ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Уральский Государственный Экономический университет

ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

Рабочая программа изучения курса

для студентов специальности

351100 Товароведение и экспертиза в сфере производства и обращения

сельскохозяйственного сырья и продовольственных товаров

Екатеринбург

2006 Составитель: Татауров В.П.

2

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА

Цель дисциплины: подготовка специалистов, владеющих основными химическими знаниями;

понимающих суть химических превращений при производстве и хранении продовольственных товаров;

умеющих оценить влияние условий и технологии производства на свойства конечного продукта или товара.

Задачи дисциплины:

освоение студентами теоретических и практических основ физической и коллоидной химии;

формирование у студентов знаний, позволяющих понять закономерности протекающих химических, биохимических и технологических процессов переработки пищевого и промышленного сырья;

развитие практического опыта пользования химическими знаниями в профессиональной деятельности и повседневной жизни.

2. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ

СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Приобретение студентами знаний по следующим вопросам:

основы химической термодинамики;

химическая кинетика и катализ;

учение о растворах;

равновесие в гетерогенных системах;

основы теории электролитов и электрохимии;

поверхностные явления;

коллоидные системы;

микрогетерогенные системы;

высокомолекулярные соединения и их растворы.

Приобретение студентами умений:

измерения физико-химических величин в зависимости от изменения внешних условий (концентрации, температуры, состава и др.);

использование теоретических основ при решении прикладных задач.

3. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ

Всего часов Семестр Вид учебной работы дн. заочн. дн. заочн.

Общая трудоемкость 150 150 III IV Аудиторные занятия 72 24 III IV Лекции 36 12 III IV Лабораторные работы 36 12 III IV Самостоятельная работа 78 126 III IV Вид итогового контроля Э Э

4. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

4.1. Разделы дисциплины и виды занятий Лабораторные Лекции № работы Раздел дисциплины п/п дн. заочн. дн. заочн.

1. Физическая химия. Основы химической 4 2 + + термодинамики 2. Учение о растворах 4 – + + 3. Равновесие в гетерогенных системах 2 – – – 4. Химическая кинетика и катализ 4 2 + + 5. Элементы электрохимии 4 2 + + 6. Коллоидная химия. Поверхностные явления 4 2 + + 7. Молекулярно-кинетические и оптические свойства коллоидов 10. Высокомолекулярные соединения и их растворы 4.2. Содержание разделов дисциплины Содержание и задачи курса. Связь его со смежными дисциплинами.

Основные этапы в развитии физической химии. Роль физической химии.

Методы физической химии: термодинамический, молекулярно-кинетический, квантово-механический.

4.2.1. Основы химической термодинамики Основные понятия и термины: система, состояние системы, ее свойства. Работа и теплота как свойства процесса. Внутренняя энергия и энтальпия. Первый закон термодинамики, его формулировка, уравнение.

Понятие о теплоемкости. Средняя и истинная теплоемкость. Теплоемкость при постоянном объеме и давлении. Термохимия. Закон Гесса. Тепловой эффект химической реакции. Зависимость теплового эффекта реакции от температуры. Уравнение Кирхгоффа.

Обратимые и необратимые процессы. Направленность макроскопических процессов. Энтропия. Второй закон термодинамики. Энтропия как мера определения направленности процессов и условий равновесия.

Статистический характер второго закона термодинамики. Макро- и микросостояния. Термодинамическая вероятность. Уравнение Больцмана.

Характеристические функции. Энергия Гиббса и Гельмгольца. Определение условий равновесия и направления процессов по изменению характеристических функций. Максимальная работа химической реакции.

Уравнения Гиббса-Гельмгольца. Зависимость свободной энергии от температуры и давления. Понятие о фугитивности и активности. Связь между стандартным и нестандартным изменением энергии Гиббса (уравнение изотермы реакции). Константа равновесия. Зависимость константы равновесия от температуры. Третий закон термодинамики. Тепловая теорема Нернста.

Понятие о парциальных молярных величинах. Понятие идеального раствора. Смесь идеальных газов. Уравнение состояния. Идеальные жидкие растворы. Правило Рауля. Связь между активностью и концентрацией.

Законы Коновалова.

Бесконечно разбавленные растворы. Активность растворителя и растворенного вещества. Закон Генри. Температура замерзания и кипения растворов. Криоскопия и эбулиоскопия, как методы определения молекулярной массы вещества. Осмос. Осмотическое давление.

4.2.3. Равновесие в гетерогенных системах Определение понятий: фаза, компонент, степень свободы. Правило фаз Гиббса. Фазовые равновесия. Диаграмма состояния воды. Фазовые равновесия в двухкомпонентных системах. Диаграмма состояния: с неограниченной растворимостью компонентов, эвтектическая. Понятие о физико-химическом анализе.

Скорость реакции. Кинетика гомогенных химических реакций. Зависимость скорости от концентрации реагирующих веществ. Кинетическая классификация реакций. Молекулярность и порядок реакции. Уравнения реакций первого, второго и третьего порядков.

Зависимость скорости химических реакций от температуры. Правило Вант-Гоффа. Понятие активности молекул. Теория активных столкновений. Уравнение Аррениуса. Энергия активации. Стерический фактор. Основы теории переходного состояния.

Кинетика гетерогенных реакций. Основные этапы гетерогенных реакций. Катализ гомогенный и гетерогенный. Теория гомогенного катализа.

Причины гетерогенного катализа. Кажущаяся и истинная энергия активации. Влияние катализатора на скорость химической реакции. Специфичность катализатора.

Цепные реакции. Фотохимические реакции.

Теория электролитической диссоциации. Степень диссоциации. Сильные и слабые электролиты. Теория слабых электролитов Аррениуса. Связь константы и степени диссоциации. Закон разведения. Теория сильных электролитов Дебая и Гюккеля Особенности сильных электролитов. Взаимодействие между ионами. Ионная сила раствора. Зависимость коэффициента активности от концентрации. Электропроводность растворов электролитов. Удельная и эквивалентная электропроводность. Кондуктометрическое титрование.

Возникновение потенциала на границе раздела двух фаз. Равновесные электродные потенциалы. Уравнение Нернста. Типы электродов. Водородный электрод. Окислительно-восстановительные электроды. Потенциометрическое титрование.

Основные условия осуществления реакции электрохимическим путем.

Электрохимическая ячейка. Перенос ионов и числа переноса.

Термодинамика гальванических элементов. Зависимость электродвижущей силы от концентрации.

Понятие об электролизе. Порядок разрядки катионов и анионов. Концентрационная и химическая поляризация электрода. Явление перенапряжения.

Понятие о дисперсных системах. Особенности коллоидного состояния вещества – высокая дисперсность и микрогетерогенность. Термодинамическая неустойчивость коллоидных систем как следствие избытка поверхностной энергии на границе раздела фаз. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию и размерам частиц.

Свободная поверхностная энергия. Поверхностное натяжение и методы его измерения. Адсорбция на границе раздела жидкость – газ. Поверхностно-активные вещества. Уравнение для адсорбции Гиббса.

Адсорбция на твердых поверхностях. Уравнение изотермы адсорбции Лангмюра. Зависимость поверхностного натяжения от состава раствора.

Формула Шишковского. Строение мономолекулярного адсорбционного слоя. Понятие о дифильности молекул и ориентация их на поверхности фаз. Правило Траубе.

Адсорбция ионов: эквивалентная, специфическая и обменная адсорбция. Смачивание твердых тел жидкостями. Уравнение Лапласа. Краевой угол смачивания. Гидрофобность и гидрофильность поверхности. Понятие о теплоте адсорбции.

Молекулярно-кинетические свойства коллоидов. Броуновское движение. Уравнение, устанавливающее связь между смещением частицы и коэффициентом диффузии. Диффузия в коллоидных системах. Законы диффузии. Уравнение Эйнштейна для коэффициента диффузии.

Особенности осмотического давления коллоидов. Понятие об агрегативной и седиментационной устойчивости. Седиментация и закон Стокса.

Седиментационное равновесие. Седиментационный анализ.

Оптические свойства коллоидов. Явления, наблюдаемые при прохождении луча света через дисперсные системы. Явление Тиндаля. Формула Релея и границы ее применимости. Поглощение света коллоидами. Определение размеров и формы коллоидных частиц оптическим методам. Нефелометр и его применение для определения концентрации и размеров частиц. Ультрамикроскопия. Электронная микроскопия.

Электрические свойства коллоидных систем. Строение мицеллы золя.

Правило Фаянса – Пескова. Строение двойного электрического слоя на поверхности коллоидных частиц. Электрокинетические явления. Электрофорез. Электроосмос. Электрокинетический потенциал. Электропроводность коллоидных растворов. Коагуляция и стабилизация коллоидных систем.

Коагуляция электролитами. Порог коагуляции. Правило Шульце – Гарди.

Изоэлектрическое состояние и перезарядка поверхности. Скорость коагуляции. Теория быстрой коагуляции Смолуховского. Методы получения коллоидных систем: диспергирование, конденсация, пептизация. Очистка золей: диализ, электродиализ, ультрафильтрация.

Порошки. Коагуляция (гранулирование) порошков. Значение порошков в производстве продовольственных товаров.

Суспензии. Отличие суспензий от золей. Определение степени дисперсности суспензий. Связь между смачиваемостью поверхности частиц суспензии дисперсионной средой и устойчивостью суспензий. Примеры суспензий.

Эмульсии и пены. Типы эмульсий. Эмульгаторы. Обращение фаз в эмульсиях. Факторы стабилизации при малых и больших объемных концентрациях. Необходимость применения высокополимеров для стабилизации концентрированных эмульсий и пен.

Понятие о дисперсных системах и коллоидах с твердой дисперсионной средой.

Дымы и туманы. Причины агрегативной неустойчивости дисперсных систем с газообразной средой. Молекулярно-кинетические и оптические свойства аэрозолей. Методы разрушения аэрозолей. Аэрозоли как товары потребления.

Общее представление о полуколлоидных (лиофильных) системах.

Примеры полуколлоидов: мыла, танниды, красители. Моющее действие растворов мыла и различных моющих средств. Строение мицелл мыла.

Коллоидная растворимость (солюбилизация углеводородов в мицеллах мыла).

4.2.10. Высокомолекулярные соединения (ВМС) и их растворы Понятие о ВМС, их классификация и методы получения. Свойства ВМС. Различные агрегатные состояния полимеров. Подвижность звеньев цепи как причина высокоэластичности. Релаксационные явления.

Растворы ВМС как гомогенные, термодинамические системы. Переход полимеров в раствор. Набухание. Стадии набухания. Теплота набухания. Растворы ВМС как истинные растворы. Отличие от коллоидных. Высокомолекулярные электролиты. Вязкость жидкости и методы ее измерения. Основные законы вязкого течения. Аномальная вязкость растворов ВМС. Зависимость вязкости растворов ВМС от концентрации.

Общее понятие о гелях и студнях. Факторы студне- и гелеобразования: влияние формы частиц, концентрации, времени, температуры и добавления электролитов. Механизм студне- и гелеобразования. Механические свойства студней и гелей. Старение коллоидных систем. Явление синерезиса и тиксотропии. Использование гелей в пищевой промышленности.

На самостоятельное изучение выносятся следующие разделы: микрогетерогенные системы, гели и студни.

п/п дисциплины Определение интегральной теплоты растворения соли.

1. 4.2.1.

Определение теплового эффекта реакции нейтрализации.

Определение молекулярной массы вещества криоскопическим методом.

Определение энергии активации каталитического разложения пероксида водорода.

4. 4.2.5. Определение электропроводности растворов электролитов Определение ЭДС и максимальной полезной работы медно-цинкового элемента. Определение потенциалов электродов. Потенциометрическое определение рН растворов.

Поверхностное натяжение и адсорбция. Адсорбция уксусной кислоты на активированном угле.

7. 4.2.7. Получение и коагуляция золей Набухание зерна (гороха) в воде. Набухание желатина в 8. 4.2.10.

9. 4.2.10. Вязкость жидкостей.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

1. Кругляков П.М., Хаскова Т.Н. Физическая и коллоидная химия. М.:

Высшая школа, 2005. – 319 с.

2. Гельфман М.И., Ковалевич И.В., Юстратов В.П. Коллоидная химия. СПб.: Изд. Лань, 2003. – 336 с.

3. Зимон А.Д., Лещенко Н.Ф. Коллоидная химия. М.: Агар, 2001. – 318 с.

4. Мушкамбаров Н.Н. Физическая и коллоидная химия. М.: ГОЭТАРМЕД, 2001. – 383 с.

5. Хмельницкий Р.А. Физическая и коллоидная химия. М.: Высш. шк., 1988. – 400 с.

6. Киреев В.А. Краткий курс физической химии. М.: Химия, 1982 или другой год издания. – 620 г.

7. Писаренко А.П., Поспелова К.А., Яковлев А.Г. Курс коллоидной химии. М.: Высш. шк., 1982 или другой год издания. – 348 с.

8. Голиков Г.А. Руководство по физической химии. М.: Высш. шк., 1988. – 382 с.

5.2. Средства для обеспечения освоения дисциплины Для обеспечения освоения данной дисциплины необходимы: программа, учебники, учебные и методические пособия.

6. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Для обеспечения освоения дисциплины необходимы: лекционная аудитория, лаборатория физической и коллоидной химии, оборудованная для выполнения экспериментальных работ.

Лаборатория должна быть оборудована:

1. Калориметр – 2 шт.

2. Электромагнитная мешалка – 2 шт.

3. Термометр 0-50оС (точность измерения не ниже ±0,1оС) – 2 шт.

4. Прибор для измерения объема выделившегося газа (точность измерения не ниже ±0,2см3).

5. Водяная баня (точность поддержания температуры не ниже ±2оС).

6. Прибор для определения молекулярной массы вещества криоскопическим методом.

7. Термометр Бекмана – 1 шт.

8. Прибор для измерения электропроводности или сопротивление переменному току (частота не менее 1 кгц).

9. Сосуд Оствальда.

10. Вольтметр или милливольтметр постоянного тока (предел измерения 0-2 в. Точность измерения не ниже ±1 мв. Входное сопротивление не менее 1 мом).

11. Хлорсеребряный, хингидронный, медный, цинковый электроды.

12. рН-метр (точность измерения не ниже 0,1 единицы рН).

13. Прибор для определения поверхностного натяжения.

14. Лабораторный встряхиватель. Бюретки на 20 или 50 мл.

15. Штатив для пробирок.

16. Электроплитка.

17. Пипетки на 1, 2, 5, 10 мл.

18. Весы технические (точность измерения не ниже 0,01 г).

19. Весы аналитические или прецезионные (точность измерения не ниже ±0,001 г).

20. Посуда стеклянная. Колбы мерные 50 мл, колбы конические мл, стаканы 100, 250, 500 мл, пробирки 10 мл, бюксы 10, 20 мл, склянки для хранения растворов 0,5, 1 л, воронки.

7. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ

ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

7.1. Методические разработки по дисциплине 1. Физическая и коллоидная химия. Методические указания к лабораторным работам для студентов технологических и товароведных специальностей, Екатеринбург, 2004 г.

2. Физическая и коллоидная химия. Варианты контрольных работ для студентов заочного отделения, 2005 г.

7.2. Примерный перечень вопросов к экзамену 1. Работа и теплота как свойства процесса. Внутренняя энергия и энтальпия. Первый закон термодинамики.

2. Понятие о теплоемкости. Средняя и истинная теплоемкость. Теплоемкость при постоянном объеме и давлении. Закон Гесса.

3. Закон Гесса. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции.

4. Теплота сгорания. Теплота образования. Теплота нейтрализации.

Зависимость теплового эффекта реакции от температуры. Уравнение Кирхгофа.

5. Обратимые и необратимые процессы. Направленность макроскопических процессов. Энтропия.

6. Второй закон термодинамики. Энтропия как мера определения направленности процессов и условий равновесия.

7. Статистический характер 2-го закона термодинамики. Макро- и микросостояния. Термодинамическая вероятность. Уравнение Больцмана.

8. Характеристические функции. Энергия Гиббса и Гельмгольца. Определение условий равновесия и направленности процессов по изменению характеристических функций.

9. Понятие о фугитивности и активности. Константа равновесия. Зависимость константы равновесия от температуры.

10. Третий закон термодинамики. Тепловая теорема Нернста. Формулировка Планка. Абсолютное значение энтропии.

11. Понятие идеального раствора. Смесь идеальных газов. Уравнение состояния. Идеальные жидкие растворы.

12. Совершенные растворы. Правило Рауля. Связь между активностью и концентрацией. Законы Коновалова.

13. Бесконечно разбавленные растворы. Активность растворителя и растворенного вещества. Закон Генри. Объединенный закон Рауля-Генри.

14. Температура замерзания и кипения растворов. Криоскопия и эбулиоскопия как методы определения молекулярной массы вещества.

15. Осмос. Осмотическое давление. Уравнение Вант-Гоффа. Определение молекулярной массы растворенного вещества.

16. Фаза, компонент, степень свободы. Правило фаз Гиббса. Фазовые равновесия.

17. Диаграмма состояния воды.

18. Фазовые равновесия в двухкомпонентных системах.

19. Скорость реакции. Истинная и средняя скорость реакции. Молекулярность и порядок реакции. Закон действия масс.

20. Уравнения реакций первого и второго порядка. Период полураспада.

21. Зависимость скорости реакции от температуры. Правило Вант – Гоффа. Понятие активности молекул.

22. Теория активных столкновений Аррениуса. Энергия активации.

Стерический фактор.

23. Основы теории переходного состояния. Активный комплекс. Путь реакции.

24. Кинетика гетерогенных реакций. Основные этапы гетерогенной реакции. Понятие лимитирующей стадии гетерогенного процесса.

25. Каталитические реакции. Катализ. Теория гомогенного катализа.

26. Гетерогенный катализ. Причины гетерогенного катализа. Изменение энергии активации.

27. Понятие свободного радикала. Цепные реакции.

28. Теория электролитической диссоциации. Сильные и слабые электролиты. Связь константы и степени диссоциации.

29. Теория сильных электролитов. Ионная сила раствора.

30. Электропроводность электролитов. Удельная и эквивалентная электропроводность. Перенос ионов и числа переносов.

31. Возникновение скачка потенциала на границе металл-раствор.

Строение двойного электрического слоя. Уравнение Нернста для электродного потенциала.

32. Равновесные электродные потенциалы. Электроды сравнения. Потенциометрическое титрование.

33. Основные условия осуществления реакции электрохимическим путем. Электрохимическая ячейка, ее типы. Уравнение Нернста для электродвижущих сил гальванического элемента.

1. Понятие о дисперсных системах. Основные особенности коллоидного состояния вещества.

2. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию и размерам частиц дисперсной фазы.

3. Рост удельной поверхности с уменьшением размеров частиц дисперсной фазы. Свободная поверхностная энергия.

4. Поверхностное натяжение и методы его измерения. Адсорбция на границе раздела жидкость-газ.

5. Поверхностно-активные вещества, их строение. Уравнение Гиббса для адсорбции.

6. Зависимость поверхностного натяжения от состава раствора. Формула Шишковского. Правило Траубе.

7. Адсорбция на твердых поверхностях. Уравнение изотермы адсорбции Лангмюра.

8. Адсорбция ионов. Эквивалентная, специфическая и обменная. Понятие о теплоте адсорбции.

9. Смачивание. Гидрофобность и гидрофильность поверхности. Краевой угол смачивания.

10. Диффузия. Диффузия в коллоидных системах. Уравнение Фика.

11. Броуновское движение. Уравнение, устанавливающее связь между смещением и коэффициентом диффузии.

12. Понятие об агрегативной и седиментационной устойчивости.

13. Строение мицеллы золя. Электрофорез. Электроосмос.

14. Электрокинетический потенциал. Коагуляция электролитами.

15. Коагуляция и стабилизация коллоидных систем.

16. Порог коагуляции. Правило Шульце-Гарди.

17. Изоэлектрическое состояние и перезарядка поверхности коллоидных частиц.

18. Скорость коагуляции. Получение гидрозолей химическими конденсационными методами.

19. Методы очистки золей. Диализ, электродиализ, ультрафильтрация.

20. Порошки. Получение. Коагуляция (гранулирование) порошков.

21. Суспензии. Отличие суспензий от золей. Определение степени дисперсности суспензий. Связь между смачиваемостью поверхности частиц суспензии дисперсной средой и устойчивостью суспензий.

22. Эмульсии и пены. Типы эмульсий. Получение и стабилизация.

23. Дымы и туманы. Причины агрегативной неустойчивости. Методы разрушения аэрозолей.

24. Мыла. Моющее действие раствора мыла моющего средства.

Строение мыла. Коллоидная растворимость (солюбилизация) углеводородов в мицеллах мыла.

25. Понятие о ВМС и их классификация. Межмолекулярное взаимодействие в ВМС.

26. Агрегатное состояние ВМС. Температура стеклования и течения.

Высокоэластичное состояние.

27. Растворы ВМС. Переход полимера в раствор. Аномальная вязкость растворов ВМС.

28. Набухание. Стадии набухания. Теплота и давление набухания.

29. Вязкость жидкости и методы ее измерения. Основные законы вязкого течения.

30. Аномальная вязкость растворов ВМС. Зависимость вязкости растворов ВМС от концентрации и давления. Уравнение Штаудингера.

31. Гели и студни. Факторы геле- и студнеобразования. Механизм геле- и студнеобразования.

32. Свойства гелей и студней. Старение коллоидных систем. Явления синерезиса и тиксотропии. Использование гелей и студней.

ТОРГОВО – ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

СЕКЦИЯ

Руководитель – Шибанов Е. В., профессор, к.х.н.

Секретарь – Татауров В.П., доцент, к.х.н.

Сравнительная характеристика некоторых показателей качества увлажняющих кремов для рук.

Н.р. Белышева Г. М., доцент, к.х.н.

Определение фторид-ионов в зубных пастах.

Н.р. Белышева Г. М., доцент, к.х.н., Шарафутдинова Е. Н.

Металлические загрязнения пищевых продуктов.

Ст. Архипова А.В., ТПОП – 04 – Н.р. Вдовина В. М., доцент, к.х.н.

Пектиновые вещества и их определение в пищевых продуктах.

Н р. Вдовина В. М., доцент, к.х.н.

Химическая сигнализация и её роль в жизни животных и человека.

Н.р. Калугина И. Ю., доцент, к.пед.н..

Разработка электронных контролирующих средств по химическим дисциплинам.

Ст. Иевлев А. В., УрГУ, физ.фак., КМ – Н.р. Калугина И. Ю., доцент, к.пед.н.

Голубая вода и мембранные технологии.

Ст. Кокурин А. О., МАПП – Н.р. Шибанов Е.В., профессор, к.х.н.

Технологии 21 века.

Ст. Зернин А. В., МАПП – Н.р. Шибанов Е.В., профессор, к.х.н.

Модификации углерода.

Ст. Дерябин А. С., МАПП – Н.р. Шибанов Е. В., профессор, к.х.н.

Вода и основы очищения организма.

Ст. Кардаполова Е. А., МАПП – Н.р. Щибанов Е. В. профессор, н.х.н.