Higroskopia - Hygroscopy
Higroskopia to zjawisko przyciągania i zatrzymywania cząsteczek wody poprzez absorpcję lub adsorpcję z otaczającego środowiska , które zwykle ma miejsce w temperaturze normalnej lub pokojowej. Jeżeli cząsteczki wody ulegną zawieszeniu między cząsteczkami substancji, substancje adsorbujące mogą ulec zmianie fizycznej, np. zmianie objętości, temperatury wrzenia, lepkości lub innej fizycznej cechy lub właściwości substancji.
Etymologia i wymowa
Słowo higroskopijność ( / H aɪ ɡ R ɒ y k ə P I / ) wykorzystuje łączenie formy z hygro- i -scopy . W przeciwieństwie do innych słów -scopy , nie odnosi się już do trybu przeglądania lub obrazowania. Zaczęło się w ten sposób, od słowa higroskop nawiązującego w latach 90. XVIII wieku do urządzeń mierzących poziom wilgotności. Higroskopy te wykorzystywały materiały, takie jak sierść niektórych zwierząt, które po zawilgoceniu znacznie zmieniały kształt i rozmiar. Takie materiały uznano wówczas za higroskopijne, ponieważ nadawały się do wykonania higroskopu. W końcu jednak słowo higroskop przestało być używane w odniesieniu do jakiegokolwiek takiego instrumentu we współczesnym użyciu . Ale słowo higroskopijny (z tendencją do zatrzymywania wilgoci) przetrwało, a więc także higroskopia (zdolność do tego). Obecnie przyrząd do pomiaru wilgotności jest nazywany higrometr ( hygro- + -meter ).
Przegląd
Substancje higroskopijne obejmują włókna celulozowe (takie jak bawełna i papier), cukier , karmel , miód , glicerol , etanol , drewno , metanol , kwas siarkowy , wiele chemikaliów nawozowych, wiele soli (takich jak chlorek wapnia, zasady, takie jak wodorotlenek sodu itp.) oraz szeroka gama innych substancji.
Jeżeli związek rozpuszcza się w wodzie, to uważany jest za hydrofilowy .
Chlorek cynku i chlorek wapnia , a także wodorotlenek potasu i sodu (oraz wiele różnych soli ) są tak higroskopijne, że łatwo rozpuszczają się w wodzie, którą wchłaniają: właściwość ta nazywana jest rozpływaniem się . Kwas siarkowy jest higroskopijny nie tylko w postaci stężonej, ale jego roztwory są higroskopijne do stężeń 10% v/v lub niższych. Materiał higroskopijny ma tendencję do stawania się wilgotnym i zbrylonym pod wpływem wilgotnego powietrza (takiego jak sól w solniczkach podczas wilgotnej pogody).
Ze względu na powinowactwo do wilgoci atmosferycznej materiały higroskopijne mogą wymagać przechowywania w szczelnych pojemnikach. Substancje takie, dodawane do żywności lub innych materiałów w wyraźnym celu utrzymania wilgotności , nazywane są substancjami utrzymującymi wilgoć .
Materiały i związki wykazują różne właściwości higroskopijne, a ta różnica może prowadzić do szkodliwych skutków, takich jak koncentracja naprężeń w materiałach kompozytowych . Na objętość konkretnego materiału lub związku ma wpływ wilgotność otoczenia i można go uznać za jego współczynnik rozszerzalności higroskopijnej (CHE) (określany również jako CME lub współczynnik rozszerzania się wilgoci) lub współczynnik skurczu higroskopijnego (CHC) — różnica między te dwa terminy są różnicą w konwencji znaku.
Różnice w higroskopii można zaobserwować w laminowanych plastikiem okładkach książek w miękkiej oprawie – często w nagle wilgotnym środowisku okładka odwija się od reszty książki. Nielaminowana strona okładki pochłania więcej wilgoci niż laminowana strona i zwiększa swoją powierzchnię, powodując naprężenie, które zwija okładkę w kierunku laminowanej strony. Jest to podobne do działania paska bimetalicznego termostatu . Niedrogie higrometry tarczowe wykorzystują tę zasadę przy użyciu zwiniętej taśmy. Rozpływanie to proces, w którym substancja pochłania wilgoć z atmosfery, aż do rozpuszczenia się w pochłoniętej wodzie i utworzenia roztworu. Rozpływ występuje, gdy ciśnienie pary powstającego roztworu jest mniejsze niż ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu.
Chociaż działają tu pewne podobne siły, różni się to od przyciągania kapilarnego , procesu, w którym szkło lub inne substancje stałe przyciągają wodę, ale nie ulegają zmianie w procesie (np. cząsteczki wody nie zostają zawieszone między cząsteczkami szkła).
Właściwości inżynierskie
Ilość wilgoci zatrzymywanej przez materiały higroskopijne jest zwykle proporcjonalna do wilgotności względnej. Tabele zawierające te informacje można znaleźć w wielu podręcznikach inżynierskich, a także u dostawców różnych materiałów i chemikaliów.
Higroskopia odgrywa również ważną rolę w inżynierii materiałów z tworzyw sztucznych. Niektóre tworzywa sztuczne są higroskopijne, a inne nie.
Biologia
Nasiona niektórych traw mają higroskopijne wypustki, które uginają się wraz ze zmianą wilgotności, umożliwiając im rozprzestrzenianie się po ziemi. Przykładem jest Igła i Wątek, Hesperostipa comata . Każde nasionko ma szydełko, które obraca się o kilka obrotów, gdy nasiono jest wypuszczane. Zwiększona wilgotność powoduje, że się rozkręca, a po wyschnięciu ponownie skręca, wysiewając w ten sposób nasiono w ziemię.
Cierniste smoki gromadzą wilgoć na suchej pustyni poprzez nocną kondensację rosy, która tworzy się na ich skórze i jest kierowana do ich pysków w higroskopijnych rowkach między grzbietami ich skóry. W tych rowkach zbiera się również woda, gdy pada deszcz. Działanie kapilarne umożliwia jaszczurce zasysanie wody z całego ciała.
Rozpłynięcie
Rozpływanie się, podobnie jak higroskopia, charakteryzuje się również silnym powinowactwem do wody i tendencją do wchłaniania wilgoci z atmosfery pod wpływem jej ekspozycji. Jednak w przeciwieństwie do higroskopii rozpływanie się polega na wchłonięciu wystarczającej ilości wody, aby utworzyć roztwór wodny . Większość materiałów rozpływające się sole , włączając chlorek wapnia , chlorek magnezu , chlorek cynku , chlorek żelaza , karnalitu , węglan potasu , fosforan potasu , żelaza cytrynian amonu , azotan amonu , wodorotlenku potasu i wodorotlenku sodu . Ze względu na bardzo duże powinowactwo do wody, substancje te są często stosowane jako desykanty , a także zastosowanie dla stężonych kwasów siarkowego i fosforowego . Niektóre związki rozpływające się w wodzie są używane w przemyśle chemicznym do usuwania wody powstałej w wyniku reakcji chemicznych (patrz rurka do suszenia ).
Polimery
Wiele polimerów inżynieryjnych jest higroskopijnych, w tym nylon , ABS , poliwęglan , celuloza , karboksymetyloceluloza i poli(metakrylan metylu) (PMMA, pleksiglas , pleksiglas ).
Inne polimery, takie jak polietylen i polistyren , zwykle nie absorbują dużej ilości wilgoci, ale są w stanie przenosić znaczną ilość wilgoci na swojej powierzchni, gdy są wystawione na działanie wody w stanie ciekłym.
Nylon typu 6 ( poliamid ) może wchłonąć wilgoć do 9,5% swojej wagi.
Zastosowania w pieczeniu
Aby uzyskać różnice w zawartości wilgoci, a co za tym idzie kruchości, często stosuje się w pieczeniu różne właściwości higroskopijne substancji . Różne odmiany cukrów są używane w różnych ilościach, aby wyprodukować chrupiące, chrupiące ciasteczko (UK: herbatniki) w porównaniu do miękkiego, ciągnącego się ciasta. Cukry takie jak miód , brązowy cukier i melasa to przykłady słodzików używanych do tworzenia bardziej wilgotnych, ciągnących się ciast.