Глава 5. Экспериментальная часть

Прежде чем преступить к экспериментальной части нашего исследования, необходимо было отыскать рецепты приготовления мыльных растворов. При изучении ресурсов интернета, отыскалось несколько десятков различных вариантов. Для облегчения выбора, мы выделили следующие критерии:

- простота приготовления раствора;

- минимальное время приготовления;

- доступность необходимых компонентов;

- эффективность раствора по данным исследований в других работах.

Таким образом, рецепты с использованием хозяйственного мыла и стирального порошка, автоматически отпадают, поскольку растворы с ними готовятся сложнее и дольше. А до полной готовности их необходимо выдерживать от нескольких дней до недели. С учетом того, что приготовленные растворы без консервантов долго не хранятся, из-за развития микроорганизмов, есть ли смысл готовить такого рода растворы.

Как оказалось, без мыла и порошка, рецептов с другими моющими средствами тоже предостаточно. Проанализировав множество из них, мы увидели закономерность: в рецептах с одними и теми же компонентами, меняется соотношение синтетического моющего средства (или СМС) к воде, и глицерина (или сахара) к СМС. Исходя из этого обстоятельства и критериев, приведенных выше, нами были отобраны 6 составов (см. приложение 1).

Для приготовления растворов мы использовали средство для мытья посуды AOS (поскольку в рецептах не указывалось конкретное название средства), глицерин и дистиллированную воду (см. приложение 1).

Приготовленные растворы, мы проверили на качество (см. стр.14). Все растворы прошли проверку, т.е. подходят для выдувания мыльных пузырей.

Поскольку при выдувании пузыря из раствора, мыльная пленка растягивается (в отличие от чистой воды), существует распространенное заблуждение, что мыло увеличивает поверхностное натяжение воды. На самом же деле, оно делает как раз обратное – уменьшает поверхностное натяжение. Чтобы убедиться в этом наглядно, нами был проведен следующий опыт: мы налили в стакан чистой воды и аккуратно положили на ее поверхность канцелярскую скрепку. За счет плотной пленки, обусловленной силами поверхностного натяжения, скрепка не тонет. При добавлении небольшого количества жидкого мыла, скрепка моментально тонет (см. приложение 2), что наглядно доказывает – поверхностное натяжение при добавлении ПАВ уменьшается. Но при выдувании растворов, мыльная пленка растягивается, и концентрация мыльных молекул на поверхности уменьшается, увеличивая при этом поверхностное натяжение. Т.е. мыло избирательно усиливает слабые участки пузыря, не давая им растягиваться дальше.

Для проверки нашей гипотезы: размеры и «время жизни» мыльного пузыря зависят от достаточного количества моющего средства в растворе, мы определили поверхностное натяжение приготовленных растворов. Поскольку именно поверхностное натяжение напрямую определяет, до каких размеров может растянуться мыльная пленка и не лопнуть.

Для определения «времени жизни» пузырей, они выдувались на мыльную поверхность размером 10 см в диаметре, и засекалось время их существования. Опыт с каждым раствором повторяли от 3 до 5 раз. При проведении данного эксперимента мы также наблюдали за изменением цвета пузыря в результате интерференции (см. приложение 3).

Максимальный размер выдуваемых пузырей, мы исследовали с помощью специальных приспособлений для гигантских пузырей (см. приложение 4).

Для определения поверхностного натяжения (σ) жидкостей существует несколько способов. Нами был выбран метод максимального давления образования пузырька, поскольку была возможность измерения в химической лаборатории на приборе Ребиндера (см. рис. 5; фото приложение 5).

Рис. 5 Схема прибора Ребиндера

Прибор состоит из измерительной ячейки (1) с капилляром (2), аспиратора (3) и манометра (4). При вытекании воды из аспиратора в системе создается разряжение, обуславливающее внешнее давление в капилляре, которое измеряется с помощью манометра. Это давление соответствует избыточному давлению внутри пузырька воздуха, формирующегося на конце капилляра.

При некотором значении давления ΔР_макс(Р₁-Р₂) пузырек, пробивая поверхностный слой, отрывается от капилляра. Более подробно с методикой измерения и расчетами можно ознакомиться в [1].

Приборы и реактивы: Прибор Ребиндера; исследуемые растворы в пронумерованных стаканчиках; дистиллированная вода.

Порядок выполнения работы (см. приложение 6):

1. Исследования проводят при комнатной температуре. Прибор проверяют на герметичность.

2. Сначала наливают в ячейку стандартную жидкость –дистиллированную воду до уровня, при котором носик капилляра лишь касается поверхности жидкости.

3.С помощью крана аспиратора регулируют скорость образования и отрыва пузырьков (с интервалом 10-20 с).

4. По манометру производят не менее трех отсчетов максимальной разности уровней. Если показание манометра ΔР_макс в течение 2-3 мин не изменяется, то его считают установившимся и записывают в журнал.

5. Рассчитывают постоянную ячейки k для стандартной жидкости по формуле: ( σ_о=0,072 Н/м из справочника при 20⁰С)

6. Аналогично проводят измерения ΔР_макс для исследуемых растворов и рассчитывают значение σпо формуле:

7. После смены раствора тщательно промывают прибор и снова градуируют его по стандартной жидкости.

В ходе исследований, нами были получены следующие результаты:

№ состава раствора
Соотношение СМС : Вода	1:1	1:2	1:3	1:3	1:3	1:10
Соотношение СМС : Глицерин	2:1	1:1	- (сахар)	1:1	2:1	2:1
σ, Н/м	0,264	0,237	0,351	0,304	0,396	0,554
«Время жизни», с
Тест на качество мыльного пузыря	+	+	+	+	+	+
Выдувание больших пузырей	-	-	+	+	+	+

По данным таблицы видно следующее:

1. При изучении влияния состава раствора (изменение соотношения СМС : вода, при постоянном соотношении СМС : глицерин 2:1) на время жизни мыльного пузыря, лучшие результаты показал состав № 6 (см. рис. 6 (а), приложение 7). Но при этом состав № 6 имеет наибольшее поверхностное натяжение.

2. В растворах, где соотношение СМС : глицерину 1:1 (т.е. в более вязких растворах № 4), наблюдается увеличение «времени жизни» мыльных пузырей (см. рис. 6 (б), приложение 7). и понижение поверхностного натяжения.

3. Если сравнивать растворы № 3,4,5, с одинаковым соотношением СМС : вода равным 1:3, то видно, что сахар, как компонент придающий вязкость раствору, и защищающий мыльный пузырь от испарения, оказался менее эффективным (по «времени жизни» пузыря и поверхностному натяжению), чем глицерин. Возможно, это связано с недостатком добавленного сахара и есть повод для дальнейших экспериментов.

4. При выдувании больших мыльных пузырей плохо себя проявили растворы № 1 и 2, что вероятно связано с тем, что слишком большое содержание ПАВ на поверхности мыльной пленки мешает максимально растягиваться пленке воды. Остальные растворы показали хорошие результаты, лучшим оказался раствор № 4, хотя № 6 тоже имеет неплохие результаты.

Таким образом, мы подтвердили нашу гипотезу: размеры и «время жизни» мыльного пузыря зависят от достаточного количества моющего средства в растворе. В мыльных растворах СМС должно быть не менее 10% и не более 30% Поэтому в дальнейшем можно поварьировать их процентный состав в этом интервале, с целью выявления более эффективного состава, чем №4.

Заключение

Изучение данной темы для меня оказалось очень интересным, поскольку я не только определил, какой состав раствора является самым подходящим для выдувания больших и прочных пузырей, но и узнал много нового о мыльных пузырях с точки зрения новых для меня наук физики и химии. При этом я все больше убеждаюсь в правильности высказывания английского ученого Томаса Кельвина, жившего в прошлом веке: «Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики». И недаром английский ученый Чарльз Бойс более чем сто лет тому назад посвятил мыльным пузырям одним из своих самых фундаментальных трудов с одноименным названием.

Список литературы

1. Берлина, О.В. Коллоидная химия: Лабораторный практикум / О.В. Берлина, С.А. Голянская. –Тюмень: РИО ГОУ ВПО ТюмГАСУ, 2009. – 73 с.

2. Бойс, Ч. Мыльные пузыри / Ч. Бойс. – М.: Детиздат, 1937. – 127 с.

3. Большая детская энциклопедия. – М.: Махаон, 2010. – 336 с.

4. Гегузин, Я.Е. Пузыри / Я.Е. Гегузин. – М.: Наука, 1985. – 176 с.

5. Рюмин, В.В. Занимательная химия / В.В. Рюмин. – М.: Центрполиграф, 2013. – 221 с.

6. http://www.voprosy-kak-i-pochemu.ru

7. http://www.wikipedia.ru

№ состава	Состав раствора	Соотношение
СМС : вода	СМС : глицерин
	1 ч средства для мытья посуды, 1 ч воды, 0,5 ч глицерина	1:1	2:1
	1 ч средства для мытья посуды, 2 ч воды, 1 ч глицерина	1:2	1:1
	0,5 ч средства для мытья посуды, 1,5 ч вода, 2 ч.л. сахара	1:3	-
	1 ч средства для мытья посуды, 3 ч воды, 1 ч глицерина	1:3	1:1
	1 ч средства для мытья посуды, 3 ч воды, 0,5 ч глицерина	1:3	2:1
	1 ч средства для мытья посуды, 10 ч воды, 0,5 ч глицерина	1:10	2:1

Приложение 1

Таблица 1 – Составы растворов для исследования

⇐ Предыдущая 1 2 34