Коллоидная химия : дисперсные системы и частицы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2007 

Кафедра физической химии

Е.А. Новикова 
Г.А. Фролов 
 

Коллоидная химия 

Дисперсные системы и частицы 

Курс лекций 

Допущено учебно-методическим объединением по образованию 
в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 
150100 – Металлургия и 150700 – Физическое материаловедение

Москва  2011 

УДК 544.7 
 
Н73 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук Ю.Б. Сазонов 

Новикова, Е.А. 
Н73  
Коллоидная химия : дисперсные системы и частицы : курс 
лекций / Е.А. Новикова, Г.А. Фролов. – М. : Изд. Дом МИСиС, 
2011. – 52 с. 
ISBN 978-5-87623-477-3 

Курс лекций содержит описание дисперсных частиц и дисперсных систем, их классификацию, получение и очистку. Рассмотрены молекулярнокинетические свойства дисперсных систем: осмотическое давление, диффузия, вязкость. 
Предназначен для студентов специальностей 210602, 220301. 
 

УДК 544.7 

ISBN 978-5-87623-477-3 
© Е.А. Новикова, 
Г.А. Фролов, 2011 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение. Объекты и задачи коллоидной химии ..................................4 
1. Предмет коллоидной химии. Классификация дисперсных 
систем ........................................................................................................9 
1.1. Дисперсные частицы. Классификация дисперсных 
частиц.....................................................................................................9 
1.1.1. Классификация дисперсных частиц по размерам..............10 
1.1.2. Классификация дисперсных частиц по форме...................11 
1.1.3. Классификация дисперсных частиц по строению.............11 
1.2. Дисперсные системы. Классификация дисперсных 
систем ..................................................................................................12 
1.2.1. Классификация по размеру частиц дисперсной фазы 
(по дисперсности)...........................................................................12 
1.2.2. Классификация по интенсивности взаимодействия 
дисперсной фазы и дисперсионной среды ...................................13 
1.2.3. Классификация по наличию взаимодействия между 
частицами дисперсной фазы..........................................................14 
1.2.4. Классификация по фракционному составу частиц 
дисперсной фазы.............................................................................14 
1.2.5. Классификация по характеру распределения фаз 
(дисперсных частиц и дисперсионной среды).............................14 
1.2.6. Классификация по агрегатному состоянию 
дисперсной фазы и дисперсионной среды ...................................15 
1.3. Количественные характеристики дисперсных систем.............16 
2. Получение, стабилизация и очистка дисперсных систем...............18 
2.1. Получение дисперсных частиц...................................................18 
2.1.1. Диспергационные методы....................................................18 
2.1.2. Конденсационные методы ...................................................23 
2.2. Методы получения дисперсных систем. ...................................28 
2.3. Стабилизация дисперсных систем .............................................29 
2.4. Очистка дисперсных систем.......................................................30 
3. Молекулярно-кинетические свойства ..............................................33 
3.1. Осмотическое давление ..............................................................33 
3.2. Диффузия дисперсных частиц....................................................33 
3.3. Броуновское движение частиц в дисперсных системах...........36 
3.4. Вязкость дисперсных систем......................................................38 
4. Седиментация .....................................................................................46 
Библиографический список...............................................................51 

 

ВВЕДЕНИЕ. ОБЪЕКТЫ И ЗАДАЧИ 
КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ 

Коллоидная химия изучает свойства разнообразных систем (неорганических, органических, полимерных, белковых), в которых хотя бы 
одно из веществ находится в виде частиц размером примерно от 1 нм 
(несколько молекулярных размеров) до 10 мкм. Частицы таких размеров называют дисперсными (лат. dispergo – рассеивать, распылять). 
Дисперсные частицы могут находиться в любом агрегатном состоянии: твердом (микрокристаллы, волокна), жидком (капли в туманах и эмульсиях), газообразном (пузыри в пенах). Существуют и 
более сложные по строению дисперсные частицы. Их внутренняя 
структура существенно отличается от твердого тела или жидкости.  
Дисперсные частицы по размерам занимают промежуточное положение между молекулами (атомами, ионами) и макроскопическими объектами (фазами). Выделение в особую группу дисперсных 
частиц вызвано несколькими обстоятельствами. Прежде всего, мно4гие физические и химические свойства дисперсных частиц начинают отличаться от аналогичных свойств крупных (макроскопических) 
объектов для одного и того же вещества. К числу таких свойств относятся прочность, теплоемкость, температуры перехода из одного 
агрегатного состояния в другое, температуры инициации химической 
реакции с другими веществами, магнитные и электрические характеристики, реакционная способность. Эти различия называют размерными (или масштабными) эффектами. Они выражены тем сильнее, 
чем меньше размер дисперсных частиц, и поэтому особенно характерны для частиц нанометровых размеров (наночастиц). Особые 
свойства наночастиц (в том числе и наличие у них квантовых 
свойств) открывают принципиально новые практические приложения химии, физики, биологии. Поэтому изучение дисперсных частиц 
(методов получения, структуры частиц, их физических и химических 
свойств) относится к наиболее актуальным и перспективным задачам 
ряда научных дисциплин.  
Дисперсные системы обычно состоят из двух фаз: дисперсной фазы, ее образуют дисперсные частицы, и дисперсионной среды – 
сплошной (непрерывной) фазы, в которой распределены дисперсные 
частицы. Дисперсионная среда, как и дисперсная фаза, может находиться в любом агрегатном состоянии: твердом, жидком или газообразном. 

Наиболее общее явление, характерное для любой дисперсной системы, – это укрупнение дисперсных частиц (коагуляция), т.е. увеличение их размера. 
Механизмы укрупнения дисперсных частиц могут быть разными, 
например, прямое столкновение капель в эмульсиях или аэрозолях с 
их последующим слиянием (так называемая коалесценция). Укрупнение частиц постепенно приводит к утрачиванию тех физических и 
химических особенностей, которые присущи именно дисперсным 
частицам. Поэтому проблема устойчивости дисперсных систем, т.е. 
сохранения размеров частиц в течение длительного времени, является центральной в коллоидной химии.  
Неравновесное состояние дисперсных систем помимо их термодинамической неустойчивости имеет еще одно важное следствие. С 
позиций неравновесной термодинамики эволюция систем, далеких от 
равновесия, может протекать по биологическому типу с образованием упорядоченных диссипативных (самоорганизующихся) структур. 
Такая самоорганизация может происходить внутри дисперсионной 
среды. Процессы самоорганизации могут протекать и на поверхностях раздела фаз. Самоорганизация органических веществ (особенно 
белков) на поверхности воды с образованием определенных упорядоченных структур имеет исключительно большое значение для 
формирования биологических объектов. Это направление, изучающее эволюцию дисперсных систем на основе положении неравновесной термодинамики, является пограничным между коллоидной 
химией и биологией. 
Коллоидная химия использует при изучении дисперсных систем 
законы химии, физики, физической химии. Химические теории 
обычно преобладают в области высокодисперсных систем, поверхностных слоев жидкостей и твердых тел и нанесенных на них адсорбционных слоев различных веществ. Например, для расчета электронной структуры наночастиц (кластеров) и ее влияния на их каталитические свойства успешно применяют методы квантовой механики. Константу адсорбционного равновесия на поверхности жидкости 
или твердого тела рассчитывают на основе фундаментального закона 
химических реакций – закона действующих масс. Кинетика агрегации дисперсных частиц при их столкновениях вследствие броуновского движения в дисперсионной среде (кинетика коагуляции) построена на аналогии этого процесса с бимолекулярной реакцией. 
Теоретические представления электрохимии о строении двойного 
электрического слоя лежат в основе теории электроповерхностных и 

электрокинетических явлений (электрофорез, электроосмос). Они 
используются также в теории устойчивости дисперсных систем. 
Химические реакции лежат в основе многих методов получения 
высокодисперсных частиц, в том числе наночастиц. Особенно часто 
используют химическое восстановление металлов. Контроль температуры, рН растворов и их концентрации позволяет достаточно гибко 
регулировать размеры получаемых частиц. Наряду с химическим 
восстановлением в ходе обменных реакций в растворах для синтеза 
дисперсных частиц успешно применяют фотохимическое и радиационно-химическое восстановление металлов. 
Химические методы синтеза твердых дисперсных частиц были 
успешно развиты еще на начальном этапе становления коллоидной 
химии – во второй половине XX в. В этот период были получены 
дисперсные частицы самых разнообразных веществ. Важнейший 
обобщающий вывод этих исследований – принцип универсальности 
дисперсного состояния, т.е. в виде дисперсных частиц может существовать (при определенных условиях) любое вещество. Этот принцип установил русский химик П.П. Веймарн в 1905–1910 гг. 
Важный химический аспект коллоидной химии связан с поверхностно-активными веществами, которые играют роль наиболее эффективных и гибких регуляторов поверхностных свойств дисперсных систем. В создание этого исключительно плодотворного направления коллоидной химии основополагающий вклад внесли работы 
академика П.А. Ребиндера и лауреата Нобелевской премии по химии 
И. Ленгмюра. 
Химический состав поверхностно-активных веществ и строение 
их молекул определяют такие важные для коллоидной химии процессы, как формирование адсорбционных слоев на поверхности дисперсных частиц, образование мицелл в растворах, стабилизация пен, 
эмульсий и других дисперсных систем. За последние 15–20 лет эти 
возможности еще более расширились благодаря применению смесей 
поверхностно-активных веществ. Кроме того, сейчас синтезированы 
принципиально новые вещества; широко применяют полимерные и 
белковые поверхностно-активные вещества. 
Необходимо отметить еще один химический аспект коллоидной 
химии, связанный, однако, не с изучением дисперсных систем, а с их 
применением. Некоторые типы дисперсных систем (мицеллярные 
растворы, микроэмульсии) оказались чрезвычайно перспективны, 
как микрореакторы. Важным материалом для микроэлектроники является порошок из нанодисперсных частиц полупроводника CdS.