Физическая и коллоидная химия

ФГБОУ ВПО СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

В. В. Родин, Э. В. Горчаков, В. А. Оробец

Физическая
и коллоидная химия

Допущено Учебно-методическим объединением
высших учебных заведений Российской Федерации
по образованию в области зоотехнии и ветеринарии в качестве
учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки (специальности)
111801 Ветеринария (квалификация (степень) «специалист»)

Ставрополь
«АГРУС»
2013

УДК 541.1:541.182
ББК 24.5:24.6
 
Р60
Авторы:
доктор сельскохозяйственных наук, 
профессор кафедры терапии и фармакологии 
В. В. Родин;
кандидат химических наук, ст. преподаватель 
кафедры терапии и фармакологии 
Э. В. Горчаков;
доктор ветеринарных наук, 
профессор кафедры терапии и фармакологии 
В. А. Оробец

Рецензенты: 
зав. каф.технологии наноматериалов ФГАОУ ВПО 
Северо-Кавказского федерального университета, 
доктор технических наук 
А. В. Серов
профессор ФГБОУ ВПО МГАВМиБ, 
доктор химических наук 
М. С. Царькова

Родин, В. В.
Физическая и коллоидная химия : учебное пособие / 
В. В. Родин, Э. В. Горчаков, В. А. Оробец.  – Ставрополь : АГРУС 
Ставропольского гос. аграрного ун-та, 2013. – 156 с.

ISBN 978-5-9596-0938-2

Учебно-методическое пособие является комплексом по курсу «Физической и коллоидной химии». В нем рассмотрены современные представления о структуре, свойствах, биологическом обмене различных соединений и процессов в живых организмах с точки зрения физической и 
коллоидной химии. В учебно-методическом пособии освещены все основные главы соответствующие рабочей программе.
Предназначено для студентов высших учебных заведений обучающихся по направлению 111801 «Ветеринария», 111900 «Ветеринарносанитарная экспертиза», 260200 «Технологический менеджмент».

УДК 541.1:541.182
ББК 24.5:24.6

© ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный 
аграрный университет, 2013

Р60

ISBN 978-5-9596-0938-2

ВВЕДЕНИЕ

Физическая химия – это наука о физических явлениях, неразрывно связанных с химическими процессами. В современных 
условиях значение физической химии в развитии медицины и биологии постоянно возрастает, в связи с чем возникает необходимость знаний основных положений этой науки.
Из обычно выделяемых разделов физической химии в пособии 
приведен материал, необходимый в подготовке ветеринарного врача к его будущей работе по этой специальности или смежных с 
ней областях. К изучению предложены особенности агрегатного 
состояния жидкости, особенности строения воды и ее значение в 
жизнедеятельности живой клетки; истинные растворы, активная 
реакция среды и методы ее определения, буферные растворы, их 
свойства, механизм действия и значение; явление осмоса и диффузии. Рассмотрены основы термодинамики, кинетики и катализа, 
изучение которых необходимо для таких разделов биологической 
химии как ферментология и биоэнергетика.

Коллоидная химия, в прошлом раздел физической химии, в 
настоящее время является самостоятельной наукой. Предметом 
изучения коллоидной химии являются коллоидные системы во 
всем их многообразии. Коллоидная химия занимает важное место в химическом образовании биолога и врача, так как изучает 
изменения, происходящие под воздействием различных внешних 
факторов в системах, в которых присутствуют белки, полисахариды, многие липиды, являющиеся компонентами живых клеток и 
биологических жидкостей организма. Живая протоплазма животных и растительных клеток является сложнейшей многофазной и 
многокомпонентной структурированной белково-коллоидной системой. Изменения коллоидных систем, связанные с процессами 
набухания, коагуляции, адсорбции, диффузии и осмоса и многими 
другими физическими явлениями, тесно связаны с химическими 
реакциями, совокупность которых составляют обменныепроцессы. На поверхности коллоидных частиц в клетках и биологических жидкостях происходят химические реакции обмена веществ, 
а сама поверхность этих частиц оказывает существенное влияние 
на направление и скорость идущих на ней реакций. Коллоидные 

системы могут связывать большое количество воды (соединительная ткань, стекловидное тело), а также адсорбировать различные 
вещества. Адсорбция на поверхности коллоидной частицы имеет 
огромное значение в обмене веществ живого организма, в фармакодинамике лекарственных форм в нем.
В биологии, медицине широко используются методы коллоидной химии в изучении химии ферментов, гормонов и многих 
антител. Биопрепараты, в частности БАДы, токсины, получены в 
чистом виде с помощью методов коллоидной химии. К таким методам следует отнести ультрамикроскопию, ультрацентрифугирование, диализ, нефелометрию, электрофорез, хроматографию.
Изучение основ физической и коллоидной химии предшествует изучению биологической химии и способствуют пониманию 
сложных процессов живого организма и сознательному выполнению лабораторного практикума биологической химии.
Знание основ физической и коллоидной химии принесет пользу 
при изучении смежных дисциплин, сопутствующих подготовке ветеринарного врача, поддержит его при осуществлении грамотных 
и теоретически обоснованных действий в его будущей научной и 
профессиональной деятельности.
Готовясь к изучению биологической химии, науки о химических реакциях, протекающих в животных организмах, следует 
вспомнить о химической кинетике (науке о скорости химических 
реакций) и катализе, основах термодинамики и электрохимии.

ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ

Химическая кинетика – это учение о скорости химических 
реакций и зависимости ее от различных факторов: природы и концентрации реагирующих веществ, давления, температуры, катализаторов и др.
Кинетика имеет большое практическое значение для проведения различных технологических процессов, скорость которых может быть изменена в нужном направлении.
Особенности течения биохимических процессов в живом организме зависят от катализаторов – ферментов и их активности, 
определяемой такими факторами как концентрация фермента и 
реагента (субстрата), температура, реакция среды, присутствие 
различных веществ.
По числу молекул, вступающих во взаимодействие в элементарном акте химической реакции, химические реакции могут быть 
мономолекулярными, бимолекулярными, тримолекулярными.
Мономолекулярные реакции включают реакции изомеризации.

А также реакции превращения.

Элементарная стадия бимолекулярных реакций представляет 
собой взаимодействие двух молекул, к ним относятся:
реакции синтеза:
А + В → АВ
2А→А2

реакции обмена:
А + В→С + Д

реакции присоединения:
СН2 = СН2 + НCl→ СН3 – СН2Cl
этен (этилен) 
     хлорэтан

Тримолекулярные реакции встречаются редко, они протекают 
при одновременном столкновении трех видов молекул:
А + В + С→Д

2NO + О2→ 2NO2.
Порядок химических реакций определяется по применимости 
к ним уравнений кинетики. Порядок реакции – формальная величина, не связанная с механизмом. Он совпадает с молекулярностью только для элементарных реакций, которые встречаются 
редко. 
Все химические реакции делятся на реакции нулевого, первого, второго и третьего порядка. Бывают реакции дробного порядка.
Реакции нулевого порядка v = k встречаются в живом организме. Их скорость стабильна. Они протекают при высоких концентрациях реагирующих веществ. Они характерны для начальной 
стадии ферментативного катализа и являются моно- или бимолекулярными реакциями.
К реакциям первого порядка v = kС относят реакции, скорость 
которых зависит от концентрации одного из реагентов, от объема 
реагирующей смеси.
К реакциям второго v = kС2 порядка относят химические реакции, скорость которых пропорциональна произведению концентрации двух реагирующих веществ.
А + В → С.
Это реакции присоединения, окисления, полимеризации.
Реакции третьего порядка v = kС3 редки. Их скорость пропорциональна произведению трех реагирующих веществ.
Реакции, протекающие на поверхности катализаторов, имеют, 
как правило, дробный порядок, так как протекают по сложному 
механизму.

Основные понятия и законы 
химической кинетики

Вещества, вступающие в химическую реакцию, называются 
реагентами. Химические соединения, образующиеся в результате 
реакции, называются продуктами реакции.
Вещества, образующиеся на различных этапах химических реакции, называют промежуточными продуктами, а реакции возникновения промежуточных продуктов – промежуточными реакциями.
Совокупность стадий, из которых состоит химическая реакция, 
со всеми структурными и энергетическими изменениями реагирующих соединений, составляет механизм реакции.
Химические реакции характеризуются скоростью. Скорость 
химической реакции измеряется изменениями концентрации реагирующих веществ за единицу времени при постоянном объеме. 
Если за Δt концентрация вещества изменилась на ΔС, то средняя 
скорость реакции равна

v  =

.

Чем меньше Δt, тем ближе значение скорости (v) к истинной 
скорости реакции.
Для определения скорости реакции необходимо определять либо 
изменение концентрации исходных веществ, либо накопление продуктов их взаимодействия. Если исходным или конечным продуктом 
является кислота, используется метод нейтрализации (титрований эквивалентной щелочью), при образовании цветных продуктов используют колометрию, если в процессе реакции образуются вещества, поглощающие излучение, пользуются методом спектроскопии.
К факторам, влияющим на скорость химических реакций, относятся:

1. Природа реагирующих веществ
Реакция протекает быстро при выраженном сродстве реагирующих веществ:
Н2 + F2→ 2НF при низких температурах протекает быстро и со 
взрывом.
2Н2 + О2→ 2Н2О при низких температурахобразование продуктов реакции незначительно.

Химическая реакция в растворе протекает быстрее, чем в твердом состоянии, электролиты реагируют быстрее, чем неэлектролиты.
Степень измельчения реагирующих веществ определяет скорость реакции достаточно заметно. О наличии или отсутствии поверхности раздела фаз различают гетерогенные или гомогенные 
системы. Гетерогенные системы – химические процессы протекают в химически неоднородных системах – есть раздел фаз. Такие 
процессы принято называть гетерогенными. Отличительной чертой этих процессов является сложность и многостадийность. Гомогенные системы – нет поверхности раздела фаз.Такие процессы 
принято называть гомогенными
В общем случае в гетерогенной реакции можно выделить следующие стадии.
I. – Диффузия реагирующих веществ к поверхности раздела 
фаз.
II. – Адсорбция реагирующих веществ на поверхности раздела 
фаз.
III. – Превращение реагентов в продукты реакции.
IV. – Десорбция продуктов реакции с поверхности раздела фаз.
V. – Диффузия продуктов реакции от поверхности раздела фаз.

Такая многоэтапность оказывает сильное влияние на скорость 
гетерогенного процесса и особенно на зависимость скорости от 
внешних факторов. Особенно важной для общей скорости процесса является скорость самой медленной стадии, она выступает 
в роли лимитирующей стадии. Знание лимитирующей стадии процесса позволяет управлять скоростью всего процесса. Чаще всего 
в качестве управляющего фактора выступает температура, площадь поверхности раздела фаз. Скорость гетерогенной реакции 
прямо пропорциональна степени дисперсности реагентов, зависит 
от скорости диффузии реагентов к месту реакции и удаления продуктов от него. Скорость диффузии пропорциональна разности 
концентраций и обратно пропорциональна толщине слоя, зависит 
от природы диффундирующего вещества, его концентрации, температуры и давления.
Природа растворителя влияет на скорость реакции:
Нитробензойная кислота превращается в нитробензол в воде в 
2000 раз быстрее, чем в толуоле.

2. Концентрация реагирующих веществ
Молекулы могут взаимодействовать только при столкновении, чем больше столкновений, тем быстрее идет реакция, а их 
число зависит, прежде всего, от концентрации реагирующих веществ.
Скорость химической реакции в газовой или водной среде в 
данный момент пропорциональна произведению концентраций 
реагирующих веществ:
А В 
Чем больше СА, тем больше столкновений произойдет между 
ними и больше образуется новых веществ В. Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ 
описывается уравнением

v = kСА (К. Гульдберг и П. Вааге, 1867 ),

где 
 k – коэффициент пропорциональности (константа скорости 
 химической реакции); СА – концентрация реагирующих веществ. 
При СА = 1, v = k; k для данной реакции при данной температуре 
(T = const) является величиной постоянной.
По мере расходования реагирующих веществ и накопления 
продукта реакции скорость химической реакции будет уменьшаться.
При этом концентрация исходных веществ уменьшается, а концентрация продуктов реакций увеличивается.

Рис. 1. Зависимость САи СВот t

Стечением времени скорость реакции изменяется, замедляется 
скорость прямой реакции, увеличивается скорость обратной (если 
есть возможность ее протекания).
Зависимость скорости химической реакции от концентрации 
реагирующих веществ отражается в законе действия масс.
Закон действия масс – скорость прямой и обратной реакции 
при постоянной температуре пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. При достижении равновесия 
скорость прямой и обратной реакции одинакова.

+ + D 

v1 = k1·[A]·[B]  
v2= k2·[C]·[D]

k1·[A]·[B] = k2·[C]·[D] 
v1 = v2

. 

Так как величины k1 и k2 постоянны, а их отношение К также 
постоянно, то закон действия масс будет гласить: при постоянной 
температуре отношение произведений концентраций веществ, образовавшихся в результате реакции, к произведению концентраций 
исходных веществ является величиной постоянной.

К = 

.

Если коэффициенты в уравнении не равны единице, в выражении закона действия масс их ставят как показатель степени при 
соответствующей концентрации.

К = 

.

Закон действия масс позволяет регулировать направление реакции.