Поверхность и межфазные границы в окружающей среде. От наноуровня к глобальному масштабу (902,00 руб.)

Стр.5

Стр.6

Стр.7

Стр.8

Стр.9

Стр.10

УДК 501 ББК 20 М79 С е р и я о с н о в а н а в 2009 г. Морис П. М79 Поверхность и межфазные границы в окружающей среде. От наноуровня к глобальному масштабу / П. Морис ; пер. с англ. ; под ред. В. И. Свитова.—3-е изд., электрон.— М. : Лаборатория знаний, 2022.—543 с. —(Учебник для высшей школы).—Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10".—Загл. с титул. экрана.—Текст : электронный. ISBN 978-5-93208-579-0 В этой книге затронуты вопросы взаимосвязи физикохимических явлений в окружающей среде с изменениями климата и экологической ситуации на Земле, что определяет междисциплинарность ее содержания. Показана важнейшая роль взаимодействий на межфазных границах минерал/вода в процессах формирования и выветривания горных пород, в миграции химических элементов и веществ. Многочисленные практические примеры реальных природных экосистем и регионов, а также предлагаемые задачи помогают лучше понять необходимость тщательного изучения физико-химического аспекта биогеохимических процессов на уровне наноразмерных структур, без чего невозможно создание глобальной сети экологического мониторинга. Книга не имеет аналогов по содержанию и предназначена для студентов, аспирантов и преподавателей разных специальностей: геология, биология, химия, физика, охрана окружающей среды, химические технологии, электротехника и нанотехнологии. УДК 501 ББК 20 Деривативное издание на основе печатного аналога: Поверхность и межфазные границы в окружающей среде. От наноуровня к глобальному масштабу / П. Морис ; пер. с англ. ; под ред. В. И. Свитова.—М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013.— 540 с. : ил.—(Учебник для высшей школы). ISBN 978-5-9963-0524-7 В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации © 2009 by John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved. This EBook published under license with the original publisher John Wiley & Sons. Inc. ISBN 978-5-93208-579-0 © Перевод, оформление. Лаборатория знаний, 2022

Стр.5

ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10 Фундаментальные постоянные и соотношения единиц измерений . . . . .13 Глава 1. Основные принципы термодинамики и кинетики химических процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 Способы выражения концентрации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 Сопоставление термодинамического и кинетического методов . . . . . . . . . . . . . . . .17 Введение в термодинамику . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18 Краткое введение в кинетику . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39 Вопросы для самостоятельной работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53 Рекомендуемая литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57 Глава 2. Гидрологический цикл в контексте экологической роли поверхностей и межфазных границ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58 Структура и основные свойства воды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58 Химический состав земли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61 Критические зоны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62 Гидрологический цикл . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62 Океаны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64 Атмосфера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65 Подземная вода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69 Поверхностные воды: внимание к рекам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81 Водный баланс и потоки химических соединений в наземных экосистемах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89 Вопросы для самостоятельной работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94 Рекомендуемая литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98

Стр.6

6 Оглавление Глава 3. Некоторые минералы, представляющие особый интерес для химии поверхности в окружающей среде . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99 Гиббсит. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100 Кварц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101 Каолинит . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101 Смектиты (монтмориллонит) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104 Оксиды и гидроксиды железа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106 Оксиды марганца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111 Кальцит . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112 Полевые шпаты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113 Цеолиты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114 Вопросы для самостоятельной работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115 Рекомендуемая литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116 Глава 4. Основные методы исследования поверхностей и межфазных границ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117 Краткий обзор некоторых широко используемых методов . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117 Подробнее о некоторых важных методах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122 Микроскопия биопленок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149 Вопросы для самостоятельной работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150 Рекомендуемая литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152 Глава 5. Поверхности и межфазные границы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153 Что такое поверхность и межфазная граница? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153 Строение поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155 Динамика поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .162 Предметы междисциплинарных исследований . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .165 Поверхностная свободная энергия и поверхностные избытки . . . . . . . . . . . . . . . .166 Поверхностное натяжение и связанные с ним явления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169 Некоторые подходы к моделированию поверхности и межфазных границ . . . . .174 Вопросы для самостоятельной работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .177 Рекомендуемая литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178 Глава 6. Электрический заряд и образование поверхностных комплексов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179 Некоторые доказательства наличия поверхностного заряда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179 Источники поверхностного заряда минералов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180 Терминология, используемая при описании сорбции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .186 Катионообменная емкость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190 Изотермы сорбции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194

Стр.7

Оглавление 7 Уравнения изотерм сорбции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .196 Двойной электрический слой, теория Гуи–Чепмена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199 Теория ДЛВО в применении к коллоидам в пористой среде . . . . . . . . . . . . . . . . .214 Вопросы для самостоятельной работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217 Рекомендуемая литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .222 Глава 7. Сорбция: неорганические катионы и анионы . . . . . . . . . . . . . . .223 Типичный адсорбционный эксперимент . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224 Сорбция катионов металлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .226 Адсорбция неорганических анионов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .235 Влияние редокс-потенциала и степени окисления на адсорбцию неорганических катионов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .240 Вопросы для самостоятельной работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .247 Рекомендуемая литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .249 Глава 8. Сорбция органических веществ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .250 Краткое введение в органическую химию . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .251 Некоторые органические соединения, важные для химии поверхности в окружающей среде . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .257 Сорбция простых органических лигандов, ПАВ и гумусовых веществ . . . . . . . .263 Соадсорбция металлов и лигандов: трехкомпонентные поверхностные комплексы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .273 Сорбция некоторых органических загрязнителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .275 Коэффициент распределения Kd и перенос загрязнителя в пористых средах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .286 Активированный уголь и сорбция летучей органики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .287 Вопросы для самостоятельной работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .289 Рекомендуемая литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .292 Глава 9. Образование зародышей и рост минералов . . . . . . . . . . . . . . . . .293 Состояние насыщения и нуклеация минерала: пример единства термодинамики и кинетики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .293 От нуклеации к росту кристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .298 Примеси и ступенчатый рост кристалла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .309 Моделирование роста кристаллов методом Монте-Карло . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .311 Биоминерализация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .312 Осаждение карбонатов в море . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .314 Вопросы для самостоятельной работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .316 Рекомендуемая литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .317

Стр.8

8 Оглавление Глава 10. Выветривание и растворение минералов . . . . . . . . . . . . . . . . . .318 Химическое, физическое и биологическое выветривание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .318 Термодинамика выветривания минералов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .321 Кинетика растворения минералов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .326 Сравнение скоростей растворения в лабораторных и полевых условиях . . . . . . .332 Осадки и выветривание: пример с Гавайских островов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .336 Реакторы для экспериментов по растворению . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .341 Использование радиоактивных изотопов при изучении выветривания . . . . . . . . .345 Вопросы для самостоятельной работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .346 Рекомендуемая литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .349 Глава 11. Растения и межфазные границы в окружающей среде . . . . . .350 Экогидрология и влажность почвы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .350 Некоторые замечания о физиологии покрытосеменных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .352 Потребность растений в питательных веществах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .352 Влияние растений на растворение и выветривание минералов . . . . . . . . . . . . . . .355 Типы растительного круговорота химических элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .358 Растения и биоминерализация: фитолиты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .359 Растения и формации в известняковых пещерах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .361 Фиторемедиация как пример взаимодействий между растением, минералом и загрязнителем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .363 Вопросы для самостоятельной работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .368 Рекомендуемая литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .369 Глава 12. Микроорганизмы и межфазные границы в окружающей среде . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .370 Как микроорганизмы «зарабатывают себе на жизнь» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .372 Кривые роста микроорганизмов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .382 Группы бактерий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .383 Клеточные оболочки бактерий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .384 Бактериальная адгезия и биопленки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .386 Бактериальное растворение минералов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .391 Микробиальная биоминерализация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .402 Микробиальные топливные элементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .410 Вопросы для самостоятельной работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .414 Рекомендуемая литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .416 Глава 13. Природные наночастицы и нанотехнологии . . . . . . . . . . . . . . .417 Что такое наночастица? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .417 Распространенность и распределение наночастиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .419

Стр.9

Оглавление 9 Что придает наночастицам особые свойства? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .422 Самосборка и сборка по шаблону . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .432 Перенос наночастиц в пористых средах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .433 Зарождение нанотехнологий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .435 Потенциальное воздействие искусственных наночастиц на окружающую среду . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .437 Вопросы для самостоятельной работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .439 Рекомендуемая литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .440 Глава 14. Общая картина: процессы на межфазных границах и окружающая среда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .441 Модели реактивного переноса металлов и радионуклидов в пористых средах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .441 Влияние кислотных дождей на химическое выветривание . . . . . . . . . . . . . . . . . . .444 Кислотный шахтный дренаж . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .452 Частицы в окружающей среде и изменение климата . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .457 Эффекты масштабирования: от атомного уровня до бассейна отдельного водоема и глобального масштаба . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .468 Вопросы для самостоятельной работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .473 Рекомендуемая литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .475 Цитированные источники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .476 Дополнительная литература для самостоятельного изучения . . . . . . . . .507 Словарь терминов и выражений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .512 Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .535

Стр.10