Сила разуплотнения поверхностного слоя воды и ее роль в геологических процессах (стр. 20 )

Известно, что в твердых веществах передача тепла произво­дится быстрее, чем в газах и жидкостях. Это обусловлено тем, что если в газах и жидкостях ускорение атомов передается хаотически сразу во множестве направлений и только потом, когда в процессе многочисленных соударений молекул определится общее направ­ление в сторону меньшей температуры, начнется движение фронта нагревания, то в твердых веществах эти колебания пере­даются по прямой от атома к атому по кристаллической решетке.

Такая взаимообусловленность колебаний атомов позволяет предполагать, что они осуществляются путем то сближения, то удаления друг от друга, но в среднем колеблясь около узлов кри­сталлической решетки. Вероятно, это сближение не приводит к взаимному соударению атомов, но, по-видимому,  эффект от него близок к этому процессу, так как по мере сближения атомов все более возрастает сила отталкивания их друг от друга. Причем их прямому соударению препятствуют силы притяжения этих атомов со стороны других атомов в соседних узлах кристаллической ре­шетки.

Если атомы совершают колебания около узлов решетки и эти колебания взаимообусловлены с соседними атомами, значит, воз­можны флюктуации амплитуды в этих колебаниях, т. е. случайные отклонения в сторону то больших, то меньших амплитуд. Но бла­годаря случайностям несколько соседних атомов в одном ряду мо­гут совершить колебания в одну сторону: первый отклонится в сто­рону второго, тот, получив от него энергию, также отклонится в этом же направлении, увеличив амплитуду колебания, третий вследствие более сильного импульса еще более увеличит эту ам­плитуду и т. д. Следовательно, среди всей массы атомов ампли­туда колебаний различна. Амплитуда колебания некоторых ато­мов, получивших по цепочке большую энергию, большая, хотя при этом они не уходят из узлов кристаллической решетки.

Подобным образом это осуществляется и в жидкости, что описано в ряде классических работ. Некоторые молекулы, после серии соударений с соседними молекулами в одном направлении, разгоняются до  повышенных скоростей и делают скачок сквозь жидкость на расстояние, пропорциональное полученной ими энер­гии: как бы «прострел» сквозь жидкость.

А что же происходит с атомами в твердом теле, когда они ока­зываются на поверхности, например, при появлении трещины? Ко­лебания атомов в сторону поверхности ограничены только силой притяжения соседних атомов. Следовательно, атомы отклоняются в эту сторону с амплитудой, которую им позволяют делать их флюктуирующие колебания, т. е. атомы, получившие большую энергию колебания, отклоняются сильнее, а получившие меньшую энергию, отклоняются на ту же величину, что и в среднем в глу­бине твердого тела. Поэтому на поверхности в целом должно су­ществовать разуплотнение атомов за счет различий в величине их теплового колебания в сторону поверхности и возможности атомов свободно и с большей амплитудой проявить ее.

Подобное было описано выше для жидкостей: молекулы воды, обладающие наибольшей энергией движения и делающие скачки в жидкости, совершают такие же скачки и на поверхности в сторону газовой фазы, кратковременно подскакивая над поверхно­стью и возвращаясь назад, но тем самым уже создавая разуплот­нение поверхностного слоя воды.

В твердом теле это разуплотнение, так же как и в жидкости, должно создаваться мгновенно при появлении новой поверхности и с большой силой температурного расширения. Толщина этого разуплотненного поверхностного слоя не превышает нескольких диаметров атомов. Значит, здесь, как и в жидкостях и газах, должна существовать сила разуплотнения поверхностного слоя – СРПС, или точнее Т-СРПС.

Пока у меня самые общие представления о СРПС в твердых телах, логически вытекающие из идей о существовании СРПС в жидких и газовых средах.

Только в самом общем виде я могу сделать некоторые выска­зывания и о ее роли в природных явлениях. Например, СРПС дей­ствует при зарождении трещин и раскалывании твердых тел вдоль них, интенсифицируя эти процессы. Как только в определенном участке твердого тела появляются механические усилия, доста­точные, чтобы организовать микротрещины, поверхностный слой стенок трещины мгновенно разуплотняется и увеличивается в объеме, создавая давление в самом острие трещины. Это застав­ляет стенки раздвигаться дальше, усиливая процесс трещинооб­разования. Особенно это хорошо видно в хрупких веществах, на­пример, в стеклах, когда достаточно слабого удара и субмикроско­пической трещины, чтобы раскололось сразу все стекло. В случае же более вязких веществ в новообразующихся трещинах давле­ние, создаваемое силой разуплотнения, гасится силами вязкости, и это не способствует раскалыванию материала.

В твердых веществах известны поверхностные явления в виде ускоренной диффузии веществ по их поверхности, что имеет большое значение в технике при решении проблемы высокотем­пературного спекания порошков, механизма роста и испарения кристаллов, залечивания поверхности дефектов радиационного происхождения, стабильности характеристик микроэлектронных схем и элементов вычислительных устройств, долговечности и стабильности формы полевых эмиттеров, взаимодействия свобод­ной поверхности кристалла с неинертной атмосферой и т. д. (Гегу­зин и др.; 1984, Каур и др., 1991; Поут, 1982).

По-моему мнению, здесь ускорение диффузии веществ вдоль поверхности обусловлено существованием разуплотненного по­верхностного слоя, который способствует более свободной мигра­ции атомов диффузионных веществ, поскольку последние встре­чают меньше препятствий для движения, чем в глубине тела.

Разуплотненный слой может способствовать также увеличе­нию потока электронов вдоль него в проводниках, что происходит в некоторых случаях, сопровождаясь большей плотностью электри­ческого тока в приповерхностной зоне проводника. Он также может содействовать возникновению сверхпроводимости. По моему мне­нию, решающую роль в возникновении сверхпроводимости играет СРПС электронов, как газа или жидкости, текущей на поверхности проводника. Но здесь может оказывать определенное влияние также и разуплотнение твердой поверхности самого проводника, когда потоку электронов меньше препятствуют реже встречаю­щиеся на его пути атомы кристаллической решетки.

В целом, действию СРПС в твердых телах я уделил значи­тельно меньше внимания, чем СРПС в жидкостях, так как она имеет большее значение в технике, чем в природных явлениях, в отношении которых мне как геологу было интереснее проводить исследования, особенно водных сред. Поэтому дальнейшее изу­чение СРПС в твердых веществах я оставляю специалистам по техническим наукам.

Глава 2. ОСМОТИЧЕСКАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ СИЛЫ РАЗУПЛОТНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ВОДЫ – О-СРПС

2.1. Существующие представления о диффузном или нерастворяющем слое связанной воды в контакте с твердыми веществами

Как видно из приведенного выше определения СРПС, ее ос­мотическая составляющая создается растворенными в жидкости молекулами, концентрация которых в поверхностном слое умень­шается с силой осмотического давления в период увеличения по­верхности жидкости при растекании. Тот факт, что в растворах концентрация снижается в контакте с твердыми веществами, был известен давно. Поэтому поверхностный слой называли диффуз­ным или нерастворяющим слоем. Наиболее обстоятельно эти представления разработаны и экспериментально подтверждены (1937, 1960) и его школой. Сущность нераство­ряющих свойств этого слоя заключается в том, что в контакте с твердыми веществами и коллоидными частицами, обладающими гидрофильными свойствами (т. е. хорошей смачиваемостью), в этом слое наблюдается уменьшение концентрации растворенных в воде веществ по направлению к границе фаз. Гидрофильными свойствами обладают большинство горных пород и минералов в земной коре и все биологические молекулы и клетки растений и живых организмов. Поэтому данное свойство проявляется почти повсеместно в природе.

По-видимому, впервые это свойство было обнаружено в прак­тике сахарного производства, когда оказалось, что концентрация сахара в чистом растворе над объемными осадками с коллоидной массой сахарной рапы выше, чем в этих осадках. При определении содержания сахара на это всегда делалась поправка. С начала 19-го в. рядом исследователей проводились эксперименты по опреде­лению толщины диффузного слоя и количества связанной воды. для этих целей предложил простой и надежный способ: к коллоидному раствору добавляется навеска раствора, так называемого индикатора, т. е. какого-либо индифферентного рас­творенного вещества известной концентрации, и после отфильтро­вывания коллоида определяется концентрация индикатора в интер­мицеллярном растворе. Вычисление количества нерастворяющего объема связанной воды производится по соответствующим форму­лам. Было показано, что толщина диффузного слоя уменьшается при возрастании концентрации индикатора в объеме раствора.

Существование пониженной концентрации растворенных ве­ществ в контакте воды с минералами горных пород, т. е. диффуз­ного слоя, экспериментально установлено (1965), (1971) и рядом других исследователей, показав­ших, что при сдавливании под прессом рыхлых пород (глин, илов) концентрация содержавшихся в них солей все более уменьшается в последовательно отжимаемых под все большим давлением пор­циях раствора.

Думанский считал, что причиной формирования диффузного слоя являются возрастание степени ориентированности диполей воды по мере приближения к твердому телу и электростатические силы притяжения заряженных частиц, когда сам этот слой приоб­ретает свойства «квазитвердого тела», названного им лиосферой. В своей ранней работе (1937) он говорил, что связанная вода яв­ляется динамической системой и это делает возможным проник­новение в нее растворенных в интермицеллярной жидкости моле­кул и их адсорбцию. Позднее (1960) отмечал, что «наличие свя­занной воды в порах мембран – одна из причин непроходимости для молекул растворенных веществ, для которых связанная вода не является растворителем» (с. 38), т. е. он считал, что связанная вода является как бы барьером, не пропускающим растворенные молекулы через него. В целом подобных представлений придер­живался Дерягин (1939), говоря о квазиархимедовом эффекте вы­талкивания растворенных молекул из диффузного слоя.