Муниципальное бюджетное образовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №2 г. Ворсма
Исследовательский проект
Изучение поверхностного натяжения мыльного раствора.
Физическая секция
Выполнила: Николаева
Ирина Сергеевна
ученица 11 «Б» класса
17 лет
МБОУ СОШ № 2 г. Ворсма
Руководитель:ЕрмолаеваМ.М.
учитель физики МБОУ СОШ № 2
г. Ворсма
г. Ворсма
2012 г.
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПРОЕКТ
«Изучение поверхностного натяжения мыльного раствора»
Цель проекта:
Изучить природу поверхностного натяжения и провести расчет и сравнительный анализ коэффициента поверхностного натяжения трех видов мыльного раствора.
Задачи моего исследования:
выяснить причины возникновения поверхностного натяжения жидкости;
рассмотреть несколько способов определения коэффициента поверхностного натяжения и выбрать для выполнения практической части работы наиболее удобный;
экспериментально рассчитать коэффициент поверхностного натяжения для трех мыльных растворов и выяснить, когда явление смачивания будет более ярко проявлять себя.
Фактически всю мою работу можно разделить на две части. Первая – это теоретическая, вторая – практическая. В теоретической части я расскажу о поверхностном натяжении жидкости и методах его определения, а в практической проведу расчеты поверхностного натяжения мыльных растворов и проанализирую полученные результаты.
Содержание.
Введение – стр. 4
Теоретическая часть . Природа поверхностного натяжения. – стр.5
Методы определения поверхностного натяжения – стр.8
Практическая часть. Качественное наблюдение изменения поверхностного натяжения воды и измерение поверхностного натяжения воды методом отрыва капель. – стр.11
Выводы. – стр.17
Список литературы. – стр.18
Введение.
Такие силы, как тяготение, упругость и трение, бросаются в глаза; мы ощущаем их непосредственно каждый день. Но в окружающем нас мире повседневных явлений действует еще одна сила, на которую мы обычно не обращаем никакого внимания. Сила эта сравнительно невелика, ее действия никогда не вызывают мощных эффектов. Тем не менее мы не можем налить воды в стакан, вообще ничего не можем проделать с какой-либо жидкостью без того, чтобы не привести в действие силы, о которых у нас сейчас пойдет речь. Это силы поверхностного натяжения.
Сила поверхностного натяжения – это сила, обусловленная взаимным притяжением молекул жидкости, направленная по касательной к ее поверхности.
Действие сил поверхностного натяжения приводит к тому, что жидкость в равновесии имеет минимально возможную площадь поверхности. При контакте жидкости с другими телами, жидкость имеет поверхность, соответствующую минимуму ее поверхностной энергии. Понятие «поверхностное натяжение» впервые ввел Я. Сегнер (1752 год).
К вызываемым поверхностным натяжением эффектам мы настолько привыкли, что не замечаем их, если не развлекаемся пусканием мыльных пузырей. Однако в природе и нашей жизни они играют немалую роль.
Теоретическая часть.
Природа поверхностного натяжения.
Молекулы на поверхности жидкости или твердых тел обладают избыточной потенциальной энергией по отношению к таким же молекулам, находящимся внутри. Эта потенциальная энергия равна по величине работе, необходимой для того, чтобы выйти на поверхность, преодолевая силы притяжения соседних молекул. Дополнительная потенциальная энергия, которой обладают молекулы поверхностного слоя по сравнению с остальными молекулами жидкости, называется поверхностной энергией. Поверхностная энергия относится к внутренней энергии жидкости. Очевидно, что эта поверхностная потенциальная энергия U пропорциональна площади поверхности S, что может быть записано как  , где  - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность Дж/м (или Н/м) и называемый коэффициентом поверхностного натяжения, который характеризует способность каждой жидкости к сокращению своей поверхности. Коэффициент поверхностного натяжения определяется свойствами соприкасающихся жидкости и газа или жидкости и твердого тела, а также температурой окружающей среды, наличием примесей. Коэффициент может изменяться в довольно широких пределах, увеличиваясь в десятки раз при переходе от спиртов до ртути. Так спирт этиловый имеет коэффициент поверхностного натяжения 23мН/м, а ртуть - 440мН/м при равных условиях.
Так как с площадью поверхности жидкости связана потенциальная энергия сил поверхностного натяжения, то жидкость, стремясь к минимуму потенциальной энергии, всегда старается сделать эту поверхность меньше. Известно, что поверхность шара является минимальной для всех тел такого же объема. Поэтому, если на каплю жидкости не действуют никакие внешние силы, то она принимает форму шара, как это происходит, например в космосе. И чем больше коэффициент поверхностного натяжения жидкости, тем с большей силой она будет стремиться минимизировать свою поверхность при прочих равных условиях.
Измерения показывают, что молекулы мыла на поверхности воды понижают ее поверхностное натяжение почти в 2,5 раза (до 30 мН/м). Происходит это из-за того, что, находясь на поверхности воды "головой вниз" они, во-первых, не стремятся внутрь и, во-вторых, отталкиваются друг от друга, а не притягиваются, как молекулы воды. Таким образом, увеличивать поверхность воды, если в ней растворено мыло, легче. А это значит, что жидкость может проникать в щели между нитями тканей. Другими словами, мыло делает воду "более мокрой".
Роль поверхностного натяжения в жизни.
Роль поверхностного натяжения в жизни очень разнообразна. Осторожно положим иглу на поверхность воды. Поверхностная пленка прогнется и не даст игле утонуть. По этой же причине легкие водомерки могут быстро скользить по поверхности воды, как конькобежцы по льду.
Прогиб пленки не позволит выливаться воде, осторожно налитой в достаточно частое решето. Так что можно «носить воду в решете». Это показывает, как трудно порой, даже при желании, сказать настоящую бессмыслицу. Ткань – это то же решето, образованное переплетением нитей. Поверхностное натяжение сильно затрудняет просачивание воды сквозь нее, и потому она не промокает насквозь мгновенно.
В своем стремлении сократиться поверхностная пленка придавала бы жидкости сферическую форму, если бы не тяжесть. Чем меньше капелька, тем большую роль играют поверхностные силы по сравнению с объемными (тяготением). Поэтому маленькие капельки росы близки по форме к шару. При свободном падении возникает состояние невесомости, и поэтому дождевые капли почти строго шарообразны. Слабый дождик промочил бы нас насквозь. Из-за преломления солнечных лучей в этих каплях возникает радуга. Не будь капли сферическими, не было бы, как показывает теория, и радуги.
Существуют целые виды насекомых мелких и паукообразных, передвигающихся за счет поверхностного натяжения:
1. Муравей, пытающийся напиться из капли росы. Капля «сминается», но сила поверхностного натяжения не дает насекомому проникнуть в нее языком. Это вода, которая не течет, вода, которую трудно пить.
2. Наиболее известны водомерки, которые опираются на воду кончиками лап. Сама же лапка покрыта водоотталкивающим налетом. Поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, но за счет силы поверхностного натяжения водомерка остается на поверхности.
Без этих сил мы не могли бы писать чернилами. Обычная ручка не зачерпнула бы чернил из чернильницы, а автоматическая сразу же поставила бы большую кляксу, опорожнив весь свой резервуар;
Нельзя было бы намылить руки: пена не образовалась бы;
Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений;
Пострадали бы важные функции нашего организма.
Проявления сил поверхностного натяжения столь многообразны, что даже перечислить их нет никакой возможности.
Методы определения поверхностного натяжения.
Существует достаточно много различных методов определения поверхностного натяжения: метод капель, метод проволочной рамки, метод кольца, метод капиллярных волн, метод капли и пузырька и др. Метод проволочной рамки и метод кольца применяются для грубых измерений поверхностного натяжения.
1. Метод пузырька.
«Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики», – писал великий английский физик лорд Кельвин.
В частности, мыльная пленка является прекрасным объектом для изучения поверхностного натяжения. Сила тяжести здесь практически роли не играет, так как мыльные пленки чрезвычайно тонки и их масса совершенно ничтожна. Поэтому основную роль играют силы поверхностного натяжения, благодаря которым форма пленки всегда оказывается такой, что ее площадь минимально возможная в данных условиях. Почему пленка обязательно мыльная? Все дело в структуре мыльной пленки. Мыло богато так называемыми поверхностно-активными веществами, концы длинных молекул которых по-разному относятся к воде: один конец охотно соединяется с молекулой воды, другой к воде безразличен. Поэтому мыльная пленка обладает сложной структурой: образующий ее мыльный раствор как бы «армирован» частоколом упорядоченно расположенных молекул поверхностно-активного вещества, входящего в состав мыла.
Вернемся к мыльным пузырям. Наверное, каждому доводилось не только наблюдать эти удивительно красивые творения, но и пускать их. Они сферичны по форме и долго могут свободно парить в воздухе. Давление внутри пузыря оказывается больше атмосферного. Избыточное давление обусловлено тем обстоятельством, что мыльная пленка, стремясь еще больше уменьшить свою поверхность, сдавливает воздух внутри пузыря, причем чем меньше его радиус, тем большим оказывается избыточное давление внутри пузыря.
Свободная поверхность жидкости стремится сократиться. Это можно наблюдать в случае, когда жидкость имеет форму тонкой пленки. Примером такого состояния могут служить мыльные пленки, подобные тем, которые вы получили в детстве, выдувая мыльные пузыри. Так как толщина мыльных пленок очень мала, жидкость в пленке можно рассматривать как два поверхностных слоя, не учитывая влияния молекул, находящихся между слоями. Получив мыльный пузырь от трубки, с помощью которой он был получен. Вы заметите, что пузырь уменьшается. Это свидетельствует о сокращении поверхности мыльной пленки.
2. Метод проволочной рамки.
Возьмите проволочный четырехугольный каркас и соедините его противоположные вершины тонкой ненатянутой нитью. Опустив каркас в мыльную воду, вы заметите, что вытянутый из воды каркас затянут мыльной пленкой. Проколов пленку по одну сторону нити, вы увидите, что нить примет форму дуги. Опыт свидетельствует о том, что поверхность мыльной пленки сокращается.
Свойство поверхности жидкости сокращается можно истолковать как существование сил, стремящихся сократить эту поверхность. Эти силы называют силами поверхностного натяжения.
С помощью описанного ниже опыта можно найти способ измерения сил поверхностного натяжения. Если опустить в мыльную воду проволочный каркас, вынув его из воды, легко заметить, что верхняя часть каркаса (до упора) затянута мыльной пленкой. Если потянуть за подвижную сторону этой рамки вниз, то пленка растянется, а если подвижную сторону отпустить, то пленка сократится.
Пленка, образовавшаяся на рамке, представляет собой тонкий слой жидкости и имеет две свободные поверхности.
Поверхностное натяжение измеряется силой, с которой поверхностный слой действует на единицу длины того или иного контура на свободной поверхности жидкости по касательной к этой поверхности. В Международной системе единиц эта величина измеряется в ньютонах на метр (1 Н/м).
3. Метод капли.
Проще всего уловить характер сил поверхностного натяжения, наблюдая образование капли у плохо закрытого или неисправного крана. Пока капля мала, она не отрывается: ее удерживают силы поверхностного натяжения (поверхностный слой выполняет роль своеобразного мешочка). Чем больше капля, тем большую роль играет потенциальная энергия силы тяжести. Всмотритесь внимательно, как постепенно растет капля, образуется сужение – шейка, и капля отрывается.
Отрыв капли происходит в тот момент, когда ее вес становится равным равнодействующей сил поверхностного натяжения, действующих вдоль окружности шейки капли. Не нужно много фантазии, чтобы представить себе, что вода как бы заключена в эластичный мешочек, и этот мешочек разрывается, когда вес превысит его прочность. В действительности, конечно, ничего, кроме воды, в капле нет, но сам поверхностный слой воды ведет себя как растянутая эластичная пленка. А видели вы когда-нибудь очень большие капли? В обычных условиях таких капель нет. И это не случайно – капли большого диаметра неустойчивы и разрываются на маленькие.
Первый взгляд на чай, налитый в чашку, подтверждает известное положение, что жидкость своей формы не имеет, а принимает форму сосуда, в который она налита. Возьмем пробирку, наполненную водой. Перевернем на книгу или открытку и будем постепенно вытаскивать открытку. Ни одна капля не пролилась, зато поверхность воды вздулась, образовав «горку». Все системы стремятся уменьшить свою энергию. Точно так же сила поверхностного натяжения стремится сократить до минимума площадь поверхности жидкости. Из всех геометрических форм шар обладает при данном объеме наименьшей поверхностью. Так что собственная форма жидкости – шар. Большое количество жидкости не может сохранить шарообразную форму; она изменяется под действием силы тяжести. Если устранить действие силы тяжести, то под действием молекулярных сил жидкость примет форму шара.
Если взять смесь воды и спирта и поместить в нее каплю жидкого масла, то в какой-то момент сила тяжести уравновесится силой Архимеда и образовавшийся масляный шар, свободно покоящийся в смеси. Этот шар от разлета по молекулам удерживает сила поверхностного натяжения. Устранить действие силы тяжести при изучении поверхностного натяжения жидкостей впервые догадался в середине прошлого века бельгийский ученый Ж. Плато, свой метод Плато применил для исследования различных явлений.
Практическая часть.
Качественное наблюдение изменения поверхностного натяжения воды и измерение поверхностного натяжения воды методом отрыва капель.
Мыла обладают поверхностной активностью – они снижают поверхностное натяжение воды. Поверхностное натяжение сильно затрудняет процесс мытья или стирки, так как препятствует быстрому и полному смачиванию текстильных волокон или других загрязненных поверхностей. Таким образом, уменьшая поверхностное натяжение воды, увеличивают ее смачивающую способность. 
Возьмем чашку с водой. Поместим туда спичку так, чтобы она плавала на поверхности. Коснемся заостренным концом мыла поверхности воды сбоку от спички. Спичка двигается в сторону от мыла.  
Это происходит потому, что поверхностное натяжение чистой воды больше, чем мыльной. С разных сторон на спичку действуют разные силы – она движется в сторону большей силы поверхностного натяжения. Поверхностный слой воды находится в натянутом состоянии подобно упругой пленке. При добавлении мыла и некоторых других растворимых в воде веществ поверхностное натяжение воды уменьшается.
Определим количественно коэффициент поверхностного натяжения для мыльных растворов.
В качестве оборудования я буду использовать весы, штангенциркуль, химический стакан, стеклянная трубка -пипетка, вода дистиллированная.
Из стеклянной трубки я капала исследуемый мыльный раствор отдельными каплями. Из курса физики я знаю, что при отрыве кали ее вес Р0 равен силе поверхностного натяжения
Р0=F,
где Р0=m0·g, m0 – масса одной капли жидкости,
 , l – длина окружности шейки капли;
d – диаметр шейки капли, равный внутреннему диаметру узкого конца стеклянной трубки. Тогда
При выполнении работы соблюдала следующий порядок.
1.Приготовила необходимые приборы.
2. Измерила внутренний диаметр стеклянной трубки с помощью штангенциркуля.
3. Приготовила три образца мыльного раствора одинаковой концентрации. Для исследования я приготовила три мыльных раствора одинаковой концентрации. На 100 мл воды я взяла 5 г мыла каждого вида.  
4. Подставила под трубку чашку весов и убедилась, что вода поступает на весы каплями.
5. Накапала на весы 60 капель.
6. Вычислила коэффициент поверхностного натяжения.
7. Опыт повторила несколько раз для каждого образца мыла.
8. Результаты измерений и вычислений занесла в таблицу.
9. Вычислила систематическую и случайную погрешность измерений.
Δδ=( ׀δ1- ׀+ ׀δ2- ׀+ ׀δ3-׀+ ׀δ4 ׀+ ׀δ5- / 5
Под экземплярами представлено:
Мыло хозяйственное «Duru»
Мыло «Камаy»
Мыло детское «Мой малыш»
Для мыла «Хозяйственное «Duru»
получены результаты, представленные в таблице 1.
Таблица 1.
№
|
|
 , число
капель
|
 , масса
|
|
1
|
0,99
|
60
|
0,0213
|
0,067
|
2
|
0,99
|
60
|
0,024
|
0,07
|
3
|
0,99
|
60
|
0,025
|
0,082
|
4
|
0,99
|
60
|
0,024
|
0,061
|
5
|
0,99
|
60
|
0,024
|
0,07
|
Для мыла «Камаy» получены результаты, представленные в таблице 2.
Таблица 2.
№
|
|
, число
капель
|
, масса
|
|
1
|
0,99
|
60
|
0,027
|
0,08
|
2
|
0,99
|
60
|
0,028
|
0,09
|
3
|
0,99
|
60
|
0,027
|
0,08
|
4
|
0,99
|
60
|
0,029
|
0,1
|
5
|
1,05
|
60
|
0,028
|
0,08
|
Для детского мыла «Мой малыш» получены результаты, представленные в таблице 3.
Таблица 3.
№
|
|
, число
капель
|
, масса
|
|
1
|
0,99
|
60
|
0,028
|
0,079
|
2
|
0,99
|
60
|
0,027
|
0,084
|
3
|
0,99
|
60
|
0,026
|
0,085
|
4
|
0,99
|
60
|
0,027
|
0,082
|
5
|
0,99
|
60
|
0,027
|
0,091
|
При объяснении «мыльных» свойств мыла, я выяснила, что, чем меньше коэффициент поверхностного натяжения раствора, тем оно будет лучше проникать между зазорами вещества, испытывающего действие мыла. Рассчитав поверхностное натяжение каждого экземпляра можно сказать, что использовать для стирки белья желательно экземпляр под номерами 1 и 3, то есть мыло «Хозяйственное «Duru» и детское мыло «Мой малыш». При малом коэффициенте поверхностного натяжения они лучше проникают между зазорами нитей.
Выводы.
Работа над проектом мне дала многое. Хотя бы начать с того, что мне пришлось изучить много теоретического материала, а значит, полагаю, научилась извлекать информацию с бумажных носителей – книг, электронных – дисков, критично ее оценивать с точки зрения научности. При проведении эксперимента мне пришлось научиться пользоваться измерительным прибором – штангенциркулем.
При выполнении собственного эксперимента я поняла, как тяжел путь первооткрывателей, исследователей, людей, занимающихся наукой. Для того, чтобы получить положительный результат эксперимента нужно не только знание каких-то теоретических основ, но и умение видеть, наблюдать, обобщать, а самое важное – умение четко планировать свою работу. Я столкнулась с тем, что при проведении опытов получаю незначительную разницу в измерениях и если бы я не предполагала о ее наличии, то зафиксировать ее достаточно трудно.
Я думаю, что умение анализировать имеющие факты, умение сопоставлять и прогнозировать, умение находить пути решения возникающих ситуаций – все это приходит с опытом, с практикой. Чтобы приобрести все эти навыки и снова получить удовлетворение от своих маленьких открытий, даже если они уже известны, я постараюсь продолжить обучение в ВУЗе .
Список литературы.
1. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. Пособие для вузов.-2-е изд., перераб. И доп. –М.: Высш. шк., 1990.
2. Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3-х т./Под ред. Г.С.Ландсберга. Т.II. Электричество и магнетизм.-10-е изд., перераб.-М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1986.
3. Электив 11: Физика. Химия. Биология: Конструктор элективных курсов (Межпредметных и предметно-ориентированных)-М.: 5 за знания, 2006.
|
