Особенность адсорбционных свойств воды

Вопросам адсорбции, структуры и свойств граничных слоев воды, динамики и закономерностей поверхностных явлений посвящены фундаментальные работы профессоров Бориса Владимировича Дерягина,

зз

Федора Даниловича Овчаренко, Юрия Ивановича Тарасевича и многих других авторов. Для исследований обычно применяли структурностабильные твердые материалы (кварц, молотое стекло, слюду, торф, слоистые силикаты, глинистые минералы, активированные угли). Попытки использования вяжущих объектов (гипса, цемента) оказались безуспешными ввиду интенсивно протекающих на границе раздела фаз конвекционных и диффузионных потоков, затрудняющих постановку экспериментов. Конечно же, упомянутые стабильные материалы мало сопоставимы с энергетическими особенностями тех же цементных зерен, однако ключевые элементы электроповерхностного процесса могут иметь общий характер.

Основой адсорбции является всеобщий закон природы — самопроизвольное снижение системой запаса свободной энергии. Энергетически не насыщенные точки твердой фазы притягивают диполи воды для нейтрализации поверхностного электрического заряда. При этом давно установлено, что молекулы адсорбированной воды располагаются на поверхности частиц не сплошным и равномерно размазанным слоем, а участками [9]. Эта адсорбционная особенность наглядна в проведенных профессором Евгением Дмитриевичем Щукиным исследованиях по изучению адсорбции воды силикагелем [42]. В дисперсный продукт вводилось такое количество воды, чтобы на каждой его частичке образовался мономолекулярный слой (рис. 2.3, а). Однако в результате электронной микроскопии замороженной жидким гелием навески оказалось, что даже для такого однородного по составу адсорбента, как силикагель, характерно не равномерное распределение молекул, а локальное формирование островков адсорбата, при этом часть поверхности твердого тела оставалась свободной (рис. 2.3, б). При последующем введении порции воды эти островки (кластеры) становились вторичными центрами адсорбции (рис. 2.3, в). Логическая трактовка дальнейшего развития адсорбционного процесса — смыкание разрастающихся «крон» кластеров и формирование пористых композиций (рис. 2.3, г). Следовательно, с определенной долей уверенности можно заключить — плотность граничного слоя диполей, вследствие его пористого строения, должна быть ниже плотности объемной воды, что получило подтверждение в точных экспериментах [43].

Схема адсорбции воды силикагелем

Рис. 2.3. Схема адсорбции воды силикагелем

  • 1 — молекулы воды; 2 — активные центры; 3 — кластеры; 4 — твердая фаза;
  • 5 — дипольный свод

Более низкая плотность граничного слоя косвенно подтверждается снижением таких свойств, как тепло- и электропроводность [44]. Пористое (доменное) строение граничного слоя диполей находит еще одно косвенное подтверждение. Экспериментально установлено, что плотность поверхностного слоя различных полярных жидкостей (СС14, С6Н6, С6Н5С1 и др.) с ростом температуры уменьшается, за исключением воды, для которой характерно повышение плотности [45]. В температурном интервале от 65 °С до 75 °С исчезают отличия свойств воды в тонких капиллярах и в объеме, и это вполне закономерно. При нагревании происходят ослабление и разрушение сетки Н-связей, и при указанных температурах вода находится в виде малоассоциированных (и даже мономерных) объектов, что приводит к частичному «обрушению» доменной конструкции и соответствующему повышению плотности граничного слоя.

Установленные закономерности (локальность адсорбции диполей, их кооперация, более низкая плотность упорядоченного граничного слоя, по сравнению с объемной водой и др.) позволили сделать вывод о формировании в межфазной зоне при соприкосновении реагентов пористых переходных энергетических комплексов. Входящие в состав комплексов молекулы воды — неравноценны с энергетической точки зрения. Непосредственно контактирующие посредством водородных связей с поверхностью твердой фазы диполи и их ближайшее окружение теряют подвижность, приобретают свойства скорее твердого, нежели жидкого вещества. По мере удаления от подложки ослабевает энергия связи диполей, повышается их тепловое движение, активность и реакционная способность.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >