Что такое удельная поверхность и на какие свойства

КАТЕГОРИИ:

Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Дата добавления: 2014-01-03; Просмотров: 2520; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Рекомендуемые страницы:

Читайте также:

Под удельной поверхностью понимают суммарную поверхность всех частиц почвы. Общая удельная поверхность включает внешнюю ивнутреннюю.

Внешняя поверхность обусловлена геометрической неоднородностью поверхности почвенных частиц, проявляющейся в наличии выступов и изломов, а также различных полостей и трещин, глубина которых меньше их ширины. Внутренняя поверхность включает поверхности стенок всех трещин и полостей, глубина которых больше их ширины, но преимущественно обусловлена поверхностью межпакетных пространств минералов с расширяющейся кристаллической решеткой.

Удельная поверхность играет важную роль в формировании почвенного плодородия, поскольку многие процессы, протекающие в почвах, во многом обусловлены величиной и свойствами поверхности их твердой фазы, её геометрической и энергетической неоднородностью. Поверхность почвенных частиц — это место взаимодействия почвы с корнями растений и микроорганизмами. С величиной и качеством удельной поверхности почвенных частиц связаны явления поглощения минеральных и органических веществ, газов, парообразной и жидкой влаги, характер миграционных процессов, физические и технологические свойства.
Величина удельной поверхности зависит от степени дисперсности почвенных частиц (табл. 70).

Дезинтеграция или диспергирование компонентов твердой фазы почвы сопровождается переходом ее в более активное состояние, поскольку увеличивается общая поверхность твердой фазы в единице ее массы или объема, а вместе с ней возрастает и поверхностная энергия. Это способствует более активному взаимодействию почвы с окружающей средой. Поэтому наблюдается довольно тесная взаимосвязь между удельной поверхностью почв и их гранулометрическим составом. Чем тяжелее гранулометрический состав почвы, тем выше величина удельной поверхности.

Сильно влияет на величину удельной поверхности и минералогический состав почвы. Так, у каолинита, имеющего нерасширяющуюся кристаллическую решетку, общая удельная поверхность составляет 10 м2/г. У минералов с подвижной кристаллической решеткой общая удельная поверхность благодаря наличию внутренней поверхности гораздо выше и доходит у вермикулита до 400 м2/г, у смектитов – до 800 м2/г. Большую величину удельной поверхности имеют аллофаны (700-900 м2/г).

Почвы различных типов заметно отличаются друг от друга величиной удельной поверхности. Она изменяется и в пределах профиля отдельно взятой почвы (табл. 71).

Процесс почвообразования, сопровождающийся элювиально-иллювиальным перераспределением компонентов твердой фазы почвы, приводит к такому же изменению величины удельной поверхности в пределах почвенного профиля. Это отчетливо проявляется в солонце и дерново-подзолистой почве. Гумусовоаккуму- лятивный процесс, свойственный черноземам, ведет к увеличению удельной поверхности в верхних горизонтах почвы. Удельная поверхность возрастает и при развитии оглеения, тогда как при подзолообразовательном процессе ее величина снижается, особенно резко в оподзоленных горизонтах.

Показатели удельной поверхности используют для качественной оценки почвенных новообразований, особенно органо-минеральной природы, быстрого ориентировочного определения содержания минералов с разбухающей кристалличес-кой решеткой, для расчета давления почвенной влаги. С помощью этих показателей можно получить представление об особенностях почвообразовательного процесса и степени однородности почвенного профиля.

Удельная поверхность пород – суммарная поверхность частиц или поровых каналов, содержащихся в единице объема образца, – зависит от степени дисперсности частиц, из которых они слагаются. Вследствие небольших размеров отдельных зерен песка и большой плотности их укладки поверхность порового пространства пласта может достигать огромных размеров, что значительно осложняет задачу полного извлечения! нефти из породы. Проницаемость, адсорбционная способность, содержание остаточной (реликтовой) воды и т.д. зависят от удельной поверхности нефтеносных пород. Работами советских ученых М.М. Кусакова, Б.В. Дерягина, К.А. Зинченко, Ф.А. Требина установлено, что кроме объемных свойств жидкостей и газов (например, плотности, вязкости) на характер фильтрации нефти влияют и молекулярные явления, происходящие на контактах жидкости и породы. Объемные свойства жидкостей (вязкость, плотность) обусловливаются действием молекул, распространенными внутри жидкой фазы. Поэтому в крупнозернистой породе с относительно небольшой удельной поверхностью молекулы, находящиеся на поверхности, почти не влияют на процесс фильтрации, так как их число весьма мало по сравнению с числом молекул, находящихся внутри объема жидкости. Если же пористая среда имеет большую удельную поверхность, то число поверхностных молекул жидкости возрастает и становится сравнимым с числом объемных молекул. Поэтому поверхностные явления в малопроницаемой породе могут оказать более значительное влияние на процесс фильтрации жидкости, чем в крупнозернистой.

Таким образом, удельная поверхность – одна из важнейших характеристик горной породы. Следует отметить, что, несмотря на кажущуюся простоту понятия удельной поверхности, сложно точно определить ее величину. Дело в том, что поры в пористой среде представлены каналами размерами от десятков и сотен микрометров (по диаметру) до размеров молекул. Поэтому удельная поверхность

глин или других адсорбентов, влияющая на процесс адсорбции, не имеет для данного пористого вещества определенного значения, а зависит от размера адсорбируемых молекул. Только для молекул, имеющих одинаковые размеры, можно по опытным данным получить близкие значения удельных поверхностей одного и того же адсорбента.

У мелкопористых сред при адсорбции существенно отличающихся по размерам адсорбируемых молекул веществ наблюдаются значительные отклонения в размерах удельной поверхности (явление это носит название ультрапористости).

Легко установить, что если бы все частицы имели шарообразную форму (фиктивный грунт), то поверхность всех частиц в 1 м3 породы составила

(1.25)

где Syд – удельная поверхность, м2/м3; m – пористость, доли единицы; d – диаметр частиц, м.

Для естественных песков удельная поверхность вычисляется суммированием ее значения по каждой фракции гранулометрического состава

(1.26)

Здесь Р – масса породы, кг; Р, – масса данной фракции, кг; di – средние диаметры фракций (в м), определяемые по формуле

(1.27)

где di и di – ближайшие стандартные размеры отверстий сит.

По экспериментальным данным К.Г. Оркина, при определении удельной поверхности по механическому составу в формулу (1.26) следует ввести поправочный коэффициент а, учитывающий повышение удельной поверхности вследствие не шаровидности формы зерен (б= 1,2-1,4). Меньшие значения а относятся к окатанным зернам, большие к угловатым.

Используя уравнения, связывающие параметры фиктивного грунта, аналогичные формуле (1.25), можно также установить зависимость между удельной поверхностью и другими параметрами реальных пород. Для этого при выводе соответствующих формул реальный грунт с неоднородными частицами заменяют эквивалентным естественному фиктивным грунтом. При том гидравлическое сопротивление фильтрации жидкости в обоих грунтах и удельная поверхность их должны быть одинаковыми. Диаметр частиц такого фиктивного грунта принято называть эффективным dэф. Сопоставляя формулы (1.25) и (1.26), можно видеть, что

(1.28) Или (1.29)

С другой стороны, удельную поверхность можно выразить через гидравлический радиус д:

(1.29) или

(1.31)

Гидравлический радиус, как известно, равен отношению площади порового канала к его периметру и для поры с круглым сечением радиусом R

Тогда можно написать (1.32)

Подставляя в (1.32) значение R из формулы (1.18), получим

(1.33)

где k – проницаемость, м2; Syд – удельная поверхность, м2/м3. Если выразить проницаемость в мкм2, то получим удельную поверхность в м2/м3: I (1.34). Из формул (1.33) и (1.34) следует, что чем меньше радиус поровых каналов и проницаемость породы, тем больше ее удельная поверхность.

Формула (1.34) представляет собой один из вариантов формул Козени – Кармана, устанавливающих зависимость коэффициента проницаемости от пористости, удельной поверхности и структуры порового пространства. В общем виде формула Козени – Кармана записывается в виде

(1.35)

где m – пористость породы (характеризующая динамическую полезную емкость коллектора); Sуд – удельная поверхность; Т – извилистость поровых каналов (отношение среднестатистической длины каналов к длине керна); ц – структурный коэффициент, учитывающий форму поровых каналов. Значение извилистости Т может достигать 6 и более.

Представление об удельной поверхности почвы

Важной характеристикой твердой фазы почвы является ее удельная поверхность — суммарная поверхность всех частиц почвы. Чаще всего она выражается в м2/г. Общая удельная поверхность складывается из внешней и внутренней.

Внешняя поверхность обусловлена геометрической неоднородностью поверхности почвенных частиц, проявляющейся в наличии выступов и изломов, а также различных полостей и трещин, глубина которых меньше их ширины. Внутренняя поверхность включает поверхности стенок всех трещин и полостей, глубина которых больше их ширины, но преимущественно обусловлена поверхностью межпакетных пространств минералов с расширяющейся кристаллической решеткой.

Удельная поверхность играет важную роль в формировании почвенного плодородия, поскольку многие процессы, протекающие в почвах, в значительной степени обусловлены величиной и свойствами поверхности их твердой фазы, ее геометрической и энергетической неоднородностью. Поверхность почвенных частиц — это арена взаимодействия почвы и корней растений, почвы и микроорганизмов. С геометрической и энергетической неоднородностью поверхности почвенных частиц связаны явления поглощения минеральных и органических веществ, газов, парообразной и жидкой влаги, характер миграционных процессов, ряд физических и технологических свойств почвы.

Развитие удельной поверхности сопряжено с увеличением степени дисперсности почвенных частиц (табл. 13.5).

Таблица 13.5

Удельная поверхность элементарных почвенных частиц, м2/г (по А.Д. Воронину)

Дезинтеграция или диспергирование компонентов твердой фазы почвы сопровождается переходом ее в более активное состояние, поскольку увеличивается общая поверхность твердой фазы в единице ее массы или объема, а вместе с ней возрастает и поверхностная энергия. Это способствует более активному взаимодействию почвы с окружающей средой. Поэтому наблюдается довольно тесная взаимосвязь между удельной поверхностью почв и их гранулометрическим составом; чем тяжелее гранулометрический состав почвы, тем выше величина удельной поверхности.

Большое влияние на величину удельной поверхности оказывает минералогический состав почвы. Так, у каолинита, имеющего нерас- ширяющуюся кристаллическую решетку, общая удельная поверхность составляет 10 м2/г. У минералов с подвижной кристаллической решеткой общая удельная поверхность благодаря наличию внутренней поверхности гораздо выше — у вермикулита до 400 м2/г, а у смекти- тов до 800 м2/г. Большими величинами удельной поверхности — 700— 900 м2/г — характеризуются аллофаны.

Почвы разных типов заметно отличаются друг от друга величиной удельной поверхности. Изменяется она и в пределах профиля отдельно взятой почвы (табл. 13.6).

Процесс почвообразования, сопровождающийся элювиально-иллювиальным перераспределением компонентов твердой фазы почвы, вызывает такое же изменение величины удельной поверхности в пределах почвенного профиля. Это отчетливо проявляется в солонце и дерново-подзолистой почве. Гумусовоаккумулятивный процесс, свойственный черноземам, способствует увеличению удельной поверхности в верхних горизонтах почвы. Возрастает удельная поверхность и при развитии оглеения, тогда как при подзолообразовательном процессе ее величина снижается, особенно резко в оподзоленных горизонтах.

Таблица 13.6

Удельная поверхность некоторых типов почв (по В. Г. Витязеву)

Показатели удельной поверхности находят широкое применение в различных целях: для качественной оценки почвенных новообразований, особенно органо-минеральной природы, быстрого ориентировочного определения содержания минералов с разбухающей кристаллической решеткой, для расчета давления почвенной влаги. С их помощью можно получить представление об особенностях почвообразовательного процесса и степени однородности почвенного профиля.

Определение удельной поверхности по методу Кутилека

Ход анализа. Из образца почвы, просеянной через сито с диаметром отверстий 1 мм, берут навеску воздушно-сухой почвы массой 3—5 г и помещают в стеклянные бюксы. Бюксы ставят в эксикатор с относительной упругостью водяных паров, равной 0,2. Такая упругость водяного пара создается над 58% раствором серной кислоты при температуре равной 20 °С или над насыщенным раствором ацетата калия. Эксикатор ставят в темное место. Через два-три дня пробы почвы взвешивают, а раствор кислоты меняют. Пробы выдерживают до тех пор, пока масса почвы при последующем взвешивании не изменится. После этого образцы высушивают до постоянной маесы при температуре 105 °С. Величину удельной поверхности находят по формуле

где Ко — масса пустого бюкса, г; V — масса бюкса с почвой, высушенной при 105 °С, г; Кг — масса бюкса с почвой, насыщенной парами воды, г.

Пример расчета. Масса пустого бюкса равна 10,2454 г, масса бюкса с почвой, насыщенной парами воды — 14,7672 г, а бюкса с высушенной почвой — 14,6488 г. Величина удельной поверхности будет равна: