О. А. Кириченко

ПРАКТИКУМ 

ПО КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

Учебно-методическое пособие

МПГУ

Москва 
2012

Министерство образования и науки Российской Федерации
федеральное государственное бюджетное образовательное 
учреждение высшего профессионального образования 
«Московский педагогический государственный университет»

УДК 544.77 (076.5)
ББК 24.36я73-4
       К142

Рецензенты:
Г. Д. Казакова, доцент кафедры физической и аналитической

химии ФГБОУ ВПО МПГУ, канд. хим. наук
А. Т. Телешев, профессор кафедры органической химии ФГБОУ

ВПО МПГУ, д-р хим. наук

К142    Кириченко О. А. Практикум по коллоидной химии: 
Учебно-методическое пособие. – М.: МПГУ, 2012. – 110 с.

Учебное пособие соответствует программе по коллоидной химии

химических факультетов педагогических университетов и содержит
материалы практических работ по основным разделам коллоидной
химии. Каждый раздел включает теоретическую часть, перечень
практических работ, контрольные вопросы. Наличие справочного
материала, вынесенного в качестве приложения в конце учебного
пособия, облегчает работу студентов в ходе практикума.

ISBN 978-5-7042-2339-9 

©  МПГУ, 2012
©  Издательство «Прометей», 2012

СОДЕРЖАНИЕ

I. Поверхностные явления……………....………………....5
Работа 1. Исследование влияния строения молекул 
ПАВ на их поверхностную активность………………19
Работа 2. Изучение адсорбции ПАВ 
из растворов на твердом адсорбенте…………….……23
Работа 3. Исследование адсорбции неэлектролитов 
из бинарных растворов на твердых поверхностя….…27
Контрольные вопросы…………………………………31

II. Кинетические и оптические свойства 
дисперсных систем. Методы дисперсионного 
анализа……...................................................………..32 
Работа 4. Дисперсионный анализ методом 
седиментации в гравитационном поле…………….….41
Работа 5. Определение размеров частиц 
дисперсионных систем турбидиметрическим 
методом…………............................................……..51
Контрольные вопросы…………………………………57

III. Образование и свойства лиофильных 
дисперсных систем….…......................................….58 
Работа 6. Исследование мицеллообразования 
и определение ККМ в растворах ПАВ 
кондуктометрическим методом……..............…………71
Работа 7. Исследование солюбилизирующей 
способности растворов ПАВ………………………......73
Работа 8. Исследование растворов амфотерных 
полиэлектролитов………………………....……………76
Работа 9. Исследование кинетики ограниченного 
набухания полимера……………………………………80
Контрольные вопросы…………………………………85

IV. Получение, устойчивость и свойства лиофобных 
дисперсных систем…………………………………..……86 
Работа 10. Синтез гидрозоля гидроксида железа, 
изучение его коагуляции и стабилизации….....………95
Работа 11. Получение эмульсий и изучение 
их свойств………............................................…101
Контрольные вопросы…………………...…..….……106
Приложение…………………………………………..…..108
Тестовые задания…………………………......………….111
Список литературы…………………….......……………113

I. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Объекты, изучаемые наукой о поверхностных явлениях и 
дисперсных системах (коллоидной химией), характеризуются 
двумя основными признаками – гетерогенностью и дис-
персностью. Это означает, что к числу таких объектов отно-
сятся многофазные системы, называемые дисперсными, одна 
из фаз которых (дисперсная фаза) находится в раздроблен-
ном (диспергированном) состоянии и распределена в другой, 
сплошной фазе (дисперсионной среде). Наличие межфазных 
поверхностей, а значит и поверхностных слоев, обусловливает 
еще одну важную особенность дисперсных систем – все они об-
ладают поверхностной энергией.
При постоянстве температуры и давления поверхностная 
энергия пред-ставляет собой свободную энергию Гиббса Gs 
межфазной поверхности, которая определяется поверхност-
ным натяжением σ и величиной площади межфазной поверх-
ности s:

Gs = σs.                                        (I.1)

В этом соотношении находят свое отражение оба при-
знака объектов коллоидной химии, поскольку поверхностное 
натяжение определяется природой взаимодействующих фаз 
гетерогенной системы, а площадь межфазной поверхности 
зависит от размеров (дисперсности) и формы элементов дис-
персной фазы.
Степень раздробленности дисперсной фазы (дисперс-
ность) может характеризоваться количественно несколькими 
параметрами. Одним из них является удельная поверхность:

  (I.2)

где V – объем дисперсной фазы.
Для сферических частиц удельная площадь поверхности 
будет определяться следующим образом:

(I.3)

где r и d – радиус и диаметр частицы соответственно; D – 
дисперсность. Параметр D, называемый дисперсностью, 
является величиной, обратной определяющему размеру, и 
может использоваться в качестве самостоятельной характери-
стики степени раздробленности дисперсной фазы. 

ПРАКТИКУМ ПО КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

(I.4)

где а – размер частицы.
В высокодисперсных системах поверхностная энергия 
может достигать больших значений. При этом Gs зависит не 
только от дисперсности, но и от величины поверхностного на-
тяжения.
С термодинамической точки зрения поверхностное на-
тяжение определяется частной производной от любого термо-
динамического потенциала по величине площади межфазной 
поверхности при постоянстве других параметров. В частности, 
используя свободную энергию системы, можно записать

(I.5)

где р – давление; Т – температура; ni – число молей ком-
понентов. 
При р и Т = const поверхностное натяжение чистой изо-
тропной жидкости на границе с газовой фазой является вели-
чиной постоянной, и тогда оно представляет собой свободную 
энергию единицы площади поверхности

(I.6)

Исходя из этих соображений, можно также заключить, 
что поверхностное натяжение определяется работой по созда-
нию единицы площади поверхности и зависит от интенсив-
ности межмолекулярных взаимодействий в рассматриваемой 
жидкости. При контакте двух конденсированных фаз поверх-
ностное натяжение, называемое в этом случае межфазным, 
зависит не только от межмолекулярных взаимодействий вну-
три контактирующих фаз, но и от межмолекулярных взаимо-
действий на границе контакта этих фаз.
Взаимосвязь поверхностного натяжения с полной поверх-
ностной энергией (внутренней энергией единицы поверхност-
ного слоя) Us выражается уравнением Гиббса-Гельмгольца:

(I.7)

(I.8)

где qs – теплота образования единицы площади поверх-
ности.

I. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Поверхностная энергия Gs является частью свободной 
энергии системы в целом. Как следует из соотношения (I.1), 
в самопроизвольных процессах эта энергия может быть сни-
жена либо за счет уменьшения площади поверхности и изме-
нения ее формы (кривизны), либо за счет снижения поверх-
ностного натяжения. Первое характерно для таких явлений, 
как коагуляция, коалесценция и т. п., а второе наблюдается 
в ряде поверхностных явлений (физическая адсорбция, адге-
зия, смачивание, образование двойного электрического слоя 
и т. п.).
Изменение кривизны поверхности, обусловленное стрем-
лением системы к минимуму поверхностной энергии, ведет не 
только к изменению площади поверхности, но и к появлению 
избыточного давления внутри фаз. Взаимосвязь между избы-
точным внутренним давлением в теле Δр и кривизной его по-
верхности выражается уравнением Лапласа:

(I.9)

или, для сферической поверхности радиусом r:

(I.10)

Как следует из уравнения Лапласа, в зависимости от зна-
ка кривизны давление внутри тела с искривленной поверх-
ностью может быть либо выше давления внутри того же тела 
с плоской поверхностью (при положительной кривизне), либо 
ниже (при отрицательной кривизне). Появление избыточного 
давления внутри тел с искривленной поверхностью объясня-
ет такие явления, как подъем или опускание жидкости в ка-
пиллярах, в зазорах между плоскими пластинами и другие 
капиллярные явления. В связи с этим величину Δр часто на-
зывают капиллярным давлением.
У тела с искривленной поверхностью меняется не только 
внутреннее давление, но и его свободная энергия

(I.11)

что ведет к изменению давления насыщенных паров над 
поверхностью этого тела, выражаемого уравнением Кельви-
на (Томсона):

(I.12)

где р и ps – давление насыщенного пара над поверхно-
стью, имеющей кривизну, и над плоской поверхностью соот-

ПРАКТИКУМ ПО КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

ветственно; VM – молярный объем вещества в конденсирован-
ном состоянии; R – универсальная газовая постоянная.
Уравнение (I.12), записанное для сферической поверхно-
сти радиуса r с отрицательной кривизной, называется урав-
нением капиллярной конденсации:

(I.13)

В соответствии с последним уравнением конденсация 
пара в капилляре с вогнутым мениском жидкости происходит 
при давлении более низком, чем конденсация на плоской по-
верхности той же жидкости.
Форма мениска жидкости в капилляре (выпуклая или во-
гнутая) является результатом проявления поверхностного яв-
ления, называемого смачиванием. Смачивание характеризуют 
краевым углом (или углом смачивания) θ. Равновесная вели-
чина краевого угла определяется взаимодействием трех фаз 
разной природы (например, твердая-жидкая-газообразная) и 
может быть выражена через поверхностное натяжение урав-
нением Юнга, где σ31 и σ32 – значения поверхностного натя-
жения твердого тела на границе с газом и жидкостью соответ-
ственно; σ21 – поверхностное натяжение жидкости на границе 
с газом

(I.14)

Как уже отмечалось, величина поверхностного натяже-
ния на границе двух конденсированных фаз (межфазное на-
тяжение σ32) определяется межмолекулярным взаимодействи-
ем этих фаз, то есть адгезией. Адгезию характеризуют работой 
адгезии Wa, и она тоже может быть выражена через поверх-
ностное натяжение взаимодействующих фаз и межфазное на-
тяжение (уравнение Дюпре):

 (I.15)

Из уравнения Дюпре следует, что чем выше работа ад-
гезии между жидкостью и твердым телом, тем меньше будет 
межфазное натяжение σ32.
Если уравнения (I.14) и (I.15) записаны для одних и тех 
же взаимодей-ствующих фаз, то их можно объединить. Полу-
чаемое таким образом новое уравнение носит название урав-
нения Дюпре-Юнга; оно позволяет рассчитать работу адге-

I. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

зии между твердой и жидкой фазами, если известны краевой 
угол и поверхностное натяжение жидкости:

 (I.16)

Ранее отмечалось, что поверхностное натяжение может 
уменьшаться и при таком поверхностном явлении, как физи-
ческая адсорбция, которую, как явление, можно охарактери-
зовать как перераспределение компонентов между объемной 
фазой (газ или жидкость) и поверхностным слоем. При этом 
в качестве адсорбента выступает та фаза, которая формирует 
поверхность, то есть адсорбентом является либо твердое тело 
(в системах твердое-газ, твердое-жидкость), либо жидкость (в 
системах жидкость-газ, жидкость-жидкость).
Количественно величину адсорбции данного компонента 
характеризуют числом молей этого компонента, находящих-
ся в поверхностном слое адсорбционной системы, отнесенным 
либо к единице площади поверхности адсорбента, либо к еди-
нице его массы: 

Чаще используется гиббсовская или избыточная адсорб-
ция Г – избыточное количество адсорбированного вещества 
на поверхности адсорбента по сравнению с его количеством 
в объеме. 
Взаимосвязь между адсорбцией компонентов и поверх-
ностным натяжением в общем виде выражается фундамен-
тальным адсорбционным уравнением Гиббса:

(I.17)

где μi – химические потенциалы компонентов.
Для разбавленного раствора адсорбата уравнение (I.17) 
может быть трансформировано таким образом, что оно стано-
вится пригодным для расчета избыточной адсорбции, если из-
вестна изотерма поверхностного натяжения σ = f(c):

(I.18)

Последнее соотношение называется частным выражени-
ем уравнения Гиббса и из него следует, что при Г > 0, то есть, 
если адсорбат переходит из объемной фазы в поверхностный 

ПРАКТИКУМ ПО КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

слой, производная dσ/dc отрицательна и это означает, что ад-
сорбция вызывает снижение поверхностного натяжения.
Производная dσ/dc, найденная при с→0 и взятая с обрат-
ным знаком, ха-рактеризует способность данного вещества 
снижать поверхностное натяжение раствора и называется по-
верхностной активностью g:

(I.19)

По знаку величины g все вещества делят на поверхностно-
активные (ПАВ), для которых g > 0, Г > 0, dσ/dc < 0, и 
поверхностно-инактивные (ПИВ) (g < 0, Г < 0, dσ/dc > 0). Та-
ким образом, в самом общем случае, к числу ПАВ относятся 
вещества, адсорбция которых сопровождается снижением по-
верхностного натяжения.
Особенно высокой поверхностной активностью обладают 
вещества, молекулы которых имеют дифильное строение. Не-
полярная (гидрофобная) часть обычно представлена углево-
дородным радикалом того или иного строения, а в качестве 
полярной (гидрофильной) части используются различные по-
лярные группы, такие как –СН2ОН, –СООН, –SO4Na, –NH3OH 
и другие. 
Зависимость величины адсорбции от равновесной концен-
трации адсорбата в объеме раствора или от равновесного дав-
ления, измеренная при постоянной температуре, называется 
изотермой адсорбции. Эта зависимость является основной 
в исследованиях адсорбции, она же необходима и для практи-
ческих расчетов адсорбционной аппаратуры. В связи с этим 
одной из основных задач любой теории адсорбции является 
получение уравнения, которое бы описывало изотерму ад-
сорбции.
Помимо термодинамического уравнения Гиббса (I.18) для 
описания изо-терм адсорбции предложены и другие уравне-
ния, вывод которых базируется на тех или иных модельных 
представлениях. В частности, для мономолекулярной лока-
лизованной адсорбции на энергетически однородной поверх-
ности используется уравнение изотермы Ленгмюра:

(I.20)

где А∞ – предельная величина адсорбции при формирова-
нии мономолекулярного слоя на поверхности адсорбента (ем-
кость монослоя); К – константа адсорбционного равновесия. 

I. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Типичная изотерма мономолекулярной адсорбции приве-
дена на рис. 1. 

Исходные положения теории мономолекулярной адсорб-
ции: 
• все адсорбционные центры энергетически эквивалент-
ны (энергетически однородная поверхность адсорбента);
• на каждом адсорбционном центре адсорбируется только 
одна молекула адсорбата (мономолекулярная адсорбция);
• адсорбированные молекулы не перемещаются по по-
верхности адсорбента (локализованная адсорбция);
• адсорбированные молекулы не взаимодействуют между 
собой.
При адсорбции из разбавленных растворов или при низ-
ком давлении паров адсорбата, то есть когда Кс << 1 или Кр 
<< 1, уравнение Ленгмюра трансформируется в уравнение 
Генри:

А = А∞ Кс = КГ с или А = А∞ Кр = КГ р.            (I.21)

В свою очередь, уравнение Ленгмюра является частным 
случаем другого, более общего уравнения, которое было пред-
ложено Брунауэром, Эмметом и Теллером для полимолеку-
лярной адсорбции паров и получило название уравнения 
БЭТ:

(1.22)

где С – константа, характеризующая энергию взаимодей-
ствия сконденсированного адсорбата с поверхностью адсор-
бента; ps – давление насыщенного пара над чистым жидким 
адсорбатом (в отсутствие адсорбента).
Необходимо отметить, что теория БЭТ базируется на тех 
же исходных положениях, что и модель Ленгмюра, за исклю-

Рис. 1. Изотерма мономолекулярной адсорбции
p

ПРАКТИКУМ ПО КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

чением одного. Вместо положения о мономолекулярной ад-
сорбции вводится другое – каждая адсорбированная молеку-
ла в свою очередь выступает в качестве центра адсорбции, что 
и ведет к формированию полимолекулярного слоя адсорбата 
на поверхности адсорбента (рис. 2). При получении уравне-
ния БЭТ в форме (I.22) вводятся и два новых допущения, в 
соответствии с которыми число слоев адсорбата принимается 
равным бесконечности, а энергия межмолекулярного взаимо-
действия каждого последующего слоя адсорбата с предыду-
щим считается одинаковой и равной таковой в чистом жидком 
адсорбате. При этом взаимодействие первого слоя адсорбата с 
поверхностью адсорбента характеризуется той же константой 
К, что и в уравнении Ленгмюра. Отсюда вытекает взаимосвязь 
констант С и К этих двух уравнений: С = K/KL (где KL = 1/ps – 
константа конденсации, характеризующая равновесие между 
жидкостью и паром чистого адсорбата). Константы уравнений 
Ленгмюра и БЭТ могут быть найдены из экспериментальных 
изотерм адсорбции. Это позволяет рассчитать некоторые ха-
рактеристики адсорбционных систем.

Рис. 2. Изотерма полимолекулярной адсорбции
В частности, по константе А∞, рассчитывают такую важ-
нейшую характе-ристику адсорбента как удельная поверх-
ность

(I.23)

где NA – число Авогадро; s0 – площадь, занимаемая одной 
молекулой адсорбата в насыщенном мономолекулярном слое.
При адсорбции ПАВ, обладающих высокой адсорбцион-
ной способностью, уравнения Гиббса (I.18) и Генри (I.21) мо-
гут быть решены совместно, что позволяет получить уравне-
ние изотермы поверхностного натяжения для области низких 
концентраций ПАВ в растворе: