Проведём обычной опыт: возьмём пластиковую бутылку, нальём в неё малость незапятанной воды, закроем крышкой и встряхнём. На поверхности воды появится огромное количество пузырьков, но практически через несколько мгновений они пропадут. А сейчас добавим в бутылку немножко мыла (можно взять жидкость для мытья посуды), опять закроем крышкой и энергично взболтаем содержимое. Воздушная, переливающаяся всеми цветами радуги пена заполнит бутылку доверху. И для вас придётся длительно ожидать, пока она осядет...

МОЛЕКУЛА-«КЕНТАВР»

Что все-таки такое содержится в мыле, что оказывает влияние на способность воды создавать пену?

Давайте для начала разглядим, как устроена молекула мыла.

Она, подобно мифологическому Кентавру, состоит из 2-ух частей с совсем различными качествами. «Голова» молекулы взята у гидрофильного вещества, другими словами такового, которое любит воду (слово «гидрофильный» происходит от греческих слов ύδωρ - читается «хидор» —вода и φιλία — читается «филиа»—любовь). Длиннющий хвостик в молекуле мыла позаимствован у жира. Жиры воды «боятся» и не растворяются в ней, потому их именуют гидрофобными (от греческого слова φόβoς - читается «фобос» — ужас).

Когда такие молекулы попадают в воду, они выстраиваются вдоль границы, разделяющей воду и воздух таким макаром, что водолюбивые «головы» погружены в воду, а водобоязливые «хвостики» торчат в воздух. Выходит, что поверхность воды покрыта тонкой мыльной плёнкой.

РОЖДЕНИЕ ПЕНЫ

Мыло именуют поверхностно-активным веществом. Оно понижает поверхностное натяжение воды, другими словами ослабляет силы, притягивающие молекулы поверхностного слоя друг к другу. Конкретно из-за высочайшего поверхностного натяжения незапятанной воды из неё не удаётся получить устойчивую пену: пузыри практически одномоментно «схлопываются» в капли. Мыло поразительным образом меняет картину: даже маленькое его количество уменьшает поверхностное натяжение практически в три раза!

Когда мы встряхиваем бутылку с мыльным веществом, пузырьки воздуха вроде бы обволакиваются слоем молекул мыла. Мыльные пузыри подымаются на поверхность, соприкасаются вместе — и вот уже образовалась пена: лёгкая, ячеистая структура из огромного количества полиэдров.

ПЕННАЯ МАТЕМАТИКА

В XIX веке исследованием строения мыльной пены всерьёз увлёкся бельгийский учёный Жозеф Плато. Он первым направил внимание на то, что в каждом ребре, разделяющем пенные полиэдры, всегда сходятся три плёнки, ни больше и ни меньше. Оказалось, что сами плёнки — двойные, а рёбра меж ними — это каналы, заполненные жидкостью. Пена оседает, так как вода понемногу стекает по каналам вниз.

Ж. Плато нашёл метод поставить мыльные плёнки на службу арифметике. Он опускал в мыльный раствор проволочные рамки различной конфигурации и следил, какую форму воспринимает мыльная плёнка. Эти опыты содействовали развитию пространственной геометрии (стереометрии). Заметим, что из-за поверхностного натяжения площадь мыльной плёнки стремится к минимуму. Потому мыльные пузыри, выдуванием которых увлекаются и малыши и взрослые, имеют практически безупречную сферическую форму.

Пена состоит из огромного количества пузырей, которые соприкасаются вместе. Более прибыльной формой мыльного пузыря в составе пены исходя из убеждений минимизации поверхностного натяжения оказался додекаэдр. Он припоминает угловатый шар, образованный из 12 соединённых гранями пятиугольников.

ЧТО УМЕЕТ ДЕЛАТЬ ПЕНА

Сначала, мыльная пена — хорошее средство для чистки поверхностей от грязищи. Частицы грязищи, содержащие жир, водой не смачиваются. Попытайтесь отмыть испачканные кое-чем жирным руки просто тёплой водой. Итог, вероятнее всего, будет неудовлетворительным. А если руки как надо намылить, молекулы мыла прилипнут своими гидрофобными «хвостами» к молекулам жира и образуют вокруг частичек грязищи узкую оболочку из мыльной плёнки. После чего грязюка просто оторвётся от кожи и смоется водой.

У обыденного мыла, сделанного из натурального жира и щёлочи, есть один существенный недостаток: оно плохо мылится в жёсткой воде. Поэтому жидкости для мытья посуды, стиральные порошки, шампуни и другие средства бытовой химии сейчас делают на основе синтетических поверхностно-активных веществ, которым жёсткая вода нипочём.

Мыльная пена освоила и другие «профессии». Например, её используют при добыче минеральной руды, чтобы отделить полезный минерал от пустой породы. Такой метод называют флотацией. Пену применяют при бурении скважин, при тушении пожаров, для удаления разлившейся нефти.

Пену создаёт не только лишь мыло. Поверхностно-активными свойствами обладают и другие вещества, в том числе белки. Например, взбитые сливки сохраняют воздушную структуру благодаря белкам молока.

ФИзПРАКТИКУМ

ОПЫТ С ПОВЕРХНОСТНЫМ НАТЯЖЕНИЕМ

Наполним стакан водой до краёв. Аккуратно добавим сверху ещё несколько капель воды. Её уровень поднимется чуть выше краёв стакана, но вода не выльется, словно удерживаемая тонкой плёнкой. Откуда берётся эта плёнка? Её создают молекулы воды, расположенные на поверхности, на границе с воздухом. Они более прочно связаны вместе, чем молекулы в толще воды, так как силы, действующие на них сверху, со стороны воздуха, гораздо слабее сил, действующих на них снизу.

Поверхностная плёнка настолько прочна, что может выдержать вес небольшого металлического предмета, например иголки или канцелярской скрепки.

Осторожно опустите скрепку на поверхность воды. Она будет плавать до того времени, пока вода не смочит металл. Для удобства можно положить скрепку на полоску рыхлой бумаги, вырезанную, скажем, из бумажного полотенца. Бумага намокнет и опустится на дно, а скрепка останется на поверхности. Чтобы опыт получился, скрепка обязательно должна быть сухой. А если её смазать жиром - результат гарантирован.

С поверхностным натяжением связаны явления смачивания и подъёма жидкости по тонким трубкам - капиллярам.

Из всех жидкостей самое большое поверхностное натяжение у ртути, поэтому маленькие капли ртути имеют форму почти идеальных шариков.