Поверхность и межфазные границы в окружающей среде. От наноуровня к глобальному масштабу
Покупка
Издательство:
Лаборатория знаний
Автор:
Морис Патриция
Под ред.:
Свитов Владислав Иванович
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 543
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-93208-579-0
Артикул: 801745.01.99
В этой книге затронуты вопросы взаимосвязи физико-химических 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.
Тематика:
ББК:
УДК:
- 50: Общие вопросы математических и естественных наук
- 501: Общие вопросы физикоматематических и химических наук
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 04.03.01: Химия
- 04.03.02: Химия, физика и механика материалов
- 05.03.01: Геология
- 05.03.06: Экология и природопользование
- 18.03.01: Химическая технология
- 28.03.01: Нанотехнологии и микросистемная техника
- ВО - Специалитет
- 04.05.01: Фундаментальная и прикладная химия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
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,
Предисловие 11 я постаралась одновременно дать базовые знания и информацию из междисциплинарных областей, чтобы студенты заинтересовались разными темами и самостоятельно изучили их. Я глубоко убеждена в том, что главная задача учителей — научить студентов учиться всю жизнь. Поощряйте в ваших студентах критическое отношение к приведенной здесь информации и ее современным интерпретациям! Даже камни в этом мире не вечны, все развивается. Любая информация, предназначенная для студентов, основана на результатах научных исследований. Важно, чтобы учащиеся понимали, откуда берутся приведенные в книге факты, как они анализируются и осмысливаются и как научное «знание» изменяется со временем. Поэтому я привожу и практические примеры, ссылаюсь на статьи, исследования последних десятилетий и недавние публикации. Нужно, чтобы студенты отслеживали новости в своей области, причем пользовались ресурсами как Интернета, так и библиотек. Для чего проводилось это исследование? К чему оно привело? Какие новые вопросы были поставлены при этом? Ставились ли под сомнение подход, интерпретация или выводы из него? Многие термины в книге выделены курсивом — либо когда они появляются в тексте впервые, либо когда очень важны для понимания сути текста. Кроме того, в конце книги приведен словарь терминов и выражений. Эта книга никогда не появилась бы на свет, если бы мои друзья и коллеги не помогали мне своими критическими замечаниями, предложениями. Каждый, к кому я обращалась (просила просмотреть раздел или предоставить нужную иллюстрацию), немедленно мне помогал. Таким образом, сам процесс написания этого учебника — отличное подтверждение преданности научного и инженерного сообщества делу обучения следующих поколений. Хотелось бы особо поблагодарить некоторых представителей этого сообщества. Стив Кабанисс (Университет Нью-Мексико) сподвиг меня на написание учебника и дал много полезных предложений по главе 8. Боб Бернер (Йельский университет), один из «классиков» этой области, напомнил мне о важности растений и внес коррективы в разделы, касающиеся изменения климата. Майк Очелла (Виргинский политехнический институт) поддержал меня и убедил продолжать работу, когда я уже было засомневалась, смогу ли когда-нибудь закончить ее. Доменик Грассо (Университет Вермонта) рассказал о расширенной модели ДЛВО. Лесли Уоррен (Университет Макмастера) помогла мне в написании разделов, посвященных хорошо известной ей области: связи кислотного дренажа горных пород с деятельностью сообществ микроорганизмов. Стивен Лоуэр (Университет штата Огайо) многократно на протяжении многих лет помогал мне разобраться в механизмах действия поверхностных сил и постоянно напоминал о том, что наши лучшие студенты — наши лучшие учителя. Джерри Шнур (Айовский университет) прислал мне в подарок на День благодарения подборку статей и иллюстраций по теме фиторемедиации. Алексей Навроцкий (Калифорнийский университет в Дэвисе) рассказал мне много интересного и полезного о наночастицах. Большинство авторов, чьи работы
Предисловие описаны в разбираемых примерах, дали свои комментарии, которые помогли улучшить эти разделы. Фрэнк Инкропера (Университет Нотр-Дам) порекомендовал мне разнообразить количественные задачи в конце каждой главы и увеличить их число. Конечно, ответственность за недостатки и ошибки в тексте лежит исключительно на мне. Издатель Боб Эспозито и редакция Wiley оказали мне профессиональную помощь в публикации этой книги. Я благодарна моему мужу Грегу Мэйди и сыну Александру за любовь, поддержку и дружбу. И большое спасибо Грегу за поддержание моего компьютера в рабочем состоянии и за терпеливые ответы на множество моих вопросов. Я благодарю жителей Плайя Фламинго, Коста-Рика, за их гостеприимство. Они помогали мне оставаться в здравом уме на финишной прямой. ¡Pura Vida! Плайя Фламинго, Коста-Рика Патриция A. Морис Июль 2008 г.
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПОСТОЯННЫЕ И СООТНОШЕНИЯ ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЙ Постоянная Единицы СИ Внесистемные единицы 6,022 · 1023 моль–1 Число Авогадро (NA) 1,38 · 10–23 Дж/K Постоянная Больцмана (kB) 96 485 Кл/моль Постоянная Фарадея (F) 6,626 · 10–34 Дж · с Постоянная Планка (h) 1,054 · 10–34 Дж · с Постоянная Планка приведенная (ħ) 9,807 м/с2 Ускорение свободного падения (g) 1,99 кал · моль–1 · град–1 8,3145 Дж · моль–1 · К–1 Универсальная газовая постоянная (R) 4,803 · 10–10 СГС 1,602 · 10–19 Кл Заряд электрона (ē) 8,854 · 10–12 Кл2 · Дж–1 · м–1 Диэлектрическая постоянная (εо) 6,670 · 10–8 г–1 · см3 · с–2 6,670 · 10–11 Н · м2 · кг–2 Гравитационная постоянная (G) 1 Å = 10–1 нм = 10–8 см = 10–10 м 1 л = 10–3 м3 1 кал = 4,184 Дж 1 дин/см = 1 эрг/см2 = 1 мН/м = 1 мДж/м2 1 атм = 1,013 · 106 дин/см2 = 1,103 бар = 1,013 · 105 Па = 1,013 · 105 Н/м2 1 Н = 1 кг · м/с2 1 Ки = 3,7 · 1010 Бк
Глава 1 ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И КИНЕТИКИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Перевод с англ. С. А. Бусева Хотя содержание этой книги охватывает многие естественнонаучные дисциплины — от химии водных растворов до минералогии, микробиологии и гидрологии, — в наибольшей степени оно все же касается химии поверхности и межфазных границ. Именно поэтому в данной главе читателю предлагаются некоторые концепции, уравнения, термины и методы, ключевые для биогеохимии окружающей среды. Эта базисная информация весьма существенна для понимания более сложных концепций, идей и соотношений, представленных в остальных частях книги. Данная глава начинается с представления некоторых широко используемых химических терминов и определений. Затем обсуждаются различия между термодинамическим и кинетическим подходами к описанию физико-химических систем. В конце главы дан более детальный термодинамический и кинетический анализ различных явлений. Способы выражения концентрации При расчетах, связанных с определением химического состава природных вод и описанием взаимодействий вода – горная порода, используются различные способы выражения концентрации компонентов. Перечислим некоторые наиболее важные из них. Моляльность раствора Ml представляет собой количество растворенного вещества ni (количество вещества в системе СИ измеряется в молях), приходящееся на 1 кг растворителя: , (1.1) i solv i i n m Ml m M mрль где mi — масса растворенного вещества, msolv — масса растворителя (1000 г) и Mi — мольная масса компонента (все значения — в г).