Электромолекулярные силы в грунтах.

При весьма малых размерах частиц и огромной их удельной поверхности существенное значение имеют молекулярные силы, определяющие природу взаимодействия как минеральных частиц между собой, так и минеральных частиц с водой.

Кристаллическая решётка минеральных частиц грунтов образуется атомами составляющих её химических элементов. Большинство атомов внутри кристаллической решётки минеральных частиц являются нейтральными, т. е. положительно заряженные ядра в них уравновешиваются отрицательно заряженными электронами. Потеря или присоединение к нейтральному атому одного или нескольких электронов делает атом заряженным положительно или отрицательно. Такие атомы носят название ионы: с положительным зарядом – катионы, с отрицательным зарядом – анионы. Внутри минеральных частиц ионы с различными зарядами уравновешены, а на поверхности наблюдается неполное их уравновешивание, так как внешние электрические заряды у поверхности минеральных частиц остаются неиспользованными – свободными. Поэтому минеральные частицы ведут себя как заряженные тела, причём опыты показывают, что грунтовые частицы (глинистые) заряжены отрицательно. Интенсивность поверхностного заряда частиц зависит главным образом от их минералогического состава. Физические и химические проявления поверхностного заряда определяют поверхностную активность минеральных частиц.

Если частицы любого вещества настолько малы, что поверхностная активность существенно влияет на их свойства, то говорят, что вещество находится в коллоидном состоянии. Размер грунтовых коллоидов колеблется от 2 до 0,1 мК. Типичными коллоидными свойствами является способность частиц испытывать броуновское движение (обусловленное толчками молекул) и коагулироваться (слипаться) в воде при наличие электролитов.

Особенно поверхностная активность минеральных частиц проявляется во взаимодействии их с молекулами воды. Как известно, вода состоит из полярных молекул с ионами водорода, заряженными положительно, и ионом кислорода (H⁺, OH^-), заряженным отрицательно. При действии внешнего электрического поля происходит поляризация молекул, которая для диполей воды выражается в ориентации их в электрическом поле.

Известно далее, что диэлектрическая постоянная минеральных частиц значительно больше диэлектрической постоянной воды, поэтому при соприкосновении минеральных частиц с водой возникает электрическое поле с избыточной энергией на поверхности минеральных частиц, что и обуславливает притяжение ориентированных диполей воды к поверхности минеральных частиц.

Электромолекулярные силы притяжения действуют на весьма близких расстояниях от поверхности грунтовых частиц. Величина этих сил у поверхности минеральных частиц огромна (до нескольких тысяч Н), но по мере удаления от грунтовой частицы быстро падает до нуля. Сфера действия молекулярных сил зависит также от состава грунтовой воды и распространяется от нескольких молекулярных слоёв воды до десятков их при общей толщине слоя до 0,5 мК.

Молекулы воды адсорбируются поверхностью минеральных частиц и в свою очередь притягивают другие слои воды, образуя гидратные оболочки вокруг минеральных частиц.