Применение поверхностных явлений. Стирка.

Тема: «Применение поверхностных явлений. Стирка. Чем мы стираем?»

Цель: конкретизировать и обобщить знания учащихся о cмачивании, несмачивании и адсорбции, их роли в процессе стирки, акцентировать внимание учащихся на практической значимости этих явлений в жизни человека.

 Основные вопросы

1. Загрязнения и их классификация.

2. Моющие средства от моющих глин до СМС.

3. Механизм действия моющих средств.

4. Современные СМС, их состав, достоинства и недостатки.

5. Экологические проблемы, связанные с использованием СМС.

Основные понятия: загрязнения, мыла, СМС, моющий процесс, мицелла.

Планируемые результаты обучения: знать, какие бывают загрязнения, что такое мыло, СМС; понимать схему действия мыла и СМС,  уметь правильно использовать моющие средства при стирке различных изделий, исходя из свойств волокна.

Методы обучения: эвристическая беседа, демонстрационный эксперимент, лабораторная работа, наблюдение, работа с книгой, коллекциями.

Средства обучения: слайды, кодоскоп, коллекция мыла и синтетических моющих средств, раствор мыла, индикаторная бумага, дистиллированная или дождевая вода, 10% раствор СаСl₂, плоскодонные колбы на 250 мл, химические стаканчики.

Методические рекомендации.

Урок как всегда начинается с беседы по материалу предыдущего урока. Проверку выполнения домашнего задания можно вести в виде фронтального или индивидуального опроса.

Для организации данного урока целесообразно применить проблемный подход, который позволит актуализировать полученные ранее школьниками знания о волокнах. Для создания проблемной ситуации можно разыграть заранее подготовленный диалог продавца и покупателя. Возмущенная покупательница подходит к продавцу и говорит: «Я у вас купила кофточку, вот посмотрите, что с ней стало после стирки!!!» Продавец просит ее рассказать, как она стирала. В ходе диалога выясняется, что покупательница стирала при температуре 60ºС, кофточка дала усадку, ткань потеряла блеск. Так как девушка торопилась, чтобы быстрее высушить изделие, она его тщательно отжала и прогладила горячим утюгом. В результате новая вещь была безнадежно испорчена. Все мы не раз слышали жалобы на то, что после стирки вещь полиняла, дала усадку или свалялась. Что бы вы могли посоветовать в данной ситуации? Какие ошибки допустила покупательница? Во время обсуждения учащиеся говорят, что необходимо определить состав ткани, из которого изготовлено изделие (это может быть отражено на ярлычке изделия), если этого нет, то с помощью нехитрых операций это можно сделать самим.

При разборе данного вопроса можно обсудить результаты выполненной учащимися лабораторной работы или домашнего эксперимента и обратить внимание на общепринятые знаки, рекомендующие или запрещающие тот или иной вид их обработки: химчистку, стирку, отбеливание, глажение.

На данном этапе полезно вспомнить специальные условные знаки и проверить выполнение задания №5 параграфа 6.

Анализ данной ситуации, проведенной вместе с учащимися, позволит поставить новую учебную проблему: «Как стирать?  Чем стирать?»

Но, прежде всего, ответим на вопросы: Что такое загрязнение? Какие загрязнения чаще всего присутствуют на одежде?

Загрязнением можно считать любое чужеродное вещество, попавшее на изделие в процессе носки. Это могут быть следы пищевых продуктов (соус, кофе, сок, вино и т.д.), выделения потовых и сальных желез, пыль и т.д. Загрязнения можно разделить на три группы:

-       механические (твердые: глина, сажа, пыль и др.);

-       растворимые в воде (соли, мочевина,  сахар и др.);

-       нерастворимые в воде (жиры, воск, кровь, соусы и т.д.).

Схему через кодоскоп можно спроецировать на экран.

Загрязнения

 

механические	растворимые в воде	нерастворимые в воде
глина, сажа, пыль	соли, мочевина, сахар	жиры, воск, соусы

Данные по загрязнениям полезно представить в виде таблицы и спроецировать на экран. Постельное и нательное белье средней степени загрязненности содержит до 4% от массы сухого белья и в свою очередь состоит из солей (15-20%), мочевины (5-7%), белковых веществ и частиц кожи (20-25%), крахмала, остатков текстильного волокна (20%), жирных кислот, глицерина, воска, углеводородов и других веществ «жирового» характера (5-10%), сажи, различной пыли и других минеральных частиц (25-30%). В ходе урока необходимо обсудить с учащимися: «За счет чего удерживаются загрязнения на поверхности ткани?»

Механические твердые загрязнители располагаются между отдельными нитями и волокнами ткани, застревая в них. Чем меньше частицы, тем глубже они проникают внутрь ткани. При этом частицы пыли, имеющие гидрофильную поверхность, смачиваются водой и могут быть просто смыты ей. Частицы сажи имеют гидрофобную поверхность, поэтому водой почти не смываются. Водорастворимые загрязнения удерживаются на волокнах за счет электростатических сил и сил Ван-дер-Ваальса. Эти загрязнения легко удаляются водой, так как их частицы лучше взаимодействуют с водой, чем с волокнами ткани. Нерастворимые в воде загрязнители (жиры, воск) имеют низкое поверхностное натяжение, поэтому хорошо смачивают поверхность волокна, прочно прилипают к ней за счет сил адгезии. Кроме этого они могут иметь включения твердых частиц грязи. Такие загрязнения водой не удаляются, так как с поверхностью волокна они взаимодействуют гораздо сильнее, чем с молекулами воды. Для удаления таких загрязнений нужны специальные средства – ПАВы.

Для иллюстрации влияния природы загрязнителя на удаление его с поверхности водой можно попросить одного учащегося принять участие в демонстрационном эксперименте. Один палец руки пачкаем глиной, другой – сажей, третий – сажей, растертой в вазелине или растительном масле. Подставим испачканную таким образом руку под струю холодной воды. Первый палец окажется чистым, со второго удалится только избыток сажи, а тот ее слой, что прилип к коже пальца, сохранится, тогда как третий палец нисколько не очистится. Попробуем вымыть руку в горячей воде – она не отмоется. Возникает проблемный вопрос: «Почему сажа пачкает так сильно, особенно сажа в масле?»

Актуализируя свои знания, учащиеся вспоминают, что частицы глины гидрофильны и взаимодействуют с молекулами воды сильнее, чем с поверхностью кожи. Именно поэтому частицы глины так легко смываются водой. Частицы углерода, из которых состоит сажа, – гидрофобны и с молекулами воды взаимодействуют слабее, чем с поверхностью кожи. Поэтому сажа так прочно прилипает к коже рук. Сажа, размешанная в масле, пачкает еще сильнее, так как тончайшая пленка масла обволакивает гидрофобные частицы сажи, препятствуя их удалению водой. Кроме этого, масляные загрязнения поверхности придают ей гидрофобные (водоотталкивающие) свойства, что сильно осложняет процесс ее очистки. Чтобы полностью удалить сажу с одного пальца и слой масла с частицами сажи с другого, необходимо использовать моющие средства (мыло, СМС). Это можно увидеть, если вымыть руку мылом в теплой воде.

В целях расширения знаний учащихся о стирке полезно познакомить их с историей использования различных веществ в качестве моющих средств (глины, щелок, сапонины). В ходе урока, при рассмотрении действия щелока на ткань, можно обратиться к знаниям, полученным школьниками при изучении темы «Гидролиз», и попросить написать уравнение гидролиза поташа (карбоната калия). Анализируя продукты гидролиза, учащиеся объясняют процессы, проходящие в ёмкости с водой, куда помещена зола. Если такой раствор использовать для стирки ткани, имеющей жировые загрязнения, то произойдёт гидролиз жира с образованием растворимых продуктов, причём один из них (мыло) способствовует образованию пены и более полному удалению с ткани других загрязнений (уравнение можно спроецировать на экран через кодоскоп или обратиться к параграфу). Далее учитель вводит определение мыла и объясняет, что мыла получают в результате щелочного гидролиза жиров. Учащиеся вместе с учителем записывают на доске уравнение гидролиза жира в щелочной среде. Следует обратить внимание учащихся, что в качестве мыла используют только соли щелочных металлов, так как остальные соли нерастворимы в воде. После этого можно отметить, что мыла могут быть жидкие и твёрдые (схему  проецируем на экран).

Мыла

Жидкие	Твердые
калиевые соли RСООК	натриевые соли RСООNa
Зеленое мыло используют в сельском хозяйстве	Хозяйственное, банное, детское мыла

Учащиеся знакомятся с коллекцией различных сортов мыла и отмечают, что разные сорта мыла отличаются содержанием солей жирных кислот и наличием разнообразных добавок. Учитель добавляет, что самое дешевое мыло – хозяйственное мыло, содержание солей высших карбоновых кислот в котором составляет 65 – 75 % (эта информация указана на одной из грани куска мыла). Помимо этого, оно содержит избыток щелочи, непрореагировавшей при гидролизе, моющие глины (для удешевления), канифоль (для усиления пенообразования, он и придает мылу темный цвет). В высших сортах мыла содержание солей высших карбоновых кислот достигает 80%, они не содержат свободной щелочи, улучшены различными добавками (отдушки, красители, смягчители кожи).

На следующем этапе урока учитель объясняет механизм действия моющих средств. Моющие глины поглощают загрязнения поверхностью (адсорбируют). Моющий процесс (стирка) с участием мыла состоит из следующих стадий:

1) отрыв частиц грязи с очищаемой поверхности и переход их в моющий раствор;

2) удержание этих частиц в растворе и предотвращение их повторного осаждения на очищаемую поверхность.

Первая стадия протекает в результате следующих процессов:

-       мыло снижает поверхностное натяжение, улучшает смачивание, в результате моющий раствор стремится вытеснить жировые загрязнения с поверхности;

-       молекулы мыла адсорбируются на поверхности загрязнения, при этом неполярная (гидрофобная) часть молекулы обращена к загрязнению, а полярная (гидрофильная) часть молекулы к воде.

СН₃ – (СН₂)₁₆ – СООNa

Неполярная группа

Полярная группа

В результате поверхность жирового загрязнения становится гидрофильной, связь загрязнения с поверхностью ткани ослабевает, достаточно небольшого воздействия для удаления его с поверхности  в моющий раствор.  Здесь полезно обратиться к рис. 27 параграфа 7 или использовать слайд.  Кроме этого, адсорбция молекул мыла на поверхность частиц загрязнений препятствует их слипанию и повторному осаждению на поверхность.

         При изучении этого материала важно актуализировать опыт повседневной жизни и напомнить учащимся о недостатках мыла.

Во-первых, мыло хорошо моет только в горячей воде и при кипячении, а это не всегда полезно при стирке некоторых тканей, например, натуральных шелковых, т.к. высокая температура ослабляет волокно и снижает его прочность.

Во-вторых, мыло плохо моет в жесткой воде: соли кальция и магния, которые присутствуют в этой воде, образуют нерастворимые в воде кальциевые и магниевые мыла. В итоге ткань становится серой и жирной на ощупь. Пока ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ не будут выведены из воды, мыло мыть не станет. Иногда на ликвидацию солей жесткости идет до 60% мыла. Здесь целесообразно провести лабораторный эксперимент. На столах у школьников находятся две плоскодонные колбы с жесткой и дистиллированной или дождевой водой. Учащиеся определяют жесткую и мягкую воду с помощью мыльного раствора. Там, где удалось получить пену, вода мягкая.

В-третьих, мыло легко гидролизуется водой, особенно горячей с образованием щелочи:

C₁₇H₃₅COONa + H₂O             C₁₇H₃₅COOH + NaOH.

Эта щелочь оказывает вредное воздействие на некоторые ткани (шерсть, шелк и другие), на кожу человека.

Лабораторный эксперимент. Школьники определяют среду раствора мыла с помощью универсальной лакмусовой бумаги и записывают уравнение гидролиза.

Наконец, производство мыла связано с расходом огромного количества ценных пищевых жиров (животных и растительных). Правда, сейчас для получения мыла используют высшие карбоновые кислоты, которые получают окислением алканов. Кислоты нейтрализуются щелочью, и полученную соль используют для производства туалетного и хозяйственного мыла.

Увеличение содержания синтетических волокон в тканях приводит к тому, что мыло вынуждено постепенно уступать свои позиции синтетическим моющим средствам (СМС), которые называют также детергентами, предназначенными как для синтетических волокон, так и для любых других. С начала ХХ века начали использовать СМС, которые обладают рядом преимуществ:

-       стирают в холодной и горячей воде;

-       не зависят от жесткости воды;

-       в зависимости от температуры могут иметь нейтральную или слабощелочную реакцию среды;

-       не зависят от животного и растительного сырья;

-       позволяют совмещать стирку с дополнительной обработкой (отбеливание, ароматизация, антистатики).

По ходу беседы необходимо составить вместе с учащимися таблицу, сопоставляющую мыла и СМС.

Моющие средства	Температурный режим	Моющая способность в жесткой и мягкой воде	Совмещение стирки с дополнительной обработкой	Сырьё
Мыла	Моет только в горячей воде	Плохо моет в жесткой воде	-	Растительные масла, животные и синтетические жиры, канифоль
СМС	Моет в широком интервале температур	Моет в воде любой жесткости	Отбеливание, ароматизация, антистатическая обработка	Сырьё получают из нефти

 СМС могут быть в виде порошков, паст или густых жидкостей.       Основа СМС – ПАВы, снижающие поверхностное натяжение воды. Полезно рассмотреть следующую схему через кодоскоп.

ПАВ

анионоактивные	катионоактивные	неионогенные
R– SO2ONa		R – (CH2 – CH2 - O)n –  – CH2 – CH2OH
Активная часть – анион R– SO2O–	Активная часть – катион	Активная часть – вся молекула
Самая большая группа ПАВ, используют для стирки изделий из хлопка и льна.	Возможность использования в нейтральной или слабокислой среде, используют для стирки изделий из шерсти и капрона.	Низкое пенообразование, применяются для машинной стирки

Помимо ПАВ современные СМС содержат различные добавки. Этот материал широко представлен в учебном пособии, при его рассмотрении необходимо  отметить разницу между оптическими и химическими отбеливателями; какие соли могут быть использованы в качестве умягчителей; обратить внимание учащихся на то, что действие энзимов, необходимых для удаления белковых загрязнений, эффективно только при низкой температуре; добавить, что для предотвращения образования в порошках комочков добавляют разрыхлитель – Na₂SO₄ , его с той же целью добавляют и в поваренную соль.

Особое внимание школьников следует привлечь к соблюдению дозировки СМС. На каждой упаковке указывается способ применения и дозировка. При использовании меньшей дозировки, полифосфата недостаточно, чтобы устранить жесткость воды, поэтому ПАВ действует неэффективно. При использовании более высоких концентраций СМС, чем указано на упаковке, молекулы ПАВ образуют комплексные соединения – мицеллы. Следует рассмотреть на слайде или через кодоскоп строение мицеллы (рис. 28 параграфа).  Такое мицеллообразование приводит к ухудшению моющего процесса (процесса стирки) и непроизводительному расходу СМС. Следует отметить, что СМС, в отличие от мыла, медленно разлагаются и, попадая со сточными водами в водоёмы, оказывают вредное воздействие на живые организмы. Особую опасность представляют полифосфаты. В настоящее время стараются применять такие ПАВ, которые могли бы в природе подвергнуться естественному разложению. Вместо полифосфатов с равным успехом могут быть использованы цитраты – соли лимонной кислоты. Цитрат натрия в сочетании с сульфатом натрия эффективно снижает жесткость воды и не загрязняет окружающую среду, но у него более высокая себестоимость.

В завершении урока необходимо подчеркнуть роль поверхностных явлений в повседневной жизни человека, так как в основе стирки лежат явления смачивания, несмачивания, а также адсорбции на границе жидкость – газ и жидкость – твёрдое тело.

Домашнее задание. Изучить параграф №7, ответить на вопросы, получить у учителя шкалу рН и пять универсальных индикаторных полосок для проведения домашнего эксперимента.