Гигроскопичность
Гигроскопи́чность (от греч. Гигро-|ὑγρός «влажный» + σκοπέω «наблюдаю») — способность некоторых веществ поглощать (сорбировать) водяные пары из воздуха. Играет важную биологическую роль, многие ткани растений и их семена обладают свойством гигроскопичности. Когда молекулы воды взаимодействуют с гигроскопичным веществом, оно может физически измениться в объёме, температуре кипения, вязкости или какой-либо другой характеристике вещества. Например, мелкодисперсный гигроскопичный порошок соли со временем может стать комковатым из-за сорбции влаги из окружающей среды. Примерами гигроскопичных веществ являются: мёд, этанол, метанол, глицерин, концентрированная серная кислота, концентрированный раствор гидроксида натрия, безводный хлорид кальция, иодид натрия, натриевая селитра. Из-за присутствия водяных паров в атмосфере, гигроскопические материалы должны храниться в герметичных контейнерах (некоторые такие специальные контейнеры имеют визуальный индикатор влажности, меняющий цвет при наличии водяного пара), сцинтилляционные монокристаллические детекторы на основе иодида натрия и иодида цезия всегда выполняются в герметичных корпусах. Для хранения гигроскопичных веществ в лаборатории можно использовать эксикатор. Перед вскрытием контейнеры с гигроскопичными веществами обязательно выдерживаются до выравнивания температуры с температурой воздуха в помещении, если их температура была ниже чем в помещении.
Содержание
История
Первые упоминания гигроскопичности встречаются в научной литературе в 1880-е годы. Виктор Жодин (Victor Jodin) рассматривал биологическую роль гигроскопичности, и отметил в журнале «Annales Agronomiques» в октябре 1897 г. то, что вес семян гороха при изменении влажности воздуха увеличивался или уменьшался вне зависимости от того, всхожие они или нет[1].
Марселен Бертло рассматривал гигроскопичность как физико-химический процесс. Согласно принципу обратимости Бертло, вода, выведенная из растительной ткани, может быть восстановлена за счёт гигроскопических свойств этой ткани[1].
Лео Эррера рассматривал гигроскопичность с точки зрения физики и химии. В его мемуарах было дано определение явления, которое остается актуальным и по сей день. Согласно этому определению, гигроскопичность проявляется[1]:
в конденсации водяного пара воздуха на холодной поверхности стекла;в капиллярных свойствах волос, шерсти, хлопка, древесной стружки и т. д.; в поглощении желатином воды из воздуха; в расплывании поваренной соли; в абсорбции воды из воздуха концентрированной серной кислотой; в поведении негашеной извести[2].
Проявление
Может проявляться в материалах капиллярно-пористой структуры благодаря капиллярной конденсации влаги в капиллярах при условии достаточно малого их диаметра, например, в древесине или зерне. Поглощение влаги пористыми материалами возрастает с увеличением влагосодержания воздуха и достигает максимума при относительной влажности воздуха 100%; этот параметр носит название гигроскопическая влажность Wгиг, для древесины он составляет около 30%, пшеницы — 36%[3].
Также гигроскопичность проявляется у хорошо растворимых в воде вещества (хлориды натрия и кальция, концентрированная серная кислота), и особенно хорошо — у веществ, образующих кристаллогидраты. В этом случае может происходить отсыревание или расплывание ряда солей на воздухе[3].
Расплывание
Расплывание (deliquescence), как и гигроскопичность, характеризуется сильным сродством вещества к воде и тенденцией поглощать влагу из атмосферы. Однако, в отличие от гигроскопичности, при которой сохраняется исходное фазовое состояние вещества, и меняется только содержание влаги в нём, расплывание предполагает поглощение большого количества воды с образованием в конечном итоге водного раствора. Большинство расплывающихся материалов представляют собой соли, в частности, таким свойством обладают хлорид кальция, хлорид магния, хлорид цинка, трихлорид железа, карналлит, карбонат калия, фосфат калия, цитрат железа(III)-аммония, нитрат аммония, гидроксид калия и гидроксид натрия. Благодаря очень высокому сродству к воде эти вещества часто используются в качестве осушителей[4].
Применение
Гигроскопичные материалы применяются в качестве сорбентов для осушения воздуха. Например, гигроскопичность силикагеля используется для понижения влажности находящихся рядом предметов: электроники, одежды, обуви.
Разные материалы и соединения имеют отличающиеся гигроскопические свойства, что может привести к вредным эффектам, вроде концентрации напряжений в композиционных материалах. Влияние окружающей влажности на материалы или соединения можно учесть коэффициентом гигроскопического расширения (КГР) или коэффициентом гигроскопического сжатия (КГС) — различие между ними определяется способностью веществ к изменению объёма под действием влажности и учитывается в формулах в виде знака.
Распространённым примером, на котором можно продемонстрировать это явление — книги в мягкой обложке. В относительно сыром месте обложка книги будет скручиваться. Это обусловлено тем, что неламинированная сторона обложки поглощает больше влаги, чем ламинированная, и её площадь увеличивается. Это вызывает механическое напряжение, которое сгибает обложку в сторону ламинирования. Аналогию можно увидеть в биметаллических пластинах.
Гигроскопичность некоторых веществ
Грунты
Гигроскопичность грунта является важной его характеристикой, определяется как влажность грунта гигроскопическая Wg — влажность грунта в воздушно-сухом состоянии, то есть в состоянии равновесия с влажностью и температурой окружающего воздуха[5].
Строительные материалы
Гигроскопичные материалы играют важную роль в строительстве; например, очень гигроскопична древесина. Такие материалы подвержены влиянию влаги, содержащейся в здании. Чем выше относительная влажность, тем больше пара адсорбируется. При этом многие сорта древесин начинают гнить, если относительная влажность в течение длительного времени более 80 %.
Большинство лёгких пористых стеновых камней (лёгкие керамические камни[6], газобетон и пенобетон, керамзитобетон, известняк) очень гигроскопичны — показатель может достигать 30 %, а некоторые известняки с Кипра набирают влажность до состояния сырой стены «на ощупь».
Кроме этого, на сыром основании они работают как фитиль керосиновой лампы, из-за капиллярного эффекта своей пористой структуры. Все лёгкие стеновые камни[7], требуют герметичной гидроизоляционной отсечки — от всех примыканий к стенам и монолитам с повышенной влажностью — отсечка стены должна быть только плёночного типа, гибкая, с полной водонепроницаемостью. Обычно так отрезают полуцокольный и 1-й этаж — от всех «мокрых» конструкций — фундамента, цоколя, подземной части цокольного этажа.
Общепринятая в СССР отсечка высокомарочным цементным раствором не работает — изначально подсос влаги в сухую стену она полностью не ограничивает — со временем циклы замораживания и оттаивания открывают и расширяют капилляры в растворе. Начинается постоянный подсос воды в толщу стены здания, новые порции влаги окончательно вымывают и открывают капилляры.
Необлегчённый кирпич менее подвержен капиллярному эффекту, но при отсутствии отсечки может вымокнуть на высоту нескольких этажей, до самой кровли.
Примечания
- ↑ 1,0 1,1 1,2 {{safesubst:#invoke:Su|main}} Studies in Seeds and Fruits. — London, England: Williams and Norgate, 1912. — С. 147–150.
- ↑ Лео Эррера Sur l'Hygroscopicité comme cause de l'action physiologique à distance
- ↑ 3,0 3,1 Физический энциклопедический словарь. Т. 1. / под ред. Б. А. Введенского, Б. М. Вула. — М.: Советская энциклопедия, 1960. — С. 430.
- ↑ {{safesubst:#invoke:Su|main}} Potassium carbonate as a desiccant in effervescent tablets (en) // International Journal of Pharmaceutics. — 1997-06. — Vol. 152, iss. 2. — P. 227–235. — doi:10.1016/S0378-5173(97)00093-8[Ошибка: Неверный DOI!]. Архивировано 6 января 2024 года.
- ↑ ГОСТ 30416-2020. Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения : [арх. 03.01.2024] // internet-law.ru. — Дата обращения: 03.01.2024.
- ↑ POROTHERM и KERAKAM, изготавливаются из вспененной глины.
- ↑ Несмотря на заявления производителей об устойчивости изделий к влажности, капилляры есть всегда, а за счёт зимних морозов и множества циклов оттаивания, их количество резко увеличивается.