CC BY
21ЖИДКОПОДОБНАЯ ПЛЕНКА НА ПОВКРХНОСТИ ЛЬДА КАК СРЕДА МИГРАЦИИ
1. Предложенное деление кривых зависимостей модуля и аргумента импеданса мерзлой толщи от частоты в диапазоне 10"1... 105 кГц на отдельные переходные и асимптотические участки способствует лучшему пониманию характера изменения кривых в тех фрагментах, с которыми могут иметь дело исследователи. Кроме того, это деление может быть использовано при планировании эксперимента и выборе частотного поддиапазона для исследования отдельных параметров гсоэлектрического строения, а также для выбора способов интерпретации.
2. Полученные приближенные оценки влияния отдельных горизонтов мерзлой толщи на поверхностный импеданс и соотношения для определения некоторых их параметров можно использовать для облегчения, ускорения и автоматизации процесса интерпретации.
3. Значительное влияние на поверхностный импеданс мерзлой толщи, кроме сезонно-талого слоя, тонких проводящих и плохопроводящих слоев, имеет слой годовых изменений электрического сопротивления, расположенный под деятельным слоем и соответствующий известному слою годовых теплооборотов. С учетом его влияния электроразведочные работы рекомендуется проводить в период с августа по октябрь.
Литература
1. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. -М.: Связь, 1972. - 336 с.
2. Ефремов В.Н. Радиоимпедансное зондирование мерзлых земных покровов // Наука и образование. — 2006. - № 4 (44). - С. 83-89.
УДК 550.42:541.183
Жидкоподобная пленка на поверхности льда как среда миграции растворимых химических веществ*
О.В. Минликаева
Существование жидкоподобной пленки на поверхности льда в настоящее время является общепризнанным фактом. Однако свойства жидкоподобной пленки на поверхности льда, ее роль в переносе химических веществ практически не изучены. Очевидна необходимость проведения физико-химических экспериментов для определения ее характерных свойств, что позволит дать оценку роли поверхности льда в миграции химических веществ в мерзлых системах.
Existence of a similar liquid of a film on a surface of ice now is the conventional fact. However properties of a similar liquid of a film on surfaces of ice, its role in carry of chemical substances practically are not investigated. Necessity of carrying out of physical and chemical experiments is obvious to definition of its characteristic properties that will allow assessing a role of a surface of ice in migration of chemical substances in frozen systems.
Одной из главных задач в геохимии мерзлых пород является изучение характера миграции ионов, формирующих геохимические ореолы рассеяния элементов-индикаторов месторождений полезных ископаемых, а также элементов-загрязнителей природной среды. Важная роль в
МИНЛИКАЕВА Оксана Викторовна - соискатель ИМЗ СО РАН.
*Статья принята к печати 27 декабря 2006 г.
распространении элементов в грунтовых массивах принадлежит диффузии вещества по жидким пленкам поровых растворов, особенно в много-летнемерзлых породах, где нет напорного перемещения поровой влаги. В таких породах могут присутствовать два типа прослоек незамерзшей воды. Это могут быть растворы с первоначально высоким содержанием солей, когда количество незамерзшей воды определяется их качсствен-
НАУКЛ И ОБРАЗОВАНИЕ. 2007. №4
103
МИНЛИКЛЕВА
ным и количественным составом. Однако такой тип прослоек в ненарушенной среде встречается редко. Миграция микроэлементов в мерзлых системах осуществляется главным образом по незамерзшим пленкам иного типа, существование которых обусловлено термодинамическими условиями на границах раздела фаз. Такая квазижидкая прослойка формируется, например, на границе раздела включений дисперсного льда с воздухом, с другой частицей льда, с минеральными или органическими дисперсными составляющими породы [1]. По современным представлениям «незамерзшая пленка» воды состоит из воды, адсорбированной на поверхности минеральных частиц, а также квазижидкой пленки поверхности включений льда. Причем первая формируется за счет ориентирующего влияния активных групп гидрофильной поверхности твердых компонентов грунта, а вторая является структурой переходной между структурой воды в твердой и жидкой фазах.
Впервые идея о существовании квазижидкого слоя на поверхности льда была предложена в 1850 г. Фарадеем и противоречила существовавшей в то время теории о таянии льда под давлением. Дискуссии по данному вопросу продолжались довольно долго. Исследователи сошлись на том, что на базе имевшихся к тому времени сведений о структуре твердых веществ нельзя объяснить данное явление [2].
Количественная теория поверхностной пленки льда была предложена австралийским ученым Флетчсром [3]. Исходя из того, что на поверхности обычной воды достаточно большое число ее дипольных молекул расположены упорядоченным образом, он высказал предположение о наличии упорядоченного слоя молекул и на поверхности льда. Тогда на этой поверхности должен существовать слой некоторой толщины с переходной структурой. Из теории Флетчера следует, что квазижидкий слой возникает мгновенно при температуре около -6 °С. Его толщина изменяется в пределах нескольких сотен ангстремов, причем при приближении к точке плавления она резко возрастает [3]. Существование жидкоподобного слоя на поверхности льда и его свойства должны выявиться при изучении фундаментальных физических и физико-химических свойств самой поверхности. К наиболее изученным работам по жидкоподобной пленке можно отнести исследования методом ядерного магнит-
ного резонанса. Квливидзс В.И. и се коллегами были получены данные относительно толщины квазижидкого слоя на поверхности при изучении мелкодисперсного льда методом ЯМР [4].
Существование жидкоподобной пленки на поверхности льда в настоящее время является общепризнанным фактом. Однако имеющиеся в литературе данные физических исследований раскрывают в основном общий характер этой среды, зависимость некоторых се свойств от температуры, гидрофильности-гидрофобности граничащих со льдом фаз. Свойства жидкоподобной пленки на поверхности льда и ее роль в переносе химических веществ практически не изучены. Очевидна необходимость проведения физико-химических экспериментов для определения ее характерных свойств жидкоподобной пленки, что позволит оценить роль поверхности льда в миграции химических веществ в мерзлых системах.
Ранее в Институте мерзлотоведения СО РАН для изучения свойств жидкоподобной пленки проводились измерения электропроводности замороженного речного песка, насыщенного растворами хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов в температурном интервале -2... -15 °С [5]. На основании полученных результатов можно было предположить, что миграция солей в мерзлых грунтах может происходить даже тогда, когда естественные температуры ниже их эвтектических температур. Это, по-видимому, связано с тем, что незамерзшая вода из-за особенности своей структуры обладает несколько иной растворяющей способностью по сравнению с объемной водой.
Были поставлены также эксперименты, основанные на сорбции органических веществ, на поверхности дисперсного льда [1]. Образцы дисперсного льда (снега) после длительного выдерживания при температуре -40 °С проявляли себя как обычное твердое вещество. При последующем изучении «выдержанных» таким образом образцов жидкоподобная пленка не появлялась мгновенно даже при температуре -2 °С. Длительность так называемого «индукционного» периода определялась значением температуры исследования и возрастала с ее понижением.
Для получения более полных данных о свойствах жидкоподобной пленки поверхности льда в настоящее время в Институте мерзлотоведения
104
НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. 2007. №4
ЖИДКОПОДОБНАЯ ПЛЕНКА НЛ ПОВЕРХНОСТИ ЛЬДА КАК СРЕДА МИГРАЦИИ
СО РАН проводятся систематические исследования влияния температуры на электропроводность замороженных растворов солей с гидрофобным порошкообразным наполнителем. В качестве наполнителя используется порошок фторопласта ФОРУМ. Введение порошка необходимо для увеличения удельной поверхности льда. Кроме того, вследствие высокой степени гидрофобно-сти, фторопласт не оказывает заметного влияния на свойства прилегающих к его поверхности молекул воды. Таким образом, система становится эквивалентной системе лед-воздух, и все се физико-химические проявления могут быть отнесены к собственно жидкоподобной «неавтономной» [6] фазе на поверхности кристаллов льда. Можно считать, что при минимальном содержании воды в системе удельная поверхность льда близка к величине удельной поверхности порошка. При этом существует возможность оценить толщину жидкоподобной пленки поверхности льда при различных температурах поверхности льда.
Таким образом, для оценки количества жидкоподобной фазы и толщины пленки на поверхности льда необходимо знать величину удельной поверхности порошка наполнителя, которая была оценена автором методом адсорбции из растворов. На основе литературных данных [7] в качестве адсорбагов были выбраны красители типа метиленового синего и родамина 6Ж, показавшие наибольшее сродство к поверхности адсорбента.
Полученные изотермы адсорбции красителей подчиняются уравнению адсорбции Лэнгмюра [8], что позволяет оценить удельную поверхность порошка при использовании линейной формы данного уравнения. Исходя из найденного значения максимального заполнения монослоя, удельная поверхность порошка исследуемого фторопласта получена равной 320 (мстиленовый голубой) и 370 м /кг (родамин 6Ж)
[9]. Величина энергии адсорбции, рассчитанная по линейной форме изотерм адсорбции красителей, свидетельствует о достаточно сильном взаимодействии молекул красителя с активными центрами адсорбента.
Нами предполагается, что электрохимические исследования замороженных водных дисперсий фторопласта, содержащих хлориды щелочных и щелочноземельных металлов при различной их концентрации, позволят получить качественно новую информацию о физико-химических свойствах жидкоподобной пленки поверхности льда.
Литература
1. Федосеева В. И. Физико-химические закономерности мшрации химических элементов в мерзлых грунтах и снеге. - Якутск: ИМЗ СО РА11, 2003.
2. Drost-Hansen W. The water-ice interface as seen from the liquid side // J. Coll. Interface Sci. - 1967. - V. 25.-P. 131- 160.
3. Маэно H. Наука о льде: Пер. с яп. - М.: Мир, 1988.-231 е., ил.
4. Квливидзе В.И., Киселев В.Ф., Ушакова Л.А. О существовании квазижидкой пленки на нонерхности льда // Докл. АН СССР. - 1970. - Т. 191. - С. 1088-1090.
5. Федосеев Н.Ф. Некоторые физико-химические особенности поверхностного слоя льда // Проблемы геокриологии. - Якутск: Изд-во СО РАН, 1998. -210с.
6. Птицын А.Б. Особые свойства пленочных растворов и их роль в геохимических процессах // Геохимия. - 1998. - № 12. - С. 1291-1297.
7. Нечаев Е.А., Смирнова Л.М. Адсорбция метиленового синего на окислах из водных растворов // Коллоидный журнал, - 1977. -№ 1.-С. 186-189.
8. Грег С., Синг К. Адсорбция. Удельная поверхность. Пористость. - М.: Мир. 1970. - С. 470.
9. Шангареева О.В.. Федосеева В.И., Федосеев Н.Ф. Определение удельной поверхности порошка фторопласта ФОРУМ методом адсорбции красителей из растворов // Коллоидный журнал (в печати).
❖ ❖ ❖
НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2007. №4 14 Заказ №12
