Исследовательская работа "ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ И ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКИХ РАСТВОРОВ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРИМЕСЕЙ"

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ         Ю.Х. Алакаев,учитель физики МКОУ «СОШ № 2», СОПРОТИВЛЕНИЯ И ПОКАЗАТЕЛЯ       с. п. Чегем-2, Почетный работник

общего образования РФ

ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКИХ РАСТВОРОВ Т.А. Орквасов,

к.ф.-м.н., учитель физики МКОУ

ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРИМЕСЕЙ                        «Образовательный центр № 1»,

г. Нальчик

В работе изучена зависимость сопротивления и показателя преломления жидких растворов на основе воды, глицерина, моющих средств от концентрации примесей (с добавками спирта, сахара, медного купороса, моющих средств и глицерина). Показано, что в растворах, где примеси образуют слабые растворы, значения сопротивления и показателя преломления увеличиваются с увеличением концентрации, а в сильных растворах наоборот сопротивление и показатель преломления уменьшаются при увеличении концентрации.

Введение

Н

осителями заряда в жидкостях являются ионы, так как электроны легко прилипают к нейтральным молекулам жидкости и не могут существовать в свободном состоянии. Кроме того, в жидкости заряды могут переноситься ионами, частицами и даже пузырьками.

Ионизироваться могут молекулы основной жидкости или примесей, т. е. имеющие преимущественно ионную связь между частями молекулы. Характерный пример — молекула NaCl, которую можно представить состоящей из ионов Na⁺ и Cl^-. В жидкости молекула NaCl может растворяться и существовать сразу в виде ионов, либо ионных пар (Na⁺Cl^-).

Условно все вещества, растворенные в жидкости и частично диссоциирующие на ионы, делят на два типа: сильные и слабые электролиты. Сильные электролиты — вещества, полностью диссоциирующие на ионы. Это соли типа NaCl, сильные кислоты типа HCl. Слабые электролиты — малодиссоциирующие вещества, т. е. они растворяются в виде молекул, только малая часть молекул диссоциируют на ионы. Пример — спирты, органические кислоты (например, уксусная кислота). Число ионов зависит от концентрации растворенных веществ.

За счет большой растворяющей способности воды обычно электропроводность влажных сред оказывается достаточно великой, так как растворенные вещества зачастую содержат сильно диссоциирующие соли. Причиной электропроводности увлажненных диэлектриков является растворение в воде различных примесей и их последующая диссоциация на ионы.

Актуальность исследования

Влияние примесей на сопротивление и показатель преломления в жидких растворах изучено пока недостаточно. Отсутствуют данные о сопротивлении некоторых растворов сильных (с примесями: поваренной соли, медного купороса, некоторых моющих средств) и слабых (с примесями: сахара, спирта, глицерина) растворов образующихся на основе питьевой воды и моющих средств.

Недостаточно изучено взаимное влияние примесей моющих средства, воды и глицерина на показатель преломления жидких растворов.

Ежегодно в России выпускаются или завозятся различные контрафактные моющие средства, на которых написан примерный состав, из которого они изготовлены. Применение некоторых таких средств пагубно сказывается на здоровье людей, которые часто пользуются этими средствами дома и на работе, не соблюдая техники безопасности. Такие моющие средства могут попадать в организм человека и на кожу, что вызывает зуд, шелушение, раздражение эпидермиса и даже рвоту, приводя к летальному исходу. Небольшие добавки примесей мгновенно повлияют на сопротивление и показатель преломления жидких растворов. Поэтому вопрос качества товара остается актуальным. Один из экспресс-методов оценки качества товара — это оценка электрического сопротивления и показателя преломления жидких растворов.

В связи с этим была поставлена цель — провести исследования по изучению зависимости сопротивления питьевой воды и моющих средств от концентрации различных видов примеси; исследование влияния глицерина и воды на показатель преломления моющих средств, а также влияние моющих средств на показатель преломления глицерина и воды.

Задачи исследования: приготовить растворы с различными концентрациями на основе питьевой воды, глицерина и моющих средств; измерить сопротивления жидких растворов; измерить показатели преломления питьевой воды, моющих средств и глицерина; измерить показатели преломления исследуемых растворов при комнатной температуре 20°С.

Обзор литературы показывает, что глицерин имеет широкое практическое применение в различных отраслях промышленности, это вещество не полностью изучено либо отсутствуют его физико-химические характеристики (например, проводимость электрического тока, сопротивление, зависимость проводимости и сопротивления от температуры и т.д.), в частности влияние моющих средств на показатель преломления глицерина и наоборот.

В работе [1, 2] проводились исследования на основе воды с разными растворами от 10 до 100% при комнатной температуре 20^оС, показано, что показатель преломления растворов на основе воды повышается.

Обнаружено также, что в растворе с этиловым спиртом С > 50 % наблюдается насыщение раствора, который в дальнейшем не приводит к изменению показателя преломления, он остается неизменным.

В работе [3] приводятся результаты исследования концентрации примесей на сопротивления твердых растворов на основе In, Sn и Pb, в качестве примесей использовались металлы: Zn, In, Pb, Sn, Aq, Na, Li, Cd, Ca, Mg, Ba. Показано, что малые добавки примесей повышают сопротивление твердых растворов по линейному закону, независимо от типа примеси.

Методики исследования сопротивления и показателя преломления растворов

Для измерения электрического сопротивления использовали мостовой метод — мост Уинстона, который состоит из реохорда АВ, чувствительного гальванометра G, неизвестного сопротивления раствора R_х, магазина сопротивления R, кнопочного включателя S, источника тока E и скользящего контакта D (рис. 1) [4]. В эксперименте были использованы для получения растворов следующие примеси: медный купорос и поваренная соль (для получения активного раствора); спирт и сахар (для получения слабого раствора); моющие средства («Утенок 5 в 1», «Шумовит», «Мастер блеск», «Vanish», «Mr. Proper»). Из них были приготовлены растворы различной концентрации от 1 до 30%. Медный купорос, поваренную соль и сахар взвешивали на рычажных весах, а жидкие вещества (спирт и моющие средства) дозировали с помощью шприца.

Рис. 1. Электрическая схема

Приготовленные растворы наливали в

ванну для измерения сопротивления. Измерения проводились для 100 г раствора при постоянном напряжении 2 В во всех опытах. Напряжение не поднимали выше 2 В во избежание повышения температуры раствора. Измерения проводились при комнатной температуре. В процессе измерения движок реохорда устанавливался посередине (в точке D) так, чтобы сопротивления плеч L₁ и L₂ оказались равными друг другу. Если R_х > R ,то ток потечет через гальванометр от С к D, если R_х < R ,то ток потечет от D к С. С помощью ручек, на магазине сопротивления, добиваемся нулевого показания на гальванометре. Это означает, что R_х = R и его значение можно считать на магазине сопротивлений.

Для измерения показателя преломления использовали рефрактометр Аббе рисунке 2а, принцип которого основан на методе рефрактометрии. Рефрактометрический метод применяется для идентификации химических соединений, количественного и структурного анализа, определения физико-химических параметров веществ [5, 6], а также показателя преломления жидких растворов. В нем используется скользящее падение света, переходящего из жидкости в призму, которая изготовлена из стекла с высоким показателем преломления.

1.38 ₈

6

6

4

4 1.37 ²₈

6

4

                 А                                      ^1.36 ₂₈

Зеркало                                       труба               1.35 28 B 1.34 28 6 4 1.33 2                            а)                                           б)                                         в) Рис. 2. а) — рефрактометр Аббе, б) — путь света в рефрактометре Аббе, в) — шкала делений

Оптическая

Такие исследования весьма полезны для проверки чистоты жидкостей, так как метод позволяет легко обнаруживать в жидкостях, наблюдаемых в сравнительно большом поле зрения, чужеродные вещества (частицы), отличающиеся по показателю преломления.

На рисунке 2б показана траектория светового луча в приборе. Исследуемая жидкость помещается между двумя призмами. Вращают рукояткой до тех пор, пока граница между светлой и темной областями не пересечет визир неподвижно установленной оптической трубы. В оптической трубе также расположена шкала делений (рис. 2в). Когда визир установится на границе раздела, по шкале определяется показатель преломления исследуемого раствора. Обработка результатов и построение графиков производили в программе MS EXEL.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты измерения сопротивления растворов питьевой воды представлены на рисунках 3, 4. Из них видно, что примеси, образующие сильные растворы (рис. 3а, б; 4б), с увеличением концентрации уменьшают сопротивление раствора (йод, поваренная соль, медный купорос, моющие средства), а примеси, образующие слабые растворы, с увеличением концентрации увеличивают сопротивление (спирт, сахар рис. 4а).

Сильные электролиты — вещества, полностью диссоциирующие на ионы. Это соли типа NaCl и CuSO_4, сильные кислоты типа HCl. Слабые электролиты — малодиссоциирующие вещества, т. е. они, растворяются в виде молекул, только малая часть молекул диссоциируют на ионы. Пример — спирты, органические кислоты (например, уксусная кислота), сахар. Число ионов зависит от концентрации растворенных веществ. Подвижность ионов в электролитах невелика, обычно она составляет порядка 10^–8 м²/(В·с).

Моющее средство «Утенок 5 в 1» содержит соляную кислоту, поэтому ее добавление сильно уменьшает сопротивление, увеличивая тем самым протекающий через раствор ток.

Нами также были проведены исследования по выявлению зависимости сопротивления некоторых моющих средств от концентрации некоторых примесей. Результаты исследования приводятся на рисунках 5, 6.

Как видно из рисунка 5, добавление глицерина в моющее средство (до 2%) увеличивает его сопротивление, при увеличении концентрации до 4% сопротивление раствора уменьшается. При увеличении концентрации от 6% до 40% сопротивление раствора увеличивается, достигая максимума. При концентрации глицерина С > 50% происходит насыщение раствора при котором сопротивление не меняется и остается неизменным.

Визуально обнаружено, что вязкость моющего средства сначала увеличивается, при добавлении глицерина (до 2%) превращаясь в  «желеподобное» вещество, а при дальнейшем добавлении глицерина в моющее средство вязкость уменьшается, превращаясь в жидкость.

Из рисунка 6 видно, что увеличение концентрации спирта или глицерина от 0 до 30%. в моющем средстве «Discover» их сопротивления увеличиваются линейно от 70 до 110 Ом. Следует отметить, что сопротивление раствора «Discover» + глицерин растет чуть быстрее, чем раствор «Discover» + спирт.

Также линейно растет сопротивление раствора полученного при добавлении глицерина в жидкое мыло «Palmolive». Здесь изменение концентрации примеси от 0 до 30% приводит к увеличению сопротивления от 140 до 235 Ом.

4500

3500

2500

1500

500

C,%

7000

6000

5000

4000

0 0      C,%

R,Oм

120

80

40

            0       10      20       30      40       50     C,%

Рис. 5. Зависимость сопротивления

моющего средства «Domestos» от концентрации глицерина

250 R,Oм                                          3

150

2

1

50

         0       5      10     15     20     25     30    C,%

Рис. 6. Зависимость сопротивления моющего средства от концентрации: 1 — шампунь «Discover» + спирт; 2 — шампунь «Discover» + глицерин; 3 — жидкое мыло «Palmolive» + глицерин

Измеренные показатели преломления жидких веществ              Вещества                 n                 Вещества                  n Глицерин                         1,463        Вода                              1,333 Мастер блеск                   1,343        Mr. Proper                     1,329 Утенок                             1,342        Vanish                           1,342 Шумовит                          1,341        Жидкое мыло               1,334 Доместос                          1,341        Fairy                             1,346

Таблица 1

Из таблицы видно, что моющие вещества имеют почти одинаковые показатели преломления, что говорит об одинаковом содержании в них поверхностно-активных веществ, кроме того, во всех моющих средствах содержится некоторое количество воды и глицерина. Возможно, поэтому у них одинаковый показатель преломления.

На рисунках 7, 8 представлена зависимость показателя преломления глицерина с добавками примесей, в качестве примеси использовались моющие средства. Как видно из рисунков 7, 8, показатель преломления глицерина уменьшается при добавлении в него моющих средств.

Добавление в глицерин моющего средства «Mr. Proper» и «Vanish» сильнее понижают показатель преломления глицерина, чем другие средства. Это может быть связано с тем, что в моющих средствах «Mr. Proper», «Vanish» поверхностноактивных веществ гораздо больше, чем в других моющих средствах.

Визуально обнаружено также, что добавление в малых количествах моющего средства в глицерин изменяет его характеристики: цвет, вязкость и, следовательно, поверхностное натяжение. По-видимому, здесь глицерин вступает в химические реакции с образованием новых химических соединений, на дне сосуда наблюдается выпадение осадка, приводящие к измене-

нию поверхностного натяжения и вязкости глицерина, а также и его показателя преломления.

При добавлении глицерина в моющие средства (рис. 9) от 0 до 60% наблюдается увеличение показателя преломления во всех моющих средствах, изменяется цвет — он становится белым.

Добавление примесей (глицерин) в малых количествах за счет химических реакций, которые протекают в моющих средствах, приводят к увеличению: вязкости, поверхностного натяжения моющих средств, которая в свою очередь приводит к увеличению показателя преломления

(рис. 9).

На рисунке 10 видно, что при добавлении моющих средств в воду, показатель преломления водных растворов увеличивается до C ≈ 70%, при C > 70% наблюдается насыщение раствора, который в дальнейшем не приводит к изменению показателя преломления. Добавление в водный раствор «Доместоса» слабо влияет на показатель преломления, и насыщение наступает уже при C ≈ 20%, изменение показателя преломления более заметно при добавлении раствора «Fairy».

Если в жидкие моющие средства (рис. 11) добавлять воду, то у всех жидких растворов показатель преломления уменьшается.

Заключения и выводы

1.      В данной работе измерены сопротивления растворов разной концентрации. Обнаружено, что с увеличением концентрации примесей, образующих слабые растворы в питьевой воде, ее сопротивление увеличивается, а с примесями, образующими концентрированные растворы, сопротивление уменьшается.

Полученные значения сопротивлений воды позволят выявить наличие примесей, тип примеси и ее процентное содержание в воде.

2.      Измерены сопротивления моющих средств с добавлением примесей образующие слабые растворы. Обнаружено, что с добавлением примесей спирта и глицерина в моющие средства, их сопротивление также растет по линейному закону.

3.      При использовании некоторых моющих средств, необходимо учитывать их хорошую электропроводимость для обеспечения безопасности при работе с электрическими приборами (например, стиральные машины и др.).

4.      Измерены показатели преломления моющих средств, которые имеются в продаже, информация о которых отсутствует в справочной литературе. А также характеристики воды и глицерина.

5.      Измерены показатели преломления глицерина с добавками моющих средств. Показано, что моющие средства понижают показатель преломления глицерина. Визуально обнаружено, что моющие средства уменьшают вязкость и поверхностное натяжение, изменяют цвет глицерина в виду их активности.

Если глицерин добавлять в моющее средство в малом количестве, то показатель преломления моющих средств — увеличивается.

6.      Измерены показатели преломления моющих средств с добавлением воды. Показано, что вода понижает показатель преломления моющих средств.

Если моющее средство добавлять в малом количестве в воду, то показатель преломления воды наоборот — увеличивается.

Такое поведение зависимости показателя преломления от концентрации связано со структурными изменениями в моющих средствах, приводящее к изменению вязкости и поверхностного натяжения, и изменению цвета моющих средств.

7.      Полученные данные могут быть использованы в учебном процессе по физи-

ке и химии, при проведении профильных 5. Шишловский А.А. Прикладная физичеуроков, в качестве табличных данных в ская оптика. — М., 1961.

физических справочниках, могут быть ис-          6. Иоффе Б.В. Рефрактометрические метопользованы при оценке качества моющих        ды химии. — Л., 1983.

средств, используемых в быту.                             7. Ребиндер П.А. Взаимосвязь поверхностных и объемных свойств растворов поверхностно-активных веществ / В сб. Успехи

       Литература                                                       коллоидной химии. — М., 1973.

1.      Антонченко В.Я. Физика воды. — Киев:       8. Паршикова Т.В. Поверхностно-активные

Наукова думка, 1986.                                                   вещества как фактор регуляции развития во-

2.      Сычев А.П. Вода и растворы. — М.: Зна-        дорослей. — Киев: Фитосоциоцентр, 2004.

ние, 1961.                                                                           9. Остроумов С.А. Биологические эффек-

3.      Ахкубеков А.А., Орквасов Т.А., Созаев ты при воздействии поверхностно-активных В.А. Контактное плавление металлов и на- веществ на организмы. — М.: МАКС–Пресс, ноструктур на их основе. — М.: Физматлит, 2001.

2008.                                                                            10. Ставская С.С., Удод В.М., Таранова Л.А.,

4. Шидов Х.Т., Темукуев И.М., Орква- Кривец И.А. Микробиологическая очистка восов Т.А. Лабораторный практикум по электро- ды от поверхностно-активных веществ. — Кимагнетизму. — Каб.-Балк. Ун-т., 2002. ев: Наукова Думка, 1988.

ИНФОРМАЦИЯ

Шотландский физик-теоретик Питер Хиггс получил Нобелевскую премию за предсказание элементарной частицы, названной его именем, — бозона Хиггса. Вместе с ним Нобелевский комитет отметил бельгийского физика Франсуа Энглера.

Официальная формулировка Нобелевского комитета звучит так: «За теоретическое открытие механизма, служащего нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц и недавно подтвержденного путем обнаружения предсказан-

ной фундаментальной частицы в ходе                                          Фото с сайта

экспериментов ATLAS и CMS на Большом http://extras.mnginteractive.com/live/media/site адронном коллайдере в ЦЕРНе». 205/2013/0104/20130104_053801_higgs_cern.jpg