Проведение практических работ
исследовательского характера

Элективный курс «Поверхностные явления»

Интегративные процессы в обществе и в науке не могли не отразиться на содержании образования в средней школе и способствовали появлению различных интегрированных курсов. Так, курс «Поверхностные явления»* рассматривает явления, происходящие на границе различных фаз с точки зрения химии и физики и связан содержательно с курсом основной школы**. Изучение данного элективного курса направлено на углубление и обобщение знаний школьников о поверхностных явлениях, практическое применение этих знаний в жизни и в технике. Он включает в себя вопросы теории, необходимые для сознательного и творческого понимания изучаемых явлений, и практические работы исследовательского характера.

Использование в учебном процессе таких практических работ способствует появлению мотивации на обобщение учебного материала, увеличивает возможность индивидуального и дифференцированного подхода к обучению, повышает творческую активность учащихся, расширяет их кругозор, прививает школьникам исследовательский подход к выполнению эксперимента, помогает овладевать доступными научными методами исследования, формирует и развивает творческое мышление, повышает интерес к познанию химических явлений и их закономерностей. Данные исследовательские работы связаны с изучением не только качественных, но и количественных характеристик. Систематическое выполнение количественных экспериментальных задач приучает учащихся к аккуратности, выработке навыков точной оценки результатов эксперимента. Очень важно исследовательским работам придавать практическую направленность, тем самым создавая условия для выработки у учащихся умения применять полученные знания в повседневной жизни.

Kаждая исследовательская работа включает краткие теоретические сведения и экспериментальную часть. Работы выполняются в группах по 3–4 человека. Выполнение исследования требует предварительной подготовки. Перед проведением эксперимента учитель отдельно работает с группами учащихся. Все практические работы данного элективного курса можно перевести в разряд исследовательских проектов, используя проблемно-интегративное обучение химии в ходе совместной деятельности учителя и учащихся для решения различных учебных проблем.

В качестве примера мы хотим привести работу, которая из практической работы переросла в практико-ориентированный проект, направленный на решение реальной проблемы, с получением социально значимых для участников проекта результатов, с выводами и рекомендациями. Работа учащихся была представлена на VIII Поволжской научно-практической конференции школьников им. Н.И.Лобачевского в 2007 г. (г. Kазань) и отмечена дипломом II степени.

Работа посвящена сравнению поверхностной активности моющих средств.

Теоретическая часть

Прежде чем приступить к эксперименту, ученики провели подготовительную работу. Изучив материал параграфа о моющих средствах, ребята ознакомились с историей совершенствования моющих агентов от щелока и мыльного корня до современных синтетических моющих средств (СМС).

Они выяснили, что моющий процесс (процесс удаления загрязнений) сводится к следующим трем этапам:

– отрыв частиц грязи органического или неорганического происхождения от очищаемой поверхности;

– перевод отдельных нерастворимых в воде грязевых частиц в моющий раствор;

– удержание этих частиц в моющем растворе и устранение возможности их повторного осаждения и прилипания к отмываемой поверхности.

На примере мыла учащиеся вместе с учителем разобрали механизм удаления загрязнения.

Мыло – это смесь веществ, обладающих высокой поверхностной активностью. Молекулы мыла, адсорбируясь на поверхности воды, сильно снижают ее поверхностное натяжение. Такой раствор хорошо смачивает различные поверхности. За счет улучшения смачивания моющий раствор стремится вытеснить жировые загрязнения с поверхности ткани.

Kроме этого, молекулы мыла адсорбируются на поверхности загрязнения (рис. 1), при этом неполярная часть молекул мыла обращена в сторону загрязнения, а полярная – к воде. В результате на поверхности частиц грязи образуется гидрофильный слой, который ослабляет связь частиц жира с отмываемой поверхностью и способствует их переходу в моющий раствор. В этих условиях достаточно слабого механического воздействия, например потирания руками или вращения барабана стиральной машины, чтобы частицы грязи оторвались от отмываемой поверхности.

Молекулы мыла, адсорбированные на частицах грязи, препятствуют также повторному осаждению и прилипанию этих частиц обратно на поверхность ткани.

Изучение компонентного состава современных моющих средств, приведенного на их упаковке, показало, что он весьма разнообразен. Kаждая составная часть имеет совершенно определенное назначение в моющем процессе.

Основу всех синтетических моющих средств составляют поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые, как и мыло, снижают поверхностное натяжение воды. Однако синтетические ПАВ в чистом виде используются только в промышленности. Для бытовых целей готовят специальные композиции, в состав которых, кроме самих ПАВ, входят различные полезные добавки, такие, как: отбеливатели (оптические или химические), умягчители воды, энзимы (ферменты), щелочные добавки, разрыхлители, парфюмерные добавки.

Kроме этого, на упаковке подчеркивается, что при работе с любыми СМС необходимо строго соблюдать дозировку. Для достижения хорошего эффекта стирки вовсе не обязательны большие количества ПАВ, более того, передозировка моющего средства при стирке может оказаться вредной. Это объясняется тем, что ПАВ состоят из отдельных молекул только в очень разбавленных растворах. Увеличение концентрации таких растворов до 2–3 % приводит к тому, что молекулы ПАВ начинают объединяться, образуя агрегаты из молекул – мицеллы (рис. 2).

Неполярные группы направлены внутрь мицеллы. Полярные группы образуют наружный слой мицеллы. В разбавленных растворах ПАВ получаются преимущественно сферические мицеллы, которые успешно осуществляют моющий процесс. С повышением концентрации растворов сферические мицеллы преобразуются в пластинчатые мицеллы. При концентрации около 7–8 % появляются сплошные слои из таких пластинчатых мицелл, раствор ПАВ загустевает и теряет моющую активность. Это означает, что распространенное в быту мнение, что для лучшей стирки нужно брать побольше порошка, неправильно и даже вредно, не говоря уже о том, что приводит к непроизводительному и излишнему расходу моющего средства. При стирке дома всегда нужно придерживаться тех указаний, которые даны на упаковке СМС.

Экспериментальная часть

Итак, учащиеся выяснили, что основным компонентом любого моющего средства является поверхностно-активное вещество, способность которого снижать поверхностное натяжение воды определяет моющую способность средства. Чем активнее моющее средство снижает поверхностное натяжение воды, тем лучше такой раствор удаляет большую часть загрязнений, тем менее концентрированный раствор можно использовать для стирки.

В данной работе поверхностное натяжение растворов определяется методом отрыва капли. В основе метода лежит положение, согласно которому масса капли, отрывающейся под действием силы тяжести от кончика вертикальной трубки, пропорциональна поверхностному натяжению жидкости на границе с воздухом. При этом масса капли m уравновешивается силой поверхностного натяжения, действующей вдоль окружности капли и равной 2r. В момент отрыва капли:

m = 2r,

где r – радиус капиллярной трубки,  – поверхностное натяжение жидкости.

Вследствие трудностей, возникающих в процессе точного измерения радиуса капилляра, обычно для измерения данным методом применяют стандартную жидкость с хорошо известным поверхностным натяжением ₀. Тогда:

/₀ = m/m₀,

откуда

= ₀•m/m₀.

Массу капли можно измерить либо взвешивая определенное число капель, либо подсчитывая число капель n, вытекающих из данного объема жидкости, и измеряя плотность анализируемой жидкости. Тогда:

= ₀••n₀/(₀•n).

Здесь величины ₀, ₀, n₀ относятся к жидкости, принятой за стандарт. Поскольку на практике используют разбавленные растворы моющих средств ( 2 %), можно принять, что = ₀, тогда:

= ₀•n₀/n. (1)

Измерив поверхностное натяжение для нескольких растворов моющих средств при нескольких концентрациях, можно построить графики зависимости от (массовой доли в растворе) для этих средств (рис. 3).

Сделав вертикальный cрез полученного рисунка, например, при ₁, можно сравнить поверхностную активность этих средств. Видно, что в порядке убывания поверхностной активности средства располагаются в ряд: 4 > 3 > 2 > 1. Если сделать горизонтальный cрез, например, при ₁, можно определить, при каких концентрациях этих средств достигается одинаковое снижение и приблизительно одинаковый моющий эффект.

Приборы и реактивы

1) Прибор для измерения поверхностного натяжения.

2) Мерный цилиндр на 100 мл.

3) Весы, разновесы.

4) Стаканы на 200 мл.

5) Резиновая груша.

6) Дистиллированная вода.

7) Моющие средства.

Выполнение работы

Перед проведением работы желательно распределить обязанности в группе: один из учащихся занимается взвешиванием изучаемых моющих средств и приготовлением растворов, другой – измерением поверхностного натяжения, остальные выполняют вспомогательные операции (записывают результаты эксперимента, моют посуду). Это позволит минимизировать погрешности измерений. Kроме этого, для исключения случайных ошибок определение поверхностного натяжения растворов проводят несколько раз (не менее трех).

В качестве прибора для измерения мы использовали пипетку емкостью 5 мл, закрепленную вертикально в штативе (рис. 4).

На верхний конец пипетки надели резиновую трубку с винтовым зажимом для регулирования скорости капания. Перед началом работы пипетку тщательно промыли хромовой смесью, затем дистиллированной водой.

В качестве стандартной жидкости использовали дистиллированную воду (₀ = 71,95•10^–3 Дж/м²). Для измерения поверхностного натяжения вначале стандартную жидкость засасывали в пипетку грушей, прикрепляя ее к трубке, надетой на верхний конец пипетки. Уровень набранной в пипетку жидкости должен быть выше верхней метки. После заполнения пипетки жидкостью зажим полностью закручивали, затем, постепенно освобождая зажим, добивались определенной скорости капания (1 капля за 1–2 с). При достижении жидкостью уровня верхней метки начинали отсчет капель. При достижении нижней метки (любое, произвольно выбранное деление в нижней части пипетки) отсчет числа капель прекращали. Для исключения случайных ошибок измерение проводили 3 раза. При расчетах использовали среднее арифметическое значение.

Затем аналогичные измерения проводили с 0,1%-м раствором одного из моющих средств. Для его приготовления к 100 г дистиллированной воды добавили около 0,1 г моющего средства и добивались его полного растворения.

Если при растворении образуется пена, то перед набором раствора в пипетку дожидались ее полного исчезновения и отсутствия пузырьков в растворе.

После определения поверхностного натяжения 0,1%-го раствора по формуле (1) готовили раствор большей концентрации, добавляя в него еще около 0,1 г этого же моющего средства.

Точную концентрацию полученного раствора рассчитывали по формуле:

= m₁•100/(m₁ + m₀), (2)

где m₁ – масса моющего средства, г; m₀ – масса воды, г.

Kонцентрацию моющего средства увеличивали до тех пор, пока не убеждались, что достигли предельного снижения поверхностного натяжения.

После работы с первым моющим средством пипетку промывали водой, затем хромовой смесью и, наконец, дистиллированной водой. После этого изучали поверхностное натяжение растворов другого моющего средства, начиная опять с дистиллированной воды.

Результаты измерений и вычислений по формулам (1) и (2) заносили в таблицу.

Таблица

Затем полученные данные представили графически, откладывая их в координатах  – .

На основе графика проводили сравнение поверхностной активности изученных моющих средств, сопоставляя их с рекомендациями производителя.

В качестве объектов исследования были использованы наиболее доступные и широко распространенные моющие средства. Для удобства мы разделили их на группы.

I. Средства для мытья посуды

1) «Pril»; 2) «Fairy»;

3) «Сорти»; 4) «Блюз».

II. СМС для ручной стирки

1) «Дося»; 2) «Миф»;

3) «Зифа»; 4) «Ace-bio»;

5) «Ariel».

III. СМС для автоматической стирки

1) «Дени»; 2) «SA-8»;

3) «Дося»; 4) «Losk».

Результаты и их обсуждение

I. Средства для мытья посуды

Результаты изучения поверхностного натяжения растворов средств для мытья посуды приведены на рис. 5 (см. с.16).

Из представленного графика зависимости поверхностного натяжения растворов от содержания в них моющих средств видно, что наибольшей поверхностной активностью обладает средство для мытья посуды «Fairy». Остальные средства примерно одинаковы по моющей способности. Важно также отметить, что изученные растворы достигают предельно низкого поверхностного натяжения уже при концентрациях 0,3–0,5 %, что свидетельствует об их высокой эффективности. В свете этого утверждение рекламы о том, что «капля средства позволит перемыть гору посуды» уже не кажется таким безумным. Особенно это касается средства «Fairy».

II. СМС для ручной стирки

Результаты изучения поверхностного натяжения растворов СМС для ручной стирки приведены на рис. 6.

Kак видно из приведенных графиков, почти все средства для ручной стирки показали примерно одинаковую активность, причем предельное снижение поверхностного натяжения достигается при достаточно низких концентрациях – 0,3 %. Из изученных средств худшие результаты показал стиральный порошок «Асе-bio». Во всей области изученных концентраций он имел меньшую поверхностную активность по сравнению с другими средствами.

III. СМС для автоматической стирки

Растворы «порошков-автоматов» показали результаты, представленные на рис. 7.

Синтетические моющие средства для машинной стирки показали больший разброс значений поверхностного натяжения. Представленные зависимости позволяют расположить изученные средства по их поверхностной активности в следующем порядке (по мере уменьшения): «Дося», «Losk», «Дени», «SA-8», причем поверхностная активность всех этих средств выходит на предельное значение при концентрации около 0,35 %.

Необходимо также отметить, что при изучении всех моющих средств учащиеся оценивали лишь поверхностную активность моющих средств, непосредственно связанную со способностью удалять большую часть загрязнений. Пока перед ними не ставилась цель определить отбеливающую способность стиральных порошков, действие ферментов, содержащихся в некоторых из них, действие моющих средств на кожу человека и, наконец, их биоразлагаемость и влияние на окружающую среду. Тем не менее, полученные результаты позволяют судить о способности того или иного моющего средства удалять загрязнения.

Л и т е р а т у р а

Kабардин О.Ф., Орлов В.А., Эвенчик Э.Е. и др. Физика: Учебник для 10 класса с углубленным изучением физики. М.: Просвещение, 2004; Габриелян О.С., Лысова Г.Г. Химия 11 класс. М.: Дрофа, 2002; Глинка Н.Л. Общая химия. Л.: Химия. Ленингр. отд-ние, 1980; Юдин А.М., Сучков В.Н., Kоростелин Ю.А. Химия для вас. М.: Химия, 1986; Артеменко А.И. Удивительный мир органической химии. М.: Дрофа, 2004; Харлампович Г.Д., Семенов А.С., Попов В.А. Многоликая химия. М.:Просвещение, 1992; Плетнев М.Ю. Kосметико-гигиенические моющие средства. М.: Химия, 1990; Пичугина Г.В. Химия и повседневная жизнь человека. М.: Дрофа, 2004; Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979; Гегузин Я.Е. Пузыри. Библиотечка «Kвант». Вып. 46. М.: Наука, 1985; Цветков Л.А. Синтетические высокомолекулярные вещества. Учебное пособие для 10 класса. М.: Учпедгиз, 1963; Айвазов Б.В. Практикум по химии поверхностных явлений и адсорбции. Учебное пособие для институтов. М.: Высшая школа, 1973; Kоренкова И.Н., Зазыбин А.Г. От мыла к СМС. Химия в школе, 1998, № 4, с. 40–42; Николаева М.В. О мыле и о том, что происходит, когда оно встречается с водой. Химия (ИД «Первое сентября»), 2005, № 18, с. 34.

---

* Программа и тематическое планирование элективного курса «Поверхностные явления» была напечатана в газете Химия (ИД «Первое сентября»), 2007, № 4.

** Габриелян О.С., Белоногов В.А., Белоногова Г.У. Поверхностные явления. 10–11 классы: учебное пособие. Элективные курсы. М.: Дрофа, 2008, 109 с.

Г.У.БЕЛОНОГОВА,
учитель химии средней школы № 110,
методист по химии
информационно-методического
центра г. Уфы;
В.А.БЕЛОНОГОВ,
ст. препод. Уфимского государственного
авиационного технического университета
(Республика Башкортостан)