Гигроскопичность
Гигроскопи́чность (от др.-греч. ὑγρός «влажный» + σκοπέω «наблюдаю») — способность некоторых веществ поглощать водяные пары из воздуха при комнатной температуре.
Влагу из воздуха поглощают разные виды веществ и технических продуктов: растворимые и нерастворимые неорганические соли, органические вещества, кристаллогидраты, окислы, технические сорбенты, полимеры, нанопорошки, ткани, продукты растительного и животного происхождения и др. Примерами гигроскопичных веществ являются: мёд, этанол, метанол, глицерин, концентрированная серная кислота, концентрированный раствор гидроксида натрия, безводный хлорид кальция, древесина, поваренная соль, сахар.
Количество поглощённой веществом влаги (гигроскопическая влажность) возрастает с увеличением относительной влажности воздуха воздуха и достигает максимума при относительной влажности 100 %.
При этом происходящие гигроскопические процессы могут быть разными: адсорбция, абсорбция, хемосорбция, капиллярная конденсация или сочетание нескольких процессов. Поэтому внешние проявления гигроскопичности тоже могут быть разные: как отсутствие таких проявлений (только увеличение веса), так и набухание материала, увлажнение вещества вплоть до образования раствора, разрушение кристалла, изменение цвета, преобразование в другое вещество и др. Хемосорбция может начинаться с индукционного периода, когда вначале никаких изменений не наблюдается, а после этого периода вещество резко преобразуется в другое вещество.
Из-за присутствия водяных паров в атмосфере, гигроскопические материалы должны храниться в запечатанных контейнерах. Для хранения гигроскопичных веществ в лаборатории можно использовать эксикатор.
Гигроскопические свойства вещества описываются зависимостью влагосодержания вещества от относительной влажности воздуха при определённой температуре (изотерма сорбции паров воды). На этой зависимости важной точкой является гигроскопическая точка: величина относительной влажности воздуха, которая соответствует конкретному образцу вещества с определённым влагосодержанием. Другими словами, такой образец, находясь при данной относительной влажности воздуха, не будет ни увлажняться, ни подсыхать.
Для того, чтобы знать, будет ли образец вещества поглощать пары воды, необходимо знать относительную влажность окружающего воздуха, которая зависит от времени суток, климата региона, сезона года. В простейшем случае скорость поглощения паров воды образцом вещества (Q, г/час) можно представить формулой:
Q = K (φ — h),
где К — коэффициент скорости поглощения паров воды (г/час/%), который зависит от многих параметров прибора, в том числе от скорости окружающего воздуха и от свойств образца вещества, φ — относительная влажность окружающего воздуха (%), h — гигроскопическая точка образца вещества (%). Если φ > h, то происходит увлажнение образца вещества, если φ < h, то образец вещества подсыхает.
Однако то, что вещество поглотило какое-то количество паров воды это не всегда неприятность. Технические продукты всегда выходят из сушилки на упаковку при некоторой рабочей влажности (Wраб), которая должна быть меньше максимально допустимой влажности (Wмакс) по техническим условиям на продукт. Увлажнение за счёт гигроскопичности продукта от Wраб до Wмакс не является процессом, вызывающим негативные проблемы с данным образцом (партией продукта). Однако дальнейшее увлажнение уже нежелательно, так как вызывает брак продукции. Например, разные материалы и соединения имеют отличающиеся гигроскопические свойства, что может привести к таким вредным эффектам как концентрация 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 гигроскопичность — 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 напряжение, которое сгибает обложку в сторону ламинирования. Аналогию можно увидеть в биметаллических пластинах.
Что важно знать
| Гигроскопичность |
|---|
Порох и взрывчатые вещества
Дымный порох обладает небольшой гигроскопичностью, поскольку его основным компонентом является нитрат калия с гигроскопической точкой 93 % отн. вл. воздуха Энергетически и экономически выгодна натриевая селитра, но из-за высокой способности поглощать влагу при влажности воздуха более 70 % (при меньшей влажности высыхает) применяется в производстве пороха ограниченно, а наибольшее применение нашла калиевая селитра с малой гигроскопичностью.
Нитроцеллюлоза, в отличие от селитр, не гигроскопична. Появление бездымного пороха на её основе ускорило развитие полуавтоматического и автоматического огнестрельного оружия, поскольку он не забивает механизмы и не меняет физических свойств при воздействии влажности. Гигроскопичность некоторых компонентов патронов, в первую очередь воспламеняющих составов капсюлей, компенсируется их высокой чувствительностью к воспламенению.
Гигроскопичность взрывчатых веществ и взрывчатых составов в значительной степени определяет сроки и условия их хранения. Особенно значительное воздействие влага оказывает на селитросодержащие промышленные взрывчатые вещества, которые могут либо потерять необходимые физические и взрывчатые характеристики, либо, наоборот, приобрести повышенную чувствительность к внешним воздействиям. Существуют водосодержащие ВВ, характеристики которых зависят от гигроскопичности и воздействия влаги в малой степени.
Строительство
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[1], 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[2], 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.