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

Практикум по коллоидной химии

Учебное пособие для вузов
Покупка
Основная коллекция
Артикул: 171150.06.01
К покупке доступен более свежий выпуск Перейти
Практикум по коллоидной химии содержит описания лабораторных работ и контрольные вопросы по всем разделам коллоидной химии: поверхностные и капиллярные явления, адсорбционные явления на границах раздела фаз разной природы (жидкость — газ, твердое тело — водные растворы поверхностно-активных веществ и электролитов), электрокинетические явления, методы исследования дисперсных систем, образование и свойства самоорганизованных наносистем, а также лиофобных дисперсных систем, устойчивость дисперсных систем. Описанию практических работ предшествуют краткие теоретические введения, помогающие как при выполнении работы, так и при подготовке к теоретическим коллоквиумам. Предлагаемый практикум ставит своей целью развитие у студентов навыков самостоятельного научного поиска. В соответствии с этим часть работ, приведенных в практикуме, требует углубленного изучения теоретического материала и сопоставления полученных данных с теорией. Практикум по коллоидной химии предназначен для студентов химических и химико-технологических факультетов высших учебных заведений, изучающих курс коллоидной химии.
198
Должикова, В. Д. Практикум по коллоидной химии : учебное пособие для вузов / под ред. В. Г. Куличихина. — Москва : Вузовский учебник : ИНФРА-М, 2022. — 288 с. - ISBN 978-5-9558-0217-6. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1079866 (дата обращения: 20.05.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
ПРАКТИКУМ
ПО КОЛЛОИДНОЙ 
ХИМИИ

Под редакцией 
члена-корреспондента РАН  В.Г. Куличихина

Допущено УМО  по классическому 
университетскому образованию 
в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки «Химия»

Москва
ВУЗОВСКИЙ УЧЕБНИК
ИНФРА-М
2022

УДК 
541.18
ББК 
24я73
 
П69

А в т о р с к и й  к о л л е к т и в 
кафедра коллоидной химии Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова:
В.Д. Должикова – канд. хим. наук, доц. (гл. 3);
Н.М. Задымова – канд. хим. наук, ст. науч. сотр. лаб. коллоидной химии (гл. 1, 2, 6);
Н.И. Иванова – канд. хим. наук, доц. (гл. 5, 7);
В.Г. Куличихин – чл.-кор. РАН, д-р хим. наук, проф., зав. каф. коллоидной химии 
(гл. 10);
Л.И. Лопатина – канд. хим. наук, доц. (гл. 4);
З.Н. Скворцова – д-р хим. наук, проф., зав. лаб. физико-химической механики 
(гл. 9);
О.А. Соболева – канд. хим. наук, доц. (гл. 3);
В.Ю. Траскин – канд. хим. наук, вед. науч. сотр. лаб. физико-химической механики 
(гл. 11);
Г.П. Ямпольская – канд. хим. наук, вед. науч. сотр. лаб. коллоидной химии 
(гл. 2, 6, 8)

Р е ц е н з е н т ы:
зав. каф. коллоидной химии Московской государственной академии тонкой 
химической технологии им. М.В. Ломоносова, д-р хим. наук  М.Ю. Плетнев;
акад. РАН, зав. каф. коллоидной химии Санкт-Петербургского государственного 
университета  А.И. Русанов

Практикум по коллоидной химии: учебное пособие для вузов / под ред. В.Г. Куличихина. — Москва : Вузовский учебник :
ИНФРА-М, 2022. — 288 с.

ISBN 978-5-9558-0217-6 (Вузовский учебник)
ISBN 978-5-16-004978-6 (ИНФРА-М)

Практикум по коллоидной химии содержит описания лабораторных 
работ и контрольные вопросы по всем разделам коллоидной химии: поверхностные и капиллярные явления, адсорбционные явления на границах 
раздела фаз разной природы (жидкость–газ, твердое тело–водные растворы поверхностно-активных веществ и электролитов), электрокинетические явления, методы исследования дисперсных систем, образование 
и свойства самоорганизованных наносистем, а также лиофобных дисперсных систем, устойчивость дисперсных систем. Описанию практических 
работ предшествуют краткие теоретические введения, помогающие как 
при выполнении работы, так и при подготовке к теоретическим коллоквиумам. Предлагаемый практикум ставит своей целью развитие у студентов 
навыков самостоятельного научного поиска. В соответствии с этим часть 
работ, приведенных в практикуме, требует углубленного изучения теоретического материала и сопоставления полученных данных с теорией.
Практикум по коллоидной химии предназначен для студентов химических и химико-технологических факультетов высших учебных заведений, 
изучающих курс коллоидной химии.
ББК 24я73

ISBN 978-5-9558-0217-6 (Вузовский учебник) 
©  Вузовский учебник, 2012
ISBN 978-5-16-004978-6 (ИНФРА-М)

П69

Практикум посвящается 
Перцову Александру Валерьевичу,
который внес неоценимый вклад 
в развитие преподавания коллоидной химии
на Химическом факультете 
МГУ им. М.В. Ломоносова

ПРЕДИСЛОВИЕ

Практикум по коллоидной химии является неотъемлемой 
частью курса коллоидной химии. Теоретические основы курса коллоидной химии изложены в классическом учебнике «Коллоидная 
химия» Е.Д. Щукина, А.В. Перцова, Е.А. Амелиной и в учебном пособии «Основы коллоидной химии» Б.Д. Сумма, написанными сотрудниками кафедры коллоидной химии Химического факультета 
МГУ имени М.В. Ломоносова.
Лабораторные работы, представленные в данном практикуме, 
отражают многолетний опыт научных исследований коллектива 
кафедры и охватывают все основные разделы коллоидной химии: 
термодинамику поверхностных явлений, адсорбцию поверхностноактивных веществ из растворов на разных границах раздела фаз, механизмы устойчивости лиофильных и лиофобных коллоидов, роль 
поверхностно-активных веществ в стабилизации дисперсных систем, 
способы их получения, методы анализа степени дисперсности, взаимодействие и структурообразование частиц дисперсной фазы, основы реологии и физико-химической механики и др.
В каждой главе перед описанием практических работ дается теоретическое введение, в котором дана сумма знаний, позволяющая 
студенту самостоятельно выполнить работу. Поэтому книга может 
быть полезной не только для студентов-химиков, но и более широкого круга лиц, интересующихся методами экспериментальной коллоидной химии.
Одной из главных задач практикума является стремление к развитию у студентов самостоятельного научного поиска. В соответствии с этим основная часть работ, по сути, представляет небольшое 
научное исследование, на базе которого студенты должны грамотно 
обработать полученные данные и сделать определенные выводы. Для 
студентов, специализирующихся в области коллоидной химии, 
в данном учебном пособии приведены задачи повышенной сложности, обозначенные звездочкой.

Курс коллоидной химии читается не только студентам Химфака 
МГУ, но и студентам биологического, геологического факультетов, 
а также факультетов наук о материалах и фундаментальной медицины. В зависимости от профиля факультета несколько изменяются 
объекты исследования и цели экспериментальных работ практикума. 
В последнее время в связи с резким ростом интереса к наноструктурированным системам на кафедре уделяется особое внимание 
обеспечению практическими работами студентов Научно-образовательного центра МГУ по нанотехнологиям по специальностям 
«Функциональные наноматериалы» и «Нанобиоматериалы и нанотехнологии», поскольку коллоидная химия с момента своего возникновения имеет дело с наноразмерными системами.
Глава 1 написана Н.М. Задымовой; главы 2, 6 — Н.М. Задымовой, 
Г.П. Ямпольской, глава 3 — О.А. Соболевой, В.Д. Должиковой; 
глава 4 — Л.И. Лопатиной, главы 5 и 7 — Н.И. Ивановой; глава 8 — 
Г.П. Ямпольской; глава 9 — З.Н. Скворцовой; глава 10 — В.Г. Куличихиным; глава 11 — В.Ю. Траскиным.
Основную редакционную работу выполнили ст. науч. сотр. 
Н.М. Задымова, доц.: Н.И. Иванова, Л.И. Лопатина, О.А. Соболева. 
Рукопись подготовлена к изданию Л.И. Лопатиной.
Авторы приносят благодарность сотрудникам кафедры коллоидной химии Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова 
А.А. Еленскому, В.Н. Матвеенко, А.М. Парфеновой, М.В. Потешновой, П.В. Проценко за конкретные рекомендации по выполнению 
некоторых работ спецпрактикума.
Предлагаемый «Практикум по коллоидной химии» предназначен 
для студентов химических специальностей университетов и высших 
учебных заведений.

Глава 1. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ 
В ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ 
ДВУХФАЗНЫХ СИСТЕМАХ

Поверхностная энергия и поверхностное натяжение 
на границе раздела жидкость—воздух
Поверхностные явления в дисперсных системах, характеризующихся высокоразвитой поверхностью раздела фаз, определяют 
основные свойства этих систем.
Рассмотрим простейший случай — однокомпонентную двухфазную систему с плоской границей раздела фаз, т.е. поверхность жидкость–собственный пар. В случае плоской поверхности давление 
в обеих фазах, находящихся в равновесии, одинаково и капиллярные 
эффекты отсутствуют. Состояние вещества в области межфазной 
границы отличается от его состояния внутри фазы. В объеме жидкости равнодействующая всех сил, приложенных к одной молекуле, 
равна нулю вследствие симметрии ее микроокружения. Поэтому перемещение молекул внутри жидкости не требует совершения работы.
Межмолекулярные взаимодействия при этом могут быть дисперсионными, диполь–дипольными и индукционными, а также обусловленными водородными связями. Величина межмолекулярных сил 
притяжения зависит не только от природы молекул, но и от расстояния между ними, уменьшаясь обратно пропорционально высокой 
степени расстояния. Поэтому взаимодействие между молекулами, 
находящимися друг от друга на расстоянии порядка нескольких молекулярных диаметров, практически отсутствует. На поверхности на 
молекулу действуют те же силы, что и в объеме, но она (в силу несимметричности микроокружения) испытывает более сильное притяжение со стороны конденсированной фазы (большее число соседей), 
нежели со стороны газовой фазы (практическое отсутствие соседних 
молекул). В результате на каждую молекулу, находящуюся на поверхности, действует нескомпенсированная равнодействующая сила, 
направленная внутрь фазы (по нормали к поверхности).
Для перемещения молекулы из объема жидкости на поверхность 
необходимо совершить работу против этой нескомпенсированной 
равнодействующей силы. Поскольку поверхность жидкости однородна в тангенциальном направлении (ее свойства неизменны), процесс образования новой поверхности площадью  ds  связан с совершением работы:
 
dW = σds, 
(1.1)
где  dW — работа образования поверхности раздела;  ds — площадь 
созданной поверхности;  σ — постоянный коэффициент, который 
называют поверхностным натяжением.

Поверхностное натяжение (σ) равно работе образования единицы 
площади поверхности в обратимом изотермическом процессе. Единицами измерения  σ  являются: Дж/м2 или Н/м.
Из вышесказанного следует, что поверхностное натяжение жидкости на границе с воздухом (собственным паром) является результатом нескомпенсированности межмолекулярных взаимодействий 
в поверхностном слое. Его величина тем выше, чем выше энергия 
взаимодействия для данного вида молекул. Так, среди веществ, находящихся при комнатной температуре в жидком агрегатном состоянии, наиболее низкие значения поверхностного натяжения имеют 
фторированные углеводороды (перфторалканы), в которых реализуются крайне слабые межмолекулярные взаимодействия дисперсионной природы (см. ниже). Значения  σ  для перфторгексана, перфторгептана и перфтороктана при 20 °С составляют соответственно 
11,9; 12,8 и 14,0 мДж/м2. Предельные углеводороды, также проявляющие исключительно дисперсионные взаимодействия, имеют несколько большие значения поверхностного натяжения, нежели их 
фторированные аналоги: гексан — 18,4; гептан — 20,1 и октан — 
21,6 мДж/м2. Вода, для молекул которой характерен широкий спектр 
взаимодействий, вплоть до водородных связей, имеет заметно более 
высокое поверхностное натяжение (72,75 мДж/м2 при 20 °С).
Поскольку граница раздела фаз характеризуется избытком свободной энергии, жидкость самопроизвольно стремится уменьшить 
ее площадь. Поэтому термодинамические уравнения для гетерогенной системы, содержащей межфазные границы (поверхности), должны содержать дополнительный член  σds.  Поскольку условия постоянства температуры (T ) и давления (p) наиболее часто реализуются 
в условиях эксперимента, в качестве термодинамического потенциала 
при определении поверхностного натяжения целесообразно выбрать 
изобарный потенциал (свободную энергию Гиббса)  G.  Известно, что 
свободная энергия Гиббса является характеристической функцией 
при переменных давлении и температуре, т.е.  G = f(p, T, ni),  и через 
ее производные различных порядков выражаются в явном виде раз
личные свойства системы. Например,  dG
dp
V
dG
dT
S

T n
p n
i
i

⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟
=
⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟
= −

,
,
;
 

и  dG
dni
p T
i
⎛

⎝⎜
⎞

⎠⎟
=

,
μ   (где  V  и  S  — объем и энтропия системы;   ni  и  μi — 

число молей и химический потенциал i-го компонента).
Для двухфазной однокомпонентной системы (в отсутствие внешнего поля) изменение свободной энергии Гиббса запишется следующим образом:

dG
G
p
dp
G
T
dT
G
n
T n
p n
i
=
∂
∂
⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟
+
∂
∂
⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟
+
∂
∂

⎛

⎝⎜
,
,

⎞

⎠⎟
+

p T
dn
ds

,
;
σ
 
(1.2)

или
 
dG = Vdp − SdT + μdn + σds. 
(1.3)

Для многокомпонентной системы уравнение для свободной 
энергии (1.3) может быть переписано следующим образом:

 
dG
Vdp
SdT
ds
dn
i
i
i
=
−
+
+ ∑
σ
μ
. 
(1.4)

При постоянных значениях  p, T  и  ni  из уравнения (1.2) или (1.4) 
имеем

 
σ = ⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟
dG
ds
p T ni
,
,
. 
(1.5)

Таким образом, поверхностное натяжение есть частная производная от свободной энергии Гиббса по площади межфазной поверхности при постоянстве температуры, давления и числа молей компонентов.
Аналогичные уравнения для гетерогенной системы можно записать и относительно других характеристических термодинамических 
функций, а именно изохорного потенциала (свободной энергии 
Гельмгольца)  F = f(V, T, ni),  внутренней энергии  U = f(S, V, ni) 
и энтальпии  H = f(S, p, ni):

 
dF
pdV
SdT
ds
dn
i
i
i
= −
−
+
+ ∑
σ
μ
; 
(1.6)

 
dU
pdV
TdS
ds
dn
i
i
i
= −
+
+
+ ∑
σ
μ
;  
(1.7)

 
dH
Vdp
TdS
ds
dn
i
i
i
=
+
+
+ ∑
σ
μ
. 
(1.8)

По аналогии с вышесказанным при постоянстве соответствующих параметров можно получить

σ =
∂
∂
⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟
=
∂
∂
⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟
=
∂
∂
⎛
⎝⎜
F
s
U
s
H
s
T V n
S V n
i
i
,
,
,
,

⎞
⎠⎟
S p ni
, ,
.

Таким образом, можно заключить, что поверхностное натяжение 
определяется частной производной от любого термодинамического 

потенциала по площади межфазной поверхности при постоянстве 
соответствующих параметров.
Наряду с энергетическим определением, существует и силовой 
подход, рассматривающий поверхностное натяжение как силу, стремящуюся уменьшить площадь поверхности, действующую тангенциально (по касательной) к этой поверхности на единицу длины ее 
контура.
Единство энергетического и силового подхода не вызывает 
сомнений только для жидкостей. В случае твердых тел удельную свободную (избыточную) поверхностную энергию можно считать тождественной поверхностному натяжению лишь в некоторых особых 
случаях, например в условиях ползучести при повышенных температурах, когда подвижность атомов достаточно велика. Обычно же 
эти величины не совпадают. В связи с этим для твердых тел правильнее говорить об удельной свободной поверхностной энергии. Подробное 
рассмотрение методов измерения удельной свободной поверхностной энергии твердых тел будет изложено в Главе 11.

Термодинамические свойства поверхности. 
Метод избыточных величин Гиббса

Граница раздела фаз представляет собой слой определенной 
толщины с изменяющимися по нормали к поверхности значениями 
термодинамических параметров (энергии, плотности и т.д.), поскольку межмолекулярные силы действуют на определенном расстоянии. Это обстоятельство учитывают оба наиболее известных в термодинамике поверхностных явлений подхода: метод избыточных 
величин Гиббса и метод «слоя конечной толщины». За толщину поверхностного слоя в обоих подходах принимают расстояние по обе 
стороны от поверхности, за пределами которого свойства перестают 
отличаться от свойств объемных фаз.
В методе Гиббса этот неоднородный по свойствам слой толщиной  δ  между двумя объемными фазами называется «поверхностью 
разрыва». Вопрос о структуре и толщине поверхностного слоя был 
совершенно не изучен во времена Гиббса и остается дискуссионным 
по настоящее время. Однако Гиббсу удалось обойти этот вопрос путем введения понятий идеализированной системы, геометрической 
разделяющей поверхности и поверхностных избытков экстенсивных 
термодинамических параметров (свободных энергий Гиббса G s 
и Гельмгольца  F s,  внутренней энергии  U s,  энтальпии  H s  и энтропии  S s).
Наиболее часто используется подход Гиббса, который позволяет 
получить наиболее компактные и изящные термодинамические соотношения, в равной мере применимые к плоским и искривленным 

поверхностям. При этом сравниваются реальная и идеализированная 
системы. В реальной системе, как уже отмечалось, существует имеющий толщину переходный слой («поверхность разрыва»). Именно 
в этом слое происходят все изменения интенсивных свойств, а за его 
пределами (в каждой из фаз) свойства сохраняют постоянные значения.
В идеализированной системе свойства фаз  α  и  β  одинаковы во 
всем объеме, вплоть до геометрической разделяющей поверхности 
(ГРП), где они скачком переходят в свойства другой фазы. Общие 
объемы реальной и идеализированной систем равны. Разделяющая 
поверхность по Гиббсу — это не имеющая толщины геометрическая 
поверхность, которая воспроизводит форму «поверхности разрыва» 
и располагается параллельно последней. В простейшем случае 
ГРП — это плоскость.
Поверхностные избытки экстенсивных термодинамических 
свойств — это разность между соответствующими параметрами для 
реальной и идеализированной систем:

 
F s = F − (F α + F β);       G s = G − (G α + G β);

 
S s = S − (S α + S β);       U s = U − (U α + U β); 
(1.9)

 
H s = H − (H α + Hβ),

где термодинамические функции имеют общепринятые обозначения; поверхностные избытки обозначены надстрочным индексом  s; 
обозначения без индексов соответствуют реальной системе; суммы 
в скобках отражают свойства идеализированной двухфазной системы.
Удельные, т.е. отнесенные к единице площади поверхности, поверхностные избытки термодинамических функций могут быть выражены следующим образом: свободной энергии Гельмгольца 
(ψ = F s/s),  свободной энергии Гиббса  (g = G s/s),  энтропии  (η =
= S s/s),  внутренней энергии  (ε = U s/s)  и энтальпии  (h = Hs/s).
По аналогии избыток вещества (в молях) в поверхностном слое 
может быть выражен следующим образом:

 
ns
i = ni − (nα
i  − nβ
i). 
(1.10)

Удельная величина поверхностного избытка вещества называется адсорбцией:

 
Гi
i
s
n
s
=
.  
(1.11)

Рассмотрим подробнее метод избыточных величин на примере 
введения понятия избытка свободной поверхностной энергии Гельмгольца  (F s)  для простейшего случая однокомпонентной двухфазной 
системы с плоской границей раздела фаз, т.е. для поверхности жид
кость–собственный пар. Сопоставим реальную и идеализи рованную 
системы с одинаковым объемом   V   и одинаковой площадью  s  при 
постоянной температуре. Как только геометрическая разделяющая 
поверхность выбрана, объемы каждой из фаз в идеализированной 
системе считаются фиксированными; следовательно, величина свободной энергии идеализированной системы также фиксируется 
и значение поверхностного избытка свободной энергии  F s  приобретает строго определенный смысл.
Проведем плоскость, перпендикулярную поверхности. Для данного поперечного сечения рассмотрим зависимость плотности свободной энергии Гельмгольца  ( f = ∂F/∂V),  т.е. свободную энергию, 
приходящуюся на единицу объема, от пространственной координаты  z,  выбранной по нормали к поверхности, а также изменение молярной концентрации вещества  (c = dn/dV)  в зависимости от той же 
координаты  z.  При этом ось абсцисс соответствующего интенсивного параметра  ( f  и  c)  располагается в плоскости ГРП. Анализ 
зависимости  c(z)  необходим для обоснования выбора положения 
ГРП. Функции  f(z)  и  с(z)  представлены на рис. 1.1а,б, который 
является иллюстрацией к определению избытка свободной энергии 
по методу Гиббса (в расчете на единицу площади поверхности).

ГРП

а)
б)

0
0
f

f β

δ
V β
V α

V β
id
V α
id

f α

z
z

C
c
B

A

D
D ′

C ′
B ′

A ′

сα

сβ

+

–

Рис. 1.1.  Зависимости плотности свободной энергии (а) 
и концентрации вещества (б) от пространственной 
координаты  z  при переходе из фазы  α  в фазу  β:
Vid — объем идеализированной системы; 
V — объем реальной системы

К покупке доступен более свежий выпуск Перейти