Глинистые минералы представляют собой гидратированные алюмосиликаты, обычно с частичным замещением алюминия железом и магнием. Они тонкозернисты, обычно менее 5 мкм, а в некоторых случаях их размер измеряется миллимикронами.

Атомная структура большинства глинистых минералов сложена двумя единицами. Одна структурная единица состоит из двух слоев плотноупакованных кислородов или гидроксилов, в которых атомы алюминия, железа, или магния расположены в октаэдрической координации таким образом, что каждый из них находится на равном расстоянии от шести кислородов или гидроокислов. Вторая структурная единица образована кремнекислородными тетраэдрами. В каждом тетраэдре атом кремния одинаково удален от четырех кислородов или гидроксилов, расположенных в форме тетраэдра с атомом кремния в центре, чтобы сбалансировать структуру.

Кремнекислородные тетраэдры сгруппированы таким образом, что создают гексагональную сетку, которая бесконечно повторяется и образует лист состава Sі 4 O 6 (OH) 4 . Тетраэдры расположены так, что все их вершины обращены в одну сторону, а основания лежат в одной и той плоскости. Эту структуру можно рассматривать как структуру, состоящую из перфорированной плоскости кислородных атомов, расположенных в плоскости основания тетраэдрических групп; плоскости атомов кремния с атомами кремния, расположенными в полости в месте соединения трех атомов кислорода и, следовательно образующими гексагональную сетку; плоскости атомов гидроксила, в которой каждый гидроксил расположен непосредственно над кремнием на вершине тетраэдров.

Рис.1. Оксфордская глина (Юра) в Уэймуте (Англия)

Глинистые минералы относятся к двум группам. В каолинитовой группе минерал характеризуется двухэтажной (1:1 слой) решеткой, состоящей из одного октаэдрического или гиббситового слоя, связанного с одним кремнекислородным тетраэдрическим слоем. Эта решетка не расширяется в зависимости от изменяющегося содержания воды и замещения на железо или магний в гиббситовом слое неизвестны. Другая группа глинистых минералов характеризуется трехэтажной (2:1) решеткой. В этом типе решетки октаэдрический алюминиевый слой расположен между кремнекислородными тетраэдрическими слоями. Несколько важных глинистых минералов принадлежит к трехэтажной группе. В монтмориллоните эти трехэтажные ячейки свободно объединяются по оси С, а вода и катионы расположены между ними. Количество воды изменяется таким образом, что величина с варьируется от 9,6 до 21,4 о А. Минерал имеет разбухающую решетку.

Трехслойные соединения могут также объединяться калием, который благодаря соответствующему ионному диаметру и координационным свойствам связывают структуру воедино столь плотно, что расширение невозможно. Глинистая слюда, образованная таким образом, представляет собой иллит. Хлоритовая группа также имеет трехэтажную структуру, характеризующуюся внедрением бруситового слоя Mg(OH) 2 между трехэтажными элементами. В каждой структурной группе возможны многие варианты по составу. Хотя многим из них на основании состава даны специальные названия, можно считать, что каждая группа проявляет беспредельно широкий диапазон состава. Глинистые минералы классифицируются главным образом на основе их структуры.

Основные группы глинистых минералов

Группа каолинита. Главным членом группы каолинита является каолинит, имеет формулу (OH) 8 Al 4 Si 4 O 10 или Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O. Старинное название этого минерала перешло от китайцев. Кау-линг - «высокая гора»; так называлось месторождение каолина.

Химический состав. Al 2 O 3 39.5%,SiO2 46,5%, H 2 O 14%. Уд. Вес 2,58-2,60. Облик кристаллов. Более или менее хорошо образованные пластинчатые кристаллы исключительно редки и малы по размерам (до 1мм). Весьма вероятно, что они относились не к каолину, а к диккиту или накриту. Чаще наблюдаются обломки обломки изогнутых столбчатых кристаллических образований, в увеличенном виде напонающих дождевых червей. Агрегаты рыхлые, чешуйчатые или плотные тонкозернистые.

Цвет. Отдельные чешуйки и пластинки бесцветны. Сплошные массы- белого цвета, нередко с желтым, буроватым, красноватым, иногда зеленоватым или голубоватым оттенком. Блеск отдельных чешуек и пластинок перламутровый, а сплошных масс - матовый. Твердость около 1. Отдельные чешуйки гибки, но не обладают упругостью. В сухом состоянии землистые массы кажутся тощими на ощупь.

Аноксит подобен каолиниту, за исключением молекулярного соотношения SiO 2:Al 2 O 3 приблизительно равного трем вместо двух, что менее обычно. Диккит и накрит, сходные с каолинитом по составу, но с небольшими отличиями по форме кристаллов, также являются членами данной группы.

Монтмориллонитовая группа , получившая название по главному минералу группы, монтмориллониту, который имеет состав: (OH) 4 AL 4 Si 8 O 10 nH 2 O. Монтмориллонит назван по месту нахождения в Монтмориллоне (Франция). Химический состав непостоянный, сильно зависит от варьирующего содержания воды. По анализам чистых разностей устанавливаются следующие колебания (%): Al 2 O 3 11-22, Fe 2 O 3 0-5и больше (ферримонтмориллонит), MgO 4-9, CaO 0, 8-3, 5 и выше в кальциомонтмориллоните,SiO 2 48-56, H 2 O 12-24. Цвет монтмориллонита белый с сероватым, иногда синеватым оттенком, розовый, розово-красный, иногда зеленый. Блеск. В сухом состоянии матовый. Твердость отдельных чешуек неизвестна. Очень мягкий. Жирный.

Замечательной и чрезвычайно важной в практическом отношении особенностью минералов группы монтмориллонита является их свойство набухать в присутствии воды, а при нагревании постепенно отдавать адсорбированную воду. К минералам группы монтмориллонита относятся существенно магнезиальные, существенно алюминиевые и промежуточные между ними виды. Магний обычно замещает часть ионов алюминия в решетке. В монтмориллонитовую группу входят бейделит, который имеет молекулярное отношение SiO 2:Al 2 O 3 равное трем, и нонтронит, в котором окисное железо замещает алюминий.

Иллитовая, или глинисто-слюдистая группа включает иллит, который имеет общую формулу (OH) 4 Ky(Al 4 Fe 4 Mg 4 Mg 6) (Si 8-y Al y) O 20 , где «y» варьируется от 1 до 1,5. Иллит является разновидностью белых слюд, но отличается от них, вероятно, тем, что содержит меньше калия и больше воды, чем обычно свойственно слюдам. Кроме разновидностей иллита группа содержит глауконит.

Группа хлорита состоит из минералов богатых магнием, которые широко представлены в сланцах и в которых ионы двухвалентного железа занимают видное место. Хлорит имеет химический состав 5(Mg,Fe)O Al 2 O 3 3SiO 2 4H 2 O. Твердость 2-2,5. Удельный вес 2,0-2,8. Блеск от стеклянного до перламутрового. Цвет зеленый. Форма кристаллов – таблички, чешуйки, срастающиеся друзами.

Известно также множество «смешаннослойных» глинистых минералов. Структура этой группы является результатом упорядоченного или неупорядоченного расположения основных глинистых минеральных пакетов друг относительно друга по оси с. В некоторых из них отмечается переслаивание двух- и трехэтажных слоев. Подобные типы смешаннослойного строения обычно называют каолинит-иллитовыми, хлорит-иллитовыми и так далее, вместо того чтобы изобретать новые наименования для каждой смеси.

Помимо основных групп, перечисленных выше, некоторые глинистые минералы реже встречаются и имеют несколько отличную кристаллическую структуру, например, галлуазит (OH) 16 Al 4 Si 4 O 6 , а также менее гидратированный метагаллуазит (OH) 8 Al 4 Si 4 O 10 и аллофан, некристаллический взаимный раствор двуокиси кремния, окиси алюминия и воды в различных пропорциях. В некоторых случаях в глинах обнаруживают вермикулит и палыгорскит (сепиолит и аттапульгит).

Галлузиатовые минералы. Существуют две формы галлузиата, одна из которых имеет состав (OH) 8 Si 4 O 10 , а другая – (OH) 8 Si 4 O 10 4H 2 O. При относительно низких температурах (- + 60°С) последняя форма необратимо дегидратируется и переходит в первую форму. Галлузиатовые минералы построены последовательными слоями такого же структурного состава, как и слои, слагающие каолинит.

Высокогидратированная форма состоит из каолинитовых слоев, разделенных единичным молекулярным слоем водных молекул. Переход в дегидратированную форму вызывается потерей межслоевых водных молекул. По данным Бриндли, при низких температурах (60-75°С) происходит только частичная дегидратация, а для полного удаления межслоевых воды необходима температура порядка 400°С. При более низких температурах образуется частично дегидратированные формы, которые могут быть устойчивыми. В месторождениях галлузиат имеет тенденцию к частичной дегидратации, к образованию частично дегидратированного галлузиата, который в том случае, если месторождение крупное, постепенно переходит с глубиной в гидратированную форму.

Для обозначения различно гидратированного галлузиата существует ряд наименований. Низкогидратированная форма называется галлузиатом или метагаллузиатом, а более высокогидратированная форма – гидратированным галлузиатом, энделитом или галлузиатом.

Аллофановыми минералами являются те компоненты глинистых минералов, которые аморфны по отношению к рентгеновским лучам. Расположение тетраэдрических и октаэдрических единиц по отношению друг к другу в них недостаточно правильное, чтобы сделать возможной дифракцию, или отдельные структурные единицы, которые хорошо упорядочены, слишком малы по размеру, чтобы дать дифракционные эффекты.

Аллофановые компоненты не имеют обычно определенного химического состава или формы. Глины, содержащие аллофан, часто включает большие количества (+ 5%) фосфатного или сульфатного компонента. Кроме того, в них обычно относительно немного щелочей и щелочных земель, что приближает их к монтмориллониту, но последний имеет тенденцию содержать некоторое количество магния.

Вермикулит в глинистых минералах встречается в идее чрезвычайно мелких частиц в смеси с другими глинистыми минералами и часто смешаннослойных постройках. Определить его характерные свойства трудно, а часто невозможно. В связи сэтим до сих пор неизвестны диспергируемость его в воде, а также характерная форма и размер частиц. Структура вермикулита подобна структуре хлорита, за исключением того, что в структуре вермикулита межслоевые ионы магния гидратированы чаще, чем чем это имеет место в структуре брусита. Расположение молекул воды вокруг ионов магния и относительно большой заряд на поверхности кристаллической решетки по сравнению с монтмориллонитом, по-видимому, препятствуют набуханию минерала при обработке полярными молекулами. Однако межслоевая вода легко удаляется при нагревании до температуры порядка 100°С, а кристаллическая решетка минерала сжимается почти до 10 А 0 , подобно монтмориллониту, отличаясь в этом отношении от хлорита.

Визуально структуру аттапульгита можно представить в виде пучка брусочкоподобных структурных единиц, закономерно скрепленных вместе их длинными сторонами. Наружная сторона такого пучка брусочкоподобных частиц будет иметь вид «плато и каналов» или желобов, а их внутренняя часть будет состоять из чередующихся твердых брусочков и вытягнутых каналов с угловатым поперечным сечением.

Структура сепиолита сходна со структурой аттапульгита, отличаясь от нее главным образом размером брусочковидных структурных единиц и замещениями в пределах структуры. В сепиолите эти брусочкоподобные структурные единицы примерно на 50% шире, чем в аттапульгите. В структуре сепиолита существуют редкие замещения ионов магния или кремния. Встречается в волокнистых разновидностях с древовидным асбестом, в гидротермальных жилах, а также в виде землистых масс в озерных и морских отложениях.

Палыгорскиты давно известны под названиями «горная бумага», «горный картон», «горное дерево». Палыгорскиты являются алюмомагнезиальными силикатами, к которых алюминий и магний присутствуют приблизительно в равных количествах. Для этих минералов характерно волокнистое строение.



Глинистые минералы представляют собой водные филлосиликаты алюминия, иногда с различными примесями железа, магния, щелочных и щелочноземельных металлов, а также других катионов, обнаруженных на некоторых планетарных поверхностях или вблизи них.

Они образуются в присутствии воды, и когда-то они были важны для появления жизни, потому многие теории абиогенеза учитывают их в роль в этом процессе. Они являются важными составляющими почв и были полезны для человека с древних времен в сельском хозяйстве и производстве.

Образование

Глины образуют плоские шестиугольные листы, похожие на слюды. Глинистые минералы являются распространенными продуктами выветривания (в том числе, выветривания полевого шпата) и низкотемпературными продуктами гидротермального изменения. Они очень распространены в почвах, в мелкозернистых осадочных породах таких, как сланцы, аргиллиты и алевролиты, а также в мелкозернистых метаморфических сланцах и филлитах.

Характеристики

Глинистые минералы, как правило (но не обязательно), имеют ультрамелкозернистый размер. Обычно считается, что они имеют размер менее 2 микрометров при стандартной классификации размеров частиц, поэтому для их идентификации и изучения могут потребоваться специальные аналитические методы. К ним относится дифракция рентгеновских лучей, методы дифракции электронов, различные спектроскопические методы, такие как мессбауэровская спектроскопия, инфракрасная спектроскопия, рамановская спектроскопия и SEM-EDS, или же автоматизированные процессы минералогии. Эти методы могут быть дополнены микроскопией поляризованного света, традиционной техникой, устанавливающей фундаментальные явления или петрологические отношения.

Распространение

Учитывая потребность в воде, глинистые минералы относительно редки в Солнечной системе, хотя они широко распространены на Земле, где вода взаимодействует с другими минералами и органическим веществом. Они также были обнаружены в нескольких местах на Марсе. Спектрография подтвердила их присутствие на астероидах и планетоидах, включая карликовую планету Церера и Темпель 1, а также луну Юпитера Европу.

Классификация

Основные глинистые минералы входят в следующие кластеры:

• Каолиновая группа, которая включает минералы каолинит, диккит, галлуазит и накрит (полиморфы Al2Si2O5 (OH) 4). Некоторые источники включают группу каолинит-серпентин из-за структурного сходства (Bailey 1980).
• Смектитовая группа, которая включает такие как монтмориллонит, нонтронит и бейделлит, и триоктаэдрические смектиты, например, сапонит. В 2013 году аналитические испытания марсоходом Curiosity обнаружили результаты, согласующиеся с присутствием минералов смектитовой глины на планете Марс.
• Иллитовая группа, в которую входят глинистые слюды. Иллит - единственный распространенный минерал этой группы.
• Хлоритная группа включает в себя широкий спектр аналогичных минералов со значительной химической вариацией.

Другие виды

Существуют другие типы этих минералов такие, как сепиолит или аттапульгит, глины с длинными водяными каналами, внутренними по своей структуре. Вариации глины смешанного слоя актуальны для большинства вышеупомянутых групп. Упорядочение описывается как случайное или регулярное упорядочение и далее описывается термином «рейхвайт», что в переводе с немецкого означает «диапазон» или «охват». Литературные статьи ссылаются, например, на упорядоченный иллит-смектит R1. Этот тип включается в категорию ISISIS. R0, с другой стороны, описывает случайное упорядочение. Помимо них, также можно найти другие расширенные типы упорядочения (R3 и т. д.). Глинистые минералы смешанного слоя, которые являются совершенными типами R1, часто получают свои собственные названия. R1-упорядоченный хлорит-смектит известен, как корренсит, R1 - иллит-смектит - ректорит.

История изучения

Знания о природе глины, стали более понятными в 1930-х годах с развитием технологий дифракции рентгеновских лучей, необходимых для анализа молекулярной природы глинистых частиц. Стандартизация терминологии возникла и в этот период с особым вниманием к подобным словам, которые привели к путанице, такой как лист и плоскость.

Как и все филлосиликаты, глинистые минералы характеризуются двумерными пластами угловых тетраэдров SiO4 и / или октаэдров AlO4. Листовые блоки имеют химический состав (Al, Si) 3O4. Каждый кремниевый тетраэдр делит 3 своих вершинных атома кислорода с другими тетраэдрами, образуя гексагональную решетку в двух измерениях. Четвертая вершина не является общей с другим тетраэдром, и все тетраэдры «указывают» в одном направлении. Все неразделенные вершины находятся на одной стороне листа.

Структура

В глинах тетраэдрические листы всегда связаны с октаэдрическими, сформированными из небольших катионов, таких как алюминий или магний, и координированы шестью атомами кислорода. Неподеленная вершина из тетраэдрического листа также образует часть одной стороны октаэдрического, но дополнительный атом кислорода расположен над зазором в тетраэдрическом листе в центре шести тетраэдров. Этот атом кислорода связан с атомом водорода, образующим группу ОН в структуре глины.

Глины можно разделить на категории в зависимости от способа упаковки тетраэдрических и октаэдрических листов в слои. Если в каждом слое есть только одна тетраэдрическая и одна октаэдрическая группа, то то она относится к категории 1:1. Альтернатива, известная как глина 2: 1, имеет два тетраэдрических листа с неразделенной вершиной каждого из них, направленной друг к другу и образующей каждую сторону восьмигранного листа.

Соединение между тетраэдрическим и октаэдрическим листами требует, чтобы тетраэдрический лист становился гофрированным или скрученным, вызывая дитригональное искажение гексагональной матрицы, и октаэдрический лист выравнивался. Это минимизирует общие валентные искажения кристаллита.

В зависимости от состава тетраэдрических и октаэдрических листов слой не будет иметь заряда или будет иметь отрицательный. Если слои заряжены, этот заряд уравновешивается межслоевыми катионами, такими как Na + или K +. В каждом случае промежуточный слой также может содержать воду. Кристаллическая структура сформирована из пакета слоев, расположенных между другими слоями.

"Глиняная химия"

Поскольку большинство глин изготовлены из минералов, они обладают высокой биосовместимостью и интересными биологическими свойствами. Из-за формы диска и заряженных поверхностей глина взаимодействует с целым рядом макромолекул таких субстанций, как белок, полимеры, ДНК и т. д. Некоторые из областей применения глин включают доставку лекарств, тканевую инженерию и биопечать.

Глиняная химия является прикладной дисциплиной химии, которая изучает химические структуры, свойства и реакции глины, а также строение и свойства глинистых минералов. Это междисциплинарная область, включающая концепции и знания из неорганической и структурной химии, физической химии, химии материалов, аналитической химии, органической химии, минералогии, геологии и других.

Изучение химии (и физики) глин и строения глинистых минералов имеет большое академическое и промышленное значение, поскольку они относятся к числу наиболее широко используемых промышленных минералов, используемых в качестве сырья (керамика и т. д.), адсорбентов, катализаторов и др.

Важность науки

Уникальные свойства глинистых минералов почв такие, как слоистое строение нанометрового масштаба, наличие фиксированных и взаимозаменяемых зарядов, возможность адсорбирования и удержания (интеркалирования) молекул, способность образовывать стабильные коллоидные дисперсии, возможность индивидуальной модификации поверхности и межслойной химической модификации и другие делают изучение химии глины очень важной и чрезвычайно разнообразной областью исследований.

На многие различные области знаний влияет физико-химическое поведение глинистых минералов, от наук об окружающей среде до химической технологии, от керамики до обращения с ядерными отходами.

Их катионообменная емкость (CEC) имеет большое значение в балансе наиболее распространенных катионов в почве (Na +, K +, NH4 +, Ca2 +, Mg2 +) и контроле pH, что напрямую влияет на плодородие почвы. Изучение глин (и минералов) также играет важную роль в работе с Са2 +, обычно поступающего с суши (речной воды) в моря. Возможность изменять и контролировать состав и содержание минералов предлагает ценный инструмент в разработке селективных адсорбентов с различными применениями такими, как, например, создание химических датчиков или чистящих веществ для загрязненной воды. Эта наука также играет огромную роль в классификации групп глинистых минералов.

Глинистые минералы - группа водных силикатов , слагающих основную массу глинистых отложений и большей части почв и определяющих их физико-химические, механические и др. свойства.

Глинистые минералы являются продуктом выветривания преимущественно алюмосиликатов и силикатов магматических и метаморфических горных пород на дневной поверхности. В процессе выветривания глинистые минералы испытывают стадийные преобразования структуры и химического состава в зависимости от изменения физико-химических условий среды выветривания и седиментации. Размеры частиц глинистых минералов в глинах большей частью не превышают 0,01 мм. По кристаллической структуре глинистые минералы относятся к слоистым или псевдослоистым силикатам.

Высокая удельная поверхность, изоморфные замещения , обилие сколов кристаллической решётки и нескомпенсированных зарядов придаёт глинистым минералам катионнообменную способность . Также они способны химически связывать воду.

В состав минералов входят слои, состоящие из кремнекислородных тетраэдров и алюмогидроксильных октаэдров , эти слои объединяются в элементарные пакеты, совокупность которых формирует частицу минерала. По набору слоёв в пакете различают несколько групп глинистых минералов:

Группа каолинита (каолинит, галлуазит ) c пакетом, состоящим из одного слоя октаэдров и одного слоя тетраэдров. Пакеты прочно связаны между собой и плотно прилегают друг к другу, в результате чего молекулы воды и катионы металлов не могут входить в межпакетное пространство и минерал не набухает в воде, а также обладает низкой ёмкостью катионного обмена (ЕКО).

Группа монтмориллонита или группа смектита (монтмориллонит, нонтронит , бейделит и др.) с трёхслойным пакетом вида тетраэдр-октаэдр-тетраэдр. Связь между пакетами слаба, туда проникает вода, из-за чего минерал сильно набухает. Отличается высокой ЕКО (до 80-120 мг-экв на 100 г.).

Группа гидрослюд (гидробиотит , гидромусковит и др.) также с трёхслойным пакетом, но сильной связью между ними. Практически не поглощают воду и не набухают в ней. Отличаются высоким содержанием калия , поскольку его ионный радиус позволяет ему входить в пустоты структуры минерала.

Группа хлорита с четырёхслойной набухающей структурой.

Группа смешаннослойных минералов с чередованием пакетов различных типов. Носят названия вида иллит-монтмориллонит, вермикулит-хлорит и т. п., свойства сильно варьируют

3. Развитие химии почв в XVIII-XIX вв.

Начало систематических исследований химических свойств почвы и

составляющих ее веществ относится к XVIII в. Многие исследования

конца XVIII - начала XIX в. оказали решающее влияние на ход дальнейшего

развития науки. Главное значение имели исследования трех

важнейших проблем: 1) почвенного гумуса; 2) поглотительной способности

почв; 3) теории минерального питания растений.

В числе важнейших следует назвать работу Ф. Ахарда (1786), который

действием раствора щелочи на почву и на торф получил темно-

бурый раствор. Прибавление к щелочному экстракту серной кислоты

вызвало выпадение темного, почти черного, осадка. Это вещество позже

получило название гуминовой кислоты, а способ ее выделения, использованный

Ахардом, с некоторыми модификациями сохранился до

наших дней. Десятью годами позже Л. Вокелен выделил аналогичное

вещество из ствола старого вяза, из щелочного экстракта камеди, выделенной

старым вязом. Т. Томсон в 1807 г. назвал это вещество уль^

мином (от ulmus - вяз).

Постановка экспериментальных работ по выделению и анализу

специфических темноокрашенных органических веществ из почвы в той

или иной мере была связана с гумусовой теорией питания растений, которую

очень четко сформулировал шведский ученый И. Валлериус в

книге «Основы сельскохозяйственной химии» (1761). Он считал, что

главным питательным веществом для растений является гумус, тогда

как прочие составные части почвы только создают благоприятные условия

для поглощения гумуса растениями. Эту теорию сформулировал

и широко пропагандировал профессор Берлинского университета

А. Тэер (1752-1828), но после исследований Ж. Б. Буссенго во Франции

и Ю. Либиха в Германии возможность прямого усвоения растениями

сложных органических веществ почвы была практически отвергнута

агрохимиками, хотя в середине XX в. эта проблема вновь приобретает

дискуссионный характер. Исследования 60-70-х гг. XX в. с применением

гумусовых веществ, меченых 14С, подтвердили возможность

поступления высокомолекулярных гумусовых кислот в растения через

корневые системы, хотя размеры такого поступления и его реальная

роль в естественных или агробиоценозах остаются невыясненными.

Исследования Ахарда и его современников имели не только агрономическое,

но и самостоятельное почвенно-химическое значение. Уже с

начала XIX в. появляется целая серия экспериментальных исследований

своеобразных, не известных в то время, органических соединений -

гумусовых кислот, которые извлекали из почв или природных вод.

Подробные исследования состава, растворимости, взаимодействия

гумусовых кислот с солями и аммиаком были выполнены И. Дёберей-

нером (1822), К- Шпренгелем (1826), й. Я. Берцелиусом (1833), а в

период с 1840 до 1860 г. - Г. Мульдером и русским исследователем

Р. Германом. Одновременно делаются попытки получения искусственных

гуминовых кислот (Булле, Малагути и др.).

Следует подчеркнуть, что в XVIII и XIX вв. вопросы сельскохозяйственной

химии, и химии почв в частности, находились в центре внимания

многих великих химиков. В их числе был Й. Я- Берцелиус, детально

исследовавший свойства гумусовых кислот.

Йене Якоб Берцелиус (1779-1848), великий шведский ученый, был

одним из лучших химиков своего времени. Он был членом многих академий,

в том числе иностранным членом Петербургской Академии наук.

Берцелиус создал электрохимическую теорию химических соединений,

с высокой точностью определил атомные веса около 50 элементов, подтвердил

закон постоянных и кратных отношений, создал таблицу атомных

масс, открыл ряд новых элементов, разработал новые методы анализа

и оборудование для химических работ (промывалка, химические

стаканы и др.). Им была создана номенклатура, предложены символы

химических элементов и способы начертания химических формул, используемые

с небольшими изменениями и до настоящего времени. Для

химии почв наибольший интерес представляют его исследования минералов.

Берцелиус впервые ввел термин «силикаты» для кремнийсодер-

жащих минералов и установил, что соотношение окислов металлов и

кремния в силикатах различное и составляет 1:1, 1:2 и 1:3. Это позволило

разделить силикаты на три большие группы. Разработанный им

способ выражения состава минералов по числу входящих в них окислов

не утратил своего значения и теперь. Второе важнейшее для почвоведения

направление в работах Берцелиуса - изучение гумусовых

кислот. Из природных вод он выделил два новых вещества и предложил

для них названия «креновая» и «апокреновая» кислоты, а из разлагающейся

древесины выделил гуминовую кислоту. В «Учебнике химии

» (1839) Берцелиус отводит большой раздел химии гумусовых веществ.

Он рассматривает процессы превращения растительных остатков

в перегной, описывает свойства выделенных им гумусовых кислот

и их соединений с калием, натрием, аммонием, барием, кальцием, магнием,

глиноземом, марганцем, железом, свинцом, медью, ртутью, серебром.

В современных учебниках химии важнейшему классу природных

органических соединений - гумусовым кислотам -не уделяется, к сожалению,

практически никакого внимания.

Второй важнейший этап в развитии экспериментальной химии почв

связан с изучением явления катионообменной способности почв. Английский

фермер Г. С. Томпсон установил, что если промывать колонку

с почвой, к которой предварительно добавлен (NH4)S04, водой, то в

вытекающем из колонки растворе появляется CaS04. Результаты опытов

своих опытах химику Королевского сельскохозяйственного общества

Дж. Т. Уэю, который немедленно развернул экспериментальные исследования

сделал следующие важнейшие выводы.

1. Катионы Na+, K+, NH4+, добавленные к почве в виде солей сильных

кислот, поглощаются почвой, и вместо них в растворе появляются

эквивалентные количества кальциевых солей, т. е. происходит реакция,

описываемая уравнением:

почва+2КС1-»-К2-почва + СаС12.

2. Катионы в виде гидроксидов или карбонатов поглощаются почвой

полностью без вытеснения из почвы кальция или анионов.

3. Кальциевые соли сильных кислот (нитраты, хлориды и сульфаты)

почвой не поглощаются.

4. Поглощение катионов осуществляется глинистыми частицами

почвы, тогда как песок и органическое вещество не играют существенной

5. Нагревание почвы или обработка ее кислотой нарушают способность

почвы поглощать катионы.

6. Поглощение происходит очень быстро, практически мгновенно.

7. Увеличение концентрации добавленной соли повышает количество

поглощенных почвой катионов.

8. Поглощение катионов происходит необратимо.

9. Почвы способны поглощать фосфаты.

Далеко не все выводы Уэя были впоследствии подтверждены; явно

ошибочным было заключение о роли органического вещества, о неспособности

почвы поглощать кальций. В реакциях обмена, очевидно,

участвовали ионы водорода, что могло создать впечатление о полном

поглощении карбонатов и гидроксидов без сопутствующей обменной

реакции. Несмотря на это, основные положения остаются справедливыми

и в наши дни, а выполненные Томпсоном и Уэем эксперименты послужили

отправной точкой для развития нового научного направления,

которое в настоящее время представлено не только учением о поглоти-

тельной способности почвы, но и широким применением в различных

отраслях науки и производства методов и технологических процессов с

применением ионообменников. Значение работ Уэя для последующего

развития науки оказалось столь большим, что профессор университета

штата Кентукки (США) Г. Томас назвал его «отцом химии почв».

Открытие ионного обмена в почвах не сразу и далеко не полностью

было оценено современниками. Даже такой опытный и эрудированный

химик, как Ю. Либих, отказался признать эксперименты правильными,

а затем потребовалось около 30 лет для того, чтобы сделать новый шаг

в изучении закономерностей обмена. Только в период 1877-1888 гг.

Ван Беммелен показал, что и другие катионы, кроме Са2+, могут быть

вытеснены из почв растворами солей.

Якоб-Мартен ван Беммелен (1830-1911) - знаменитый голландский

химик, один из основателей учения об адсорбции. Он провел обширные

исследования химии природных тел, изучал почвы и природные

воды. Особое значение в формировании поглотительной способности

почв Беммелен придавал физическому состоянию почвенного мелкозема,

опираясь на свойства коллоидных систем вообще. В почвах, по

его мнению, содержатся коллоидные аморфные вещества, которые дают

соединения переменного состава, не подчиняющиеся стехиометрическим

законам. Такого рода соединения он назвал «адсорбционными соединениями

». В качестве конкретных носителей поглотительной способности

почв Беммелен указывал на цеолитоподобные силикаты, коллоидную

кремнекислоту, гидроокиси железа, гумус, остатки организмов.

К началу XIX в. относится и развитие представлений о кислотно-

основных свойствах почв. В 1813 г. вышла книга крупнейшего английского

химика Гемфри Дэви (1778-1829), впоследствии президента

Лондонского Королевского общества, «Основы сельскохозяйственной химии

». В этой книге подчеркивалась особая роль извести, которая, по

Дэви, растворяет твердый растительный материал и тем самым улучшает

условия питания растений и способствует созданию хорошей

структуры почвы. Он предложил метод определения карбоната кальция

в почве путем обработки почвы кислотой и последующего определения

в кислотной вытяжке кальция (методом осаждения) или по объему выделившейся

двуокиси углерода. Американский исследователь Э. Руф-

фин попытался применить метод Дэви к американским почвам и в результате

специальных опытов пришел к выводу, что задача известкования

заключается в нейтрализации почвенной кислотности. Книга

Руффина «Этюды об известковых удобрениях» вышла в 1832 г., но только

к началу XX в. были продолжены исследования почвенной кислотности.

Развитие третьего направления в химии почв - теории минерального

питания растений - связано с именем Ю. Либиха. Юстус фон Либих

(1803-1873) сыграл очень большую роль в развитии теоретической

и экспериментальной химии почв. Интересы Либиха были весьма

разносторонними; его часто относят к специалистам в области органической

химии, и считается, что его вклад в развитие органической химии

сравним лишь со значением работ Берцелиуса в неорганической химии.

Вместе с тем трудно переоценить значение его работ для развития

физиологической химии, биохимии и агрохимии. Либих провел многочисленные

анализы растений и опыты по влиянию калийных и фосфатных

солей на развитие культурных растений на песчаной почве.

В книге «Органическая химия в приложении к земледелию и физиологии» 1840 он показал, что растения нуждаются не только в углероде,

кислороде, водороде и азоте, но также в фосфоре, калии, кальции, сере,

магнии, железе и даже кремнии. Изучая вопросы агрохимии, Либих не

ограничился только решением теоретических вопросов, но на основе

расплавов карбоната калия и натрия приготовил искусственное удобрение.

Первые фабричные удобрения, правда, оказались не эффективными.

Было бы неверно, однако, сводить значение трудов Либиха в области

агрономической химии только к проблеме минерального питания

растений и внесения удобрений. Работы Либиха повлияли на последующее

развитие проблем доступности элементов минерального питания

растениям, их подвижности в почвах и, как следствие, проблемы химических

равновесий минеральных компонентов в системе почва - почвенный

Рассматривая термин «глины» с точки зрения седиментации, его в первую очередь связывают с понятием размера частиц, однако, с химической и минералогической точки зрения, под «глинами» понимают определенные глинистые минералы. Эти глинистые минералы представляют собой кристаллические образования со слоистой структурой, состоящие из слоя кремнезема и глинозема. К глинистым минералам относятся смектит, иллит, хлорит и каолинит. Они присутствуют в породе в виде мелких кристаллических частиц, размер которых позволяет отнести их к категории глинистых частиц. Анализ типа глинистых минералов, присутствующих в сланцевых глинах, проводится с помощью метода дифракции рентгеновских лучей.

Глинистые минералы абсорбируют на своих поверхностях воду и катионы. Как было указано ранее, глинистые минералы имеют мелкий размер частиц и слоистую структуру, что обеспечивает большую удельную площадь поверхности (т.е. площадь поверхности на грамм материала). Иллит, хлорит и каолинит представляют собой мелкие кристаллы, адсорбирующие на своих внешних поверхностях воду и катионы. Способность смектита адсорбировать воду гораздо выше, чем у других глинистых минералов, поскольку вода и катионы адсорбируются не только на внешних поверхностях его частиц, но и между слоями кристаллической структуры смектита.

Способность адсорбировать воду, способность глин обменивать катионы и удельная площадь поверхности глин - связанные между собой явления, которые иногда называют коллигативными свойствами глин. Эти свойства определяют степень активности глин, однако, поскольку такой параметр, как катионообменная емкость (КОЕ), очень просто измерить, он является практическим методом определения активности глин. КОЕ сухих глин измеряется методом титрования метиленового синего. Стандартной единицей измерения катионообменной емкости является миллиэквивалент на 100 г сухой глины. При замере КОЕ используется раствор метиленового синего 0,01 N, отсюда количество миллилитров раствора метиленового синего, необходимое для достижения конечной точки титрования, равно миллиэкв./100 г.

Ниже приведен диапазон значений КОЕ для различных глинистых материалов:

Очевидно, что смектит, по сравнению с другими глинистыми минералами, представляет собой наиболее активный/реакционноспособный минерал. Глинистые породы, содержащие смектит, гораздо более восприимчивы к воде, и в наибольшей степени подвержены гидратации. Сланцевые глины, в состав которых входят другие глинистые минералы, гидратируют в меньшей степени, однако, они тоже могут быть водочувствительными. Объем глинистых минералов, входящих в состав сланцевых глин, варьируется. Реакционная способность глинистых пород зависит от типа и объема глинистых минералов, присутствующих в породе. Часто для замера активности сланцевых глин вместо метода дифракции рентгеновских лучей лучше использовать КОЕ.

Иллит и смектит имеют схожую кристаллическую структуру. Она представляет собой чередующиеся трехслойные образования, где между двумя прослоями кремнезема находится слой алюминия. Отличительной особенностью смектита является то, что указанные трехслойные образования перемежаются слоями адсорбированных ионов и воды. Структура иллита отличается наличиемионов калия между указанными трехслойными образованиями и отсутствием воды. К тому же, в слоях кремнезема, присутствующих в иллите, произошло значительное замещение атомов кремния атомами алюминия, в смектите подобного не произошло. Атомы калия в иллитовой структуре не являются обменными ионами, они представляют собой фиксированную часть кристаллической структуры; обменными являются только те ионы, которые расположены на внешних поверхностях иллита. В смектите, ионы между слоями являются катионнообменными и представлены натрием, кальцием, магнием и калием (обратите внимание, что ионообменный калий в смектите не такой же, как в иллите).

Как уже отмечалось ранее, при обсуждении диагенеза, смектитовые и иллитовые глины чаще всего бывают представлены как смешанослойные минералы. В минералах подобного типа некоторые слои содержат обменные ионы и воду, тогда как другие «крепко связаны» атомами калия, находящимися между слоями. Смектиты и иллиты присутствующие в шельфовых отложениях и осадочных породах, в основном залегают в виде смешанослойных глин. Многие бурильщики с большим стажем, и некоторые другие категории специалистов, непосредственно занимающиеся бурением, вместо термина смектит используют монтмориллонит или бентонит, подразумевая под этим глины, содержащие воду внутри слоистой структуры. Такая ситуация объясняется тем, что специалисты, изучающие глины, в течение многих лет разрабатывали номенклатуру глинистых материалов. В настоящее время процесс уточнения терминологии продолжается, так как обнаруживаются новые детали, касающиеся природы глинистых материалов. Для более подробной характеристики того или иного глинистого материала предлагаются следующие определения:
Смектит - группа глинистых минералов, имеющих трехслойную структуру, и содержащих воду между слоями алюмосиликата. В данную группу минералов входят монтмориллонит, гекторит, сапонит, нонтронит и ряд других минералов.
Иллит - особый глинистый минерал, структура которого схожа со структурой смектита, однако между двумя слоями алюмосиликата отсутствует слой воды. Специалисты еще не определили иллит в отдельную группу минералов, однако над этим ведется работа.
Монтмориллонит - широко распространенный минерал, относящийся к смектитовой группе минералов. Большинство смектитовых глин, залегающих в Мексиканском заливе в зоне США, являются монтмориллонитом. В других осадочных бассейнах могут быть другие отложения.
Бентонит с точки зрения геологии - это отложения измененного вулканического пепла. В промышленном использовании, под термином бентонит подразумевается монтмориллонит натрия, добываемый и используемый в качестве добавки к буровым раствором. Бентонитовая глина, добываемая в Вайоминге, извлекается из бентонитового пласта, тогда как в других районах эта глина может добываться и из других типов геологических отложений.

Хлоритовые глины по активности схожи с иллитом. Хлориты относятся к группам особых глинистых минералов. Как правило, они содержат слой алюминия между двумя слоями кремнезема, а также слой оксида магния или железа. Вода между слоями отсутствует. Некоторые, сформировавшиеся в более ранние эпохи, глинистые породы, сильно измененные в результате диагенеза, в качестве глинистых составляющих содержат только хлорит и иллит. Большинство этих глин можно назвать относительно нереактивными, но некоторые из них могут гидратировать и осыпаться.

Каолинитовая глина менее активна, чем другие глинистые минералы. Базовую структуру каолинита составляют перемежающиеся слои кремнезема и алюминия. Размер кристаллов каолинита обычно превышает размер кристаллов смектита или иллита, они имеют меньшую удельную площадь, катионообменную емкость и обладают меньшей способностью адсорбировать воду. Каолинитовые глины могут диспергироваться в водных буровых растворах.

Тип глин, представленных в породе, анализируется с помощью метода дифракции рентгеновских лучей. Данный метод заключается в измерении расстояния между атомными плоскостями кристаллического вещества. В следующей таблице представлены величины толщины слоев в ангстремах (Å или 10-8 см) для наиболее распространенных видов глин:

Стоит напомнить, что расстояние между кристаллами в смектитовой глине зависит от типа ионов. Один из классических методов идентификации смектита в случае, если возникает сомнение относительно его присутствия, - обработать глины этиленгликолем, и посмотреть, увеличилось ли расстояние между плоскостями до 17 ангстрем.
Для получения более подробной информации о механизмах катионного обмена, а также набухания и дисперсии глин, см. главу

Глинистые минералы, их строение, свойства и значение в почвоведении.

Почва более чем на девяносто процентов состоит из минеральных компонен­тов и содержит основной запас питательных веществ для растений. Почва являет­ся полидисперсной системой и имеет довольно сложный механический, минера­логический и химический состав. В качестве примера в табл. 1.1 приведен средний химический состав твердой фазы почвы (по А. П. Виноградову).

Как видно из таблицы, почти половина твердой фазы почвы приходится на кислород, одна треть - на кремний, свыше 10% -на алюминий и железо и толь­ко 7% - на все остальные элементы. Из всех перечисленных элементов только азот (а также частично углерод, водород, кислород, фосфор и сера) содержится в органической части почвы. Все остальные элементы приходятся на минераль­ную часть почвы, которая состоит из большого числа различных минералов в виде частиц, имеющих размеры от 10 -9 до 10 -3 м и более.

Все минералы, содержащиеся в почве, по происхождению подразделяются на первичные и вторичные. Первичные минералы имеют преимущественно магматиче­ское происхождение. Из них наиболее распространены в почвах кварц (окись кремния), полевые шпаты, амфиболы, пироксены и слюды, т. е. минералы, включающие

Таблица 1.1 Средний химический состав твердой фазы почвы

кислородные соединения кремния. Эти минералы составляют основную массу магматических и почвообразующих пород. В почвах первичные минералы обычно присутствуют в виде более или менее крупных частиц размером от 10 -3 до 10 -6 м, и только очень незначительная часть их имеет более высокую степень дисперсности.

Первичные минералы в условиях земной поверхности неустойчивы и под дей­ствием сил выветривания переходят в более устойчивые соединения - вторичные минералы. Процесс выветривания протекает под влиянием как чисто физических (колебания температуры, ветер, движущая сила воды), так и химических и био­логических факторов. В результате этого из первичных минералов могут образо­ваться вторичные минералы простого состава: гидроксиды железа (II) и (III), алюминия, гидроксид кремния и некоторые другие соединения.

Кроме того, в процессе выветривания образуются также вторичные минералы более сложного строения (алюмо- и феррисиликаты). Эти последние более высо­кодисперсны, чем первичные, и имеют исключительно важное значение в создании основного свойства почвы - ее плодородия.

Все вторичные минералы сложного состава имеют пластинчатое строение и содержат химически связанную воду. Поскольку эти минералы являются важней­шей составной частью различных глин, они получили название глинистых или глинных минералов .

Число глинистых минералов довольно велико, но в почвах наиболее широкое распространение и значение для плодородия имеют в основном три группы мине­ралов: каолинитовая, монтмориллонитовая и гидрослюдистая.

К минералам каолинитовой группы относятся каолинит и галлуазит , а также некоторые другие минералы. Каолинитовые глины содержат примерно 20-25% илистых частиц (меньше 0,001 мм), из них 5-10% частиц коллоидных размеров (меньше 0,25 микрона). Минералы этой группы довольно часто встречаются во многих типах почв. Они имеют сравни­тельно небольшую набухаемость и липкость.

Из минералов монтмориллонитовой группы в почвах наиболее распростране­ны монтмориллонит , бейделлит , нонтронит и некоторые другие. Монтмориллонитовые гли­ны обладают в отличие от каолинитовых высокой набухаемостью, липкостью и связностью. Для них весьма характерным признаком является высокая степень дисперсности (до 80% частиц меньше 0,001 мм, из которых 40-45% меньше 0,25 микрона).

Среди глинистых минералов, встречающихся в почвах, большое место принад­лежит минералам группы гидрослюд. В эту группу входят гидромусковит (иллит) {KAl 2 [(Si, Al) 4 O 10 ](OH) 2 ·nH 2 O}, гидробиотит {K(Mg, Fe) 3 [(Al, Si) 4 O 10 ] (OH) 2 ·nH 2 O} и вермикулит {(Mg, Fe 2+ , Fe 3+) 2 [(A1, Si) 4 O 10 ](OH) 2 ·4H 2 O}.

Глинистые минералы различаются по структуре.

Кристаллическая решетка различных глинистых минералов построена из од­них и тех же элементарных структурных единиц, состоящих из атомов кремния и кислорода, а также из атомов алюминия, кислорода и водорода. Кроме перечис­ленных выше элементов в состав глинистых минералов могут входить Fe, Mg, К, Мn и др. В подавляющем большинстве глинистые минералы имеют слоистое строе­ние и относятся к слоистым силикатам. Как показали новейшие рентгенографиче­ские и электронографические исследования, слои глинистых минералов состоят из сочетания кремнекислородных и кислород-гидроксилалюминиевых соединений.

Установлено, что важнейшие физико-химические и водно-физические свойст­ва почвы - емкость поглощения, гидрофильность, связность, липкость, реакция среды и многие другие - находятся в прямой зависимости от минералогического состава. Теперь известно, что доступность для растений тех или иных питатель­ных элементов в значительной мере зависит от вида минералов, содержащихся в почве, и от степени их дисперсности.

Глинистые минералы в основном сосредоточены в илистой (менее 1 мкм) фракции почв. Составом и строением минералов этой фракции в значительной сте­пени определяется поглотительная способность почвы по отношению к катионам и анионам. Чем выше емкость поглощения почвы, тем больший запас питательных элементов в ней сосредоточен, следовательно, лучше ее потенциальное плодоро­дие.

Минералы группы монтмориллонита обладают не только наибольшей степенью дисперсности, но и наибольшей поглотительной способностью (1,0-1,5 мкг-экв/кг). Эти минералы способны сильно набухать и содержат до 30% связанной воды, ко­торая не может усваиваться растениями. Присутствие минералов монтмориллони­товой группы в почвах всегда положительно сказывается на растениях, обеспечи­вает большее содержание в них необходимых питательных элементов. Однако поч­вы, очень богатые монтмориллонитом, имеют невысокую агрономическую ценность. При высыхании таких почв образуются трещины, водопроницаемость их становит­ся неодинаковой, на поверхности образуется прочная корка. Эти отрицательные свойства монтмориллонита особенно сильно проявляются на почвах, бедных гу­мусом. При достаточном количестве гумуса физико-химические свойства такой поч­вы значительно улучшаются за счет образования водопрочных органо-минеральных агрегатов. Практика показывает, что добавление в сильно деградированные песчаные почвы глин, содержащих минералы монтмориллонитовой группы, по­ложительно сказывается на плодородии.

Минералы каолинитовой группы по своим свойствам резко отличаются от монтмориллонита. Каолинит обладает очень малой емкостью поглощения (0,07- 0,10 мкг-экв/кг); он практически не набухает и содержит весьма незначительное количество воды. Почвы, в которых много этого минерала, вследствие малой ем­кости поглощения отличаются низким плодородием. Сам каолинит не содержит поглощенных оснований и поэтому не является источником питания для растений. Почвы, содержащие много каолинита, хорошо отзываются на внесение в них ка­лия и других оснований.

Минералы группы гидрослюд чрезвычайно богаты легкодоступным для расте­ний калием (до 6-7%). Емкость поглощения гидрослюд в несколько раз выше, чем у каолинита, но в два-три раза меньше, чем у монтмориллонита. Почвы, содержащие много гидрослюдистых минералов, практически не нуждаются в калий­ных удобрениях.

В трудах многих ученых отмечается активное участие глинистых минералов в повышении степени доступности фосфатов почвы, калия и микроэлементов. На­личие в почвах полуторных оксидов, а также токсичного для растений подвижно­го алюминия обусловлено составом и строением высокодисперсных (в том числе и глинистых) минералов. Таким образом, качественный и количественный состав вторичных минералов имеет одно из первостепенных значений в создании основно­го свойства почвы - ее плодородия.

§7. Характеристика жидкого агрегатного состояния.

Жидкости по своим свойствам занимают промежуточное поло­жение между твердыми телами и газами и сходны как с теми, так ис другими. По некоторым свойствам жидкости сходны с газами: они текучи, не имеют определенной формы, аморфны и изотропны, т. е. однородны по своим свойствам в любом направлении. С дру­гой стороны, жидкости обладают объемной упругостью, как твер­дые тела. Они упруго противодействуют не только всестороннему сжатию, но и всестороннему растяжению. Молекулы их стремятся к некоторому упорядоченному расположению в пространстве, т. е. жидкости имеют зачатки кристаллического строения.

Жидко­сти отличаются высокой текучестью и принимают форму того сосу­да, в котором они находятся.

Средней кинетической энергии молекулы жидкости вполне хва­тает, чтобы совершать перескоки из одного положения равновесия в другое, но этой энергии явно недостаточно для того, чтобы пол­ностью преодолеть силы взаимодействия окружающих молекул. Из жидкости вырывается лишь небольшое число наиболее быстрых молекул (процесс испарения). Тепловые движения молекул жидкости не выходят за пределы действия когезионных сил, поэтому жидкости имеют постоянный объем.

Огромную роль в свойствах жидкостей играет объем молекул, их форма и полярность. Если молекулы жидкости полярны, то происходит ассоциация (объединение) двух или более молекул в сложный комплекс (рис. 1.5). В таких жидкостях, как вода, жидкий аммиак, большую роль в ассоциа­ции молекул играет наличие так называе­мой водородной связи.

Свойства жидкостей в значительной ме­ре зависят от степени ассоциации их моле­кул. Как показывает опыт, ассоциирован­ные жидкости обладают более высокой тем­пературой кипения, меньшей летучестью. С повышением температуры комплексы распадаются и тем сильнее, чем слабее силы взаимодействия мо­лекул в комплексе.

Как уже упоминалось в начале этой главы, существуют и так называемые кристаллические жидкости или жидкие кристаллы , которые, будучи жидкостями, обладают, как и кристаллические вещества, анизотропными свойствами. Различают термотропные и лиотропные жидкие кристаллы.

Следует отметить, что частичная упорядоченность молекул характерна для целого ряда биологически важных веществ - белково-липидных систем, холесте­рина, некоторых солей жирных кислот и т. п. Строгая упорядоченность, вообще ха­рактерная для биологических систем, также определяется особым типом органи­зации макромолекулярных структур и по своей сущности является динамической. В живом организме эта упорядоченность поддерживается за счет равновесия между непрерывно идущими процессами распада и образования вещества и свя­зана с увеличением энтропии той системы, в которой находится организм.

§8. Внутреннее трение (вязкость) жидкостей.

Всякое тело при движении испытывает сопротивление среды, в которой оно движется. Если перемешивать стеклянной палочкой воду, сахарный сироп, глицерин, мед и т. п., ощущается сопротив­ление движению палочки. Сила, противодействующая движению тела, носит название силы трения.

Когда тело испытывает сопротивление движению со стороны своих же частиц, противодействующая сила называется внутрен­ним трением или вязкостью . Таким образом, вязкость - это внут­реннее трение, проявляющееся при относительном движении со­седних слоев жидкости и зависящее от сил сцепления (взаимодей­ствия) между молекулами . Во всех жидкостях при перемещении одних слоев относительно других возникают более или менее зна­чительные силы трения, направленные по касательной к поверхно­сти этих слоев. Сила внутреннего трения F прямо пропорциональна площади S трущихся друг о друга слоев жидкости и скорости их движения dU и обратно пропорциональна расстоянию этих слоев dx один от другого:

При выражении силы трения F в ньютонах, dx в м, dU в м/с, a S в м 2 , получим

Вязкость является величиной, характерной для данной жид­кости.

Жидкости, подчиняющиеся уравнению (I.31), получили назва­ние ньютоновских. Однако есть жидкости, которые не подчиняются этому уравнению, например растворы высокомолекулярных соеди­нений.

Вязкость жидкостей в значительной степени зависит от темпе­ратуры: с повышением её вязкость жидкости понижается.

Величина, обратная вязкости, т. е. 1/η, называется текучестью. Эфир, этиловый спирт являются легкотекучими или легкопо­движными, а глицерин, деготь - труднотекучими, или, иначе, ма­лоподвижными жидкостями.

Значение вязкости в природе очень велико. В биологических системах она влияет на протекание ряда важнейших процессов в живом организме. Большую роль вязкость играет в различных технологических процессах в промышленности. В частности, ско­рость движения различных жидкостей по трубам в основном зави­сит от вязкости транспортируемой жидкости.

С понижением вязкости жидкости при нагревании связано по­вышение электрической проводимости растворов электролитов (проводников второго рода).