ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЛИЯЮЩИХ НА ОБРАЗОВАНИЕ СЛЕДА ВЫСЫХАЮЩЕЙ КАПЛИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ОБРАЗОВАНИЕ СЛЕДА ВЫСЫХАЮЩЕЙ КАПЛИ КОЛЛОИДНОГО РАСТВОРА Автор: «Средняя общеобразовательная школа № 4»

Постановка исследовательской задачи

Цель исследования: выяснить при каких условиях, и по каким причинам след остаётся по периметру капли, исследовать, описать и объяснить это явление. Объект исследования – движение дисперсионных наночастиц в капле коллоидного раствора. Предмет исследования – образование кольца по периметру высыхающей капли кофе.

Гипотеза исследования Образование следа по периметру высыхающей капли может быть вызвано: особенностями движения дисперсионных частиц внутри капли воды, различным давлением, различной скоростью испарения у краёв капли и её центра.

Задачи: Теоретические: Провести теоретическое исследование, изучив информацию о растворах, каплях, поверхностном натяжении, смачиваемости, гидростатическом давлении, давлении насыщенного пара с целью - найти теоретическое объяснения явлению образования следа в виде кольца по периметру капли кофе. Практические: Провести практическое исследование, представляющее из себя серии опытов, при которых происходит образование следа по периметру высохшей капли с изменением условий: концентрации, размера капли, температуры, смачиваемости поверхности. Информационно-технологические: Изучить изображение следа капли с помощью компьютера. Для этого фотографии капель, сделанные цифровым фотоаппаратом следует значительно увеличить в графическом редакторе. Найти способ оценки диаметра кольца с помощью расчёта количества пикселей. Аналитические: Описать происходящие явления, установить их причины с точки зрения молекулярно -кинетической теории. Сделать выводы.

Теоретическое исследование С целью объяснения возможных причин явления изучены следующие темы: Виды растворов, коллоидные растворы. Испарение. Давление насыщенного пара. Поверхностное натяжение. Капля. Гидростатическое давление. Смачивание. Размеры дисперсионных частиц в растворах Коллоидные растворы (золи)- это высокодисперсные двухфазные системы, состоящие из дисперсионной среды и дисперсной фазы, линейные размеры дисперсионных частиц имеют размер от 1 до 100 нм.

Теоретическое исследование В процессе работы над теоретическим материалом, появилась необходимость в изучении следующих вопросов: Оптический эффект Тиндаля - рассеяние света при прохождении светового пучка через оптически неоднородную среду. Квантовый эффект Казимира - явление из квантовой физики, вызывает взаимное притяжение объектов в вакууме. Хендрик Казимир, занимаясь изучением коллоидных растворов, открыл эффект в 1948 году, но впервые сила Казимира была измерена в 1997 году

Эксперемнтальная часть Экспериментальная часть

Исследование 1 Определение кофе как коллоидного раствора чай кофе

Исследование 2 Образование следа по периметру капли некоторых коллоидных растворов Кофе растворимый Коричневая акварельная краска Кофе молотый осадок Нежирное молоко Оказалось: Высохшие капли истинных растворов, эмульсий и суспензий не оставляют следа в виде кольца по периметру капли!!!

Исследование 3 Влияния концентрации растворенного кофе на внешний вид следа по периметру капли Более низкая концентрация Средняя концентрация Более высокая концентрация

Исследование 4 Влияние различной температуры высыхания на внешний вид следа Более низкая температура Комнатная температура Более высокая температура

Исследование 5 Влияние качества поверхности на внешний вид следа по периметру капли Смачиваемая поверхность Впитывающая бумага Несмачиваемая поверхность

Исследование 5 Влияние качества поверхности на внешний вид следа по периметру капли Шероховатая поверхность Нежирное молоко на шероховатой поверхности

Исследование 6 Исследование зависимости внешнего вида капли от высоты падения Мелкие объекты привлекают большое внимание ученых всего мира, так как связаны с развитием нанотехнологий Рисунок «Падение капли, снятое сверхчувствительной камерой» .

Исследование 7 Наблюдение капли кофе в микроскоп при 200 -кратном увеличении Рисунок «Примерно так выглядит капля кофе очень высокой концентрации в микроскоп»

Аналитическая часть

Исследование 7 Зависит ли толщина кольца от размера капли? Определение количества пикселей

1 причина: взаимодействие молекул воды и дисперсионных частниц Причины: 1. Из-за сил поверхностного натяжения молекулы воды стремятся к её центру. 2. Молекулы воды в растворе взаимодействуют между собой за счёт водородных связей более сильно. Таким образом, концентрация дисперсионных частиц у поверхности больше, чем внутри капли. Верхние частицы «стекают» к краю и при высыхании происходит закрепление границы.

2 причина: различная скорость испарения на поверхности капли Скорость испарения на поверхности капли различна также по крайней мере по двум причинам: 1. Давление насыщенного пара ниже над плоской поверхностью капли, следовательно, с краёв капли испаряется больше молекул воды, а значит, у краёв испарение интенсивней. 2. Более интенсивное испарение капли с краёв вызывает охлаждение краёв, сила поверхностного натяжения там увеличивается.

Докажем , что скорость испарения на поверхности капли различна Давление насыщенного пара над искривленной поверхностью искривлённой жидкости определяется по формуле: Из данной формулы следует, что при меньшем радиусе кривизны капли, давление насыщенного пара над ней больше (r↓ →рн↑), т. е. давление насыщенного пара у краёв больше. Следовательно, испарение с верхней части капли испаряется меньшее количество молекул, чем с с её краёв. Т. е. , испарение с верхней более плоской части капли менее интенсивно, капля сильнее охлаждается с краев.

Для многих жидкостей (вода, расплавы солей, жидкие металлы) вдали от критической температуры хорошо выполняется линейная зависимость: где σ и σ0 – коэффициент поверхностного натяжения при температурах T и T 0 соответственно, α =10 -4 Н/м·К – температурный коэффициент поверхностного натяжения. Таким образом, чем меньше Т, тем больше коэффициент поверхностного натяжения . Т. е. поверхностное натяжение у краёв капли больше.

Края капли стремятся уменьшить свою поверхность сильнее, чем середина, вдоль краёв образуется кольцо. Возможно, данное явление имеет решающее значение при образовании следа по периметру высохшей капли. При процессе высыхания капли через какое-то время она «схлапывается наружу» , образуя след в виде кольца. Границы у краёв капли при высыхании закрепляются, и к периметру выдавливаются в том числе и дисперсионные частицы, находящиеся ближе к центру. Именно это утверждение может доказывать то, что толщина кольца не зависит от размера капли прочих равных условиях.

3 причина: течения внутри капли Причины: Из-за того, что испарение с периферии происходит более интенсивно, в капле развиваются течения жидкости по направлению к краям капли. Течения выносят частицы к краям, а так как вода там испаряется быстрее, им легче закрепиться на неровностях у границы.

4 причина: различное гидростатическое давление у краёв капли и её центра Высота гидростатического столба у краёв жидкости меньше, чем у её центра. Следовательно, в центре капли производится большее давление, и соответственно, частицы вытесняются к периметру капли. Разница давлений незначительна, вероятно, этот параметр на образования кольца не влияет.

выводы

Выводы: На образование пятна высохшей капли коллоидного раствора влияют следующие параметры: Концентрация дисперсионных частиц в капле раствора. Смачивание каплей поверхности. Свойства поверхности, на которой капля расположена. Размер дисперсионных частиц в растворе. Толщина кольца, образующегося по периметру высыхающей капли не зависит: От размера капли От температуры От высоты падения капли(при условиях ее целостности). Высохшие капли истинных растворов, эмульсий и суспензий не оставляют следа в виде кольца по периметру капли.

Выводы: Причинами образования кольца по периметру высохшей капли коллоидного раствора могут являться следующие: ЗНАЧИТЕЛЬНО ВЛИЯЮТ Различная скорость испарения на поверхности капли Сила поверхностного натяжения Течения внутри капли направленные к краям Взаимодействие молекул воды между собой , взаимодействие молекул воды и дисперсионных частиц ПРАКТИЧЕСКИ НЕ ВЛИЯЮТ Различное гидростатическое давление у краёв капли и её центра Квантовый эффект Казимира НЕ ИЗУЧАЛОСЬ Влияние электрических зарядов дисперсионных частиц в коллоидных растворах.

В литературных источниках, на тематических сайтах предлагается только один способ определения коллоидного раствора с помощью эффекта Тиндаля – рассеяние светового пучка при прохождении через оптически неоднородную среду. Результатом данного практического исследования является выявление ещё одного способа определения коллоидного раствора: Коллоидный раствор можно определить по образованному следу в виде кольца по периметру высохшей капли (в этом выводе большая практическая польза)

Интересные факты, полученные в результате теоретического исследования: ЭФФЕКТ КАЗИМИРА Движение частиц в капле кофе Проблема слипания объектов в нанотехнология х В нанотехнологии эффект Казимира приводит к слипанию частиц между собой. Поэтому любые способы решения этой проблемы представляют большой интерес. Кроме слипания частиц наличие эффекта Казимира вызывает сильное трение в наномире, в частности в некоторых микроэлектромеханических системах. Таким образом, возможность контроля над эффектом Казимира позволит понизить трение или даже избавиться от него. Учёные надеются, что обратив внимание на квантовое явление, известное как эффект Казимира, удастся решить проблему слипания крошечных объектов, которая возникает при создании наномеханизмов.

Интересный факт - сила Казимира Оценим значения силы Казимира Сила притяжения, действующая на единицу площади для двух параллельных идеальных зеркальных поверхностей, находящихся в абсолютном вакууме, составляет: Для расстояний между частицами порядка 10 -9 м (нанометры): Для расстояний между частицами порядка 10 -7 м (десятые доли микрометров): Для расстояний между частицами порядка 10 -6 м (микрометры): Квантовый эффект Казимира оказывает на форму следа капли незначительное влияние

Литература и использованные сайты: Л. В. Андреева, А. С. Новосёлова, П. В. Лебедев-Степанов, Д. А. Иванов, А. В. Кошкин, А. Н. Петров, М. В. Алфимов «Закономерности кристаллизации растворённых веществ из микрокапли» , журнал «Техническая физика» , № 2, 2007 г Л. И. Пономарёв «Под знаком кванта» , Москва, «Наука» , Главная редакция физико-математической литературы, 1989 г Г. С. Кембровский «Физический практикум» , Минск, издательство «Университетское» , 1986 г http: //genchem. narod. ru/lection/genchem-dict-26 -09 -05. htm http: //www. chemport. ru/datenews. php? news=400 http: //www. ioffe. ru/journals/jtf/2007/02/p 22 -30. pdf http: //www. cultinfo. ru/fulltext/1/008/103/427. htm http: //www. cultinfo. ru/fulltext/1/008/058/773. htm http: //www. xumuk. ru/encyklopedia/1165. html http: //ru. wikipedia. org/wiki/ http: //www. chemport. ru/chemical_encyclopedia_article_2884. h tml