Поверхность и межфазные границы в окружающей среде. От наноуровня к глобальному масштабу

ПОВЕРХНОСТЬ
И МЕЖФАЗНЫЕ ГРАНИЦЫ 
В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
ОТ НАНОУРОВНЯ
К ГЛОБАЛЬНОМУ МАСШТАБУ

Patricia A. Maurice
ENVIRONMENTAL
SURFACES AND
INTERFACES FROM THE 
NANOSCALE TO THE
GLOBAL SCALE
A JOHN WILEY & SONS, INC., PUBLICATION

У Ч Е Б Н И К   Д Л Я   В Ы С Ш Е Й   Ш К О Л Ы
Патриция Морис
ПОВЕРХНОСТЬ
И МЕЖФАЗНЫЕ ГРАНИЦЫ 
В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
ОТ НАНОУРОВНЯ
К ГЛОБАЛЬНОМУ МАСШТАБУ
Под редакцией
канд. хим. наук В. И. Свитова
Перевод с английского
канд. физ.-мат. наук А. В. Сорокина
канд. техн. наук Н. И. Харитонова
канд. хим. наук С. А. Бусева
3-е издание, электронное
Москва
Лаборатория знаний
2022

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.
© Перевод, оформление. Лаборатория знаний,
2022
ISBN 978-5-93208-579-0

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

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

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

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

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

ПРЕДИСЛОВИЕ
За время почти 14-летнего преподавания курса «Взаимодействие воды с горными породами» в Кентском государственном университете и Университете 
Нотр-Дам у меня возникла идея написать для студентов пособие, в котором 
освещался бы весь спектр затрагиваемых в курсе важных тем: от теории поверхностного заряда частиц и вопросов роста и растворения минералов до самых современных тем, таких как наночастицы, геомикробиология и изменения 
климата. Постепенно в рамках курса я начала обращаться к таким вопросам, 
как роль поверхности и межфазных границ в окружающей среде. Поэтому и 
название у книги такое пространное.
Мой курс всегда был междисциплинарным. Он рассчитан на студентов самых разных специальностей: геология, биология, химия, физика, охрана окружающей среды, химическая технология и электротехника. За эти годы мне 
посчастливилось обучать не только студентов, от первокурсников до дипломников, но и соискателей ученой степени. Я никогда не знала заранее, кому я 
буду читать курс, но мне всегда нравилось адаптировать учебный материал к 
конкретному начальному уровню подготовки и к интересам тех, кто входил в 
аудиторию в начале семестра. Преподавать в такой «разношерстной» аудитории было очень интересно: я больше узнала от студентов, чем они от меня. 
Многие из моих учеников вошли в команды научных проектов лабораторных 
и полевых исследований. По некоторым из этих проектов опубликованы исследовательские работы. В рамках других проектов были поставлены экспериментальные или аналитические задачи, которые до сих пор не удалось решить. 
Но благодаря им мы многому научились.
Эклектичность самого курса наложила отпечаток на содержание и стиль 
этой книги. Изучение роли поверхности и межфазных границ в окружающей 
среде требует применения междисциплинарных подходов и участия специалистов из разных областей, поэтому я не учитывала начального уровня подготовки студентов. Преподаватель может и опустить некоторые главы, в зависимости от уровня подготовки студентов и их будущей специализации. Кроме того,