Higroskopijność

Higroskopia to zjawisko przyciągania i zatrzymywania cząsteczek wody poprzez absorpcję lub adsorpcję z otaczającego środowiska , które zwykle ma temperaturę normalną lub pokojową. Jeśli cząsteczki wody zostaną zawieszone między cząsteczkami substancji, adsorbujące substancje mogą ulec fizycznym zmianom, np. zmianie objętości, temperatury wrzenia, lepkości lub innej fizycznej właściwości lub właściwości substancji. Na przykład drobno zdyspergowany higroskopijny proszek, taki jak sól, może z czasem zbrylać się z powodu gromadzenia się wilgoci z otaczającego środowiska.

rozpływające się są na tyle higroskopijne, że pochłaniają tyle wody, że stają się płynne i tworzą roztwór wodny.

Higroskopia jest niezbędna dla wielu gatunków roślin i zwierząt w zakresie nawodnienia, odżywiania, reprodukcji i/lub rozsiewania nasion . Ewolucja biologiczna stworzyła higroskopijne rozwiązania do zbierania wody, wytrzymałości włókien na rozciąganie, wiązania i ruchu pasywnego - naturalne rozwiązania rozważane w przyszłej biomimetyce .

Etymologia i wymowa

Słowo higroskopia ( / łączące h aɪ ɡ r ɒ s k ə pi / ) wykorzystuje formy higro- i -scopy . _ W przeciwieństwie do innych słów -scopy nie odnosi się już do trybu przeglądania ani obrazowania. Zaczęło się w ten sposób, od słowa higroskopijny odnosząc się w latach 90. XVIII wieku do urządzeń do pomiaru poziomu wilgotności. Te higroskopy wykorzystywały materiały, takie jak niektóre sierść zwierzęca, które znacznie zmieniały kształt i rozmiar, gdy stały się wilgotne. Mówiono wówczas, że takie materiały są higroskopijne , ponieważ nadawały się do wykonania higroskopu. Ostatecznie jednak słowo higroskopij przestało być używane w odniesieniu do takiego instrumentu we współczesnym użyciu . Ale słowo higroskopijny (z tendencją do zatrzymywania wilgoci) przetrwało, a więc także higroskopijność (zdolność do tego). Obecnie przyrząd do pomiaru wilgotności nazywa się higrometr ( higrometr + + ) .

Historia

Wczesna literatura dotycząca higroskopijności rozpoczęła się około 1880 roku. Badania Victora Jodina ( Annales Agronomiques , październik 1897) koncentrowały się na biologicznych właściwościach higroskopijności. Zauważył, że nasiona grochu, zarówno żywe, jak i martwe (bez zdolności kiełkowania), reagowały podobnie na wilgotność powietrza, zwiększając lub zmniejszając swoją masę w zależności od zmienności higrometrycznej.

Marcellin Berthelot postrzegał higroskopijność od strony fizycznej, procesu fizyko-chemicznego. Zasada Berthelota dotycząca odwracalności, krótko mówiąc, że woda wysuszona z tkanki roślinnej może zostać przywrócona higroskopijnie, została opublikowana w „Recherches sur la desiccation des plantes et des tissues végétaux; condition d'équilibre et de réversibilité” (Annales de Chimie et de Physique, str . kwiecień 1903).

Léo Errera patrzył na higroskopijność z perspektywy fizyka i chemika. Jego pamiętnik „Sur l'Hygroscopicité comme przyczyna de l'action physiologique à distance” ( Recueil de l'lnstitut Botanique Léo Errera, Université de Bruxelles , tom VI, 1906) dostarczył definicji higroskopijnej, która pozostaje aktualna do dziś. Higroskopijność jest „przedstawiona w najbardziej wszechstronnym sensie, jak pokazano

( a ) w kondensacji pary wodnej z powietrza na zimnej powierzchni szkła;

( b ) w kapilarności włosów, wełny, bawełny, wiórów drzewnych itp.;

( c ) we wchłanianiu wody z powietrza przez żelatynę;

( d ) w rozpłynięciu się soli kuchennej;

( e ) w absorpcji wody z powietrza przez stężony kwas siarkowy;

( f ) w zachowaniu wapna palonego”.

Przegląd

Aparatura do oznaczania higroskopijności nawozów, Laboratorium Badawcze Azotu Stałego, ca. 1930

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 wiele innych substancji.

Jeśli związek rozpuszcza się w wodzie, uważa się go za hydrofilowy .

Chlorek cynku i chlorek wapnia , a także wodorotlenek potasu i wodorotlenek sodu (i wiele różnych soli ) są tak higroskopijne, że łatwo rozpuszczają się w wodzie, którą wchłaniają: ta właściwość nazywa się rozpływaniem . Kwas siarkowy jest higroskopijny nie tylko w postaci stężonej, ale także jego roztwory są higroskopijne do stężeń 10% v/v lub niższych. Materiał higroskopijny będzie miał tendencję do wilgotnienia i zbrylania się pod wpływem wilgotnego powietrza (takiego jak sól w solniczkach podczas wilgotnej pogody).

Ze względu na ich powinowactwo do wilgoci atmosferycznej pożądane materiały higroskopijne mogą wymagać przechowywania w szczelnych pojemnikach. Niektóre materiały higroskopijne, np. sól morska i siarczany, występują naturalnie w atmosferze i służą jako zarodki chmur , jądra kondensacji chmur (CCN). Będąc higroskopijnymi, ich mikroskopijne cząsteczki zapewniają atrakcyjną powierzchnię dla pary wodnej, która może się skraplać i tworzyć kropelki. Współczesne ludzkie zasiewania chmur rozpoczęły się w 1946 roku.

W przypadku dodania do żywności lub innych materiałów w celu utrzymania zawartości wilgoci , materiały higroskopijne są znane jako środki pochłaniające 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 określonego materiału lub związku ma wpływ wilgotność otoczenia i można ją uznać za współczynnik rozszerzalności higroskopijnej (CHE) (określany również jako CME lub współczynnik rozszerzalności wilgoci) lub współczynnik skurczu higroskopijnego (CHC) — różnica między tymi dwoma terminami jest różnica w konwencji znakowej.

Różnice w higroskopijności można zaobserwować w okładkach książek w miękkiej oprawie laminowanych tworzywem sztucznym — często w nagle wilgotnym środowisku okładka książki odwija się od reszty książki. Strona nielaminowana okładki pochłania więcej wilgoci niż strona laminowana i zwiększa powierzchnię, powodując naprężenia, które wyginają okładkę w kierunku strony laminowanej. paska bimetalicznego termostatu . Niedrogie higrometry tarczowe skorzystaj z tej zasady, używając zwiniętego paska. Rozpływanie się to proces, w którym substancja pochłania wilgoć z atmosfery, aż rozpuści się w pochłoniętej wodzie i utworzy roztwór. Rozpływanie się występuje, gdy prężność pary utworzonego roztworu jest mniejsza niż ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu.

Chociaż działają tutaj podobne siły, różni się to od przyciągania kapilarnego , procesu, w którym szkło lub inne substancje stałe przyciągają wodę, ale nie ulegają zmianie w trakcie tego procesu (np. cząsteczki wody nie zawieszają się między cząsteczkami szkła).

Rozpływanie się

Rozpływanie się, podobnie jak higroskopijność, charakteryzuje się również silnym powinowactwem do wody i tendencją do wchłaniania wilgoci z atmosfery w przypadku wystawienia na jej działanie. Jednak w przeciwieństwie do higroskopijności rozpływanie się polega na wchłonięciu wystarczającej ilości wody w celu utworzenia roztworu wodnego . Większość materiałów rozpływających się to sole , w tym chlorek wapnia , chlorek magnezu , chlorek cynku , chlorek żelazowy , karnalit , węglan potasu , fosforan potasu , cytrynian żelazowo-amonowy , azotan amonu , wodorotlenek potasu i wodorotlenek sodu . Ze względu na bardzo duże powinowactwo do wody, substancje te są często stosowane jako osuszacze , a także zastosowanie do stężonych kwasów siarkowych i fosforowych . Niektóre związki rozpływające się są używane w przemyśle chemicznym do usuwania wody powstałej w wyniku reakcji chemicznych (patrz rurka susząca ).

Biologia

Higroskopijność pojawia się zarówno w królestwie roślin, jak i zwierząt, przy czym te ostatnie czerpią korzyści z nawodnienia i odżywiania. Niektóre gatunki płazów wydzielają higroskopijny śluz, który pochłania wilgoć z powietrza. Pająki budujące sieć kulistych wytwarzają higroskopijne wydzieliny, które zachowują lepkość i siłę przyczepności ich sieci. Jeden gatunek gadów wodnych jest w stanie podróżować poza ograniczenia wodne na ląd dzięki swojej hydroskopijnej powłoce .

Rośliny czerpią korzyści z higroskopijności poprzez nawodnienie i rozmnażanie - wykazano na zbieżnych przykładach ewolucji . Ruch higroskopijny (ruch aktywowany higrometrycznie) jest integralną częścią zapłodnienia, uwalniania nasion/zarodników, rozprzestrzeniania się i kiełkowania. Wyrażenie „ruch higroskopijny” pochodzi z „ Vorlesungen Über Pflanzenphysiologie ” z 1904 r., Przetłumaczonego w 1907 r. jako „Wykłady z fizjologii roślin” ( Ludwig Jost i RJ Harvey Gibson , Oksford, 1907). Kiedy ruch przybiera większą skalę, dotknięte tkanki roślinne są potocznie nazywane higromorfami. Higromorfia jest powszechnym mechanizmem rozsiewania nasion, ponieważ ruch martwych tkanek reaguje na zmiany wilgotności, np. uwalnianie zarodników z żyznych brzegów Onoclea sensibilis . Ruch występuje, gdy tkanka roślinna dojrzewa, obumiera i wysycha, ściany komórkowe wysychają, kurczą się; a także gdy wilgoć ponownie nawadnia tkankę roślinną, ściany komórkowe powiększają się, rozszerzają. Kierunek powstającej siły zależy od architektury tkanki i może powodować ruchy zginające, skręcające lub zwijające.

Higroskopijne przykłady hydratacji

Roślina powietrzna ( Tillandsia bulbosa )
Wodny wąż pilnikowy ( A. granulatus ) z higroskopijną skórą pokazany poza wodą.
Pająk tkacz kul ( Larinioides cornutus ) z higroskopijnymi powlekanymi nitkami przechwytującymi.
Rzekotka drzewna małpy woskowej ( Phyllomedusa sauvagii )

Rośliny powietrzne, gatunek Tillandsia , to epifity , które wykorzystują swoje zdegenerowane, pozbawione składników odżywczych korzenie do zakotwiczenia na skałach lub innych roślinach. Liście higroskopijne pochłaniają niezbędną im wilgoć z powietrza. Zebrane cząsteczki wody są transportowane z powierzchni liści do wewnętrznej sieci magazynowej poprzez ciśnienie osmotyczne o pojemności wystarczającej do rosnących wymagań rośliny.

Wąż pilnikowy ( Acrochordus granulatus ), z rodziny znanej jako całkowicie wodne, ma higroskopijną skórę, która służy jako zbiornik wodny, opóźniając wysychanie, umożliwiając mu wydostanie się z wody.

Innym przykładem jest lepki jedwab wychwytujący występujący w pajęczynach, np. pająka tkacza kul ( Larinioides cornutus ). Ten pająk, jak zwykle, pokrywa swoje nici hydrożelem własnej roboty , mieszanką agregatów glikoprotein, związków organicznych i nieorganicznych o niskiej masie cząsteczkowej (LMMC) oraz wody. LMMC są higroskopijne, podobnie jak klej, którego właściwości pochłaniania wilgoci wykorzystują wilgotność otoczenia, aby jedwab był miękki i lepki.

Rzekotka drzewna ( Phyllomedusa sauvagii ) i australijska rzekotka drzewna ( Litoria caerulea ) korzystają z dwóch higroskopijnych procesów hydratacji; przezskórne wchłanianie skroplin na ich skórze i zmniejszona utrata wody przez parowanie dzięki barierze ze skondensowanej wody pokrywającej ich skórę. Objętość kondensacji jest zwiększana przez higroskopijne wydzieliny, które ocierają się o ziarnistą skórę.

Niektóre ropuchy wykorzystują higroskopijne wydzieliny, aby zmniejszyć utratę wody przez parowanie, Anaxyrus sp. być przykładem. Jadowita wydzielina ślinianki przyusznej zawiera również higroskopijne glikozaminoglikany . Kiedy ropucha wyciera tę ochronną wydzielinę na swoim ciele, jej skóra zostaje zwilżona wilgocią otoczenia, co jest uważane za pomoc w utrzymaniu równowagi wodnej.

Nasiona Trifolium pratense (koniczyna czerwona) obok dziesięciocentówki amerykańskiej dla skali.

Saguaro ( Carnegiea gigantea ) owocuje higroskopijnymi, pochłaniającymi wilgoć nasionami

Koniczyna czerwona i biała ( Trifolium pratense ) i ( Trifolium repens ), łubin żółty ( Lupinus arboreus ) i kilku członków rodziny roślin strączkowych ma higroskopijną zastawkę wnęki (hilum) , która kontroluje poziom wilgoci w zarodku nasion. Saguaro ( Carnegiea gigantea ), inne eudicots ma również higroskopijne nasiona, które wchłaniają do 20% wagowych wilgoci atmosferycznej. Funkcjonalnie zawór wnęki umożliwia wejście lub wyjście pary wodnej, aby zapewnić żywotność, jednocześnie blokując wodę w stanie ciekłym. Jeśli jednak poziom wilgotności stopniowo wzrośnie do wystarczająco wysokiego poziomu, zawór wnęki pozostaje otwarty, umożliwiając przepływ ciekłej wody do kiełkowania. Fizjologicznie, wewnętrzny i zewnętrzny naskórek mają niezależną kontrolę zastawki wnęki. Zewnętrzny naskórek ma komórki w kształcie kolumn, rozmieszczone pierścieniowo wokół wnęki. Te komórki przeciwpalisady, będąc higroskopijnymi, reagują na wilgoć zewnętrzną pęcznieniem i zamykaniem zastawki wnęki podczas wysokiej wilgotności, zapobiegając wchłanianiu wody do nasion. Odwracalnie kurczą się, otwierając zawór podczas niskiej wilgotności, pozwalając nasionom na wydalenie nadmiaru wilgoci. Wewnętrzny naskórek, wewnątrz nieprzepuszczalnej powłoki nasion, zawiera komórki naskórka palisadowego, drugą ułożoną pierścieniowo warstwę higroskopijną, dostosowaną do poziomu wilgoci zarodka. Istnieje napięcie wilgoci pomiędzy wewnętrznymi i zewnętrznymi komórkami palisadowymi. Aby wnęka się zamknęła, wilgotność ta musi przekroczyć pewien minimalny poziom (14-25% dla tych gatunków). Kiedy zastawka wnęki jest otwarta (tj. przy niskiej wilgotności zewnętrznej), jeśli wilgotność nagle wzrasta, napięcie wilgoci osiąga próg ochronny i wnęka zamyka się, zapobiegając przedostawaniu się wilgoci (ciekłej wody). Jeśli jednak wilgotność zewnętrzna wzrasta stopniowo, co oznacza odpowiednie warunki wzrostu, poziom napięcia wilgoci nie przekracza natychmiast progu, utrzymując wnękę otwartą i umożliwiając stopniowe wnikanie wilgoci niezbędne do nasiąkanie .

Przykłady ruchów higroskopijnych

Nasiona niektórych traw mają higroskopijne wypustki, które wyginają się wraz ze zmianami wilgotności, umożliwiając im rozproszenie się po ziemi. Przykładem jest Needle-and-Thread, Hesperostipa comata . Każde ziarno ma awn , który przekręca się kilka razy, gdy nasiono jest uwalniane. Zwiększona wilgotność powoduje, że się rozkręca, a po wyschnięciu ponownie skręca, wbijając w glebę.

Właściwości inżynierskie

Właściwości higroskopijne różnych materiałów zilustrowane w formie wykresu; wilgotność względna na osi X i zawartość wilgoci na osi Y.

Higroskopijność to ogólny termin używany do opisania zdolności materiału do wchłaniania wilgoci z otoczenia. Nie ma standardowej ilościowej definicji higroskopijności, więc ogólnie kwalifikacja higroskopijności i niehigroskopijności jest ustalana indywidualnie dla każdego przypadku. Na przykład farmaceutyki, które wychwytują więcej niż 5% masowych, przy wilgotności względnej między 40 a 90% w temperaturze 25°C, są określane jako higroskopijne, podczas gdy materiały, które wychwytują mniej niż 1% w tych samych warunkach, są uważane za nie higroskopijny.

Ilość wilgoci utrzymywanej 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.

Higroskopijność odgrywa również ważną rolę w inżynierii tworzyw sztucznych. Niektóre tworzywa sztuczne, np. nylon , są higroskopijne, a inne nie.

polimery

Wiele polimerów konstrukcyjnych 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 pochłaniają dużo wilgoci, ale są w stanie przenosić znaczną wilgoć na swojej powierzchni, gdy są wystawione na działanie wody w stanie ciekłym.

Nylon typu 6 ( poliamid ) może wchłonąć do 9,5% swojej wagi wilgoci.

Zastosowania w piekarnictwie

Wykorzystanie właściwości higroskopijnych różnych substancji w pieczeniu jest często wykorzystywane do uzyskania różnic w zawartości wilgoci, a co za tym idzie, chrupkości. Różne rodzaje cukrów są używane w różnych ilościach, aby wytworzyć chrupiące, chrupiące ciastko (Wielka Brytania: herbatnik) w porównaniu do miękkiego ciasta do żucia. Cukry, takie jak miód , brązowy cukier i melasa , to przykłady substancji słodzących używanych do tworzenia bardziej wilgotnych ciast do żucia.

Zobacz też

Linki zewnętrzne