Проведём простой опыт: возьмём пластиковую бутылку, нальём в неё немного чистой воды, закроем крышкой и встряхнём. На поверхности воды появится множество пузырьков, но буквально через несколько мгновений они исчезнут. А теперь добавим в бутылку чуть-чуть мыла (можно взять жидкость для мытья посуды), снова закроем крышкой и энергично взболтаем содержимое. Воздушная, переливающаяся всеми цветами радуги пена заполнит бутылку доверху. И вам придётся долго ждать, пока она осядет...
МОЛЕКУЛА-«КЕНТАВР»
Что же такое содержится в мыле, что влияет на способность воды образовывать пену?
Давайте для начала рассмотрим, как устроена молекула мыла.
Она, подобно мифологическому Кентавру, состоит из двух частей с совершенно разными свойствами. «Голова» молекулы взята у гидрофильного вещества, то есть такого, которое любит воду (слово «гидрофильный» происходит от греческих слов ύδωρ - читается «хидор» —вода и φιλία — читается «филиа»—любовь). Длинный хвостик в молекуле мыла позаимствован у жира. Жиры воды «боятся» и не растворяются в ней, поэтому их называют гидрофобными (от греческого слова φόβoς - читается «фобос» — страх).
Когда такие молекулы попадают в воду, они выстраиваются вдоль границы, разделяющей воду и воздух таким образом, что водолюбивые «головы» погружены в воду, а водобоязливые «хвостики» торчат в воздух. Получается, что поверхность воды покрыта тончайшей мыльной плёнкой.
РОЖДЕНИЕ ПЕНЫ
Мыло называют поверхностно-активным веществом. Оно 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 «схлопываются» в капли. Мыло поразительным образом меняет картину: даже небольшое его количество 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 — и вот уже образовалась пена: лёгкая, ячеистая структура из множества многогранников.
ПЕННАЯ МАТЕМАТИКА
В XIX веке изучением строения мыльной пены всерьёз увлёкся бельгийский учёный Жозеф Плато. Он первым обратил внимание на то, что в каждом ребре, разделяющем пенные многогранники, всегда сходятся три плёнки, ни больше и ни меньше. Оказалось, что сами плёнки — двойные, а рёбра между ними — это каналы, заполненные жидкостью. Пена оседает, потому что вода понемногу стекает по каналам вниз.
Ж. Плато нашёл способ поставить мыльные плёнки на службу математике. Он опускал в мыльный раствор проволочные рамки различной конфигурации и наблюдал, какую форму принимает мыльная плёнка. Эти опыты способствовали развитию пространственной геометрии (стереометрии). Заметим, что из-за поверхностного натяжения площадь мыльной плёнки стремится к минимуму. Поэтому мыльные пузыри, выдуванием которых увлекаются и дети и взрослые, имеют почти идеальную сферическую форму.
Пена состоит из множества пузырей, которые соприкасаются друг с другом. Наиболее выгодной формой мыльного пузыря в составе пены с точки зрения минимизации поверхностного натяжения оказался додекаэдр. Он напоминает угловатый шар, образованный из 12 соединённых гранями пятиугольников.
ЧТО УМЕЕТ ДЕЛАТЬ ПЕНА
Прежде всего, мыльная пена — отличное средство для очистки поверхностей от грязи. Частички грязи, содержащие жир, водой не смачиваются. Попробуйте отмыть испачканные чем-то жирным руки просто тёплой водой. Результат, скорее всего, будет неудовлетворительным. А если руки как следует намылить, молекулы мыла прилипнут своими гидрофобными «хвостами» к молекулам жира и образуют вокруг частичек грязи тонкую оболочку из мыльной плёнки. После этого грязь легко оторвётся от кожи и смоется водой.
У обычного 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 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 друг с другом, чем молекулы в толще воды, потому что 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 тех пор, 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.
