Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Дисперсные системы

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 708920.01.99
Доступ онлайн
158 ₽
В корзину
Учебное пособие содержит материалы для подготовки к занятиям, включая теоретические вопросы и задания для самоконтроля. Пособие соответствует базовой части программы по указанным курсам (направлениям подготовки 04.05.01 - «Фундаментальная и прикладная химия», 04.03.01 - «Химия», 04.03.02 - «Химия, физика, механика материалов»), а также может быть использовано студентами, обучающимися по другим направлениям химических, биологических, химико-технологических и других естественнонаучных факультетов учреждений высшего образования. Предназначено для студентов химических факультетов учреждений высшего образования, обучающихся по дисциплине «Общая химия», «Неорганическая химия», может быть также использовано студентами других факультетов при обучении химии.
Нестеров, А. А. Дисперсные системы : учебное пособие / А. А. Нестеров, Е. М. Баян, И. В. Рыбальченко ; Южный федеральный университет. - Ростов-на-Дону: Издательство Южного федерального университета, 2018. - 136 с. - ISBN 978-5-9275-2424-2.. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1021557 (дата обращения: 28.05.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное 
учреждение высшего образования
ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТА. А. Нестеров, Е. М. Баян, И. В. Рыбальченко

ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

Учебное пособие 

Ростов-на-Дону – Таганрог
Издательство Южного федерального университета
2018

УДК 544.77(075.8) 
ББК 24.6я73
        Н56 

Печатается по решению учебно-методического совета 
химического факультета Южного федерального университета 
(протокол № 9 от 12 января 2017 г.)

Рецензенты:

доктор химических наук, профессор 
Южного федерального университета В. В. Луков;
кандидат химических наук, доцент Донского государственного 
технического университета Л. Е. Пустовая

Нестеров, А. А. 
Дисперсные системы: Учебное пособие / А. А. Нестеров, 
Е. М. Баян, И. В. Рыбальченко ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону: Издательство Южного федерального университета, 2018. – 136 с. 
ISBN 978-5-9275-2424-2
Учебное пособие содержит материалы для подготовки к занятиям, включая теоретические вопросы и задания для самоконтроля. Пособие соответствует базовой части программы по указанным курсам (направлениям подготовки 04.05.01 – «Фундаментальная и прикладная химия», 04.03.01 – «Химия», 
04.03.02 – «Химия, физика, механика материалов»), а также может быть использовано студентами, обучающимися по другим направлениям химических, 
биологических, химико-технологических и других естественнонаучных факультетов учреждений высшего образования.
Предназначено для студентов химических факультетов учреждений высшего образования, обучающихся по дисциплине «Общая химия», «Неорганическая химия», может быть также использовано студентами других факультетов 
при обучении химии. 
УДК 544.77(075.8) 
ББК 24.6я73
ISBN 978-5-9275-2424-2

© Южный федеральный университет, 2018
© Нестеров А. А., Баян Е. М., Рыбальченко И. В., 2018
© Оформление. Макет. Издательство 
Южного федерального университета, 2018

Н56

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................ 5

1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ................................................................................................. 8

2. ТЕОРИИ РАСТВОРОВ .........................................................................................13
2.1. Физическая и химическая теории 
растворов .........................................................................................................13
2.2.  Способы выражения содержания растворенного 
вещества в растворе ...................................................................................16
Задания для самоконтроля  .............................................................................18

3. ПРОЦЕСС РАСТВОРЕНИЯ ................................................................................20
Задания для самоконтроля  .............................................................................39

4.  КОЛЛИГАТИВНЫЕ СВОЙСТВА РАСТВОРОВ 
НЕЭЛЕКТРОЛИТОВ .............................................................................................40
4.1.  Понижение давления пара растворителя 
над раствором................................................................................................40
4.2.  Повышение температуры кипения 
и понижение температуры замерзания растворов.....................42
4.3. Осмотическое давление раствора ........................................................45
Задания для самоконтроля  .............................................................................48

5.  ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ДИССОЦИАЦИЯ. 
ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ДИССОЦИАЦИИ ..........................49
5.1. Слабые электролиты ....................................................................................62
Задания для самоконтроля  .............................................................................65

5.2. Сильные электролиты .................................................................................66
Задания для самоконтроля ...............................................................................70

6. ПРОИЗВЕДЕНИЕ РАСТВОРИМОСТИ ...........................................................72
Задания для самоконтроля  .............................................................................74

7.  ВОДОРОДНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ 
И ИОННОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЕ ВОДЫ ..........................................................76
7.1.  Водородный (рН) и гидроксильный (рОН) 
показатели водных растворов  ..............................................................77
7.2. Методы измерения рН ................................................................................78
Задания для самоконтроля  .............................................................................80

8. ГИДРОЛИЗ СОЛЕЙ ..............................................................................................81
Задания для самоконтроля  .............................................................................91

9.  БУФЕРНЫЕ РАСТВОРЫ ....................................................................................92
Задания для самоконтроля  .............................................................................96

10. КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ (ЗОЛИ) И ПРОДУКТЫ 
ИХ КОАГУЛЯЦИИ .................................................................................................97
10.1. Методы изготовления частиц 
коллоидных размеров................................................................................98
10.2. Состав и строение частиц 
дисперсной фазы в золях ...................................................................... 101
10.3. Процессы разрушения золей ............................................................. 109
10.4. Молекулярно-кинетические свойства золей ............................. 116
10.5. Диализ ........................................................................................................... 118
10.6. Электрокинетические явления в золях ........................................ 119
10.7. Оптические свойства золей ................................................................ 120
Задания для самоконтроля  .......................................................................... 121

ПРИЛОЖЕНИЯ ......................................................................................................... 123

ВВЕДЕНИЕ

Данное учебное пособие направлено на формирование представлений о широко распространённом в природе виде физикохимических систем, которые отличаются между собой по составу, 
строению, агрегатному состоянию, числу фаз, но имеют один общий признак: одновременное присутствие в одной системе пико-, 
нано- или микрочастиц, имеющих различный состав и строение.
Распространённость таких объектов в природе связана со 
стремлением любых систем к снижению (в изобарно-изотермических условиях) величины их энергии Гиббса, в том числе и за 
счёт взаимного перераспределения частиц в системе, приводящего к росту её энтропии (второй закон термодинамики). При этом 
исходные компоненты таких систем могут взаимодействовать 
между собой с образованием новых форм, которые будут концентрироваться либо на границах раздела фаз (в гетерогенных системах), либо равномерно распределяться по всему объёму систем. 
В последнем случае исходная гетерогенная система может быть 
преобразована в гомогенную (раствор) или микрогетерогенную 
(золь). 
Слово дисперсия происходит от лат. dispergare – «рассеивать, 
раздроблять, измельчать». Тогда под дисперсией можно понимать 
любой объёмный объект, образованный пико-, нано- или микрочастицами минимум двух типов, которые определённым образом 
распределены по объёму системы относительно друг друга, взаимодействуя между собой. Под это определение подходят системы, 
которые называют растворами, золями и взвесями. В своей практической деятельности человеку постоянно приходится иметь 
дело с многокомпонентными, дисперсными системами (например, строительные, электротехнические и полупроводниковые 
материалы, продукты питания и т. д.). Более того, понятие «инди
Дисперсные системы

видуальное вещество» является идеальным, т. е. любые реальные 
вещества представляют собой дисперсные системы, а содержание 
в них основных (или примесных фаз) оценивается с помощью степени чистоты: чистые «ч.» и чистые для анализа «ч.д.а.», в которых содержание основного вещества составляет примерно 98 %, 
химически чистые «х.ч.» и особо чистые (о.с.ч.), где содержание 
основного вещества более 98 %. 
К природным дисперсным системам, играющим решающую 
роль в жизни человека, животных и растений, относятся водные 
растворы и золи. В частности, в организме человека цитоплазма, 
кровь, лимфа, слюна, пот являются водными растворами или золями солей, углеводов, белков, липидов (суммарно более 60 масс. %). 
При этом усвоение пищи, транспорт метаболитов, большинство 
биохимических реакций в живых организмах, т. е. в целом обмен 
веществ, протекают на уровне растворов или золей. 
Дисперсные системы также играют большую роль в науке и 
технике. Например, химия дисперсных систем является теоретической основой гидро- и электрометаллургии, галургии и аналитической химии, а в основе производств химической и пищевой 
промышленности, очистки и разделения веществ лежат процессы, 
протекающие в истинных или коллоидных растворах. 
Изучение данного раздела преследует ещё одну цель, связанную с формированием последовательного восприятия теории и 
практики химических процессов. Необходимо отметить, что рассматриваемый материал непосредственно следует за разделами, 
посвящёнными способам описания, а также направлению протекания химических реакций (термодинамика, кинетика, химическое равновесие). Это позволяет использовать данные теоретические концепции при формировании представлений о механизмах 
образования дисперсных систем и их химических и физико-химических свойствах. Поэтому одной из целей создания данного 
учебного пособия является обсуждение алгоритмов использования указанных теорий для описания процессов, протекающих в 
реальных дисперсных системах, что должно способствовать более 
высокому уровню освоения как материала предыдущих тем, так и 
текущего раздела. 

Введение

В пособии не только рассмотрена  теория и практика различных дисперсных систем, но и представлены справочные данные, 
а также совокупность вопросов по отдельным темам и примеры 
расчетных задач, что особенно актуально в связи с необходимостью самостоятельной проработки материала студентами. 
Комплексное рассмотрение вопроса, связанного с формированием, описанием и свойствами дисперсных систем, включает следующие разделы:
 –
общие понятия;
 –
смеси и химические соединения;
 –
теории растворов;
 –
концентрация растворов;
 –
процесс растворения.
Авторы надеются, что предлагаемое учебное пособие поможет 
студентам сформировать необходимые компетенции, приобрести 
знания и умения и расширить химический кругозор при изучении 
таких сложных и загадочных систем, как дисперсные системы. 

1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

Дисперсные системы (ДС) представляют собой системы, в 
которых одно вещество (или несколько) диспергировано, (т. е. 
распределено) в другом в виде частиц различных размеров. Для 
описания (классификации) этих систем существуют различные 
подходы, основанные как на размерных характеристиках диспергированной фазы, так и на свойствах систем в целом, например, 
оптических. Таким образом, дисперсной можно назвать систему, 
образованную дисперсионной средой и диспергированной фазой 
(распределённой дисперсионной среде).
Дисперсные системы различаются по агрегатному состоянию 
дисперсионной среды, в качестве которой могут выступать газообразная, жидкая или твёрдая фазы. В связи с этим теоретически, 
можно выделить девять типов дисперсных систем:
1) Г + Г;  
2) Ж + Г;  
3) Т + Г;
4) Г + Ж;  
5) Ж + Ж;  
6) Т + Ж;
7) Г + Т;  
8) Ж + Т;  
9) Т + Т
(Г, Ж, Т – газообразная, жидкая и твёрдая фазы соответственно, 
первой указана дисперсная среда). 
В свою очередь при фиксированном составе дисперсионной 
среды, ДС различаются по размерам частиц диспергированной 
фазы. Например, для жидкой дисперсионной среды выделяют следующие ДС:
1. Взвеси (эмульсии, суспензии) – гетерогенные системы.
2. Коллоидные растворы – микрогетерогенные системы.
3. Истинные растворы – гомогенные системы.
С точки зрения термодинамики, для коллоидных растворов 
и взвесей диспергированная фаза – это гомогенная часть гетерогенной системы, ограниченная поверхностью раздела, которая 
понимается как суммарная поверхность частиц одного и того же 

1. Общие понятия

вещества. В случае истинного раствора система в целом гомогенна, что указывает на высокую энергию сольватации (например, 
гидратации) частиц диспергированного вещества. 
Необходимо отметить, что классификация ДС, основанная на 
размерах частиц диспергированного вещества, является условной, 
так как известны многочисленные системы, которые однозначно 
не описываются в рамках данной классификации, например, растворы полиядерных комплексов или органических полимеров. 
В таблице 1 приведены некоторые общие характеристики ДС, которые в идеальном случае характерны для взвесей, коллоидных и 
истинным растворов. 

Таблица 1

Дисперсные системы на основе жидкой дисперсной среды 
и их характеристики

Характеристики
Дисперсные системы
Истинные 
растворы 
Коллоидные 
растворы
Взвеси

Размер частиц, м
Менее 10–9
10–9–10–6
Более 10–6

Тип системы
Гомогенная
Микрогетерогенная
Гетерогенная
Поверхность раздела фаз
Нет
Большая
Небольшая

Оптические свойства
Прозрачные 
Прозрачные, рассеивают свет 
Мутные

Устойчивость 
термодинамическая

Устойчивы в широком интервале 
температур и 
давлений

Метастабильные, но 
могут сохраняться 
при фиксированных 
параметрах состояния систем

Метастабильные, расслаиваются

Если дисперсная система образована из двух или большего числа фаз (коллоидные растворы, взвеси), то взаимодействие 
между компонентами реализуется по границе раздела фаз, которая равна суммарной площади частиц диспергированной фазы. 
Поэтому энергия этого взаимодействия уменьшается по мере 
роста среднего диаметра распределённых частиц, что изменяет 
свойства рассматриваемых ДС. 

Дисперсные системы

Выделяют также монодисперсные и полидисперсные системы. Идеальные монодисперсные системы имеют одинаковый 
размер частиц дисперсной фазы. Полидисперсные системы состоят из разных по размеру частиц с радиусами, которые могут изменяться в определенном интервале.
Также по величине энергии взаимодействия распределённых 
частиц с дисперсионной фазой выделяют свободнодисперсные 
(низкая энергия взаимодействия) и связнодисперсные системы. 
В частности, к связнодисперсным материалам относят композиционные материалы, например, железобетон, металлокерамику и 
пр. Общепринятая классификация гетерогенных дисперсных систем основана на различном агрегатном состоянии дисперсной 
фазы и дисперсионной среды (табл. 2). 

Таблица 2

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию

Дисперсионная 
среда
Дисперсная фаза
газ
жидкость
твердая
Газ
атмосфера
аэрозоль (туман, 
облако)
аэрозоль (дым)

Жидкость
пена
эмульсия (молоко, 
нефть)
суспензия

Твердая
пористое тело 
(кирпич)
капиллярные системы (почва)
бетон, композиционные материалы

Взвеси (грубодисперсные системы) можно разделить методами отстаивания или фильтрования, так как они представляют 
собой гетерогенные системы. Они делятся на:
1. Суспензии (диспергированная фаза – твердое вещество, а 
дисперсионная среда – жидкость). В качестве примера можно привести песок в воде.
2. Эмульсии (диспергированная фаза и дисперсионная среда – 
жидкие вещества), например, эмульсия масла в воде, молоко – 
эмульсия жира в воде.
Коллоидные растворы (золи) – микрогетерогенные системы, более устойчивы во времени, чем взвеси. Частицы диспергированной фазы в коллоидном растворе называют мицеллами. По 

1. Общие понятия

внешнему виду сложно отличить коллоидные растворы от истинных. Для этого используют эффект Тиндаля: образование светящегося конуса, видимого на тёмном фоне, при прохождении светового пучка через коллоидный раствор.
В данном учебном пособии основное внимание уделено истинным растворам и золям, так как именно они представляют 
интерес для теоретической и прикладной химии.
Истинный раствор может находиться в любом агрегатном состоянии. По этому признаку различают газообразные, жидкие и 
твердые растворы. Твёрдые растворы широко используются в технике (различного типа сплавы, раствор углерода в железе и т. д.) и 
являются основой различных минералов (рубин – раствор оксида 
хрома (III) в корунде Al2O3). Примером газообразного раствора может служить воздух. Газообразные растворы неверно называют газовыми смесями, так как их свойства отличаются от свойств исходных компонентов (хотя эти различия и невелики). Газообразные 
вещества при с.у. смешиваются неограниченно, а жидкие и твердые вещества могут смешиваться как неограниченно (например, 
вода в спирте, смесь хлорида и бромида калия), так и ограниченно 
(диэтиловый эфир в воде, смесь хлоридов натрия и калия).
Для идентификации понятия истинные растворы рассмотрим формальные признаки, по которым различают системы, относящиеся к смесям и химическим соединениям. 

Смеси и химические соединения

Идеальные смеси отличаются от химических соединений по 
следующим признакам:
1. Количественный состав идеальной смеси (при её фиксированном качественном составе) может изменяться в произвольных 
пределах. 
Количественный же состав молекулярного вещества постоянен, а немолекулярного – изменяется только в пределах области 
его гомогенности.
2. При образовании химического соединения наблюдается 
тепловой эффект, при формировании идеальной смеси он отсутствует.

Дисперсные системы

3. Физические и химические свойства компонентов, образующих идеальную смесь, сохраняются. В то же время физические 
и химические свойства прекурсоров отличны от аналогичных 
свойств продуктов реакции. 
4. Объём идеальной смеси равен сумме объёмов компонентов, 
её образующих. Объём же продукта реакции отличен от суммы 
объёмов компонентов.

Доступ онлайн
158 ₽
В корзину