Исследование влияния примесных атомов на поверхностное натяжение и вязкость жидких растворов

Введение

Физические свойства воды своеобразны. Вода одна из веществ, которая существует в трех агрегатных состояниях: лед, вода, пар, которая обладает удивительными свойствами и уникальной структурой.

Не совсем обычна зависимость вязкости жидкой воды от давления: в области сравнительно низких давлений при температурах до 30ºС  вязкость с ростом давления уменьшается. Жидкая вода и лёд являются диэлектриками.

Вода ценнейший природный ресурс. Огромное значение вода имеет в промышленном и сельскохозяйственном производствах. Общеизвестна необходимость ее для бытовых потребностей.

Здоровье человека и качество воды, которую он потребляет для обеспечения своей жизнедеятельности, связаны напрямую. Огромное количество исследований, проведённых учёными разных стран, доказывает, что существует прямая связь между качеством питьевой воды и продолжительностью жизни людей. По данным Всемирная организация здравоохранения почти 90% всех болезней человечества вызвано применением для различных бытовых нужд и питья именно некачественной воды. Поэтому повышение качества воды является актуальной проблемой современности [1].

Качество воды характеризуется ее температурой, содержанием в ней взвешенных веществ, ее цветностью, запахом, привкусом, жесткостью, содержанием отдельных химических элементов и соединений, активной реакцией и другими показателями.

Обзор литературы показывает, жесткая вода из-за чрезмерного употребления оказывает вред здоровью:

- способствует росту мочевых камней и развитию мочекаменной болезни. Это связано с накоплением солей, которые просто не успевают выводиться из организма;

- замедляется процесс приготовления пищи, из-за многочисленных солей плохо разваривается мясо. Это приводит к плохому усвоению белка и может вызвать заболевания желудочно-кишечного тракта;

- образование тонкой корки на волосах, которая  разрушает естественную жировую пленку. Происходит это так же, как и на коже рук – «мыльные шлаки» не вымываются и постепенной накапливаются. Это может вызвать зуд кожи головы, перхоть и даже выпадение волос;

- при умывании жесткая вода сушит кожу. Это происходит из-за появления «мыльных шлаков» образованных из мыла, которое не способно мылиться и растворяться в жесткой воде. Эти мыльные шлаки закупоривают поры, не давая им свободно дышать, вследствие чего могут развиваться кожные воспаления, не давать покоя зуд и жжение кожи [2].

Жидкие растворы на основе воды не полностью изучены, либо отсутствуют физико-химические характеристики (например, проводимость электрического тока, сопротивление, зависимость проводимости и сопротивления от температуры, поверхностное натяжение, вязкость и т.д.) [3,4].

Влияние примесей на поверхностное натяжение и вязкость в жидких растворах изучено пока недостаточно.

Вместе с тем знание концентрационных зависимости поверхностного натяжения и вязкости позволят контролировать состав жидких растворов. Подобные экспресс-методы позволит оптимизировать методику оценки качества питьевой воды.

Актуальность исследования

Коэффициент поверхностного натяжения воды из под крана очень большой, это объясняется жесткостью воды. Самым низким поверхностным натяжением обладает родниковая и дистиллированная вода. Для понижения жесткости воды нужно ее смягчать с помощью поверхностно-активных веществ. При добавлении в воду ПАВ поверхностное натяжение, вязкость и другие физико-химические свойства жидкости изменяются. Поэтому с помощью поверхностно-активных примесями можно управлять этими процессами, соответственно можно получать необходимые жидкие растворы с заданными свойствами.

Поэтому проблема улучшения качества питьевой воды является актуальным, потому что потребление воды ежегодно увеличивается в различных отраслях, а количество питьевой воды уменьшается.

Цель и задачи исследования - изучить влияние примесных атомов на физические свойства воды (поверхностное натяжение и вязкость):

• приготовить различные жидкие растворы с малыми добавками на основе воды;
• исследовать влияния малых добавок примесных атомов на поверхностное натяжение жидких растворов с помощью метода подсчета отрыва капель;
• исследовать влияния малых добавок примесных атомов на вязкость жидких растворов на основе воды.

Объект исследования - местная вода, растительное масло, автомобильное масло лукойл 10W-30.

Методика измерения поверхностного натяжения

Метод измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости в работе основывается на наблюдении истечения жидкости из малого отверстия в сосуде [5].

В случае медленного вытекания жидкости из малого отверстия размер образующихся капель зависит от плотности жидкости, коэффициента поверхностного натяжения, размера и формы отверстия, а также от скорости истечения.

При медленном вытекании смачивающей жидкости из вертикальной цилиндрической трубки образующаяся капля имеет форму, показанную на рис. 1. Радиус r шейки капли можно считать примерно равным наружному радиусу трубки R.

Рис. 1

Очевидно, что в момент отрыва капли массы m ее вес должен быть равен равнодействующей сил поверхностного натяжения, действующих по длине контура шейки капли в самой ее узкой части. Таким образом, можно записать

mg = 2πrσ,  (1)

Подставляя величину радиуса шейки r из равенства (1) и решая его относительно σ, получим:

 (2)

Для определения массы капли, необходимо измерить с помощью шкалы уменьшение объема жидкости в трубке бюретки при выпадении капель в количестве N. Тогда масса всей вытекшей жидкости , а масса отдельной капли m = М/N,  

Подставляя последнее выражение в формулу (3) и вводя вместо радиуса трубки ее диаметр D, получим расчетную формулу:

,    (3)

где М – масса жидкости; g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с²; N - число капель; D – диаметр капельницы, D = 2,28 мм.

Описание установки «Метод подсчета капель»

Установка для определения коэффициента поверхностного натяжения (рис. 2) состоит из штатива, на котором установлена: шприц емкостью 20 мл, соединенная капельницей, сосуд для сбора жидкости.

Рис. 2

С помощью штангенциркуля измеряют диаметр наконечника-трубки капельницы три раза и вычисляют среднее значение D. Добиваются, чтобы капли падали достаточно медленно (15–20 капель в минуту). Тогда можно считать, что отрывание капель происходит только под действием веса и точность измерения поверхностного натяжения считается более достоверным.

С помощью электронных весов определяем сперва массу сосуда m_o, затем подставляем установку собираем исследуемую жидкость (15–20 капель), снова на весах определяем массу сосуда с жидкостью m₁, затем определяем массу самой жидкости M = m₁ – m_o. Затем рассчитываем поверхностное натяжение по формуле (3).
Концентрацию полученного раствора рассчитывали по формуле:

,

где m пр – масса моющего средства, г; m – масса растворителя, г.

Определение вязкости жидкости по методу Стокса

На движущийся шарик в жидкости действуют три силы: сила тяжести F_Т, выталкивающая архимедова сила F_А и сила сопротивления F_С (рис.4) [8]. Силу тяжести и выталкивающую силу можно определить следующим образом:

где r– радиус шарика; ρ – плотность шарика; ρ_o – плотность жидкости.

Для тел сферической формы F_С определяют по формуле Стокса:

F_С = 6πηrυ,

где η –  вязкость жидкости; υ – скорость его равномерного движения. Скорость движения зависит от размеров движущегося тела и от вязкости жидкости.

Силя тяжести и выталкивающая сила постоянны. Сила сопротивления F_С прямо пропорциональна скорости и поэтому на начальном этапе она меньше силы тяжести, и шарик падает равноускоренно. При этом сила сопротивления увеличивается и наступает момент, когда все три силы уравновешиваются. Шарик начинает двигаться равномерно:

F_Т  = F_А + F_С

или

откуда

Описание установки

Для определения вязкости жидкости по методу Стокса берется высокий цилиндрический сосуд с исследуемой жидкостью (рис. 3). На сосуде имеются две кольцевые метки А и В, расположенные на расстоянии l друг от друга. Рсстояние между метками можно изменять. Уровень жидкости должен быть выше верхней метки на l_o= 4–5 см, чтобы к моменту прохождения шарики мимо верхней метки его скорость можно было считать установившейся.

Рис. 3. Установка для измерения вязкости жидклсти

Бросая шарик в сосуд, отмечают время t прохождения шариком расстояния l = АВ между двумя метками.

Преобразуем формулу путем подстановки для скорости υ = l/t и замены радиуса шарика r диаметром d получим,

   (4)

В случае непрозрачных жидкостей  коэффициент вязкости жидкости  можно измерить вискозиметром. В нашей работе мы оценивали вязкость методом подсчета капель падающих из трубки и рассчитывали по формуле (5). 

η = Mg /6πrυN.     (5)

 Результаты исследования и их обсуждения

Результаты исследования поверхностного натяжения и вязкости жидких растворов представлены на рис. 4–13.

На рис. 4 представлены результаты исследования поверхностного натяжения водных растворов с малыми добавками неорганических моющих средств.

Рис. 4. Зависимость поверхностного натяжения воды от концентрации примеси моющих средств, в растворе:
1 – «Шампунь»; 2 – «Ушастый гель»; 3 – «Pril».

Как видно из рисунка 4 во всех исследуемых растворах поверхностное натяжение уменьшается при увеличении концентрации моющих средств. Обнаружено, что при концентрациях C > 0,4 % происходит насыщение раствора, при котором поверхностное натяжение остается неизменным.

«Шампунь» и «Ушастый гель» (см. рис. 4) по составу ПАВ не различаются, в отличие от «Pril». Поверхностные натяжения растворов «Шампунь» и «Ушастый гель» - меньше, а поверхностное натяжение раствора с «Pril» выше.

На рис. 5–9 представлены результаты исследования влияния малых добавок примесных атомов (щелочей, спирта, глицерина) на вязкость жидких растворов на основе воды, спирта, глицерина и уксусной кислоты.

Из рисунков (6а,7,9) видно, что вязкость воды сильнее повышается при добавлении соли щелочей (NaOH, КOH), сахара, глицирина. Спирт наоборот понижает вязкость воды (рис.5а).

Если воду добавить в спирт и глицирин, то их вязкость понижается, следовательно вода по отношению к спирта и глицириана являются поверхностно-активными веществом (рис.5б,8).

Вязкость ксусной кислоты повышается если в нее добавить воду но не так заметно, как влияют сахар, глицирин и соли щелочей (рис.6б,8).

Такое поведение вязкости связано наверно со структурными изменениями в процессе расположения примесных атомов между молекулами жидкости (растворителя) и сил взаимодействия между между молекулами жидкости и примесями, приводящие к усилению (ослаблению) движущихся слоев, вследствие чего вязкость жидкости ослабевает (усиливается).

Рис. 5. Зависимость вязкости растворов от концентрации примеси,
вес. %: а – вода + спирт; б - спирт + вода.

Рис. 6. Зависимость коэффициента вязкости растворов от концентрации примеси,
вес. %: а – уксусная кислота + вода; б – вода + сахар.

 

Рис. 7. Зависимость коэффициента вязкости воды от концентрации примеси,
вес. %: 1 – вода +NaOH; 2 – вода + КОН

Рис. 8. Зависимость коэффициента вязкости глицерина от концентрации воды, вес. %.

Рис. 9. Зависимость коэффициента вязкости воды от концентрации глицерина,  вес.%.

Рис. 10. Влияние воды на вязкость моющих средств, от концентрации:
1 – «Pril»; 2 – «Ушастый нянь»; 3 – «Шампунь».

Рис. 11. Влияние жидких моющих средств на вязкость воды, от концентрации:
1 – «Fairy»; 2 – «Ушастый нянь»; 3 – Спирт.

В данной работе мы также исследовали влияние примесей в малых количествах на скорость вытекания капель растворов моющих средств и воды из отверстия.

Из рис. 10 видно, что при добавлении воды в моющие средства, скорость вытекания капель увеличивается и изменяется по параболическому закону. Это связано с тем, что вязкость и поверхностное натяжение раствора уменьшается.

Если добавлять в воду моющие средства, спирт в малых количествах, скорость вытекания - растет, а затем начинает замедляться, доходя до насыщения раствора, число капель не изменяется (см. рис.11). Возможно, это связано с тем, что вязкость раствора увеличивается, несмотря на то, что уменьшается поверхностное натяжения раствора.

Рис. 12. Влияние органических веществ на вязкость растительного масла:
1 – бензина; 2 – глицерина; 3 – автомобильное масло лукойл 10W-30.

Рис. 13. Влияние органических веществ на вязкость автомобильного масла лукойл 10W-30:
1 – бензина; 2 – растительное масло.

Из рисунков 12, 13 видно также, что вязкость органических веществ, также понижается, если в них добавлять примеси в малых количествах: бензина, растительное масло, глицерин, автомобильное масло лукойл 10W-30.

Выводы

1. Поверхностное натяжение во всех исследуемых растворах с увеличением концентрации моющих средств уменьшается. Обнаружено, при концентрациях C > 0,4 % происходит насыщение раствора, при котором поверхностное натяжение не растет, а остается неизменным.

2. Поверхностное натяжение зависит от состава ПАВ в моющих средствах, концентрации примесей в растворе.

3. Вода, понижает вязкость спирта и глицерина, так как вода по отношению к ним является поверхностно-активным. Сахар, глицерин и соли щелочей наоборот повышают вязкость раствора, потому что они являются по отношению к воде инактивными добавками.

Литература

1. Остроумов С.А. Биологические эффекты при воздействии поверхностно-активных веществ на организмы. – М.: МАКС – Пресс, 2001. – 334 с.
2. Ставская С.С., Удод В.М., Таранова Л.А., Кривец И.А. Микробиологическая очистка воды от поверхностно-активных веществ. – Киев: Наук. Думка, 1988. – 184 с.
3. Айвазов Б.В. Практикум по химии поверхностных явлений и адсорбции. Учебное пособие для институтов. М.: Высшая школа, 1973.
4. Теплофизические свойства жидкостей/ отв. ред. д-р техн. наук З.И.Геллер. – М.: Недра, 1973. – 546 с.
5. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике, М.: Наука, 1979. – 944 с.
6. Никулин С.С., Чех А.С. Определение вязкости жидкости методом Стокса: методическое указание – Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2011. – 12 с.