Оценка эффективности стирального порошка на основе измерения коэффициента поверхностного натяжения

МБОУ гимназия № 1

Направление исследования

 «Физика»

Исследовательская работа

Измерение коэффициента поверхностного натяжения мыльного раствора

Автор работы:

Семенова Екатерина, ученица 8 А класса МБОУ гимназии №1

Руководитель:

Семынина Наталья Михайловна,

учитель физики, информатики и ИКТ высшей категории

г.Красный Сулин

2018г.

Оглавление

1.        Введение        3

2.        Основная часть        4

2.1        История появления мыла и моющих средств        4

2.2 Силы поверхностного натяжения        4

2.3 Проявление действия сил поверхностного натяжения        5

2.4 Способы определения поверхностного натяжения        6

3.  Мыло и механизм его действия        6

3.1 Почему горячая вода моет лучше?        8

3.2 Почему полоскать лучше в холодной воде?        8

3.3 Почему нельзя стирать в морской воде?        8

3.4 Комплексная оценка моющих средств        8

4. Практическая часть        9

Сравнение сил поверхностного натяжения для различных мыльных растворов        9

5.        Заключения и выводы        12

6.        Список информационных источников        12

1. Введение

Ежедневно мы сталкиваемся с проблемой чистоты окружающей среды. Многовековая борьба человечества за чистоту удивляет своими способами и методикой. И самым распространенным средством на протяжении уже многих столетий является мыло. Его использовали для мытья, стирки, в косметических целях. Наши современники почти не используют  для стирки мыло, его заменили синтетические моющие средства – стиральные порошки.  Возникает закономерный вопрос: является ли цена мыла или  стирального порошка показателем его эффективности и качества? Нас заинтересовали вопросы, связанные с механизмом действия моющих средств, оценкой эффективности различных видов моющих средств и историей их появления.

Мы считаем, что возникает и требует разрешения  проблема теоретического изучения и практической оценки степени  эффективности различных видов современных моющих средств, имеющихся в продаже.

Актуальность решения названной проблемы позволила определить в качестве цели исследования изучение сил поверхностного натяжения различных мыльных растворов и на этой основе оценки эффективности вида моющего средства. В связи с этим, в данной работе  проверялась гипотеза: чем больше стоимость моющего средства, тем эффективнее оно снижает силы поверхностного натяжения и тем более  качественным становится процесс очищения поверхности.

Для достижения цели и проверки гипотезы исследования были сформулированы следующие задачи:

1. Осуществить сбор и систематизацию теоретического материала по данной теме.
2. Проверить гипотезу о том, что эффективность моющего средства зависит от постоянной поверхностного натяжения (степени понижения сил поверхностного натяжения).
3. Провести определение сил поверхностного натяжения  различных видов моющих средств, проанализировать полученные результаты.
4. Сделать вывод о том, какими правилами следует руководствоваться при выборе моющего средства.

Объектом исследования стали  растворы различных стиральных порошков

Предмет исследования - силы поверхностного натяжения мыльных растворов различных моющих средств

Область исследования: физика, химия.

Методы исследования: теоретический анализ, обобщение и синтез при изучении информационных источников по физике, химии, физический эксперимент;

2. Основная часть

1. История появления мыла и моющих средств

Первое мыло, самое простое  моющее средство, было получено на Ближнем Востоке более 5000 лет назад. Поначалу оно использовалось, главным образом, для стирки и обработки язв и ран. И только в I веке н.э. человек стал мыться с мылом.

При раскопках древнего Вавилона были найдены глиняные ёмкости, наполненные веществом, похожим на мыло. Надписи на этих сосудах гласили, что содержимое сделано при кипячении жира с пеплом. Поэтому считают, что варить мыло умели ещё в 2800 годах до н.э. Записи на папирусах, оставленные древними египтянами 1500 лет до н.э., тоже сохранили рецепты мыловарения из смеси животных и растительных масел и пепла. Древние греки не знали мыла, а когда мылись, то сначала тёрли себя глиной, песком, пемзой и пеплом, потом наносили на тело растительное масло и соскребали его вместе с грязью. Одежду свою они мыли без всякого мыла в проточной воде.

 Английское слово “soap” (мыло) произошло от названия горы Sapo в Италии, на вершине которой, согласно легенде, приносили животных в жертву, убивая и сжигая их. Дождь смывал вниз в реку Тибр, протекающую неподалёку, смесь расплавленного жира и древесного пепла. Поэтому глина вдоль Тибра хорошо мылилась, что быстро оценили женщины, стирающие бельё на его берегах.

Моющими средствами называются натуральные и синтетические вещества с очищающим действием, в особенности мыло и стиральные порошки, применяемые в быту, промышленности и сфере обслуживания. Мыло получают в результате химического взаимодействия жира и щелочи. Скорее всего, оно было открыто по чистой случайности, когда над костром жарили мясо, и жир стекал на золу, обладающую щелочными свойствами.

До Второй мировой войны мыло варили кипячением в воде жирных масел со щелочами. Жиры – это соединения глицерина и органических кислот, известных как жирные кислоты. Во время кипячения жиров со щелочами образуются глицерин и соли жирных кислот, т.е. мыл. Использование мыла после Второй мировой войны шло на убыль, и его постепенно вытесняли синтетические моющие средства. Главная причина спада потребления мыла состояла в том, что в жесткой воде образовывались нерастворимые соли жирных кислот, выпадающие в осадок (кольцевое пятно в ванне или серый оттенок белья). Синтетические моющие средства (детергенты) имеют такой состав, что этой реакции не происходит.

Производство мыла имеет давнюю историю, а первое синтетическое моющее средство появилось только в 1916 году. Изобретение немецкого химика Фрица Гюнтера предназначалось для промышленного использования; бытовые синтетические моющие средства, более или менее безвредные для рук, стали выпускать в 1933 году. С тех пор разработан целый ряд СМС узкого назначения, а их производство стало важной отраслью химической промышленности.

2.2 Силы поверхностного натяжения

Понятие поверхностного натяжения впервые ввел Я. Сегнер (1752). В первой половине 19 века на основе представления о поверхностностном натяжении была развита математическая  теория капиллярных явлений (П. Лаплас, С. Пуассон, К. Гаусс, А.Ю. Давидов). Во второй половине 19 века Дж. Гиббс развил термодинамическую теорию поверхностных явлений, в которой решающую роль играет поверхностное натяжение.  В 20 веке разрабатываются методы регулирования поверхностного натяжения с помощью ПАВ и электрокапиллярных эффектов (И. Ленгмюр, П. А. Ребиндер, A. H. Фрумкнн). Среди современных актуальных проблем - развитие молекулярной теории поверхностного натяжения  различных жидкостей (включая расплавленные металлы), влияние кривизны поверхности на поверхностное натяжение.

Молекулы на поверхности жидкости или твёрдых 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. Очевидно, что эта поверхностная потенциальная энергия (U) пропорциональна величине поверхности (S), что может быть записано как

где σ - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность Дж/м2 (или Н/м), называется коэффициентом поверхностного натяжения. Коэффициент поверхностного натяжения определяется свойствами соприкасающихся жидкости и газа, или жидкости и твёрдого тела, а также температурой окружающей среды. Как следует из приведённой таблицы, коэффициент поверхностного натяжения может изменяться в довольно широких пределах, увеличиваясь в десятки раз от спиртов до ртути.

Так как с величиной 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 обладает минимальной поверхностью для всех фигур такого же объёма. 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.

Коэффициент поверхностного натяжения  называется отношение модуля силы поверхностного натяжения к длине периметра, ограничивающего поверхность жидкости. Он зависит от рода жидкости, наличия примесей и  температуры. В общем случае прибор для измерения поверхностного натяжения называется тензиометр.

2.3 Проявление действия сил поверхностного натяжения

Так как появление поверхности жидкости требует совершения работы, каждая среда «стремится» уменьшить площадь своей поверхности:

• в невесомости капля принимает сферическую форму (сфера имеет наименьшую площадь поверхности среди всех фигур одинаковой ёмкости).
• струя воды «слипается» в цилиндр.
• маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости, так как сила тяготения меньше силы, препятствующей увеличению площади жидкости.
• некоторые насекомые (например, водомерки) способны передвигаться по воде, удерживаясь на её поверхности за счёт сил поверхностного натяжения.

• На многих поверхностях, именуемых несмачиваемыми, вода (или другая жидкость) собирается в капли.

2.4 Способы определения поверхностного натяжения

Способы определения поверхностного натяжения делятся на статические и динамические. В статических методах поверхностное натяжение определяется у сформировавшейся поверхности, находящейся в равновесии. Динамические методы связаны с разрушением поверхностного слоя.

Статические методы:

• Метод поднятия в капилляре
• Метод Вильгельми
• Метод лежачей капли
• Метод определения по форме висячей капли.
• Метод вращающейся капли

Динамические методы:

• Метод Дю Нуи (метод отрыва кольца).
• Сталагмометрический, или метод счета капель.
• Метод максимального давления пузырька.
• Метод осциллирующей струи

• Метод стоячих волн

Рассмотрим подробнее методы, которые можно использовать в имеющихся в нашей школе условиях.

Метод отрыва кольца (метод Дю Нуи). 

Метод является классическим. Сущность метода вытекает из названия. Платиновое кольцо поднимают из жидкости, смачивающей его, усилие отрыва и есть сила поверхностного натяжения и может быть пересчитано в поверхностную энергию. Метод подходит для измерения ПАВ, трансформаторных масел и т. д.^[1]

Для отрыва проволочного кольца радиусом R от поверхности жидкости требуется сила

Метод взвешивания капель (сталагмометрия):      

 (уравнение Тейта), где G-общий вес n капель, оторвавшихся под действием силы тяжести от среза капиллярной трубки радиусом r. Для повышения точности правую часть умножают на поправочный коэф., зависящий от r и объема капли.

Основной  способ регулирования поверхностного натяжения заключается в использовании поверхностно-активных веществ (ПАВ).

3.  Мыло и механизм его действия

Именно из-за поверхностного натяжения вода сама по себе не обладает достаточными чистящими свойствами. Вступая в контакт с пятном, молекулы воды притягиваются друг к другу, вместо того, чтобы захватывать частицы грязи. Т.е. они не смачивают грязь. Мыло и синтетические средства содержат вещества, повышающие смачивающие свойства воды за счет уменьшения силы поверхностного натяжения. Эти вещества называются поверхностно-активными  (ПАВ), поскольку действуют на поверхности жидкости.

Мыло – это натриевая или калиевая соль одной из жирных кислот. Натриевые мыла более густые и, как правило, твердые; калиевые мыла более мягкие или жидкие. Туалетное мыло вырабатывают в основном из растительных масел, в том числе оливкового и кокосового. Некоторые виды мыла изготавливают из жира и сала животных.

Синтетические моющие средства, не содержащие мыла, изготавливают из побочных продуктов нефтепереработки. Эти моющие средства входят в состав шампуней, чистящих жидкостей и т.д. Некоторые средства содержат биодобавки, разрушающие молекулы крови, жира и т.д.

Подпись к рисунку 1. Схематическое изображение мыльной молекулы, стеарата Na (верх), и их расположение на поверхности плёнки воды (низ).

Когда мыльная молекула стеарата Na попадает в воду, то она диссоциирует на положительно заряженный ион Na+ и отрицательное основание жирной кислоты. Отрицательные ионы мыльных молекул выстраиваются так, чтобы с водой соприкасались лишь их головы, которые испытывают к ней сродство. Таким образом, на поверхности воды образуется двумерный «частокол» мыльных молекул, головы которых погружены в воду, а хвосты торчат наружу.

Измерения показывают, что молекулы мыла на поверхности воды понижают её 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, они 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 ткани. Другими словами, мыло делает воду «более мокрой».

Подпись к рисунку 2. «Намыленные» капли воды легче пролезают в промежутки между нитями ткани. Мыльный раствор обволакивает частицы грязи, приводя к образованию эмульсий различных загрязняющих веществ, и удерживает нерастворимые частицы в состоянии суспензии в мыльной пене и воде, которые могут быть потом удалены от очищаемой поверхности проточной водой.

3.1 Почему горячая вода моет лучше?

При нагревании средняя кинетическая энергия молекул воды растёт, а это значит, что каждой из них требуется меньше дополнительной энергии, чтобы выйти на поверхность. Поэтому поверхностное натяжение воды уменьшается при нагревании, и она может проникать в самые мелкие поры и дырочки. Вот, почему надо мыть руки горячей водой. Мыло и детергенты ещё больше понижают поверхностное натяжение горячей воды.

3.2 Почему полоскать лучше в холодной воде?

Цель полоскания – убрать остатки мыла из выстиранной ткани. При стирке мы нагреваем воду, чтобы понизить поверхностное натяжение воды, и поэтому мыльный раствор залезает в самые тонкие промежутки между волокнами ткани. Для того чтобы он вылез оттуда, необходимо повысить поверхностное натяжение, и тогда каждой из сплющенных капелек опять станет выгодно стать шарообразной, и они выскочат из тонких промежутков между нитями. Поэтому полоскать ткань после стирки следует в холодной воде, когда её поверхностное натяжение велико.

3.3 Почему нельзя стирать в морской воде?

Морская вода характеризуется высоким содержанием двухвалентных катионов – Ca2+ и Mg2+. Эти катионы связываются с отрицательно заряженными головками мыльных молекул, мешая им образовать мицеллы вокруг частичек грязи и жира. Поэтому поверхностное натяжение мыльного раствора в морской воде увеличивается, что снижает качество стирки. То же происходит, когда водопроводная вода содержит высокую концентрацию двухвалентных ионов, например, железа. Такую воду называют «жёсткой», и в ней мыло плохо стирает.

3.4 Комплексная оценка моющих средств

Для удаления многих загрязнений нужны специальные добавки - химический отбеливатель, различные энзимы. В состав недорогих порошков они не входят, поэтому массовые порошки тестируют только на жирных и масляных пятнах по принципу "удовлетворяет - не удовлетворяет ГОСТу". Стоит ли это высокое качество стирки столь огромных денег? Или можно купить менее дорогой порошок, показывающий ничуть не худший результат?

Параметры оценки эффективности стирального порошка

Физико-химические показатели: уровень pH и пенообразование (начальная высота столба пены и ее стабильность).

Уровень концентрации ионов водорода (уровень pH)

Этот показатель характеризует агрессивность порошка по отношению к коже рук и тканям. По российскому стандарту (ГОСТ 22567.5-93) уровень концентрации водородных ионов должен укладываться в диапазон от 7,5 до 11,5. Чем ближе показатель к нижней границе, тем лучше - белье меньше изнашивается при стирке. Следует отметить, что во избежание негативного воздействия на кожу рекомендуется стирка в перчатках.

Пенообразование

Порошки для ручной стирки имеют ненормированное пенообразование, то есть высота столба пены не ограничена. Более того, многие хозяйки любят порошки с обильной пеной и считают, что чем выше пена, тем лучше стирает порошок, однако, результаты тестирования показывают, что прямой связи между пенообразованием и моющим действием нет.

Критерий оценки устойчивости пены прост - чем выше устойчивость, тем лучше.

Маркировка

Маркировка  оценивается по общей информативности для покупателя. Инструкции, в виде рисунков, что очень неудобно для российского потребителя.

Экономичность 

Оценка экономичности заключается в анализе соотношения цена-качество для каждого порошка - моющей способности и стоимости стирки. Рассчитывается стоимость стирки в зависимости от дозировки порошка: по ГОСТу (50 г/10 л) и по рекомендации производителя.

Если от недорогих массовых порошков мы вправе требовать лишь отстирывания общего загрязнения, от биопорошков еще и эффективного удаления белковых пятен, то порошки для ручной стирки средней ценовой категории должны уметь делать все и при любой температуре (40, 60, 90 градусов).

4. Практическая часть

Сравнение сил поверхностного натяжения для различных мыльных растворов

Для проведения исследования мы выбрали 7 наиболее популярных среди семей наших  обучающихся порошков для ручной стирки из средней и высокой ценовой категории: Tide, Ariel, Persil Power Pearls, Миф, Дени, Losk.

Сначала мы оценили цвет имеющихся образцов:

1. Tide: белый порошок с цветными гранулами
2. Ariel: белый порошок с цветными гранулами
3. Persil: белый порошок с цветными гранулами
4.  Миф: белый порошок с цветными гранулами
5. Дени: белый порошок с цветными гранулами
6. Losk: белый порошок с цветными гранулами

 Все они имеют в своем составе компоненты, необходимые для удаления пятен различного происхождения. Какой же порошок наиболее эффективно снижает поверхностное натяжение?

Первым делом мы определили коэффициент поверхностного натяжения чистой воды температурой  18 °С

 Для опытов мы растворили 5 г различных порошков в 150 мл  воды.

Для определения поверхностного натяжения мыльных растворов нами был выбран метод сталагмометрии (взвешивания капель):

Оборудование. 1) Линейка измерительная 2)  электронные весы 3) Штатив с муфтами и лапкой 5) Колба коническая. 6) Стакан химический 50 см3 7) Воронка 8) Кран стеклянный с наконечником

1. При помощи масштабной линейки измерили диаметр канала стеклянной трубки, В таком случае погрешность измерения не будет превышать 0,2 мм.
2. Взвесили химический стаканчик для собирания капель с точностью до сотых долей грамма
3. Закрыли кран и налили из колбы в воронку раствор. Подставили под трубку колбу и, приоткрывая кран, добились, чтобы капли падали достаточно медленно. Тогда можно считать, что отрывание происходит только под действием веса.

После этого под трубку подставили стаканчик и отсчитали в него несколько десятков капель.

4. Вторично взвесили стаканчик и нашли массу воды.

Чтобы получить постоянную поверхностного натяжения, мы воспользовались уравнением

α=Mg/nπD

где М – масса воды, n – число капель, D – диаметр канала трубки, g – ускорение свободного падения.

Количество капель как результат счёта есть точное число. Если взять π = 3,14 и g = 981 см/сек2, то относительные погрешности этих величин так же, как и для массы капли, будут слишком малы по сравнению с относительной погрешностью измерения диаметра канала трубки, чтобы заметным образом повлиять на величину относительной погрешности результата.

Ускорение свободного падения 9,8 м/с2

Число пи 3,14

Диаметр отверстия трубки 0,008 м

Масса пустого стаканчика 35 г

Число капель 40

5. Заключения и выводы

Таким образом, проведенное исследование позволило сделать следующие выводы:

1. Качество стирального порошка зависит от коэффициента поверхностного натяжения его раствора. Его значение ниже у дорогих порошков. Чем меньше коэффициент поверхностного натяжения, тем лучше моющее средство
2. Наименьший коэффициент поверхностного натяжения имеет раствор порошка Tide

Полезно знать, что выбирая между недорогими порошками для ручной стирки и биопорошками, лучше выбрать биопорошок: во-первых, в среднем эффективность отстирывания общего загрязнения биопорошками несколько выше, во-вторых, кроме отстирывания общего загрязнения биопорошки способны удалять белковые загрязнения, для чего необходимо предварительное замачивание и стирка при температуре 40 градусов.

• Эффективность стирки (общее загрязнение) дорогими порошками для ручной стирки гораздо выше по сравнению с эффективностью массовых порошков.
• Более того, дорогие универсальные порошки содержат добавки (химический отбеливатель, энзимы), которые удаляют белковые и растительные загрязнения. Конечно, эффективность у разных порошков разная, но все они воздействуют на эти пятна.

6. Список информационных источников

1. АдамсонА., Физическая химия поверхностей, пер. с англ., M., 1979;
2. Гиббс Дж. В., Термодинамика. Статистическая механика, M., 1982;
3. Оно С., Кон до С., Молекулярная теория поверхностного натяжения в жидкостях, пер. с англ., M., 1963;
4. Касьянов В.А., Физика 10 класс, Дрофа,2000;
5. Приложение «Физика»  к газете «Первое сентября»  №1,2,3 2007;
6. Русанов А. И., Фазовые равновесия и поверхностные явления, Л., 1967;
7.  Ребиндер П. А., Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия, M., 1978
8. Журнал физической химии. 1983, № 10
9. Щукин E. Д., ПерцовА. В., Амелина E. А., Коллоидная химия, M., 1982.
10. http://ru.wikipedia.org
11. http://www.omar.ru/home/adv/poroshki