Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




01.11.2019


01.11.2019


25.09.2019


14.09.2019


14.09.2019


08.09.2019


03.09.2019


26.08.2019


13.08.2019


13.08.2019





Яндекс.Метрика
         » » Структура воды в горных породах

Структура воды в горных породах

13.12.2017

При инженерно геологическом изучении горных пород очень важно учитывать влияние воды на их состояние и свойства. Однако прежде чем рассматривать это влияние, необходимо дать четкое представление о самой воде.

Вода — самое распространенное и своеобразное вещество в природе. Она, как известно, имеет ряд отличии от других веществ. Так, например, при повышении температуры от 0 до 4 °С объем воды не увеличивается, а уменьшается и только при дальнейшем повышении температуры увеличивается. Поэтому вода имеет наибольшую плотность при 4 °C. При замерзании она не сжимается, а расширяется почти на 11 %. Плавление льда сопровождается повышением плотности воды от 0,916 при 0 °C до 0,999 г/см3 при 4 °С. Вязкость воды в отличие от других жидкостей понижается при повышении давления. В обычных условиях вода обладает значительной растворяющей способностью. Ее диэлектрическая постоянная равна 81. Физически это означает, что электрические силы притяжения ионов к поверхности кристаллов в воде в 81 раз меньше, чем в воздухе. Вода проявляет очень большую активность при взаимодействии с различными минералами, и особенно с глинистыми, являющимися основными в глинистых породах.

Наличие различных аномалий у воды связано с ее внутренним строением — ее структурой. Представления о структуре воды стали усиленно развиваться в последние 30—40 лет в связи с широким применением новых методов исследований жидкостей: рентгенографии, инфракрасной спектроскопии, ядерного магнитного резонанса и др. В результате применения этих методов при исследованиях воды и электролитов были получены новые данные о взаимном расположении и движении молекул в воде, было доказано, что в строении ее молекул ведущее значение имеют водородные связи и что основные ее свойства определяются наличием именно этих связей; предложено несколько моделей структуры воды. Широко рассмотрены все эти вопросы в многочисленных работах, и особенно у Дж. Бернала и Р. Фаулера, у О.Я. Самойлова, А.А. Ананяна, Г.Б. Бокня, Ю.В. Гурикова и В.М. Вдовенко и др.

В настоящее время большинство исследователей разделяют мнение о двухструктурной модели воды, согласно которой она представляет собой смесь льдоподобной и плотно упакованной структур. Лед кристаллизуется в гексагональной сингонии. Атомы кислорода расположены в узлах решетки, причем каждая молекула тетраэдрически окружена четырьмя другими молекулами, ориентированными друг к другу противоположными полюсами. Расстояния между молекулами в этой структуре равны 0,276 нм. Поэтому структура льда чрезвычайно рыхлая (рис. VII-2). Она имеет большое количество пустот, которые по своим размерам превышают размеры молекул. При плавлении льда в образующейся жидкой воде сохраняется в основном та же структура.

Молекула воды состоит из иона кислорода, в электронное облако которого внедрены два ядра водорода. При этом кислород располагается как бы в вершине равнобедренного треугольника, а ядра водорода — в его углах. Каждая молекула воды также стремится тетраэдрически связаться с соседними молекулами, но тепловое трансляционное движение разрывает часть этих связей. Поэтому вода имеет как бы размытую тепловым движением структуру льда, является квазикристаллической. Как отмечает О.Я. Самойлов, экспериментальные данные показывают, что даже при 25 °C структура льда в воде сохраняется в значительной степени. В этом заключается различие воды и льда. Связи между молекулами в жидкой воде, так же как и во льду, в основном водородные по тетраэдру.

Таким образом, в воде в каждый данный момент образуются льдоподобные и плотно упакованные структуры. Под первыми понимаются агрегаты, скопления молекул воды, соединенные водородными связями. Вторые образованы неассоциированными мономерными молекулами воды, заполняющими промежутки между льдоподобиыми образованиями и находящимися в каждый данный момент в равновесии с ними (рис. VII-3).
Для льдоподобных образований характерна высшая упорядоченность в расположении молекул, а для воды — лишь ближний порядок, т.е. упорядоченность только тех молекул, которые находятся на близком расстоянии друг от друга Скопления молекул воды, образующих в жидкой воде островки льдоподобных структур, называют «мерцающими роями». Размеры роев соответствуют сумме диаметров нескольких десятков молекул воды. Время существования роя не превышает 10в-10—10в-11 с, вследствие чего происходит характерное для этих образований мерцание. Рои растут за счет мономерных молекул, с которыми они в каждый данный момент находятся в состоянии равновесия, и распадаются, чтобы вновь их образовывать

.
Для льдоподобных образований жидкой воды, как и для льда, характерно рыхлое строение. Поэтому считается, что вода обладает открытой структурой, содержащей значительное количество полостей, часть которых могут занимать мономерные молекулы. Заполнением пустот льдоподобных структур объясняют увеличение плотности при плавлении льда, уменьшение объема воды, а также максимальную ее плотность при 4 °C.

При повышении температуры воды увеличивается интенсивность теплового движения частиц. В жидкостях существуют два вида теплового движения: 1) колебательное, т. е. движение атомов около временных положений равновесия, и 2) трансляционное, т. е. скачкообразное перемещение атомов из одного положения равновесия в другое. Это трансляционное движение обусловливает существование в жидкостях локальных разрежений, или так называемых дырок, разрывов водородных связей, понижение вязкости воды, повышение ее текучести и т. д. Этим же объясняется увеличение координационного числа у воды при повышении ее температуры. Повышение давления на воду также вызывает разрыв водородных связей и уменьшение ее вязкости.

Структура воды зависит от количества и вида растворенных в ней веществ. Ионы, находящиеся в воде, оказывают воздействие на тепловое и особенно на трансляционное движение ближайших к ним молекул воды. При этом одни ионы воздействуют на молекулы воды так, что среднее время пребывания их во временных положениях равновесия возрастает по сравнению с чистой водой, т. е. эти ионы ослабляют трансляционное движение молекул воды (Na+, Ca2+, Mg2+, Ba2+, HCO3-, CO2-); другие, наоборот, уменьшают это время, т. е. усиливают трансляционное движение (К+, Cl-, SO2-). В соответствии с этим явление гидратации ионов в воде следует рассматривать не как образование пленок связанной воды, а как действие ионов на трансляционное движение молекул воды. Поэтому положительная гидратация, т. е. ослабляющая трансляционное движение молекул воды, будет способствовать сохранению ориентации молекул и упрочнению водородных связей в ионном растворе, а отрицательная, т. е. усиливающая трансляционное движение, — их ослаблять и уменьшать.

При диссоциации в воде ионов, обладающих той или иной способностью к гидратации, их общее влияние на структуру раствора будет зависеть от того, насколько тот или иной нон способен нейтрализовать противоположное влияние другого иона. Поэтому процессы, происходящие в воде при растворении ионов, оказывают влияние на размеры роев молекул воды, т. е. в целом на ее структуру. Влияние концентрации ионов на структуру воды зависит от того, какой эффект они оказывают. При упорядочивающем эффекте их концентрация будет способствовать росту размеров роев и укреплению имеющихся водородных связей. При разупорядочивающем эффекте концентрация ионов вызывает обратное воздействие.

Трансляционное движение частиц воды существенно влияет и на растворяющую ее способность. С увеличением интенсивности теплового движения частиц воды в связи с повышением ее температуры или доминирующим действием тех или иных ионов растворяющая способность ее повышается. Наоборот, ослабление теплового, и особенно трансляционного, движения понижает растворяющую способность воды.

С понижением температуры тепловое трансляционное движение уменьшается, возрастает влияние ориентационного эффекта молекулярных (ван-дер-ваальсовых) сил, и при температуре, близкой к кристаллизации воды, молекулы ее группируются в льдообразные агрегаты, соединяясь достаточно прочными во дородными связями

Согласно выводам А.А. Ананяна, в соответствии с современным представлением о гидратации ионов следует полагать что взаимодействие минеральных частиц горной породы с водой можно рассматривать как их влияние на трансляционное движение ближайших молекул воды. При этом подвижность молекул воды, ближайших к твердой поверхности, обычно уменьшается, и тем сильнее, чем ближе они расположены к частице. Изменение подвижности части молекул приводит к искажению структуры воды, так как нарушается возможность сохранения их четверной координации. Кроме того, как показал Г.Б. Бокий, расстояния между активными центрами по поверхности глинистых частиц составляют 0,55 нм, а ближайшие расстояния между молекулами воды в воде и во льду около 0,28 нм. Поэтому адсорбированные на активных центрах молекулы воды не могут образовать друг с другом водородных связей и создать мономолекулярный слой. Это также приводит к искажению структуры воды, дезориентации ее молекул.

В тонкодисперсных горных породах вследствие большой их удельной поверхности значительная часть воды оказывается ориентированной поверхностными силами частиц породы и характеризуется искаженной структурой. При замерзании таких пород часть воды переходит в лед с неискаженной или слабо искаженной структурой. Остальная часть воды не кристаллизуется, так как искажение структуры препятствует кристаллизации. Поэтому в любой мерзлой по роде всегда содержится определенное количество незамерзшей воды, которое изменяется в зависимости от температуры.

Большое влияние на фазовые переходы воды в лед имеет степень влажности породы. Чем она меньше, чем тоньше пленки содержащейся в породе воды, тем больше искажение ее структуры и она может дольше находиться в незамерзшем состоянии. Из сказанного следует, что структурные особенности воды определяют ее свойства и взаимодействие с горными породами.