Практикум по коллоидной химии

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 дисперсностью. Это означает, что к числу таких объектов относятся многофазные системы, называемые дисперсными, одна 
из фаз которых (дисперсная фаза) находится в раздробленном (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 обладают поверхностной энергией.
При постоянстве температуры и давления поверхностная 
энергия пред-ставляет собой свободную энергию Гиббса Gs 
межфазной поверхности, которая определяется поверхностным натяжением σ и величиной площади межфазной поверхности s:

Gs = σs.                                        (I.1)

В этом соотношении находят свое отражение оба признака объектов коллоидной химии, поскольку поверхностное 
натяжение определяется природой взаимодействующих фаз 
гетерогенной системы, а площадь межфазной поверхности 
зависит от размеров (дисперсности) и формы элементов дисперсной фазы.
Степень раздробленности дисперсной фазы (дисперсность) 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 характеристики 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 натяжения.
С термодинамической точки зрения поверхностное натяжение определяется частной производной от любого термодинамического 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 компонентов. 
При р и Т = const поверхностное натяжение чистой изотропной жидкости на границе с газовой фазой является величиной 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 созданию единицы площади поверхности и зависит от интенсивности межмолекулярных взаимодействий в рассматриваемой 
жидкости. При контакте двух конденсированных фаз поверхностное натяжение, называемое в этом случае межфазным, 
зависит не только от межмолекулярных взаимодействий внутри контактирующих фаз, но и от межмолекулярных взаимодействий на границе контакта этих фаз.
Взаимосвязь поверхностного натяжения с полной поверхностной энергией (внутренней энергией единицы поверхностного слоя) Us выражается уравнением Гиббса-Гельмгольца:

(I.7)

(I.8)

где qs – теплота образования единицы площади поверхности.

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 снижена либо за счет уменьшения площади поверхности и изменения ее формы (кривизны), либо за счет снижения поверхностного натяжения. Первое характерно для таких явлений, 
как коагуляция, коалесценция и т. п., а второе наблюдается 
в ряде поверхностных явлений (физическая адсорбция, адгезия, смачивание, образование двойного электрического слоя 
и т. п.).
Изменение кривизны поверхности, обусловленное стремлением системы к минимуму поверхностной энергии, ведет не 
только к изменению площади поверхности, но и к появлению 
избыточного давления внутри фаз. Взаимосвязь между избыточным внутренним давлением в теле Δр и кривизной его поверхности выражается уравнением Лапласа:

(I.9)

или, для сферической поверхности радиусом r:

(I.10)

Как следует из уравнения Лапласа, в зависимости от знака кривизны давление внутри тела с искривленной поверхностью 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 объясняет такие явления, как подъем или опускание жидкости в капиллярах, в зазорах между плоскими пластинами и другие 
капиллярные явления. В связи с этим величину Δр часто называют 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 Кельвина (Томсона):

(I.12)

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

ПРАКТИКУМ ПО КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

ветственно; VM – молярный объем вещества в конденсированном состоянии; R – универсальная газовая постоянная.
Уравнение (I.12), записанное для сферической поверхности радиуса r с отрицательной кривизной, называется уравнением 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 поверхности той же жидкости.
Форма мениска жидкости в капилляре (выпуклая или вогнутая) является результатом проявления поверхностного явления, называемого смачиванием. Смачивание характеризуют 
краевым углом (или углом смачивания) θ. Равновесная величина краевого угла определяется взаимодействием трех фаз 
разной природы (например, твердая-жидкая-газообразная) и 
может быть выражена через поверхностное натяжение уравнением Юнга, где σ31 и σ32 – значения поверхностного натяжения твердого тела на границе с газом и жидкостью соответственно; σ21 – поверхностное натяжение жидкости на границе 
с газом

(I.14)

Как уже отмечалось, величина поверхностного натяжения на границе двух конденсированных фаз (межфазное натяжение σ32) определяется межмолекулярным взаимодействием этих фаз, то есть адгезией. Адгезию характеризуют работой 
адгезии Wa, и она тоже может быть выражена через поверхностное натяжение взаимодействующих фаз и межфазное натяжение (уравнение Дюпре):

 (I.15)

Из уравнения Дюпре следует, что чем выше работа адгезии 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. Получаемое таким образом новое уравнение носит название уравнения 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 физическая адсорбция, которую, как явление, можно охарактеризовать 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, находящихся в поверхностном слое адсорбционной системы, отнесенным 
либо к единице площади поверхности адсорбента, либо к единице его массы: 

Чаще используется гиббсовская или избыточная адсорбция Г – избыточное количество адсорбированного вещества 
на поверхности адсорбента по сравнению с его количеством 
в объеме. 
Взаимосвязь между адсорбцией компонентов и поверхностным натяжением в общем виде выражается фундаментальным адсорбционным уравнением Гиббса:

(I.17)

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

(I.18)

Последнее соотношение называется частным выражением 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 адсорбция вызывает снижение поверхностного натяжения.
Производная dσ/dc, найденная при с→0 и взятая с обратным знаком, ха-рактеризует способность данного вещества 
снижать поверхностное натяжение раствора и называется поверхностной активностью g:

(I.19)

По знаку величины g все вещества делят на поверхностноактивные (ПАВ), для которых g > 0, Г > 0, dσ/dc < 0, и 
поверхностно-инактивные (ПИВ) (g < 0, Г < 0, dσ/dc > 0). Таким образом, в самом общем случае, к числу ПАВ относятся 
вещества, адсорбция которых сопровождается снижением поверхностного натяжения.
Особенно высокой поверхностной активностью обладают 
вещества, молекулы которых имеют дифильное строение. Неполярная (гидрофобная) часть обычно представлена углеводородным радикалом того или иного строения, а в качестве 
полярной (гидрофильной) части используются различные полярные группы, такие как –СН2ОН, –СООН, –SO4Na, –NH3OH 
и другие. 
Зависимость величины адсорбции от равновесной концентрации адсорбата в объеме раствора или от равновесного давления, измеренная при постоянной температуре, называется 
изотермой адсорбции. Эта зависимость является основной 
в исследованиях адсорбции, она же необходима и для практических расчетов адсорбционной аппаратуры. В связи с этим 
одной из основных задач любой теории адсорбции является 
получение уравнения, которое бы описывало изотерму адсорбции.
Помимо термодинамического уравнения Гиббса (I.18) для 
описания изо-терм адсорбции предложены и другие уравнения, вывод которых базируется на тех или иных модельных 
представлениях. В частности, для мономолекулярной локализованной адсорбции на энергетически однородной поверхности используется уравнение изотермы Ленгмюра:

(I.20)

где А∞ – предельная величина адсорбции при формировании мономолекулярного слоя на поверхности адсорбента (емкость монослоя); К – константа адсорбционного равновесия. 

I. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Типичная изотерма мономолекулярной адсорбции приведена на рис. 1. 

Исходные положения теории мономолекулярной адсорбции: 
• все адсорбционные центры энергетически эквивалентны (энергетически однородная поверхность адсорбента);
• на каждом адсорбционном центре адсорбируется только 
одна молекула адсорбата (мономолекулярная адсорбция);
• адсорбированные молекулы не перемещаются по поверхности адсорбента (локализованная адсорбция);
• адсорбированные молекулы не взаимодействуют между 
собой.
При адсорбции из разбавленных растворов или при низком 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 предложено Брунауэром, Эмметом и Теллером для полимолекулярной адсорбции паров и получило название уравнения 
БЭТ:

(1.22)

где С – константа, характеризующая энергию взаимодействия сконденсированного адсорбата с поверхностью адсорбента; 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 адсорбции вводится другое – каждая адсорбированная молекула в свою очередь выступает в качестве центра адсорбции, что 
и ведет к формированию полимолекулярного слоя адсорбата 
на поверхности адсорбента (рис. 2). При получении уравнения БЭТ в форме (I.22) вводятся и два новых допущения, в 
соответствии с которыми число слоев адсорбата принимается 
равным бесконечности, а энергия межмолекулярного взаимодействия каждого последующего слоя адсорбата с предыдущим 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 характеристики адсорбционных систем.

Рис. 2. Изотерма полимолекулярной адсорбции
В частности, по константе А∞, рассчитывают такую важнейшую характе-ристику адсорбента как удельная поверхность

(I.23)

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