Коллоидная химия. Практикум

 
 
 
В. Ю. Конюхов  
 
 
 
КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ 
 
ПРАКТИКУМ 
 
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   
Коллоидная химия. Практикум : учебное пособие / В. Ю. Конюхов. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 224 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1943-7 
 
Описаны лабораторные работы, охватывающие основные разделы программы 
курса коллоидной химии вузов. Каждой работе предшествует краткое теоретическое 
описание с необходимыми сведениями, рисунками и формулами, в конце работ предложены вопросы для самоконтроля. 
Для студентов различных профилей подготовки: химических, химикотехнологических, фармацевтических и других смежных специальностей. 
 
УДК 544.77 
ББК 24.6 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1943-7 
” Конюхов В. Ю., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Большой ассортимент предлагаемых материалов на рынке полиграфических услуг, а также используемых в современных технологиях, требует от будущего специалиста глубоких знаний целого ряда разделов химии, таких как 
основы неорганической и органической химии, химической термодинамики, 
химической кинетики, физической химии, электрохимии, коллоидной химии. 
Это дает возможность правильно подойти к оценке свойств различных материалов, используемых в полиграфии, а также в выборе оптимальных условий 
производства, эксплуатации, хранения, переработки различных изделий из них. 
В основе многих процессов полиграфической технологии, производства тары и упаковки широко используются различные дисперсные системы (суспензии, золи, эмульсии, ПАВ, полимеры) и поверхностные явления, идущие на 
границе раздела фаз, такие как адсорбция, смачивание, адгезия, коагуляция  
и т. д. Будущий специалист должен ясно представлять их природу и закономерности, управляющие указанными процессами. 
Всему этому способствует изучение теории и выполнение лабораторного 
практикума по курсам «Коллоидная химия» и «Физикохимия полимеров». 
Учебное пособие охватывает основные разделы коллоидной химии, являющейся наукой о поверхностных явлениях и дисперсных системах. Пособие состоит из 22 лабораторных работ, каждая из которых содержит изложение теоретических основ соответствующего раздела коллоидной химии, методику проведения опытов и контрольные вопросы для самопроверки. 
Первые лабораторные работы касаются в основном термодинамики поверхностных явлений (адгезия, смачивание, адсорбция и др.). 
Во втором блоке работ описаны кинетические и оптические свойства дисперсных систем, а также методы дисперсионного анализа, базирующиеся на 
этих свойствах. Соответственно, здесь представлены лабораторные работы, 
направленные на определение размеров частиц различных дисперсных систем. 
Несколько работ посвящены электрическим явлениям на поверхностях, их 
целью является ознакомление с такими явлениями, как электрофорез, электроосмос, перезарядка поверхности. 
Образование и свойства лиофильных дисперсных систем рассматриваются 
в работах, касающихся в основном свойств растворов коллоидных ПАВ и полимеров как типичных представителей лиофильных систем. 
Представлены также лабораторные работы, направленные на ознакомление 
с методами получения и основными свойствами лиофобных дисперсных систем, такими как золи, эмульсии и пены. 
3 

Приведены также работы, связанные с закономерностями структурообразования и основными типами структур, возникающих в дисперсных системах, а 
также с методами исследования и реологическими свойствами структурированных дисперсных систем. 
Последние работы практикума посвящены хроматографии – физикохимическому методу анализа и исследования коллоидных систем. 
Пособие подготовлено преподавателями кафедры инновационных материалов принтмедиаиндустрии на основе многолетнего опыта преподавания этой 
дисциплины в Университете печати и Московском политехническом университете. Выполнение лабораторных работ по ряду причин не совпадает с последовательностью изложения курса лекций. Поэтому для понимания целей и смысла 
эксперимента перед практической частью каждой работы дается краткое теоретическое обоснование и ссылки на соответствующие главы в учебнике и методическом указании, с которыми студент должен ознакомиться. Студент должен 
чётко уяснить методику проведения опытов, инструкции по технике безопасности и только после этого выполнять лабораторную работу. 
В процессе прохождения лабораторного практикума студент приобретает 
навыки научных исследований. Тематика лабораторных работ направлена на 
усиление индивидуальной подготовки студентов. Для наиболее подготовленных из них преподаватель может предложить по изучаемому разделу исследовательскую работу усложненного характера. 
Оформление отчетов по лабораторным работам производится в отдельной 
общей тетради (лабораторном журнале). Графические зависимости представляются на миллиметровой бумаге или выполняются на компьютере и распечатываются и вклеиваются в журнал. В конце отчета даются выводы по работе, 
представляющие собой краткое обобщение результатов наблюдений, расчетов и 
их объяснение. 
При выполнении лабораторных работ и при оформлении отчетов студент 
накапливает опыт использования справочной литературы, опыт краткого и 
связного изложения результатов экспериментов. 
 
 
 
4 

 
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 
 
а  абсолютная адсорбция; определяющий размер элемента дисперсной фазы; 
активность. 
А  константа Гамакера. 
аf  емкость мономолекулярного адсорбционного слоя.  
В  коэффициент трения. 
С константа уравнения БЭТ, концентрация. 
D  дисперсность; оптическая плотность; коэффициент диффузии, диаметр. 
Е  напряженность электрического поля; потенциальный барьер; модуль упругости (эластичности). 
F сила; постоянная Фарадея. 
F – коэффициент растекания. 
G  энергия Гиббса. 
g  поверхностная активность; ускорение свободного падения. 
Н  энтальпия; кривизна поверхности; постоянная в уравнении Дебая.  
h  расстояние (высота). 
I  сила тока; ионная сила; интенсивность света. 
b   константа уравнения Лэнгмюра.  
k  константа скорости коагуляции; постоянная Больцмана. 
М  молярная масса.  
т  масса; число ассоциации. 
NA  число Авогадро. 
п  показатель преломления; число атомов углерода в алкильной цепи. 
Р  механическое напряжение. 
р  давление насыщенных паров над плоской поверхностью жидкости.  
Q  доля частиц (в процентах).  
q  теплота; поверхностный заряд. 
R  универсальная газовая постоянная; сопротивление. 
r  радиус. 
S  энтропия, площадь поверхности. 
Syd  удельная поверхность. 
Т, t  температура. 
U разность потенциалов; энергия.  
и  линейная скорость. 
V – объем. 
5 

Z  объемная скорость. 
Vm молярный объем.  
W  работа. 
х  расстояние; мольная доля компонента.  
z  заряд иона. 
D  степень набухания полимера; коэффициент формы частиц. 
Р коэффициент аффинности; степень связывания противоионов в мицелле. 
Г  избыточная (гиббсовская) адсорбция. 
G  относительная деформация, среднее смещение (сдвиг) по выбранному 
направлению, толщина поверхностного (адсорбционного) слоя.  
H  относительная диэлектрическая проницаемость. 
Ео  электрическая постоянная. 
[  электрокинетический (дзета) потенциал. 
K  вязкость. 
T  краевой угол; время половинной коагуляции. 
F  величина, обратная толщине диффузной части двойного электрического 
слоя; удельная электропроводность. 
O  длина волны; толщина диффузной части двойного электрического слоя; эквивалентная электропроводность. 
P  химический потенциал. 
Q  число частиц в единице объема. 
S  поверхностное давление; осмотическое давление. 
U  плотность. 
V  поверхностное натяжение. 
W  время; мутность. 
M  потенциал. 
I  объемная доля. 
 
 
 
6 

Лабораторная работа 1 
 
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ  
РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ 
 
1.1. Цель работы 
Определить поверхностное натяжение чистых жидкостей при комнатной 
температуре несколькими методами. 
 
1.2. Содержание работы 
Определяют поверхностное натяжение (ı) заданных чистых жидкостей 
(задаются преподавателем) методом наибольшего давления в пузырьке газа на 
приборе Ребиндера, сталагмометрическим методом и методом отрыва кольца. 
Сравнивают полученные результаты между собой и с табличными значениями и рассчитывают относительные ошибки измерений поверхностного 
натяжения. 
 
1.3. Теоретическое обоснование 
На молекулы жидкости, находящиеся на границе раздела фаз, действуют 
силы поверхностного натяжения. Дело в том, что молекулы в объёме жидкости 
равномерно окружены такими же молекулами, и поэтому их силовые поля полностью скомпенсированы. Поверхностные же молекулы взаимодействуют с 
молекулами обеих контактирующих фаз, в результате чего возникает равнодействующая молекулярных сил в поверхностном слое, направленная внутрь той 
фазы, межмолекулярное взаимодействие в которой больше. Особенно велика 
равнодействующая, если одной из фаз является газ (собственный пар): молекулы в газе чрезвычайно удалены друг от друга, интенсивность молекулярных 
сил со стороны газа очень мала. 
Мерой нескомпенсированности межмолекулярных сил в поверхностном 
слое служит поверхностное натяжение ı (или коэффициент поверхностного 
натяжения). Оно равно работе обратимого изотермического образования единицы площади поверхности раздела фаз. 
Единица поверхностного натяжения [ı] = 1 Дж/м2 = 1 Н/м: в литературе 
можно встретить и внесистемную единицу [ı] = 1 эрг/см2 = 1 дин/см. 
Поверхностное натяжение определяется силами межмолекулярного взаимодействия жидкости: чем они интенсивнее, тем больше равнодействующая 
поверхностных сил и тем больше ı. Например, между атомами ртути действуют очень интенсивные металлические связи (разновидность химических сил)  – 
нескомпенсированность сил в поверхностном слое велика, и ı ртути при ком7 

натной температуре превышает поверхностное натяжение всех известных жидкостей и равно 470 мДж/м2. Напротив, между молекулами предельных углеводородов действуют очень слабые дисперсионные силы (составляющие сил Вандер-Ваальса)  ı таких жидкостей мала. Например, поверхностное натяжение 
гексана при 20 °С равно 18,46 мДж/м2. 
Поверхностное натяжение жидкостей зависит также от температуры, природы контактирующей фазы и наличия тех или иных примесей. 
 
1.4. Приборы и методика определения  
1.4.1. Метод наибольшего давления в пузырьке газа 
Метод основан на измерении давления, при котором происходит отрыв пузырька газа (воздуха), выдуваемого в жидкость через капилляр. Росту пузырька 
или, другими словами, увеличению поверхности раздела фаз препятствуют силы поверхностного натяжения. И чем больше ı, тем больше следует приложить 
усилия (создать внутреннее давление), чтобы выдуть пузырёк в жидкость. В 
момент его отрыва от кончика капилляра внутреннее давление максимально и 
пропорционально ı. Кончик капилляра должен лишь смачиваться жидкостью и 
приподнимать мениск вверх на 1–2 мм. При таком условии поправкой на гидростатическое давление при образовании пузырьков можно пренебречь. 
Максимальное давление в пузырьке можно измерить с помощью прибора 
Ребиндера, изображенного на рис. 1.1. Прибор состоит из измерительной ячейки 1 с капилляром 2, аспиратора 3, с помощью которого создают разряжение в 
ячейке, и манометра 5, измеряющего разность давлений h в ячейке по сравнению с атмосферным. 
 
 
Рис. 1.1. Схема установки для измерения поверхностного  
натяжения методом наибольшего давления в пузырьке газа 
 
В данной лабораторной работе опыты проводят при комнатной температуре, поэтому приведенный на рисунке термостат 7 с регулятором температуры 6 
не используется: он применяется в лабораторной работе 2, где измерения ı 
8 

производят при различных температурах. Значение ı не равно разности давлений ǻh, а лишь пропорционально ему. Поэтому для измерения поверхностного 
натяжения необходимо ячейку прибора Ребиндера прокалибровать, используя 
стандартную жидкость с известным поверхностным натяжением. Обычно с 
этой целью применяют воду, для которой ıо = 72,75 мДж/м2 при 20 °С. Измеряют максимальное давление в пузырьке газа, выдавливаемом в воду (hо). Далее 
рассчитывают константу ячейки k: 
 
o
ı
k
h
 
, 
 (1.1) 
o
 
 
где ıо  поверхностное натяжение воды при температуре проведения опыта. 
 
Измерив максимальное давление в пузырьке газа, выдавливаемом в исследуемую жидкость (h), по известному k вычисляют её поверхностное натяжение: 
 
 
ı
k h
 
˜
 
(1.2) 
 
1.4.2. Сталагмометрический метод (метод взвешивания капель) 
Масса капли жидкости, вытекающей из капилляра, определяется интенсивностью сил поверхностного натяжения: чем больше ı, тем большую по размерам каплю они способны удержать. Для равных объёмов двух жидкостей с 
удельными плотностями ȡо и ȡ и поверхностными натяжениями ıо и ı существует соотношение: 
 
o
n
n
˜
˜
, 
 (1.3) 
ȡ
ı=ı ȡ
 
o
o
 
где no и n – число капель двух жидкостей, вытекающих из одного и того же объема. 
 
Измерив сначала число капель no стандартной жидкости с известными значениями поверхностного натяжения ıо и плотности ȡо (обычно  воды), а  
затем  число капель n исследуемой жидкости, вытекающей из того же объёма, 
рассчитывают по (1.3) искомое поверхностное натяжение исследуемой жидкости ı.  
Схема установки для проведения измерений представлена на рис. 1.2. 
Сталагмометр закрепляют на штативе так, чтобы измерительный капилляр 
был строго вертикальным. Исследуемую жидкость из бюкса 3 засасывают с по9 

мощью груши в сталагмометр до уровня выше верхней метки 1 и дают возможность ей вытекать через капилляр. 
 
 
Рис. 1.2. Схема установки сталагмометрического измерения ı:  
1 – верхняя метка, 2 – нижняя метка и капилляр, 3 – бюкс 
 
Начинают отсчет капель при достижении мениском метки 1 и заканчивают  после прохождения жидкостью нижней метки 2. Вытекающую жидкость 
собирают в бюксе 3. Проводят 3–5 замеров числа капель и рассчитывают среднее арифметическое значениеCn. Поверхностное натяжение вычисляют по 
уравнению (1.3). 
 
1.4.3. Метод отрыва кольца. Определение поверхностного натяжения методом отрыва кольца сводится к измерению силы F, необходимой для отрыва 
проволочного кольца от поверхности жидкости. Одним из основных условий 
определения V рассматриваемым методом является смачивание кольца исследуемой жидкостью. В этом случае при отрывании кольца вместе с ним поднимается и столбик жидкости, сила тяжести которого равна приложенной силе. 
Отрыву жидкости препятствуют силы поверхностного натяжения. В момент 
равновесия, когда внешнее усилие достигает значений сил поверхностного 
натяжения, столбик жидкости разрушается и кольцо отрывается от поверхности 
жидкости. 
Сила F определяется поверхностным натяжением раствора и размерами 
кольца: 
 
 
2
2
(
2 )
4
F
R
R
r
R
SV
SV
SV
c
c
 


 
, 
   (1.4) 
 
где R' внутренний радиус кольца; R  средний радиус кольца, r  радиус проволоки, из которой изготовлено кольцо (r << R). 
 
10