Коллоидная химия

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Казанский национальный исследовательский 
технологический университет 

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ 

Практикум 

Казань 
Издательство КНИТУ 
2021 

УДК 541.18(076) 
ББК Г6я7 
  К60 

Печатается по решению редакционно-издательского совета 
Казанского национального исследовательского технологического университета 

Рецензенты: 
д-р хим. наук, проф. Я. А. Верещагина 
д-р хим. наук, проф. Л. Я. Захарова 

К60 

Авторы: В. Е. Проскурина, С. В. Шилова, А. Я. Третьякова, 
А. А. Коноплева, Д. М. Торсуев, Ю. Г. Галяметдинов 
Коллоидная химия : практикум / В. Е. Проскурина [и др.]; Минобрнауки 
России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 
2021. – 96 с.

ISBN 978-5-7882-3047-4 

Содержит лабораторные работы по основным разделам дисциплины «Коллоидная химия», предваренные кратким теоретическим введением. Предложены 
контрольные вопросы для самостоятельной проработки теоретического материала, 
а также вопросы для самоконтроля знаний по основным разделам дисциплины.  
Предназначен для бакалавров, обучающихся по направлениям подготовки 
18.03.01 «Химическая технология», 19.03.01 «Биотехнология», 20.03.01 «Техносферная безопасность», 21.03.01 «Нефтегазовое дело», 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов», изучающих дисциплины «Коллоидная химия», 
«Дисперсные системы и поверхностные явления», «Физическая и коллоидная химия». 
Подготовлен на кафедре физической и коллоидной химии. 

УДК 541.18(076) 
ББК Г6я7 

ISBN 978-5-7882-3047-4 
© Проскурина В. Е., Шилова С. В., 
Третьякова А. Я., Коноплева А. А., 
Торсуев Д. М., Галяметдинов Ю. Г., 2021 

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2021

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение ..................................................................................................... 4 

Лабораторная работа 1. Изучение поверхностного натяжения 

и адсорбции на границе раздела «жидкость–газ» .................................. 5 

Лабораторная работа 2. Изучение адсорбции на границе раздела 

«твердое тело–жидкость» ....................................................................... 20 

Лабораторная работа 3. Определение обменной емкости катионита ... 27 

Лабораторная работа 4. Получение золей методами конденсации .... 38 

Лабораторная работа 5. Изучение электрокинетических явлений ..... 47 

Лабораторная работа 6. Исследование электролитной коагуляции 

гидрозолей ............................................................................................... 61 

Лабораторная работа 7. Определение размера частиц латекса 

методом светорассеяния ........................................................................ 72 

Лабораторная работа 8. Седиментационный анализ суспензий ........ 80 

Библиографический список .................................................................... 91 

Приложения ............................................................................................. 92 

Приложение 1 .......................................................................................... 92 

Приложение 2 .......................................................................................... 93 

Введение 

Коллоидная химия, как и другие науки, постоянно развивается. 
Данный практикум поможет студентам углубить знания в области специфических свойств дисперсных систем и методов их изучения. Практикум предназначен для студентов-бакалавров, изучающих дисциплины «Коллоидная химия», «Дисперсные системы и поверхностные 
явления» и «Физическая и коллоидная химия». Для освоения указанных 
дисциплин недостаточно только теоретической подготовки, знания законов науки о коллоидах и закономерностей, присущих дисперсным системам. Необходимо также приобретение навыков экспериментального 
исследования, что требует освоения современных приборов, умения обрабатывать результаты эксперимента и делать соответствующие выводы и заключения. В связи с этим целями лабораторного практикума 
являются:  
– развитие творческого мышления студентов;
– формирование обобщенных приемов исследовательской деятельности (постановка задачи, теоретическое обоснование и экспериментальная проверка ее решения);  
– приобретение умений экспериментально определять и рассчитывать основные параметры дисперсных систем; 
– обучение студентов экспериментальным методам исследования
поверхностных явлений и методам получения дисперсных систем. 
Практикум состоит из восьми лабораторных работ по основным 
разделам дисциплин «Коллоидная химия», «Дисперсные системы и поверхностные явления» и «Физическая и коллоидная химия», а также вопросы по самоконтролю степени усвоения знаний. Каждая лабораторная работа содержит пояснительный теоретический материал для изучаемой темы и порядок выполнения работы. В теоретическом введении 
достаточно полно рассматриваются основные понятия и закономерности изучаемых процессов и явлений, что облегчает студенту подготовку 
к лабораторной работе без обращения к другим учебным изданиям. Однако если приведенного материала окажется недостаточно, можно воспользоваться библиографическим списком и подобрать необходимую 
литературу для более углубленного изучения вопроса.  
Отчет о лабораторной работе является основным документом, 
подтверждающим факт выполнения работы (прил. 1, 2).  

Лабораторная работа 1 

ИЗУЧЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ 
И АДСОРБЦИИ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА  
«ЖИДКОСТЬ–ГАЗ» 

Цель работы: освоение метода определения поверхностного 
натяжения, расчета величины адсорбции и параметров адсорбционного 
слоя поверхностно-активного вещества на границе раздела «жидкость–
газ». 

Приборы и реактивы: прибор Ребиндера, водный раствор ПАВ 
колбы емкостью 50 см3, мерные колбы и пипетки. 
Контрольные вопросы: поверхностное натяжение; факторы, влияющие на поверхностное натяжение; изотерма поверхностного натяжения; поверхностно-активные вещества; адсорбция; адсорбционное 
уравнение Гиббса; поверхностная активность; правило Дюкло–Траубе; 
строение адсорбционных слоев; изотерма адсорбции Ленгмюра; вычисление параметров насыщенного адсорбционного слоя; измерение поверхностного натяжения; метод максимального давления в газовом пузырьке. 

Теоретическое введение 

Молекулы в поверхностном слое по своему энергетическому состоянию отличаются от молекул в объеме фазы. Равнодействующая молекулярных сил в объеме фазы равна нулю, так как каждая молекула 
испытывает одинаковое притяжение со стороны окружающих ее молекул. Молекула на поверхности граничит не только с подобными себе 
молекулами, но и с молекулами другой фазы. Поскольку межмолекулярное взаимодействие между разнородными молекулами отличается 
от взаимодействия однородных молекул, равнодействующая молекулярных сил взаимодействия на границе раздела фаз оказывается не 
скомпенсированной и направлена вглубь той фазы, с которой взаимодействие больше. Несбалансированность молекулярных сил молекул, 
находящихся на поверхности, создает на границе раздела фаз избыток 
энергии. Избыток энергии на поверхности раздела фаз называют – поверхностной энергией. Величина поверхностной энергии определяется 
площадью поверхности и при постоянстве давления и температуры может быть выражена в виде энергии Гиббса: 

,
(1.1) 
где S1,2 – площадь поверхности раздела фаз; σ – поверхностное натяжение – удельная поверхностная энергия или избыток свободной энергии, приходящийся на единицу площади поверхности.  

Для увеличения площади поверхности нужно перевести молекулы 

из объема фазы на поверхность – совершить определенную работу (А) на 
разрыв межмолекулярных связей. Эта работа пропорциональна площади 
межфазной поверхности S1,2: 

.   
           (1.2)       

Исходя из уравнения (1.2), виден физический смысл поверхност
ного натяжения как работы: 

.      
            (1.3)             

Поверхностное натяжение σ равно работе, затраченной на образование единицы площади поверхности при обратимых изотермических условиях, оно измеряется в Дж/м2 или Н/м. 
Стремление системы к снижению поверхностной энергии выражается в самопроизвольном уменьшении поверхности путем изменения 
формы. Жидкость всегда стремится принять форму шара, так как это 
наименьшая поверхность, ограничивающая объем. 
На величину поверхностного натяжения влияет целый ряд факторов: температура, природа жидкости, присутствие в жидкости растворимых веществ. С ростом температуры поверхностное натяжение жидкости s снижается по прямолинейному закону. При критической температуре исчезает различие между граничащими фазами, и s = 0. Чем сильнее межмолекулярное взаимодействие в жидкости, тем больше ее поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение у полярных жидкостей выше, чем у неполярных: например, у воды (полярная жидкость) 
sН2О = 72,75 мДж/м2, у бензола (неполярная жидкость) sС6 Н6  = 21,6 мДж/м2. 
Поверхностное натяжение зависит от природы и концентрации 
растворенных в жидкости веществ. Зависимость поверхностного натяжения от концентрации растворенного вещества при постоянной температуре называется изотермой поверхностного натяжения. Тип изотермы зависит от природы растворенного вещества. 

Вещества, характеризующиеся слабым взаимодействием с растворителями, выталкиваются из объема раствора на поверхность и концентрируются у границы раздела фаз, при этом поверхностное натяжение жидкости уменьшается (рис. 1.1а). 

2
,1
S
GS
×
= s

2
,1
S
A
D
×
= s

2
,1S
A D
=
s

Рис. 1.1. Изотермы поверхностного натяжения раствора: 
а – ПАВ; б – поверхностно-неактивного вещества; 

в – поверхностно-инактивного вещества

Вещества, способные накапливаться (адсорбироваться) на поверхности, называются поверхностно-активными (ПАВ). Поверхностно-активными веществами относительно воды являются многие органические 
соединения, молекулы которых имеют дифильное строение: жирные кислоты (например, бутановая (масляная) кислота С3Н7СООН), соли жирных кислот (например, олеат натрия С17Н33СООNa), спирты (например, 
бутиловый спирт С4Н9ОН). Молекулы таких веществ состоят из двух частей: полярной – гидрофильной (-СООН, -СООNа, -ОН) и неполярной – 
гидрофобной (-С17Н33, -С3Н7, -С4Н9). Молекулы ПАВ принято изображать символом —○, где кружок обозначает полярную группу, а черточка – неполярный радикал. 
Вещества, характеризующиеся сильным взаимодействием с молекулами растворителя, остаются в объеме. Такие вещества называются 
поверхностно-инактивными. Поверхностное натяжение раствора при 
этом незначительно возрастает (рис. 1.1в). Поверхностно-инактивными 
веществами относительно воды являются неорганические кислоты 
(НСl, Н2SO4) и соли (NaС1, КСl). Существуют также поверхностно-неактивные вещества, при растворении которых поверхностное натяжение не изменяется (рис. 1.1б). Таким веществом по отношению к воде 
является сахароза C12H22O11.  
Изотерма поверхностного натяжения растворов ПАВ имеет три 
характерных участка, соответствующих малым (прямолинейный участок I), средним (криволинейный, участок II) и большим (горизонтальный участок III) концентрациями ПАВ. 

с
0

σ

σ0

в

б

а
I

III

II

 .

При малых концентрациях ПАВ граница раздела «жидкость–газ» 
свободна от молекул поверхностно-активного вещества, поэтому все 
молекулы могут располагаться в поверхностном слое независимо друг 
от друга, поверхностное натяжение будет снижаться пропорционально 
количеству ПАВ (рис. 1.2,I). 

Рис. 1.2. Ориентация молекул ПАВ в адсорбционном слое: 
I – при малых концентрациях ПАВ; II – при средних концентрация 

ПАВ; III – при больших концентрациях ПАВ

В области средних концентраций значительная часть поверхности уже занята молекулами ПАВ, происходит переориентация молекул, 
взаимодействие их друг с другом, поэтому поверхностное натяжение 
будет зависеть от концентрации в меньшей степени (рис. 1.1,II). 
При больших концентрациях ПАВ на изотерме наблюдается горизонтальный участок, поверхностное натяжение системы практически не 
изменяется при добавке ПАВ в раствор. При этих условиях на поверхности образуется плотный мономолекулярный слой поверхностно-активного вещества (рис. 1.1,III) с перпендикулярной ориентации молекул.  
Процесс самопроизвольного накопления вещества на границе 
раздела фаз называется адсорбцией. Вещество, которое формирует поверхность раздела фаз, называют адсорбентом. Вещество, которое адсорбируется – это адсорбат или адсорбтив. Для количественного описания адсорбции используются две величины: 

– полная (абсолютная) адсорбция (А) – количество адсорбированного вещества, приходящееся на единицу площади поверхности или 
массы адсорбента;  
– избыточная адсорбция (Г) – избыток адсорбированного вещества в поверхностном слое по сравнению с его количеством в таком же 
объеме фазы, приходящийся на единицу площади поверхности или 
массы адсорбента. 
Единицами измерения адсорбции являются: моль/м2 или моль/кг. 
Движущей силой адсорбции является снижение поверхностного 
натяжения. Для разбавленных двухкомпонентных растворов связь 
между избыточной адсорбцией, поверхностным натяжением и концентрацией раствора устанавливает адсорбционное уравнение Гиббса: 

             
           (1.4) 

где С – концентрация; R – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура; ds/dС – производная, определяющая меру способности вещества понижать поверхностное натяжение на межфазной границе.  
Способность вещества при адсорбции на границе раздела фаз 
снижать поверхностное натяжение называют поверхностной активностью. Она определяется знаком и значением производной ds/dС. 
Обозначается G (в честь Дж. Гиббса), измеряется в Дж ∙ м/моль. Знак 
производной характеризует влияние природы вещества на величину адсорбции. Для ПАВ ds/dС < 0, адсорбция положительная Г > 0, вещество 
концентрируется на поверхности; для поверхностно-инактивных веществ ds/dС > 0, адсорбция отрицательная Г < 0, вещество концентрируется в объеме фазы. Значение производной зависит от концентрации. 
Чтобы исключить влияние концентрации, за меру поверхностной активности принято предельное значение производной при С® 0: 

,
           (1.5) 

где G – поверхностная активность вещества. 

Поверхностная активность определяется графически как тангенс 

угла наклона касательной, проведенной к изотерме поверхностного 
натяжения в точке, соответствующей поверхностному натяжению чистого растворителя (точка пересечения с осью ординат), взятый со знаком «минус» (рис. 1.3). 

,
dС
d
RT
C
Г
s
×
=

0
®
÷
ø
ö
ç
è
æ
=

С
dС
d
G
s

Поверхностная активность ПАВ зависит от длины углеводород
ного радикала. Эту зависимость устанавливает эмпирическое правило 
Дюкло–Траубе: в гомологическом ряду ПАВ увеличение углеводородного радикала на одну СН2-группу увеличивает поверхностную активность в 3–3,5 раза. 

Рис. 1.3. Определение поверхностной активности по изотерме 
поверхностного натяжения; s0 – поверхностное натяжение  

чистого растворителя

 
По уравнению Гиббса рассчитывается величина адсорбции и стро
ится изотерма адсорбции – зависимость адсорбции от концентрации при 
постоянной температуре (рис. 1.4). Для этого при разных концентрациях 
ПАВ в растворе измеряют поверхностное натяжение и строят зависимость s ꞊ f(С). В выбранной точке пологого участка кривой проводят касательную (рис. 1.5). Тангенс угла наклона касательной к оси абсцисс 
tga равен первой производной в этой точке, 
. 

 

Рис. 1.4. Изотерма адсорбции в координатах Г ꞊ f(С) 

с
0

σ
σ0

α

dС
d
tg
s
a =

с

Г

Г