Кіріспе
Су молекулаларын тарту және ұстау құбылысы – химиялық қасиет. Гигроскопия – қоршаған ортадан сіңіру немесе адсорбциялау арқылы су молекулаларын тарту және ұстау құбылысы, әдетте бұл қалыпты немесе бөлме температурасында жүреді. Егер су молекулалары заттың молекулалары арасында таралып, суспензия құраса, адсорбциялайтын заттардың физикалық қасиеттері өзгеруі мүмкін, мысалы, көлемі, қайнау температурасы, тұтқырлығы немесе басқа да физикалық сипаттамалары мен қасиеттері. Мысалы, тұз сияқты ұсақ дисперсияланған гигроскопиялық ұнтақ, қоршаған ортадан ылғал жинау нәтижесінде уақыт өте келе жиырылып, түйіршіктерге айналуы мүмкін. Деликесцентті материалдар гигроскопиялық қасиетіне байланысты, суды көп мөлшерде сіңіріп, сұйық күйге өтіп, сулы ерітінді түзеді. Гигроскопия көптеген өсімдіктер мен жануарлар түрлері үшін су алу, қоректену, көбею және/немесе тұқым тарату процесі үшін маңызды. Биологиялық эволюция су жинау, жіпшелердің тартылу күші, байланыс және пассивті қозғалыс үшін гигроскопиялық шешімдерді жасады. Бұл табиғи шешімдер болашақта биомиметика саласында зерттелуде.
a chemical property
Hygroscopy is the phenomenon of attracting and holding water molecules via either absorption or adsorption from the surrounding environment, which is usually at normal or room temperature. If water molecules become suspended among the substance's molecules, adsorbing substances can become physically changed, e. g. changing in volume, boiling point, viscosity or some other physical characteristic or property of the substance. For example, a finely dispersed hygroscopic powder, such as a salt, may become clumpy over time due to collection of moisture from the surrounding environment. Deliquescent materials are sufficiently hygroscopic that they absorb so much water that they become liquid and form an aqueous solution. Hygroscopy is essential for many plant and animal species' attainment of hydration, nutrition, reproduction and/or seed dispersal. Biological evolution created hygroscopic solutions for water harvesting, filament tensile strength, bonding and passive motion – natural solutions being considered in future biomimetics.
Этимологиясы мен айтылуы
Гигроскопия сөзі (/h/aɪ/'/g/r/ɒ/s/k/ə/p/i/) гигро және -скопия жұрнақтарының біріктірілуінен пайда болған. Басқа -скопия сөздерінен ерекшелігі, ол енді көру немесе бейнелеу тәсілін білдірмейді. Бұл сөздің бастауы 1790 жылдардағы ылғалдылық деңгейін өлшеуге арналған гигроскоп құралынан басталады. Бұл гигроскоптарда жануарлардың белгілі бір түктері сияқты материалдар қолданылды, олар ылғалданғанда пішіні мен мөлшері айқын өзгерді. Мұндай материалдар гигроскопиялық деп аталды, себебі оларды гигроскоп жасауға болады. Көп ұзамай, гигроскоп сөзі қазіргі қолданыста мұндай құралды атау үшін қолданылмай қалды, бірақ гигроскопиялық (ылғалды ұстауға бейім) сөзі сақталды, сонымен қатар гигроскопия (мұндай қабілет) да қолданылып келеді. Бүгінде ылғалдылықты өлшеуге арналған құрал гигрометр (гигро + метр) деп аталады.
Тарих
Гигроскопия туралы алғашқы әдебиеттер шамамен 1880 жылы жазыла бастады. Виктор Жодиннің зерттеулері («Анналь Агрономикс», 1897 жылғы қазан) гигроскопияның биологиялық қасиеттеріне бағытталған. Ол тірі және өлі (өнімділік қабілеті жоқ) бұршақ тұқымдарының атмосфералық ылғалға ұқсас реакция білдіретінін, олардың салмағының гигрометриялық өзгерістерге байланысты артуын немесе азаюын атап көрсетті. Марселин Бертело гигроскопияны физикалық тұрғысынан қарастырды, оны физикалық-химиялық процесс ретінде қарастырды. Бертелоның қайтымдылық принципі, яғни өсімдік тіндерінен кептірілген суды гигроскопиялық түрде қалпына келтіруге болатындығы «Recherches sur la desiccation des plantes et des tissues végétaux; conditions d'équilibre et de réversibilité» (Annales de Chimie et de Physique, 1903 жылғы сәуір) басылымында жарияланды. Егер зат суда ерісе, онда ол гидрофильді деп есептеледі. Мырыш хлориді, кальций хлориді, сондай-ақ калий гидроксиді және натрий гидроксиді (және көптеген басқа тұздар) соншалықты гигроскопиялық, олар сіңірген суында оңай ериді: бұл қасиет деликвесценция деп аталады. Күкірт қышқылы тек концентрацияланған күйінде ғана емес, оның ерітінділері 10% немесе одан төмен концентрацияда да гигроскопиялық болып табылады. Гигроскопиялық материал ылғалды ауаға (мысалы, ылғалды ауа райында тұздықтардағы тұз) ұшырағанда ылғалданып, қатаяды. Атмосфералық ылғалды сіңіруге бейім болғандықтан, гигроскопиялық материалдарды герметикалық контейнерлерде сақтау қажет болуы мүмкін. Кейбір гигроскопиялық материалдар, мысалы, теңіз тұзы және сульфаттар, атмосферада табиғи түрде кездеседі және бұлт тұқымдары, бұлт конденсациялық ядролары (CCN) ретінде қызмет етеді. Гигроскопиялық болғандықтан, олардың микроскопиялық бөлшектері ылғалды будың конденсацияланып, тамшылар түзуіне қолайлы бет жасайды. Адамның қазіргі заманғы бұлтты себу әрекеттері 1946 жылы басталды. Гигроскопиялық материалдар ылғалдылықты сақтау мақсатында тағамға немесе басқа материалдарға қосылғанда ылғал сақтағыш ретінде танылады. Материалдар мен қосылыстар әртүрлі гигроскопиялық қасиеттерге ие, және бұл айырмашылық композиттік материалдардағы кернеу концентрациясы сияқты зиянды әсерлерге әкелуі мүмкін. Белгілі бір материалдың немесе қосылыстың көлемі қоршаған ортаның ылғалдылығына байланысты өзгереді және оның гигроскопиялық кеңею коэффициенті (CHE) (сондай-ақ ылғалдылық кеңею коэффициенті (CME) деп те аталады) немесе гигроскопиялық жиырылу коэффициенті (CHC) деп қарастырылуы мүмкін – екі термин арасындағы айырмашылық белгілердің келісімділігіндегі айырмашылық болып табылады. Гигроскопиядағы айырмашылықтарды пластиктан жасалған ламинатталған кітап мұқабаларында байқауға болады – көбінесе, күрт ылғалды ортада кітап мұқабасы кітаптың қалған бөлігінен иіліп кетеді. Мұқабаның ламинатталмаған жағы ламинатталған жағына қарағанда көбірек ылғалды сіңіреді және ауданы артады, бұл мұқабаның ламинатталған жаққа қарай иілуіне себеп болатын кернеуді тудырады. Бұл термостаттың биметалл жолағының жұмыс принципіне ұқсас. Арзан диск түрлі гигрометрлер осы принципті пайдаланады. Деликвесценция – бұл заттың атмосферадан ылғалды сіңіріп, сіңірілген суда еріп, ерітінді түзе салған процесі. Деликвесценция пайда болған кезде, түзілген ерітіндідегі бу қысымы ауадағы су буының ішінара қысымынан төмен болады. Бұл жерде кейбір ұқсас күштер жұмыс істесе де, ол капиллярлық тартымдылықтан өзгеше, онда шыны немесе басқа қатты заттар суды тартады, бірақ процесте өзгермейді (мысалы, су молекулалары шыны молекулаларының арасында тоқтап қалмайды).
Әдемілігі
Деликатесценция, гигроскопия сияқты, суға күшті тартымдылықпен және атмосферадан ылғалды сіңіруге бейімділікпен сипатталады. Алайда, гигроскопиядан өзгеше, деликатесценция сулы ерітінді құруға жеткілікті мөлшерде суды сіңіруді қамтиды. Көптеген деликатесценцияға ұшырайтын материалдар тұздар болып табылады, оның ішінде кальций хлориді, магний хлориді, мырыш хлориді, темір хлориді, карналлит, калий карбонаты, калий фосфаты, темір аммоний цитраты, аммоний нитраты, калий гидроксиді және натрий гидроксиді. Суға өте жоғары тартымдылығының арқасында, бұл заттар көбінесе құрғатушылар ретінде қолданылады, және бұл концентрацияланған күкірт және фосфор қышқылдары үшін де қолданысқа ие. Кейбір деликатесценцияға ұшырайтын қосылыстар химиялық өнеркәсіпте химиялық реакциялар нәтижесінде түзілген суды кетіру үшін қолданылады (құрғату түтігіне қараңыз).
Инженерлік қасиеттері
Гигроскопиялық қасиет – қоршаған ортадан ылғалды сіңіре алу қабілетін сипаттауға қолданылатын жалпы термин. Гигроскопиялық қасиеттің стандартты сандық анықтамасы жоқ, сондықтан материалдың гигроскопиялық немесе гигроскопиялық емес екендігі әрбір жағдайда жеке анықталады. Мысалы, 25°C температурада 40-90% салыстырмалы ылғалдылықта массасының 5%-дан астам ылғалды сіңіретін фармацевтикалық заттар гигроскопиялық деп есептеледі, ал осыған ұқсас жағдайларда 1%-дан аз ылғалды сіңіретін материалдар гигроскопиялық емес деп саналады. Гигроскопиялық материалдардың сіңіре алатын ылғал мөлшері салыстырмалы ылғалдылыққа пропорционалды болады. Мұндай ақпаратты көптеген инженерлік анықтамалықтардан табуға болады, сондай-ақ түрлі материалдар мен химиялық заттарды жеткізушілерден де алуға болады. Гигроскопиялық қасиет пластик материалдарды өндіруде де маңызды рөл атқарады. Кейбір пластиктер, мысалы, нейлон гигроскопиялық, ал басқалары – емес.
Полимерлер
Көптеген инженерлік полимерлер ылғалды сіңіретін қасиетке ие, оның ішінде нейлон, АБС, поликарбонат, целлюлоза, карбоксиметил целлюлоза және поли(метил метакрилат) (ПММА, плексиглас, перспек). Полиэтилен және полистирол сияқты басқа полимерлер әдетте көп ылғалды сіңірмейді, бірақ сұйық суға ұшырағанда беттерінде маңызды мөлшерде ылғалды ұстай алады. 6-шы типтегі нейлон (полиамид) салмағының 9,5%-ына дейін ылғалды сіңіре алады.
Нан пісірудегі қолдану
Пісіру кезінде әртүрлі заттардың ылғалды сіңіру қасиеттерін пайдалану жиі ылғал мөлшеріндегі айырмашылықты, демек, қыртыстықты қамтамасыз ету үшін қолданылады. Қатырған, кеуекті печенье (британдық ағылшын тілінде: бисквит) мен жұмсақ, жақсы шайналатын торт жасау үшін әртүрлі қант түрлері әртүрлі мөлшерде қолданылады. Бал, қоңыр қант және меласса сияқты қанттар ылғалды және жақсы шайналатын торттар жасау үшін қолданылатын тәттілендіргіштердің мысалдары болып табылады.
Зерттеу
Атмосфералық ылғалды жинауға арналған бірнеше гигроскопиялық тәсілдер көрсетілді және олардың өмір сүруге қабілетті су көзі ретіндегі әлеуетін бағалау үшін одан әрі дамыту қажет. Белгілі бір аймақтардағы тұман жинау эксперименттері ағаш бақаларының су ішуі кезінде байқалған гидрофильді беттер мен гигроскопиялық беттің ылғалдануын қайталады (биомимикрия). Материалдарды одан әрі оңтайландыру нәтижесінде 25 мг H2O/(см2 сағ) жинау жылдамдығымен жасанды гидрофильді беттер жасалды, бұл салыстырмалы жағдайларда, яғни 100% СЖ (салыстырмалы ылғалдылық) кезінде ағаш бақаларының жинау жылдамдығынан екі есе артық. Гигроскопиялық желімдер коммерциялық дамуға үміткер. Синтетикалық желімнің жоғары ылғалдылықта бұзылуының ең көп таралған себебі – байланыс аймағын майлайтын суға байланысты, бұл байланыстың сапасына әсер етеді. Гигроскопиялық желімдер желім субстратының шекарасынан сыртқы ортаның ылғалын сіңіру (тарту) арқылы берік жабысқақ байланыстарды қамтамасыз етуге мүмкіндік береді. Гигрометриялық жауап беру уақыты, нақты пішін өзгерістері және беріктік жетіспейді. Қазіргі қолданыстағы гигроактивті композиттердің көпшілігі нашар және табиғатта, мысалы, қарағай қабықшаларында байқалатыннан бұрын шаршаудан бұзылады, бұл өсімдіктердің биологиялық құрылымын жақсырақ түсіну қажеттігін көрсетеді. Жоспарланған конформациялық гигроморфты өзгертуге бағыттай алатын сұйықтыққа жауап беретін белсенді екі қабатты жүйелерден тұратын материалдар қажет. Қазіргі композиттер гигроморфты жауап беру уақыты мен механикалық тұрақтылық арасындағы қанағаттандырмас теңгерімді қажет етеді, сонымен қатар өзгеріп отыратын қоршаған ортаның факторларымен де үйлестірілуі керек.