СОСТАВИТЕЛИ:
В.П. Хейдоров, заведующий кафедрой общей,
физической и коллоидной химии Учреждения образования
«Витебский государственный ордена Дружбы народов
медицинский университет», доктор фармацевтических наук,
профессор; З.С. Кунцевич, профессор кафедры общей,
физической и коллоидной химии Учреждения образования
«Витебский государственный ордена Дружбы народов
медицинский университет», доктор педагогических наук,
доцент; Э.Я. Морозова, доцент кафедры общей, физической и коллоидной химии Учреждения образования «Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет», кандидат биологических наук, доцент РЕЦЕНЗЕНТЫ:
Кафедра химии Учреждения образования «Витебская ордена Почета» государственная академия «Знак ветеринарной медицины»;
А.А. Чиркин, зав. кафедрой химии Учреждения образования «Витебский государственный университет им.
П.М.Машерова», доктор биологических наук, профессор
РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ В
КАЧЕСТВЕ ТИПОВОЙ:
Кафедрой общей, физической и коллоидной химии Учреждения образования «Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет»(протокол №10 от 27.01.2009 г.);
Центральным учебно-методическим советом Учреждения образования «Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет»
(протокол № 2 от 25 февраля 2009 г.);
Секцией по специальности 1-79 01 08 Фармация Учебно-методического объединения вузов Республики Беларусь по медицинскому образованию (протокол № 4 от марта 2009 г.)
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Изучение дисциплины «Физическая и коллоидная химия» дает студентам фармацевтического факультета базовые знания для более полного и глубокого изучения аналитической, токсикологической и фармацевтической химии, фармакологии и фармацевтической технологии, а также для многих физико- химических методов исследования в фармации.Типовая учебная программа разработана в соответствии с образовательным стандартом Республики Беларусь по специальности 1-79 01 08 Фармация (ОС РБ 1- 01 08 - 2008), утвержденным постановлением Министерства образования Республики Беларусь № 50 от 12.06.2008 г. и типовым учебным планом (регистрационный номер L79-004/тип), утвержденным Министерством образования Республики Беларусь 31.03.2008 г.
Отбор содержания данной программы проведен с учетом необходимости постоянного повышения научного уровня и усиления профориентации преподавания фундаментальных дисциплин; требований квалификационной характеристики провизора.
Цель дисциплины: овладение фундаментальными знаниями механизмов процессов и явлений физической и коллоидной химии, которые встречаются в фармацевтической практике при внедрении физико-химических методов получения, анализа и контроля качества лекарств.
Задачи дисциплины:
изучение закономерностей протекания химических, физико-химических и коллоидно-химических процессов, используя при этом теоретические и экспериментальные методы химии и физики;
научить студентов применять знания и умения, приобретенные при изучении физической и коллоидной химии для объяснения физико-химических процессов, протекающих в организме и механизмов действия лекарств;
обучить студентов основным приемам и методам работы при проведении химического эксперимента.
Требования к подготовке студента по окончании изучения дисциплины Студент должен знать:
цели, задачи физической и коллоидной химии; пути и способы их решения;
роль и значение методов физической и коллоидной химии в фармации, в практической деятельности провизора, исследователя;
основные разделы физической и коллоидной химии;
основные этапы развития физической и коллоидной химии, ее современное состояние;
основы химической термодинамики; учение о химическом равновесии; термодинамика фазового равновесия; основы учения о растворах; основные понятия и методы электрохимии;
основы формальной химической кинетики; понятие о теориях химической кинетики;
основы учения об адсорбции и катализе;
основные понятия и законы коллоидной химии;
основные литературные источники и справочную литературу по физической и коллоидной химии.
Студент должен уметь:
самостоятельно работать с учебной и справочной литературой по физической и коллоидной химии;
пользоваться основными приемами и методами физико-химических измерений. Работать с основными типами приборов, используемых в физической и коллоидной химии;
обрабатывать, анализировать и обобщать результаты физико-химических наблюдений и измерений;
применять полученные знания при изучении аналитической, фармацевтической химии, фармакогнозии, фармакологии, токсикологии, технологии лекарств.
Изучение дисциплины «Физическая и коллоидная химия» рассчитано на 261 час, в том числе 152 аудиторных.
Распределение бюджета учебного времени по
ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
Наименованиераздела (темы) закономерности протекания химических процессов 1.1. Основные понятия и законы химической термодинамики 2 1.6. Термодинамика электродных процессов. Электро- 4 химические методы анализов в фармации. Потенцио- метрия 2.1.Дисперсные системы. Классификация дисперсных систем. Методы получения и очистки коллоидных растворов 2.2.Молекулярно-кинетические коллоидных систем 2.3.Строение и электрический заряд коллоидных частиц. 2 Электрокинетическиеявления 2.4.Устойчивость и коагуляция коллоидных систем 2 2.5.Разные классы коллоидных систем. Аэрозоли, порошки, 2 суспензии, эмульсии, их свойства 2.6.Высокомолекулярные соединения (ВМС) и их растворы 4СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА
1. Введение. Физическая химия и её значение в фармации. Термодинамика и закономерности протекания химических процессов Основные этапы развития физической химии. Роль отечественных и зарубежных ученых в развитии физической химии. Место физической химии среди других наук и ее значение в развитии фармации. М.В.Ломоносов, Д.И.Менделеев, И.С. Курнаков, Г.И. Гесс, В.Ф.Алексеев, Н.П.
Бекетов - российские ученые, основоположники физической химии.
Основные понятия и законы химической термодинамики Методы термодинамики. Основные понятия и определения. Системы: изолированные, закрытые и открытые. Состояние системы. Функция состояния.
Процессы: изобарные, изотермические, изохорные и адиабатические. Внутренняя энергия системы. Работа.
Теплота.
Первое начало термодинамики. Математическое выражение 1-го начала. Энтальпия. Изохорная и изобарная теплоты процесса и соотношение между ними. Закон Гесса.
Термохимические уравнения. Стандартные теплоты образования и сгорания веществ. Расчет стандартной теплоты химических реакций по стандартным теп лотам образования и сгорания веществ. Теплоты нейтрализации, растворения, гидратации. Энтальпийные диаграммы. Зависимость теплоты процесса от температуры, уравнение Кирхгофа.
Второе начало термодинамики. Обратимые и необратимые в термодинамическом смысле процессы.
Максимальная работа процесса. Полезная работа. Энтропийная формулировка второго начала термодинамики.
Энтропия - функция состояния системы. Изменение энтропии в изолированных системах. Изменение энтропии при изотермических процессах и изменении температуры.
Статистический характер второго начала термодинамики.
Энтропия и ее связь с термодинамической вероятностью состояния системы. Формула Больцмана.
Третье начало термодинамики. Абсолютная энтропия.
Стандартная энтропия.
Гельмгольца. Энергия Гиббса; связь между ними. Изменение энергии Гельмгольца и энергии Гиббса в самопроизвольных процессах. Химический потенциал.
Термодинамикахимическогоравновесия Термодинамические условия достижения и состояния химического равновесия. Константа химического равновесия и способы её выражения. Уравнение изотермы химической реакции. Уравнения изобары и изохоры химической реакции.
Следствия, вытекающие из этих уравнений. Константа химического равновесия и принцип Ле-Шателье-Брауна.
Расчет константы химического равновесия с помощью таблиц термодинамических величин.
Термодинамикафазовыхравновесий Основные понятия. Гомогенная и гетерогенная системы. Фаза. Составляющие вещества. Компоненты.
Фазовые превращения и равновесия: испарение, сублимация, плавление, изменение аллотропной модификации. Число компонентов ичисло степеней свободы. Правило фаз Гиббса.
Прогнозирование фазовых переходов при изменении условий.
Однокомпонентные системы. Диаграммы состояния однокомпонентных систем (вода, сера). Уравнение Ле-Шателье-Брауна.
Двухкомпонентные (бинарные) системы. Диаграммы плавкости бинарных систем. Термический анализ. Понятие о физико-химическом анализе (Н.С.Курнаков), применение для изучения лекарственных форм. Закон Рауля. Идеальные и реальные растворы. Типы диаграмм "состав - давление пара", "состав - температура кипения". Азеотропы. Первый и второй законы Коновалова- Гиббса. Дробная и непрерывная перегонка (ректификация).
Растворимость жидкостей в жидкостях. Верхняя и нижняя критические температуры растворения (В.Ф.Алексеев).
Взаимонерастворимые жидкости. Теоретические основы перегонки с водяным паром.
Трехкомпонентные системы. Закон Нернста для распределения веществ между двумя несмешивающимися жидкостями.
Коэффициентраспределения.Принципыполучениянастоек, отваров.Экстракция.
Термодинамикарастворовнеэлектролитов Взаимосвязь между коллигативными свойствами растворов: относительным понижением давления насыщенного пара, понижением температуры замерзания, повышением температуры кипения и осмотическим давлением разбавленных растворов нелетучих неэлектролитов. Криоскопическая и эбулиоскопи-ческая константы и их связь с теплотой кипения и плавления растворителя.
Осмотические свойства растворов электролитов.
Изотонический коэффициент.
осмометрический методы определения молярных масс, изотонического коэффициента.
Термодинамикарастворовэлектролитов Теория растворов сильных электролитов Дебая и Хюккеля. Понятие об ионной атмосфере. Активность ионов и её связь с концентрацией. Коэффициент активности и зависимость его величины от общей концентрации электролитов в растворе. Ионная сила раствора. Правило ионной силы. Зависимость коэффициента активности от ионной силы раствора.
Ионизация воды. Ионное произведение воды.
Водородный показатель как мера активной реакции среды.
Эмпирическая шкала активной реакции шкалы.
Буферные системы и растворы, состав и механизм действия. Расчет рН буферных растворов. Ацетатный, фосфатный, аммиачный, водородкарбонатный, гемоглобиновый буферы. Буферная емкость и влияющие на нее факторы. Значение буферных систем для химии и биологии.
Электрохимические методы анализов в фармации.
Потенциометрия Проводники второго рода. Удельная, молярная электрическая проводимость растворов электролитов; их изменение с разведением раствора. Молярная электропроводность при бесконечном разведении. Закон Кольрауша. Электропроводность неводных растворов.
Скорость движения и подвижность ионов. Подвижность и гидратация (сольватация) ионов.
Кондуктометрическое определение степени и константы ионизации слабого электролита, коэффициента электропроводности сильного электролита, растворимости мало растворимых электролитов. Кондуктометрическое титрование.
Электродные потенциалы. Механизм возникновения.
Уравнение Нернста. Электрохимический потенциал.
Стандартные электродные потенциалы. Классификация электродов. Стандартный водородный электрод. Измерение электродных потенциалов. Химические источники тока.
Концентрационные гальванические элементы.
Окислительно-восстановительные потенциалы.
Механизм возникновения. Окислительно-восстановительные электроды. Реальный стандартный окислительно-восстановительный потенциал.
Ионоселективные электроды, стеклянный электрод.
Применение в биологии, медицине, фармации.
Потен-циометрическое титрование. Значение этих методов в фармацевтической практике. Потенциометрическое определение стандартной энергии Гиббса химической реакции и константы химического равновесия.
1.7. Кинетика химических реакций и катализ Методы химической кинетики. Основные понятия.
(многостадийные), гомогенные и гетерогенные. Скорость гомогенных химических реакций и методы ее измерения.
Зависимость скорости реакции от различных факторов. Закон действующих масс для скорости реакции. Молекулярность и порядок реакции.
Уравнения кинетики необратимых реакций нулевого, первого, второго порядков. Период полупревращения.
Методы определения порядка реакции. Зависимость скорости реакции от температуры. Температурный коэффициент скорости реакции. Теория активных бинарных соударений.
Энергия активации. Связь между скоростью реакции и энергией активации. Определение энергии активации.
Ускоренные методы определения сроков годности лекарственных препаратов. Элементы теории переходного состояния (активированного комплекса).
Сложные реакции: обратимые (двусторонние), сопряженные (Н.А. Шилов). Превращения лекарственного вещества в организме как совокупность последовательных процессов; константа всасывания и константа элиминации.
Цепные реакции (М. Боденштейн, Н.Н. Семенов). Отдельные стадии цепной реакции. Неразветвленные и разветвленные цепные реакции. Фотохимические реакции. Закон фотохимической эквивалентности Эйнштейна. Квантовый выход реакции.
Гетерогенные реакции. Скорость гетерогенных реакций и факторы, её определяющие. Кинетическая и диффузионная области гетерогенных процессов. Примеры гетерогенных реакций, представляющих интерес для фармации.
Каталитические процессы. Положительный и отрицательный катализ. Развитие учения о катализе (JI.A.Баландин, Н.И. Кобозев). Гомогенный катализ.
Механизм действия катализатора. Энергия активации каталитических реакций.
Кислотно-основный катализ. Металлокомплексный катализ. Ферментативный катализ. Торможение химических реакций.
1.8. Термодинамика поверхностных явлений Термодинамика поверхностного слоя. Поверхностная энергия Гиббса и поверхностное натяжение. Методы определения поверхностного натяжения. Зависимость поверхностного натяжения от температуры. Краевой угол смачивания. Энтальпия смачивания и коэффициент гидрофильности.
Адсорбция на границах раздела фаз жидкость-газ, жидкость-жидкость. Поверхностно-активные (ПАВ) и поверхностно-неактивные вещества (ПНВ). Изотерма поверхностного натяжения. Уравнение Шишковского.
Поверхностная активность. Правило Дюкло-Траубе.
Ориентация молекул (ПАВ) в поверхностном слое.
Определение площади, занимаемой молекулой поверхностноактивного вещества в насыщенном адсорбционном слое, и максимальной длины молекулы ПАВ. Уравнение изотермы адсорбции Гиббса.
Адсорбция на твердых адсорбентах. Измерение адсорбции на границах раздела твердое тело - газ и твердое тело - жидкость. Факторы, влияющие на адсорбцию газов и растворенных веществ. Мономолекулярная адсорбция, уравнение изотермы адсорбции Лэнгмюра, Фрейндлиха.
Полимолекулярная адсорбция. Капиллярная конденсация, абсорбция, хемосорбция.
Адсорбция электролитов. Неспецифическая (эквивалентная) адсорбция ионов. Избирательная адсорбция ионов. Правило Панета-Фаянса. Ионообменная адсорбция.
Иониты и их классификация. Обменная емкость. Применение ионитов в фармации.
хроматографических методов по технике выполнения и по механизму процесса. Гель-фильтрация. Применение хроматографии для получения и анализа лекарственных веществ.
2. Коллоидная химия Основные этапы развития коллоидной химии. Т. Грэм и И.Г. Борщов - основатели коллоидной химии. Роль отечественных и зарубежных ученых в развитии коллоидной химии (А.В. Думанский, В. Оствальд, П.А. Ребиндер).
Значениеколлоиднойхимии в развитиифармации.
дисперсных систем. Методы получения и очистки коллоидных растворов Структура дисперсных систем. Дисперсная фаза, дисперсионная среда. Степень дисперсности.
Классификация дисперсных систем: по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, по характеру взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой, по подвижности дисперсной фазы.
Методы получения и очистки коллоидных растворов.
Диализ, электродиализ, ультрафильтрация.
свойства коллоидных систем Броуновское движение (уравнение Эйнштейна), диффузия (уравнения Фика), осмотическое давление.
Седиментация. Седиментационная устойчивостьи седиментационное равновесие. Центрифуга и ее применение для исследования коллоидных систем.
Рассеивание и поглощение света. Уравнение Рэлея.
Ультрамикроскопия и электронная микроскопия коллоидных массыколлоидныхчастиц.
Строение и электрический заряд коллоидных частиц. Электрокинетическиеявления Природа электрических явлений в дисперсных системах. Механизм возникновения электрического заряда на границе раздела двух фаз. Строение двойного электрического слоя. Мицелла, строение мицеллы золя. Заряд и электрокинетический потенциал коллоидной частицы.
Влияние электролитов на электрокинетический потенциал.
Явление перезарядки коллоидных частиц.
Электрокинетические явления. Электрофорез. Связь электрофоретической скорости коллоидных частиц с их электрокинетическим потенциалом (уравнение Гельмгольца-Смолуховского). Электрофоретическая подвижность. Электрофорети-ческие методы исследования в фармации.
Электроосмос. Электроосмотический метод измерения Практическоеприменениеэлектроосмоса в фармации.
Устойчивость и коагуляцияколлоидныхсистем Кинетическая и агрегативная устойчивость коллоидных систем. Факторы устойчивости. Коагуляция и факторы, ее вызывающие.
Медленная и быстрая коагуляция. Порог коагуляции, его определение. Правило Шульце-Гарди. Чередование зон коагуляции. Коагуляция золей смесями электролитов.
Правило аддитивности, антагонизм и синергизм ионов.
Пептизация. Коллоиднаязащита.
Фрейндлиха. Теория Дерягина- Ландау-Фервея-Овербека.
Разные классы коллоидных систем. Аэрозоли, порошки, суспензии, эмульсии, их свойства молекулярно-кинетические свойства. Электрические свойства. Агрегативная устойчивость и факторы, ее определяющие. Разрушение. Применение аэрозолей в фармации.
гранулирование и распыляемость порошков. Применение в фармации.
Суспензии и их свойства. Получение. Устойчивость и Седиментационныйанализсуспензий.Пены. Пасты.
Эмульсии и их свойства. Получение. Типы эмульсий.
Эмульгаторы и механизм их действия. Обращение фаз эмульсий. Устойчивость эмульсий и ее нарушение. Факторы устойчивости эмульсий. Коалесценция. Свойства концентрированных и высококонцентрированных эмульсий.
Применение суспензий и эмульсий в фармации.
поверхностно-активными веществами (МПАВ): растворы Мицеллооб-разование в растворах ПАВ. Критическая концентрация мицеллообразования и ее определение.
Солюбилизация и её значение в фармации. Мицеллярные коллоидные системы в фармации.
2.6. Высокомолекулярные соединения (ВМС) и их растворы Методы получения ВМС. Классификация ВМС, гибкость цепи полимеров. Внутреннее вращение звеньев в макромолекулах ВМС. Кристаллическое и аморфное состояние ВМС. Упруго-твердое (стеклообразное), высокоэластичное (каучукообразное) и пластическое (вязко-текучее) состояние полимеров. Связьмеждустроением и механическимисвойствамиполимеров.
Набухание и растворение ВМС. Механизм набухания.
Термодинамика набухания и растворения ВМС.
Влияниеразличныхфакторовнастепеньнабухания.Лиотропныерядыионов.
Вязкость растворов ВМС. Отклонение свойств растворов ВМС от законов Ньютона и Пуазейля. Уравнение Бингама. Причины аномальной вязкости растворов полимеров. Удельная, приведенная и характеристическая вязкости. Уравнение Штаудингера и его модификация.
Определение молярной массы полимера вискозиметрическим методом.
Полимерные неэлектролиты и полиэлектролиты.
Полиамфолиты. Изоэлектрическая точка полиамфолитов и методы её определения.
Осмотические свойства растворов ВМС. Осмотическое давление растворов полимерных неэлектролитов. Отклонение от закона Вант-Гоффа. Уравнение Галлера. Определение молярной массы полимерныхнеэлектролитов. Полиэлектролиты.
Осмотическоедавлениерастворовполиэлектролитов.Мембран ноеравновесиеДоннана.
Факторы устойчивости растворов ВМС. Высаливание, пороги высаливания. Лиотропные ряды ионов. Зависимость порогов высаливанияполиамфолитов от рН среды.
Коацервация - простая и комплексная. Микрокоацервация.
Биологическое значение. Микрокапсулирование.
Застудневание. Влияние различных факторов на скорость застудневания. Тиксотропиястудней.Синерезис.
ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
ЛИТЕРАТУРА
Основная:1. Евстратова К.И., Купина Н.А., Малахова Е.Е.
Физическая и коллоидная химия: Учебник - М., Высшаяшкола, 2. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии: Учебник - М., Химия, 3. Практикум по физической и коллоидной химии:
учебноепособиедлястудентовфармацевтических институтов и фармацевтических факультетов медицинских институтов (под редакцией проф. К.И.Евстратовой), - М., Высшаяшкола, 1990.
Дополнительная:
Даниэльс Ф.И, Олберти Р. Физическая химия, пер. сангл. - М., 1978.
Захарченко В.Н. Сборник задач и упражнений по физической и коллоидной химии. -М., 1978.
Ершов Ю.А., Попков В.А., Берлянд А.С., Книжник А.З. «Общая химия. Биофизическая химия»: Учебник - М., Высшая школа, 2000.
«