Физическая и коллоидная химия: учебник для медицинских вузов (с задачами и решениями)

Н.Н. Мушкамбаров

ФИЗИЧЕСКАЯ

И КОЛЛОИДНАЯ

ХИМИЯ

УЧЕБНИК ДЛЯ ВУЗОВ 

(С ЗАДАЧАМИ И РЕШЕНИЯМИ) 

Рекомендовано УМО по медицинскому 

и фармацевтическому образованию России 

и Министерством здравоохранения Российской Федерации 
в качестве учебника для студентов медицинских вузов 

5-е издание, стереотипное

Москва
Издательство «ФЛИНТА» 
2020

УДК 544(075.8) 
ББК 24.5я73  

М93

Р е ц е н з е н т ы :

д-р хим. наук, проф. МГУ Л.А. Асланов;

д-р биол. наук, проф. ММА им. И.М. Сеченова Н.И. Калетина

Н а у ч н ы й  р е д а к т о р :  

проф. каф. общей, физической и коллоидной химии КГМУ В.Н. Тимербаев

Мушкамбаров Н. Н.

    Физическая и коллоидная химия [Электронный ресурс] : учебник 
для медицинских вузов (с задачами и решениями). – 5-е изд., стер. –
М. : ФЛИНТА, 2020. – 455 с.: ил. 

ISBN 978-5-99765-2295-4

Учебник соответствует программе по физической и коллоидной 
химии для студентов фармацевтических факультетов и институтов.
Он включает 7 разделов: 1. «Химическая термодинамика», 2.
«Фазовые равновесия и растворы», 3. «Растворы электролитов и
электрохимия», 4. «Химическая кинетика», 5. «Поверхностные 
явления», 6. «Дисперсные системы», 7. «Лиофильные дисперсные 
системы». Материал представлен на высоком теоретическом уровне 
и при этом изложен ясным, чётким языком. В конце каждой главы 
приводится её краткое содержание. А после каждого раздела даётся 
серия задач разной степени трудности с подробными решениями.

Учебник предназначен студентам не только фармацевтических, 
но и других смежных специальностей.  

УДК 544(075.8)
ББК 24.5я73 

 ISBN 978-5-9765-2295-4
© Мушкамбаров Н. Н. , 2015
© Издательство «ФЛИНТА», 2015

М93

                                                 Посвящаю преподавателям  
                                                 физической и коллоидной химии             
                                                        Александре Дмитриевне Михайловой                                       
                                                         и Ларисе Евгеньевне Приезжевой 
                                                    с глубокой благодарностью 
                                                   за их самоотверженную и бескорыстную 
                                                   поддержку в очень нелегкое для меня время,               
                                                   –  на которое, между прочим, 
                                                  пришлась и работа над этой книгой. 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Настоящий учебник написан в соответствии с «Программой по физической и 
коллоидной химии для студентов фармацевтических институтов и фармацевтических 
факультетов медицинских институтов». 
Надо сказать, имеется достаточно много учебников и учебных пособий 
по данной дисциплине. Тем не менее, опыт практического преподавания физической 
и коллоидной химии в ММА им. И.М. Сеченова показал, что студенты  испытывают 
серьёзные трудности с учебной литературой. Потому-то я и создал свою версию 
предлагаемого курса. Получилось ли то, что требуется, – об этом судить студентам и 
преподавателям.  
Первое издание учебника вышло в сентябре 2001 г. К сожалению, из-за 
спешки и несогласованности действий участников проекта, в книге оказалось 
множество опечаток и искажающих текст редакторских правок. Поэтому через 
2 месяца было выпущено в свет второе, исправленное, издание – правда, значительно 
меньшим тиражом. 
В третьем издании и всех последующих имеется три существенных отличия. 
а)  во-первых, устранено двойное разбиение теоретического материала – не 
только на главы, но и на лекции: последнее было полезно лишь для лекторов 
(в частности, поэтому краткое содержание предыдущего материала теперь приводится 
не в начале очередной лекции, а в конце главы); 
б) во-вторых, после каждого раздела  вниманию читателя предлагается серия 
задач. Первоначальные условия задач были подобраны из различных источников 
канд. биол. наук В.Н. Тверитиновым. Здесь эти условия подверглись существенной 
редакции, и, кроме того, ко всем задачам составлены подробные решения;
в) в-третьих, в текст учебника введена детальная рубрификация. Вернее, 
возвращена, поскольку она имелась ещё перед первым изданием, но при подготовке 
к нему была удалена. 
Кроме того, весь текст тщательно пересмотрен, и во многих местах сделаны 
необходимые, с моей точки зрения, исправления. 
Книга написана в 1996-1997 гг. С тех пор я давно работаю в сфере 
совсем другой науки, но рад, что интерес к этому учебнику сохраняется и поныне. 
                                                                          
                                                            Н.Н. Мушкамбаров

ВВЕДЕНИЕ 

  В курс физической и коллоидной химии входят 7 следующих разделов. 
1. Химическая термодинамика – учение об энергетике различных процессов 

и условиях их самопроизвольного протекания. 

2. Фазовые равновесия и растворы неэлектролитов – сведения о закономер
ностях фазовых переходов и коллигативных свойствах растворов неэлектролитов. 
Это такие явления, как изменение температуры замерзания и кипения, осмос и т.д. 

3. Растворы электролитов и электрохимия — о способности  растворов 
электролитов проводить ток, с чем связаны очень важные электрохимические 
явления — электрофорез, электролиз, генерация ЭДС в гальванических элементах и 
др. 

4. Химическая кинетика — учение о скоростях химических процессов. 
5. Поверхностные явления — о явлениях, проходящих на поверхности разде
ла фаз (но не представляющих собой фазовые переходы): адсорбции, адгезии, 
смачивании, растекании и некоторых других явлениях. 

6. Дисперсные системы — о двухфазных системах, из которых одна фаза 
распределена в другой в виде т. н. дисперсных частиц. Множество знакомых нам 
объектов относится именно к подобным системам. 

7. Лиофильные дисперсные системы — рассматриваются такие системы, где 
частицы имеют высокое сродство к окружающей среде. В частности, сюда относятся 
растворы высокомолекулярных соединений (ВМС) в подходящих растворителях. 

В некоторых учебниках физической химии излагается и учение о строении 
вещества. В настоящем курсе такой раздел отсутствует, так как теперь строение 
атомов и молекул отнесено к другим химическим дисциплинам (общей и 
неорганической, а также органической химии). 

Приведенный перечень разделов свидетельствует, что физколлоидная химия 
объединяет в себе функции методологической и конкретной науки. Как 
методологическая наука она формулирует принципы и методы количественного 
описания химических систем и процессов. Данную функцию выполняют два 
ключевых раздела: 1. Химическая термодинамика и 4. Химическая кинетика.
Действительно, энергетика и скорость — это главное, чем характеризуется любой 
химический (в т.ч. и биохимический) процесс. 

А как конкретная наука физколлоидная химия рассматривает определенные 
объекты и явления, являющиеся пограничными для химии и физики. В основном, 
это физические свойства химических объектов: 2. Фазовые переходы; 3. 
Электрохимические явления; 5. Поверхностные явления; 6. многочисленные 
физические свойства дисперсных систем и 7. физические свойства ВМС и их 
растворов. 

Таким образом, в соответствии с двумя функциями физколлоидной химии, ее 

разделы можно поделить на две группы. 

Но существует и иное подразделение — физическая (первые четыре раздела) 

и коллоидная (последние три раздела) химия. 

Термин коллоидная химия обычно применяется в связи с дисперсными 

системами 
(поскольку 
заряженные 
частицы 
дисперсной 
фазы 
называются 

коллоидными частицами). Поверхностные явления происходят на любой границе 
раздела фаз, но в случае дисперсных систем поверхность раздела особенно велика и, 
следовательно, поверхностные явления наиболее выражены. Потому-то учение об 
этих явлениях (как и учение о растворах ВМС) относят к коллоидной химии. 

Однако такое подразделение достаточно условно, как достаточно спорна и та 

последовательность, в которой мы будем изучать вышеназванные темы. Возможно, 
более логичным было бы изучать кинетику сразу после термодинамики, а поверхностные явления — после раздела о фазовых равновесиях. Но в каждой 
последовательности есть свои плюсы и минусы, есть своя условность. Исторически 
сложилась и закреплена в программе очередность, приведенная выше. 

РАЗДЕЛ  1. 

ХИМИЧЕСКАЯ 

ТЕРМОДИНАМИКА 

Химическая термодинамика рассматривает энергетические аспекты 
различных процессов и определяет условия их самопроизвольного протекания. В 
основе ее — три, а вместе с нулевым — четыре начала термодинамики. Если 
процессы 
являются 
химическими, 
то 
указанные 
начала 
термодинамики 
распространяются и на них. Но, по сравнению с чисто физическими процессами, 
возникает необходимость и в целом ряде конкретных выражений — например, для 
расчета энергии реакции, ее зависимости от температуры и т. д. Представляют 
интерес как общие термодинамические закономерности, так и их конкретное 
приложение к химическим объектам. Потому-то данный раздел курса и называется 
химической термодинамикой. 

Глава 1.   ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПЕРВОЕ НАЧАЛО 

ТЕРМОДИНАМИКИ 

1.1. Термодинамические системы, состояния и характеристики 

1. В термодинамике объектом рассмотрения всегда является система. 
Термодинамическая система — любой объект природы, состоящий из 
достаточно большого количества частиц (не менее 1010 —1013) и отделенный 
реальной или воображаемой границей от окружающей среды. 

2. Различают 3 типа термодинамических систем (табл. 1.1).  
а) Изолированные системы — не могут обмениваться с окружающей средой 

ни энергией, ни массой. Примеры: изолированный термостат, Вселенная в целом.  

Т а б л и ц а  1.1 

б) Закрытые системы — могут обмениваться с окружающей средой 
энергией, но не массой. Пример закрытой системы — совокупность молекул 
растворенного вещества. Внешней же средой здесь является все остальное, начиная с 
растворителя (если он не участвует в реакции). Поэтому в химической 
термодинамике наиболее часто рассматривают именно закрытые системы. 

   Е 

    m 

     E 

    m 

   E 

    m  

Изолированная

система 

Закрытая 
система 

Открытая
система 

в) Открытые системы — это системы, которые могут обмениваться с 

окружающей средой и энергией, и массой. Здесь самый важный пример — живые 
объекты.

3. Какую бы систему мы ни взяли, она может быть в различных состояниях. А 

чтобы 
описать 
то 
или 
иное 
состояние, 
используют 
термодинамические 

характеристики (аi).

Эти характеристики можно классифицировать двумя способами.
а) Во-первых, их делят на экстенсивные и интенсивные.
I. Экстенсивные параметры зависят от количества вещества и складываются 

при сложении однородных компонентов:

а0 =   Σ аi . 
(1.1)

Примеры — объем (V), масса (т), количество вещества (п), энергия (Е), 

относящиеся ко всей системе или к отдельным ее частям.

II. Интенсивные характеристики не зависят от количества вещества и 

выравниваются при контакте систем или частей системы. Сюда относятся такие 
параметры, как температура (Т), давление (Р), плотность (ρ), концентрация (с).

б) Другое подразделение таково. 
I. Одни характеристики можно рассматривать как основные, которые 

определяют состояние вещества. Их называют параметрами состояния. Обычно в 
качестве таковых берут следующие характеристики — Т, Р и п, т. е. температуру, 
давление и количество вещества.

II. Остальные характеристики зависят от этих трех параметров, а значит,.в 

целом от состояния системы. Поэтому их называют функциями состояния. Так, для 
идеального газа энергия определяется только температурой и количеством вещества, 
а объем — всеми тремя параметрами состояния:

(1.2,а-б)

Первое выражение известно из физики, а второе — это уравнение Клайперона—
Менделеева (PV = nRT).

Связь между параметрами и функциями состояния представлена на рис. 1.1. 

4. Сформулируем свойство функций состояния.
а) Значение любой из них не зависит от способа достижения системой 

данного состояния, а зависит только от самого этого состояния.

б) Для некоторых состояний используются специальные термины. Так, часто 

вещества (системы) рассматривают при стандартных условиях:

Состояние
Параметры
состояния

Функции
состояния

аi

Рис. 1.1

E = – nRT ,        V =  –––– .
3                
nRT

2
P

Т = 25° (298 К),    Р=1 атм (101,3 кПа),    п = 1 моль.
(1.3, а–в)

Соответственно, стандартное состояние вещества — это 1 моль чистого 

вещества при стандартных температуре и давлении в наиболее устойчивом 
агрегатном состоянии.

Как видно, к условиям (1.3, а—в) здесь добавляется еще условие о наиболее 

устойчивом агрегатном состоянии. Для одного вещества это газообразное 
состояние, для другого —
жидкое, для третьего —
твердое в наиболее 

распространенной аллотропной модификации.

в) И стандартные, и многие другие состояния являются равновесными. В 

равновесном состоянии параметры состояния не изменяются самопроизвольно 
со временем, и в системе отсутствуют потоки вещества и энергии. 

г)
Наконец, еще один важный частный случай состояний —
это 

стационарные состояния. Здесь параметры состояния тоже постоянны, но в 
системе имеются потоки энергии и (или) вещества. 

д) Все прочие состояния системы являются, по существу, переходными —

либо к равновесному, либо к стационарному состоянию.

1.2. Термодинамические процессы

1. а) Всякое изменение параметров состояния (т. е. переход системы из 

одного состояния в другое) есть термодинамический процесс.

б) К процессу приводит осуществляемое каким-то внешним воздействием 

выведение системы из равновесного состояния (т. е. перевод ее в неравновесное 
состояние). 

в) В результате же самопроизвольного процесса система
- либо возвращается в прежнее состояние равновесия,
- либо переходит в какое-то иное равновесное состояние,
- либо достигает стационарного состояния.
2. Обратим здесь внимание на два обстоятельства. 
а) Во-первых, система может иметь несколько состояний равновесия, как это 

показано на рис. 1.2.

б) Во-вторых, если система достигает стационарного состояния, то процесс 

не прекращается, а просто становится стационарным (т. е. таким, при котором 
поддерживаются постоянные значения параметров состояния).

Такая ситуация может иметь место в 

закрытых и открытых системах. Например, 
здоровый человек находится в стационарном 
состоянии: все его параметры остаются на 
постоянном уровне. Но в нем все время идут 
процессы 
обмена 
с 
окружающей 
средой 

веществом и энергией, и многие из этих 

процессов являются стационарными.

3. Когда система стремится к равновесному состоянию, а когда — к 

стационарному?

В случае открытой системы можно указать на две типичные ситуации.
а) Пусть на границах системы — постоянные и одинаковые значения 

интенсивного параметра (например, концентрации вещества).

Тогда концентрация в самой системе (изначально отличная) тоже стремится 

к тому же значению, которое является равновесным (рис. 1.3,а), т.е. после его 
достижения процесс прекратится.

б) А теперь пусть на границах открытой системы — постоянные, но 

различные значения интенсивного параметра (концентрации). Тогда в результате 
переходного процесса в системе устанавливается какая-то промежуточная 
концентрация сх , которая затем будет поддерживаться благодаря стационарному 
процессу — притоку вещества через одну границу и такому же по величине оттоку 
через другую границу (рис. 1.3, б).

Таким образом, достигается стационарное состояние.
4.
Обратимые 
и 
необратимые 
процессы. 
Принципиальное 
для 

термодинамики значение имеет подразделение всех процессов на обратимые и 
необратимые. В этом подразделении учитывается, как система переходит из 
начального состояния в конечное.

а) Обратимые процессы — такие, в которых малейшее противоположное 

воздействие меняет направление на обратное.

Это означает, что все промежуточные состояния системы и окружающей 

среды в таком процессе — равновесные. Поэтому часто обратимые процессы 
называют еще равновесными.

б) А термодинамически необратимые процессы — такие, которые не 

могут быть обращены без того, чтобы в самой системе или в окружающей среде 
не остались какие-то изменения.

Из этого определения следует: после термодинамически необратимого 

процесса систему при определенных условиях можно вернуть в исходное состояние 
(т. е. осуществить химическую обратимость).

Но для этого требуется произвести какие-либо изменения в системе или 

окружающей среде — например, повысить концентрацию продуктов реакции или 
подвести дополнительную теплоту.

Таким образом, термодинамическая необратимость и химическая необра
тимость — понятия различные.

Заметим: практически каждый реальный процесс в той или иной мере 

термодинамически необратим. Но представление об идеально обратимом процессе 
очень полезно.

С

С1 >  Cх > C2

С1
C2 < C1

С

С1

С1
С1

а)                                                            б)

Рис.1.3

1.3. Пример: изотермическое изменение объема газа

Иллюстрация различных способов перехода системы из одного состояния в 

другое — изотермическое расширение газа — представлена на рис. 1.4.

1. В крайнем варианте необратимого процесса внешнее давление сразу

снижают c уровня  Р1 до уровня Р2 . 

Тогда газ под поршнем резко 

расширяется  до объема

V2 =  V1P1/P2 ,

совершая 
работу 
против 
малого 

внешнего давления Р2:

2.
А в обратимом
варианте 

расширения внешнее давление снижают 
очень медленно, — так что газ вначале 
совершает работу против давления Р1 –
dP, затем — против Р1 – 2dP, ... и лишь в 
конце — против Р2.

Очевидно, что при этом работа 

газа больше, чем в предыдущем случае. 

Рассчитаем конкретную величину данной работы:

откуда

3. Теперь допустим, что газ после того или иного его расширения вновь 

изотермически сжимают до прежнего объема V1.

а) В обратимом варианте придется совершить над системой точно такую же 

работу, какую совершала система при расширении. Никаких изменений в системе 
или окружающей среде не останется. 

····

in            ex 

in           ex

P2

V2

P1

V1

P1

V1

P1 – dP

V1 + dV

необр.
обр.

необр.
обр.

Δl

Рис. 1.4