Физическая и коллоидная химия. Основные термины и определения. Учебное пособие

Актуальная щелочность. Содержание в почвенном растворе или водной вытяжке гидролитически щелочных солей (при гидролизе образуются ионы ОН—), преимущественно карбонатов и гидрокарбонатов: Na2CO3, NaHCО3, Са(НСО3)2. Определяется значением рН водной вытяжки, а также титрованием кислотой в мг-экв. на 100 г почвы. К слабощелочным (рН = 7,6–7,5) относятся: черноземы южные, каштановые, сероземы с признаками солонцеватости; к щелочным (7,6–8,5) – солончаки; к сильнощелочным (рН > 8,5) – содовые солонцы и солончаки.

Актюатор. Исполнительное устройство, также называемое актуатор, передающее воздействие на объект. В технике под актюатором обычно понимается преобразователь входного сигнала (электрического, оптического, механического и др.) в выходной сигнал, действующий на объект управления. Актюаторами являются: электродвигатели, электрические, пневматические и гидравлические приводы, релейные устройства и т. д.

Алкозоль. Коллоидный раствор в спирте.

Аллотропия. Явление образования нескольких простых веществ (аллотропных модификаций) из атомов одного химического элемента. Аллотропия может быть вызвана либо различным числом атомов в молекуле, либо различием кристаллических модификаций.

Пример 1. Химический элемент кислород образует молекулы кислорода (О2) или озона (О3), которые обладают разной реакционной способностью (озон – более активный реагент), разными физико-химическими характеристиками. Например, температура кипения кислорода – 183 °C, а озона – 112 °C, температура плавления кислорода – 219 °C, озона – 193 °C.

Пример 2. Углерод имеет следующие имеющие наибольшее практическое значение аллотропные модификации: графит (слоистая структура с sp2-гибридизацией орбиталей атомов углерода; темно-серое мягкое кристаллическое вещество с металлическим блеском), алмаз (кристаллическая структура с sp3-гибридизацией орбиталей атомов углерода; бесцветное прозрачное кристаллическое вещество с высоким показателем преломления света, твердое, но хрупкое), полиин (волокнистая структура, черный мелкокристаллический порошок, полупроводник), поликумулен (волокнистая линейная структура с sp-гибридизацией орбиталей атомов углерода).

Пример 3. Ромбическая и моноклинная кристаллические аллотропные модификации серы. В обычных условиях устойчива ромбическая модификация, при 95 °C ромбическая сера переходит в моноклинную.

Амбигель. Представляет собой продукт, который получается в результате удаления водного или органического растворителя гидрогеля или алкогеля. Процесс проводят при давлении 1 атм., малых плотностях, близких к плотности аэрогелей. При этом полярный растворитель последовательно заменяют на неполярный, а модификация поверхности осуществляется при низких скоростях подъема температур. Относится к нанотехнологическим терминам.

Амфифильный. Вещество (вещества), которое проявляет одновременно свойства лиофильности (гидрофильности) и лиофобности (гидрофобности). Как правило, это молекулы органических веществ, содержащие лиофобные (гидрофобные) группы, такие как углеводородные радикалы CH3—, C2H5—, C3H7– и др., а также лиофильные (гидрофильные) группы, такие как NH2—, —COOH и др. Например, уксусная кислота СН3СООН растворяется (смешивается) в полярных лиофильных растворителях (вода, этиловый спирт) и неполярных лиофобных (бензол). Способность молекулы проявлять амфифильные свойства имеет важное значение в химической технологии, биохимии, переработке растениеводческой и животноводческой продукции, производстве продуктов питания, лакокрасочной промышленности и других отраслях, где протекают процессы мицеллообразования, агрегации, флотации, капсулирования, образования биослоев, транспорта химических веществ через биомембраны и пр.

Амфолитоиды. Коллоиды амфотерного характера, у которых обменными ионами могут быть, в зависимости от реакции среды, как водородные, так и гидроксильные ионы и которые могут адсорбировать как катионы, так и анионы. Процессы обменной адсорбции на поверхности амфолитоида можно представить следующими схемами:

Х – ОН + анион = Х – анион + ОН— (в кислой среде);

ХО – Н + катион = ХО – катион + Н+ (в щелочной среде),

где Х – амфолитоид.

Амфотерность. Способность некоторых соединений проявлять в зависимости от условий как кислотные, так и основные свойства. Амфотерными свойствами обладает, например, гидроксид алюминия Al(OH)3, гидроксид цинка Zn(OH)2, аминоуксусная кислота NH2CH2COOH и многие другие соединения.

Анализ (от греч. analysis – разложение). 1) Метод научного исследования, состоящий в мысленном или фактическом разложении целого на составные части; наряду с синтезом имеет большое значение в научном познании. 2) Разбор, рассмотрение чего-либо. 3) Химический анализ – совокупность операций с целью определения вещественного состава исследуемого объекта (качественный анализ) или количественного определения его составляющих (количественный анализ). 4) Спектральный анализ – качественное и количественное определение веществ по характерным спектральным линиям составляющих элементов и их плотности, зависящей от концентрации. 5) Математический анализ – разработка и использование приемов вычислений при решении различных вопросов о величинах и степени их достоверности. 6) Структурно-функциональный анализ – совокупность операций, с помощью которых объект рассматривается как целостное образование, а в качестве основного средства его расчленения выступает выявление различных свойственных объекту функций.

Анализ агрегатный (структурный). Применяется в почвоведении для определения содержания в почве различных по диаметру и свойствам агрегатов, в процентах от веса сухой почвы. Анализ агрегатный может быть сухим или мокрым. В первом случае почва просеивается на ситах в воздушно-сухом состоянии, во втором – в воде.

Анализ гравиметрический. Основан на выделении определяемого компонента из раствора в виде малорастворимого соединения и определении массы осадка и продукта его дальнейшей обработки. Относительная ошибка гравиметрического анализа составляет 0,1 %; при соблюдении мер предосторожности и чувствительности аналитических весов может быть уменьшена до 0,01 %. Достоинства метода: высокая точность, отсутствие необходимости калибровки, простота операций и оборудования. Недостатки: значительный расход времени, непригодность для определения микроколичеств веществ.

Анализ гранулометрический (механический). Применяется в почвоведении. При анализе происходит разрушение почвенных агрегатов на элементарные частицы почвы с последующим определением их фракционного состава в процентах от веса сухой почвы.

Анализ групповой. Метод аналитической характеристики почв, состоящий в расчленении ее не на индивидуальные компоненты, а на отдельные аналитические группы по определенной совокупности их признаков. Например, анализ фракционного состава почв, группового состава гумуса и др.

Анализ дисперсионный. При дисперсионном анализе полидисперсных систем определяют время осаждения частиц отдельных фракций, рассчитывают скорости их осаждения и соответствующие им размеры частиц. Для этого сначала получают зависимость осевшего осадка от времени, строят график этой зависимости, называемый кривой седиментации, по которому затем определяют все необходимые характеристики дисперсной системы.

Анализ седиментационный. Метод седиментационного анализа дисперсности основан на измерении скорости осаждения частиц. Анализ проходит в жидких веществах, это могут быть суспензии, эмульсии, порошки. Контролируют скорость осаждения частиц, как правило, размером от 10–5 до 10–2 см и по уравнениям движения рассчитывают размеры частиц, что позволяет затем рассчитать удельную поверхность частиц.

Аналитическая химия. Раздел химии, в котором изучают химический состав веществ и их структуру. Качественный анализ в аналитической химии позволяет идентифицировать в анализируемом образце находящиеся в нем химические вещества, а количественный анализ дает ответ на вопрос, какова концентрация каждого вещества в образце.

Анаэробные процессы (от греч. an – отрицательная приставка, aer – воздух и bios – жизнь). Микробиологический, биохимический и химический процессы, протекающие при недостатке или отсутствии кислорода воздуха. Широко распространены в застойных водоемах (во многих озерах, в глубинных слоях Черного моря и др.), а также в болотах и переувлажненных почвах и грунтах.

Ангстрем. Внесистемная единица измерения длины, равная 0,1 нм, или 10–10 м. Используется при измерениях на атомно-молекулярном уровне, для измерения субмикроскопических структур клетки, изучаемых при помощи электронного микроскопа. Названа в честь шведского физика Андерса Ангстрема.

Анионит. Ионообменная смола, которая обменивает анионы, в том числе гидроксил-ион.

Анод. Электрод, на котором происходит окисление.

Антагонизм электролитов. Противодействие ионов друг другу при коагуляции благодаря способности одного из ионов электролита в растворе понижать коагулирующую силу другого иона.

Антиоксиданты (антиокислители, антиоксигены). Природные или синтетические вещества, обладающие способностью тормозить окисление органических соединений (ингибиторы окисления). Обладают также радиозащитным действием, что позволяет использовать антиоксиданты для повышения радиоустойчивости организма и в качестве ранней патогенной терапии лучевых поражений. К ним относятся цистеин, тиомочевина, лимонная и аскорбиновая кислоты, токоферол, каротиноиды, лецитин и др.

Антипирены. Химические вещества, способствующие снижению скорости горения, распространения пламени. Примеры: фосфат аммония, сульфат аммония, соединения бора, добавление которых в пропиточные растворы для обработки тканей, древесины, пластиков, красок и других материалов замедляет их горение.

Антрацит. Ископаемый уголь наиболее высокой степени метаморфизма. Имеет серовато-черный или черно-серый цвет с металлическим блеском. Анизотропен, в пористой структуре преобладают микропоры объемом 0,072–0,075 см3/г, характеризуется наибольшей твердостью и электропроводностью в ряду твердых горючих ископаемых, высокой плотностью (1,5–1,7 г/см3).

Антропогенное загрязнение. Загрязнение окружающей среды, возникающее в результате хозяйственной деятельности людей, в том числе их прямого или косвенного влияния на состав и концентрацию природных веществ в результате выбросов антропогенных загрязнителей.

Антропогенные факторы. Группа экологических факторов, включающая различные формы воздействия человека на растительность и животное население. Антропогенные факторы могут быть прямыми (истребление, завоз и акклиматизация, охрана) и косвенными (изменение ландшафтов и их отдельных компонентов – вырубка леса, распашка, выжигание и пр.). Косвенные антропогенные факторы вызывают сильные изменения в мире животных и растений, охватывающие одновременно значительное число видов. Антропогенные факторы могут повлечь за собой изменение климата, рельефа, растительности, почв и биогеохимических круговоротов веществ в природе.

Аппаратурная погрешность. Погрешность измерений, возникающая только по причине нестабильности работы измерительного прибора. В отличие от воспроизводимости, аппаратурная погрешность не зависит от подготовки пробы.

Аррениус Сванте Август (1859–1927). Шведский физико-химик. Член Шведской королевской академии наук. Один из основоположников физической химии. Автор теории электролитической диссоциации. Показал, что степень диссоциации молекул электролитов, определенная из показателей электропроводности, совпадает со степенью диссоциации, определенной из данных по повышению температуры кипения и понижению температуры замерзания растворов. Развил теорию активных молекул (активных соударений) для объяснения реакций в газах, ввел понятие энергии активации, предложил уравнение, которое позволяет из общего числа столкновений отобрать активные (приводящие к образованию продуктов химической реакции) и объяснить зависимость скорости химической реакции от температуры (уравнение Аррениуса). Лауреат Нобелевской премии (1903).

Ассемблер. Другие названия – наноассемблер, конструктор. Кибернетическое устройство размерами 1–100 нм, которое может в соответствии с заложенной программой конструировать новые молекулы из заданного набора атомов. При сборке используются принципы механохимии. Для конструирования молекулярных структур необходим нанокомпьютер, наноманипуляторы и наносенсоры.

Атом. Наименьшая частица химического элемента, входящая в состав молекул вещества. Атом – это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного атомного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Атомная масса и заряд ядра атома указаны в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Наномашины (ассемблеры) будут работать не с ядрами, а с атомами.

Пример: атом серы имеет относительную атомную массу 32 а.е.м. и заряд ядра, равный +16. В состав ядра входят 16 протонов, 16 нейтронов (32–16), электронная оболочка состоит из 16 электронов.

Атомная орбиталь. Область пространства вокруг ядра атома, где вероятность нахождения электрона максимальна.

Атомно-молекулярное учение. Учение, в основе которого лежит принцип дискретности вещества – любое вещество не есть сплошной объект, а состоит из отдельных физически неделимых частиц. Для большинства веществ такие частицы представляют собой молекулы. Т. е. молекула – это наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Атом – наименьшая частица химического элемента, обладающая его свойствами. Атомы в молекуле соединены химическими связями. Не всегда частицы, образующие вещество, представляют собой молекулы. Многие вещества в твердом или жидком состоянии имеют не молекулярную, а ионную структуру. Некоторые вещества имеют атомное строение.

Атомный вес. Значения атомных весов элементов основаны на шкале 12С = 12 (точно), рекомендованной Международной комиссией по атомным весам и принятой Генеральной ассамблеей Международного союза чистой и прикладной физики взамен существовавших прежде «химической» и «физической» шкал. В этой шкале моль вещества равен такому его количеству, которое содержит такое же число атомов, как и 12 г чистого нуклида 12С. Значения масс нуклидов дейтерия, трития и 3Не также основаны на шкале 12C = 12 (точно). Для многих радиоактивных элементов значения атомных весов зависят от метода получения.

Ацидоиды. Коллоиды кислотного характера, у которых обменными ионами являются ионы водорода, способные замещаться катионами.

Аэрация почвы (от греч. аеr – воздух). Газообмен почвенного воздуха с атмосферным. При аэрации почвы происходит обогащение почвенного воздуха кислородом, а приземного надпочвенного – углекислотой. Многие биологические процессы в почве связаны с расходованием кислорода почвенного воздуха. Аэрация почвы необходима для роста и развития растений и является одним из показателей почвенного плодородия. Аэрация почвы регулируется агротехникой, мелиорацией, а также приемами, улучшающими и закрепляющими структуру почв. Если объем пор суглинистых почв меньше 10 %, то аэрация недостаточная, если 10–15 % – удовлетворительная, если 15–20 % – хорошая.

Аэрогель. Класс аморфных высокопористых материалов, имеющих объемную макроструктуру с характерным размером наноструктурных элементов 4–10 нм и представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие материалы обладают одновременно рядом уникальных свойств: очень низкой плотностью, высокой твердостью, прозрачностью, жаропрочностью и т. д. Известны аэрогели на основе аморфных оксидов: диоксида кремния SiO2, оксида алюминия Al2O3, оксидов Cr, Sn, W, Fe, Li, Na, Ca, Mg, Ba, Sb, Te, Ni, Ge, Zn, Mn и других элементов. Получены также аэрогели на основе углеродных нанотрубок. Аэрогель на основе SiO2 представляет собой разветвленный трехмерный кластер, напоминающий древовидную сеть из наночастиц размером около 4 нм. Пространство между кластерами заполнено воздухом. Так как характерный размер таких пустот (∼100 нм) в десятки раз превышает размер кластеров, то материал получается очень легким. Аэрогели на основе Al2O3, представляют собой спектрально чистый гидратированный аморфный оксигидроксид алюминия AlOOH (Al2O3⋅H2O), который получают селективным окислением галлий-алюминиевых или свинцово-алюминиевых расплавов. Этим же способом получают аморфные высокодисперсные оксиды других металлов. Углеродные аэрогели состоят из наночастиц, ковалентно связанных друг с другом. Они электропроводны и, благодаря большой площади внутренней поверхности (до 800 м2 × г–1), применяются в производстве суперконденсаторов. Уникальными свойствами аэрогелей являются низкая плотность (от 0,002 до 0,25 г/см3), высокоразвитая удельная поверхность, малая подверженность старению и высокие сорбционные свойства (эффективно поглощают NO, NO2, СО, СO2, непредельные углеводороды). Аэрогели разного состава используются как тепло- и электроизоляционные материалы, нанодисперсные добавки в гибридных органо-неорганических композиционных материалах, носители катализаторов и сорбентов, наноразмерные фильтры.

Аэрозоли. Коллоидные системы, в которых дисперсионной средой является газ (большей частью воздух), а дисперсной фазой – твердые или жидкие тела высокой степени дисперсности. Отличаются крайней агрегативной неустойчивостью. Эти системы обладают лишь кинетической устойчивостью и поэтому не могут существовать при высоких концентрациях. Число частиц в 1 см3 аэрозоля редко может превышать 107 шт. Частицы в аэрозолях быстро оседают под действием силы тяжести. Благодаря более интенсивному броуновскому движению в газах коагуляция в аэрозолях протекает очень быстро и сильно возрастает с увеличением концентрации аэрозоля. Если частицы обладают одинаковыми зарядами, это способствует их рассеянию. При наличии же противоположно заряженных частиц коагуляция аэрозоля ускоряется. Аэрозоли имеют большое практическое значение. Облака и туманы в атмосфере, именно с ними связаны дождь, снег, гроза, что играет огромную роль в природе и в народном хозяйстве. Туманы, получаемые механическим диспергированием, применяют для опыления, опрыскивания, увлажнения, создания защитных завес и т. д.

Базоиды. Коллоиды основного характера, содержащие в качестве обменных ионов гидроксильные ионы, способные замещаться анионами.

Баланс вещества почвы. Соотношение приходной и расходной статей изменения любого компонента почв за единицу времени. Выражается в весовых или энергетических единицах. Баланс вещества почвы определяют за сутки, сезон, год и многолетний период. Баланс может быть положительным, отрицательным и равновесным (он же нулевой, неизменный). При положительном балансе поступление, образование компонента больше отчуждения, а конечный запас больше начального. При равновесном балансе конечный суммарный запас компонента почв равен его начальному суммарному запасу.

Баланс водный. Совокупность всех видов поступления влаги в почву и ее расход в количественном выражении за определенный промежуток времени и для определенного слоя и профиля почв. Выражается в миллиметрах водного слоя, м3/га или в т/га. Запас воды в почве пополняется за счет атмосферных осадков, конденсированной атмосферной влаги, воды, поступающей с соседних участков в виде поверхностного и грунтового стока, а также за счет капиллярно-подпертой влаги и оросительной воды. Основными расходными статьями являются: сток поверхностный, почвенный и грунтовый, десукция и испарение.

Баланс солевой. Учет прихода и расхода солей в почвенном профиле за учитываемый период. Передвижение солей осуществляется преимущественно в форме растворов. Засоление профиля конкретной почвы можно объяснить балансом солевым в прошлом и настоящем: чем выше минерализация и испарение воды и чем меньше ее расход на вертикальную или горизонтальную фильтрацию, тем более неблагоприятен водно-солевой баланс почвы. Если вынос преобладает над приходом, происходит рассоление почв.

Баланс увлажнения (франц. balance, букв. – весы). Разность между количеством осадков и испаряемостью за некоторый период времени в данном месте в миллиметрах. Положительный баланс увлажнения означает избыток влаги, отрицательный – недостаток. Оценивается в мм, м3/га, т/га. В пустынях он отрицательный (до –5000 мм), в переувлажненных местах положительный (до +11 000 мм).

Баланс энергии. Соотношение количества энергии, поступившей в организм с питанием, например, для животных с кормом, и энергией, выделенной из тела с калом, мочой, газами, молоком. Разность между поступившей и выделенной энергией составляет энергетическую ценность отложений или расхода белков, жиров и углеродов организма в конкретный период времени.

Балк-технология. Технология, основанная на манипуляции совокупностями атомов и молекул (массовая технология или материал), а не индивидуальными атомами.

Барьер кислородный. Проявляется на границе глеевого и окислительного горизонтов: на ней осаждается Мn, в меньшей степени – Fe.

Барьеры биогеохимические. Зоны совместного действия живых и неживых объектов с накоплением Р, S, Са, К, Mg, Na, Sr, Mn, Cu, Zn, Mo, Co, As, Ag, Ba, Pb.

Барьеры биологические. Участки в пределах биосферы, на которых происходит изменение термодинамических или физико-химических условий, приводящее к увеличению или уменьшению подвижности элементов, обусловленного деятельностью организмов. Выделяют четыре типа барьеров: 1) мембранный – связан с избирательной проницаемостью биологических мембран для отдельных элементов; 2) физиологический – связан с избирательным усвоением пищи в желудке и кишечном тракте животных; 3) трофический – определяется избирательным поеданием животными определенных частей растений или других животных; 4) географический – определяется избирательным обитанием и, соответственно, питанием животных только в определенной части биогеоценоза БГЦ.

Барьеры геохимические. Участки, зоны почв, место в почвенном профиле, где изменения условий миграции приводят к уменьшению подвижности тех или иных веществ и их накоплению на этих участках. Их наличие связано с географической зональностью природных условий, с закономерной геохимической дифференциацией геосистем и определенным составом вод. Геохимические барьеры проявляются на поверхности, границе, внутри генетических горизонтов. Для арктической зоны характерны окислительные и испарительные геохимические барьеры; для тундровой – восстановительные и кислые; для хвойно-широколиственно-лесной – окислительные, восстановительные, кислые и адсорбционные; для степной и сухостепной – сульфатные, карбонатные, абсорбционные; для засоленных и щелочных почв – сульфатные, карбонатные, щелочные и испарительные; для субтропических и тропических лесов и саванн – окислительные, кислые и адсорбционные; для тропических влажных лесов и саванн – окислительные, кислые и адсорбционные.

Барьеры испарительные. Энергичное удаление воды снизу вверх при испарении. Встречаются в шоровых солончаках, соленых озерах, засоленных почвах и приводят к концентрации Са, Na, К, Mg, F, S, Sr, CI, Rb, Zn, Si, N, U, Mo. Различают верхний и нижний испарительные барьеры на уровне грунтовых вод, современные и древние.

Барьеры кислые. Возникают при резком падении кислотности. При таких барьерах осаждаются анионогенные элементы Si, Se, Mo, Ge.

Барьеры сорбционные. Места встреч вод и сорбентов с отрицательно заряженными коллоидами – гумусом. Накапливаются Са, К, Mg, Zn, Ni, Сu, Со, Pb, U, Hg. С глинистыми минералами и гидроксидами Mn накапливаются Р, S, V, Cr, As, Mo. Эти барьеры характерны для краевых зон болот, иллювиальных глинистых горизонтов, почв и кор выветривания, гумусовых горизонтов почв, контакта глин и песков аллювия.

Барьеры термодинамические. Места выхода карстовых вод с осаждением СаСО3, СО2.

Барьеры щелочные. Места, где на коротком расстоянии и времени кислая среда сменяется щелочной. В этой зоне концентрируются Fe, Са, Mg, Mn, Ва, Sr, Cr, Zn, Си, Ni, Со, Pb, Cd.