Имарат конструкцияларындағы ылғалдың пайда болуы мен миграциясының ерекшеліктері

Миграциялық ылғал материалдың негізгі қасиеттері мен төзімділігіне әсер етуші факторлардың бірі болып табылады. Ол басқа заттар және денелермен жанасқанда өзінің қолдануын сипаттайтын бірқатар физика-химиялық қасиеттерге ие.

Капиллярлық диффузия, материал кеуектеріндегі оның қысымын теңесті-ретін ылғалдың үздіксіз газ фазасының болуы кезіндегі, материалдағы ылғал қозғалысының ең көп таралған түрі болып табылады. Оның қозғалысын анықтаушы капиллярлардағы сұйық қысымы (р), материал кеуектеріндегі ауа қысымының айырмасы (р₀) мен сұйықтың беттік кернеулігіне s/r тәуелді болады, мұндағы s – сұйықтың жалпақ беттегі беттік кернеулігі; r – капиллярлардағы сұйық беті қисықтығының нақты радиусы.

р = р₀ – s/r (2.3)

жағдайы мынаны көрсетеді:

– материалдың белгілі бір нүктесіндегі ылғалдылықтың (w), соған сәйкес (r) мәнінің артуымен (р) мәні де өседі, сондықтан пайда болған – градиентінің есебінен, ылғал аз ылғалдылық бағытындағы (х) қашықтыққа орын ауыстырады;

– (t) температураның артуымен беттік кернеулік төмендейді, сондықтан (р) қысым артады.

Температуралық градиенттің әсерінен ылғалдың бағытты қозғалысы температураның төмендеу бағытына қарай жүреді (термодиффузия құбылысы). Термодиффузияның күшті әсері, температураны 1⁰С көтергенде s тек 0,2% төмендеуіне байланысты жоғары мәнге ие болмайды. Температураның көтерілуімен сұйықтың тұтқырлығы төмендейді, соған сәйкес (р) бірдей мәнінде сұйықтың орын ауыстыру жылдамдығы артады.

Температуралық градиент кезінде мүмкін болған капиллярлық диффузия-мен бір мезгілде су буының орын ауыстыруы жүреді. Қоршағыш конструк-цияларда температуралық градиенттің есебінен, оған сәйкес су буының ең жоғарғы серпімділік градиентінің бар болуына байланысты, су буы қыста бөлменің ішінен қоршаудың сыртқы жағына қарай қозғалады, ал қабырғаның ішінде пайда болған конденсациялық ылғал, ылғалдылық градиентінің әсерінен қарсы бағытта диффузияланады.

Капиллярлық диффузия, 1м² материалдың бетінен бір тәулікте буланған ылғал массасы мен материалдағы ылғалдың орын ауыстыру процесі арасын-дағы тепе-теңдіктің қалыптасу жағдайын көрсететін коэффициентпен (К_Д) сипатталады. К_Д мәні материалдың ылғалдылық дәрежесіне тәуелді. К_Д мәні Р.Е. Бриллинг жасаған әдіс бойынша тәжірибе жолымен анықталады және тұрақты емес, материал ылғалдылығының жоғарлауымен артады. Ұялы бетон үшін капиллярлық диффузия коэффициентінің мәні 0,066×10^–4 м²/тәулікке тең, яғни қызыл қыштың К_Д­ мәнінен 116,6 есе көп екендігі анықталған.

Сору процесі, капиллярлар қимасы ылғалмен толық толтырылғанда жүреді. Ең қарқынды капиллярлық сору алғашқы 5-10 минутта өтеді, 1 сағаттан соң сорудың жылдамдығы шамамен 80-87% және 12 сағаттан соң 97-99% төмендейді. Қарастырылып жатқан процесс, бірінші – жіңішке капиллярларда, екінші – кең капиллярларда жүретін капиллярлық диффузиямен бір мезгілде жүруі мүмкін.

Бұндай екіжақты үрдіс К_Д коэффициентінің нақты мәнін анықтауды қиындатады, сондықтан соңғысы қарастырылатын үрдіске қатысты материалдың қосалқы көрсеткішін сипаттайтын шартты шама болып табылады. Жіңішке капиллярларда капиллярлық сору арқылы жүретін ылғал миграциясын, капиллярлық диффузия түрінде жүретін миграциядан айыру қиын. Кейбір материалдар үшін капиллярлық диффузия мен капиллярлық сору көрсеткіштерінің өсуі мен төмендеуінде барлық уақытта сәйкестілік байқала бермейді. Р.Е. Бриллингтің мәліметтеріне сәйкес орташа тығыздығы 1670 кг/м³ тең піскен қыш үшін, К_Д = 7,7×10^–4 м²/тәулік, n = 1,8×10^–3 см/минутқа, орташа тығыздығы 1165 кг/м³ тең гипсті плита үшін К_Д = 2,89×10^–4 м²/тәулік, n = 5,55×10^–3 см/мин., ал көбіктісиликат үшін К_Д = 0,066×10^–4 м²/тәулік, n = 0,75×10^–3 см/мин. тең, мұндағы n, см/мин алынған материалдың тәуліктік орташа сору жылдамдығы.

Материалдағы сору процесінің бұлай өзгеруі, олардың құрылымдық ерекшелігі және ылғалдың материалмен байланысу сипатымен түсіндіріледі. Осыған қарамастан К_Д, м²/тәулік және n см/мин сипаттамалары материалдағы капиллярлық ылғалдың қозғалысы жайлы кешенді көзқарас қалыптастыруға және құрылыс конструкциялары үшін материал таңдауда қажетті практикалық қорытынды жасауға мүмкіндік береді.

Мәселен, әлсіз капиллярлық сору мен аздаған капиллярлық диффузияға ие материалдар, суды нашар береді және, керісінше, жақсы капиллярлық сору мен капиллярлық диффузияға ие материалдар кептіру кезінде ылғалды тез жоғалтады. Біріншісіне орташа тығыздығы р_орт.=1380 кг/м³ болған кезде К_Д = 0,15×10^–4 м²/ тәулік, n = 0,22×10^–3 см/мин. тең болған шлактыбетонды, екіншісіне орташа тығыздығы р_орт.=1810 кг/м³ болған кезде К_Д = 25,3×10^–4 м²/ тәулік, n = 2,68×10^–3 см/мин. тең болған 1:4 құрамдағы цемент құм араласпасын жатқызуға болады.

Бірақ, капиллярлық сору мен капиллярлық диффузия көрсеткіштерінің материалдың кебуі жайлы пікір айту үшін жеткіліксіз екенін ескеру қажет. Материалдың бусіңіргіштігі мен сорбциялық ылғалдануының мәні ерекше. К_Д және n жоғары мәндерінде, жоғары буөткізгіштік пен жеткілікті сорбциялық қабілетке ие материалдар тез кебу қабілетіне ие болмайды, автоклавта қатаятын ұялы бетондар осындай материалдарға жатады.

Бір-бірімен капиллялрлық судың сулы тығындарымен толтырылған жіңішке капиллярлық жолдармен қатынасатын, біржақты жабық кеуектерге ие ұялыбетонды материалдарда, ылғалдың қозғалысы баяу және тек қана капиллярлық диффузия түрінде жүреді. Бұндай материалдың суды беру қабілеті майдакеуекті материалдарға қарағанда төмен болады.

Капиллярлық сору материалдың ең жоғары молекулалық ылғалсыйымды-лығына жақын алғашқы ылғалдылығы кезінде қарқынды жүреді. Үлкен алғашқы ылғалдылық кезінде сорудың қарқындылығы төмендейді. Материалдың кеуектерінде (саңлауларында) сығылғын ауаның болуы капиллярлық ылғалдың қозғалысына қатты кедергі жасайды. Конструкцияның капиллярлық су көздеріне жақын орналасқан бөліктеріндегі материалдардың жоғары суға қанығуы осымен түсіндіріледі.

Ұялыбетонды материалдың эксплуатациялық төзімділігіне тағы басқа да физика-химиялық құбылыстар, мәселен, беттік конденсация, сорбциялық ылғал сору, су буының диффузиясы т.б. процестер әсер етеді.

Өндірістік құрылыстың орталық ғылыми-зерттеу институты (ОҚОҒЗИ) жіктемесіне сәйкес, белсенді сорбциялаушы материалдарға көбіктібетон, көбіктісиликат, шлактыбетон, гипстік бұйымдар, фибролит, соломит, шымте-зекті плиталар, ағаш т.б. жатады. Инертті сорбциялаушы материалдарға – артик туфы, бетон, силикатты және күйдірілген қыш, ксилолит т.б. жатады.

Су материалдың кеуектеріне ене отырып, кристалдық бөлшектерді ерітеді, соның нәтижесінде олардың арасындағы ұстасу бұзылып немесе әлсіреп, беріктіктің төмендеуіне алып келеді. Ылғалдану кезінде су және онда еріген заттардың қайтымды адсорбциясы, материал беріктігінің төмендеуі мен деформацияның жеңілдеуіне алып келеді. Материал беріктігінің төмендеуіне, сонымен бірге кристалдық құрылымының микроэлементтерін бөлетін су қабықтарының сыналағыш әсері де ықпал етеді. Алма-кезек қайталанатын және де ұзақ мерзімдік ылғалдану, жалпы ғимараттың жұмыс істеу мерзімін қысқартатын материалдардың бұзылуымен және ағаш элементтерінің шіруімен қатарласа жүреді. Алма-кезекті ылғалдандыру және кептіру, мұздату және еріту сияқты физикалық факторлар коррозиялық үрдістерді елеулі күрделендіреді және жылдамдатады.

Демек ылғал, ғимараттың мерзімінен алдын-ала тозуына алып келетін агрессиялы фактор болып табылады. Ол конструкциялардың күйреуінің қарқынды дамуына, соның нәтижесінде ғимараттың жұмыс істеу мерзімінің төмендеуіне алып келеді. Сондықтан, құрылыс конструкцияларының төзімділігін арттыру және соның нәтижесінде тұрғызылатын ғимараттарды жөндеуге кететін шығындарды азайту, бүгінгі құрылыс индустриясының алдында тұрған өзекті мәселелердің бірі.

Ұялы бетондарға ылғалдың зиянды әсерін төмендететін қоспа түрлерін іздеуге, модификацияланған ұялы бетонның құрамын таңдауға, негізгі эксплуатациялық көрсеткіштерін зерттеуге кірісуден бұрын, ұялыбетонды бұйымдарды өңдіруде де, олардың қызмет ету мерзімінде де орын алатын беттік құбылыстарға тоқталу қажет.

Әртекті жоғарыдисперсті жүйелердің әр түрлілігіне қарамастан, оларды өте жақсы дамыған беттік фазалар айырмашылығы біріктіреді. Мәселен, салыстырмалы ірі цементті сулы суспензияның өзі, 1 г цемент үшін шаршы метр шамасындағы меншікті бетпен сипатталады, ал гидратациялану кезінде бұл мән он және жүз есе артып кетеді. Коллоидты дисперсті жүйелердің бөлшектері 10-1000 Å (10^–9–10^–7) дейінгі өлшемге ие, сондықтан олар негізгі қасиеттерін анықтайтын үлкен беттік айырмашылыққа ие.

Беттік құбылыс теориясының дамуына Гиббс Д.У., Ленгмюр, Ребиндер П.А., Дерягин Б.В., Жуховицкий А.А. және басқалар үлкен үлес қосты.

Кейбір термодинамикалық үрдістерді қарастырғанда әрекеттесуші фаза-лардың беттік айырмашылығының бар екендігін ескеру қажет. Себебі, кез келген фазалар айырмашылығының беті күш өрісінің көзі болып табылады. Күш өрісі кернеулігінің, яғни екі фаза айырмашылығы бетіне сәйкес келетін бос энергияның артық мөлшерінің өлшемі, сұйық орта үшін беттік кернеулік деп аталатын, меншікті беттік энергия (s) болып табылады. s және S беттік қабат ауданын біле отырып, F энергияны есептеп табуға болады:

F = S×s (2.4)

Фазалар айырмашылығының жоғары дамыған бетінің болуы беттік қабат-тағы мол артықша бос энергияның болуына ықпал етеді, сондықтан коллоидты жүйелер көп жағдайда тұрақсыз. Сондықтан, мұндай жүйелер тұрақты қысым мен температурада, сыртқы ортаның әсерінсіз ақ, сыртқы беттік қабаттағы артық мөлшердегі бос энергияны азайту есебінен өзінің тұрақтылығын арттыруға тырысады:

. (2.5)

(2.5) формуладан бос энергияны төмендетуге, фазалар айырмашылығының бетін азайту немесе Ds беттік кернеулікті азайту арқылы қол жеткізуге болатындығы көрінеді. Фазалар айырмашылығының бетін азайту ақыр соңында коллоидты жүйелердің ыдырауына, ал беттік кернеулікті төмендету оларды тұрақтандыруға, яғни ыдырауға дейінгі өмірін ұзартуға мүмкіндік береді.

Коллоидты жүйелердің тұрақсыздығы фазалар айырмашылығы бетінің үлкен болуына байланысты, бұндай жүйелерді ірілендіру, олардың бос беттік энергиясының азаюына алып келетін болғандықтан термодинамикалық тиімді процесс. Бірақ дисперсті фаза мен дисперсті ортаның ұқсас болуына байланысты бөлшектердің жабысу процесі әртүрлі жүреді: егер дисперсті орта дисперсті фаза бөлшектеріне жұқпаса, яғни олармен ұқсас болмаса, онда суға байланысты коллоидты жүйелерді гидрофобты, егер жақсы жұғатын болса, гидрофильді деп айтады. Гидрофобтық пен гидрофильдіктің сандық сипаттамасы ретінде, қатты дисперсті фаза бетінде пайда болған тепе-теңдік бұрышы қызмет ете алады.

Жұғудың тепе-теңдік шеттік бұрыштарының мәні автоклавта қатаятын ұялы бетонды материалы жататын капиллярлы-кеуекті денелердегі сұйықтың өзін тұтыуын анықтау үшін көмектеседі.

Қатты денеге сұйықтың әр түрлі жұғуын беттік кернеулік күші әсерінің нәтижесі ретінде қарауға да болады. 2.2-суретте сұйықтың қатты денеге жұғу сызбасы келтірілген.

Жұғудың периметрі үш орта: 1) ауа, 2) сұйық, 3) қатты дене әсерлерінің шекарасы болатындығы анық. Бұл орталар оларды шекаралайтын беттерге ие: s_1–2 беттік кернеулікке ие сұйық-ауа беті; s_1–3 беттік кернеулікке ие ауа-қатты дене беті; s_2–3 беттік кернеулікке ие сұйық-қатты дене беті.

а) sс.г.   Г sқ q с sк.с.

б) sс.г.   q Г sқ с sк.с.

а - жұғу бұрышы 90⁰ кем болған, б – жұғу бұрышы 90⁰ артық болған жағдай;

2.2 сурет – Сұйықтың қатты денеге жұғу сызбасы

Осыған сәйкес жұғу периметрінің 1 см-не 2.2-суретте сәйкес векторлар-мен белгіленген үш күш әсер етеді: s_1–2; s_1–3; s_2–3. Олар сәйкес шекараланатын бетке жанамалы орналасқан дөңгелектің жеке элементтеріне перпендикуляр бағытталған. q тепе-теңдік шеттік бұрышын түзгенде барлық күштер бірін-бірі теңестіруі қажет. Бұл жағдай үшін қатты дене беті жазықтығы осіне векторлар проекциясы қосындысынан шығатын Дюпре-Юнг қатынасы дұрыс болады:

s_2–3 = s_1–3 + s_1–2× немесе s_2–3 – s_1–3 = s_1–2× , (2.6)

бұдан

= (s_2–3 – s_1–3)/ s_1–2 = В. (2.7)

Мұндағы , В жұғу шамасы деп аталады. Жұғу жағдайы өзгергенде бұл бұрыш өзгереді. Толық жұғуға (q = 0) В=1 жауап беретіні анық. Сұйық қатты денеге олардың молекулаларының арасындағы әсер аз болған сайын жақсы жұғады. Аз беттік кернеулікке ие болған полярсыз сұйықтар, негізінде беттерге жақсы жұғады. Бұл жағдайда алынған екі сұйықтықтан дененің бетіне, қайсысының қатты денемен полярлық айырмашылығы аз болса сол жақсы жұғады.

Мәселен, беттік кернеулігі 35-40 Н/м тең болған каучукті латекстер, беттік кернеулігі 72,7 Н/м тең болған суға қарағанда ұялы бетонның бетіне жақсы жұғуы тиіс. Демек, s_1–2 кем болған сайын жұғудың шеттік бұрышы кішірейетіндіктен қатты денеге сұйық жақсы жұғады. 2.1-суреттен көрінгендей Юнг теңдеуі жүйе беті күйінің жалғыз эксперименттік жолмен анықталатын сипаттамасы болып табылатын, төселім мен тамшы беттері сипаттамасы шамасын, жұғудың шеттік бұрышымен байланыстырады. Шеттік бұрыш әрқашан сұйық бағытында есептеліп, сұйық тамшысының қатты дене бетіне түйісу нүктесі мен қатты дене беті арасындағы бұрыш мәнімен анықталады (s_1–2 және s_1–3 беттік кернеуліктері векторлары арасындағы бұрыш). Ол жеткілікті дәрежеде дәл анықталып, бетке жұғу өлшемі қызметін атқарады. Егер q < 90⁰ болса бетке жақсы жұғады, егер q > 90⁰ – нашар жұғады деп есептеледі .

q бұрышын анықтау әдістерінің бірі, қатты дененің горизонталь бетінде тұрған тамшы пішіні бойынша тікелей өлшеу болып табылады. Тамшы про-филін, оның бейнесін экранға проекциялау арқылы ұлғайтылған масштабта алады. Бейненің ең жоғары анықтығына қол жеткізіп, контурларын карандашпен сызып шығады. Суретте тамшы контуры мен төс етегінің қиылысу нүктесіне жанасу сызығын жүргізіп, транспортирмен жанасу сызығының ең кіші бұрышын өлшейді. Тамшының сызықтық өлшемдері 0,5-1,0см және бейнені 5 есе үлкейткендегі q өлшеу дәлдігі ±1⁰ дейін. Өлшеу бірнеше рет жүргізіледі. q мәнінің әртүрлі болуы негізінен беттің әртектілігіне тәуелді болады (кедір-бұдыр, ыластануы, ауа адсорбциясы – жұғудың гистерезисі).

Сонымен бірге тамшының бетпен жанасу ауданының h биіктігі және r радиусы бойынша да q бұрышты анықтауға болады:

q < 90⁰ болғанда

(2.8)

q > 90⁰ болғанда

(2.9)

Тамшының деформациясын ескермеуге болатын жағдайда өлшемі кішкене тамшылар үшін, q < 90⁰ болған жағдайдағы қарапайым формула бар:

(2.10)

Жұғу құбылысын қатты дене бір-бірімен араласпайтын екі сұйықпен қатар жанасқан жағдайда да бақылауға болады. Егер екі сұйықтықтың әрбірі бетке жұғуға әрекеттенсе, онда екі адсорбтивтердің адсорбциялану бәсекесі жағдайындағыдай, олардың арасында бәсеке жүреді. Бетке жақсы жұғатын сұйықтық жайлы, нақты осы бетке қатысты жоғары талғамдық жұғу қабілетіне ие деп айтады.

Ылғалды-ауа атмосферасында көптеген жіңішке сүйір беттерде шеттік бұрыш, яғни жұғудың оң мәнін түзетіні белгілі. Осы көзқарас тұрғысынан барлық беттерді гидрофильді деп қарауға болады. Полярсыз сұйықтардың қатысуында судың беттік талғамды жұғуы кезінде жағдай өзгеше. Бұл жағдайда су барлық уақытта да сүйір шеттік бұрыш түзе бермейді. Бұндай жағдайда гидрофильді беттерге су талғамды жұғады. Бұл кезде шеттік бұрыш q < 90⁰, бірақ бет гидрофобты болса, көміртегі суды біржақты ығыстырып су үшін q > 90⁰ болады.

Тек суды қолданған жағдайда барлық бейорганикалық құрылыс материалдарына, соның ішінде ұялы бетонға да су жақсы жұғады. Олардың молекулаларында құрылыс материалдарының бетін сумен әрекеттестіре алатын жеткілікті мөлшердегі полярлы топтар болғандықтан, бұл түсінікті де. Сондықтан бөгде қоспалармен ластанбаған құрылыс материалдарында сумен жанасу кезінде жұғу өздігінен және тез жүреді.

Жұғу құбылысын зерттеген кезде практикалық мақсат, көлемдік фазалардың құрылымы мен химиялық табиғаты жайлы мәліметтерге сүйене отырып, нақты жүйе үшін q мәнін болжау мүмкіндігінде.

Бірақ, Фридрихсбергтің мәліметтеріне сәйкес (2.7) теңдеуге енетін s_2-3 және s_2-1 мәндері негізінен белгілі, сондықтан барлық s мәндерін, соған сәйкес q мәнін анықтаушы молекулалық күштер мен олардың жұмыстарын қарастырған жөн.

а) б)

А АС

а – фазаішілік когезия жұмысы, б – фазааралық когезия жұмысы;

2.3 сурет – Когезия және адгезия ұғымын көрсететін сызба

s_c.г.

s_к.г. q»0

s_қ.с.

2.4 сурет – Шексіз жайылу

Когезия (бірігу) күштері деп, фаза ішіндегі молекулалар арасында әсер етуші, ал адгезия (жабысу) әр түрлі фазадағы молекулалар арасындағы әсер етуші күштерді айтамыз. Осыған сәйкес W_c когезияның жұмысы біртекті көлемдік фазаны үзу үшін қажетті жұмыс ретінде анықталады; оны үзу ауда-нының бірлігіне ендіреді. 2.3-суреттен көрінгендей, бұл (А жазықтығындағы) үзу жұмысы мынаған тең

W_c = 2 s_c.г. (2.11)

себебі бұл кезде жаңадан екі СГ беті пайда болады.

Аудан бірлігіне жатқызылатын W_a адгезия жұмысы, фазааралық беттік қабатты үзу жұмысы ретінде анықталады (2.3б-сурет). Ол екі жаңа беттердің түзілуіне жұмсалып, алғашқы фазааралық шекарадағы бос энергияның жоға-луы арқылы ұтымды болады. ҚС жүйесі үшін 2.3б-суретте көрсетілгендей, бұл жұмыс мынаған тең:

W_a = s_c.г. + s_қ.г. − s_қ.c. . (2.12)

Бұл теңдеу Дюпре теңдеуі деп аталады. Бұл теңдеуден осы бөлу шекара-сындағы фазааралық әсерлесу қанша жоғары болса, s_қ.с фазааралық кернеулік сонша төмен болады – деген маңызды қорытынды шығады. Бұл тұжырымның физикалық мазмұны мынада, бос энергия - әсерлесу күшінің жұмысы есебінен төмендейді.

(2.7) және (2.12) теңдеулердегі адгезия жұмысы үшін төмендегі теңдеуді аламыз

W_a = s_с.г. (1+ ). (2.13)

(2.13) теңдеудің мәліметтерін қолдана отырып, s_с.г. және экспе-рименттік өлшенген мәндері негізінде W_a мәнін есептеуге болады. Ол адгезия жоғары болған сайын, , яғни жұғу жоғары болатындығын көрсетеді. Осыған сәйкес фазааралық әсерлесу күштері (адгезиялық күштер) тамшының ағып кетуіне қарсы тұра отырып, оны жарты сфераға дейін созуға тырысады, себебі W_с пропорционал болған (2.6) теңдеу бөлімінің өсуімен, абсолютті мәні азаяды.

(2.13) теңдеу жұғу жағдайын – жұмыс терминінде бейнелеуге мүмкіндік береді. (2.11) теңдеуді ескере отырып мынаны табамыз:

W_a > 0,5 W_c . (2.14)

Толық жұқпау жағдайы үшін ( , ) (2.13) теңдеуден W_a = 0 тең екенін анықтаймыз.

W_a = 0,5 W_c және W_a > W_c болған жағдайда жайылу шекарасыз болады, себебі (2.7) теңдеуге және s_қ.г. > s_қ.с. + s_c.г. сәйкес (2.4-сурет).

W_a = W_c айырмашылығы жайылу коэффициенті деп аталады. W_a > W_c жағдайы (2.12) теңдеуге сәйкес W_a £ W_c болғандықтан, оған қайшы келеді. Теңдеу Юнг заңы сияқты тепе-теңдік жағдайымен шекараланған, ал шекара-сыз жайылу тепе-теңсіздік күйі болып табылады, олар үшін (2.7) және (2.13) теңдеулерді қолдануға болмайды.

(2.11) және (2.13) теңдеулері ең болмағанда сапалық, фазалар табиғатымен, олардың полярлығымен байланыстыруға болатын W_a және W_c параметрлері мәндерінің негізінде ізделініп отырған q мәнін болжауға мүмкіндік береді.

Мәселен су, құрамында ионы бар немесе иондарды гидратация үрдісі кезінде түзетін шыныға, алюмосиликаттарға, ионды кристалды және басқа полярлы беттерге жақсы жұғады. Бұл жағдайда (W_a) ион-дипольді әсерлесу (W_c) диполь-дипольді әсерлесуден артық. Сонымен бірге, су парафин және басқа полярсыз заттарға жұқпайды, себебі өте полярлысұйықтық су үшін W_c мәні елеулі дәрежеде жоғары. s_c.г. және W_c мәндері төмен болған гептан, этил спирті, бензол және басқа сұйықтар кез келген қатты беттерге жұғады. Керісінше, сынап (s_c.г = 485 эрг/см²), негізінен, кейбір металдардан басқа қатты беттерге жұқпайды.

Осыған сәйкес шеттік бұрыштың мәнін бағалау және осы мәнді басқару мақсатында, оны бірқатар көлемдік фаза қасиеттерімен байланыстыру, құрылыс материалдары бетін гидрофобтау процесі үшін маңызы ерекше. Жұғудың тепе-теңдік шеттік бұрышын білу капиллярлы-кеуекті денелердегі сұйықтың өзін тұтуын анықтауда көмектеседі, оларға көптеген құрылыс материалдары, мәселен, автоклавты ұялы бетон жатады.

Ғылыми-техникалық әдебиеттерді талдау ең алдымен жұғу теориясын түсіндіретін ең маңызды тәжірибелік факторларға қатысты мынадай қорытындыларды жасауға мүмкіндік береді:

– жұғу қасиетінің талғамдық ерекшелігі бар. Мәселен, егер дененің бетіне бір сұйық жұғатын болса, кейбір басқа сұйықтармен жанасқанда ол жұқ-пайды;

– қатты дененің бетіне сұйықтың жұғу дәрежесі қатты дененің де, сұйықтың да табиғатына тәуелді. Мәселен, нақты осы бетке әртүрлі сұйықтар әртүрлі күшпен жұғады немесе, керісінше, әртүрлі беттерге бір ғана сұйықтық әртүрлі күшпен жұғады.

Сұйықтықтың қатты денеге жұғу дәрежесін сипаттау үшін, қатты дене мен сұйықтықтың табиғатын ескеретін параметрлерді байланыстыратын теңдеу шығару қажет. Қатты денеге сұйықтың жұғуының термодинамикалық теориясы мүмкіндіктері аймағында, бұл мәселені мына теңдеу көмегімен шешуге әрекет етуде:

= (s_қ.г – s_қ.с.)/ s_c.г. = В. (2.15)

Бұл теңдеу q жұғу бұрыштарын қатты дене - газ (s_қ.г.), қатты дене - сұйық (s_қ.с), сұйық-газ (s_c.г.) шекараларындағы беттік кернеуліктермен байланыс-тырады (2.2б-сурет).

(2.15) теңдеуден шығатын қорытындыларға сәйкес су жанасу кезінде ойыс бет түзетін, яғни шеттік бұрышы 90⁰ аз ( >0) қатты денелер негізінен жұғатын немесе гидрофильді (2.2а-сурет); кері жағдайда (дөңес бет q>90⁰, <0) жұқпайтын немесе гидрофобты деп есептеледі. Соған сәйкес жұғу шамасы +1-ден (q = 0⁰ болғанда) –1 дейін (q = 180⁰ болғанда) өзгеруі мүмкін.

, (2.16)

мұндағы В жұғу шамасы.

Жұғудың физика-химиялық табиғатын терең түсіну үшін, s_қ.г., s_қ.с., s_c.г. беттік кернеулердің қатты дене мен сұйықтықтың табиғатын ескеруге мүмкіндік беретін параметрлерге тәуелділігін нақтылай отырып, (2.15) және (2.16) теңдеулердің физикалық мазмұнын ашу қажеттілігі туады.

Алтаев Н.К. өз еңбегінде көрсеткендей бұл параметрлер адгезия энергиясы және когезия энергиясы болуы тиіс.

Бұл мәселені шешу кезінде термодинамикалық теорияға жақындауда Гиббстің адсорбциялық теңдеуіне сүйену қажет:

. (2.17)

Өз кезегінде бұл теңдеуді мына типтегі термодинамикалық теңдеуден алуға болады:

, (2.18)

мұндағы: U – беттік фазаның ішкі энергиясы;

S – беттік фазаның энтропиясы;

V – оның көлемі;

және ̀σ – химиялық және беттік жұмыс.

Электрондық потенциал үшін Нернст формуласын және бірқатар жеңілдететін мүмкіндіктерді ескере отырып (2.16) теңдеуді былай өзгертуге болады:

, (2.19)

мұндағы: s – фазааралық кернеулік;

Г – i түріндегі беттік артықша ион;

m және d – электрохимиялық және химиялық потенциал;

q – беттік заряд;

Е – салыстырмалы электродқа қарсы потенциал.

Е-нің астындағы индекс электродтың анион немесе катионмен салыстыр-ғанда қайтымды екенін көрсетеді.

Осыдан түйіспелі дифференциалдау арқылы жеке теңдеулер алуға болады:

; (2.20)

; (2.21)

; (2.22)

; (2.23)

Мұндағы m – электролиттің химиялық потенциалы.

Осы қатынастар зарядталмаған бөлшектер үшін де орынды, ондай жағдайда -ні, Е-ге ауыстыруға болады.

Талдау осы теңдеулердің мүмкіншіліктері негізінде Е потенциалы мен Г түріндегі ионның беттік артық мөлшерінің бір-біріне тәуелділігін алуға болатындығын көрсетті. Бірақ, олардың дәлдігі жоғары емес, яғни, тәжірибе кезіндегі нәтиже күтілетін нәтижеден біршама ауытқиды. Бұл өз кезегінде сұйықтық молекулалары арасындағы адгезия жабысу энергиясы мен когезия ұстасу энергиясын сипаттайтын параметрлерді толық ескеруге мүмкіндік бермейді.

(2.15) формулаға сәйкес сұйықтықтың қатты денеге адгезиясы мен сұйықтықтың өзінің когезиясының қатынасы арқылы қатты денеге сұйықтықтың жұғу мүмкіндігін анықтауға болады. Осыған сәйкес қатты денеге сұйықтықтың жұғуы сұйықтықтың қатты дене бетіне жабысу күші мен сұйықтық молекулаларының өзара ұстасу күшінің арақатынасына тәуелді. Тағы да, физикалық көзқарас тұрғысынан алғанда жабысу энергиясы көп болған сайын, жұғу да жоғары болады.

Жұғудың табиғатын терең түсіну үшін, ең алдымен жабысу энергиясы мен ұстасу энергиясын сипаттайтын параметрлер кіретін теңдеу алынуы қажет. Мәселенің бұл бөлігін шешуді, мына түрдегі теңдеуді талдаудан бастаймыз:

. (2.24)

Бұл теңдеу Н.К. Алтаевтың еңбегінде химиялық еру теориясының негізгі физика-химиялық теңдеуі ретінде түсіндіріледі. П. Делехейдің мәліметтеріне сәйкес бұл теңдеу, химиялық еру мен химиялық реакция кинетикасы арасында терең ұқсастық бар деген ұсыныс негізінде шығарылған.

Осылайша химиялық реакциялардағы Е белсендіру энергиясының пара-метрі шамасы, АА және ВВ молекулаларының әрекеттесу кезінде үзілетін байланыс энергиясына пропорционал болса, онда химиялық еру реакцияла-рында, оның өзі басқа жүйемен жанасқанда еритін сол жүйенің түзілу энергиясына пропорционал шама болып табылады. Сұйықтықтың қатты денемен әрекеттесуі кезінде DН, Е_с және Е_т шамаларының арақатынасына сәйкес сұйықтық немесе қатты зат еруі мүмкін. Сұйықтықтың қатты дене бетінде адсорбциялануының салдары ретінде, DН адсорбциялану жылуы шамасы өте жоғары болып, төмендегі жағдай орындалғанда ғана, ол еруі мүмкін:

Е <<DН (2.25)

немесе E £ DН. (2.26)

Егер мына жағдай орындалса,

E > DН (2.27)

немесе Е ³ DН, (2.28)

онда біз, кейде бұл әрекеттесудің шамасы едәуір жоғары болса да, сұйықтықтың қатты дене бетімен әрекеттесуі салдарынан ерімейтін жүйелермен істес боламыз.

(2.24) теңдеуді қатты денеге сұйықтықтың жұғу табиғатын түсіндіру үшін қолдана отырып, теңдеудегі Е параметрін сұйықтық молекулаларының өзара ұстасу энергиясы, ал DН параметрін сұйықтықтың қатты дене бетіне жабысу энергиясы ретінде қарау қажет екендігін ескеру керек.

(2.13) теңдеудегі мәселеге осындай көзқарас негізінде, мына теңдеуді аламыз:

. (2.29)

W параметрін осы сұйықтыққа қатысты, қатты денеге сұйықтықтың жұғуы немесе жұқпауының физика-химиялық көрсеткіші ретінде қарастыруға болады. Е сұйықтық молекуласының ұстасу энергиясы, DН жабысу энергиясынан көп болғанда, қатты денеге сұйықтық жұқпайды. Керісінше, Е сұйықтық молекуларының ұстасу энергиясы, DН жабысу энергиясынан (адсорбция) кем болса, онда қатты денеге сұйықтық жұғады және де оның шамасы DН мәні жоғары болған сайын артады.

Волькенштейн мына түрдегі:

(2.30)

символдық қатынасын талдау мысалында (2.28) теңдеуін, химиялық кинетиканың мәселелерінің жаңа көзқарастарына жауап беретін теңдеу ретінде алды. Бұл теңдеудегі К – реакция жылдамдығының тұрақтылығы; Е – белсендіру энергиясы; DН және DS – реакцияның жылуы және энтропиясы; n_A және n⁰ – адсорбцияланушы реагенттің және белсенді орталықтың концентрациясы; – беттің бірлігіндегі адсорбцияланған бөлшектердің концентрациясы; n_A – реакция өнімдерінің концентрациясы.

Волькенштейн (2.29) теңдеуді, қатты дененің бетіне адсорбциялану салдары ретінде әрекеттесуші жүйелердің компоненттері еруші газ бен сұйықтық немесе газ және сұйықтық молекулаларымен әрекеттесу салдары ретінде еритін қатты зат болатын жағдай үшін талдады. Сонымен бірге, Е белсендіру энергиясының физикалық мазмұны, адсорбциялану салдары ретінде еритін белгілі жүйенің байланыс энергиясымен байланыста түсіндірілді. Бірақ, негізінен DН адсорбциялану энергиясының шамасы сұйықтықтың еруі үшін жеткілікті болмауынан қатты дененің бетіне адсорбциялану нәтижесінде сұйықтық молекулалары ерімейді. Бұл Е белсендіру энергиясының шамасы осы жағдайда сұйықтық молекулалары арасындағы байланыс энергиясы, DН адсорбция энергиясынан жоғары болған жағдайда ғана болуы мүмкін.

Біздің жағдайда сұйықтық қатты дененің бетіне тек жұғады, бірақ ерімейді деп болжауға негіз бар.

Нақты осы жағдайды ескере отырып Волькенштейн (2.29) түріндегі теңдеуді тек қана: таза қатты дене және таза сұйықтық жүйелері үшін жұғу құбылысының физика-химиялық табиғатын түсіндіру үшін қолданған. Оған қоса DН адсорбция энергиясы жоғары болған сайын, жұғу дәрежесі де жоғары болатындығы көрсетілген. Бірақ та практикада қатты дене де, сұйық заттың да құрамы күрделі болатын жағдай жиі кездеседі. Бұл жағдайда әртүрлі қоспалар концентрациясының әсерінен көрсетілген заңдылық орындалмайды. Қоспалардың концентрациясы мен табиғатына байланысты, қатты денеге сұйықтықтың жұғу дәрежесі әртүрлі болады деген болжам бар. Ол жағдайда (q) жұғу бұрышы мына теңдеумен анықталады:

= (s_қ.г. – s_қ.с.)/ s_c.г. (2.31)

Ф.Ф. Волькенштейн сұйықтықтағы қоспалардың концентрациясы мен та-биғатына байланысты, мәні түрлі қоспалар үшін әртүрлі болатындығын дәлелдейді. Осы фактыны түсіндіру үшін физикалық химия негізінде, (2.28) теңдеу қоспалы жүйелер үшін жарытылуы тиіс. Бұл мәселені шешу үшін алдымен мына теңдеуді талдауға сүйенеміз:

. (2.32)

Бұл теңдеу Н.К. Алтаев еңбектерінде мына түрдегі (2.30) символдық теңдеуді талдау нәтижесінде реагенттердің екеуі де акцептор немесе донор болған жағдай үшін шығарылған (2.5-сурет).

Мұндағы: DН₁ және DS₁ – сұйық адсорбцияның жылуы және энтропиясы;

DН₂ және DS₂ – сұйықта қоспа молекулалары бар кездегі адсорбция жылуы және энтропиясы.

, (2.33)

Сондықтан, қоспалардың қатысуында сұйықтық адсорбциясының энергиясы негізінен, енді қатты дене бетіндегі белсенді орталықтар қоспа молекулаларымен толтырылғаны есебінен төмендейді. Бұл теория көзқарастарына сәйкес, бұл жағдайда адсорбция, Ферми деңгейі сәйкес сұйықтықтар мен қоспа молекулаларының жергілікті деңгейлері арасынан орын алмағанға дейін жүреді.

Иондану L j энергиясы Шығу жұмысы Жоғары Ферми толтырылған деңгейі деңгей Адсорбат Бетон а – қатты денеге қатысты сұйық донор болған жағдай;

Электронға ұқсастық Толтырылмаған Ферми деңгей деңгейі Толтырылған деңгей б – қатты денеге қатысты сұйық акцептор болған жағдай;

2.5 сурет – Әсерлесудің акцепторлы-донорлы сызбасы

Алдын таза күйінде жұғу қасиеттеріне ие болған сұйықтық, оған қоспа қосу нәтижесінде (2.30) теңдеу мүмкіншіліктері және 2.5-суреттегі сәйкес модуль негізінде, аз жұғатын немесе тіпті жұқпайтын сұйықтыққа айналуы мүмкін екендігі белгілі. Бұл қоспа молекулалары сұйықтыққа қарағанда жоғары дәрежеде акцептор болған жағдайда, соған сәйкес қатты дене бетіндегі белсенді орталықтарды негізінен қоспа молекулалары жаулап алып, соның есебінен судың адсорбцияланған молекулаларын ығыстыратын жағдайда болуы мүмкін.

2.5б-суретте көрсетілген жағдай, қатты денемен салыстырғанда сұйықтық акцептор, ал қоспа молекулалары донор болған жағдайға сәйкес келеді. Шекаралық қабат теориясының мүмкіндіктері шеңберінде орнатылған көзқарасқа сәйкес, мұндай жағдайда фазалар шекарасындағы адсорбция үрдісі, Ферми деңгейі осы екі жергілікті деңгейлердің арасынан орын алмағанша жүреді. Сондықтан мұндай жағдайда қоспалар адсорбциясы сұйықтықтың адсорбция энергиясын жоғарылатады деп ұйғаруға негіз бар және де қатты дененің бетіне қатысты оның донорлық қасиеттері айқын байқалған сайын ол жоғары болады.