Проекты

Изучение коллоидно-химических характеристик смесей ПАВ, содержащихся в бомбочке для ванн

Работа призера конкурса проектов и исследований «Наука для жизни» открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» в секции «Прикладная химия. Материаловедение»

Направление работы: Коллоидная химия
Авторы работы: МБОУ СОШ № 2, г. Ступино
Предметы: Химия
Классы: 10 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Наука для жизни» открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» 2021 года

Актуальность

Бомбочки для ванн стали неотъемлемой частью жизни многих людей. Бомбочки для ванн делают принятие ванны более ярким и нестандартным. Абсолютно все бомбочки для ванн пенятся благодаря нахождению в их составе определенных поверхностно-активных веществ (ПАВ), за исключением бомбочек, основанных на соде и соли, в которых отсутствуют ПАВ.

Было бы интересным изучить с точки зрения коллоидной химии процессы, которые происходят при растворении бомбочки для ванн, содержащей ПАВ, и на основе этих экспериментальных данных и научной литературы дать некие рекомендации по их правильному применению.

Цель

Изучение коллоидно-химических характеристик бомбочки для ванн.

Задачи

  1. Приготовить растворы бомбочки для ванн.
  2. Построить и изучить изотермы поверхностного натяжения на границах раздела водный раствор/воздух.
  3. Определить и оценить точку ККМ (критическая концентрация мицеллообразования смеси ПАВ, содержащихся в составе бомбочки для ванн).
  4. Изучить характеристики образующейся пены (кратность пены и устойчивость).

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

Оборудование:

  • Технические весы
  • Ультразвуковая ванна
  • Тензиометр
  • Мерные колбы на 50 мл и 25 мл
  • Дозатор
  • Пробирки на 10 мл
  • Дистиллированная вода

Описание

Для исследования автор взял бомбочку для ванн «Оптимист» компании Lush.

На первом этапе работы автор приготовил серию растворов, содержащих растворенную бомбочку в воде. Для быстрого растворения бомбочки колба с раствором помещалась в ультразвуковую ванну до полного растворения твердого компонента. Для приготовления растворов была взята дистиллированная вода, а не водопроводная. Это позволило предотвратить влияние растворенных в водопроводной воде солей и других примесей на результаты исследования, в частности, на результаты измерения величины поверхностного натяжения, чувствительной к чистоте воды.

Начальная концентрация раствора рассчитывалась исходя из массы применяемой бомбочки (193 г) и объема воды, необходимого для купания (примерно 200 л). Растворы готовились последовательным разбавлением вдвое, таким образом была получена серия растворов, содержащих вещества из бомбочки для ванн.

На втором этапе работы с помощью цифрового тензиометра методом пластинки Вильгельми проводилось измерение поверхностного натяжения этих растворов на границе раздела с воздухом. Изотерма поверхностного натяжения (т.е. зависимость количества адсорбированного вещества (величины адсорбции) от концентрации раствора при постоянной температуре) представлена на рисунке.

Область 1, отмеченная на графике, характеризует область разбавленного раствора ПАВ; в области 2 наблюдается насыщение адсорбционного слоя и большое количество молекул ПАВ в объёме; область 3 соответствует критической концентрации мицеллообразования (ККМ), при достижении которой происходит агрегация молекул в мицеллы, и дальнейшее увеличение концентрации ПАВ в растворе не приводит к изменению значения поверхностного натяжения. Построение графика в полулогарифмических координатах позволяет по излому точно определить значение ККМ равное 0,025 масс. %.

Это значение важно для данного исследования, поскольку из литературных данных известно, что одиночные молекулы ПАВ, присутствующие в растворе, до достижения ККМ как раз-таки оказывают самое большое воздействие на кожу, они могут постепенно вымывать вещества, защищающие кожу от внешних влияний.

Конечно же, не стоит совсем отказываться от использования пенящихся бомбочек для ванн, т.к. они играют в первую очередь очищающую роль за счет процесса солюбилизации. Автор решил исследовать кратность образующейся пены для ванн и понять, при каких соотношениях воды и бомбочки образуется наибольшая пена.

Для образования пены автор поместил растворы по 2 мл в пробирки с притертой крышкой и встряхивал содержимое в течение 10 секунд.

Пенообразующая способность оценивалась путем определения кратности пены — отношения объема образовавшейся пены к объему жидкости, пошедшей на ее образование.

Зависимость кратности пены от концентрации раствора бомбочки приведена на рисунке.

Представленный на рисунке график показывает, что пенообразующая способность достигает своего максимума при 0,025 масс. %, и при дальнейшем увеличении концентрации кратность пены уменьшается. Это указывает на то, что для получения максимального количества пены целесообразно использовать такую концентрацию.

Конечно же, применяя на практике данную пену, никто не будет готовить раствор определенной концентрации. Однако, в своей работе автор решил обратить внимание на проблему использования пен для ванн. С одной стороны, необходимо использовать водные растворы бомбочек для ванн с концентрацией выше ККМ, с другой стороны образующиеся мицеллы будут являться контейнерами одиночных молекул ПАВ, которые постоянно будут искать границу раздела для адсорбции. Для лучшего очищения, т.е. для лучшей солюбилизации загрязнений, необходимо использовать воду высокой температуры, но высокая солюбилизация при долгом контакте кожи с раствором, возможно, будет приводить к удалению не только загрязнений, но и полезных веществ с поверхности кожи.

Результаты работы/выводы

В ходе работы были выполнены поставленные задачи:

1. Изучены растворы бомбочки для ванн.

2. Изучена изотерма поверхностного натяжения на границе раздела водный раствор/воздух.

3. Определена ККМ (критическая концентрация мицеллообразования смеси ПАВ, содержащихся в составе бомбочки для ванн).

4. Изучены характеристики образующейся пены (кратность пены).

Перспективы использования результатов работы

Осуществление попытки создания своей пены (бомбочки) для ванн уже с определенными свойствами и с правильно рассчитанным количеством ПАВ.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Детский технопарк «Альтаир» РТУ МИРЭА