Учебные курсы по химии
для студентов нехимических факультетов МГУ

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

Программа курса для студентов геологического факультета МГУ,
специализирующихся на кафедре геологии и геохимии полезных ископаемых.

Коллоидная химия – наука о дисперсном состоянии вещества, дисперсных системах (ДС) и поверхностных явлениях. Классификация дисперсных систем.

Двухфазная однокомпонентная система. Граница раздела конденсированной фазы с газовой фазой. Свободная поверхностная энергия, удельная свободная поверхностная энергия (поверхностное натяжение). Энергия (работа) когезии как мера энергии взаимодействия ионов, атомов и молекул в объеме конденсированной фазы. Полярные и неполярные фазы.
Граница раздела двух конденсированных фаз. Энергия (работа) адгезии. Межфазное натяжение.
Явление смачивания твердых тел жидкостями. Краевой угол смачивания. Уравнение Юнга. Термодинамические условия смачивания. Понятие об избирательном смачивании. Гидрофильные и гидрофобные поверхности. Взаимодействие смачивающей жидкости с поликристаллическими твердыми телами (растворение твердого тела жидкостями, проникновение жидкости по границам зерен твердого тела - условие Гиббса-Смита).
Капиллярные явления. Капиллярное давление, закон Лапласа. Явления поднятия жидкостей в капиллярах и стягивание твердых частиц менисками жидкой фазы. Капиллярные явления в геологических системах (увлажнение и разрушение почв, грунтов, горных пород).
Зависимость давления насыщенного пара жидкостей и растворимости частиц твердой фазы от кривизны поверхности контактирующих фаз. Закон Томсона (Кельвина). Влияние процессов изотермической перегонки, собирательной рекристаллизации и капиллярной конденсации в формировании геологических систем (минералов, почв, грунтов, пород).
Методы измерения поверхностного натяжения жидкостей.

Зависимость величины удельной свободной поверхностной энергии границы раздела жидкая фаза/газ (жидкость/жидкость, жидкая фаза/твердое тело) от природы растворенного компонента. Поверхностно-активные и поверхностно-инактивные  вещества Зависимость поверхностного натяжения от концентрации водных растворов этих веществ. Уравнение Шишковского. Правило Дюкло-Траубе. Вода как поверхностно-активное вещество.
Адсорбция как самопроизвольный процесс сгущения массы компонента на границе раздела фаз. Уравнение Гиббса. Изотерма адсорбции Ленгмюра. Представление о строении адсорбционных слоев. Предельная адсорбция.
Адсорбция поверхностно-активных веществ из водных растворов на жидких и твердых поверхностях. Правило уравнивания полярностей (по Ребиндеру). Хемосорбция. Роль адсорбированной воды в геологических системах.
Управление смачиванием твердых тел. Гидрофилизация и гидрофобизация твердых поверхностей.
Адсорбционные методы определения удельной поверхности твердых тел.
Флотация. Коллоидно-химические основы разделения и обогащения минерального сырья.
Очистка воды от примесей.

Причины образования двойного электрического слоя (ДЭС) на границе твердое тело – жидкость. Качественные представления о строении ДЭС (модели Гельмгольца, Гуи-Чепмена, Штерна).
Электрокинетические явления: электроосмос, электрофорез, потенциал протекания и седиментации. Уравнение Гельмгольца – Смолуховского для описания относительной скорости смещения фаз. Граница скольжения. Электрокинетический потенциал. Строение мицеллы гидрофобного золя.
Влияние электролитов (индифферентных и неиндифферентных) на строение ДЭС, заряд коллоидных частиц и величину электрокинетического потенциала. Явление перезарядки коллоидных частиц.
Закономерности ионного обмена в ДЭС. Уравнение Никольского. Лиотропные ряды.
Практическое использование электрокинетических явлений в геологии.

Термодинамически устойчивые, термодинамически неустойчивые дисперсные системы и системы, устойчивые к коагуляции.
Образование термодинамически неустойчивых ДС при диспергировании. Связь работы диспергирования с поверхностной энергий твердых тел. Адсорбционное понижение прочности твердых тел (эффект Ребиндера), роль эффекта Ребиндера в образовании почвенного покрова.
Термодинамически устойчивые ДС, образующиеся при ссамопроизвольном диспергировании макрофаз. Критерий самопроизвольного диспергирования (критерий Ребиндера-Щукина). Растворы мицеллообразующих ПАВ как пример термодинамически устойчивых коллоидных систем.
Конденсационный способ образования дисперсных систем. Основные представления о механизме образования и росте зародыша новой фазы при фазовых переходах Понятие о гетерогенном образовании зародыша новой фазы.
Образование дисперсных систем в природных условиях.

Броуновское движение и диффузия в ДС. Уравнение Эйнштейна.
Седиментация в ДС. Седиментационно-диффузионное равновесие. Методы дисперсионного анализа.
Рассеяние света в ДС, эффект Тиндаля. Закон Релея, условия его применимости. Окраска минералов.

Агрегативная и седиментационная устойчивость дисперсных систем. Коагуляция, коалесценция, рекристаллизация - самопроизвольные процессы, приводящие к потере агрегативной устойчивости ДС. Дисперсные системы, устойчивые к коагуляции. Самопроизвольное диспергирование агрегатов - пептизация. Дисперсии монтмориллонитовых глин как пример систем, устойчивых к коагуляции.
Основы теории ДЛФО. Роль тонких пленок в устойчивости ДС. Расклинивающее давление (по Дерягину). Молекулярная составляющая расклинивающего давления. Факторы стабилизации ДС: электростатическая  составляющая расклинивающего давления, структурная составляющая  расклинивающего давления, структурно-механический барьер (по Ребиндеру). Защитные коллоиды.
Коагуляция гидрофобных золей электролитами. Правило Шульце-Гарди. Зоны коагуляции. Пептизация коагулятов под действием электролитов. Зависимость устойчивости и коагуляции золей от величины электрокинетического потенциала (критерий Эйлерса-Корфа). Роль коагуляции в образовании месторождений полезных ископаемых.

Структурообразование в ДС. Природа контактов в ДС (коагуляционные и фазовые). Прочность коагуляционных и фазовых контактов.
Коагуляционные структуры. Тиксотропия. Роль тиксотропии в природе и технике.
Образование фазовых контактов (роль пересыщения в дисперсионной среде при образовании зародыша новой фазы). Конденсационно-кристаллизационные структуры.
Основы реологии. Упругое, вязкое, пластичное поведение идеализированных тел. Реологические модели.
Реологическое поведение свободнодисперсных систем. Ньютоновские жидкости. Жидкости с аномальной вязкостью.
Реологическое поведение связнодисперсных систем. Полная реологическая кривая связнодисперсной системы с коагуляционной структурой.

1. Амелина Е.А. Методическое пособие к курсу коллоидной химии. М.:2007.
2. Малахова А.Я. Физическая и коллоидная химия. Минск.: «Высшая школа», 1981.   
3. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М.: «Высшая школа», 2007.

Программа составлена
ст. преподавателем Породенко Е.В.