Сила разуплотнения поверхностного слоя воды и ее роль в геологических процессах (стр. 29 )

Рис. 27. Диаграмма зависимости от­ношений площадей частей вероятно­стного контура пробега молекулы, обращенных наружу (S1) и внутрь (S2) сужающейся микропоры, от расстоя­ния (Х) в направлении к выходу из нее. Точка l (ограничивает интервал проявления микропородиффузион­ного эффекта внутри микропоры

Рис. 28. Схема механизма возникновения направленного движения молекул растворенного в жидкости вещества (кружки) к выходу из мик­ропоры, имеющей одинаковое поперечное сечение на всем протяже­нии (n – зона активного движения растворенных молекул к выходу из микропоры в ее устьевой части, где вероятностный контур имеет асимметричную конфигурацию; m – остальной объем микропоры, где диффузионный поток не способен образоваться самостоятельно вследствие симметричности вероятностного контура пробега моле­кулы)

В микропоре с субпараллельными стенками на определенном расстоянии от ее устья часть молекул отскакивает наружу микро­поры и как бы уходит в объем раствора, т. е. с этого расстояния молекулы, совершая скачок вовнутрь, отскакиваютот стенки под определенным углом и остаются внутри микропоры, а если те же молекулы направляются под таким же углом в сторону к выходу из нее, то вместо отскока вовнутрь они выходят за ее пределы и те­ряются в объеме раствора. Возникает асимметрия в движении мо­лекул, в результате чего вблизи устья микропоры как бы создается вакуум, сразу же заполняющийся молекулами, приходящими из внутренних частей микропоры. Благодаря этому должна прояв­ляться тенденция к движению молекул к выходу из микропоры, причем в том же интервале ее длины внутри и снаружи, как и в первом варианте объяснения.

Рис. 29. Второй вариант объяс­нения направленного движения молекул раствора из микропоры для случая упругого отскока мо­лекул от стенок: в клиновидной микропоре с прямоугольным се­чением (а), с остроугольным по­перечным сечением (б), в щеле­видной микропоре с субпарал­лельными стенками (в) (g – ин­тервал, где стенки оказывают направляющее действие на мо­лекулы)

Во втором варианте предполагается, что шарики-молекулы гораздо больше по размерам молекул или атомов, из которых со­стоят стенки микропоры, так же как футбольный мяч в сравнении с песчаниками, слагающими бетонные стены спортивного зала.

Можно привести простейшее экспериментальное подтвер­ждение такого движения, в определенной степени подобное дви­жению молекул в микропорах. Возьмем трубку с конусовидным или цилиндрическим внутренним сечением, заполним ее шариками для пинг-понга, и начнем трясти в направлении снизу вверх так, чтобы она при этом все время была в горизонтальном положении. За ко­роткое время из трубки с конусовидным сечением высыплются все шарики из ее расширенного конца, а из трубки с цилиндрическим сечением шарики высыпаются из обоих концов трубки. Встряхива­ние шариков имитирует хаотическое движение молекул. В резуль­тате соударения шариков со стенками трубки они приобретают на­правленное движение к выходу из трубки. Особенно наглядно это можно представить себе на примере трубки с конусовидным сече­нием, где хаотическое беспорядочное движение шариков в про­цессе соударения со стенками приобретает направленное движе­ние в сторону расширенного конца трубки, так как  каждый после­дующий отскок шарика происходит в направлении, все более при­ближающемся к выходу из микропоры (см. рис. 29). По такому же принципу осуществляется и направленное движение молекул рас­творенных веществ к выходу из микропор в этом варианте.

Правда, следует отметить, что это движение, по-видимому, обусловлено в значительной степени не симметричным отскоком молекул от стенки, а их диффузным отражением и направлением в сторону большей длины хаотического пробега до соударения с од­ноименными молекулами.

Рис. 30. Третий вариант объяс­нения направленного движения молекул из клиновидной мик­ропоры  для случая упругого отскока молекул от стенок, ко­гда размеры молекул, слагаю­щих  эти стенки (большие кружки) больше молекул рас­творенных веществ (маленькие кружки). Молекула направля­ется к стенке под прямым углом с равной вероятностью отскока

3. Третий вариант может быть предложен для обычного слу­чая, когда размеры молекул жид­кости сопоставимы с размерами молекул или атомов, слагающих стенку микропоры, или гораздо меньше их. Поэтому объяснение несколько иное, чем в двух преды­дущих вариантах. На простейшем примере (рис. 30) видно: когда ка­ждая молекула двигается перпен­дикулярно к стенке клиновидной микропоры, она обладает равной вероятностью отскочить симмет­рично под одинаковым углом как внутрь микропоры, так и наружу, предполагая, что поверхность ато­мов, слагающих стенку, является сферической. Однако, отскочив от стенки, молекула оказывается в состоянии большей вероятности направиться к противоположной стенке под таким углом, когда в обе стороны под углом, не превы­шающим угол α, а после отскока вероятность отскочить от проти­воположной стенки по направлению к выходу из микропоры больше, чем внутрь, так как максимальный угол отскока в первом случае γ больше максимального угла β во втором случае. Причем во втором случае величины поверхности шариков-молекул стенки, обращенные к выходу из микропоры (мелкие шарики – пунктир), больше поверхности, обращенной внутрь микропоры (жирные сплошные линии), поэтому здесь также выше и вероятность от­скока от каждой отдельной молекулы к выходу из микропоры сле­дующий отскок от последней будет уже в направлении к выходу из микропоры, так как этот угол отскока больше, чем угол, под кото­рым молекула будет отскакивать вовнутрь. Это происходит по­тому, что в клиновидной микропоре противоположная стенка уже как бы повернута по направлению к выходу из микропоры, способ­ствуя отскоку молекулы именно в этом направлении. Значит, и в этом случае так называемого диффузного отражения молекул от стенки будет проявляться тенденция их движения к выходу из мик­ропоры в результате отскоков от стенок. Подобным же образом может быть проанализировано движение молекул, отскакивающих под любым углом к стенке.

2.6.1.3. Содействие О-СРПС движению молекул к выходу из микропор

Самые простейшие геометрические построения вероятного пути движения молекул показывают, что они внутри микропоры в результате соударений с ее стенками должны проявлять тенден­цию к движению к выходу из микропор аналогичным способом, как это было показано выше на примере поведения молекул около ровных твердых стенок, где они стремятся удалиться от них в ре­зультате создания диффузного слоя. Иными словами, с особенно­стями теплового соударительного движения молекул связан эф­фект возникновения силы, которая заставляет их двигаться к вы­ходу из микропор. Это можно иллюстрировать рис. 31, где эта сила, действующая перпендикулярно к поверхности на каждую мо­лекулу в клиновидной микропоре, показана стрелками. Результи­рующая этих сил от двух противоположных стенок микропоры на­правлена к выходу из нее, причем она возрастает по мере прибли­жения молекулы к самому острию микропоры. Также и в микропоре с субпараллельными стенками результирующая сил в устьевой части микропоры направлена к выходу из нее и возрастает по мере уменьшения диаметра микропоры.

Эта сила (О-СРПС) действует только на молекулы растворен­ного вещества. В результате, попав случайно в микропору, они стремятся ускоренно из нее удалиться, отталкиваясь от стенок. Но внешне в виде давления на стенки микропор эта сила никак не проявляется.

Это можно подтвердить таким примером. Представим себе, что в сферическом резиновом сосуде типа воздушного шарика, заполненном жидкостью, происходит растворение вещества в цен­тре сосуда и расширение концентрационных фронтов. Когда эти фронты придут в соприкосновение со стенками сосуда, то в соот­ветствии с решеточно-пружинным механизмом диффузии в первое мгновение они должны создавать давление на стенки сосуда. Ка­залось бы, что резиновые стенки сосуда должны поддаваться этому давлению и также расширяться. Но дело в том, что это сразу же должно привести к увеличению объема жидкости в целом и, зна­чит, к увеличению расстояния между молекулами и ее разуплотне­-

Рис. 31. Направление О-СРПС, отталкивающей молекулы раствора от стенок в клиновидной (а) и щелевидной (б) микропорах: F – направление действия сил, отталкивающих молекулы непосредственно от стенок; F1, F2, F3, F4 – результирующие этих сил, направленные к выходу из микро­поры; F’ – направление промежуточной результирующей сил, действую­щих одновременно в приустьевой части микропоры как внутри, так и сна­ружи под разными углами, в данном случае – под прямым

нию, т. е. приведению в газообразное состояние. Значит, чтобы расширить сосуд, диффузионное давление молекул на стенки должно преодолеть сначала силу притяжения между молекулами в жидкости. Но, как известно, эти силы настолько огромны, что они не идут ни в какое сравнение со слабыми осмотическими силами диффузии. Поэтому диффузионный фронт не сможет реально ока­зать какого-либо давления на стенки сосуда, расширить их и про­явится таким образом. И только сам факт создания диффузного слоя у стенок сосуда и снижение концентрации растворенных ве­ществ в микропорах свидетельствуют о существовании сил диф­фузионного отталкивания молекул от стенок и давления на них. Но в данном случае не стенки отодвигаются под влиянием осмотиче­ского давления, а сам диффузионный фронт отодвигается от сте­нок, реагируя на него таким образом. Кроме того, следует отме­тить, что, когда формирование диффузного слоя завершается, раствор приходит в состояние равновесия. Решеточно-пружинн­ный механизм растворенных молекул не создает в это время дав­ления на стенки сосуда, нейтрализуясь встречным и таким же по силе давлением, которое создают на растворитель молекулы рас­творенного вещества, отталкивающиеся от стенок в пределах диффузного слоя.