Научно - исследовательская работа

Министерство образования Республики Мордовия

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Гимназия №19» ГО Саранск

Жизнь пены

(по следам Афродиты)

Научно-исследовательская работа

Автор работы:

Клякин Федор

ученик 1 А класса.

Руководитель:

Иванова А. В.,

учитель начальных классов.

Научный консультант:

Клякин А. Н.,

кандидат хим. наук,

доцент кафедры физической химии

МГУ им. Н. П. Огарева

Саранск 2015

Содержание

Введение

3

Экспериментальная часть «Получение и свойства пены»

4

Заключение

16

Список использованных источников

17

ВВЕДЕНИЕ

Тема исследования «Жизнь пены (по следам Афродиты)» представляется мне интересной и значимой, потому что мы встречаемся с обыкновенной пеной каждый день (мыльная пена, монтажная пена, молочный коктейль…), но почти ничего не знаем о ее необыкновенной жизни. Объект исследования: пены, полученные с помощью различных пенообразователей. Предмет исследования: кратность пены и устойчивость пены. Цель исследования: изучение свойств пены. Задачи исследования: получить пену и определить ее основные свойства (кратность и устойчивость).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

«Получение и свойства пены»

Многие знают такую поговорку: солнце, воздух и вода - наши лучшие друзья. А что будет, если убрать солнце? Кто-то скажет «дождливый день», кто-то «речка», кто-то «море»… Но мало кто подумает, что воздух и вода вместе могут образовать пену, хотя мы каждый день встречаемся с пеной! Еще в древности люди были с ней знакомы. По одному древнегреческому мифу, богиня любви Афродита родилась из морской пены. Попытаемся и мы пройти по следам Афродиты и изучить свойства пены: как она рождается, как живет и как прекращает свое существование. Итак, как же соединить воздух и воду, чтобы получилась пена? Проведем простой опыт (рисунок 1).

Рисунок 1
Возьмем небольшой химический стакан и нальем в него около 50 мл воды. Также возьмем мерную пипетку (это специальная стеклянная трубка), тонкий конец которой опустим в воду и аккуратно подуем с другой стороны пипетки. Такой опыт, наверное, проделывали многие, когда, например, пили сок или молочный коктейль через трубочку, точнее не пили, а наоборот дули в нее. Так что же мы увидим? Пузыри воздуха выходят из пипетки, поднимаются наверх и там достаточно быстро лопаются, так что никакой пены не образуется, вода и воздух не соединяются. Но как же помочь им подружиться, как сделать дружбу воздуха и воды крепкой? Ответ на этот вопрос знают многие, во всяком случае, те, кто моет руки с мылом. Повторим тот же опыт, но только прежде добавим в воду всего лишь одну каплю шампуня (рисунок 2), можно взять мыло, стиральный порошок или любое другое моющее средство.

Рисунок 2
Теперь если снова подуть в пипетку, то мы увидим, что пузырьки воздуха также поднимаются на поверхность воды, только они уже не лопаются, а соединяются там с другими пузырьками, которые образовались раньше и тоже не лопнули, а дождались своих младших братьев. Таким образом, мы наблюдаем рождение пены (рисунок 3).

Рисунок 3

Так что же такое пена? И почему обычный шампунь или мыло помогают воздуху и воде соединиться? А вот на эти вопросы ответ уже не будет таким простым. Вообще такие вопросы изучает специальная наука - коллоидная химия. Но я вместе с папой решил попробовать в них разобраться, поскольку папа обещал мне помочь - ведь он кандидат химических наук и кое-что смыслит в таких вещах. Если заглянуть в теорию коллоидной химии [1], то ПЕНА - это одна из разновидностей ДИСПЕРСИЙ. Дисперсия - это такая система, в которой одно вещество распределено в другом в виде маленьких частиц. Таким образом, наша ПЕНА - это ДИСПЕРСИЯ газа (воздуха) в воде, то есть пузырьки воздуха разделены тонкими прослойками воды. По своему строению пену можно сравнить с сотами пчел, где мед - это воздух, а воск - это прослойки воды (рисунок 4).

Рисунок 4
Теперь с пеной все понятно, только причем тут шампунь? Ведь его то и взяли всего одну каплю. Снова обратимся за помощью к коллоидной химии. Дело в том, что в состав любого шампуня, мыла или другого моющего средства всегда входят специальные вещества, которые имеют очень длинное название. Они называются ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА, но их можно назвать и короче по первым буквам слов - это ПАВ [2]. В чем особенность этих веществ? Самое главное в том, что такое вещество, точнее его молекула, состоит из двух частей. Одна часть больше любит воду, а другая часть, наоборот, больше любит воздух. Поэтому, когда мы пропускаем воздух через воду, в которой находятся эти вещества, то одна часть молекулы стремится попасть в воздух, а другая наоборот тянет ее назад в воду. Поэтому молекула этого вещества остается на границе пузырька между воздухом и водой. Наш пузырек воздуха одевается как бы «шубой» из молекул ПАВ, поэтому разрушить его становиться уже не так-то просто. Вот поэтому пузырьки и не лопаются сразу, как в простой воде. Таким образом, ПАВ делают пену стабильной, поэтому эти вещества еще называют ПЕНООБРАЗОВАТЕЛИ. Вообще пенообразователи бывают разные [3]. Наверное, и пены, полученные с помощью различных пенообразователей, будут отличаться по свойствам. Для оценки свойств пены, а значит и пенообразователя используют специальные характеристики, некоторые из которых можно очень просто определить самому. К таким характеристикам относятся, например, КРАТНОСТЬ пены и УСТОЙЧИВОСТЬ пены. Для исследования было выбрано три различных шампуня (рисунок 5). Мы посмотрели их состав и увидели, что все они содержат такой пенообразователь, как лаурилсульфат натрия, но, все же, в составе были и отличия. Не стоит забывать и про то, что количество пенообразователя в каждом шампуне тоже может отличаться, ведь они содержат и воду. И если шампунь очень сильно разбавлен водой, то получить хорошую пену из него вряд ли удастся.

Рисунок 5
Итак, наши участники вышли на старт, чтобы определить, кто из них лучший пенообразователь. А для этого нужна химическая посуда (цилиндры, пипетки, стаканы), ну и, конечно же, вода и воздух (рисунок 6).

Рисунок 6
Первое состязание называется КРАТНОСТЬ ПЕНЫ. Кратность пены выражается определенным числом (5, 10, 100 и т.д.), которое показывает, во сколько раз объем пены больше объема раствора, из которого эта пена получена, то есть объема воды плюс объема пенообразователя. И вот состязание началось. Каждый шампунь отлили в свой химический стакан (рисунок 7).

Рисунок 7 Потом шприцом отобрали небольшое количество шампуня (рисунок 8)

Рисунок 8 и перенесли его в свой мерный цилиндр (объемом 250 мл), отмерив точно 0,5 мл каждого шампуня (рисунок 9).

Рисунок 9 Далее маленьким мерным цилиндром отмерили 24,5 мл воды (рисунок 10).

Рисунок 10 Этот объем воды добавили к каждому шампуню в большой мерный цилиндр (рисунок 11).

Рисунок 11 Таким образом, общий объем раствора, из которого мы хотим получать пену, в каждом цилиндре равен 0,5 мл + 24,5 мл = 25 мл (рисунок 12).

Рисунок 12
Осталось только соединить воздух и воду, чтобы получилась пена. Для этого цилиндр закрывают сверху рукой и встряхивают 30 секунд в горизонтальном положении, чтобы вода и воздух в цилиндре хорошо перемешались (рисунок 13).

Рисунок 13
Пенообразователь будет помогать пене не разрушаться. А насколько он хорошо это делает, будет видно, если цилиндр поставить и измерить объем полученной пены (рисунок 14).

Рисунок 14
Такую операцию мы проделали с каждым раствором шампуня в его цилиндре (рисунок 15).

Рисунок 15
Цилиндры поставили рядом и измерили объем пены в каждом (рисунок 16).

Рисунок 16
Затем рассчитали кратность пены по формуле:

Таблица 1

Характеристика

пены

Номер цилиндра

1

2

3 ОБЪЕМ ПЕНЫ, мл

110

90

130 КРАТНОСТЬ

4,4

3,6

5,2

Рисунок 17
Результаты эксперимента представлены на рисунке 17 и в таблице 2.

Таблица 2

Характеристика

пены

Номер цилиндра

1

2

3 ИСХОДНЫЙ ОБЪЕМ ПЕНЫ, мл

110

90

130 КОНЕЧНЫЙ ОБЪЕМ ПЕНЫ, мл

90

60

110 ИСЧЕЗНУВШАЯ ПЕНА, мл

20

30

20

Рисунок 18

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе научно-исследовательской работы на тему «Жизнь пены (по следам Афродиты)» были получены следующие результаты: - получены пены на основе трех пенообразователей (шампуней); - изучены свойства полученных пен (кратность и устойчивость); - установлено, что свойства пены зависят от пенообразователя, который используется при получении пены.
Общий вывод, к которому мы пришли в ходе выполнения работы: в обычных и привычных вещах, которые нас окружают, можно увидеть необычные и удивительные черты, свойства и загадки. Надо только внимательно к ним присмотреться!

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Энциклопедический словарь юного химика / Сост. В. А. Крицман, В. В. Станцо. - 2-е изд., испр. - М.: Педагогика, 1990. - 320 с. 2. Клякин, А.Н. Физическая и коллоидная химия : учеб. пособие / А. Н. Клякин, С. А. Лесин, Е. Е. Мурюмин. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2009. - 192 с. 3. beton57.ru