Исследовательская работа по химии на тему "Пены. Устойчивость пены"

ГБПОУ

Владикавказский многопрофильный техникум

Исследовательская работа на тему

«Пены. Устойчивость пены»

Автор: обучающаяся группы ПИ-

Йылмызар Лида

Руководитель: преподаватель химии –

Дзагоева Фатима Борисовна

Владикавказ - 2018 г.

Содержание

Введение ………………………………………………. 3

1. Теоретическая часть………………………………..

1. Понятие «пены»…………………………………..

2. Виды пен……………………………………..

3. Структура пены……………………………….

4. Пенообразование …………………………….

5. Получение пен………………………………..

1. Практическая часть………………………..

2.1. Получение жидких пен……………………..

2.2. Сравнение устойчивости жидких пен…..

2.3. Зависимость устойчивости пен от концентрации пенообразователя…………………………………………..

3. Выводы………………………………………….

4. Список информационных источников…………

ВВЕДЕНИЕ

Изучая тему «Дисперсные системы» на уроке химии мне стало интересно узнать больше про одну из видов дисперсных систем – пены. В учебнике об этом состоянии вещества нет никакой информации, именно поэтому изучение пен их природы и свойств,  для меня стало актуальным.

Слово «пена» у нас ассоциируется с чем-то несерь­езным. Выдувание пенных пузырьков – это дет­ская забава, игра.

Однако, практически нет такой сферы человеческой деятельности, где бы мы не встречались с пеной - от космической техники до очистки сточных вод.

Считается, что пена сыграла определенную роль в возникновении жизни на Земле (Джон Берналл, акаде­мик А. И. Опарин). В пене, на поверхности океана, под действием света и тепла, возникали и накапливались органические соединения, давшие начало простейшим фор­мам живого вещества, живой материи.

Целые отрасли промышленности имеют в своей осно­ве различного рода процессы, связанные с пенообразованием. С помощью пены ускоряют технологические опера­ции и уменьшают расход топлива и энергии при производстве  многих материалов, снижают вес изделий и конструкций, улучшают вкус продуктов питания, очи­щают жидкости и газы, стирают одежду, чистят помеще­ния, машины и даже в сфере развлечений. Их используют при тушении пожаров, при обогащении полезных ископаемых флотацией, в производстве высокопористых строительных и изоляционных материалов (пенобетон, пеностекло), производстве пенопластов (поролон, пенополистирол) и т.д.

Однако в технике и в быту образование пены очень часто вызывает немало осложнений и забот. Она нару­шает работу котлов высокого давления и магистральных трубопроводов для жидкостей, снижает эффективность работы сахарных и бумажно-целлюлозных заводов. Пена портит кинопленку и ухудшает качество окраски тканей, выводит из строя автоматику и снижает выход антибиотиков на заводах медицинских препаратов. Один пузырек газа в аппарате искусственного кровообращения может стать причиной смерти больного на операционном столе.

И полезная, и вредная... Такова пена.

Только точные научные знания о структуре и свой­ствах пены, способах регулирования ее основных характе­ристик позволяют создавать устойчивые пены для одних производств и применять эффективные меры для предот­вращения пенообразования или для разрушения пены в других случаях.

Человек издавна наблюдает пену, исследует всесто­ронне, заставляя ее служить себе. Мыльные пленки изу­чали знаменитые люди - Ньютон, Кельвин, Лаплас, Гёте. И сейчас еще разгаданы далеко не все ее тайны. Из­вестный советский ученый академик Петр Александрович Ребиндер, представляя советскому читателю книгу Ч. Бойса «Мыльные пузыри», писал около 10 лет назад в журнале «Химия и жизнь»: «Мыльный пузырь не ис­черпал себя и по сей день». И сейчас тоже. Свидетель­ство тому - сотни публикуемых ежегодно научных работ по теории пенообразования и пеногашения, а также все новые и новые примеры использования пены в научных исследованиях, технике, сельском хозяйстве, быту.

Этим и объясняется мой исключительный интерес к теории и практике пен.

Актуальность темы – отсутствие информации в учебниках об этом виде дисперсных систем, которые играют огромное практическое применение в нашей жизни.

Объект исследования – процесс образования пен.

Предмет исследования – пены: способы получения и изучение их устойчивости.

Цель - изучение природы, строения, свойств, способов получения устойчивых пен и их разрушение.

Задачи исследования:

• Определить природу и строение пен;

• Изучить виды и свойства жидких пен.

• Узнать способы получения и разрушения пен;

• Создать пены из различных растворов путем их встряхивания.

• Изучить устойчивость пен.

• Исследовать процесс разрушения пен.

Методы исследования: теоретическое исследование, практический эксперимент.

Гипотеза: Возможно пены содержат в себе тайны, открытие которых приведут к созданию новых технологий.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

1. Понятие пены.

Пены представляют собой дисперсную систему типа газ-жидкость, в которой дисперсной фазой является газ (воздух), а дисперсной средой - жидкость.

Пены относятся к концентрированным или высококонцентрированным дисперсным системам. Если концентрация газа в дисперсной системе типа газ-жидкость не велика и пузырьки газа не разделены между собой очень тонкими плёнками, то это уже не пена, а просто газовая эмульсия, т.к. пузырьки газа не связаны между собой.

В пенах пузырьки соприкасаются друг с другом и лишены возможности свободно перемещаться.

1. Виды пен.

В отличие от других дисперсных систем, состав которых определяется концентрацией дисперсной фазы, пены характеризуются содержанием дисперсной среды. Так как масса и объём газовой дисперсной фазы непостоянны и быстро изменяются, то общее объёмное содержание дисперсной среды характеризуется кратностью пены (ᵦ), которая показывает во сколько раз объём пены превышает объём жидкости, необходимой для её формирования:

Где Vп, Vг, Vж – объёмы пены, газовой дисперсной фазы и жидкой дисперсной среды.

Пены делятся на важные, сухие (твёрдые) и полусухие.

Пены называют влажными при ᵦсухих пен значение превышает 100, если 10ᵦ , то пены называют полусухими.

1. Структура пены.

В пене происходит контакт пузырьков разделенных между собой слоем жидкости. При осуществлении контакта четырех пузырьков одного размера возникает неустойчивое равновесие, которое нарушается и переходит в устойчивое равновесие трёх пузырьков (а). Монослой полиэдрической пены будет иметь регулярную структуру гексагональной упаковки (б).

Рис. 1. Структура пены: 1 - пузырьки газа; 2 – жидкость;

3 – плёнки; 4 - каналы; 5 – узлы.

Плёнки жидкости, находящиеся между пузырьками, образуют так называемый треугольник Плато. В каждом ребре многогранника сходятся три жидкие плёнки, которые являются стенками пузырьков. Эти пленки образуют между собой углы, близкие к 120 градусам. Четыре канала сходятся в одной точке, образуя узлы. Каналы и узлы пронизывают всю структуру пены. Вблизи каналов плёнки утолщены и становятся вогнутыми. В результате возникает капиллярное давление, вызывающее отток жидкости из плёнок в каналы (в). Жидкие плёнки утончаются. Под действием гравитации жидкость собирается в каналы и стекает в нижнюю часть пены.

Устойчивость (стабильность) пены - её способность сохранять общий объем, дисперсность и препятствовать вытеканию жидкости. Часто в качестве меры стабильности используют время существования выделенного элемента пены (отдельного пузырька или пленки) или определённого объёма пены.

1. Пенообразование.

Пены, как все дисперсные системы, обладающие избытком свободной энергии, термодинамически неустойчивы. Разрушению пены способствует укрупнение пузырьков. Этот процесс происходит в результате диффузии газов (воздуха), а также за счет утончения и прорыва слоя жидкости между пузырьками. Повышение размеров пузырьков сопровождается структурной перестройкой пены – перемещением узлов и каналов. Что может способствовать разрушению пены. Кроме того разрушение пены вызывают внешние факторы - увеличение или уменьшение давления и др. Поэтому для образования устойчивых пен в жидкость водится третий компонент – стабилизатор или пенообразователь. Жидкости без пенообразователей устойчивой пены не дают, потому что при вспенивании происходит увеличение площади раздела фаз, поверхностная энергия резко возрастает.

Е = σ ∙ S где Е - поверхностная энергия; σ- поверхностное натяжение жидкости; S - площадь раздела фаз. Система становится неустойчивой, пузырьки сразу лопаются.

Типичными пенообразователями являются поверхностно-активные вещества (ПАВ) – это спирты, жирные кислоты, мыла, аминокислоты, высокомолекулярные соединения (белки). Они снижают поверхностное натяжение, замедляют отток жидкости из пены и её утончение и поэтому стабилизируют пену.

Рассмотрим процесс образования мыльной пены. «Голова» молекулы состоит из гидрофильного вещества, а хвостик в молекуле мыла состоит из жира. Жиры гидрофобные и не растворяются в воде.

Когда такие молекулы попадают в воду, они выстраиваются вдоль границы, разделяющей воду и воздух таким образом, что гидрофильные «головы» погружены в воду, а гидрофобные «хвостики» торчат в воздух. Получается, что поверхность воды покрыта тончайшей мыльной плёнкой.

Мыло снижает поверхностное натяжение воды, то есть ослабляет силы, притягивающие молекулы поверхностного слоя друг к другу. Именно из-за высокого поверхностного натяжения чистой воды из неё не удаётся получить устойчивую пену: пузыри почти мгновенно сжимаются в капли. Мыло меняет картину, так как оно уменьшает поверхностное натяжение почти втрое. Когда мы встряхиваем бутылку с мыльным раствором, пузырьки воздуха как бы обволакиваются слоем молекул мыла. Мыльные пузыри поднимаются на поверхность, соприкасаются друг с другом, образуя пену.

На практике иногда необходимо исключить пенообразование как нежелательный процесс. Для разрушения образующейся пены применяют различные механические, физические и химические способы. Широко распространен химический способ борьбы с пенообразованием путём использования специальных веществ называемых пеногасителями (кетоны, жиры, эфиры и др.)

Пеногасители – это вещества, которые будучи сильными ПАВ, не образуют прочных плёнок и вытесняют пенообразователи из поверхностного слоя, способствуют разрыву стенок пузырьков пены.

При производстве сахара образуется пена, которая отрицательно сказывается на выходе готового продукта. В качестве пеногасителя применяют серосодержащие органические соединения.

1. Получение пен.

Получить пены можно двумя методами:

1. Диспергированием газа, механическим встряхиванием сосуда, частично заполненного раствором пенообразователя или интенсивным перемешиванием мешалками, а так же барботированием газа через пористую перегородку в слой жидкости. Это способ используется при обогащении руд методом пенной флотации. Раздробленную руду перемешивают с водой в присутствии пенообразователей. В воду добавляют флотореагент (масло), он адсорбируется на поверхности ценной породы, придавая им гидрофобность. Гидрофобные частицы прилипают к газовым пузырькам, собираясь в слое флотореагента, который образует пузырьки воздуха, образующиеся при подаче его под давлением. Воздух подается через трубы, размещающиеся в нижней части аппарата. Газовые пузырьки с большой скоростью поднимаются вверх, унося с собой частички пенной породы. Они отделяются с помощью специальных скребков.

Также этот метод применяется в пищевой промышленности при производстве коктейлей, взбитых сливок, зефира, мороженого, бисквита и т.д. Вспениваются растворы, содержащие белки, аминокислоты, углеводы, жиры и витамины. Значительное пенообразование сахарного сиропа обусловлено сапонином, а также такими веществами, как гуминовая кислота и продукты распада белка. Причём пенообразование происходит как в объёме жидкости, так и на её поверхности.

1. Конденсационный способ получения пен основан на пересыщении раствора газом. Это способ получения пен в результате химических реакций и микробиологических процессов, которые сопровождаются выделение газа. Так в процессе спиртового брожения глюкозы, при производстве вино-водочных изделий, процесс сопровождается выделением пузырьков углекислого газа:

C₆H₁₂O₆ →2C₂H₅OH + 2CO₂↑

Устойчивость пен продуктов бродильного производства (пива, солодовых напитков) вызвана присутствием альбумина, желатина, солодового экстракта и танина. Наличие азотсодержащих веществ обуславливает вспенивание плодово-ягодного варенья.

В результате брожения теста, которое идет по схеме молочно-кислого брожения, из глюкозы помимо молочной кислоты образуется углекислый газ, который вызывает пенообразование.

В огнетушителях используют химическую реакцию:

NaHCO₃ + HCl → NaCl + H₂O + CO₂↑

При снижении давления и повышении температуры растворимость газа в жидкости снижается, жидкость вспенивается, из неё может выделиться газ. Подобный процесс происходит при открывании бутылок с игристыми винами, пивом и другими шипучими напитками. В отличие от шампанского, лимонада и минеральных вод, пиво содержит пенообразователи – хмельные смолы, белки, декстрины и др.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

Оборудование и реактивы:

- штатив с пробирками;

- мерные цилиндры и колбы;

- растворы: жидкого мыла, сухого хозяйственного мыла, шампуня и геля для мытья посуды;

- карбонат кальция (мел) и раствор соляной кислоты;

- ацетон.

2.1. Получение и разрушение пен.

2.2. Сравнение устойчивости пен, образованных разными пенообразователями.

Для исследования устойчивости пен использовали растворы разных пенообразователей, путем их взбалтывания (методом диспергирования). Объемы воды и пенообразователя взяли в соотношении – 4:1. Опыты проводились при постоянной комнатной температуре.

Полученные результаты:

2.3. Зависимость устойчивости пен от концентрации пенообразователя.

Для изучения зависимости устойчивости пен от концентрации пенообразователя брали мыльные растворы разной концентрации. Полученные результаты:

Выводы: 

Результаты исследования показали, что:

- пены получаются методами диспергирования (встряхивания, взбалтывания) и конденсацией (химических реакций и микробиологических процессов);

- разрушить пену можно добавлением пеногасителей;

- самой устойчивой является пена, образованная сухим мылом. Чем более густой является пена (меньше пузырьки), тем медленнее стекает жидкость по ее каналам и тем дольше «жизнь» пены, т.е. она более устойчива.

- устойчивость пены зависит от концентрации пенообразователя.

1. Заключение.

В ходе работы над проектом было выяснено, что пена - неотъемлемая часть человеческой жизни, трудно себе представить современный мир без пены. В процессе проделанной работы выдвинутая гипотеза подтвердилась: пена имеет колоссальный потенциал, и, по-моему, мнению она станет основой многих современных технологий. Изучение таких свойств жидких пен как устойчивость, кратность и дисперсность позволило сделать вывод, что получение устойчивых пен очень важно в пожаротушении, строительстве, в кулинарии и быту. Опыты доказали, что этот эффект дают густые пены, с большой дисперсностью. Однако моющие средства, применяемые в современных стиральных и посудомоечных машинах, требуют менее устойчивого пенообразования. Разрушению пены способствует укрупнение пузырьков пены. Этот процесс происходит в результате диффузии газов из мелких пор в более крупные и за счет утончения и прорыва пленок жидкости между пузырьками.

1. Список информационных источников.

1. Добычин Д.Н., Каданер Л.Н. и др. Физическая и коллоидная химия. – М.: Просвещение, 1986.- 452-455 с.

2. Евстратова К.И., Кижин А.А., Молохова Е.Г. Физическая и коллоидная химия. - М.: Высшая школа, 1990. - 487с.

3. Зимон А.Д. Занимательная коллоидная химия - 3-е изд. - М.: Агар, 2002. - 167с.

4. Малахова А.Я. Практикум по физической и коллоидной химии: учебное пособие. - М. Высшая школа, 1974. 317- 320 с.

5. Скурихин И.М. Все о пище с точки зрения химика. М Высшая школа, 1991. - 219 с.

6. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. - М.: Химия, 1989. - 463с.

7.  Интернет-ресурсы:

1) http://tehinfo-m.narod.ru

2) http://festival.1september.ru/articles/644837/