ФИЗИКОХИМИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА, раздел современной коллоидной химии, изучающий зависимость структурно-механических свойств дисперсных систем и материалов от физико-химических явлений на поверхностях раздела фаз (поверхностных явлений). Ф.-х. м. возникла в 30 - 40-х гг. 20 в. и оформилась как самостоят. науч. дисциплина в 50-х гг. преим. благодаря работам сов. учёных, прежде всего П. А. Ребиндера. Ф.-х. м. тесно связана с др. областями коллоидной химии (учением о поверхностных явлениях и поверхностных силах, физико-химией адсорбции и поверхностно-активных веществ, исследованиями устойчивости дисперсных систем, молеку-лярно-кинетич., оптич., электрич. свойств дисперсных систем), а также с молекулярной физикой, физикой и физико-химией реального твёрдого тела, физико-химией полимерных материалов, реологией, механохимией, с рядом разделов геологич. и биологич. наук.

Объекты изучения Ф.-х. м.- природные дисперсные системы (горные породы и почвы, ткани растений и животных), дисперсные системы в различных технологич. процессах (порошки, пасты, суспензии, напр. промывочные растворы для бурения, эмульсии, смазочно-охлаждающие жидкости) и разнообразные материалы, используемые в пром-сти (инструментальные, конструкционные, строительные) и в быту. Ф.-х. м. рассматривает характерное для этих систем и материалов гетерогенное макро-или микронеоднородное строение, в к-ром проявляется универсальность дисперсного состояния вещества. Такие системы и материалы состоят из связанных между собой частиц (глобул, зёрен, волокон и др.), весьма разнообразных по размерам, но существенно превышающих размеры отдельных молекул и сохраняющих все осн. физико-химич., в т. ч. ме-ханич., свойства данного вещества.

Ф.-х. м. различает след. осн. типы пространственных структур, образуемых частицами, в различных физико-химич. условиях. Коагуляционные структуры, в к-рых взаимодействие частиц ограничивается их соприкосновением - непосредственным (напр., в сыпучих структурах) или через остаточные слои дисперсионной среды (в суспензиях и пастах); при этом сила сцепления в контакте (прочность) не превосходит обычно 10^-8-10^-7 н (10^-3-10^-2 дин). Для таких структур характерна механич. обратимость, обусловливающая, в частности, их тиксотропию. Структуры с фазовыми контактами, развитыми на площади, значительно превосходящей молекулярные размеры. Эти структуры, как правило, механически необратимы, прочность контактов в них 10^-7 -10^-6 и (10^-2-10^-1‘дин) и выше. Фазовые контакты развиваются в различных неорганических и органических, кристаллических и аморфных дисперсных системах и материалах при спекании, прессовании, изотермической перегонке, а также при выделении новой, высокодисперсной фазы в пересыщенных растворах и расплавах, напр. в минеральных вяжущих и полимерных материалах; сплошные материалы, в частности металлы и сплавы, можно рассматривать как предельный случай полного срастания зёрен. Каждая структура характеризуется определённой дисперсностью: размером частиц и, следовательно, числом контактов на 1 см² сечения, к-рое составляет, напр., 10²-10³ для порошков с частицами в десятые доли мм и достигает 10¹¹-10¹² для таких высокодисперсных систем, как алюмосиликагели.

Ф.-х. м. рассматривает механические (реологические) свойства - наиболее общие и важные характеристики всех дисперсных систем и материалов в зависимости от их структуры, обусловленной взаимодействием частиц; таковы вязкость, пластичность, тиксо-тропное поведение коагуляционных структур с определённой зависимостью сопротивления сдвигу от скорости течения, упруго-пластическое и упруго-хрупкое поведение твердообразных дисперсных систем и материалов (с фазовыми контактами), характеризующихся определённой прочностью, долговечностью, износостойкостью. Так, в простом случае глобулярной пористой монодисперсной структуры прочность может быть приблизительно равна произведению числа контактов между частицами (на 1 см²) и средней величины силы сцепления в отдельном контакте, изменяясь в зависимости от типа контактов и дисперсности в очень широких пределах (напр., от 10 до 10⁸ и/м²).

Вместе с тем Ф.-х. м. устанавливает определяющую роль физико-химич. явлений на границах раздела фаз (смачивание, адгезия, адсорбция, изменение величины межфазного натяжения, образование особых граничных слоев) во всех процессах взаимодействия частиц и струк-турообразования. На этой основе Ф.-х. м. развивает свои ведущие представления о возможности и эффективности управления структурно-механич. свойствами дисперсных систем и материалов при

оптимальном сочетании механич. воздействий (напр., вибрационных, импульсных) н физико-химич. факторов, прежде всего состава среды и малых добавок поверхностно-активных веществ. Последние, концентрируясь на границах раздела (адсорбируясь на поверхности частиц), позволяют при правильном их выборе радикально изменять свойства данной границы в нужном направлении, обеспечивая хорошее сцепление частиц, либо, наоборот, ослабляя и преодолевая силы сцепления. Так, в лиофобных системах (стеклянные частицы в углеводородных средах, гидрофобизованные поверхности в полярных жидкостях и др.) свободная энергия достигает в коагуляционных контактах десятков эрг/см², а в лиофильных системах (напр., гидрофобизованные монослоями поверхностно-активных веществ полярные частицы в углеводородной среде) составляет сотые доли эрг/см².

В соответствии с явлениями и процессами, рассматриваемыми Ф.-х. м., можно выделить следующие её основные направления: 1) изучение возникновения и разрушения всевозможных пространственных структур как взаимодействия частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды, включая и различные этапы получения материалов (в том числе композиционных) с заданной дисперсной структурой и совокупностью механич. и физико-химич. характеристик; 2) исследование физико-химич. влияния среды и её поверхностно-активных компонентов на механич. свойства разнообразных сплошных и пористых твёрдых тел и материалов (Ребиндера эффект), выяснение условий использования эффекта Ребиндера для облегчения обработки материалов и предотвращения его возможного вредного влияния; 3) анализ закономерностей и механизма сцепления поверхностей твёрдых тел (контактных взаимодействий) в условиях граничного трения, износа, смазывающего действия, формирования покрытий и др.

Для Ф.-х. м. характерно всестороннее изучение структурно-реологических (особенно нелинейных) характеристик дисперсных систем при широком варьировании условий: напряжённого состояния, температуры, состава среды, пересыщений и др.; непосредственное экспериментальное изучение элементарных актов при контактных взаимодействиях; разнообразные механич. испытания твёрдых тел и материалов в активных средах; использование математич. моделирования и численных методов для описания реологических свойств дисперсных систем и для анализа молекулярного механизма влияния среды.

На основе общих принципов Ф.-х. м. разработаны методы диспергирования и управления свойствами дисперсных систем и различных материалов, широко используемые: 1) в гетерогенных химико-технологич. процессах (напр., при произ-ве бумаги, в текстильной и лакокрасочной пром-сти, при получении теста и кондитерских масс, топливных композиций и др.); 2) при приготовлении всевозможных материалов, напр. керамики, катализаторов и сорбентов, разнообразных полимерных материалов, при затво-рении цементного раствора, подготовке асфальтобетонов, формовочных земель, составлении композиций в порошковой металлургии, закреплении грунтов. 3) для облегчения процессов помола, бу-

рения твёрдых горных пород, измельчения руды перед обогащением, обработки резанием; и наоборот, для повышения стойкости и долговечности конструкционных и др. материалов в активных средах; 4) для оптимизации контактных взаимодействий, напр. при обработке металлов давлением, при эксплуатации узлов трения в машинах, механизмах и приборах. Лит.: Ребиндер П. А., Физико-химическая механика, М., 1958; Лихтман В. И., Щукин Е. Д., Ребиндер П. А., Физико-химическая механика металлов, М., 1962; Физико-химическая механика дисперсных структур. Сб., М., 1966; Успехи коллоидной химии, М., 1973. Е. Д. Щукин.

метод исследования физ.-хим. систем, посредством к-рого устанавливают характер взаимодействия компонентов системы на основе изучения соотношений между её физ. свойствами и составом. Основы Ф.-х. а. заложены в конце 19 в. Дж. Гиббсом, Д. И. Менделеевым, Я. Вант-Гоффом. Развитие этого метода обусловлено работами А. Ле Шателъе, Г. Таммана, X. Розебома и особенно Н. С. Курнакова и его школы. В Ф.-х. а. измеряют различные физ. свойства систем, чаще всего темп-ры фазовых переходов (см. Термический анализ) и др. тепловые свойства (теплопроводность, теплоёмкость, тепловое расширение), электриче-ские(электрич. проводимость, диэлектрич. проницаемость), оптические (показатель преломления, вращение плоскости поляризации света), плотность, вязкость, твёрдость и др., а также зависимость скорости происходящих в системе превращений от её состава. Широко используют изучение исследуемых объектов посредством рентгеновского структурного анализа, микроскопической металлографии и др.

Основной приём Ф.-х. а.-построение диаграмм состав - свойство, диаграмм состояния (состав - темп-pa, состав - давление и т. п.) и их геометрич. анализ. Поскольку аналитич. выражения, описывающие фазовые равновесия, очень громоздки и лишь приближённо определяют области существования фаз, геометрич. анализ диаграмм является наиболее общим приёмом, позволяющим судить о составе и границах существования фаз системы, не прибегая к их выделению из смеси и обычному хим. анализу. Это делает Ф.-х. а. важным методом исследования систем из двух, трёх и многих компонентов - сплавов, минералов, растворов, карбидов, окислов, полупроводниковых и сверхпроводящих материалов, систем, образованных органич. соединениями, и др.

В основе Ф.-х. а. лежат фаз правило и впервые введённые Н. С. Курнаковым принципы непрерывности и соответствия. Согласно принципу непрерывности, при непрерывных изменениях параметров состояния свойства системы изменяются также непрерывно (при условии, что число её фаз остаётся постоянным); при изменении числа фаз некоторые свойства изменяются скачком (претерпевают разрыв непрерывности). Согласно принципу соответствия, каждой фазе или совокупности фаз системы соответствует определённый геометрич. образ (точка, линия, поверхность, объём) на диаграмме состав - свойство. Так, началу кристаллизации фазы (или фаз) соответствуют кривые (или поверхности) ликвидуса, над к-рыми расположена область существования одной жидкой фазы (раствора или расплава); концу кристаллизации соответствуют линии (или поверхности) солидуса, ниже к-рых существуют лишь твёрдые фазы.

При непрерывном изменении состава системы её компоненты могут образовать хим. соединение. Если оно не диссоциировано и имеет постоянный состав (дальтонид), на диаграммах состав - свойство наблюдается сингулярная точка. Образованию хим. соединения переменного состава (бертоллида, см. Далътониды и бертоллиды) соответствует пологий максимум на диаграммах состояния, в к-ром линии (или поверхности) ликвидуса и солидуса касаются; в этом случае на диаграмме состав- свойство сингулярная точка отсутствует.

Простейшие примеры применения Ф.-х. а. см. в ст. Двойные системы, Тройные системы.

Лит.: Курнаков Н. С., Введение в физико-химический анализ, 4 изд., М. - Л., 1940; его же, Избранные труды, т. 1 - 3, М., 1960-63; Аносов В. Я., Погодин С. А., Основные начала физико-химического анализа, М.-Л., 1947; Исследования по теоретической и прикладной неорганической химии, М., 1971; Михеева В. И., Метод физико-химического анализа в неорганическом синтезе, М., 1975; Николаев А. В., Яковлев И. И., Клатратообразование и физико-химический анализ экстракционных систем, Новосиб., 1975. С. А. Погодин.