Физическая и коллоидная химия. Практикум

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
 
 
Н.И. ЛАРИЧКИНА, А.В. КАДИМОВА 
 
 
 
 
 
ФИЗИЧЕСКАЯ  
И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ 
 
ПРАКТИКУМ 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

 

УДК 544(075.8) 
         Л 253 
Рецензенты: 
канд. хим. наук, доцент В.Ю. Александров, 
канд. техн. наук, науч. сотр. Института химии твердого тела  
и механохимии СО РАН Ф.К. Горбунов 

Работа подготовлена на кафедре инженерных проблем экологии для студентов  
всех форм обучения направлений 20.03.01 Техносферная безопасность  
и 05.03.06 Экология и природопользование 

Ларичкина Н.И. 
Л 253 
  
Физическая и коллоидная химия. Практикум: учебное пособие /  
Н.И. Ларичкина, А.В. Кадимова. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. – 100 с. 
                  ISBN 978-5-7782-3832-9 
Основная задача настоящего пособия состоит в закреплении теоретических знаний 
по дисциплине «Физическая и коллоидная химия», отработке практических навыков и 
умений работы в химической лаборатории, освоении основных понятий и закономерностей в процессе исследования коллоидных систем, а также важнейших термодинамических, кинетических характеристик химических процессов. 
Пособие состоит из пяти разделов, раскрывающих наиболее важные аспекты коллоидной и физической химии. Каждый из разделов содержит теоретический материал, 
примеры решения задач, описание и порядок выполнения практических работ, а также 
задачи для самостоятельного решения. 
Адресовано студентам экологических направлений, дальнейшая профессиональная 
деятельность которых будет связана с решением вопросов в области охраны окружающей природной среды. 

УДК 544(075.8) 

Ларичкина Наталья Илларионовна, Кадимова Анна Владимировна 
ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ 
ПРАКТИКУМ 
Учебное пособие 
Редактор Л.Н. Ветчакова 
Выпускающий редактор И.П. Брованова 
Корректор И.Е. Семенова 
Дизайн обложки А.В. Ладыжская  
Компьютерная верстка Л.А. Веселовская 

Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции 
Издание соответствует коду 95 3000 ОК 005-93 (ОКП) 
___________________________________________________________________________________ 
Подписано в печать  12.03.2019. Формат 60 × 84  1/16. Бумага офсетная. Тираж 50 экз. 
Уч.-изд. л.  5,82.  Печ. л.  6,25.  Изд. №  326/18.  Заказ №   578.    Цена договорная 
___________________________________________________________________________________ 
Отпечатано в типографии 
Новосибирского государственного технического университета 
630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20 

ISBN 978-5-7782-3832-9  
 
 
 
 
© Ларичкина Н.И., Кадимова А.В., 2019 
© Новосибирский государственный  
    технический университет, 2019 

 

1. КОЛЛОИДНЫЕ СИСТЕМЫ:  
КЛАССИФИКАЦИЯ, ПОЛУЧЕНИЕ,  
СТРОЕНИЕ МИЦЕЛЛЫ 

1.1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 

Изучением свойств гетерогенных высокодисперсных систем и процессов, протекающих в них, занимается коллоидная химия [3]. Дисперсной называют систему, состоящую из дисперсной фазы, которая 
представляет собой совокупность раздробленных частиц, и непрерывной дисперсионной среды, в которой во взвешенном состоянии находятся эти частицы [7]. 
Мерой дисперсности коллоидной системы может служить либо поперечный размер частиц а (для сферических частиц – диаметр d; частиц, имеющих форму куба, – ребро куба l), либо обратная ему величина D = 1/a, называемая дисперсностью, либо удельная поверхность 
Sуд, т. е. межфазная поверхность, приходящаяся на единицу объема 
дисперсной фазы [1, 3, 8, 9]. 
К коллоидным системам относятся системы, у которых значение а 
лежит в пределах 1…100 нм (10–9 …10–7 м), а дисперсность – в пределах 1 … 100 нм–1 (107 …109 м–1). 
Отличительной особенностью коллоидных растворов, составляющих основу коллоидных систем, является: 
 агрегативная неустойчивость (лабильность); 
 небольшая скорость диффузии частиц; 
 очень низкое осмотическое давление; 
 опалесценсия; 
 способность к диализу. 
Кроме этого для коллоидных растворов свойственно явление электрофореза, которое заключается в переносе коллоидных частиц в электрическом поле к тому или иному электроду. 

Структурной и кинетической единицей коллоидных систем является либо комплекс (агрегат), состоящий из большого числа обычных 
молекул, атомов или ионов, называемых мицеллой, либо макромолекула, т. е. молекула-полимер «гигантских» размеров, обладающая молекулярным весом в десятки и сотни тысяч углеродных единиц [14]. 
В основу классификации дисперсных систем положены следующие 
признаки: 
 агрегатное состояние частиц дисперсной фазы и дисперсионной 
среды; 
 степень дисперсности или размер частиц дисперсной фазы; 
 взаимодействие между частицами дисперсной фазы; 
 взаимодействие частиц дисперсной фазы с дисперсионной средой [3]. 
По агрегатному состоянию классификация дисперсных систем, 
основанная на различии в агрегатном состоянии дисперсионной среды 
и дисперсной фазы, была предложена В. Оствальдом (см. таблицу) [3]. 
Сочетания трех видов агрегатного состояния позволяют выделить девять видов дисперсных систем. Но система газ в газе не образует агрегатов, а представляет собой гомогенную смесь, не имеющую поверхности раздела между фазами. Для краткости записи их принято обозначать дробью, числитель которой указывает на агрегатное состояние 
частиц дисперсной фазы, а знаменатель – на агрегатное состояние дисперсионной среды, например, для системы «газ в жидкости» принято 
обозначение Г/Ж. 
Зигмонди упростил классификацию В. Оствальда, приняв в качестве классификационного признака лишь агрегатное состояние дисперсионной среды. В зависимости от природы дисперсионной среды 
золи подразделяют на твердые золи, аэрозоли и лиозоли. 
Классификация дисперсных систем по степени дисперсности 
весьма условна, так как, с одной стороны, окружающие нас реальные 
системы полидисперсны, а с другой – в связи с явлениями агрегации, 
протекающими в коллоидных системах, размер содержащихся в ней 
частиц может меняться. Таким образом, одну и ту же систему в разное 
время ее существования придется относить к различным классам. Системы с одинаковыми по размерам частицами дисперсной фазы называются монодисперсными, а с неодинаковыми по размеру частицами – 
полидисперсными [3, 8, 9, 22]. 

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию 

Агрегатное состояние  
дисперсионной 
 среды 
Тип системы 
Агрегатное состояние 
дисперсной фазы 
Условное 
обозначение системы 
Система 

Газ 
Аэрозоль 
Газ 
Г/Г 
Отсутствует 

Жидкость 
Ж/Г 
Туман, облака 

Твердое тело 
Т/Г 
Дым, пыль 

Жидкость 
Лиозоль 

Газ 
Г/Ж 
Пена 

Жидкость 
Ж1/Ж2 
Эмульсии (эмульсоид): 
молоко, маргарин, 
нефть, крем 

Твердое тело 
Т/Ж 
Суспезии (суспензоид) 
пульпа, ил, взвесь, 
паста… 

Твердое тело 
Солидозоль 

Газ 
Г/Т 
Пористые тела (твердая пена): пемза, хлеб, 
сыр, пенопласты 

Жидкость 
Ж/Т 

Капиллярные системы: 
жидкость в пористых 
телах, грунт, почва, 
гели, студни, твердые 
эмульсии (жемчуг) 

Твердое тело 
Т/Т 

Твердые гетерогенные 
системы: бетон, композиционные материалы; 
минералы, сплавы… 

5 

 

Различают три класса дисперсных гетерогенных систем, отличающихся размерами частиц дисперсной фазы (а): 
 грубодисперсные системы, а > 10–5 м; 
 микрогетерогенные системы, 10–7  а  10–5 м; 
 ультрамикрогетерогенные системы, 10–9  а  10–7 м. 
Ультрамикрогетерогенные системы также называют коллоидными, 
или золями. К микрогетерогенным системам относят суспензии, эмульсии, пены и порошки. Наиболее распространенными грубодисперсными 
системами являются системы «твердое – газ», например песок. 
Согласно классификации по взаимодействию частиц дисперсной 
фазы между собой дисперсные системы разделяются на свободнодисперсные и связанодисперсные [1, 8, 9, 23]. 
К свободнодисперсным системам относятся бесструктурные системы, в которых частицы дисперсной фазы не связаны друг с другом 
в одну сплошную сетку и способны независимо перемещаться в дисперсионной среде под влиянием броуновского движения или силы тяжести. Такие системы обладают свойствами, характерными для обычных жидкостей. К ним относятся лиозоли, достаточно разбавленные 
суспензии и эмульсии, а также аэрозоли. 
В связанодисперсных системах частицы связаны друг с другом за 
счет межмолекулярных сил и образуют в дисперсионной среде своеобразные структуры. Частицы, образующие такие структуры, очевидно, 
не способны к взаимному перемещению и могут совершать лишь колебательные движения. К таким системам относятся гели, концентрированные суспензии (пасты), концентрированные эмульсии и пены, а 
также порошки [3]. 
Гель представляет собой студенистое тело, способное сохранять 
форму и обладающее упругостью и эластичностью. Пространственная 
сетка образована частицами дисперсной фазы, которые соединены 
между собой за счет сил межмолекулярного взаимодействия. 
Гели могут образоваться при коагуляции золей, когда контакты 
между частицами легко и обратимо разрушаются, при механических и 
тепловых воздействиях. 
Различают гидрогели и органогели, где в качестве дисперсионной 
среды выступают вода и органические соединения соответственно. 
При высушивании гелей в зависимости от метода удаления дисперсионной среды могут быть получены аэрогели, амбигели, криогели и 
ксерогели, значительно отличающиеся плотностью и особенностями 
микроморфологии. 

Золь–гель-переход – процесс превращения золя в гель, протекающий при увеличении концентрации частиц дисперсной фазы в золе или 
под влиянием иных внешних воздействий (охлаждение, изменение pH, 
ионной силы раствора). 
Большинство гелей термодинамически неустойчивы и подвержены 
старению, которое сопровождается изменением (чаще всего усадкой и 
уплотнением) пространственной сетки. 
Примеры веществ, образующих гели: аморфный (гелеобразный) 
гидроксид алюминия переменного состава (Al2O3 ꞏ nH2O), гидрогели 
кремниевых кислот (nSiO2ꞏmH2O). При их высушивании получают соответственно алюмогель и силикагель – пористые вещества, используемые в качестве сорбентов и носителей для катализаторов. 
Классификация дисперсных систем по взаимодействию дисперсной 
фазы и дисперсионной среды приемлема только для систем с жидкой 
дисперсионной средой [3]. Различают два класса коллоидных систем: 
лиофильные и лиофобные системы. 
Лиофильными коллоидными системами являются такие системы, в 
которых частицы дисперсной фазы прочно связывают большое количество молекул растворителя и также прочно удерживают их, если 
коллоид выделяется из раствора. Лиофильные системы (растворы высокомолекулярных соединений (ВМС)) образуются самопроизвольно 
благодаря сильному взаимодействию частиц дисперсной фазы с дисперсионной средой. Так, при помещении кусочка сухого желатина или 
крахмала (состояние геля) в воду через некоторое время в результате 
гидратации геля образуется коллоидный раствор (золь) [14]. 
К лиофобным коллоидам (золям) относятся системы, в которых частицы дисперсной фазы слабо взаимодействуют с дисперсионной средой. Эти системы могут быть получены только с затратой энергии и 
устойчивы лишь в присутствии стабилизаторов. 
Лиофобные коллоиды и растворы ВМС различаются также и 
структурой частиц, составляющих дисперсную фазу. Для лиофобных 
коллоидов единицей структуры является сложный многокомпонентный агрегат переменного состава – мицелла, для растворов ВМС – 
макромолекула. 
Образование и структура мицеллы 
Мицеллы – частицы в коллоидных системах, состоящие из нерастворимого в данной среде ядра очень малого размера, окруженного 
стабилизирующей оболочкой адсорбированных ионов и молекул растворителя. Схема строения мицеллы представлена на рисунке [1, 3, 9]. 

Схема строения коллоидной  
мицеллы (по Н.И. Горбунову) 

Формула мицеллы гидрофобных золей показывает химический состав и структуру комплекса [18]. 
Частица лиофобного золя имеет сложное строение. В центре частицы находится агрегат, представляющий собой скопление большого 
количества молекул или атомов практически нерастворимого в растворителе вещества. Ионы, адсорбированные на поверхности агрегата, 
называются потенциалобразующими. Выбор потенциалопределяющего 
иона проводится с учетом избирательности адсорбции на поверхности 
агрегата (микрофазы). Согласно правилу Панета – Фаянса – Пескова 
потенциалобразующие ионы способны достраивать кристаллическую 
решетку агрегата, т. е. входят в ее состав. Они изоморфны или образуют малорастворимое соединение с ионами, составляющими кристаллическую решетку, и находятся в системе в избытке. Следует отметить, что помимо потенциалопределяющих ионов на твердой фазе хорошо адсорбируются поверхностно-активные вещества (ПАВ) и их 
ионы [18]. Отметим, что изоморфизм – это способность частиц, имеющих одинаковый размер, замещать друг друга. 
Агрегат, состоящий из электронейтральных молекул и атомов с 
прочно адсорбированными на его поверхности потенциалопределяющими ионами, называется ядром мицеллы и имеет заряд, соответствующий суммарному заряду потенциалопределяющих ионов [14]. 

Под действием электростатических сил притяжения к заряженной 
поверхности ядра притягиваются противоположно заряженные ионы, 
которые, так же как и потенциалопределяющие ионы, в растворе находятся в избытке. Слой противоионов состоит из двух качественно неодинаковых слоев. Первый слой состоит из противоионов, находящихся под максимальным воздействием электрического поля потенциал- 
определяющих ионов, а поэтому и менее подвижных. Второй слой состоит из противоионов, удаленных от поверхности ядра, а поэтому более подвижных, поэтому этот слой ионов называют подвижным, или 
диффузионным. Слой потенциалобразующих ионов и противоионов, 
прочно связанных с ними, называется адсорбционным. 
Совокупность агрегата с адсорбционным слоем представляет собой 
коллоидную частицу (или гранулу), заряд которой определяется зарядом 
потенциалопределяющих ионов. Гранула вместе с противоинами диффузионного слоя, которые нейтрализуют ее заряд, образует мицеллу. 
Мицелла, так же как и атом или молекула вещества, электронейтральна. 
Строение структурной единицы лиофобных коллоидов – мицеллы 
может быть показано схематически, поскольку мицелла не имеет определенного состава. 
Рассмотрим строение коллоидной мицеллы на примере гидрозоля 
иодида серебра (AgI), получаемого взаимодействием разбавленных 
растворов нитрата серебра (AgNO3) и иодида калия (KI): 

3
тв
3
(
)
AgNO
KI
AgI
KNO .



 

Схематически мицелла золя иодида серебра, полученного в избытке иодида калия (потенциалопределяющие ионы – анионы I–, противоионы – катионы К+), может быть изображена следующим образом: 

агрегат
слой
слой
диффузионный
потенциалпротивоионов
слой
определяющих
ионов

x
{
AgI
I
(
)K }
 
]
K
[
m
n
x
x











  

 
                 ядро              
                                       адсорбционный слой 
 
                             гранула (частица) 
 

                                                   мицелла 

При получении золя иодида серебра в избытке нитрата серебра 
коллоидные частицы будут иметь положительный заряд: 



3
3
NO
(
.
[AgI]
Ag
NO
)
x
x
m
n
n
x








 

Как правило, количество молекул, образующих агрегат (m), намного больше числа потенциалобразующих ионов (n), прочно адсорбированных на поверхности агрегата (m  n). 
Получаемый в этом случае золь иодида серебра менее устойчив, 
чем золь, полученный в избытке иодида калия. Это объясняется тем, 
что иодид-ионы адсорбируются на поверхности агрегата сильнее, чем 
катионы серебра. 
Следует отметить, что золи бромида и хлорида серебра менее устойчивы, так как растворимость этих соединений несколько выше иодида 
серебра. Растворимость иодида, бромида и хлорида серебра в воде при 
20 оС соответственно равна 9,7 10–9; 6,6 10–7; 1,25  10–5 моль/л [3]. 
Лиофобные коллоиды обладают очень высокой поверхностной 
энергией и поэтому являются термодинамически неустойчивыми. 
В лиофильных золях мицелла представляет собой ассоциат молекул 
(агрегаты, состоящие из десятка и сотен амфильных молекул). В каждой 
молекуле длинный гидрофобный радикал связан с полярной (гидрофильной) группой. При образовании мицеллы несколько десятков или 
сотен молекул объединяются так, что гидрофобные радикалы образуют 
ядро (внутреннюю область), а гидрофильные группы – поверхностный 
слой мицеллы. Минимальную концентрацию поверхностно-активных 
веществ (ПАВ) в растворе, при которой в системе образуются устойчивые мицеллы, находящиеся в равновесии с неассоциированными молекулами поверхностно-активного вещества, называют критической концентрацией мицеллоообразования (ККМ) [14]. 

Методы получения дисперсных систем 

Коллоидные системы по степени дисперсности занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами. По способу достижения коллоидной степени дисперсности различают методы диспергационные и конденсационные 
[1, 3, 7, 8, 9, 22, 23]. 
Диспергационные методы (от лат. dispergire – измельчать) – это 
получение частиц дисперсной фазы путем дробления более крупных 
частиц.