Введение
Феномен притяжения и удержания молекул воды – химическое свойство. Гигроскопия – это способность веществ притягивать и удерживать молекулы воды из окружающей среды посредством абсорбции или адсорбции, обычно при нормальной или комнатной температуре. Если молекулы воды проникают между молекулами вещества, адсорбирующие материалы могут претерпевать физические изменения, например, изменение объема, температуры кипения, вязкости или других физических характеристик и свойств. Например, мелкодисперсный гигроскопичный порошок, такой как соль, со временем может слеживаться из-за поглощения влаги из окружающей среды. Дели́квесцентные вещества обладают настолько высокой гигроскопичностью, что поглощают достаточное количество воды, чтобы стать жидкими и образовать водный раствор. Гигроскопия играет важную роль в гидратации, питании, размножении и/или распространении семян у многих видов растений и животных. Биологическая эволюция выработала гигроскопичные механизмы для сбора воды, обеспечения прочности волокон на растяжение, адгезии и пассивного движения – природные решения, которые рассматриваются в биомиметике.
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.
Этимология и произношение
Слово гигроскопия (/h//aɪ/'/g//r//ɒ//s//k//ə//p//i/) образовано от сочетания форм "гигро" и "скопия". В отличие от всех остальных слов с корнем "скопия", оно больше не связано с методами наблюдения или визуализации. Изначально же всё было иначе: в 1790-х годах словом "гигроскоп" называли приборы для измерения уровня влажности. Эти гигроскопы использовали материалы, например, определённые животные волосы, которые заметно меняли свою форму и размер при намокании. Такие материалы и называли гигроскопическими, поскольку из них можно было изготовить гигроскоп. В конечном итоге, слово "гигроскоп" перестало использоваться для обозначения подобных приборов в современном языке, но слово "гигроскопический" (склонный к удержанию влаги) сохранилось, а вместе с ним и "гигроскопия" (способность к этому). Сегодня прибор для измерения влажности называется гигрометром (гигро + метр).
История
Ранняя литература по гигроскопии началась примерно в 1880 году. Исследования Виктора Жодина (Annales Agronomiques, октябрь 1897) были посвящены биологическим свойствам гигроскопичности. Он отметил, что семена гороха, как живые, так и мертвые (без способности к прорастанию), реагируют схожим образом на атмосферную влажность, изменяя свой вес в зависимости от гигрометрических колебаний. Марселин Бертело рассматривал гигроскопичность с физической точки зрения, как физико-химический процесс. Принцип обратимости Бертело, заключающийся в том, что воду, удаленную из растительной ткани, можно восстановить гигроскопически, был опубликован в работе "Исследования по высушиванию растений и растительных тканей; условия равновесия и обратимости" (Annales de Chimie et de Physique, апрель 1903 года). Соединение считается гидрофильным, если оно растворяется в воде. Хлорид цинка и хлорид кальция, а также гидроксид калия и гидроксид натрия (и многие другие соли) настолько гигроскопичны, что легко растворяются в поглощаемой ими воде: это свойство называется деликвесценцией. Концентрированная серная кислота не только гигроскопична, но и ее растворы сохраняют гигроскопичность при концентрациях 10% об./об. и ниже. Гигроскопичный материал, подвергаясь воздействию влажного воздуха, имеет тенденцию отсыревать и слеживаться (например, соль в солонке во влажную погоду). Ввиду их сродства к атмосферной влаге, желательные гигроскопичные материалы могут требовать хранения в герметичных контейнерах. Некоторые гигроскопичные материалы, например морская соль и сульфаты, встречаются в атмосфере в естественном виде и служат ядрами конденсации облаков (CCN). Благодаря своей гигроскопичности, их микроскопические частицы предоставляют привлекательную поверхность для конденсации водяного пара и образования капель. Современные попытки искусственного вызывания осадков начались в 1946 году. Гигроскопичные материалы, добавляемые в продукты питания или другие материалы с целью поддержания влажности, известны как увлажнители. Различные материалы и соединения обладают разными гигроскопическими свойствами, что может приводить к неблагоприятным последствиям, таким как концентрация напряжений в композитных материалах. На объем конкретного материала или соединения влияет влажность окружающей среды, что может быть выражено коэффициентом гигроскопического расширения (CHE) (также называемым CME, или коэффициентом расширения от влаги) или коэффициентом гигроскопического сжатия (CHC) – различие между этими двумя терминами заключается в принятой системе знаков. Различия в гигроскопичности можно наблюдать на книжных обложках, ламинированных пластиком: часто во внезапно влажной среде обложка отходит от остальной части книги. Неламинированная сторона обложки поглощает больше влаги, чем ламинированная, и увеличивается в площади, создавая напряжение, которое загибает обложку к ламинированной стороне. Это аналогично принципу работы биметаллической пластины в термостате. Недорогие циферблатные гигрометры используют этот принцип, применяя спиральную полоску. Деликвесценция – это процесс, при котором вещество поглощает влагу из атмосферы до тех пор, пока не растворится в поглощенной воде, образуя раствор. Деликвесценция происходит, когда давление паров образовавшегося раствора ниже парциального давления водяного пара в воздухе. Хотя здесь действуют схожие силы, это отличается от капиллярного притяжения, процесса, при котором стекло или другие твердые вещества притягивают воду, но сами при этом не изменяются (например, молекулы воды не остаются взвешенными между молекулами стекла).
Деликатес
Деликвесценция, как и гигроскопия, характеризуется сильным сродством к воде и способностью поглощать влагу из атмосферы при контакте с ней. Однако, в отличие от гигроскопии, деликвесценция предполагает поглощение достаточного количества воды для образования водного раствора. Большинство деликвесцентных веществ – это соли, включая хлорид кальция, хлорид магния, хлорид цинка, хлорид железа(III), карналит, карбонат калия, фосфат калия, цитрат железа(III) аммония, нитрат аммония, гидроксид калия и гидроксид натрия. Благодаря очень высокой способности связывать воду, эти вещества часто используются в качестве осушителей, что также характерно для концентрированных серной и фосфорной кислот. Некоторые деликвесцентные соединения применяются в химической промышленности для удаления воды, образующейся в ходе химических реакций (см. сушильную трубку).
Инженерные свойства
Гигроскопичность – это общий термин, используемый для описания способности материала поглощать влагу из окружающей среды. Стандартизированного количественного определения гигроскопичности не существует, поэтому квалификация материала как гигроскопичного или негигроскопичного обычно определяется в каждом конкретном случае. Например, фармацевтические препараты, набирающие более 5% массы при относительной влажности от 40 до 90% и температуре 25 °C, считаются гигроскопичными, в то время как материалы, набирающие менее 1% при тех же условиях, рассматриваются как негигроскопичные. Количество влаги, удерживаемое гигроскопичными материалами, как правило, пропорционально относительной влажности. Таблицы с этой информацией можно найти во многих инженерных справочниках, а также получить у поставщиков различных материалов и химических веществ. Гигроскопичность также играет важную роль в разработке пластмасс. Некоторые пластмассы, например нейлон, гигроскопичны, а другие – нет.
Полимеры
Многие инженерные полимеры гигроскопичны, включая нейлон, АБС, поликарбонат, целлюлозу, карбоксиметилцеллюлозу и полиметилметакрилат (ПММА, плексиглас, перспекс). Другие полимеры, такие как полиэтилен и полистирол, обычно не впитывают много влаги, но способны удерживать значительное количество влаги на своей поверхности при контакте с жидкой водой. Найлон типа 6 (полиамид) может поглощать до 9,5% своего веса влаги.
Применение в выпечке
Использование гигроскопических свойств различных веществ в выпечке часто применяется для достижения разницы в содержании влаги и, как следствие, хрустящей текстуры. Различные виды сахара используются в разных количествах для получения хрустящего печенья (бисквита) и мягкого, жевательного пирога. Мед, коричневый сахар и патока – примеры подсластителей, используемых для создания более влажных и жевательных пирогов.
Исследования
Было продемонстрировано несколько гигроскопических подходов к сбору атмосферной влаги, требующих дальнейшей разработки для оценки их потенциала как жизнеспособного источника воды. Эксперименты по сбору тумана в определенных условиях воспроизвели гидрофильные поверхности и гигроскопическое смачивание поверхности, наблюдаемые при увлажнении древесных лягушек (биомимикрия). Последующая оптимизация материалов позволила создать искусственные гидрофильные поверхности со скоростью сбора 25 мг H2O/(см²⋅ч), что более чем в два раза превышает скорость сбора влаги древесными лягушками при сопоставимых условиях, то есть при 100% ОВ (относительной влажности). Гигроскопические клеи являются перспективными для коммерческой разработки. Наиболее частой причиной разрушения синтетических клеев при высокой влажности считается смазывающее действие воды в зоне контакта, ухудшающее качество склеивания. Гигроскопические клеи могут обеспечить более прочные адгезивные соединения, поглощая (отводя) межповерхностную влагу из окружающей среды от границы клеевого субстрата. Недостаточны время гигрометрического отклика, точность изменения формы и долговечность. Большинство современных гидроактивированных композитов уступают природным аналогам и демонстрируют усталостное разрушение раньше, чем, например, чешуйки сосновых шишек, что указывает на необходимость более глубокого понимания биологических структур растений. Требуются материалы, состоящие из жидкостно-чувствительных активных двухслойных систем, способных направлять запланированное конформационное гигроморфирование. Современные композиты требуют нежелательных компромиссов между временем гигроморфного отклика и механической стабильностью, которые также необходимо сбалансировать с изменяющимися внешними факторами.