Некоторые понятия из физической химии. Глинистые минералы. Коллоидные частицы грунта
В течение последнего десятилетия был достигнут быстрый прогресс в нашем понимании структуры вещества. Эти исследования продолжаются и еще далеки до своего завершения.
Атомы, или мельчайшие частички любого известного нам химического элемента, в современном понимании имеют планетарное строение. Они являются наименьшими частицами, обладающими определенными химическими характеристиками.
Вокруг ядра атома вращаются отрицательно заряженные частицы, называемые электронами. Электрические и магнитные силы притяжения между электронами и ядром уравновешиваются центробежной силой электронов. Любая химическая реакция состоит в обмене электронов между атомами или в их объединении.
Химически связанные атомы образуют молекулы, которые представляют собой наименьшие неделимые частицы нового соединения. Атомы молекулы прочно взаимосвязаны электрохимическими связями, образованными путем обмена или объединения электронов. Некоторые молекулы являются диполями, т. е. они действуют так, как будто они на своих противоположных концах имеют обратные по знаку электрические заряды. Вода является диполем, а керосин нет.
Притяжение между молекулами жидкости проявляется в результате поверхностного натяжения. Оно очень заметно у воды (благодаря ее диполярной природе). Капиллярность, которая оказывает значительное влияние на усадку, сцепление и на многие другие важные с инженерной точки зрения свойства, является результатом поверхностного натяжения воды. Поверхностное натяжение вызывается направленной вниз тянущей силой, возникающей в результате притяжения поверхностных молекул примыкающими к ним и нижележащими молекулами.
Изучение глин с помощью рентгеновских лучей показало, что они состоят из предельно малых кристаллов, несмотря на аморфный внешний вид самой глинистой массы. Таким образом, было установлено существование по меньшей мере двух определенных предельных типов минералов глины — каолинита и монтмориллонита, а также некоторых их промежуточных типов. Было обнаружено, что каолинит имеет весьма жесткую кристаллическую структуру, в то время как монтмориллонит может расширяться под влиянием воды, проникающей в зоны между пластинами кристаллов, обусловливающими пачкообразное его строение. Такая особенность гармоникообразного строения бентонитовых глин, представленных преимущественно глинистыми минералами монтмориллонитового типа, объясняет их резко выраженную способность к набуханию.
Диаметр ядра атома имеет порядок 10в-11 мм. Диаметр атома равен 10в-7 мм = 1 А (1 ангстрем). Следовательно, диаметр атома равен приблизительно 0,1 м μ (миллимикрон), или 10в-4 μ. Таким образом, атомы все еще слишком малы, чтобы увидеть их даже в электронный микроскоп, предел видимости которого около 5 м μ. Полагают, что в истинном растворе находятся частицы меньше 1 м μ.
Электронный микроскоп имеет в 20—50 раз большую разрешающую способность, чем обычный. Однако существуют некоторые ограничения его использования. Образцы исследуются в вакууме, при этом происходит испарение всей пленочной влаги. На светящемся экране изображение кажется темным, а промежутки — яркими. Сведения, касающиеся третьего измерения, иногда могут быть получены при испытании весьма тонких образцов по различию в интенсивности изображений.
Химики называют частицы размером больше 1 м μ, но меньше 0,2 μ (или (200 м μ) коллоидами, а их растворы коллоидными растворами. Верхний предел отвечает разрешающей способности наилучших оптических микроскопов.
В инженерной практике частицы меньше 1 μ (0,001 мм) определяются как коллоидная глина. Частицы меньшего размера не могут быть точно определены методами отмучивания, так как при размерах частиц меньше 0,001 мм скорость осаждения крайне мала. Частицы размером меньше 0,2 μ (0,0002 мм) вообще не осаждаются и способны оставаться в состоянии суспензии неопределенно долгое время.
Частицы коллоидных растворов (или золей) так малы, что их нельзя увидеть невооруженным глазом. Они испытывают быстрое беспорядочное перемещение, называемое броуновским движением. Это перемещение вызывается ударами молекул жидкости, в которой рассеяны коллоидные частицы. Приобретенные в результате этого скорости перемещения частиц оказываются достаточными, чтобы предупредить их осаждение. Другой характерный признак коллоидов заключается в том, что все частицы несут электрический заряд одного знака. Поэтому предупреждается возможность притяжения частиц друг к другу. Заряд частиц большинства дисперсных грунтов отрицателен.
Добавляя к коллоидному раствору электролит, т. е. химический раствор некоторых ионов, которые имеют противоположный коллоидным частицам заряд, заряд частиц может быть нейтрализован. Коллоидные частицы тогда флокулируют или коагулируют и слипаются друг с другом, образуя намного большие зерна, которые затем быстро осаждаются.
Это обстоятельство имеет некоторое практическое значение. Так, добавление электролитов к воде в отстойниках систем водоснабжения ускоряет осветление мутной воды.
С точно таким же явлением можно встретиться во время испытания на отмучивание в лаборатории в тех случаях, когда испытываемый грунт содержит соли, способные образовывать электролит. Это крайне нежелательно, так как диаметр зерен, полученный при испытании, не будет соответствовать действительному диаметру частиц и будет отвечать значительно большему диаметру коагулированных частиц, состоящих из сотообразных хлопьев. В этом случае используются другие химические растворы, оказывающие противоположное действие, так называемые диспергаторы, или стабилизаторы.
Наличие растворенных солей в морской воде обусловливает ее прозрачность. Наличие или отсутствие таких солей в ощутимых количествах в воде рек обычно объясняет, почему вода в некоторых реках совершенно прозрачная, а в других мутная.