Тема 8. Фізико-хімічні властивості

1.Класифікація фізико-хімічних властивостей

До фізико-хімічних відносяться властивості, прояв яких супроводжується фізичними й хімічними явищами умов середовища. Найважливішими фізико-хімічними властивостями є сорбційні властивості, що характеризують водопро- никність, паропроникність, повітропроникність і ін..

Від фізико-хімічних властивостей залежить призначення й поводження матеріалів у різних умовах виробництва й експлуатації.

Сорбційні властивості. Матеріал, що поглинає гази, воду, а також розчинені у ньому речовини, називається адсорбентом, а речовина, що поглинається - адсорбатом. Процес, зворотний - десорбція. Види сорбцій, що зустрічаються в природі діляться на адсорбцію й абсорбцію. Адсорбцією називається процес поглинання речовини поверхнею, включаючи пори й тріщини твердого тіла. Абсорбція - це процес поглинання речовини за рахунок його дифузії. Ці процеси супроводжуються утворенням у капілярах води й хімічних сполук. В останньому випадку процес називається хемосорбцією.

Процеси сорбції протікають при фарбуванні волокон, тканин, трикотажу. Вони лежать в основі очищення вод, масел і газів від домішок, посвітління розчинів, а також використаються в хроматографії.

Для характеристики матеріалів, готових виробів важливо знати не тільки яка кількість газу, пари, розчинених речовин поглинається даним адсорбентом у різних умовах зовнішнього середовища, але й головне, як впливає поглинання речовини на властивості абсорбенту. Найбільше практичне значення має абсорбція вологи матеріалами. Зміна вмісту вологи в таких матеріалах, як деревина, шкіра, текстильні вироби, деякі пластичні маси й ін. призводить до зміни їхнього об'єму, ваги, міцності, пластичності, теплопровідності й ін. Зі збільшенням вмісту вологи в органічних матеріалах знижується їхня протигнильна стійкість, тому що гнильні процеси у вологому матеріалі розвиваються більш інтенсивно.

Механізм сорбції детальніше вивчається в курсах фізичної й колоїдної хімії. Основними факторами, що впливають на величину адсорбції, є природа компонентів, концентрація адсорбованої речовини й температури.

Залежність величини адсорбції (а) від рівноважної концентрації (с) газу або розчиненої речовини при певній температурі (т) виражається кривими, які називаються ізотермами адсорбції. При певному значенні концентрації адсорбованої речовини досягається гранична величина адсорбції. Адсорбція тим вище, чим більш питома поверхня адсорбенту. Однак при великій питомій поверхні абсорбенту адсорбція може не відбутися або відбутися в невеликих кількостях, якщо розміри молекул абсорбата більше діаметра пор адсорбенту. З підвищенням температури адсорбція зменшується до певних рівнів. Крива ізотерми може бути виражена рівняннями х/м=кс^1/n де х/м – кількість адсорбованої речовини, с – кінцева концентрація адсорбата, до,,1/n – постійного.

Ізотерми адсорбції добре співпадають з даними дослідів з розведеними розчинами, але не дають уявлення про межу адсорбції, тобто повне насичення поверхні.

Поглинання адсорбованої речовини завжди супроводжується виділенням тепла, а десорбція, навпаки, поглинанням тепла.

Адсорбція вологи. Тому що повітря практично завжди містить вологу, то явище сорбції матеріалами відбувається завжди. Вологість повітря характеризується різними величинами. Найпоширенішими характеристиками є: абсолютна й відносна вологість. Під абсолютною вологістю розуміють масу водяної пари в одиниці об'єму (г/см³) або тиск водяної пари в мм. рт. стовпа. При одній і тій же абсолютній вологості повітря може бути вологим або сухим залежно від температури (сухіше, при більш високій температурі), чим вище температура, тим більша кількість пари може перебувати в повітрі. Якщо абсолютна вологість досягає максимально можливої величини при даній температурі, то повітря стане насиченою водяною парою. Так, при температурі 0^о абсолютна вологість насиченого повітря становить 4,84 г/м³, при 10^про – 4,38 г/м³, а при 25^про – 22,8 г/м³. Відношення вмісту пари води в одиниці об'єму повітря до максимально можливого при даній температурі називається відносною вологістю повітря. Під відносною вологістю розуміють відношення тиску водяних парів, що втримуються в повітрі, до тиску водяних парів, що насичують цей об'єм при тій же температурі. Виражають відносну вологість повітря у відсотках. Середня відносна вологість кімнатного повітря звичайно дорівнює 60%. Про ступінь насичення повітря водяною парою можна також судити по точці роси, тобто по температурі, до якої необхідно остудити повітря, не міняючи вмісту вологи, щоб воно досягло стану насичення. При крапці роси відбувається утворення крапельок води. Кількість адсорбованої вологи, що втримується в матеріалі, залежить від виду матеріалу , відносної вологості й температури повітря.

Зі збільшенням відносної вологості повітря при Т=const кількість адсорбованої вологи зростає.

При підвищенні температури й постійній відносній вологості кількість адсорбованої вологи зменшується й ізотерма абсорбенту розташовується нижче. При зниженні температури - навпаки.

Криві адсорбції при збільшенні φ і зменшенні (зневоднюванні) не збігаються між собою.

Для визначення гігроскопічності матеріалу необхідно знайти значення вологості при обводнюванні й зневоднюванні й взяти їх середнє значення. Для визначення максимальної гігроскопічності, матеріал витримують при 100% відносній вологості й температурі 20о до рівноважного з навколишнім середовищем стану.