СТРОИТЕЛЬСТВО ЗДАНИЙ - техника, технология и процесс возведения сооружений (имеющих стены, полы и крыши) жилищного, общественного, производственного и другого назначения.

ОРГАНИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА

Все здания, кроме самых простых, строятся в соответствии с чертежами, спецификациями, техническими условиями, строительными нормами и правилами, разработанными архитекторами и инженерами-строителями. Строительные работы обычно выполняются подрядчиком, который в письменном контракте обязуется построить рассматриваемое здание в соответствии с чертежами и спецификациями за определенную плату, называемую паушальной суммой, или за сумму его фактических расходов плюс фиксированное вознаграждение либо определенный процент фактических расходов. В контракте часто указывается максимальная гарантируемая сумма расходов. Генеральный подрядчик обычно прибегает к услугам субподрядчиков, заключая с ними контракты на выполнение отдельных видов работ, таких, как штукатурные, малярные, кровельные и санитарно-технические, тоже за паушальную сумму или за сумму фактических расходов плюс фиксированное вознаграждение либо определенный процент суммы расходов. Подрядчик назначает ответственного за строительство - прораба, - который, постоянно находясь на строительной площадке, координирует работу разных специалистов и от имени генподрядчика осуществляет общий контроль за ходом строительных работ. Архитектор также имеет своего представителя, который контролирует соответствие чертежам и спецификациям. Если заказчик вносит в чертежи и спецификации изменения, то архитектор после их согласования дает генподрядчику письменное распоряжение об изменениях. Если эти изменения влекут за собой повышение стоимости, то до выполнения работ заключается письменное соглашение о размере приплаты. Часто бывает желательным, чтобы учрежденческое здание, гостиница или другое здание было построено в определенный срок и можно было бы заранее планировать коммерческие операции - заключать с указанием этого срока контракты на аренду, на поставки товаров и т.д. Для правильной координации различных видов деятельности, в том числе календарного планирования строительных работ, подачи заказов на материалы и оборудование, найма необходимой рабочей силы, до начала строительных работ проводится детальный системный анализ. При технологическом, календарном и организационном планировании строительных работ пользуются методами сетевого планирования, такими, как метод критического пути, введенный фирмой "Дюпон де Немур" и применяемый в анализе сложных систем. При таком планировании для каждого вида работ устанавливаются сроки начала и окончания и определяется потребность в рабочей силе, оборудовании и материалах. Анализируются также последствия, которые для одних работ может иметь задержка или досрочное выполнение других. Результаты анализа пересматриваются в ходе строительства для внесения поправок с учетом фактического выполнения фронта работ и выявления тех видов работ, которые требуют ускорения для завершения строительства в назначенный срок.

Расчет и проектирование. Форма и вес здания определяются его интерьером, а интерьер - его назначением. Нагрузки же, которые должны учитываться при проектировании зданий, можно разделить на три группы: статические (постоянные), временные (динамические) и боковые. К статическим нагрузкам относится вес всех элементов здания, а именно стен, закрепленных перегородок, междуэтажных перекрытий, крыши и неподвижного оборудования. К временным - вес всей мебели, подвижного оборудования (такого, как сейфы и машины), персонала, временных и передвижных перегородок, снега и льда, накапливающихся на крыше. К боковым нагрузкам относятся давление ветра на стены здания, давление грунта на его фундамент, ударные воздействия землетрясений. Если фундамент заложен ниже уровня подземных вод, то нужно учитывать гидростатическое давление, действующее сбоку на стены фундамента и вертикально вверх на его подошву. Нагрузки, на которые должны рассчитываться проектируемые здания, указываются в строительных нормах и правилах (СНиП).

ЧАСТИ ЗДАНИЯ

Надземная часть здания называется верхней, а подземная - нижней. Нагрузку несут такие части здания, как несущие стены, балки, колонны, плиты перекрытия, рамы, куполы и арочные перемычки. Стены здания - это вертикальные конструкции, ограждающие здание или разделяющие его на комнаты и помещения; разделяющие стены обычно называются перегородками. Балка - это удлиненный горизонтальный элемент конструкции в виде бруса, опертый в одной или нескольких точках по его длине и рассчитанный на поперечную нагрузку (лежащую на нем). Балки передают нагрузку перекрытий и крыши (покрытия здания) несущим стенам или перегородкам, колоннам, фермам, арочным перемычкам и другим балкам, называемым ригелями и прогонами, которые, в свою очередь, передают нагрузки несущим стенам и колоннам. Плита перекрытия представляет собой плоский элемент конструкции, обычно железобетонный, который перекрывает пространство между балками и ригелями, образуя междуэтажное перекрытие или настил крыши. Колонна - это удлиненный вертикальный элемент конструкции, который передает нагрузки междуэтажных перекрытий, крыши и других элементов фундаменту. Ферма - это элемент конструкции, составленный из стержней, которые образуют треугольники, лежащие в одной плоскости. Арочная перемычка - это конструкция в форме кривого бруса (с выпуклостью вверх) для перекрытия проемов (рис. 1). Арочная перемычка, несущая вертикальную нагрузку, работает в основном на сжатие и вызывает в опорах не только вертикальные, но и боковые реакции.

Рис. 1. АРОЧНАЯ ПЕРЕМЫЧКА. 1 - верхняя выпуклая поверхность; 2 - пазуха; 3 - замковый камень; 4 - клинчатый камень; 5 - полудужье; 6 - пятовый камень; 7 - пролет; 8 - стрела подъема.

В здании с несущими стенами нагрузки передаются фундаменту непосредственно стенами, а в каркасном здании - жестким каркасом, составленным из балок, ферм, ригелей, прогонов и колонн (крыша, перекрытия, стены и перегородки держатся на этом каркасе). Наружные стены, если они не несут другой нагрузки, кроме собственного веса, называются навесными стенами заполнения каркаса. Для зданий с числом этажей не более пяти, как правило, более экономична конструкция с несущими стенами, а для высоких зданий - каркасная. В высотных общественных зданиях (30 этажей и более) наиболее рациональны стальные каркасно-панельные конструкции.

Проблема осадки. Одной из главных задач, которые приходится решать при проектировании здания, является задача предотвращения или сведения к допустимому минимуму его осадки. Если все здание оседает равномерно, то серьезных последствий это может и не вызвать, разве что для тротуаров и мостовых. Неравномерное же оседание приводит к появлению трещин в стенах, перекосу колонн, стен и окон, к растрескиванию и перекашиванию перекрытий, к разладке механического оборудования и другим неприятностям. Осадка обусловлена в основном уплотнением грунта под действием веса здания. Она в значительной мере предотвращается правильным выбором типа фундамента.

См. ФУНДАМЕНТ.

Стены и перегородки. Наружные стены ручной кладки могут быть выполнены из кирпичей и природных или искусственных камней разного вида (рис. 2), уложенных на растворе. Минимально допустимая толщина наружных стен ручной кладки для одноэтажных жилых зданий равна 20 см, для прочих - 30 см. Толщина несущих стен определяется в значительной мере числом этажей и должна поэтажно увеличиваться книзу. Минимальная толщина железобетонных несущих стен равна 15 см.

Рис. 2. СТЕНОВЫЕ БЛОКИ. а - стандартный керамический для кладки на ложок; б - для кладки на тычок; в - стена из пустотелых керамических блоков; г - кирпичная облицовка; д - каменная облицовка; е и ж - блоки для кладки стен; з - блок для кладки перегородок.

Внутренние стены также могут быть несущими и ненесущими. Перегородками считаются ненесущие внутренние стены, не выходящие за пределы одного этажа. Материалы и конструкция стен и перегородок должны соответствовать требованиям огнестойкости, предъявляемым к зданиям данного типа. В тех случаях, когда для строительства допускаются горючие материалы, обычный тип конструкции таков: деревянные стойки 5*10 см, покрытые деревянной обрешеткой или металлической либо гипсовой сеткой и оштукатуренные. В жилых домах широко применяются также перегородки с сухой штукатуркой, которые состоят из деревянных стоек, с обеих сторон покрытых листами фанеры, древесно-волокнистыми или древесно-стружечными плитами (ДСП), сухой штукатуркой или асбоцементными панелями шириной 1,2 м и нужной длины. Наружные стены деревянных каркасных зданий (рис. 3) обычно выполняются из деревянных стоек 5*10 см, расположенных на расстоянии 40 см друг от друга. Снаружи они обшиваются досками толщиной 2,5 см (прибиваемыми горизонтально или по диагонали), фанерой, ДСП или сухой штукатуркой, а изнутри покрываются обрешеткой и штукатуркой либо одним из перечисленных выше видов обшивочных материалов. Для уменьшения воздухопроницаемости обшивку покрывают строительным картоном. Сверху обшивка закрывается облицовочным материалом. Это могут быть обшивочные доски, накладываемые горизонтально или по диагонали, кровельная плитка либо 10-см облицовочный слой кирпича или камня с анкерным креплением к стене. Между стойками наружных стен обычно предусматривают теплоизоляцию. Для предотвращения запотевания (конденсации паров воды) под отделочный слой наружных стен с их внутренней стороны подкладывают толь или пластиковую пленку. Внутренние стены и перегородки отличаются от наружных тем, что они не имеют ни облицовки наружного типа, ни теплоизоляции, но с обеих сторон штукатурятся или покрываются листами сухой штукатурки.

Рис. 3. ДЕРЕВЯННОЕ КАРКАСНОЕ ЗДАНИЕ. 1 - конек; 2 - стропило (стропильная нога); 3 - накат (настил крыши); 4 - балка перекрытия; 5 - стыковая накладка; 6 - стойки каркаса; 7 - фундаментная балка; 8 - обвязочная накладка; 9 - черный пол; 10 - связи жесткости или противопожарной перегородки; 11 - балка перекрытия (по периметру); 12 - обшивка; 13 - поперечные связи; 14 - стена фундамента; 15 - угловой столб; 16 - лежень.

Балки. Балки разного вида (лаги, ригели, прогоны, балки перекрытия, перекладины, стропильные ноги, обрешетины крыши) могут быть стальными (сортовой прокат), железобетонными и деревянными. Стальные балки имеют, как правило, двутавровый профиль с высотой сечения от 8 до 90 см. Они обычно несут конструкцию деревянного настила междуэтажных перекрытий и покрытий, секционированные стальные настилы или железобетонные плиты. Широко применяются вспомогательные балки перекрытия в виде балочно-раскосных ферм без вертикальных стержней. Железобетонные балки выполняются в виде монолитных силовых элементов (рис. 4,а), а на них настилаются железобетонные плиты, перекрывающие все пространство (рис. 4,б). Бетон выдерживает большие напряжения сжатия, но не очень прочен при растяжении. Поэтому в те части железобетонного изделия, где возникают растягивающие напряжения, перед заливкой бетона вкладывают стальные армирующие стержни. Можно получить экономию материала, используя высокопрочный бетон и армируя сталью бетонные элементы конструкции, работающие на растяжение, а также "преднапрягая" (растягивая) армирующие стержни до приложения нагрузки. Хотя стоимость преднапряженного железобетона выше, он широко применяется в строительстве зданий.

Рис. 4. БАЛОЧНЫЕ КОНСТРУКЦИИ. а - железобетонная балка; б - железобетонное перекрытие на железобетонных балках; в - деревянное перекрытие на стальных двутавровых балках; г - железобетонное перекрытие на стальных двутавровых балках. 1 - стальные армирующие стержни; 2 - деревянный чистовой пол; 3 - деревянный черный пол; 4 - деревянная балка перекрытия; 5 - железобетонная панель.

Деревянные строительные балки обычно имеют прямоугольное поперечное сечение. В крупных бескаркасных деревянных зданиях их размеры не меньше 15ґ20 см, а расстояние между ними - около 1,5 м. На балки укладывается деревянный черный пол или настил крыши толщиной не менее 8 см (рис. 5,а). В обычных и каркасных деревянных зданиях балки перекрытия и балки покрытия обычно представляют собой поставленные на ребро (на расстоянии 40 см друг от друга) доски толщиной 5 см и высотой 10-30 см, несущие черный пол или настил покрытия толщиной 2,5 см (рис. 5,б).

Рис. 5. ДЕРЕВЯННЫЕ БАЛОЧНЫЕ КОНСТРУКЦИИ. а - массивно-балочная ; б - каркасная. 1 - деревянный черный пол; 2 - деревянный чистовой пол или кровельный настил.

Колонны. В качестве колонн обычно используется стальной двутавровый сортовой прокат с высотой сечения 15-45 см. Колонны такой же формы могут быть изготовлены сваркой из полос и уголков (рис. 6,а). Железобетонные колонны квадратного, круглого или восьмигранного поперечного сечения (рис. 6,б) снабжаются продольными армирующими стержнями. Стержни подкрепляются часто намотанными спиралями или поперечными связями с большим, чем у спиралей, шагом.

Рис. 6. СТАЛЬНЫЕ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ КОЛОННЫ. а - стальные (слева - из сортового проката, справа - составная); б - железобетонные (квадратного, круглого и восьмигранного сечения).

Фермы. Фермы обычно выполняются из стального сортового проката разного профиля (обычно сваркой) или из деревянных элементов, скрепляемых болтами либо специальными соединителями.

Подвесные своды. В подвесных сводах используется высокая прочность на растяжение стального троса. На тросах (кабелях) подвешиваются большие площади кровли, так что соответствующие участки пола не загромождаются колоннами. Для частичной разгрузки троса его заключают в бетонное ребро жесткости с внутренними армирующими элементами.

Тонкостенные пространственные покрытия. Железобетонные тонкостенные пространственные покрытия применяются для ангаров, спортивных залов, крытых стадионов, зрительных залов и других зданий с большой свободной площадью пола. Наиболее распространены покрытия с цилиндрической железобетонной оболочкой (толщиной 8-15 см), выполненной монолитно с железобетонными арками в виде отрезков окружности, эллипса или параболы. Оболочка перекрывает пространство между этими арками.

Стеклопластиковая кровля. Кровля из стеклопластика, обычно покрываемого тефлоном, применяется в крупных сооружениях, имеющих форму палатки или шатра, как, например, аэровокзал Хадж в международном аэропорту им. короля Абдула Азиза (Саудовская Аравия).

Черные полы и настил крыши. Промежутки между балками перекрытия, перекладинами обвязки проема, стропилами и прогонами перекрываются черными полами или настилом крыши, образующими поверхность для чистового пола или кровельного материала. Если несущими элементами являются лаги - массивные деревянные балки, положенные с большими интервалами, - то черный пол и настил крыши обычно выполняются из досок толщиной не менее 5 см и шириной 5-20 см, поставленных на ребро и скрепленных большими гвоздями в единый щит. Если доски кладутся плашмя, то их сплачивают в шпунт, чтобы они не могли смещаться по вертикали одна относительно другой. На легких частых балках перекрытия черный пол обычно стелят из досок толщиной 2,5 см, укладываемых по диагонали. Покрытие крыши на легких частых прогонах делают так же, но доски укладывают прямо, а не диагонально. Если несущими элементами служат двутавровые стальные профили, то черный пол и покрытие крыши могут быть выполнены из толстых досок, железобетонных плит или различных рамно-связевых конструкций. Настил на железобетонных балках обычно выполняется из железобетонных плит и панелей.

Монтаж конструкций и опалубка. Сборка различных основных и вспомогательных балок, ригелей, колонн и ферм в конструкцию здания называется монтажом строительных конструкций. Совместно монтируемые элементы конструкции должны быть из соответствующих друг другу материалов. В зданиях с каменными стенами применяются деревянные, стальные и железобетонные балки. Деревянные балки сочетаются с деревянными и стальными колоннами, стальные - со стальными колоннами и железобетонные - с железобетонными. В случае деревянных балок и колонн приемлемы деревянные черный пол и настил крыши, а в случае железобетонных - железобетонные. В зданиях со стальными балками и колоннами перекрытия и покрытия устраивают из рамно-связевых конструкций. Легкие деревянные конструкции из пиломатериала толщиной 2,5 и 5 см скрепляются гвоздями и нагелями, а более массивные - болтами, скобами и другими металлическими соединительными устройствами. Для стальных элементов применяются заклепочные и сварные, а также болтовые соединения. Элементы конструкции из неармированного и армированного бетона можно изготавливать на месте, заливая свежезамешенным бетоном деревянные или стальные формы - опалубку. Такие элементы называют монолитными, хотя в них часто приходится предусматривать температурные швы с учетом возможности теплового расширения. После схватывания (затвердевания) бетона опалубку удаляют. В производственных и складских промышленных зданиях с большими временными нагрузками на перекрытие широко применяются безбалочные железобетонные перекрытия (рис. 7). В них нет ни балок, ни обвязки проемов перекрытия. На верхних концах колонн предусматриваются расширенные капители, а панели перекрытия вблизи колонны укрепляются надкапительными плитами. В зданиях общежитий, многоквартирных домах и других зданиях с малыми временными нагрузками на перекрытия все чаще применяются безбалочные перекрытия с замоноличенной капителью. В них нет отдельных капителей и надкапительных плит, благодаря чему упрощается устройство перегородок.

Рис. 7. БЕЗБАЛОЧНОЕ ПЕРЕКРЫТИЕ, применяется преимущественно в крупных промышленных и складских зданиях с большими временными нагрузками на перекрытия.

Расходы на опалубку весьма обременяют сметную стоимость строительства железобетонного здания. Поэтому здания стараются проектировать так, чтобы хотя бы некоторые, если не все, элементы конструкции изготавливались с помощью "оборачиваемой" опалубки многократного пользования. Наибольшая экономия достигается, когда в конструкции здания много одинаковых элементов. Бетонные и железобетонные работы могут выполняться либо на строительной площадке, либо на заводе сборного железобетона. Некоторые элементы конструкции, например балки перекрытия, стандартизованы и имеются на заводах в ассортименте. Они проектируются так, чтобы их можно было на строительной площадке соединять в устойчивую несущую конструкцию. Такие работы называются сборным строительством. Преднапряженные железобетонные элементы обычно изготавливаются на заводе. Применяются также сборные (отлитые на заводе) арочные перемычки и жесткие рамы, часто преднапряженные. Наружные стены невысоких зданий можно возводить из монолитных железобетонных плит, изготавливаемых в горизонтальном положении и поднимаемых в проектное положение монтажным оборудованием. Панели часто преднапрягают. Название такого способа строительства зданий - строительство методом поворота. Еще один способ снижения затрат на опалубку - строительство методом подъема перекрытий и этажей. При методе подъема перекрытий первый этаж строят как обычно. Затем устанавливают стальные или сборные железобетонные колонны и на уровне первого этажа бетонируют пакет перекрытий по числу этажей, предусматривая между плитами разделительные прокладки из синтетической пленки или строительного картона. Домкратами, установленными на оголовках колонн, плиты поднимают начиная с кровельной и по мере подъема закрепляют на колоннах здания на проектных отметках. Развитием метода подъема перекрытий является метод подъема этажей, применяемый в основном для монтажа жилых зданий. Здания такого монтажа высотой более пяти этажей должны иметь, кроме несущего каркаса из колонн и безбалочных перекрытий, объемные монолитные ядра жесткости, в которых размещаются вертикальные коммуникации (лестницы, лифты и т.п.).

Лестничные и лифтные шахты. Открытые лестницы в здании опасны в пожарном отношении, поскольку при пожаре они действуют как дымовые трубы, создавая тягу, направляющую огонь вверх. Это приводит к гибели людей и большим материальным убыткам. Строительные нормы и правила требуют, чтобы при определенных условиях лестницы выполнялись в закрытых лестничных клетках. Типичные требования таковы: в зданиях, в которых перекрытие самого верхнего этажа находится на высоте более 9 м или в которых выше либо ниже первого этажа по условиям эксплуатации может находиться более 40 человек, а также в многосемейных домах высотой более двух этажей лестницы должны быть изолированы специально выстроенными противопожарными перегородками. В лестничных клетках не должно быть никаких проемов, кроме необходимых оконных и дверных, а последние должны быть снабжены самозакрывающимися противопожарными дверями. Лестничные марши должны быть выполнены из негорючих материалов. Число и ширина лестниц, ведущих к выходу, определяются плотностью людского потока при эвакуации. В системах совпадающих отверстий в междуэтажных перекрытиях, предназначаемых для лифта, вентиляции, освещения и т.д., должны устраиваться закрытые шахты, подобные лестничным клеткам.

См. также ПОЖАРНАЯ ПРОФИЛАКТИКА И ПРОТИВОПОЖАРНАЯ ЗАЩИТА.

Материалы покрытий полов. Как правило, бетонные плиты перекрытий и деревянные черные полы покрывают поверхностями износа. Материалы покрытий полов можно разделить на жесткие и упругие. К жестким относятся бетон, тераццо, керамическая плитка, мрамор, камень-плитняк. К упругим - линолеум, пробковое рулонное покрытие, пробковая, резинопластовая, битумная, виниловая пластиковая плитка и деревянные покрытия. Деревянные покрытия полов чаще всего делают из сосны, ели, дуба, клена и березы. Выбор материала для покрытия полов зависит также от типа черного пола. На бетонные плиты перекрытия можно укладывать любые материалы. Для бетонных и тераццевых покрытий не требуется клея. Керамическая плитка, мрамор и плитняк укладываются на цементный раствор. Упругие покрытия удерживаются на месте специальными клеящими веществами. Рекомендуется сначала приклеивать к бетону пропитанный битумом строительный картон, а затем уже на картон наклеивать покрытие. Деревянное покрытие можно приклеивать таким же способом, а можно прибивать гвоздями к деревянным лагам, утопленным в бетон или наложенным на бетон и анкерно закрепленным на нем. Особенно тщательно необходимо выбирать упругое покрытие для бетонного черного пола, лежащего непосредственно на грунте, учитывая возможность пропитывания его грунтовыми водами.

Кровельные материалы. Для крыши со скатами подходят такие кровельные материалы, как гонт, рубероидная и асбестовая плитка, керамическая, цементная и металлическая плитка, медный, цинковый, алюминиевый и луженый стальной лист, алюминиевый и стальной (непокрытый либо оцинкованный) волнистый лист, а также рубероид. Для плоских и слегка покатых кровель более подходит покрытие в виде нескольких слоев пропитанного битумом или гудроном строительного картона, склеенных битумной (на соляровом масле) или пековой (на антраценовом масле) грунтовкой и засыпанных сверху гравием. На плоских крышах, допускающих хождение, поверх кровельного покрытия укладывают на битумном вяжущем керамическую плитку, шифер или плитняк. Однако на таких крышах необходимы особые меры против протечки.

Отделка внутренних стен. В промышленных, складских зданиях, спортивных залах и зданиях многих других видов специальная отделка поверхности внутренних стен и потолка может и не требоваться. В зданиях же с отделкой внутренние стены и потолок, как правило, покрывают штукатуркой. Для ее изготовления используется раствор, обычно с гипсовым цементом в качестве вяжущего, а иногда - с известковым вяжущим или портланд-цементом. Раствор наносится штукатурной лопаткой (мастерком) и другими инструментами и разравнивается так, чтобы получилась гладкая или шероховатая поверхность, после чего он затвердевает. После схватывания раствора может быть проведена декоративная окраска и разделка поверхности (альфрейные работы). Поверхности стен и потолка можно облицовывать также фанерой, гипсовыми листами сухой штукатурки, асбоцементными панелями и различного вида древесно-волокнистыми плитами, прибиваемыми гвоздями непосредственно к деревянным стойкам и рейкам.

Окна и двери. В дверных и оконных проемах монтируются коробки для крепления оконных рам и дверей. Их отделывают декоративными наличниками и другими накладками, обычно деревянными. Если требуется повышенная пожаростойкость, то применяют деревянные столярные элементы, покрытые листовым металлом. Наивысшую пожаростойкость придают полые металлические элементы. Окна промышленных зданий часто делают из легкого катаного стального или алюминиевого профиля, выполненного так, что его края можно заделывать непосредственно в кладку стен без специальных оконных коробок.

См. также

СТРОИТЕЛЬСТВО ГРАЖДАНСКОЕ;

КОНСТРУКЦИОННЫЕ И СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ;

КАМЕННАЯ КЛАДКА.

ЛИТЕРАТУРА

Буга П.Г. Гражданские, промышленные и сельскохозяйственные здания. М., 1987 Лыпный М.Д., Синенький К.Е. Справочник производителя работ в строительстве. Киев, 1987 Миловидов Н.Н. и др. Архитектура гражданских и промышленных зданий. М., 1987 Шахпаронов В.В. и др. Организация строительного производства. М., 1987

Составить слова из слова строительство зданий

РАСТВОРЫ - однофазные системы, состоящие из двух или более компонентов. По своему агрегатному состоянию растворы могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Так, воздух - это газообразный раствор, гомогенная смесь газов; водка - жидкий раствор, смесь нескольких веществ, образующих одну жидкую фазу; морская вода - жидкий раствор, смесь твердого (соль) и жидкого (вода) веществ, образующих одну жидкую фазу; латунь - твердый раствор, смесь двух твердых веществ (меди и цинка), образующих одну твердую фазу. Смесь бензина и воды не является раствором, поскольку эти жидкости не растворяются друг в друге, оставаясь в виде двух жидких фаз с границей раздела. Компоненты растворов сохраняют свои уникальные свойства и не вступают в химические реакции между собой с образованием новых соединений. Так, при смешивании двух объемов водорода с одним объемом кислорода получается газообразный раствор. Если эту газовую смесь поджечь, то образуется новое вещество - вода, которая сама по себе раствором не является. Компонент, присутствующий в растворе в большем количестве, принято называть растворителем, остальные компоненты - растворенными веществами. Однако иногда бывает трудно провести грань между физическим перемешиванием веществ и их химическим взаимодействием. Например, при смешивании газообразного хлороводорода HCl с водой H2O образуются ионы H3O+ и Cl-. Они притягивают к себе соседние молекулы воды, образуя гидраты. Таким образом, исходные компоненты - HCl и H2O - после смешивания претерпевают существенные изменения. Тем не менее ионизация и гидратация (в общем случае - сольватация) рассматриваются как физические процессы, происходящие при образовании растворов. Одним из важнейших типов смесей, представляющих собой гомогенную фазу, являются коллоидные растворы: гели, золи, эмульсии и аэрозоли. Размер частиц в коллоидных растворах составляет 1-1000 нм, в истинных растворах РАСТВОРЫ0,1 нм (порядка размера молекул).

Основные понятия. Два вещества, растворяющиеся друг в друге в любых пропорциях с образованием истинных растворов, называют полностью взаиморастворимыми. Такими веществами являются все газы, многие жидкости (например, этиловый спирт - вода, глицерин - вода, бензол - бензин), некоторые твердые вещества (например, серебро - золото). Для получения твердых растворов необходимо сначала расплавить исходные вещества, затем смешать их и дать затвердеть. При их полной взаиморастворимости образуется одна твердая фаза; если же растворимость частичная, то в образовавшемся твердом веществе сохраняются мелкие кристаллы одного из исходных компонентов. Если два компонента образуют одну фазу при смешивании только в определенных пропорциях, а в других случаях возникают две фазы, то они называются частично взаиморастворимыми. Таковы, например, вода и бензол: истинные растворы получаются из них только при добавлении незначительного количества воды к большому объему бензола или незначительного количества бензола к большому объему воды. Если же смешать равные количества воды и бензола, то образуется двухфазная жидкая система. Нижний ее слой - это вода с небольшим количеством бензола, а верхний - бензол с малой примесью воды. Известны также вещества, совсем не растворяющиеся одно в другом, например, вода и ртуть. Если два вещества лишь частично взаиморастворимы, то при данных температуре и давлении существует предельное количество одного вещества, которое способно образовать истинный раствор с другим в равновесных условиях. Раствор с предельной концентрацией растворенного вещества называют насыщенным. Можно приготовить и так называемый пересыщенный раствор, в котором концентрация растворенного вещества даже больше, чем в насыщенном. Однако пересыщенные растворы неустойчивы, и при малейшем изменении условий, например при перемешивании, попадании частичек пыли или добавлении кристалликов растворяемого вещества, избыток растворенного вещества выпадает в осадок. Всякая жидкость начинает кипеть при той температуре, при которой давление ее насыщенного пара достигает величины внешнего давления. Например, вода под давлением 101,3 кПа кипит при 100° С потому, что при этой температуре давление водяного пара как раз равно 101,3 кПа. Если же растворить в воде какое-нибудь нелетучее вещество, то давление ее пара понизится. Чтобы довести давление пара полученного раствора до 101,3 кПа, нужно нагреть раствор выше 100° С. Отсюда следует, что температура кипения раствора всегда выше температуры кипения чистого растворителя. Аналогично объясняется и понижение температуры замерзания растворов.

Закон Рауля. В 1887 французский физик Ф.Рауль, изучая растворы различных нелетучих жидкостей и твердых веществ, установил закон, связывающий понижение давления пара над разбавленными растворами неэлектролитов с концентрацией: относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно мольной доле растворенного вещества. Из закона Рауля следует, что повышение температуры кипения или понижение температуры замерзания разбавленного раствора по сравнению с чистым растворителем пропорционально молярной концентрации (или мольной доле) растворенного вещества и может быть использовано для определения его молекулярной массы. Раствор, поведение которого подчиняется закону Рауля, называется идеальным. Наиболее близки к идеальным растворы неполярных газов и жидкостей (молекулы которых не меняют ориентации в электрическом поле). В этом случае теплота растворения равна нулю, а свойства растворов можно прямо предсказать, зная свойства исходных компонентов и пропорции, в которых они смешиваются. Для реальных растворов сделать такое предсказание нельзя. При образовании реальных растворов обычно выделяется или поглощается тепло. Процессы с выделением тепла называются экзотермическими, а с поглощением - эндотермическими. Те характеристики раствора, которые зависят в основном от его концентрации (числа молекул растворенного вещества на единицу объема или массы растворителя), а не от природы растворенного вещества, называют коллигативными. Например, температура кипения чистой воды при нормальном атмосферном давлении равна 100° С, а температура кипения раствора, содержащего 1 моль растворенного (недиссоциирующего) вещества в 1000 г воды, составляет уже 100,52° С независимо от природы этого вещества. Если же вещество диссоциирует, образуя ионы, то температура кипения увеличивается пропорционально росту общего числа частиц растворенного вещества, которое благодаря диссоциации превышает число молекул вещества, добавленных в раствор. Другими важными коллигативными величинами являются температура замерзания раствора, осмотическое давление и парциальное давление паров растворителя. Концентрация раствора - это величина, отражающая пропорции между растворенным веществом и растворителем. Такие качественные понятия, как "разбавленный" и "концентрированный", говорят только о том, что раствор содержит мало или много растворенного вещества. Для количественного выражения концентрации растворов часто используют проценты (массовые или объемные), а в научной литературе - число молей или химических эквивалентов (см. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ МАССА) растворенного вещества на единицу массы или объема растворителя либо раствора. Чтобы не возникало путаницы, следует всегда точно указывать единицы измерения концентрации. Рассмотрим следующий пример. Раствор, состоящий из 90 г воды (ее объем равен 90 мл, поскольку плотность воды равна 1г/мл) и 10 г этилового спирта (его объем равен 12,6 мл, поскольку плотность спирта равна 0,794 г/мл), имеет массу 100 г, но объем этого раствора равен 101,6 мл (а был бы равен 102,6 мл, если бы при смешивании воды и спирта их объемы просто складывались). Процентную концентрацию раствора можно рассчитать по-разному:

или

или

Единицы концентраций, используемые в научной литературе, основаны на таких понятиях, как моль и эквивалент, поскольку все химические расчеты и уравнения химических реакций должны основываться на том, что вещества вступают в реакции между собой в определенных соотношениях. Например, 1 экв. NaCl, равный 58,5 г, взаимодействует с 1 экв. AgNO3, равным 170 г. Ясно, что растворы, содержащие по 1 экв. этих веществ, имеют совершенно разные процентные концентрации. Молярность (M или моль/л) - число молей растворенного веществ, содержащихся в 1 л раствора. Моляльность (м) - число молей растворенного вещества, содержащихся в 1000 г растворителя. Нормальность (н.) - число химических эквивалентов растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора. Мольная доля (безразмерная величина) - число молей данного компонента, отнесенное к общему числу молей растворенного вещества и растворителя. (Мольный процент - мольная доля, умноженная на 100.) Наиболее распространенная единица - молярность, но при ее расчете следует учитывать некоторые неоднозначности. Например, чтобы получить 1M раствор данного вещества, растворяют в заведомо небольшом количестве воды точную его навеску, равную мол. массе в граммах, и доводят объем раствора до 1 л. Количество воды, необходимое для приготовления данного раствора, может слегка различаться в зависимости от температуры и давления. Поэтому два одномолярных раствора, приготовленных в разных условиях, в действительности имеют не совсем одинаковые концентрации. Моляльность вычисляется исходя из определенной массы растворителя (1000 г), которая не зависит от температуры и давления. В лабораторной практике гораздо удобнее отмеривать определенные объемы жидкостей (для этого существуют бюретки, пипетки, мерные колбы), чем взвешивать их, поэтому в научной литературе концентрации чаще выражают в молях, а моляльность обычно применяют только при особо точных измерениях. Нормальность используется для упрощения расчетов. Как мы уже говорили, вещества взаимодействуют друг с другом в количествах, соответствующих их эквивалентам. Приготовив растворы разных веществ одинаковой нормальности и взяв равные их объемы, мы можем быть уверены в том, что они содержат одно и то же количество эквивалентов. В тех случаях, когда трудно (или нет необходимости) делать различие между растворителем и растворенным веществом, концентрацию измеряют в мольных долях. Мольные доли, как и моляльности, не зависят от температуры и давления. Зная плотности растворенного вещества и раствора, можно пересчитать одну концентрацию в другую: молярность в моляльность, мольную долю и наоборот. Для разбавленных растворов данного растворенного вещества и растворителя эти три величины пропорциональны друг другу. Растворимость данного вещества - это его способность образовывать растворы с другими веществами. Количественно растворимость газа, жидкости или твердого тела измеряется концентрацией их насыщенного раствора при данной температуре. Это важная характеристика вещества, помогающая понять его природу, а также влиять на ход реакций, в которых это вещество участвует.

Газы. В отсутствие химического взаимодействия газы смешиваются друг с другом в любых пропорциях, и в этом случае говорить о насыщении нет смысла. Однако при растворении газа в жидкости существует некая предельная концентрация, зависящая от давления и температуры. Растворимость газов в некоторых жидкостях коррелирует с их способностью к сжижению. Наиболее легко сжижаемые газы, например NH3, HCl, SO2, более растворимы, чем трудно сжижаемые газы, например O2, H2 и He. При наличии химического взаимодействия между растворителем и газом (например, между водой и NH3 или HCl) растворимость увеличивается. Растворимость данного газа изменяется с природой растворителя, однако порядок, в котором располагаются газы в соответствии с увеличением их растворимости, остается примерно одинаковым для разных растворителей. Процесс растворения подчиняется принципу Ле Шателье (1884): если на систему, находящуюся в равновесии, оказывается какое-либо воздействие, то в результате протекающих в ней процессов равновесие сместится в таком направлении, что оказанное воздействие уменьшится. Растворение газов в жидкостях обычно сопровождается выделением тепла. При этом, в соответствии с принципом Ле Шателье, растворимость газов уменьшается. Это уменьшение тем заметнее, чем выше растворимость газов: такие газы имеют и большую теплоту растворения. "Мягкий" вкус кипяченой или дистиллированной воды объясняется отсутствием в ней воздуха, поскольку его растворимость при высокой температуре весьма мала. С ростом давления растворимость газов увеличивается. Согласно закону Генри (1803), масса газа, который может раствориться в данном объеме жидкости при постоянной температуре, пропорциональна его давлению. Это свойство используется для приготовления газированных напитков. Углекислый газ растворяют в жидкости при давлении 3-4 атм.; в этих условиях в данном объеме может раствориться в 3-4 раза больше газа (по массе), чем при 1 атм. Когда емкость с такой жидкостью открывают, давление в ней падает, и часть растворенного газа выделяется в виде пузырьков. Аналогичный эффект наблюдается при открывании бутылки шампанского или выходе на поверхность подземных вод, насыщенных на большой глубине углекислым газом. При растворении в одной жидкости смеси газов растворимость каждого из них остается такой же, как и в отсутствие других компонентов при таком же давлении, как в случае смеси (закон Дальтона).

Жидкости. Взаимная растворимость двух жидкостей определяется тем, насколько сходно строение их молекул ("подобное растворяется в подобном"). Для неполярных жидкостей, например углеводородов, характерны слабые межмолекулярные взаимодействия, поэтому молекулы одной жидкости легко проникают между молекулами другой, т.е. жидкости хорошо смешиваются. Напротив, полярные и неполярные жидкости, например вода и углеводороды, смешиваются друг с другом плохо. Каждой молекуле воды нужно сначала вырваться из окружения других таких же молекул, сильно притягивающими ее к себе, и проникнуть между молекулами углеводорода, притягивающими ее слабо. И наоборот, молекулы углеводорода, чтобы раствориться в воде, должны протиснуться между молекулами воды, преодолевая их сильное взаимное притяжение, а для этого нужна энергия. При повышении температуры кинетическая энергия молекул возрастает, межмолекулярное взаимодействие ослабевает и растворимость воды и углеводородов увеличивается. При значительном повышении температуры можно добиться их полной взаимной растворимости. Такую температуру называют верхней критической температурой растворения (ВКТР). В некоторых случаях взаимная растворимость двух частично смешивающихся жидкостей увеличивается при понижении температуры. Этот эффект наблюдается в том случае, когда при смешивании выделяется тепло, обычно в результате химической реакции. При значительном понижении температуры, но не ниже точки замерзания, можно достичь нижней критической температуры растворения (НКТР). Можно предположить, что все системы, имеющие НКТР, имеют и ВКТР (обратное не обязательно). Однако в большинстве случаев одна из смешивающихся жидкостей кипит при температуре ниже ВКТР. У системы никотин-вода НКТР равна 61° С, а ВКТР составляет 208° C. В интервале 61-208° C эти жидкости ограниченно растворимы, а вне этого интервала обладают полной взаимной растворимостью.

Твердые вещества. Все твердые вещества проявляют ограниченную растворимость в жидкостях. Их насыщенные растворы имеют при данной температуре определенный состав, который зависит от природы растворенного вещества и растворителя. Так, растворимость хлорида натрия в воде в несколько миллионов раз выше растворимости нафталина в воде, а при растворении их в бензоле наблюдается обратная картина. Этот пример иллюстрирует общее правило, согласно которому твердое вещество легко растворяется в жидкости, имеющей с ним сходные химические и физические свойства, но не растворяется в жидкости с противоположными свойствами. Соли обычно легко растворяются в воде и хуже - в других полярных растворителях, например в спирте и жидком аммиаке. Однако растворимость солей тоже существенно различается: например, нитрат аммония обладает в миллионы раз большей растворимостью в воде, чем хлорид серебра. Растворение твердых веществ в жидкостях обычно сопровождается поглощением тепла, и в соответствии с принципом Ле Шателье их растворимость должна увеличиваться при нагревании. Этот эффект можно использовать для очистки веществ методом перекристаллизации. Для этого их растворяют при высокой температуре до получения насыщенного раствора, затем раствор охлаждают и после выпадения растворенного вещества в осадок профильтровывают. Есть вещества (например, гидроксид, сульфат и ацетат кальция), растворимость которых в воде с ростом температуры уменьшается. Твердые вещества, как и жидкости, тоже могут растворяться друг в друге полностью, образуя гомогенную смесь - истинный твердый раствор, аналогичный жидкому раствору. Частично растворимые друг в друге вещества образуют два равновесных сопряженных твердых раствора, составы которых изменяются с температурой.

Коэффициент распределения. Если к равновесной системе двух несмешивающихся или частично смешивающихся жидкостей добавить раствор какого-либо вещества, то оно распределяется между жидкостями в определенной пропорции, не зависящей от общего количества вещества, в отсутствие химических взаимодействий в системе. Это правило получило название закона распределения, а отношение концентраций растворенного вещества в жидкостях - коэффициента распределения. Коэффициент распределения примерно равен отношению растворимостей данного вещества в двух жидкостях, т.е. вещество распределяется между жидкостями соответственно его растворимостям. Это свойство используется для экстракции данного вещества из его раствора в одном растворителе с помощью другого растворителя. Еще одним примером его применения является процесс экстракции серебра из руд, в состав которых оно часто входит вместе со свинцом. Для этого в расплавленную руду добавляют цинк, который не смешивается со свинцом. Серебро распределяется между расплавленным свинцом и цинком, преимущественно в верхнем слое последнего. Этот слой собирают и отделяют серебро дистилляцией цинка.

Произведение растворимости (ПР). Между избытком (осадком) твердого вещества MxBy и его насыщенным раствором устанавливается динамическое равновесие, описываемое уравнением

Константа равновесия этой реакции равна

и называется произведением растворимости. Она постоянна при данных температуре и давлении и является величиной, на основании которой рассчитывают растворимость осадка и изменяют ее. Если в раствор добавить соединение, диссоциирующее на ионы, одноименные с ионами малорастворимой соли, то в соответствии с выражением для ПР растворимость соли уменьшается. При добавлении же соединения, реагирующего с одним из ионов, она, напротив, увеличится. О некоторых свойствах растворов ионных соединений см. также ЭЛЕКТРОЛИТЫ.

ЛИТЕРАТУРА

Шахпаронов М. И. Введение в молекулярную теорию растворов. М., 1956 Реми И. Курс неорганической химии, тт. 1-2. М., 1963, 1966

Составить слова из слова растворы