Исследование поверхностного натяжения жидкости на примере воды

Районный конкурс реферативно – исследовательских работ для учащихся 1-8 классов «Умники и умницы»
Исследование поверхностного натяжение жидкости на примере воды Естествознание ( Физика )
Автор:Турутина Вера Витальевна, 3 класс, МАОУ СОШ № 21,Научный руководитель: Рябова Оксана Владимировна, учитель начальных классов МАОУ СОШ № 21



Челябинск - 2015

ОглавлениеВведение..…………………………………………………………….……….................................................31.Основная часть………………………………………………………………… ………………………….3
1.1. Что такое вода………………………………………………………………………………………...3 1.2. Явление поверхностного натяжения ……………………………………………………………….4 1.3. Смачивание…………………………………………………………………………………………...5 1.4. Капиллярные явления ……………………………………………………………………………….5 1.5. Зависимость коэффициента поверхностного натяжения………………………………………….6 1.6. Роль сил поверхностного натяжения …………………………………………………………….....7 1.7. Любопытно, что………………………………………………………………………………………82.Исследовательская часть……………………………………………………...............................................8Заключение……………………………………………………………….…….............................................10Используемая литература…………………………………………………………………………………..10Приложение


Введение
Каждое лето я уезжаю на каникулы к бабушке в деревню. Недалеко от бабушкиного дома есть пруд. Мне очень нравится в знойный летний день сидеть на его берегу и наблюдать за жизнью обитателей этого водного царства. Я всегда считала, что бегать по воде нельзя. Оказывается, можно! Что бы в этом убедится, достаточно посмотреть на поверхность пруда в летний день. По воде ходят, бегают множество насекомых. Они ловко скользят по поверхности. Пленка воды слегка прогибается, но не рвется. У меня возник вопрос, каким же свойством обладает вода, раз выдерживает, всю эту живность.
Тема моей работы «Исследование поверхностного натяжения жидкости на примере воды».
Выбранная мною тема актуальна для изучения. В окружающем нас мире наряду с тяготением и трением действует ещё одна сила, на которую мы мало обращаем внимания. Эта сила сравнительно невелика и никогда не вызывает впечатляющих эффектов. Тем не менее, мы не можем налить воды в стакан, вообще ничего не можем проделать с какой-либо жидкостью, без того, чтобы не привести в действие силу поверхностного натяжения.
Перед началом работы я провела опрос среди одноклассников и выяснила, что о таком явлении как поверхностное натяжение воды никто ничего не знает. Результаты опроса ещё больше убедили меня в необходимости моей исследовательской работы. (Приложение А)Объект исследования: поверхностное натяжение жидкостиПредмет исследования: роль поверхностного натяжение воды в природе и техникеГипотеза: поверхностное натяжение играет важную роль в природе и технике, в физиологии нашего организма и в жизни насекомых.Цель: исследовать поверхностное натяжение воды, выяснить какую роль они играют в природе и в жизни человека.Задачи исследования:1.Познакомиться со структурой воды.2.Познакомиться с явлением поверхностного натяжения.3.Провести эксперименты, демонстрирующие поверхностное натяжение воды.4. Проанализировать и обобщить полученные результаты опытов и сопоставить их с литературными источниками, сделать выводы.Методы исследования: сбор информации, анализ, обобщение, изучение теоретического материала, проведение эксперимента. 1.Основная часть1.1.Что такое вода"Простейшее устойчивое соединение водорода с кислородом", - такое определение воды дает Краткая химическая энциклопедия. Все верно, только простейшее в химии – это далеко не простое. До XIX века люди не знали, что вода – химическое соединение. Ее считали обычным химическим элементом. Лишь в 1805году Александр Гумбольдт и Жозеф Луи Гей-Люссак установили, что вода состоит из молекул, каждая из которых содержит два атома водорода и один кислорода (Приложение Б). После этого свыше ста лет все и всюду считали, что вода индивидуальное соединение, описываемое единственно возможной формулой H2O. Недостаточность этого положения выяснилась лишь в 1932 году. Мир облетела сенсация: кроме воды обычной, в природе существует еще и тяжелая вода. В молекулах такой воды место водорода занимает его тяжелый изотоп – дейтерий [10, с.165]. 1.2. Явление поверхностного натяженияС точки зрения современной физики, жидкости являются наиболее сложным предметом исследований, потому что по сравнению с газами уже нельзя говорить о пренебрежимо малой энергии взаимодействия между молекулами, а по сравнению с твердыми телами нельзя говорить об упорядоченном расположении молекул жидкости (в жидкости отсутствует дальний порядок). Это приводит к тому, что жидкости обладают рядом интереснейших свойств и их проявлений. Одно из которых – поверхностное натяжение [10,с.171].Понятие «поверхностное натяжение» впервыеввел Я. Сегнер (1752 год).В первой половине 19 в. На основе представления о поверхностном натяжении была развита математическая теория капиллярных явлений (П. Лаплас, С. Пуассон, К. Гаусс, А.Ю. Давидов). Во второй половине 19 в. Дж. Гиббс развил термодинамическую теорию поверхностных явлений, в которой решающую роль играет поверхностное натяжение. В 20 в. Разрабатываются методы регулирования поверхностного натяжения с помощью ПАВ и электрокапиллярных эффектов (И. Ленгмюр, П. А. Ребиндер, A. H. Фрумкин). Среди современных актуальных проблем-развитие молекулярной теории поверхностного натяжения различных жидкостей, влияние кривизны поверхности на поверхностное натяжение[9,с.71].Рассмотрим природу поверхностного натяжения. Молекулы жидкости испытывают силы взаимного притяжения , именно благодаря этому жидкость моментально не улетучивается. На молекулы внутри жидкости силы притяжения других молекул действуют со всех сторон и поэтому взаимно уравновешивают друг друга. Молекулы же на поверхности жидкости не имеют соседей снаружи, и результирующая сила притяжения направлена внутрь жидкости ( Приложение В ). В итоге вся поверхность воды стремится стянуться под воздействием этих сил. По совокупности этот эффект приводит к формированию так называемой силы поверхностного натяжения, которая действует вдоль поверхности жидкости и приводит к образованию на ней подобия невидимой, тонкой и упругой пленки. Одним из следствий эффекта поверхностного натяжения является то, что для увеличения площади поверхности жидкости — ее растяжения — нужно проделать механическую работу по преодолению сил поверхностного натяжения. Следовательно, если жидкость оставить в покое, она стремится принять форму, при которой площадь ее поверхности окажется минимальной. Такой формой является сфера — вот почему дождевые капли в  полете принимают почти сферическую форму ( «почти», потому что в полете капли слегка вытягиваются из-за сопротивления воздуха). По этой же причине капли воды на кузове покрытого свежим воском автомобиля собираются в бусинки [1,с.69].1.3. СмачиваниеВажные явления, обусловленные поверхностным натяжением, возникают на границе сосуществования трех фаз. Одно из таких явлений это смачивание. Смачивание —физическое взаимодействие жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой жидкости [2,с.132]. Смачивание зависит от соотношения между силами сцепления молекул жидкости с молекулами (или атомами) смачиваемого тела и силами взаимного сцепления молекул жидкости .Если жидкость контактирует с твёрдым телом, то существуют две возможности:а) молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твёрдого тела. В результате силы притяжения между молекулами жидкости собирают её в капельку. Так ведёт себя ртуть на стекле, вода на парафине или «жирной» поверхности. В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность ( Приложение Г);б) молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твёрдого тела. В результате жидкость стремится прижаться к поверхности, расплывается по ней. Так ведёт себя ртуть на цинковой пластине, вода на чистом стекле или дереве. В этом случае говорят, что жидкость смачивает поверхность (Приложение Г ).Степень смачивания характеризуется углом смачивания. Измерение степени смачивания весьма важно во многих отраслях промышленности (лакокрасочная, фармацевтическая, косметическая и т. д.).К примеру, на лобовые стёкла автомобилей наносят особые покрытия, которые должны быть устойчивы против разных видов загрязнений. Состав и физические свойства покрытия стёкол и контактных линз можно сделать оптимальным по результатам измерения контактного угла [9,с.89].1.4. Капиллярные явления Явления смачивания и несмачивания отчетливо проявляются в узких трубках. Подъем или опускание жидкости в узких трубках - капиллярах - это физическое явление, заключающееся в способности жидкостей изменять уровень в трубках, узких каналах произвольной формы, пористых телах[10,с.255]. Капиллярность - от лат. capillaris — волосяной; отсюда происходит встречавшийся ранее в русскоязычной научной литературе термин волосность. Капиллярные явления обусловленные действием поверхностного натяжения на границе раздела несмешивающихся сред. К капиллярным явлениям относят обычно явления в жидких средах, вызванные искривлением их поверхности, граничащей с другой жидкостью, газом или собственным паром [6,с.99].При контакте жидкости с твёрдыми телами на форму её поверхности существенно влияют явления смачивания, обусловленные взаимодействием молекул жидкости и твёрдого тела. На рисунке (Приложение Д) показан профиль поверхности жидкости, смачивающей стенки сосуда. Смачивание означает, что жидкость сильнее взаимодействует с поверхностью твёрдого тела (капилляра, сосуда), чем находящийся над ней газ. Силы притяжения, действующие между молекулами твёрдого тела и жидкости, заставляют её подниматься по стенке сосуда. При этом, чем меньше радиус трубки, тем на большую высоту поднимается в ней жидкость (Приложение № Е). Жидкость, не смачивающая стенки капилляра (например, ртуть в стеклянной трубке), опускается ниже уровня жидкости в широком сосуде (Приложение Ж). Подъем смачивающей жидкости по капилляру можно объяснить по-другому — непосредственным действием сил поверхностного натяжения. Вдоль границы поверхностного слоя жидкости, имею щей форму окружности, на стенки трубки действует сила поверхностного натяжения, направленная вниз (для смачивающей жидкости). Такая же по модулю сила действует на жидкость со стороны стенок трубки вверх (третий закон Ньютона). Эта сила и заставляет жидкость подниматься в узкой трубке[4,с.47].Капиллярные явления чрезвычайно важны в природе, быту, технике. Почва имеет рыхлое строение, и между отдельными частицами ее находятся промежутки. Узкие промежутки представляют собой капилляры. По капиллярным ходам вода поднимается к корневой системе растений и снабжает их необходимой влагой и питательными солями. По капиллярам находящаяся в почве вода поднимается вверх и интенсивно испаряется (Приложение И).Чтобы уменьшить испарение, нужно разрушить капилляры. Это достигается разрыхлением почвы. Иногда требуется, наоборот, усилить приток влаги по капиллярам. Тогда почву укатывают, увеличивая этим количество капиллярных каналов. В быту капиллярные явления используют при самых разнообразных обстоятельствах. Прикладывая промокательную бумагу, удаляют излишек чернил с письма, хлопчатобумажной или льняной тряпкой вытирают мокрые места на столе или на полу. Применение полотенец, салфеток возможно только благодаря наличию в них капилляров. Поднятие керосина или расплавленного стеарина по фитилям ламп и свечей обусловлено наличием в фитилях капиллярных каналов. В технике как один из способов подвода смазки к деталям машин применяют иногда фитильный способ подачи масла. В строительном деле приходится учитывать подъем влаги из почвы по порам строительных материалов. Из-за этого отсыревают стены зданий. Для защиты фундамента и стен от воздействия грунтовых вод и сырости применяют гидроизоляцию, покрывая фундамент горячим (жидким) битумом или обкладывая водонепроницаемым рулонным материалом (толь или рубероид) [5,с.36].1.5.Зависимость коэффициента поверхностного натяженияКоэффициент поверхностного натяжения зависит от свойств жидкости, температуры жидкости и от среды над жидкостью. При увеличении температуры уменьшается коэффициент поверхностного натяжения [8,с.75]. Чем выше температура жидкости, тем больше расстояние между молекулами, то есть меньше сила взаимодействия между ними, следовательно, поверхностное натяжение воды уменьшается. Именно из-за поверхностного натяжения вода сама по себе не обладает достаточным чистящим действием. Вступая в контакт с пятном, молекулы воды притягиваются друг к другу вместо того, чтобы захватывать частицы грязи. Другими словами, они не смачивают грязь. Мыло и синтетические моющие средства содержат вещества, повышающие смачивающие свойства воды за счет уменьшения силы поверхностного натяжения. Эти вещества называются поверхностно активными (ПАВ), поскольку действуют на поверхности жидкости (имеются в виду все границы, не только верхняя). Молекулы ПАВ можно представить в виде головастиков Головами они "цепляются" за воду, а хвостиками - за жир. Когда ПАВ смешивают с водой, его молекулы на поверхности обращены "головами" вниз, а их "хвостики" торчат из воды. "Раздробив" таким образом поверхность воды, эти молекулы значительно уменьшают эффект поверхностного натяжения, тем самым помогая воде проникать в ткань. Этими же хвостиками молекулы ПАВ захватывают попадающиеся им частицы жира [5,с.75].1.6.Роль сил поверхностного натяженияПри наблюдении различных явлений природы и в повседневной жизни постоянно приходится сталкиваться с проявлением сил поверхностного натяжения. Силы поверхностного натяжения используются в промышленности — в частности, при отливке сферических форм, например ружейной дроби. Каплям расплавленного металла просто дают застывать на лету при падении с достаточной для этого высоты, и они сами застывают в форме шариков, прежде чем упадут в приемный контейнер. В химической промышленности в воду часто добавляют специальные реагенты-смачиватели — сурфактанты, — не дающие воде собираться в капли на какой-либо поверхности. Их добавляют, например, в жидкие моющие средства для посудомоечных машин. Попадая в поверхностный слой воды, молекулы таких реагентов заметно ослабляют силы поверхностного натяжения, вода не собирается в капли и не оставляет на поверхности грязных крапин после высыхания. Без этих сил мы не могли бы писать чернилами. Обычная ручка не зачерпнула бы чернил из чернильницы, а автоматическая сразу же поставила бы большую кляксу, опорожнив весь свой резервуар. Нельзя было бы намылить руки: пена не образовалась бы. Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений. Пострадали бы важные функции нашего организма.Клоп-водомерка умело использует силу поверхностного натяжения, удерживающую его на поверхности воды (Приложение К). Он не тонет, поскольку вес клопа меньше силы поверхностного натяжения Некоторые животные, обитающие в воде, но не имеющие жабр, подвешиваются снизу у поверхностной плёнки воды с помощью особых несмачивающихся щетинок, окружающих их органы дыхания. Этим приёмом пользуются личинки комаров (Приложение Л).1.7. Любопытно, что......с давних времен для успешной ловли рыбы с помощью остроги поверхность воды сбрызгивали маслом. Даже легкое волнение воды сильно искажает видимое изображение рыбы и мешает прицелиться, тонкая же пленка масла, благодаря силам поверхностного натяжения, способствует затуханию волн и успокоению воды. ...идея флотации — отделения ценных фрагментов руды от пустой породы с помощью всплывающих воздушных пузырьков — возникла случайно. В конце позапрошлого века американская учительница Карри Эвертон обратила внимание на то, что при стирке загрязненных маслом мешков, в которых ранее хранился медный колчедан, замасленные крупинки минерала всплывали вместе с мыльной пеной, словно на воздушном шаре. ...в условиях невесомости капли не только воды, но и жидких металлов, как убедительно продемонстрировали это космонавты, могут достигать внушительных размеров. 2. Исследовательская частьИз литературных источников мне стало известно, что можно убедиться в существовании сил поверхностного натяжения при помощи простых экспериментов. Которые я решила провести.Опыт № 1. (Приложение М)1. Налила в ёмкость воду. Взяла обычную металлическую швейную иглу.2. Аккуратно положила на поверхность воды иголку. Игла лежит на поверхности и не тонет. То, почему металлическая иголка «лежит» на поверхности воды можно объяснить наличием сил поверхностного натяжения.Вывод: иголка, которую аккуратно положили на поверхность, деформирует ее, увеличивая тем самым площадь этой поверхности. Таким образом, возникает сила поверхностного натяжения, которая стремится уменьшить подобное изменение площади. Равнодействующая сил поверхностного натяжения будет направлена вверх, и она скомпенсирует силу тяжести.Опыт № 2. (Приложение Н)1. Приготовила мыльный раствор.2. К проволочному кольцу в двух местах привязала нить, причем так, чтобы длина нити была несколько больше длины диаметра кольца, соединяющей точки крепления нити.3. Обмакнула проволочное кольцо в мыльный раствор.4. Мыльная пленка затянула всю поверхность кольца и нить лежит на мыльной пленке. 5. Порвала пленку с одной стороны нити, мыльная пленка, оставшаяся с другой стороны нити сократилась и натянула нить. Почему же так произошло?Вывод: дело в том, что оставшийся сверху мыльный раствор, то есть вода, стремится сократить площадь своей поверхности. Таким образом, нить вытягивается вверх.Опыт № 3. (Приложение П)1.Налила в  ёмкость прохладную воду до краёв. ( Вода не должна быть слишком горячей, чем теплее жидкость, тем более слабы силы поверхностного натяжения).2.Берём монетки разного размера. Аккуратно, по краю стакана опускаете монеты в воду и отпускаете их, начиная с крупных, и заканчивая мелкими.Вывод: монеты выталкивают собственный объём и вода в  стакане поднимается над поверхностью, но не выливается, а поднимется горкой над краями ёмкости, потому что молекулы поверхности воды притягиваются в глубь жидкости. Как следствие , поверхность воды чуть более плотная чем остальная её часть. Образовалась своего рода «плёнка», которая и удерживает воду. Опыт доказал существование поверхностного натяжения. Опыт № 4. (Приложение Р)Смачивание — физическое взаимодействие жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой жидкости. Примером того, что жидкость смачивает поверхность, может служить то, как вода ведет себя на чистом стекле. Примером того, как поверхность не смачивается жидкостью, может служить то, как вода ведет себя на стекле, покрытом копотью или стеарином. Это я и решила проверить при помощи следующего опыта.1. Взяла два предметных стекла, стеариновую свечу, пипетку, воду.2. Капнула воду на стекло.3. Капелька растеклась по стеклу.Вывод: это значит, что вода смачивает стекло. На молекулярном уровне это означает, что молекулы воды и стекла сильнее взаимодействуют между собой, чем молекулы воды между собой, в результате жидкость растеклась.4. Натёрла предметное стекло веществом свечи – стеарином.5.Капнула воду на стекло.6. Капелька не растеклась, а сферой лежит на поверхности стекла.Вывод: сила взаимодействия молекул воды между собой больше, чем сила взаимодействия молекул воды и стеарина, в этом случае говорят, что вода не смачивает поверхность твёрдого тела.Опыт № 5. (Приложение С)Высота подъема жидкости в капилляре зависит от свойств жидкости (её поверхностного натяжения и плотности ), а также от радиуса капилляра – чем меньше радиус капилляра, тем больше высота подъема жидкости в капилляре.Проследим, как поднимается вода по капиллярам в хлопчатобумажной ткани и бумажной салфетке, и определим у какого материала радиус капилляра меньше.1.Взяла полоску хлопчатобумажной ткани и полоску салфетки. 2.Одновременно опустила обе полоски в подкрашенную воду.3.Отметила контрольные точки.4.Наблюдала промокание исследуемых материалов и поднятие влажной границы вверх. Вывод: из опыта наглядно видно, что вода по тканевой полоске поднялась выше, чем по бумажной. Как известно, чем больше высота поднятия жидкости, тем меньше радиус капилляра. Следовательно, ткань имеет более узкие капилляры, чем бумажная салфетка.ЗаключениеВ ходе своей работы, мне удалось подтвердить мою гипотезу. Я узнала, что разгадка общего механизма действия поверхностных сил привела к объяснению удивительно разнообразных природных явлений — от процесса образования капель до поведения жидкостей в живых организмах. Более того, понимание свойств поверхностного натяжения позволило активно использовать его в широком практическом диапазоне — от сельского хозяйства до космической техники. Особенно хочется отметить, что исследования в этой области породили красивые и плодотворные аналогии. Так, при сооружении легких строительных конструкций сложных форм найти лучшие решения помогают... мыльные пленки, а построить первую теорию деления атомных ядер удалось, уподобив ядро... капле заряженной жидкости.Литература1. Асламазов Л. Г., А. А. Варламов. «Удивительная физика», – М.: Наука, Москва, 1988 г.2. Гегузин. Я. Е. Пузыри , Библиотека Квант. – М.: Наука, 1985. (Источник).3. Горев Л. Занимательные опыты по физике. – М.: Просвещение, 1985. 4.Ландсберг С. Элементарный учебник физики. т. 1.5. Гук А.В. Играем с наукой. Справочник природного волшебства. – М.: Феникс, Ростов-на-Дону, 2014.6. Мякишев Г. Я, Буховцев Б. Б., Сотский Н. Н. Физика 10. – М.: Просвещение, 2008.7. Окслейд К. Научные опыты для детей, - М.: Эксмо, Москва, 2013.8. Шахмаев Н. М., Шахмаев С. Н., Шодиев Д. Ш, Учебник физики для 10 класса средней школы, - М: «Просвещение», Москва, 1991 .9.Яворский Б. М., Пинский А. А.. Основы физики. т. 1.9. 10.http://www.physbook.ru/index.php/Kvant11. http://www.hemi.nsu.ru/text174.htm12.http://interneturok.ru/ru/school/physics/10-klass/undefined/poverhnostnoe- natyazhenie 
Приложение А

Приложение № Б
Молекула воды.
Н2О

Приложение № В

Приложение № Г Несмачивание Смачивание  

Приложение № Д
Приложение №
Приложение № Ж




Приложение № И



Приложение К


Приложение Л


Приложение МОПЫТ № 1.
1. Налила в ёмкость воду. Взяла металлическую швейную иглу.

2. Аккуратно положила иглу на поверхность воды.Игла лежит на поверхности и не тонет.Вывод: иголка, которую аккуратно положили н поверхность, деформирует ее, увеличивая тем самым площадь этой поверхности. Таким образом, возникает сила поверхностного натяжения, которая стремится уменьшит подобное изменение площадь. Равнодействующая сил поверхностного натяжения будет направлена вверх, и она скомпенсирует силу тяжести.


Приложение Н
ОПЫТ № 2.
1.Приготовила мыльный раствор. 2. Обмакнула проволочное кольцо в мыльный К проволочному кольцу в двух местах раствор. привязала нить. 3. Мыльная пленка затянула всю поверхность кольца и нить лежит на мыльной пленке.
4. Порвала пленку с одной стороны нити, мыльная пленка, оставшаяся с другой стороны нити сократилась и натянула нить.Почему же так произошло? Вывод: дело в том, что оставшийся сверху мыльный раствор, то есть вода, стремится сократить площадь своей поверхности. Таким образом, нить вытягивается вверх.


Приложение ПОПЫТ № 3.
1. Налила в ёмкость воды до . 2. Опустила все монеты в воду.до самого края. Уместилось 30 монет.

3. Вода, вытесненная монетками не вылилась, а поднялась выше края ёмкости. Поверхность стала выпуклой, удерживаемая тоненькой пленочкой.Вывод: молекулы поверхности воды притягиваются в глубь жидкости, как следствие , поверхность воды чуть более плотная чем остальная её часть. Образовалась своего рода «плёнка», которая и удерживает воду. Опыт доказал существование поверхностного натяжения.

Приложение Р
ОПЫТ № 4.

1. Взяла два предметных стекла, стеариновую свечу, пипетку, воду.2. Капнула воду на стекло.3. Капелька растеклась по стеклу.Вывод: это значит, что вода смачивает стекло. На молекулярном уровне это означает, что молекулы воды и стекла сильнее взаимодействуют между собой, чем молекулы воды между собой, в результате жидкость растеклась.

4. Натёрла предметное стекло веществом свечи – стеарином.5.Капнула воду на стекло.6. Капелька не растеклась, а сферой лежит на поверхности стекла.Вывод: сила взаимодействия молекул воды между собой больше, чем сила взаимодействия молекул воды и стеарина, в этом случае говорят, что вода не смачивает поверхность твёрдого тела.


Приложение С ОПЫТ № 5.

1.Взяла полоску хлопчатобумажной ткани и полоску салфетки. 2.Одновременно опустила обе полоски в подкрашенную воду.

3.Отметила контрольные точки.4.Наблюдала промокание исследуемых материалов и поднятие влажной границы вверх.Вывод: из опыта наглядно видно, что вода по тканевой полоске поднялась выше, чем по бумажной. Как известно, чем больше высота поднятия жидкости, тем меньше радиус капилляра. Следовательно, ткань имеет более узкие капилляры, чем бумажная салфетка.