6. Взаимодействие воды с поверхностью глинистых частиц

6.1. Формы связи воды и глины.

Когда в результате адсорбции молекул жидкой дисперсионной среды поверхность твердых и газообразных частиц смачивается и покрывается слоем этой жидкости, говорят, что происходит соль­ватация поверхности. В случае адсорбции молекул воды сольвата­цию называют гидратацией. Она имеет много общего с гидрата­цией ионов и молекул в растворах, т. е. представляет воздействие (простое связывание молекул воды является частным случаем гид­ратации) активных центров поверхностей на трансляционное дви­жение ближайших и поляризацию отдаленных молекул воды.

Природа активных центров поверхностей твердых и газообраз­ных частиц в промывочных жидкостях различна. В минеральных компонентах она обусловлена, например, сколами кристаллов, координационно не насы­щенными атомами. При­ чем число и расположе­ние активных центров зависят от энергетического рельефа поверхности, на которой отдельные ячей­ки представляют энерге­тические «ямы» (рис.6.1). Попадая в эти ямы, молекулы воды те­ряют часть своей потен­циальной энергии и ограничивают свое движение пределами ячеек, отгоро­женных друг от друга энергетическими или геометрическими барьерами.

Рис. 6.1. Энергетический рельеф поверхности

Трансляционное движение молекул у такой поверхности не­равномерно и зависит от:

- химического состава и плотности активных центров;

- геометрии энергетического рельефа;

- расстояния молекул воды от твердой поверхности.

При этом число молекул воды, приходящихся на единицу поверхности, т. е. гидратация поверхности, зависит от числа молекул ударяющихся в единицу времени об эту поверхность и среднего времени пребывания их у поверхности.

Взаимодействие воды с активными центрами минералов может происходить вследствие образования водородных или молекулярных связей. Водородная связь между гидратированными молекула­ми воды и активными центрами, например, глинистых минералов возникает, прежде всего, на их поверхности, образующей гидроксидными группами октаэдрического слоя. В каолините октаэдрический слой с одной стороны свободен, т. е. не прикрыт тетраэдрическим слоем. Поэтому половина поверхностей спайности каолинита на которых и адсорбируются молекулы воды, будет представлять собой сетки, составленные из оснований тетраэдров кремнекислородной сетки. В глинистых минералах, имеющих не двух-, а трехслойную структуру, например в монтмориллонитах, октаэдрический слой прикрыт тетраэдрическими с обеих сторон и поэтому в них спаенные поверхности представляют основание тетраэдров. Этот кислородный слой имеет ячеистый характер. Ячейки создаются за счет свободного пространства, которое образуют шесть молекул кислорода из оснований тетраэдров и имеют гексагональную форму. В каждой ячейке есть гидроксильная группа, которая располагается на уровне атомов кислорода, находится в вершина тетраэдра и является как бы дном этой ячейки, имеющей диаметр 3,3-10^-8 и высоту 2,4• 10^-8 см. Приходя в соприкосновение с твердой поверхностью глинистых частиц, молекула воды проваливается в такую ячейку и образует с находящейся на ее дне гидроксидной группой водородную связь, которую могут разорвать только тепловые колебания. Дело в том, что молекулу воды, попавшую в ячейку, трудно из нее вывести с помощью тангенциально двигающихся молекул и ионов, т. к. она защищена от их ударов стенками кремнекислородного каркаса. При разрыве водородной связи молекула будет сбита другими молекулами воды и вовлечена в их тангенциальное движение. Через некоторое время она может попасть в новую ячейку и т.д. Так как ячейки глинистых частиц располагаются друг, от друга на расстоянии 5,5-10^-8 см, а кратчайшее расстояние между молекулами воды составляет 2,76-10^-8 см, то они (адсорбированные в ячейках) не в состоянии сохранять друг с другом водородные связи и создавать по плоскостям спайности глинисты минералов мономолекулярные слои за счет молекул, соединенных, например, в гексагональные группы. Вокруг центров адсорбции, которыми служат ячейки, при малой влажности возникают рои молекул, изолированные друг от друга свободными от воды пространствами.

Связь воды с глинистыми минералами при межмолекулярных взаимодействиях возникает в результате гидратации обменных катионов, насыщающих свободные валентности в местах сколов на поверхности кристаллов при изоморфных замещениях. Нескомпенсированность электростатических сил в сколах кристаллов завися от места сечений, по которым происходит разрушение решетки. Иногда разрушение решетки может привести к нарушению связей, которые обусловливают гидратацию глинистых минералов не только через обменный катион, но и непосредственно через поляризующее действие электростатических сил.

В условиях естественного увлажнения молекулы воды, связанные водородными связями в гексагональных ячейках глин, в результате трансляционного движения могут обмениваться местами с молекулами воды, координационно связанными межмолекулярными силами с обменными катионами. При этом по пути из одной другую молекула воды должна побывать в координационном слое и испытать на себе координирующее воздействие обменных катионов.

Число активных центров на поверхностях минеральных и син­тетических частиц в промывочных жидкостях может быть увели­чено путем обработки их поверхностно-активными химическими реагентами, молекулы которых несут воду не только поверхност­ную, но и внутреннюю (вода набухания полимера).

Наличием в воде поверхностно-активных веществ обусловлена также гидратация поверхностей газовых пузырьков в воде. В ре­зультате адсорбции на границе раздела фаз газ-вода химические реагенты ориентируются полярными группами в сторону воды и упорядочивают ее молекулы. Под воздействием адсорбировавше­гося химического реагента весь пузырек окружается гидратной оболочкой. Причем гидратные оболочки отдельных полярных групп органических молекул препятствуют их предельному уплотнению в поверхностном слое и играют роль поверхностной пленки, зани­мая в них большие площади, чем молекулы поверхностно-активных веществ.