеме 0,5 мл, 1:400 – концентрация раствора.

В ванну наливаем воду толщиной 1 – 2 см.

Насыпаем тальк тонким слоем на лист бумаги, ударяя слегка пальцем по коробочке. Расположив лист бумаги выше и сбоку от ванны на расстоянии 10 – 20 см, тальк сдуваем с бумаги.

На поверхность воды в ванне из пипетки капаем одну каплю раствора. Линейкой измеряем, средний диаметр образовавшегося пятна D и подсчитываем его площадь. Опыт повторяем 2- 3 раза, а затем подсчитываем диаметр молекул d. Спирт, имеющий примеси, может легко растекаться по поверхности воды, поэтому для раствора необходим чистый этиловый спирт.

Для приготовления раствора необходимой концентрации нужно отмерить 0,5 мл жидкости и добавить в нее 4,5 мл спирта, затем в 0,5 мл полученного раствора с концентрацией 1:10 добавить 4,5 мл спирта; в 0,5 мл полученного раствора с концентрацией 1:100 добавить 1,5 мл спирта. Получившийся раствор будет иметь концентрацию 1:400. Если применять раствор большей концентрации, то необходимо иметь ванну больших размеров. [4]

Тонкие пленки  в жидкостях. Коровин Илья.

Краснодарский край, Каневской район, ст. Придорожная

МБОУ СОШ № 10, 9 класс.

3. Измерение размеров молекул подсолнечного масла, нефти и бензина.

         Для определения размеров молекул были использованы следующие инструменты и приборы: рычажные весы, разновесы, ёмкости с подсолнечным маслом, нефтью и бензином, линейка, пипетка, ёмкости с пресной и соленой водой, сосуд для опыта.

Вода для опытов  была предварительно очищена с помощью фильтров для получения более точных результатов. Плотности жидкостей взяты из справочной литературы по физике.

        C помощью приборов были проделаны следующие измерения: масса и диаметр  пятна на жидкости. Данные занесены в таблицу  1. Опыты были проделаны по нескольку раз. (см. Приложение I).

                                                                                                                                                                     Расчеты производились по следующим формулам:

m- масса капли вещества

ρ - плотность вещества

D – диаметр пятна

d – диаметр молекулы

Данный способ определения диаметра  молекул не достаточно  точный  потому, что молекулы  нельзя уложить так, чтобы между ними не было промежутков, даже если они соприкасаются друг с другом. Кроме того, при такой «упаковке» молекул были бы невозможны молекулярные движения.

Тем не менее вычисления размеров молекул по формуле, приведенной выше, дают результаты, почти совпадающие с результатами других методов, несравненно более точных.

         На фото  эксперимент проведен с нефтью (определение массы и диаметра пятна).

Опыты проводились с пресной и соленой водой (с добавлением йодированной соли). В ходе эксперимента было установлено, что диаметр пятна в соленной и пресной воде отличаются.

                                 Результаты измерений представлены в таблице 2

Из данных таблицы видно, что диаметр пятна масла и нефти уменьшается, а бензина увеличивается в соленой воде. Значит растекание нефти и бензина в реках и морях будет происходить по разному. Это необходимо учитывать при расчетах площади пятен в разных водоемах.

4.Методы  подсчета площади  и диаметра  пятна тонких пленок.

Наиболее часто транспортируют в больших количествах следующие углеводороды: нефть и бензин. Для предотвращения экологических катастроф и расчетов площади поверхности пятен на воде можно применить следующие формулы:

S=      S=       S=    

d=   

D=  

m- масса транспортируемого углеводорода

ρ - плотность транспортируемого углеводорода

D – диаметр пятна

d – диаметр молекулы, рассчитанный опытным путем ( см. таблицу  1).

V – объём транспортируемого  углеводорода

Заключение:

1. Образования пятен на поверхности водоемов считаем важной задачей, которая требует определенных методов решения. Один, из которых предложен в данной работе.
2. В работе представлены два метода определения размеров молекул. Изучение  методов  измерения размеров молекул   становится необходимым для выполнения практической части работы.
3. Опытным путем определены  размеры молекул подсолнечного масла, нефти и бензина. Данные занесены в таблицу, которую можно использовать для дальнейших расчетов.
4.  Составлена сравнительная таблица диаметра пятна в пресной и соленой воде. В ходе эксперимента было установлено, что диаметр пятна в соленной и пресной воде отличаются по размеру. Значит, растекание нефти и бензина в реках и морях будет происходить по-разному. Это необходимо учитывать при расчетах площади пятен в зависимости от  водоемов.
5. В данной работе предложены  методы ( формулы)  подсчета площади  и диаметра  пятна тонких пленок легко применимые на практике. Что позволит быстро оценить предполагаемую площадь растекания жидких углеводородов и предотвратить экологическую катастрофу.

Список литературы:

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Разлив_нефти#
2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Deepwater_Horizon
3. http://www.physbook.ru/index.php/Kvant._
4. http://xreferat.ru/opredelenie-diametra-molekul.html
5. Справочник по физике. Б.М. Яворский, А.А. Детлаф ,Москва «Наука» 2007год
6. Физика. Весь курс. В.С. Бабаев, А.В. Тарабанов, Москва «Эксмо» 2009 год.

Приложение I.

Результаты измерения массы и диаметра пятна на жидкости.