Какие физико химические свойства

К группе физико-химических свойств принято относить свойства, определяющие такие параметры состояния материалов, которые существенным образом влияют на химическую кинетику и физико-механические свойства материалов. Ряд технологических свойств, проявляющихся на физическом уровне, объясняется физико-химическими свойствами материалов.

Дисперсность – это характеристика степени измельчения материала. Дисперсность является важнейшим свойством порошкообразных материалов, таких, например, как вяжущие вещества, минеральные наполнители, пигменты. С ростом дисперсности увеличивается суммарная площадь поверхности материала. Поверхности твердых и жидких веществ отличаются особыми свойствами, так как поверхностные слои обладают свободной энергией за счет неуравновешенности молекул, образующих границу раздела. Дисперсность порошкообразных материалов может быть оценена рядом показателей. На практике ее часто определяют по остатку на контрольном сите после просеивания пробы, гранулометрическим составом и удельной поверхностью.

Для определения гранулометрического состава порошков с крупностью частиц, не превышающей 100 мкм, предпринимают седиментационный анализ. Седиментационный анализ основан на том, что скорость падения частиц в жидкой среде зависит от их размеров и, согласно закону Стокса, может быть определена по формуле:

V = , м с-1

где g = 9,81 м/с2 — ускорение силы тяжести ;

и — плотности частицы и среды, кг/м3;

— коэффициент вязкости, кг м-1с –1;

Седиментационный метод определения гранулометрического состава порошкообразных материалов заключается в том, что по истечению определенного срока отстаивания суспензии, приготовленной из исследуемого порошка, отбирается проба, которую выпаривают и взвешивают. По известной концентрации начальной пробы и концентрации проб, взятых спустя различное время отстаивания, можно определить содержание отдельных фракций в исследуемом материале.

Удельная поверхность – это суммарная площадь поверхности частиц, приходящаяся на единицу массы порошкообразного материала. Удельную поверхность порошкообразных материалов можно измерять с помощью приборов типа ПСХ-2 и Т-3. Принцип работы этих приборов основан на том, что с уменьшением размеров частиц в материале возрастают силы сопротивления воздухопроницаемости, что связано с ростом площади поверхности порового пространства. Возрастание удельной поверхности цемента увеличивает скорость его твердения.

Способность образовывать жидкие дисперсии. Порошкообразные материалы обладают способностью образовывать с жидкой средой дисперсные системы. Чем выше степень дисперсности, тем выше устойчивость дисперсных систем. При очень высокой степени дисперсности, которая имеет место в коллоидных системах, самопроизвольное осаждение дисперсоида не происходит, так как ничтожно малые силы земного тяготения, действующие на частицы диспергированного вещества, компенсируются броуновским движением, препятствующим осаждению.

Способность образовывать с водой пластично-вязкие системы. В порошкообразном состоянии материалы способны также образовывать пластично-вязкие системы. Причиной, обуславливающей образование пластично-вязких систем, является наличие в них промежуточной фазы – воды, связанной с поверхностью смежных твердых частиц. При значительной площади поверхности высокодисперсных материалов роль связанной воды сильно возрастает. Оболочки воды на поверхности твердых частиц выполняют двойную функцию: они служат и связующим звеном пластично-вязкой системы, обеспечивающим сохранение сплошности при деформациях, и, вместе с тем, облегчают скольжение твердых частиц друг относительно друга.

Свойства образовывать жидкие дисперсные системы и пребывать в пластично-вязком состоянии характерны для разнообразных композиционных материалов: красок, эмульсий, мастик, грунтовок; растворных, бетонных, керамических смесей и пластмасс на стадии их технологической переработки.

Растворимость — это способность материалов образовывать с жидкой средой однородные прозрачные системы, состоящие из молекул растворителя и частиц растворенного вещества, между которыми происходят физические и химические взаимодействия. Наиболее распространенным растворителем является вода. По степени растворимости вещества делят на хорошо растворимые, малорастворимые и нерастворимые. В практической деятельности возникают задачи определения содержания массовой доли растворенного вещества в единице объема исследуемого раствора. Решение таких задач может быть сведено к использованию таблиц зависимости концентрации вещества от плотности раствора при заданной температуре. Плотность раствора определяют по шкале ареометра, погружаемого в раствор.

Когезия – это свойство материала быть прочным под влиянием сил взаимного сцепления частиц. Когезию оценивают энергией когезии, под которой понимают работу образования новых поверхностей или работу разрыва вещества. Косвенно о когезии можно судить по прочности материалов.

Адгезия — это свойство одного вещества прилипать к поверхности другого. Адгезию характеризуют энергией адгезии, оцениваемую работой удаления одного вещества с поверхности другого. Свойство адгезии используют для создания клеящих, герметизирующих и защитно-декоративных композиционных материалов. Адгезия зависит от природы и строения соприкасающихся веществ.

Определение адгезии лакокрасочных покрытий к металлическим поверхностям проводят методом решетчатых надрезов. Метод состоит в нанесении на готовое лакокрасочное покрытие решетчатых надрезов и визуальной оценке степени отслоения покрытия от основания по четырехбалльной шкале. Адгезию приклеивающих, герметизирующих и гидроизоляционных мастик оценивают испытанием склеенных мастикой образцов бетона, кирпича, металла на прочность при отрыве, при сдвиге.

Адсорбция – это свойство поверхности материала притягивать к себе частицы из другой фазы за счет свободной энергии поверхности. По величине энергии, выделяющейся вследствие этого физико-химического процесса, различают физическую, активированную адсорбции и хемосорбцию с химическим взаимодействием.

Строение. Известно, что одни и те же материалы могут иметь как кристаллическое, так и аморфное строение. В аморфном состоянии вещества обладают большим запасом внутренней энергии по сравнению с этими же веществами в кристаллическом состоянии и поэтому они более реакционноспособны. Например, аморфный оксид кремния при атмосферном давлении и комнатной температуре химически взаимодействует с известью. Для протекания активной химической реакции между кристаллическим кварцем и известью требуются автоклавные условия.

Минералогический состав является важной характеристикой природных и искусственных каменных материалов. Практика показывает, что материалы, имеющие один и тот же химический состав, но отличающиеся минералогическим составом, могут значительно отличаться и своими свойствами.

Для изучения минералогического состава каменных материалов в настоящее время используют методы физико-химического анализа. Методы микроскопического анализа позволяют непосредственно наблюдать конфигурацию и свойства кристаллов. Естественные грани кристаллов очень помогают при идентификации минералов: для любого минерала характерными являются постоянство углов между гранями и определенная степень упорядоченности в расположении граней и ребер кристаллов — симметрия. Для идентификации минералов применяют также методы рентгеновской дифрактометрии и инфракрасной спектроскопии. Дифференциально-термический и дифференциально-термогравиметрический методы анализа применяются для идентификации отдельных минералов в сложных смесях.

2. МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Общие сведения

Около трех тыс. лет тому назад в строительстве стали применять вяжущие вещества для связывания отдельных камней. В современном строительстве применяют минеральные и органические вяжущие вещества. Минеральными вяжущими материалами называют порошкообразные вещества, которые при смешивании с водой образуют пластичную массу, со временем затвердевающую в прочное камневидное тело. Органические вяжущие материалы представляют собой высокомолекулярные соединения, как правило, не смачивающиеся водой. В рабочее, пластичное состояние они приводятся нагревом или растворением в органических растворителях.

По способности твердеть и сохранять свою прочность в воде или на воздухе минеральные вяжущие вещества делят на воздушные и гидравлические. Воздушные минеральные вяжущие затвердевают, сохраняют и повышают свою прочность только на воздухе. Гидравлические вяжущие обладают такой способностью не только на воздухе, но и в воде. К группе воздушных вяжущих веществ

Физические свойства характеризуют реакцию вещества и материала на его основе на изменение внешних условий (температуры, давления, химического, физического или механического воздействия и влияния других веществ и полей) без значительного изменения их структуры. Исключением являются такие свойства как температура плавления, кипения или возгонки, которые могут привести к изменению не только агрегатного состояния вещества, но и его микро-, мезо- и макроструктуры (кристаллическая — аморфная, немолекулярная металлическая — молекулярная, высокомолекулярная — низкомолекулярная и т.д.).

К физическим свойствам традиционно относят плотность, тепловые (теплоемкость, теплопроводность, тепловое расширение), электрические (электропроводность, электрическое сопротивление и др.), а также магнитные и другие свойства. Строго говоря, перечисленные свойства правильней относить к физико-химическим, так как они напрямую связаны со спецификой химического состава и типа химической связи, а также со структурой химических соединений, их образующих.

Например, плотность (как мера количества вещества в единице объема) существенно зависит от типа химической связи. Максимальную плотность имеют вещества и материалы с преимущественно металлическим и ионными (а не ковалентными) химическими связями ввиду их ненаправленности в межъядерном пространстве и не- насыщаемости по сравнению с ковалентной. Поэтому их химическая структура является немолекулярной, и высокая плотность упаковки элементов в кристаллической решетке определяется в этом случае в первую очередь стерическим фактором (размером ионов и соотношением их радиусов). Например, у металлов плотность (г/см3) изменяется от 22,5 у осмия до 0,53 у лития, а у органических полимеров она характеризуется величинами порядка от 0,92 у полиэтилена до 2,25 у фторопласта-4 (табл. 8.4).

Сравнивая значения плотностей для различных по преобладающему типу связей материалов, отметим, что максимальная плотность (у) наблюдается прежде всего у немолекулярных безуглерод- ных веществ (металлического или со значительной долей ионности связи типа). Среди преимущественно ковалентных материалов наименьшей плотностью обладают органические (углеродные) полимеры на основе индивидуальных макромолекул (типа полиэтилена), а наибольшей — монокристаллы алмаза, оксида и карбида кремния, а также приведенные нитриды, ввиду более «рыхлой» надмолекулярной структуры первых. Это связано с наличием в структуре органических полимеров индивидуальных макромолекул, связанных между собой более слабыми и дальнодействующими физическими ван-дер-ваальсовыми или водородными связями. Таким образом, плотность в первую очередь определяется электронноядерной микроструктурой (элементный состав и тип химической

Та блица 8.4

Физические свойства материалов с преимущественно металлической, ковалентной и ионной связью элементов микроструктуры

связи) материала, а затем тонким молекулярным подуровнем его микроструктуры.

Многие физико-химические свойства зависят не только от состава и типа химической связи, но и от температуры и давления, т.е. термодинамических факторов. Причем влияние температуры является наиболее важным параметром. Необходимо отметить, что физико-химические свойства при повышении температуры изменяются нелинейно, что учитывается в зависимостях соответствующими коэффициентами.

§ 3. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Физические свойства. К физическим свойствам металлов относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства и др.
Цветом называют способность металлов отражать световое излучение с определенной длиной волны. Например, медь имеет розово-красный цвет, алюминий — серебристо-белый.
Плотность металла характеризуется его массой, заключенной в единице объема. По плотности все металлы делят на легкие (менее 4500 кг/м3) и тяжелые. Плотность имеет большое значение при создании различных изделий. Например, в самолето- и ракетостроении стремятся использовать более легкие металлы и сплавы (алюминиевые, магниевые, титановые), что способствует снижению массы изделий.
Температурой плавления называют температуру, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие металлы (вольфрам 3416°С, тантал 2950°С, титан 1725°С, и др.) и легкоплавкие (олово 232°С, свинец 327°С, цинк 419,5°С, алюминий 660°С). Температура плавления имеет большое значение при выборе металлов для изготовления литых изделий, сварных и паяных соединений, термоэлектрических приборов и других изделий. В единицах СИ температуру плавления выражают в градусах Кельвина (К).
Теплопроводностью называют способность металлов передавать тепло от более нагретых к менее нагретым участкам тела. Серебро, медь, алюминии обладают большой теплопроводностью. Железо имеет теплопроводность примерно в три раза меньше, чем алюминий, и в пять раз меньше, чем медь. Теплопроводность имеет большое значение при выборе материала для деталей. Например, если металл плохо проводит тепло, то при нагреве и быстром охлаждении (термическая обработка, сварка) в нем образуются трещины. Некоторые детали машин (поршни двигателей, лопатки турбин) должны быть изготовлены из материалов с хорошей теплопроводностью. В единицах СИ теплопроводность имеет размерность Вт/(м∙К).
Тепловым расширением называют способность металлов увеличиваться в размерах при нагревании и уменьшаться при охлаждении. Тепловое расширение характеризуется коэффициентом линейного расширения α=(l2-l1)/[l1(t2-t1)], где l1 и l2 длины тела при температурах t1 и t2. Коэффициент объемного расширения равен 3α. Тепловые расширения должны учитываться при сварке, ковке и горячей объемной штамповке, изготовлении литейных форм, штампов, прокатных валков, калибров, выполнении точных соединений и сборке приборов, при строительстве мостовых ферм, укладке железнодорожных рельс.
Теплоемкостью называют способность металла при нагревании поглощать определенное количество тепла. В единицах СИ имеет размерность Дж/К. Теплоемкость различных металлов сравнивают по величине удельной теплоемкости — количеству тепла, выраженному в больших калориях, которое требуется для повышения температуры 1 кг металла на 1°С (в единицах СИ — Дж/(кг∙К).
Способность металлов проводить электрический ток оценивают двумя взаимно противоположными характеристиками — электропроводностью и электросопротивлением. Электрическая проводимость оценивается в системе СИ в сименсах (См), а удельная электропроводность — в Cм/м, аналогично электросопротивление выражают в омах (Ом), а удельное электросопротивление — в Ом/м. Хорошая электропроводность необходима, например, для токонесущих проводов (медь, алюминий). При изготовлении электронагревателей приборов и печей необходимы сплавы с высоким электросопротивлением (нихром, константан, манганин). С повышением температуры металла его электропроводность уменьшается, а с понижением — увеличивается.
Магнитные свойства характеризуются абсолютной магнитной проницаемостью или магнитной постоянной, т. е. способностью металлов намагничиваться. В единицах СИ магнитная постоянная имеет размерность Гн/м. Высокими магнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и их сплавы, называемые ферромагнитными. Материалы с магнитными свойствами применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов.
Химические свойства. Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др. Чем легче металл вступает в соединение с другими элементами, тем быстрее он разрушается. Химическое разрушение металлов под действием на их поверхность внешней агрессивной среды называют коррозией.
Металлы, стойкие к окислению при сильном нагреве, называют жаростойкими или окалиностойкими. Такие металлы применяют для изготовления деталей, которые эксплуатируются в зоне высоких температур.
Сопротивление металлов коррозии, окалинообразованию и растворению определяют по изменению массы испытуемых образцов на единицу поверхности за единицу времени.
Химические свойства металлов обязательно учитываются при изготовлении тех или иных изделий. Особенно это относится к изделиям или деталям, работающим в химически агрессивных средах.