Удельная поверхность грунта

Как гласит легенда, шахматы были изобретены индусским ученым по имени Сета. Царь Индии Шерам пришел в восторг от новой остроумной игры. Решив вознаградить создателя шахмат, он пригласил его к себе во дворец.

— Я решил наградить тебя за твою выдумку. Проси, что хочешь!

Как далее повествуется в легенде, остроумный ученый попросил, чтобы ему выдали немного пшеничных зерен. При этом количество этих зерен должно было быть определено из такой прогрессии: на первую клетку шахматной доски нужно было положить всего-навсего одно зерно, на вторую — только два, на третью — четыре и так удваивать до последней клетки доски.

Царь удивился и решил, что ученый очень скромен и просит крайне мало. Он сказал: «Ты получишь то, что просишь. Жди у ворот дворца, тебе вынесут мешок пшеницы».

Как известно, мудрецы царя в течение ночи подсчитали, что ученому необходимо выдать ни много, ни мало 18 446 744 073 709 551 615 зерен. Это количество пшеницы заняло бы объем в 12 000 км3, что во много раз больше объема пшеницы, собираемой на всей Земле. Теперь представим, что изобретатель решил просить себе в награду землю и для этой цели вместо пшеничных зерен потребовал бы частицы грунта. Давайте примерно подсчитаем, какой они займут объем, если их размер будет меняться?

Для начала возьмем песчаные частицы размером 1 мм. Если насыпать их в сосуд объемом 1 м3, то в нем окажется примерно 10-9Е песчинок. Теперь давайте класть частицы на клетки шахматной доски. Всего придется туда уложить 1,8-19Е песчинок (для простоты округляем эту цифру). Учитывая число песчинок в одном кубометре, легко рассчитаем, что они займут объем 1,8-10Е м3, или 18 км3.

А теперь давайте проделаем эту же операцию с пылеватыми частицами размером 0,01мм. Таких пылинок в сосуде емкостью 1 м3 окажется 10-15Е. Число пылеватых частиц, которые нужно будет уложить на шахматную доску, будет то же, что и для песчинок. Но вот объем их будет только 18 000 м3, или стотысячные доли кубического километра.

Ну, а теперь начнем укладывать на клетки шахматной доски частички глины размером 0,001 мм. В 1 м3 будет находиться 10-18Е зерен. Если взять все глинистые чистички, уложенные по системе индусского ученого Сета, и собрать их в кучу, то ее размер составит лишь 18 м3. Это будет параллелепипед со сторонами 3 X 3 X 2 м.

Так много частичек и в столь малом объеме! Разве это не поразительно? Однако существуют не менее интересные явления, обусловленные астрономическим числом тонких частиц, содержащихся в малых объемах.

Возьмем кубик, у которого длина каждого ребра составляет 1 см. Можно легко подсчитать, что площадь поверхности его сторон равна всего 6 см2. Теперь давайте разделим кубик на восемь равных частей. Площадь его сторон возрастет до 12 см2. Будем продолжать деление дальше. Когда величина сторон распиливаемых кубиков достигнет 1 мм, то площадь их поверхности станет равной 60 см2.

Если разделить наш кубик на микрокубики со сторонами 0,001 мм, то суммарная площадь их поверхности составит 6-6Е см2, или 600 м2. А ведь объем их остался тем же (считаем, что при распиливании потери вещества не происходит—1 см3).

Если дробление продолжить и дальше, до коллоидных размеров, то при сторонах мельчайших кубиков, равных 0,0001 мм, площадь их поверхности будет уже определяться впечатляющей цифрой в 60 млн. см2, или 6000 м2.

Но в грунтах могут быть и еще более тонкие глинистые частицы и тогда в 1 см3 грунта общая площадь поверхности будет еще грандиознее. Ученые назвали площадь этой поверхности частиц в 1 см3 (иногда в 1 г вещества) удельной поверхностью грунта.

Когда мы подсчитывали площадь поверхности, то исходили из упрощенного представления о том, что частицы имеют кубическую форму и тесно прилегают друг к другу. В природе все гораздо сложнее. Прежде всего удельная поверхность зависит от минерального состава. Возьмем, к примеру, глинистый грунт, состоящий из монтмориллонита. Подсчеты показали, что в этом случае удельная поверхность, рассчитанная на I г вещества, достигает 800 м2. Если взять глину, состоящую из гидрослюды, то величина удельной поверхности составит только 80 м2.

Возникает вопрос: «Какое значение имеет удельная поверхность?» Оказывается, многие свойства грунтов зависят от удельной поверхности. Остается только сказать, как на практике определить удельную поверхность грунта. Для этого физикохимия предлагает целый комплекс методов. В основном используется зависимость между удельной поверхностью грунта и его способностью к поглощению разных веществ из растворов или к поглощению газов. Чем больше удельная поверхность, тем больше способность грунта к поглощению.