Физическая и коллоидная химия

 
 
 
 
В. Ю. Конюхов 
ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ 
ХИМИЯ
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 
1 
 

УДК 544.77 
ББК 24.6 
К65 
Рецензенты: 
доктор химических наук, профессор В. В. Щербаков  
(РХТУ имени Д. И. Менделеева); 
доктор химических наук, профессор И. И. Михаленко (РУДН) 
Конюхов, В. Ю. 
К65 
Физическая и коллоидная химия : учебное пособие / В. Ю. Конюхов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. - 264 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-2044-0 
Изложены основные разделы физической химии и коллоидной химии: химическая термодинамика, фазовые и химические равновесия, электрохимия, химическая 
кинетика и катализ, физикохимия поверхностных явлений и дисперсных систем, изложены основные понятия физикохимии высокомолекулярных соединений. Продемонстрировано значение физической и коллоидной химии для полиграфической, пищевой и т. п. технологий. Материал, выходящий за рамки программы, но представляющий интерес, выделен мелким шрифтом.  
Для студентов среднего профессионального образования. Может представлять 
интерес для инженерно-технических работников, преподавателей химии в техникумах 
и в средней школе. 
УДК 544.77 
ББК 24.6 
ISBN 978-5-9729-2044-0 
” Конюхов В. Ю., 2024 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Практически все процессы, происходящие при изготовлении печатной 
продукции - перенос краски на бумагу, склеивание книжных блоков и т. п., - 
суть физико-химические процессы, основанные на явлениях смачивания, адгезии, когезии. То же самое можно утверждать и для процессов пищевой промышленности: практически все ее объекты (мясные, хлебобулочные изделия, 
соки и т. п.) - коллоидные системы. Совершенно очевидно, что научные основы 
этих технологий опираются на методы и подходы, разрабатываемые в рамках 
физической и коллоидной химии. Так, например, выбор тех или иных фотоинициаторов для рецептуры красок УФ-отверждения целиком базируется на законах фотохимии и химической кинетики. Знание свойств ПАВ (поверхностноактивных веществ) необходимо для разработки новых клеев, красок, увлажняющего раствора и т. п. Будущий специалист должен ясно представлять природу 
и закономерности, управляющие указанными технологическими процессами.  
Широкое применение при изготовлении книжной продукции нашли различные полимерные материалы: природные, искусственные и синтетические. 
Полиграфисту-технологу, да и технологу-пищевику необходимо иметь представления об их строении и физико-химических свойствах. Всему перечисленному способствует изучение теоретического курса «Физическая и коллоидная 
химия». 
Данное учебное пособие соответствует программе по физической и коллоидной химии для специальностей среднего профессионального образования 
(базовый уровень). В него включены основные разделы физической и коллоидной химии: агрегатные состояния вещества, термодинамика, химическая кинетика и катализ, адсорбция, смачивание, молекулярно-кинетические и оптические свойства коллоидных систем, их устойчивость и коагуляция, структурномеханические свойства дисперсных систем. Включены главы, посвященные 
строению, классификации, физико-химическим свойствам полимеров и растворов полимеров (ВМС), так как именно они большей частью составляют материалы для полиграфической и объекты пищевой технологий.  
В программе по физической и коллоидной химии для специальностей 
среднего профессионального образования (базовый уровень), по мнению авторов данного пособия, мало внимания уделено поверхностным явлениям. 
Например, вопросы смачивания, адгезии, измерения поверхностного натяжения 
вообще отсутствуют. Учитывая, что именно на них базируются технологии,  
в данном пособии, ориентированном в первую очередь на полиграфические  
и пищевые учебные заведения, авторы выделили тему «Поверхностные явления» в отдельную главу. То же самое относится и к необходимости выделить 
отдельную главу «Реологические свойства дисперсных систем». Именно такие 
понятия как вязкость, предел текучести, тиксотропия и т. п. составляют базу 
для контроля качества красок и клеев, теста, соков и т. п.  
 
3 
 

Раздел 1 
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ 
 
 
Впервые курс лекций по физической химии прочитал своим ученикам в 
1752 г. великий российский учёный М.В. Ломоносов. В этом курсе Ломоносов 
дал определение физической химии как науки, не потерявшее своей актуальности до сих пор: 
 
Физическая химия – наука, изучающая на основании положений и опытов 
физики то, что происходит в сложных телах при химических операциях. 
Физическая химия может быть названа химической философией. 
 
В Западной Европе принято считать годом создания физической химии 
1886 г., когда В. Оствальд стал читать этот новый курс, сопровождаемый практическими занятиями, и начал издавать «Zeitschtift fur physikalische Chemie» 
(Журнал физической химии). В этом же году была организована кафедра физической химии в Лейпцигском университете под руководством Освальда.  
Физическая химия изучает взаимосвязь химических процессов и физических явлений, которые их сопровождают. 
Основные цели и задачи физической химии предсказать: 
x может ли реакция протекать самопроизвольно; 
x если реакция протекает, то как глубоко (каковы равновесные концентрации продуктов реакции); 
x если реакция идет, то с какой скоростью. 
Разделы физической химии: 
1. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА на основании уравнений квантовой механики 
позволяет объяснить структуру атомов и молекул (электронных орбиталей атомов и молекул), кристаллических решеток твёрдых тел и т. п. 
2. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА на базе законов (начал) термодинамики позволяет вычислить тепловые эффекты химических реакций и физико-химических процессов, предсказать направление химических реакций, 
рассчитать равновесные концентрации реагентов и продуктов реакции.  
3. ТЕОРИЯ РАСТВОРОВ на основании законов термодинамики изучает 
закономерности растворения одних веществ в других, исследует влияние на 
процессы растворения давления, температуры, свойств веществ. Изучает закономерности фазовых равновесий: жидкость - пар, жидкость - жидкость и т. д. 
Полученные данные обычно представляются в виде диаграмм (графиков) фазового равновесия - плоских или пространственных.   
4. ЭЛЕКТРОХИМИЯ изучает свойства растворов-электролитов, особенности их поведения по сравнению с молекулярными растворами, исследует закономерности взаимопревращения энергии химических реакций и электрической энергии, при работе электрохимических (гальванических) элементов и электролизёров. 
4 
 

5. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ изучает закономерности 
протекания химических реакций во времени, исследует влияние на скорость и 
механизм реакций термодинамических параметров (давления, температуры  
и т. п.), присутствия катализаторов и ингибиторов. 
В отдельную науку КОЛЛОИДНУЮ ХИМИЮ выделяют раздел физической химии - физическую химией поверхностных явлений и дисперсных систем. 
Физическая химия  теоретическая база любой химии и химической технологии. Все промышленные процессы, их разработка и оптимизация базируются на законах физической химии. 
 
 
Тема 1. МОЛЕКУЛЯРНО(КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ 
АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЙ ВЕЩЕСТВА 
 
Почти все известные вещества при изменении внешних условий (температура, давление), можно получать в трех состояниях - газообразном, жидком  
и твердом. Эти состояния называются агрегатными состояниями.  
 
Четвертое агрегатное состояние – плазма возникает при действии на газ какого#либо иони#
зирующего фактора: температуры в несколько десятков тысяч градусов Цельсия, электри#
ческого разряда. Плазма представляет собой смесь положительно заряженных ионов, атом#
ных ядер и электронов. Плазмой, например, является шаровая молния. Технологу прихо#
дится встречаться с этим агрегатным состоянием вещества в некоторых аналитических 
приборах, например, в методе ICP (индуктивно связанная плазма).  
В ЦЕРНе (Европейский центр ядерных исследований) была получена кварк(глюонная 
плазма, которую считают пятым состоянием вещества. Такая плазма состоит из кварков 
(составляющие протонов и нейтронов – адронов) и глюонов, связывающих кварки меж#
ду собой. В форме кварк#глюонной плазмы наша Вселенная находилась первые микро#
секунды после своего рождения в т. н. Большом Взрыве, произошедшем около 15 мил# 
лиардов лет назад.  
Для некоторых веществ характерны только два состояния или даже одно агрегатное со#
стояние. Например, йод при нагревании в обычных условиях переходит из твердого со#
стояния в газообразное, минуя жидкое состояние. Такие вещества, как белки  
и крахмал, отличающиеся очень большим размером молекул, не могут быть получены  
в газообразном состоянии. Многие твердые химические соединения, в частности аскор#
биновая кислота и другие витамины, при нагревании разлагаются и не существуют ни  
в жидком, ни в газообразном виде (при нормальном давлении). Для гелия, ввиду чрез#
вычайно слабых межатомных взаимодействий, не удается получить твердого состояния.  
Каждому индивидуальному веществу может соответствовать только одна форма газооб#
разного и одна форма жидкого состояния
1. В твердом состоянии вещество может нахо#
диться в нескольких формах (модификациях). 
 
1 Исключение составляет жидкий гелий, который существует в виде в виде двух модификаций: 
Не I и Не II. Эти модификации различаются рядом свойств – теплоёмкостью, вязкостью, плот#
ностью и т. д. Гелий I – бурно кипит во всём объёме, а гелий II – спокойная жидкость с ясно вы#
раженным мениском. Для Не II характерны сверхтекучесть – способность протекать без трения 
через узкие капилляры и щели. Существование двух модификаций жидкого гелия обусловлено 
квантовыми эффектами. 
5 
 

Агрегатные состояния - это классификация веществ по их способности 
сохранять объём и форму. С этой точки зрения твёрдые тела способны сохранять и объём, и форму, жидкости - способны сохранять объём, но не сохраняют форму (принимают форму сосуда, в который налиты), газы - не способны 
сохранять ни объёма, ни формы. 
Существование тел в том или ином агрегатном состоянии определяет- 
ся соотношением энергии теплового движения молекул ЕТ и энергии их взаимодействия ЕМ. В газах ЕТ существенно превышает ЕМ. Молекулы практически 
не взаимодействуют и находятся на очень больших расстояниях друг от друга. 
По этой причине газы имеют небольшую плотность, низкую вязкость, легко 
сжимаются и занимают любой предоставленный им объём.  
В жидкостях ЕТ | ЕМ, поэтому молекулы находятся на близком расстоянии и легко перемещаются друг относительно друга, что определяет текучесть 
жидкостей и способность принимать форму сосуда, в который они налиты. При 
сжатии между молекулами жидкостей возникают значительные силы отталкивания и поэтому жидкости практически несжимаемы.  
Из-за того, что расстояния между молекулами в жидкостях и газах сильно 
различается плотности веществ в состоянии жидкости и пара различаются в 
сотни раз. Например, в случае этилового спирта при 283 К плотность жидкой 
фазы составляет 798 кг/м3, а парообразной  2,05 кг/м3. Однако с повышением 
температуры до так называемой критической Ткр = 516,25 К плотности обеих 
фаз становятся одинаковыми и равными 275 кг/м3. 
В твёрдом агрегатном состоянии ЕТ << ЕМ. По этой причине молекулы, 
атомы или ионы в твёрдых телах занимают фиксированное, вполне определенное положение и способны испытывать лишь колебательные движения относительно этих положений.  
 
В кристаллах поваренной соли или сахарозы в обычных условиях наблюдается только 
колебательное движение. Однако, при температурах, близких к плавлению у части 
ионов и молекул появляется способность к поступательному движению.  
В хлебных и мясных продуктах при комнатной температуре молекулы углеводов и бел#
ков малоподвижны, а молекулы воды относительно свободны. Именно благодаря ин# 
тенсивному вращению молекул воды при поглощении ими квантов микроволнового  
излучения становится возможным диэлектрический нагрев указанных продуктов  
в микроволновых печах.  
 
Многие полиграфические материалы состоят из нескольких фаз, находящихся в различных агрегатных состояниях. Так, краска представляет собой 
дисперсию частиц твёрдого пигмента в жидком связующем.  
 
 
1.1. Газообразное состояние 
 
Газообразное состояние вещества характеризуется полным отсутствием 
какого-либо порядка. Газ в переводе с греческого языка означает хаос. Газ  
состоит из молекул, передвигающихся прямолинейно в предоставленном им 
6 
 

объёме от одного столкновения до другого с большой скоростью. Так, средняя 
скорость движения молекул кислорода при атмосферном давлении и температуре 273 К равна 460 м/с. При этом среднее число столкновений молекул  
в 1 см3 за одну секунду составляет a3˜1011.  
Поведение газов в тех или иных процессах описывается математически 
просто, если принять, что газ идеальный. Модель идеального газа предполагает следующее: 
1) газ образован большим числом молекул (или атомов), расстояние между которыми намного больше, чем размеры самих молекул; 
2) молекулы газа характеризуются определенной массой, но не имеют 
собственного объёма, т. е. они - материальные точки; 
З) молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении; 
4) столкновения молекул между собой и со стенками сосуда  абсолютно 
упругие; 
5) между молекулами не существует притяжения или отталкивания. 
Законы идеальных газов 
Состояние любого газа может быть определено, если задать его давление 
P, объём V и температуру Т. Переменные Р, V и Т, позволяющие определять состояние газа, называют параметрами состояния.  
 
Закон Бойля – Мариотта 
Пусть n моль идеального газа при температуре Т и давлении Р1 занимает 
объем V1: мы задали состояние газа 1 (P1, V1, Т). Переведём газ из этого состояния в состояние 2 (P2, V2, Т) при постоянной температуре. Процессы, происходящие при постоянной температуре, называют изотермическими. 
Для изотермического процесса Бойль и Мариотт опытным путём установили, что (закон Бойля - Мариотта): 
P1V1 = P2V2 = …PiVi 
при постоянной температуре произведение объёма идеального газа на его 
давление есть величина постоянная: 
рV = cоnst 
Закон Шарля 
Рассмотрим два состояния n моль идеального газа: 
Т1, V1, P (состояние 1), 
Т2, V2, P (состояние 2). 
Переведём газ из состояния 1 в состояние 2 при постоянном давлении; 
такой процесс называют изобарным. Для изобарных процессов Шарль экспериментально установил закон: 
отношение объёма к абсолютной температуре при постоянном давлении 
постоянно: 
V
const
T  
 
7 
 

Это означает, что с повышением температуры объём газа линейно увеличивается. Шарль установил также, что при повышении температуры на один градус 
объём газа увеличивается на 1/273,16 его первоначального значения.  
Закон Гей-Люссака 
Зададим два состояния идеального газа: 
Т1, Р1, V (состояние 1), 
Т2, P2, V (состояние 2). 
Переведём газ из состояния 1 в состояние 2 при постоянном объёме; такой процесс называют изохорным. Гей-Люссак экспериментально установил, 
что при постоянном объёме давление газа, также как и в случае закона Шарля, 
линейно изменяется с температурой с тем же коэффициентом пропорциональности (1/273,16). Это значит, что при каждом повышении температуры на один 
градус давление газа увеличивается на 1/273,16 его первоначального значения.  
Закон Гей-Люссака формулируется следующим образом:  
отношение давления к абсолютной температуре при постоянном объёме 
постоянно: 
P  
 
const
T
Уравнение состояния идеального газа 
Уравнения, которыми выражаются законы Бойля - Мариотта, Шарля и 
Гей-Люссака, описывают соотношения между давлением, температурой и объёмом некоторого количества (n моль) идеального газа, причем один из параметров в каждом случае остается постоянным. Следовательно, эти законы можно 
объединить:  
2
2
1
1
 
 
 
T
PV
T
V
P
T
V
P
....
1
2
Величина полученного отношения зависит от количества исследуемого 
газа. Для 1 моль идеального газа величина рV/Т обозначается через R и носит 
название универсальной газовой постоянной. Следовательно, можно записать: 
2
2
1
1
 
R
T
PV
T
V
P
T
V
P
 
 
 
....
1
2
Окончательно, для 1 моль идеального газа уравнение состояния имеет вид: 
PV = RT 
а для n моль: 
 
PV = n˜RT        
       (1.1) 
Уравнение (1.1) впервые было получено Э.Б. Клапейроном, а значение 
константы R определено Д.И. Менделеевым. Поэтому уравнение (1.1) носит 
имя Клапейрона - Менделеева.  
Значение R можно получить следующим образом. Из эксперимента известно, что 1 моль идеального газа при давлении 101325 Па (1 атм) и темпера8 
 

туре 273,15 К (т. н. нормальные условия) занимает объём 22,414˜103 м3 (a22,4 
л). Отсюда: 

˜
˜
 
 
˜
˜
 
3
3
101325
22,414 10
8,314
1
273,15
Н
м
Дж
м
R
моль
К
моль К
Физический смысл универсальной газовой постоянной можно выяснить, 
рассмотрев процесс нагревания 1 моль идеального газа при постоянном давлении на 1q (1 К). Уравнение состояния для начальной и конечной температуры 
имеет вид: 
P˜V1 = RT 
P˜V2 = R(T  1) 
Объем V1 соответствует температуре Т, а объем V2 температуре на 1ƒ выше,  
т. е. (Т  1). Вычтем из первого уравнения второе: 
P(V2 V1) = R 
P˜'V = R 
Произведение P˜'V равно работе расширения газа при постоянном давлении. 
Следовательно, R - работа изобарного расширения 1 моль идеального газа 
при нагревании его на 1 К . 
Учитывая, что n/V  есть не что иное, как концентрация вещества  С, 
уравнение Клапейрона - Менделеева можно записать в виде:  
 
 
P = C˜R˜T     
         (1.2) 
 
Клапейрон (Clapeyron) Бенуа Поль Эмиль (1799–1864), французский физик и инженер. 
В 1820–30 работал в России, член#корреспондент Петербургской АН (1830). Ввел в тер#
модинамику индикаторные диаграммы, вывел уравнения Клапейрона и Клапейрона – 
Клаузиуса. 
 
При высоких давлениях и низких температурах реальные газы не следуют 
уравнению состояния идеальных газов, так как в этих условиях уже нельзя пренебрегать ни межмолекулярными взаимодействиями, ни объёмом молекул. Для 
математического описания поведения реальных газов предложено много уравнений, но ни одно из них не является универсальным. Наиболее распространенным является уравнение, предложенное Я. Ван-дер-Ваальсом (уравнение 
Ван-дер-Ваальса). Для 1 моля газа оно записывается следующим образом: 
 


2
a
P
V
b
RT
V
§
·


 
¨
¸
©
¹
,     
      (1.3) 
где a и b - эмпирические постоянные: b учитывает собственный объём молекул, 
а 
a
V   силы взаимодействия между молекулами. 
2
9 
 

Уравнение Ван-дер-Ваальса удовлетворительно описывает поведение реальных газов только при умеренно высоком давлении. Например, для диоксида 
углерода расчеты по уравнению Ван-дер-Ваальса дают приемлемые результаты 
при давлении 50-100 атм. При низких давлениях члены (а/V2) и (b) можно  
не учитывать, тогда уравнение Ван-дер-Ваальса превращается в уравнение 
Клапейрона - Менделеева. 
 
ВАН#ДЕР#ВААЛЬС (van der Waals) Йоханнес Дидерик (23 ноября 1837, Лейден –  
9 марта 1923, Амстердам), нидерландский физик, один из пионеров молекулярно# 
кинетической теории, член Нидерландской и Парижской академии наук, лауреат Нобе#
левской премии 1910 г. Ван#дер#Ваальс – автор фундаментальной монографии «Курс 
термодинамики», над которой он трудился много лет. Работал профессором Лейденско#
го университета, экзаменатором был строгим, и обычно около половины студентов по#
лучали двойки и ходили на пересдачи много раз. 
 
При достаточно высоких давлениях и низких температурах расстояния 
между молекулами уменьшаются, а силы взаимодействия возрастают настолько, что вещество из газообразного состояния может перейти в жидкое. Для 
каждого газа существует предельная температура, выше которой газ не может 
быть превращен в жидкость ни при каком давлении. Эта температура называется критической. Давление, необходимое для сжижения газа при критической 
температуре, называется критическим давлением, а объём одного моля газа 
при этих условиях - критическим объёмом. 
 
На рис. 1.1 приведены графические зависимости между объёмом и давлением диоксида углерода при постоянных температурах. Такие кривые называют изотермами. У изотерм при низких температурах можно выделить три 
участка: AB, BC и CD. Участок AB, показывающий, что с уменьшением объёма 
давление увеличивается, соответствует газообразному состоянию вещества 
(ненасыщенный пар) и описывается уравнением Ван-дер-Ваальса. Участок BС 
отвечает переходу газа в жидкость, т. е. равновесию между жидкостью и газом, 
находящимся в состоянии насыщенного пара. Участок CD характеризует жидкое состояние, так как даже при очень высоких давлениях объём жидкости 
практически не меняется. С повышением температуры, участок BC уменьшается и превращается в точку перегиба K. Эта точка характеризует критические 
параметры2 диоксида углерода. Выше критической температуры жидкость 
существовать не может, вещества существуют в виде т. н. сверхкритического 
флюида - особого состояния вещества среднего по свойствам между жидким  
и газообразным.  
Сверхкритические флюиды обладают уникальными свойствами. Нап- 
ример, сверхкритический флюид СО2 отличается высокой растворяющей  
 
 
2 Критическое состояние вещества мы подробно обсудим в разделе 1.6.3. 
10